长焦物镜折衍混合式平行光管设计

　　平行光管是光学实验及计量检测的重要设备，是一种高精度测试仪器，可以测量微小角度位移及平面的微小起伏，是目前工厂和实验室的测试仪器之一;同时，也是照相物镜和望远物镜等无限共轭成像光学系统的校调和像质检验不可缺少的测量基准。在检测中，高精度平行光管对保证质量至关重要[1，2]，其工作原理是用来产生平行光，两端分别为消色透镜组和照明系统。

　　衍射光学元件由于具有一系列独特的性质，在成像光学系统中的应用越来越广泛，人们也一直在尝试将衍射光学元件应用于军用成像光学系统。20世纪 90 年代后期，日本和北美就已在可见光波段将衍射光学元件用于 CMOS 和 CCD 相机光学系统。不久前国外出现的一种远摄型照相镜头和一种变焦镜头中都已采用了衍射光学元件，使得镜头的体积更小，重量更轻，成像质量更好[3]。本文探讨一种长焦物镜折衍混合式平行光管的设计方法，对其它大孔径平行光管的设计也具有参考意义。

　　1 传统平行光管的设计方案

　　平行光管系统一般采用完全反射或完全折射元件来完成，但反射式系统体积大，装调、加工困难，不适宜军事应用。因此，使用透射式系统(以便同后面的混合系统作比较)，但必须使用不同的透镜材料。由于机械长度的限制，平行光管的相对口径约为 1:6，像差校正困难，为此选用三片式复消色差系统进行设计，在 CODEV 下优化得到的系统结构如图 1 所示。可以看到在各种优化条件都加以考虑的情况下，包括厚度、距离等都做了无法忍受的让步，但系统依然笨重、不适用，像差也比较大。基于以上缺点，采用新的方法对该系统加以改进设计。

　　1.1 长焦复消色差平行光管物镜的设计原理与方法

　　长焦复消色差平行光管是光学设计的难题之一，本文在设计过程中，利用波差与球差、慧差、波色差与位置色差、二级光谱的关系，推导出求解三片复消色差物镜初始结构方程式，为后续的设计工作打下了坚实的理论基础[4-6]。

　　二元光学元件(BOE)的等效阿贝数和相对部分色散为

　　式中， 为参考波长， 和 分别为短波和长波波长。由式(1)可知，二元光学的色散性质由使用的波长所决定，与基底材料无关，而折射元件的色散是由材料的性质所决定的。当取参考波长为L谱线，消色差波长为 C，F 谱线时，可得到BOE=3.46，BOE=0.6063。

　　由于上述讨论中没有限定混合透镜的材料，因此在原则上，混合透镜的材料可在整个玻璃范围内选择。常用玻璃范围的两端是普通冕牌玻璃和重火石玻璃，可选择其中两种最常用的玻璃K9或ZF3。当选择K9作为混合透镜材料时，将BOE和9的两个坐标点连起来，得到混合等效玻璃线 BOE-K9直线，如图 2 所示。