二元球透镜可见/紫外双波段光学系统

　　0 引言

　　大视场孔径光学系统为满足像质要求，往往结构复杂，通常需要八至十几片光学元件[1-4]，导致光学透过率低， 在空间和体积方面也无法满足航天使用要求。球透镜是实现大视场成像的最简单的光学元件，虽然形成了球面像面，但可以利用光纤面板将球面像面传输到平面像面，通过像增强器在探测器上形成清晰的图像。因此，利用球透镜实现大视场是光学系统轻小型化的一条理想途径[5]。

　　但由于在设计球透镜大视场光学系统时，可变参数少，在某些应用场合，如星敏感器的光学系统，因需要较大的光通量，导致相对孔径较大，从而无法设计出满足像质要求的球透镜。文中采用在球透镜中加工二元光学元件的方法[6]，即将球透镜一分为二， 在其中一个表面上加工台阶状的二元光学表面，然后用紫外胶重新把两部分胶合起来。该方法可有效校正色差和球差，提高像质。同时提出利用谐衍射技术[7-8]，使一个二元面同时工作在可见和紫外两个波段上，形成可见/紫外双波段光学系统。仿真试验表明：所研制的球透镜具有工程可行性。

　　1 二元球透镜设计

　　球透镜可见/紫外双波段光学系统结构如图1 所示。可以看出：二元球透镜可实现大视场光学成像，所形成的像面为球面，从而有效校正场曲。为提高像质，采用折射率较高的蓝宝石作为光学材料。为校正光学系统的色差，采用二元光学元件，将其加工在孔径光阑处的平面上，孔径光阑为6 mm，球透镜口径为18 mm。为便于球透镜及二元元件的加工，将球透镜分为左半球、平片及右半球3 部分，分别加工，并将二元元件加工在平片上，最后利用紫外胶(折射率为1.415 1)将3部分胶合形成二元球透镜。在半视场0~15°内接收光谱范围为0.500~0.800 μm 的可见光波段信号，在半视场15~35°内接收光谱范围为0.350~0.360 μm 的紫外波段信号，为保证清晰成像，两波段的像面存在一定的焦移，由于成像面由光纤面板组成，两波段的焦移可直接利用光纤面板来补偿。系统的入瞳为10 mm，焦距为11.25 mm。

　　球透镜的前表面曲率半径为10.42 mm，后表面曲率半径为14.49 mm。孔径光阑位于离前表面中心9.69 mm 处。平片的厚度为3 mm，二元面加工在平片的前表面(即孔径光阑处)。平片的后表面距离球透镜的后表面中心7.35 mm。像面曲率半径为12.980 mm，当系统用于紫外波段时，像面的位置将前移0.18 mm。从光线追迹的结果可知：可见波段像高为3.02 mm，紫外波段像高为2.96~6.65 mm。

　　二元面的相位表达式为：

　　经光学系统优化设计， 二元元件的参数如下：最大项数n=12; 规化半径为2.5 mm;A1 =-547.239 34，A2 =4 671.843 9，A3 =-28 267.117，A4 =96 654.137，A5 =-198 931.96，A 6 =249 246.88，A 7 =-174 497.46，A 8 =36 404.995，A 9 =42 482.439，A 10 =-39 004.454，A 11 =13 417.171，A12 =-1 759.239。