某研究所要求研制一台夜间红外观测系统,观测波段为3～5 μm,焦距f=900 mm,相对口径为1∶4,视场角2ω=0.8°.红外焦平面是已有的,其冷屏直径为Φ5 mm,冷屏至焦面的距离为20 mm.由于从设计开始,要求完成的时限很短,因此必须将缩短加工周期的问题作为重要因素来考虑.工作在3～5 μm波段,首选的必然是非球面反射系统,而非球面的加工与检验的难易直接和其参数有关.因此在评价设计结果时,不能仅从像质好坏来看,还要看其需要的加工周期长短.接受到任务之后,首先找到了可行的方案,然后设计了几个具体的系统,在比较了两个最可行的设计结果之后,选择了其中之一.

研究了大望远镜卡焦R-C系统视场改正透镜的设计.以2米级口径的望远镜为例,卡氏焦点的焦比为F/9,采用F/3、F/2.5、F/2及F/1.5四种主镜焦比,得到各自的优化结果.其最大像斑尺寸分别为0″.290,0″.418,0″.934及1″.784.研究结果表明,卡焦R-C系统视场改正镜设计的难度取决于主镜的焦比,主镜焦比在F/3左右是很容易设计好的,而若小于F/2.5,则设计难度增加很快.

将卡塞格林系统的主镜及次镜都取球面,在焦面前加2片以上改正透镜,而将作为密封窗的平行平板的一面加4次方项,可以设计出具有相当大视场,像质优良的新光学系统.平板上的4次方非球面是凹面性质,它的制造,在周边铰支而外加均布载荷时可以加工为球面,释放均布载荷后该面即弹回成所要的4次非球面.所以,此系统从光学工艺角度看只有球面和平面.文中设计了4个不同相对口径系统:F/3,F/5,F/8,F/10.口径和视场相同:φ=300 mm, 2ω=1°,像质都接近或达到衍射极限.

透射凸二次非球面具有自消球差的能力。只要像距、物距、材料的折射率及二次曲面系数之间满足一定的条件,则物点与像点就具有消球差的成像关系。研究了二次非球面系数e2值与成像放大率β的关系,目的在于为透射凸二次非球面的检验找到普遍适用的范围。实例计算和实际的应用表明,对于中小口径的凸非球面来说,透射补偿法是比较实用的检验方法,特别是此种方法可以检验一些凸的扁球面。

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。为优化设计基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,利用有限元分析方法,计算各驱动器的影响函数,计算非球面能动抛光盘的输出面形,与理论面形比较得到剩余残差。以优化设计驱动器排布方式和极头直径为例,当非球面能动抛光盘中心到非球面工件中心的距离L为120mm,分别计算比较,极头直径为Φ10mm时,19单元PZT圆形排布与21单元PZT方形排布的剩余残差;以及19单元PZT圆形排布时,极头直径为Φ10mm与Φ14mm的剩余残差。结果表明,非球面能动抛光盘产生变形后的剩余残差RMS相应分别为0.303μm、0.367μm、0.328μm。因此,基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘确定选用19单元PZT圆形排布且极头直径Φ10mm。

基于压电陶瓷驱动器的非球面变形抛光盘,能在驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。一个口径100 mm、含19个驱动器的非球面变形抛光盘已试制完毕,用于一个口径350 mm、非球面系数k=-1.112 155、顶点半径R=840 mm双曲面镜的加工实验。为研究基于压电陶瓷驱动器的非球面变形抛光盘输出面形的精度,计算当非球面变形抛光盘中心到非球面工件中心距离L分别为90 mm、100 mm、110 mm、120 mm和130 mm时,非球面变形抛光盘所需变形量;并利用有限元分析法仿真计算得到,非球面变形抛光盘输出面形的剩余残差（RMS）相应分别为0.298μm、0.279μm、0.279μm、0.329μm、0.447μm。结果表明,变形抛光盘能以较高精度产生非球面面形,可用于非球面镜加工。

指导思想是指人们在做一件事之前,考虑要采取什么样的技术路线,使用怎样的工具和方法等等.人类经过长期的经验积累和理论研究,发展出许许多多测量方法和测试仪器、测量工具.计算机的出现和普及,使光学测试领域也发生了革命性的变化.集光-机-电-算于一体的新的测试仪器和经典的仪器设备之间的取舍,往往是决策者不能回避的选择.世界上的事情是复杂的,有的事情,从这个角度看应该这样,而从另一个角度看也许应该那样.但是,不管用什么手段,又经济又能解决实际问题就是好手段.以制造一个4m镜面为例,谈谈个人的测试思路.