一種兩鏡五反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 剛

(海軍駐西安二十所軍事代表室，陜西 西安 710065)

引言

隨著軍用光電技術(shù)的發(fā)展和作戰(zhàn)需求，寬光譜、多傳感器的光電裝備已經(jīng)成為軍事裝備的新寵，而光電裝備中各傳感器之間光軸一致性要求是光電裝備發(fā)揮效能的保證，因此需要一種能檢測(cè)光電裝備各傳感器光軸一致性的光電測(cè)試儀器。目前光電測(cè)試儀器中的光學(xué)結(jié)構(gòu)一般有折射式、反射式和折反射式等3種，其中折射式光學(xué)結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，加工裝配容易、像質(zhì)優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在一般的光電測(cè)試儀器中使用較為廣泛，但是對(duì)于光譜范圍寬(可見、激光1.064 μm、紅外)，焦距長(zhǎng)、相對(duì)孔徑較大的光學(xué)系統(tǒng)，由于存在透寬波譜光學(xué)材料少，色差校正困難的缺點(diǎn)，限制了其使用[1]。反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)不存在色差，能在寬光譜段工作，光路可以最大限度地折疊，容易實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，此外，由于非球面加工和測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展，使得非球面的加工精度得到很好的保證，因此反射式光學(xué)系統(tǒng)尤其是兩鏡系統(tǒng)的應(yīng)用將越來越廣泛。本文在兩鏡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩鏡五反光學(xué)系統(tǒng)，在不增加反射鏡的前提下實(shí)現(xiàn)5次反射，滿足多光譜、長(zhǎng)焦距、縱向尺寸短的光學(xué)系統(tǒng)要求。針對(duì)兩鏡光學(xué)系統(tǒng)軸外像差難于校正的問題，采用高次非球面設(shè)計(jì)的方法解決成像質(zhì)量的要求。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

設(shè)計(jì)的光電測(cè)試儀器光學(xué)系統(tǒng)滿足：工作波段0.4 μm～12 μm；視場(chǎng)1 mrad；F#=1.33；長(zhǎng)焦距1.6 m；總長(zhǎng)≤85 mm。

2 設(shè)計(jì)過程

2.1 設(shè)計(jì)思路

光學(xué)系統(tǒng)工作在寬光譜段，并且體積小，如果選用透射式光學(xué)系統(tǒng)，需使用寬光譜光學(xué)材料，尺寸很難達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，因此使用反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)。反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)具有縱向外形尺寸小、相對(duì)孔徑大、分辨率高、透過率高、光能損失少，不產(chǎn)生色差的特點(diǎn)，并且還具有壓縮光學(xué)長(zhǎng)度的特點(diǎn)，能夠滿足使用要求。

2.2 初始結(jié)構(gòu)選取及參數(shù)計(jì)算

2.2.1初始結(jié)構(gòu)選取

反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)中，單反射式結(jié)構(gòu)校正像差困難，視場(chǎng)小，僅用在一些特殊場(chǎng)合。雙反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)包括牛頓系統(tǒng)、格里高里系統(tǒng)、卡賽格林系統(tǒng)、RC系統(tǒng)以及等暈系統(tǒng)等類型，其中兩鏡系統(tǒng)的主鏡為拋物面，次鏡為雙曲面，具有壓縮比大，像質(zhì)優(yōu)良的特點(diǎn)，可以選為光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)[2]。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步壓縮系統(tǒng)軸向總長(zhǎng)，減小體積，本文提出了兩鏡五反光學(xué)系統(tǒng)。

兩鏡五反光學(xué)系統(tǒng)工作原理：光學(xué)系統(tǒng)采用在兩鏡系統(tǒng)的2個(gè)反射面上共反射5次的結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合一種新型材料——光譜轉(zhuǎn)換靶，共同組成光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 兩鏡五反光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 Two-mirror five-reflection optical system

兩鏡光學(xué)系統(tǒng)主鏡鏡面焦點(diǎn)與次鏡鏡面焦點(diǎn)重合，組成一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)，當(dāng)激光測(cè)距機(jī)傾斜一定角度入射時(shí)，其激光光束將在主次鏡上反射5次，前2次反射組成一級(jí)望遠(yuǎn)系統(tǒng)，后2次反射組成二級(jí)望遠(yuǎn)系統(tǒng)，經(jīng)主鏡的第5次反射對(duì)激光光束進(jìn)行聚焦。激光光譜轉(zhuǎn)換靶位于激光光束聚焦的焦面位置，激光光譜轉(zhuǎn)換靶在受激光輻射激勵(lì)后能夠同時(shí)輻射熒光并且發(fā)熱，產(chǎn)生可見光到長(zhǎng)波紅外的光譜，靶面受激輻射產(chǎn)生的可見光到長(zhǎng)波紅外的光譜再逆向經(jīng)兩鏡五反光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直為多種光譜的平行光輸出，模擬無窮遠(yuǎn)點(diǎn)目標(biāo)，供光電裝備光軸調(diào)校使用。

2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

(1)

系統(tǒng)的焦距為

(2)

式中N代表在次鏡上反射的次數(shù),本系統(tǒng)中N=2。

系統(tǒng)焦距為1.6 m，由(1)式和(2)式可得到主次鏡半徑的關(guān)系，因此主鏡半徑確定后便可得到次鏡的半徑。由于主次鏡為共焦系統(tǒng)，所以二者間距為其焦距之差。至此，可得到兩鏡系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

表1 初始結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of initial structure

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

兩鏡光學(xué)系統(tǒng)的單色像差一共有5種：球差、彗差、像散、像面彎曲及畸變。由于光學(xué)方案使用了軸外光線成像，其像差較大，因此可以在兩鏡面上采用高次非球面，能有效地消除高級(jí)球差以及彗差和像散等軸外像差[3]。將計(jì)算的初始結(jié)構(gòu)帶入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODEV中進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)置外部參數(shù)，選取k值、四次、六次項(xiàng)作為優(yōu)化變量，完成光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

系統(tǒng)優(yōu)化后的參數(shù)如表2所示。光線傾斜2°入射，主鏡和次鏡均為高次非球面。

表2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of optical system

優(yōu)化后的兩鏡五反光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，像質(zhì)如圖3所示。

圖2 優(yōu)化后的兩鏡光學(xué)系統(tǒng)Fig.2 Two-mirror system after optimization

圖3 系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)及能量分布圖Fig.3 Point spread function and encircled energy of optical system

本設(shè)計(jì)由于選用了反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，不存在色差的影響，很好地發(fā)揮了寬光譜，長(zhǎng)焦距的優(yōu)點(diǎn)。從圖3可以看出，本系統(tǒng)能量匯聚度較好，可以滿足使用要求。采用的透鏡非球面度較小，工藝性好，現(xiàn)有的加工技術(shù)可以滿足加工非球面的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，反射式光學(xué)系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)多個(gè)鬼像，因此需要在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加多次消雜光的光欄來消除鬼像的影響。

4 結(jié)論

本文在某光電測(cè)試儀器研制過程中設(shè)計(jì)了一種兩鏡五反光學(xué)系統(tǒng)，滿足了多光譜、長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)要求。針對(duì)兩鏡光學(xué)系統(tǒng)軸外像差難于校正的問題，采用高次非球面設(shè)計(jì)的方法，解決了成像質(zhì)量的要求。使用一種新型校靶材料，通過光學(xué)系統(tǒng)在校靶材料上聚焦，轉(zhuǎn)換為可見光到長(zhǎng)波紅外的光譜，實(shí)現(xiàn)了模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)的功能。該光學(xué)系統(tǒng)通過配置不同的導(dǎo)光棱鏡輔助裝置，可組成多種便攜式光軸測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)光電產(chǎn)品不同基線傳感器光軸平行性的檢測(cè)，滿足長(zhǎng)焦距、短縱向尺寸、低成本等需求。

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