非球面光学系统设计、加工及检验的综合考虑

　　1　光学系统的设计

　　红外焦平面是任务提出方已有的,又叫红外热像仪,是一个密封好的整体。从窗口到冷屏的距离为15 mm,从冷屏到红外接收器的距离为20 mm,冷屏直径为Φ5 mm,光敏面尺寸为9·6×7·18 mm2。焦距900 mm是使用者提出的要求。这样,系统通光口径Φ225 mm和视场角2ω=0·8°也就一定了。

　　在这里,“冷屏”实际上是系统的出射光瞳,若希望主镜的口径最小,则入瞳应在主镜面上。因此光瞳的匹配与现有的“热像仪”相适应是这个光学设计 的前提条件。经过试算及思考之后,发现:双反射系统加一个小的锗透镜是满足要求的最佳方案(见图1)。但要求入瞳正好在主镜面上,而且还要与与冷屏共轭是 比较困难的。换句话说,入瞳难免要偏离主镜面,这样,主镜的口径就会变得大于Φ225 mm。

　　一开始做出了一个像质较好的结果,但主镜口径偏大,且主、副镜的加工、检验及锗透镜的凸非球面的检验均比较麻烦。后来又进行优化,找出了一个系统,其像斑略大于前者,但还是在衍射极限之内。两个系统像质的点图及传递函数见图2和图3。

　　第一方案的像斑尺寸略好于第二方案,然而两个方案都在衍射斑50μm之内,第一方案的系统总长比第二方案只短8 mm,但通光口径第一方案比第二方案大35 mm。

　　2　光学检验方案的比较

　　两个方案的非球面参数列于表1。

　　根据表1,将各镜的检验方法及需用的辅助镜列于表2。由上述比较可以看出,第一方案的主、副镜检验各需一块球面辅助镜,口径分别为Φ280 mm和Φ190 mm。而第二方案主镜不需要辅助镜,副镜只需一块Φ163 mm的球面镜。而锗镜的第一方案是一个凸的椭球镜,其光学检验方案是个难题。可以设想的是用非球面样板或设计一个比较复杂的自准透镜组,补偿椭球面的法线 像差。第二方案则可以用Hindle法,只是由于锗镜的中心部分也要用到,辅助球面镜中心不能钻较大的孔,且检验光路的光束角度太大,需要一个孔径角变换 系统。笔者用了一个F/1·5的照相镜头和一个Φ35 mm的双胶合透镜实现了孔径角的变换。

　　3　方案选择及结果

　　笔者在详细比较了两个方案后选用了第二方案,主要原因是对加工检验的考虑。第二方案只需两块辅助球面镜,口径不大,容易加工。而第一方案除了 Φ280 mm和Φ190 mm两个辅助球面镜之外,锗透镜的凸椭球面检验方案尚难选定。用透镜组进行自准补偿检验估计要3~4片透镜,且像质不会太好。而用非球面样板则更是下策。