1设计指标
成像变焦系统像面一般保持不变，视场和相对孔径发生变化，而模拟器变焦系统可根据实际模拟场景的需要对光学特性参数提出要求，例如为了模拟红外场景的逼近，有一种变焦系统[2]在变焦过程中，视场不变，像高及相对孔径变化。根据导引头的测试要求以及导引头、模拟器在五轴转台上的安装需要，确定光学系统的设计指标(按光路追迹方向)为•工作波段0.65~0.9μm•视场5°×5°；11°×11°•像面尺寸16.5mm(对角线)•F数2.2•入瞳距离600mm•MTF(35lp/mm处)中心视场MTF>0.3；边缘视场MTF>0.2•畸变<3%从以上参数可以看出，与成像变焦系统不同，为了使模拟器输出均匀场景，变焦准直光学系统应与导引头光学系统的光瞳衔接，并保证模拟器在五轴转台上安装。在本设计中，使光学系统的孔径光阑即系统的入瞳位于镜组前600mm处来满足这一要求。
2光学系统设计
2.1结构形式及参数确定
变焦系统[3]有连续变焦系统和切换式变焦系统。模拟器大小视场之间并不要求连续变化，因此考虑采用切换式变焦系统，即在长焦光路中插入一组镜头来改变系统的焦距，实现大小视场的转换，大小视场共用相同的透镜组可减少透镜的数量，简化系统结构。如图1所示，光学系统由望远透镜组、变倍透镜组、中继透镜组、全反射棱镜组成。光学系统在结构形式上采用二次成像结构[4-5]，目的在于缩小后组透镜的口径，减小全反射棱镜的外形尺寸。按照模拟器的投影方向，中继透镜组将像面上的图像放大，在透镜组之间产生一个中间像，望远透镜组将放大的中间像以平行光投射出去。为了减小模拟器的横向尺寸，光学系统利用变倍透镜组的旋进和旋出实现大小视场的切换，在使用大视场时，变倍透镜组被旋转进入系统光路，在使用小视场时，变倍透镜组被旋出系统光路。光学系统的孔径光阑位于望远透镜组前600mm处，大小为Ф60mm，这种结构使轴外光束在第一组透镜上的投射高很大，第一片透镜的通光口径大约在Ф191mm，轴外像差难校正，因此应选取两片以上的透镜，由于透镜口径大，不宜采用胶合透镜。中继透镜组为一个近距离成像的透镜组，为了更好地校正像差，可选用孔径光阑在中间的对称式结构。考虑到整个系统的总长以及像差平衡，望远透镜组的焦距取f1=290mm左右，中继透镜组焦距取f2=80mm左右，放大倍率为-0.3倍。
2.2系统优化
系统是在小视场的基础上实现大视场的转换，因此首先对小视场进行优化设计，先分别优化望远透镜组和中继透镜组，再将两组和进一步优化。为了提高光学系统的像质，可在设计中引入非球面，合理选择非球面的位置，可有效地校正球差及轴外像差，在中继透镜组引入非球面，一方面有利于像散、畸变、以及彗差的校正，另一方面由于透镜的口径小，便于非球面的加工和检测。在望远透镜组和中继透镜组之间加入变倍透镜组时，透镜组的片数和材料根据像差的校正情况来确定。另外在保证变倍透镜组切换空间的前提下，控制望远透镜组和中继透镜组之间的距离以减小变倍透镜的口径，从而减小旋转电机的承重。模拟器采用数字微镜阵列DMD[6]作为图像生成器件，在光学设计时应考虑光源的导入，系统采用全反射棱镜实现光源光路的折转，不仅便于光源位置的调节，而且能使系统结构紧凑。棱镜相当于玻璃平行平板处于会聚光路中，会产生各种像差，像差的大小取决于玻璃平行平板的折射率和厚度，因此在优化过程中，棱镜应置于光路中和透镜组一起消像差。二次成像结构总长较长，因此在优化过程中，应对系统总长加以限制以满足转台对模拟器外形的要求。
2.3全反射棱镜参数的确定
如图2(a)所示，全反射棱镜[7]由两片棱镜组成，两片棱镜中间有很小的空气间隙(≤50μm)，由光源发出的光束在棱镜1界面2上发生全反射，又在棱镜1界面3上发生折射，被DMD反射后，再次透过棱镜1的界面2进入光学系统。由于空气间隙很小，从DMD反射回来的光束经过棱镜时，光轴会有很小的位移，但不会有角度的偏移。全反射是通过棱镜1实现，因此棱镜1的设计比较关键，在设计中主要是确定棱镜1中α角和β角的值。
3设计结果
根据以上思路，利用Zemax软件进行优化计算，得到如图3所示的光学系统，望远透镜组由4片透镜组成，中继透镜组由两个单透镜和两个胶合透镜组成，两组均采用重冕玻璃和重火石玻璃组合消色差；中继透镜组采用了2个二次非球面和2个高次非球面进一步校正像差。变倍透镜组由4片透镜组成，采用重冕玻璃、重火石玻璃以及火石玻璃组合消色差。望远透镜组4片透镜的通光孔径较大，在Ф158mm~Ф193mm之间。系统焦距的变化使模拟器实现了两个视场的转换，F数保证了测试的能量，入瞳距足以满足模拟器变焦系统与导引头光学系统光瞳的匹配以及导引头的安装空间，系统总长可保证模拟器在转台上的安装需要。变焦系统长焦和短焦的调制传递函数如图4所示，畸变如图5示。图4表明系统在35lp/mm处，长焦时轴上0视场调制传递函数为0.65，轴外1.0视场调制传递函数大于0.54；短焦时轴上0视场调制传递函数为0.53，轴外1.0视场调制传递函数大于0.17。系统长焦时像质良好，短焦时弧矢方向调制传递函数略差，但也能满足模拟器的使用要求。由图5可以看出，系统在中心波长λ0=0.75μm处，长焦时畸变小于0.07%，短焦时畸变小于0.4%，系统畸变小于1%，完全可满足模拟器对畸变的要求。考虑光源的大小以及像差的校正，选取棱镜的厚度d=25mm，将棱镜置于光路中和透镜组一起校像差，通过光路追迹，可得到棱镜1界面3的通光口径D，再考虑装夹余量，取D=35mm。在图2(b)中，由于DMD的偏转角为24，入射光线在界面3上的折射角i′即为24，棱镜采用k9玻璃，k9玻璃在中心波长λ0=0.75μm处的折射率n=1.51141087，又知空气折射率n′=1，由折射率定律得到i=15.61。再由式(4)和式(2)计算得到棱镜1的＝47.24，β＝31.63。由图2(b)可知光线在界面2上的入射角θ==47.24，由式(1)计算得临界角im=41.42，θ＞im，由此可见棱镜1的角度值完全可以使入射光线实现全反射。
4结论
根据电视导引头测试与评估的要求，设计了可使目标模拟器实现双视场变换的变焦准直光学系统。该变焦系统采用二次成像结构，缩小了后组透镜及全反射棱镜的外形尺寸，通过旋转透镜组切换焦距，不仅减小了模拟器的横向尺寸，而且保证了小视场光轴的稳定性；光学系统采用4个非球面提高系统像质并简化结构。整个系统结构紧凑，小视场像质良好，大视场像质能够满足模拟器的使用要求。
作者：郑雅卫 高教波 王军 李俊娜 胡煜 孙科峰 高泽东 陈青 单位：西安应用光学研究所
