消像差条件在共形光学系统中的应用

　　0　引言

　　导引头整流罩的空气动力学性能和罩结构的总长度同底部口径大小之比即径长比有关,除此之外罩外表面的具体面型对其也有一定的影响[1].通常非球形整流罩的径长比越大,导引头所引入的空气阻力越小.我们把这种突破传统球面面型选择而根据空气动力学性能的要求来确定面型的光学系统称为共形光学系统[2].虽然径长比大于0.5的非球形整流罩的空气阻力小,但其设计、加工和检测要远远复杂于球形结构.在利用万向支架扩大观察视场的导引头结构中,每个子观察视场中用于实际成像的整流罩结构都不相同,因而共形光学系统的设计、加工和检测都存在着许多困难.

　　万向支架式共形导引头整流罩结构外形虽然具有旋转对称性,但其设计已经超出了旋转轴对称光学系统的设计范围.与捷联导引头结构相比,采用万向支架结构能够在扩大系统搜索范围的同时降低轴外像差对成像质量的影响,从而提高系统的搜索跟踪精度.然而万向支架式共形整流罩光学系统在非零观察视场中的成像质量却不尽如人意,系统中除初级球差外的所有低阶像差都存在着明显的波动性,其中像散曲线的变化尤为恶劣.在较小的观察视场中,整流罩引入了线性增加的系统像散;在大观察视场中,系统像散随整流罩结构的不对称性而平方增加,其动态范围已远远超出了实际成像系统的像差校正能力[3].所以共形光学系统在设计过程中主要有两个设计重点:一是降低系统中存在的大像差;二是校正系统中残留的动态像差.

　　在利用理想透镜代替整流罩后实际成像光学系统的共形结构中,由于理想透镜在轴上和轴外视场中均不产生任何像差,所以该系统的非零观察视场与捷联共形整流罩结构的轴外视场除后者存在渐晕效应外仍存在些许相似性.本文将根据轴对称非球面光学系统中消像差条件探讨万向支架式共形整流罩中的消像差方法.

　　1　消像散条件

　　在轴对称光学系统中彗差、像散、畸变均与光阑位置有关.由于万向支架式共形整流罩中像散是影响成像质量的首要因素,所以首先探讨在该结构中消像散的万向节点位置的选择.

　　1.1　瞳像散条件

　　在单二次曲面折射面中根据瞳像散条件[4-5]可以找到系统中像散为零时的光阑位置.对细光束焦点有影响的是该折射面在主光线折射点的曲率.轴对称非球面上任意一点的子午和弧矢两方向的曲率半径r1和r2可以通过微积分几何公式求出.设二次曲面子午截线方程为:y2=f(x).则曲面在子午和弧矢截面内的曲率半径分别为：

　　式中细光束入射角为I、折射角为I′;n、n′分别为折射前后介质折射率;t和t′(s和s′)分别为子午(弧矢)截面内物距和像距.