一種大視場(chǎng)寬波段平行光管的設(shè)計(jì)

戴 藝 丹

（河西學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000）

引言

隨著航天、航空事業(yè)的不斷發(fā)展，干涉型成型光譜儀的視場(chǎng)越來(lái)越大，其核心部件干涉儀的視場(chǎng)也隨著增大.為了實(shí)現(xiàn)干涉儀的精密裝調(diào)，需要通過(guò)一個(gè)大視場(chǎng)目標(biāo)入射到干涉儀，從而形成大面陣的干涉條紋.為了提高干涉條紋測(cè)量精度，要求大視場(chǎng)目標(biāo)具有畸變小、色差小的特點(diǎn)，從而需要設(shè)計(jì)一個(gè)大視場(chǎng)寬波段平行光管來(lái)提供滿足上述特征的目標(biāo)物.

1 平行光管概述

平行光管是進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試的一種必備儀器，在光學(xué)檢測(cè)儀器中占有重要地位.在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的焦距、分辨率等參數(shù)測(cè)量時(shí)一般都要用到平行光管［1］.

平行光管是基于幾何光學(xué)原理所設(shè)計(jì)的光學(xué)器件，一般由物鏡、光源、分劃板、調(diào)解機(jī)構(gòu)等組成.在光學(xué)系統(tǒng)焦面上放置一個(gè)點(diǎn)光源，光線經(jīng)平行光管物鏡的折射后以平行光出射，主要作用就是為測(cè)試設(shè)備提供一個(gè)無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)［2］.

平行光管按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，可分為直筒式、可調(diào)視度式、分離式、折轉(zhuǎn)式平行光管、按照物鏡的光學(xué)系統(tǒng)類型分類，又可分為反射式、折射式、折返式三種類型.但傳統(tǒng)反射式平行光管視場(chǎng)較小，且軸外像差較大，很難滿足大視場(chǎng)寬波段高精度的需求，因此本設(shè)計(jì)采用大視場(chǎng)目鏡初始結(jié)構(gòu)，經(jīng)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax不斷優(yōu)化，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo).

2 大視場(chǎng)寬波段平行光管的設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)結(jié)構(gòu)選取

正確的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)型式，即光學(xué)結(jié)構(gòu)的選取，通常是光學(xué)設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵.

平行光管發(fā)展至今，其結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了透射式、折反式、反射式的演變.

透射式的平行光管常見(jiàn)的形式是雙膠合系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，正確設(shè)計(jì)的透射式平行光管可同時(shí)校正球差、色差和正弦差，但由于受到視場(chǎng)和相對(duì)孔徑限制，折射式的平行光管不能很好的校正帶球差和軸外像差.同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)口徑過(guò)大時(shí)，透鏡本身的重量會(huì)造成膠合面的松動(dòng)，而長(zhǎng)焦距的投射式平行光管一般透鏡數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)也會(huì)比較復(fù)雜，結(jié)合像差、透鏡加工水平和光學(xué)材料等因素，透射式平行光管通常適用于視場(chǎng)大、焦距短、通光口徑不大、像質(zhì)要求不高的場(chǎng)合.

折反射式平行光管是在反射式平行光管的基礎(chǔ)上加入折射光學(xué)元件，一般是像差補(bǔ)償透鏡或非球面校正板，這樣既能校正系統(tǒng)的球差和軸外像差，也能擴(kuò)大系統(tǒng)的視場(chǎng)，但是和透射式平行光管一樣，由于有透射光學(xué)元件的存在，也需要采用特殊的光學(xué)材料或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)消除二級(jí)光譜或色差，同時(shí)也難以做到輕量化、大口徑的設(shè)計(jì).

反射式平行光管由于不受光學(xué)材料的限制，不產(chǎn)生色差，可做到寬光譜成像，光路可折疊設(shè)計(jì)，便于縮短機(jī)械筒長(zhǎng)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊；各反射面也可采用非球面，利于提高系統(tǒng)的像質(zhì)和減少零件數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)；同時(shí)反射式的結(jié)構(gòu)對(duì)溫度變化不敏感，在真空中和空氣中具有焦面一致的特性，特別適用在空間環(huán)境中使用.但通常反射式平行光管視場(chǎng)小，僅為1°×1°，且由于其反射式的結(jié)構(gòu)，存在中心遮欄，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量.另外，反射式光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)難度大、加工成本昂貴［5］.

故經(jīng)過(guò)綜合考慮，結(jié)合本設(shè)計(jì)針對(duì)的實(shí)際使用場(chǎng)景對(duì)視場(chǎng)、焦距、像差以及裝調(diào)難度的要求，本設(shè)計(jì)的平行光管選用透射式光學(xué)系統(tǒng).

2.2 平行光管技術(shù)參數(shù)的確定

平行光管的主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)分別為視場(chǎng)、通光孔徑、焦距、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）［3］.由于傳統(tǒng)反射式平行光管視場(chǎng)較小，且軸外像差較大，很難滿足大視場(chǎng)寬波段高精度的需求，因此本設(shè)計(jì)采用大視場(chǎng)目鏡初始結(jié)構(gòu)，光管結(jié)構(gòu)形式為透射式，經(jīng)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax 不斷優(yōu)化，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo).平行光管的主要技術(shù)參數(shù)有視場(chǎng)，光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)，焦距f和通光孔徑D，結(jié)合應(yīng)用在干涉儀上的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)為：

2.2.1 視場(chǎng) 平行光管的物鏡視場(chǎng)需要依據(jù)適用場(chǎng)合所需最大視場(chǎng)確定，本設(shè)計(jì)中將平行光管的全視場(chǎng)定為22°×22°（±12°）.

2.2.2 F數(shù) 由幾何光學(xué)知，理想的點(diǎn)光源經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)之后，在像空間的像面上的成像不是一個(gè)像點(diǎn)，而是一個(gè)彌散斑，稱為艾里斑.艾里斑的尺寸是光學(xué)系統(tǒng)性能的重要參數(shù)，光學(xué)系統(tǒng)性能好壞與艾里斑的尺寸成反比［4］.

由物理光學(xué)知艾里斑的計(jì)算公式為

其中，λ為光學(xué)系統(tǒng)波長(zhǎng)，F(xiàn)是光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù).

由（1）式可推出

對(duì)像差的要求主要為傳遞函數(shù)68lp/mm處MTF相對(duì)衍射極限下降不多于0.1；軸上、軸外彌散斑直徑均小于5um；系統(tǒng)畸變不大于1%；全波段色差小于一倍焦深；視場(chǎng)均勻性方面要達(dá)到全視場(chǎng)無(wú)漸暈.

光學(xué)系統(tǒng)布局如圖1 所示. 該系統(tǒng)焦距307mm；視場(chǎng)角±12°，全視場(chǎng)無(wú)漸暈；工作波長(zhǎng)為450nm～900nm；有效通光口徑Φ50mm；出瞳位置距離第一片透鏡50mm；后工作距離54.57mm；系統(tǒng)總長(zhǎng)：411mm.

圖1 光學(xué)系統(tǒng)光路圖

3 像質(zhì)評(píng)價(jià)

本設(shè)計(jì)對(duì)像差的要求主要為傳遞函數(shù)68lp/mm處MTF相對(duì)衍射極限下降不多于0.1；軸上、軸外彌散斑直徑均小于5um；系統(tǒng)畸變不大于1%；全波段色差小于一倍焦深；視場(chǎng)均勻性方面要達(dá)到全視場(chǎng)無(wú)漸暈.

設(shè)計(jì)完成后的平行光管各種像差曲線如圖2～圖9所示.從圖2光學(xué)傳遞函數(shù)曲線可以看到68線對(duì)處衍射極限為0.64，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求.

圖2 光學(xué)傳遞函數(shù)曲線（68線對(duì)處衍射極限為0.64）

圖3 光學(xué)系統(tǒng)橫向（垂軸）象差曲線

圖4 光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖

圖5 光學(xué)系統(tǒng)離焦點(diǎn)列圖

圖6 光程差曲線圖

圖7 光學(xué)系統(tǒng)軸向色差（最大0.04mm）

圖8 光學(xué)系統(tǒng)場(chǎng)曲和畸變

圖9 網(wǎng)格畸變

并且從圖2～圖9可以看出，各個(gè)視場(chǎng)彌散斑直徑均小于艾里斑直徑，達(dá)到衍射極限，畸變矯正優(yōu)于0.2‰.傳遞函數(shù)幾乎接近衍射極限，滿足了大視場(chǎng)、寬波段、小畸變的設(shè)計(jì)要求.

3 總結(jié)

本文針對(duì)可見(jiàn)光寬波段大視場(chǎng)平行光管物鏡進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)ZEMAX軟件，完成了平行光管物鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行了像差分析，給出了較為完善的設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)干涉儀的精密裝調(diào)檢測(cè)要求的大視場(chǎng)寬波段平行光管.此外，這種大視場(chǎng)寬波段平行光管還可應(yīng)用于鏡頭組件焦面位置的精確調(diào)整.