一种两镜五反光学系统设计

王 刚

(海军驻西安二十所军事代表室，陕西 西安 710065)

引言

随着军用光电技术的发展和作战需求，宽光谱、多传感器的光电装备已经成为军事装备的新宠，而光电装备中各传感器之间光轴一致性要求是光电装备发挥效能的保证，因此需要一种能检测光电装备各传感器光轴一致性的光电测试仪器。目前光电测试仪器中的光学结构一般有折射式、反射式和折反射式等3种，其中折射式光学结构具有设计简单，加工装配容易、像质优良等诸多优点，因而在一般的光电测试仪器中使用较为广泛，但是对于光谱范围宽(可见、激光1.064 μm、红外)，焦距长、相对孔径较大的光学系统，由于存在透宽波谱光学材料少，色差校正困难的缺点，限制了其使用[1]。反射式光学结构不存在色差，能在宽光谱段工作，光路可以最大限度地折叠，容易实现轻量化设计，此外，由于非球面加工和测量技术的迅速发展，使得非球面的加工精度得到很好的保证，因此反射式光学系统尤其是两镜系统的应用将越来越广泛。本文在两镜系统的基础上设计了两镜五反光学系统，在不增加反射镜的前提下实现5次反射，满足多光谱、长焦距、纵向尺寸短的光学系统要求。针对两镜光学系统轴外像差难于校正的问题，采用高次非球面设计的方法解决成像质量的要求。

1 设计指标

设计的光电测试仪器光学系统满足：工作波段0.4 μm～12 μm；视场1 mrad；F#=1.33；长焦距1.6 m；总长≤85 mm。

2 设计过程

2.1 设计思路

光学系统工作在宽光谱段，并且体积小，如果选用透射式光学系统，需使用宽光谱光学材料，尺寸很难达到技术指标要求，因此使用反射式光学结构。反射式光学结构具有纵向外形尺寸小、相对孔径大、分辨率高、透过率高、光能损失少，不产生色差的特点，并且还具有压缩光学长度的特点，能够满足使用要求。

2.2 初始结构选取及参数计算

2.2.1初始结构选取

反射式光学结构中，单反射式结构校正像差困难，视场小，仅用在一些特殊场合。双反射式光学结构包括牛顿系统、格里高里系统、卡赛格林系统、RC系统以及等晕系统等类型，其中两镜系统的主镜为抛物面，次镜为双曲面，具有压缩比大，像质优良的特点，可以选为光学系统的初始结构[2]。在此基础上，为进一步压缩系统轴向总长，减小体积，本文提出了两镜五反光学系统。

两镜五反光学系统工作原理：光学系统采用在两镜系统的2个反射面上共反射5次的结构形式，并结合一种新型材料——光谱转换靶，共同组成光学系统结构，如图1所示。

图1 两镜五反光学系统Fig.1 Two-mirror five-reflection optical system

两镜光学系统主镜镜面焦点与次镜镜面焦点重合，组成一个望远系统，当激光测距机倾斜一定角度入射时，其激光光束将在主次镜上反射5次，前2次反射组成一级望远系统，后2次反射组成二级望远系统，经主镜的第5次反射对激光光束进行聚焦。激光光谱转换靶位于激光光束聚焦的焦面位置，激光光谱转换靶在受激光辐射激励后能够同时辐射荧光并且发热，产生可见光到长波红外的光谱，靶面受激辐射产生的可见光到长波红外的光谱再逆向经两镜五反光学系统准直为多种光谱的平行光输出，模拟无穷远点目标，供光电装备光轴调校使用。

2.2.2 结构参数计算

(1)

系统的焦距为

(2)

式中N代表在次镜上反射的次数,本系统中N=2。

系统焦距为1.6 m，由(1)式和(2)式可得到主次镜半径的关系，因此主镜半径确定后便可得到次镜的半径。由于主次镜为共焦系统，所以二者间距为其焦距之差。至此，可得到两镜系统的初始结构参数，如表1所示。

表1 初始结构参数Table 1 Parameters of initial structure

2.3 优化设计与结果

2.3.1 优化设计

两镜光学系统的单色像差一共有5种：球差、彗差、像散、像面弯曲及畸变。由于光学方案使用了轴外光线成像，其像差较大，因此可以在两镜面上采用高次非球面，能有效地消除高级球差以及彗差和像散等轴外像差[3]。将计算的初始结构带入光学设计软件CODEV中进行优化。设置外部参数，选取k值、四次、六次项作为优化变量，完成光学系统设计。

2.3.2 设计结果

系统优化后的参数如表2所示。光线倾斜2°入射，主镜和次镜均为高次非球面。

表2 光学系统结构参数Table 2 Parameters of optical system

优化后的两镜五反光学系统结构如图2所示，像质如图3所示。

图2 优化后的两镜光学系统Fig.2 Two-mirror system after optimization

图3 系统点扩散函数及能量分布图Fig.3 Point spread function and encircled energy of optical system

本设计由于选用了反射式光学结构，不存在色差的影响，很好地发挥了宽光谱，长焦距的优点。从图3可以看出，本系统能量汇聚度较好，可以满足使用要求。采用的透镜非球面度较小，工艺性好，现有的加工技术可以满足加工非球面的要求。在设计时，反射式光学系统中经常出现多个鬼像，因此需要在光学系统设计中增加多次消杂光的光栏来消除鬼像的影响。

4 结论

本文在某光电测试仪器研制过程中设计了一种两镜五反光学系统，满足了多光谱、长焦距光学系统要求。针对两镜光学系统轴外像差难于校正的问题，采用高次非球面设计的方法，解决了成像质量的要求。使用一种新型校靶材料，通过光学系统在校靶材料上聚焦，转换为可见光到长波红外的光谱，实现了模拟无穷远目标的功能。该光学系统通过配置不同的导光棱镜辅助装置，可组成多种便携式光轴测试仪，实现对光电产品不同基线传感器光轴平行性的检测，满足长焦距、短纵向尺寸、低成本等需求。

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