Φ300F800哈特曼物镜的研制

　　1　引　言

　　随着现代光学技术和国防科学技术的发展,在对空间和地面的观测以及各项技术指标的测量中,如激光传输、波前变形测量、大气质量评价等,都需要大口径、大相对孔径、高质量的非球面光学镜头。由于需求的增加和对这一类元件加工要求的进一步提高,传统加工工艺很难适应这些要求[123]。本文介绍了研制Φ300哈特曼扩束器前组物镜的过程,实践证明采用激光辅助调整光路以及长条型磨块修磨非球面等方法,对于研制带有非球面的大口径、大相对孔径镜头具有较高的精度和效率。

　　2　光学系统设计

　　扩束器一般由前组物镜和后组物镜组成。由于非球面具有校正像差的功能,而非球面单透镜的像差校正能力有限,对于大相对孔径的物镜非球面单透镜,很难满足其光学系统设计指标的要求,因此综合考虑成像质量和加工难度等因素,我们选用了两透镜的组合形式。系统要求在三种不同波长下工作,但是发射系统的激光器是单一波长的,因此系统不要求消除色差。保持前组物镜结构不变,设计三种不同的后组物镜来满足系统在三种不同波长下工作的要求。

　　根据三级像差理论及等偏角和球差极小值原则,用PW法求解物镜初始结构参数[425]。前组物镜的球差和彗差必须得到校正,由焦距和相对孔径对两透镜光焦度适当分配,就可求出两透镜的初始结构参数。

　　放大倍率β=30×,所以后组口径为10 mm,f=26.667 mm,半视场为1.72°。由于后组视场比较大,因此在后组物镜设计[6]时场曲还必须校正。根据解得参数,用Zemax光学设计软件分别对前组和后组进行优化,然后再对接,最后整体进行优化,就可以得到比较理想的结果。

　　下面是在λ=0.632 8μm时前组物镜的设计结果, Q12Schott折射率为1.457 003 06,设计数据如表1所示。

　　从上面设计结果可知,物镜边缘带球差为零,轴上波像差为0,轴外±1 mrad内波像差约λ/20,对接后系统的轴上波像差约为λ/300,边缘视场的波像差约为λ/25,可见该系统成像质量非常高。

　　3　球面和平面加工

　　平面、球面的加工和普通光学冷加工工艺基本相同,所以这里仅对加工工艺改进部分进行说明。

　　由于镜头口径大,有效口径为300 mm,而且由两片透镜组成,所以要做到高精度PV<λ/8,不但要对平面和球面光圈进行严格控制,而且两片透镜偏心差也都要有保证。现有的定心磨边机无法加工这么大的口径,我们采用控制透镜垂直度和等厚差的方法来保证偏心差的要求。

　　首先要保证垂直度。采用如图1所示的装置测量垂直度,把装有千分表的磁性表座固定在平盘边缘,工件放在3个等分圆周的圆珠上,使工件与3个圆珠所定圆同心,工件的外圆由固定在平盘上的2根铁杆固定。测量时,把表头与工件外圆的垂直方向接触,靠近上边缘,转动工件一周,均匀取8个点测量,最大值和最小值差即为垂直度。对读数小的底面部分进行修磨,边磨边测量,并逐步修正,依理论计算和实际加工情况,垂直度要小于0.005 mm。