中长焦透射式日盲紫外光学系统设计

评价函数RMS+Wavefront+Centroid，并合理设置默认评价函数的权重[11]。由于刚开始系统的像差较大，所以总长先放宽到160 mm，并在优化过程中用TOTR与OPLT这2个操作数共同控制系统总长，同时合理控制系统的边界条件，在优化过程中反复地对边界条件进行考察修改。初步优化的结果如图2所示。

在初步优化的结果上进一步将光学系统总长缩小到154 mm，再对其进行优化。在优化过程中有些轴外光线对像质的影响较大，可设置一些渐晕将对成像质量不利的边缘光线拦掉，同时要保证边缘相对照度不能小于70%。在优化中还对几何像差LONA、AXCL、TARY、DIMX进行控制，优化后期，使用MTFT、MTFS控制系统轴外的MTF，这对像质的提升有所帮助。

1.5 像质评价

经优化后的光学系统结构如图3所示，图4～8为该光学系统的各种特性曲线。

由图3可知光学系统共用了6片透镜，其中紫外滤光片离石英保护玻璃的距离大于7 mm，符合系统大于4.5 mm的要求，系统结构简单合理。由图4可知系统在20 lp/mm处全视场光学传递函数都大于0.8。从图5能量集中度曲线可以看出在紫外CCD接收面內，能量集中度大于90%。从图6中可见，全视场均方根半径均小于7.4 μm即小于CCD的最小像元直径，成像质量良好。从图7中可见系统的全视场的相对照度大于70%。从图8中可知系统的场曲校正到0.26 mm以内，畸变小于2%。

根据照相物镜的波像差小于λ/2时视为像质优良的原则，常把波像差小于λ/2～λ作为照相物镜轴上球差的公差标准[12]。相应的初级球差公差表示如下：

图9为系统的球差曲线图，由图可知，该系统主波长的实际球差最大值为0.262 mm，在边光初级球差公差要求范围内，轴向色差为0.1 mm。由此可见，该光学系统各项指标均满足设计要求，可用于日盲紫外导弹告警系统以及其他紫外光电探测设备。

2 公差分析

基于目前的加工工艺，对紫外光学系统进行公差分配时通过分析各项公差参数在特征频率20 lp/mm处MTF的下降情况，确定最终的公差分配值。鉴于此将元件的倾斜公差设置为±0.015 mm，有些较为敏感的元件设为±0.01 mm；元件的厚度或空气间隔公差TTHI设为±0.05 mm，有些较为敏感的设为±0.02 mm；折射率公差TIND设为±0.001，较为敏感的元件设为±0.000 7；偏心公差Decenter设为±0.015 mm，较为敏感的设为±0.01 mm；元件曲率半径公差TFRN设置为±4个光圈；透镜面型局部误差ΔN设为0.4个光圈。灵敏度分析及蒙特卡罗分析对MTF下降的结果如表2、表3所示，蒙特卡羅分析的结果显示该紫外光学系统的90%以上的蒙特卡罗样本在20 lp/mm处的MTF值大于0.485。由表2可知第4片透镜的空气间隔比较敏感，折射率公差0.000 7，属于中等，总共有00、0、1、2、3、4类别，0.000 7属于2类，00类最高，为0.000 2，在加工生产时要严格控制。根据系统的要求及相应的公差分析最后得出系统的公差分配情况如表4所示。

3 结 论

基于用户需求，设计了一款日盲紫外光学系统。该系统的工作波段在240～280 nm，采用6片标准球面透镜，其焦距为160 mm，F数为3.5，总长为154 mm。从点列图、能量分布曲线图、MTF曲线图及公差分析情况来看该系统成像质量良好，满足导弹告警系统的使用要求。

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（编辑：刘铁英）

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