离轴抛物面反射式平行光管的结构设计

　　二次非球面几何焦点的无像差特征,使其在大口径光学系统中被广泛地运用.由于离轴抛物面镜反射式平行光管中心区域没有遮拦,具有其他形平行光管无法比拟的优势.离轴抛物面反射镜是该平行光管的主要组成部件,其加工和测难度较高,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[1~5],但将离轴抛物面反射镜作为平行光管组件,综合考虑该类平行光管整体结构的设计却鲜见讨论.尤其对于离轴抛物面镜的加工,其加工难度以及加工成本都与离轴量、口径等参数有着密切关系.平行光管为消杂散光的封闭式结构,主镜为离轴抛物面反射镜,焦距(650±5) mm,有效通光口径为100 mm,波面变形PV(peak & valley)值小于等于λ/5(λ=0.632 8μm),采用无应力固定方式,避免变形;次镜为小平面反射镜,其口径应保证(光源离焦±100) mm时不挡光,PV值小于等于λ/6.离轴抛物面和平面反射镜膜层的波段范围为0.4~12μm.

　　1　平行光管结构参数的确定

　　根据以上指标要求,在满足加工精度和保证有效通光口径的前提下,需要根据指标的光源离焦要求来综合考虑离轴抛物面镜的离轴量、小平面反射镜的尺寸和位置,以确定平行光管各个部件的结构尺寸,从而为设计平行光管的整体外型结构打下基础.为便于计算,作出平行光管内相应的光路图,如图1所示.

　　图1中,φ为离轴抛物面镜的口径;f为离轴抛物面镜的焦距;h为离轴量;S为焦点位置, S1为点光源的向后移动位置,与之镜面对称相应为线、下边缘和上边缘光线与顶点中心轴线的夹角(与此对应,点光源向后移动时边缘光线对应的夹角为α′1和α′2);B,C点则分别为离轴抛物面镜上、下边缘光线与平面反射镜所在位置的交点(与此对应,点光源向后移动时的边缘光线对应位置为B′,C′);β1和β2为点光源S和平面反射镜边缘的夹角,相应的向后离焦位置S1对应的夹角为β′1和β′2(在图中未直接给出).

　　由于光源点S的前后移动,使得离轴抛物面镜反射后的边缘光线相应偏转,造成小反射镜挡光.由反射定理可知,光源点S向前移动时,反射光束向中间压缩,无需考虑光线被平面镜挡住;而光源点S向后移动到S1时,反射光束向边缘发散,上边缘光线相应向上偏移β′2-β2,下边缘光线相应向下偏移β′1-β1,此时的下边缘光线有可能被平面反射镜遮挡住.按照光源点S向后移动距离为d时的下边缘光线向下偏移β′1-β1计算,应该满足:光源点未离焦时的离轴抛物面反射镜下边缘光线距平面镜上边缘B′的距离lEB′应大于光源点离焦后下边缘光线在该位置处的偏移距离lEA,即

　　考虑到作为平行光管用途的离轴抛物面镜的焦距一般都比较长,根据图1有: