离轴抛物面反射式红外平行光管设计

    引言

    平行光管是无穷远目标模拟器，它是一种高精度、综合型光学检测基础设备。由于反射系统受材料限制较小，便于轻量化设计，完全没有色差，系统透过率高；离轴系统不存在中心遮拦且焦点被引到主反射镜之外，光路可折叠，减小了系统体积，因此离轴反射式结构在平行光管的设计中得到了广泛的应用。

    1 系统光路的工作原理

    如图 1 所示为平行光管的光学原理图。光路由靶标、平面反射镜和离轴抛物面反射镜构成，根据系统的需求离轴抛物面镜的焦距 f＝1500mm，离轴量 h＝210 mm。

    首先确保靶标 S 在离轴抛物面反射镜的焦点处，靶标 S 发射出的光线先经过一个与水平轴成 45°的平面反射镜 L，再入射到离轴抛物面反射镜上，则出射光为平行光。

    在满足加工精度和保证有效通光日径的前提下，根据总指标要求综合考虑离轴抛物面镜的离轴量、平面反射镜的尺寸和位置，从而确定平行光管的整体外形结构，得出的箱体的外形尺寸为：长 1096mm，宽460 mm，高 345 mm。

    2 抛物面反射镜成像质量分析

    2.1 抛物面反射镜焦点处仿真

    我们应用光学软件对抛物面反射镜在焦点处的成像质量进行了仿真，如图 2 所示。

由图 2 可以得到如下结论：

    1）对于焦距为 1500mm 的抛物面系统，不存在色差，像散和轴向球差较小。

    2）像方数值孔径仅为 0.0288，且对于不同波长的光，在不同的视场内各点差别不大，成像比较稳定。

    2.2 分析与计算

    设抛物面反射镜的顶点为坐标原点 O，水平轴为x 轴，靶标所在方向为 y 轴正方向，建立如图 3 所示的坐标系。

    抛物面反射镜所在方程为：y²＝4f′x，其中 f′为抛物面反射镜焦距。

    靶标所在位置为：x＝f′     焦点为：F(f′,0)

    设点 S(f, y₁)为靶标上任意一点，M(x₀, y₀)为抛物面上任意一点。

    从 S 点发出的光线入射到 M 点的入射光方程即为

    焦点(f ′, 0)处发出到达点 M(x₀, y₀)的入射光线方程为：

    即从焦点 F(f ′, 0)处发出到达抛物面反射镜上点M(x₀, y₀)的入射光线与水平方向的夹角为θ₁，从 S(f′, y₁)点发出到达 M(x₀, y₀)的入射光线与水平方向的夹角为θ₂，其反射光线与水平方向的夹角为θ，则反射光斜率即为:

由以上分析可得出以下结论：