折射混合望远物镜的设计、制作及实验

    一、引言

    折衍混合光学系统(HOS)包括传统光学器件,如透镜、棱镜、反射镜等,也含有如全息光学器件HOS、二元光学透镜BOL等的衍射光学器件。这样的系统同时利用了光在传播中的折射和衍射两种特性,具有独特的色散性质、良好的热性能及单色像差校正能力(即波面校正能力)[1~5]。在成像系统设计中不仅可以增加设计的自由度,而且能够突破传统光学系统的诸多方面的局限。而,在改善系统像质、减小体积和降低成本等多方面表现出传统光学系统无可比拟的优势。在世界范围内,越来越多的光学研究人员开始关心HOS在成像领域的应用研究。

    折射混合单透镜是最简单的折衍混合器件,通常其折射器件是平凸透镜,也是衍射器件的基底,在其平面上加工衍射器件的相位表面,这种带有衍射面的平凸透镜即混合单透镜,如图1所示。

    在混合成像系统中,DOE独特的色散特性可用于消色差。沿用类似于传统双胶合透镜的消色差光焦度分配公式,可得到用于混合系统的折衍光焦度分配公式[6];但是通常情况下,若同时用DOE实现消球差,由于衍射器件具有大反向色差,往往会带来很大的色球差;因此有些设计者认为对于由球面折射透镜与DOE组成的混合单透镜不能同时实现对色差和球差的校正,严重地限制了混合系统有效孔径的增大[7]。

    本文总结了小视场成像情况下,进行混合单透镜的设计方法和步骤;当DOE同时用以消色差和球差时,需采用改进型光焦度分配公式;最后给出了用以取代双胶合望远镜物镜的设计结果和实验结果。

    二、混合单透镜的设计方法和步骤[8]

    由于望远物镜视场角较小(通常全视场小于10b),相对孔径中等或较大,入瞳与透镜组重合,所以其像差具有以下特点:与口径有关的像差如球差较大,与视场有关的像差较小。因此,物镜通常只校正轴上球差、正弦差和轴向色差。

    1.结构形式确定

    平凸基底的弯曲系数B=?1的两种结构形式如图2所示,不同结构形式的球差和彗差不同,通过分析两种结构对应的初级球差、彗差系数,选择产生较小球差和彗差的结构,以使得初始的基底像差最小,减小衍射面消像差的负担,便于进行像差校正。弯曲系数B=1对应结构的SÑ、SÒ系数,因其正负项相消合成,具有较小的初级球差和彗差,故选择图2(a)结构形式。

    2.采用改进的光焦度分配公式以确定折射面和衍射面的光焦度Uref和Udif

    设旋转对称二元光学衍射面的相位函数表示形式为

    式中K为波长。为了消色差必须使系统的总色差系数为零,即可求得衍射面和折射面光焦度分配Uref和Udif,衍射面的系数A1随之而定,其他系数A2,A3,,等可用以消球差。但是在设计中发现,对某一种波长的球差可消得很好,而在白光波段范围内确存在着严重的色球差,这是由于衍射面的负色散特性所造成的。如果在光焦度分配时保留一定的色差,将有助于球差色分布的校正。对于平凸透镜,无穷远成像,弯曲系数B=1,共轭系数C=-1的情况下,改进型光焦度分配公式[9]如下式所示