大口径透射无光焦度系统的研制

　无光焦度系统随着激光技术的发展应用越来越广泛.无光焦度系统可分为透射无光焦度系统和反射无光焦度系统,反射无光焦度系统的优点是对于不同波长均适用,对材料的要求也不十分严格,但缺点是存在着中心遮拦.透射式无光焦度系统的优点是没有中心遮拦,但对材料要求很严格,难以做到很大的口径.

    透射式无光焦度系统分为伽利略系统和开普勒系统两种形式.

    伽利略型无光焦度系统没有实焦点,因此可以使用于强激光,它的优点是筒长短,轴上像差好校正.缺点是系统成虚像,不能放置消杂光光阑;因为孔径光阑在物镜上,经目镜成像后出瞳离目镜太远,轴外像差不好校正.开普勒型无光焦度系统有会聚的实焦点,系统不能用于强激光.它的优点是轴上像差容易校正,轴外像差能够得到很大的改善,可以在焦点处放置消杂光光阑.缺点是筒长较长.因为物镜与目镜皆为正透镜组,所以场曲不能校正.

    为了改正上述两种扩束系统的不足,笔者使用了组合无光焦度系统,可以实现较大相对孔径和较大视场无光焦度系统.

   1　设计方法

   为了实现扩大视场,必须校正与光阑无关的场曲SⅣ,这只有通过合理选择正、负透镜的光焦度分配才能实现,也就是说光学系统中必须有负透镜才能保证场曲SⅣ=∑φn=0,其中φ为光焦度,n为折射率.系统中需要有场镜拉近光阑,来校正轴外像差.系统应该具有实的会聚点,这样才能加消杂光光阑来消除杂散光.

    为了能说明此系统,根据具体使用要求,设计出一套无光焦度系统,使用波长λ=0.632 8μm,有效通光孔径Φ0=300 mm,物镜焦距f′=800 mm,系统放大倍率为50倍.材料选择德国Schott的Q1熔石英玻璃.为了便于检验与装校,物镜与目镜单独设计校正像差[2~4].

    1.1　物镜设计

    因为物镜视场角不大,所以只需要校正球差SⅠ和正弦差SⅡ.物镜第一面为无光焦度系统的孔径光阑,为了校正像差,将第一面改为非球面.因单片非球面透镜的非球面度很大,加工难度很大,将单片非球面透镜改为两片单透镜,第一片单透镜为四次非球面平凸透镜,第二片为球面透镜.物镜要求边缘带球差为零,轴上波像差为零,轴外波像差优于λ/15.

   物镜的初始解求解采用传统的光学设计方法,再经过光学设计程序优化设计,得出最终结构.

    1.2　目镜设计

    目镜的有效通光孔径Φ0=6 mm,焦距为f′=26.667 mm,半视场为1.72°.目镜的视场较大,除了要校正SⅠ与SⅡ以外,还需要校正像散SⅢ、场曲SⅣ、畸变SⅤ.正透镜组校正SⅠ与SⅡ,单片透镜不能校正这两种像差,因此要复杂化,将正透镜组分为三片单透镜.负透镜组主要是校正轴外像差,通过调节正透镜组与负透镜组之间的间隔d来校正SⅢ,SⅤ.