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二元球透鏡可見/紫外雙波段光學系統
發布時間：2017-09-01
引言
大視場孔徑光學系統為滿足像質要求，往往結構復雜，通常需要八至十幾片光學元件[1-4]，導致光學透過率低， 在空間和體積方面也無法滿足航天使用要求。球透鏡是實現大視場成像的最簡單的光學元件，雖然形成了球面像面，但可以利用光纖面板將球面像面傳輸到平面像面，通過像增強器在探測器上形成清晰的圖像。因此，利用球透鏡實現大視場是光學系統輕小型化的一條理想途徑[5]。
但由于在設計球透鏡大視場光學系統時，可變參數少，在某些應用場合，如星敏感器的光學系統，因需要較大的光通量，導致相對孔徑較大，從而無法設計出滿足像質要求的球透鏡。文中采用在球透鏡中加工二元光學元件的方法[6]，即將球透鏡一分為二， 在其中一個表面上加工臺階狀的二元光學表面，然后用紫外膠重新把兩部分膠合起來。該方法可有效校正色差和球差，提高像質。同時提出利用諧衍射技術[7-8]，使一個二元面同時工作在可見和紫外兩個波段上，形成可見/紫外雙波段光學系統。仿真試驗表明：所研制的球透鏡具有工程可行性。
1 二元球透鏡設計
球透鏡可見/紫外雙波段光學系統結構如圖1 所示。可以看出：二元球透鏡可實現大視場光學成像，所形成的像面為球面，從而有效校正場曲。為提高像質，采用折射率較高的藍寶石作為光學材料。為校正光學系統的色差，采用二元光學元件，將其加工在孔徑光闌處的平面上，孔徑光闌為6 mm，球透鏡口徑為18 mm。為便于球透鏡及二元元件的加工，將球透鏡分為左半球、平片及右半球3 部分，分別加工，并將二元元件加工在平片上，最后利用紫外膠(折射率為1.415 1)將3部分膠合形成二元球透鏡。在半視場0~15°內接收光譜范圍為0.500~0.800 μm 的可見光波段信號，在半視場15~35°內接收光譜范圍為0.350~0.360 μm 的紫外波段信號，為保證清晰成像，兩波段的像面存在一定的焦移，由于成像面由光纖面板組成，兩波段的焦移可直接利用光纖面板來補償。系統的入瞳為10 mm，焦距為11.25 mm。
球透鏡的前表面曲率半徑為10.42 mm，后表面曲率半徑為14.49 mm。孔徑光闌位于離前表面中心9.69 mm 處。平片的厚度為3 mm，二元面加工在平片的前表面(即孔徑光闌處)。平片的后表面距離球透鏡的后表面中心7.35 mm。像面曲率半徑為12.980 mm，當系統用于紫外波段時，像面的位置將前移0.18 mm。從光線追跡的結果可知：可見波段像高為3.02 mm，紫外波段像高為2.96~6.65 mm。
二元面的相位表達式為：
經光學系統優化設計， 二元元件的參數如下：最大項數n=12; 規化半徑為2.5 mm;A1 =-547.239 34，A2 =4 671.843 9，A3 =-28 267.117，A4 =96 654.137，A5 =-198 931.96，A 6 =249 246.88，A 7 =-174 497.46，A 8 =36 404.995，A 9 =42 482.439，A 10 =-39 004.454，A 11 =13 417.171，A12 =-1 759.239。
二元元件可見光波段中心波長設計為0.550 μm，采用八臺階，經計算臺階形狀如圖2 所示。臺階周期數為22， 最小線寬為10 μm。采用3 次掩模套刻工藝， 第一次刻蝕深度為774 nm， 第二次刻蝕深度為387 nm，第三次刻蝕深度為193.5 nm。
在可見光波段中，光斑的中心能量分布如圖3 所示。從圖中可知：80%能量光斑半徑小于22 μm。可見光波段的點列圖如圖4 所示，從圖中可知點列圖的幾何均方根值小于22 μm。
對紫外波段，像面需要往前移動約0.18 mm,圖5表示波長為0.350 μm 時的中心能量分布， 從圖中可知：80%能量光斑半徑為28.5 μm。圖6 表示波長為0.350 μm 時的點列圖。圖7 表示波長為0.360 μm 時的中心能量分布，從圖中可知：80%能量光斑半徑為25 μm。圖8表示波長為0.360 μm 時的點列圖。因此，在整個紫外波段內，光斑半徑可控制在30 μm 以內。
2 二元球透鏡加工
藍寶石球透鏡加工通過傳統工藝完成。二元光學元件加工通過掩模套刻方法完成，經三次掩模套刻完成八臺階二元元件加工。所有加工均在浙江大學完成，其中在藍寶石上用反應離子束刻蝕時的刻蝕條件及速率如表1 所示。加工后的二元元件經臺階儀測試，深度精度達到20 nm。
二元平板透鏡通光孔徑之外的部分采用鍍鉭膜方式形成孔徑光闌。鉭膜對光反射小，避免了光學系統的雜散光。所加工完成的球透鏡如圖9 所示。
3 二元球透鏡測試
利用焦距為2 m 的平行光管對球透鏡的像質進行了測試，測試時所使用的鑒別率板如圖10 所示。在各視場下通過球透鏡成像后的鑒別率板像如圖11 所示。從測試結果可清晰分辨標號為2 的線條。由于該線條寬度為1.69 mm，球透鏡焦距為11.25 mm，計算得到：球透鏡在焦面上可分辨10 μm 的線條寬度。已完全達到彌散斑小于60 μm 的設計要求。
4 結論
在球透鏡中間引入二元光學元件，可有效校正色差及球差，提高球透鏡的成像質量，使球透鏡在大視場、大相對口徑的光學系統中充分發揮其輕小型化的優勢。利用二元元件的諧衍射特性，還可實現雙波段光學系統。
摘自：中國計量測控網
