基于1.06/1.54μm激光的离轴折反式平行光管物镜设计

    引言

    平行光管是通过它来取得平行光束，广泛应用于辐射校准、无穷远目标模拟及检测等工程领域中。随着激光技术快速发展，在激光探测领域中需求工作在某一激光波长的专用光学系统，然而现在大多数的平行光管工作波段宽，在测试装调此类光学系统时如果利用现有的平行光管误差较大且不方便，因此需要专用的平行光管。本文设计了针对用于 1.06/1.54 μm 激光的离轴折反射平行光管物镜。

    1 结构选择

    反射镜在许多方面比透镜优越，主要表现在：口径可以做成任意大小，而一般生产供应的优质光学玻璃块直径不会很大且价格昂贵；没有色差，工作的波段非常宽，不会像透镜那样表现出有选择性的光谱吸收特性；其曲率只有光焦度相同的透镜的 1/4，因而反射镜的相对孔径可以大同时不会带来过分大的像差余量；同时使用多个反射镜可以使光学系统变得十分紧凑^[1]。但是，由于全部的光焦度集中在一个反射镜上，它的形状必须准确地符合要求，即使是重力作用或者温度变化造成微小的形变也会导致像质的严重变坏。同轴反射系统视场小且存在中心遮拦，严重影响了进入系统的能量，同时也降低了光学系统的分辨率。离轴反射系统不存在中心遮拦，而且优化变量多，在提高光学系统视场大小的同时极大改善了系统成像质量^[2]。平行光管物镜像质要求严格，需要校正二级光谱且要达到衍射极限。透镜系统消除二级光谱在很大程度上依赖于光学特种玻璃和晶体的使用，也可以使用衍射元件独特的色散特性来消除。多个反射镜组成的平行光管物镜由于不存在色差，所以也就不考虑二级光谱的校正。

    二次非球面几何焦点的无球差特征，使其在大口径光学系统中被广泛地运用。离轴抛物面反射镜克服了中心遮拦问题，其加工和检测难度较高，近几年随着需求的增大，关于改善其加工工艺和检测精度的方法屡见报道。

    本设计要求中心无遮拦、成本相对较低且结构简单紧凑，如果采用两反系统，主镜和次镜都采用非球面成本略高，故采用离轴抛物面反射镜加补偿镜组的方案^[3]。主镜为抛物面反射镜无球差、色差，但是存在慧差。由于本系统工作波长是单色光（λ₁＝1.06μm，λ₂＝1.54μm）亦无色差，所以补偿镜组可以用同一种材料且自身消球差，产生与主镜符号相反的慧差，从而达到校正像差的目的^[4,5]。

    轴对称二次曲面方程表达式：

    2 优化过程

    光瞳中心与主镜几何旋转对称轴的偏离会产生离轴慧差和一定量的离轴像散，离轴量越大，离轴慧差和离轴像散像差表现越严重，像差校正难度就越大，系统也就越复杂。由于系统需要在λ₁＝1.06μm，λ₂＝1.54 μm 条件下分别达到衍射极限，因此利用ZEMAX 软件的 MULTI-CONFIGURATIONS 功能建模。在设计过程中利用主镜的半径来控制系统的焦距值，补偿镜组不参与系统光焦度分配，即光焦度为零，只作为补偿像差使用。系统的离轴量在设计初始不做为变量优化，当像差经过初步优化得到极大改善后，加入离轴量为变量，系统像质进一步得到改善，再将主镜的二次项、四次项、六次项的系数做为变量优化。不断地优化直到系统满足要求为止。