用于大截面传像光纤束的折衍混合光学系统设计

　　引 言

　　光纤传像束(简称传像束) 与传统的光学成像器件相比具有传像特性优良、使用空间自由度大、重量轻等优点，并且易实现复杂空间结构的图像传递，还能在强电磁干扰、高温有腐蚀的场合工 作。由于其特有的不可替代的特性，被广泛应用于医学、工业、科研、军事等众多领域[1-3]。传像束两端面的光纤呈一一对应的排列，因此出射图像和入射图 像基本一致，出射图像通过目镜(耦接镜) 供人眼直接观察或者耦接CCD 监视[2, 3]。典型的传像束光学系统主要由前置物镜、传像束、目镜(耦接镜) 等组成。随着 CCD 成像技术和大截面光纤传像束技术的发展，对传像束光学系统的成像质量、传光特性和体积重量提出了更高的要求，传统的设计已经不能满足要求，必须对光学系统 进行优化设计[2, 4]。

　　1 前置物镜设计

　　1.1 设计原理

　　传像束实际上是利用单根光纤的传光来达到其传像目的。因此，在传像束前置光学物镜设计时，一定要满足光纤的全反射条件。在设计时，仅仅使前置光 学系统的像方数值孔径与传像束的物方数值孔径相匹配是不够的。因为轴上物点的成像光束关于光轴对称，能全部进入传像束。而轴外物点成像光束关于主光线对 称，其一部分上光线或一部分下光线的入射角将会超过传像束的数值孔径角，导致被拦光。为了保证轴上物点和轴外物点的全部成像光束都能进入传像束中传播，应 将前置光学物镜设计成像方远心光路[5]。

　　将孔径光阑置于光学系统的前焦点处，如图1 所示，可以实现光学系统的像方远心光路。但是，在宽视场的条件下，将孔径光阑置于光学系统的前焦点处，将造成光学系统的横向尺寸过大，随之质量也过大。因 此，我们采用将孔径光阑置于光学系统中间，光学系统的前组为负光焦度，孔径光阑处于光学系统后组的前焦点处的结构形式，可以保证光学系统具有比较小的体积 和重量，如图2 所示。如果光学系统的前组为正光焦度，难以形成宽视场光学系统。

　　为了保证传像束光学系统最终的成像质量，前置光学物镜的极限空间分辨率应该大于传像束的极限分辨率。在对前置光学物镜设计时，轴外像差校正一般 比较困难，如果像差平衡得不好，特别是像面场曲校正得不好，就会出现轴外像面模糊，甚至因光纤的弥散性而使得轴外像面的轻度失真。为了提高成像质量，同时 使系统的体积和重量得到控制，可以适当地引入非球面，尤其是高次非球面[6]。

　　1.2 设计实例

　　我们需要设计的传像束光学系统，工作波长为 0.8~1.1μm，2ω=60°。CCD 探测器有效光敏面尺寸为4.9mm×3.6mm (对角线 6mm)，像元尺寸 6.50μm×6.25μm。为了提高成像质量，采用大截面光纤传像束，单丝直径 16μm，截面直径 Ф6mm。选择两组结构简单，光焦度分配为“负-正”形式的透镜组作为前置光学物镜初始结构，满足像方远心要求。通过计算和 ZEMAX 光学设计软件的优化，得到如图3 所示，由 7块镜片组成的前置光学物镜，该物镜焦距 5mm，入瞳口径 1.3mm，视场角为 60°。大截面光纤传像束单丝直径16μm，采用六角形序排列，根据奈奎斯特定理，其极限分辨率为34lp/mm。而前置光学物镜在 34lp/mm空间频率处各个视场的 MTF 值均大于 0.81，表明其像质优良。图4 是物镜的传递函数曲线。该前置物镜具有比较小的体积和重量。