一种大视场宽波段平行光管的设计

戴 艺 丹

（河西学院物理与机电工程学院，甘肃 张掖 734000）

引言

随着航天、航空事业的不断发展，干涉型成型光谱仪的视场越来越大，其核心部件干涉仪的视场也随着增大.为了实现干涉仪的精密装调，需要通过一个大视场目标入射到干涉仪，从而形成大面阵的干涉条纹.为了提高干涉条纹测量精度，要求大视场目标具有畸变小、色差小的特点，从而需要设计一个大视场宽波段平行光管来提供满足上述特征的目标物.

1 平行光管概述

平行光管是进行光学系统参数测试的一种必备仪器，在光学检测仪器中占有重要地位.在进行光学系统的焦距、分辨率等参数测量时一般都要用到平行光管［1］.

平行光管是基于几何光学原理所设计的光学器件，一般由物镜、光源、分划板、调解机构等组成.在光学系统焦面上放置一个点光源，光线经平行光管物镜的折射后以平行光出射，主要作用就是为测试设备提供一个无穷远目标［2］.

平行光管按照结构进行分类，可分为直筒式、可调视度式、分离式、折转式平行光管、按照物镜的光学系统类型分类，又可分为反射式、折射式、折返式三种类型.但传统反射式平行光管视场较小，且轴外像差较大，很难满足大视场宽波段高精度的需求，因此本设计采用大视场目镜初始结构，经光学设计软件Zemax不断优化，设计结果满足各项技术指标.

2 大视场宽波段平行光管的设计

2.1 光学结构选取

正确的光学系统设计型式，即光学结构的选取，通常是光学设计工作的关键.

平行光管发展至今，其结构形式经历了透射式、折反式、反射式的演变.

透射式的平行光管常见的形式是双胶合系统，结构相对简单，正确设计的透射式平行光管可同时校正球差、色差和正弦差，但由于受到视场和相对孔径限制，折射式的平行光管不能很好的校正带球差和轴外像差.同时，当系统口径过大时，透镜本身的重量会造成胶合面的松动，而长焦距的投射式平行光管一般透镜数量较多，结构也会比较复杂，结合像差、透镜加工水平和光学材料等因素，透射式平行光管通常适用于视场大、焦距短、通光口径不大、像质要求不高的场合.

折反射式平行光管是在反射式平行光管的基础上加入折射光学元件，一般是像差补偿透镜或非球面校正板，这样既能校正系统的球差和轴外像差，也能扩大系统的视场，但是和透射式平行光管一样，由于有透射光学元件的存在，也需要采用特殊的光学材料或复杂的结构来消除二级光谱或色差，同时也难以做到轻量化、大口径的设计.

反射式平行光管由于不受光学材料的限制，不产生色差，可做到宽光谱成像，光路可折叠设计，便于缩短机械筒长使系统结构更加紧凑；各反射面也可采用非球面，利于提高系统的像质和减少零件数，实现系统的轻量化设计；同时反射式的结构对温度变化不敏感，在真空中和空气中具有焦面一致的特性，特别适用在空间环境中使用.但通常反射式平行光管视场小，仅为1°×1°，且由于其反射式的结构，存在中心遮栏，严重影响系统的成像质量.另外，反射式光学系统的装调难度大、加工成本昂贵［5］.

故经过综合考虑，结合本设计针对的实际使用场景对视场、焦距、像差以及装调难度的要求，本设计的平行光管选用透射式光学系统.

2.2 平行光管技术参数的确定

平行光管的主要设计技术参数分别为视场、通光孔径、焦距、调制传递函数（MTF）［3］.由于传统反射式平行光管视场较小，且轴外像差较大，很难满足大视场宽波段高精度的需求，因此本设计采用大视场目镜初始结构，光管结构形式为透射式，经光学设计软件Zemax 不断优化，设计结果满足各项技术指标.平行光管的主要技术参数有视场，光学系统F数，焦距f和通光孔径D，结合应用在干涉仪上的实际情况，本设计的主要技术指标为：

2.2.1 视场 平行光管的物镜视场需要依据适用场合所需最大视场确定，本设计中将平行光管的全视场定为22°×22°（±12°）.

2.2.2 F数 由几何光学知，理想的点光源经过光学系统之后，在像空间的像面上的成像不是一个像点，而是一个弥散斑，称为艾里斑.艾里斑的尺寸是光学系统性能的重要参数，光学系统性能好坏与艾里斑的尺寸成反比［4］.

由物理光学知艾里斑的计算公式为

其中，λ为光学系统波长，F是光学系统的F数.

由（1）式可推出

对像差的要求主要为传递函数68lp/mm处MTF相对衍射极限下降不多于0.1；轴上、轴外弥散斑直径均小于5um；系统畸变不大于1%；全波段色差小于一倍焦深；视场均匀性方面要达到全视场无渐晕.

光学系统布局如图1 所示. 该系统焦距307mm；视场角±12°，全视场无渐晕；工作波长为450nm～900nm；有效通光口径Φ50mm；出瞳位置距离第一片透镜50mm；后工作距离54.57mm；系统总长：411mm.

图1 光学系统光路图

3 像质评价

本设计对像差的要求主要为传递函数68lp/mm处MTF相对衍射极限下降不多于0.1；轴上、轴外弥散斑直径均小于5um；系统畸变不大于1%；全波段色差小于一倍焦深；视场均匀性方面要达到全视场无渐晕.

设计完成后的平行光管各种像差曲线如图2～图9所示.从图2光学传递函数曲线可以看到68线对处衍射极限为0.64，满足设计指标要求.

图2 光学传递函数曲线（68线对处衍射极限为0.64）

图3 光学系统横向（垂轴）象差曲线

图4 光学系统点列图

图5 光学系统离焦点列图

图6 光程差曲线图

图7 光学系统轴向色差（最大0.04mm）

图8 光学系统场曲和畸变

图9 网格畸变

并且从图2～图9可以看出，各个视场弥散斑直径均小于艾里斑直径，达到衍射极限，畸变矫正优于0.2‰.传递函数几乎接近衍射极限，满足了大视场、宽波段、小畸变的设计要求.

3 总结

本文针对可见光宽波段大视场平行光管物镜进行了设计，通过ZEMAX软件，完成了平行光管物镜优化设计，进行了像差分析，给出了较为完善的设计结果，设计出实现干涉仪的精密装调检测要求的大视场宽波段平行光管.此外，这种大视场宽波段平行光管还可应用于镜头组件焦面位置的精确调整.