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二元球透镜可见/紫外双波段光学系统
发布时间：2017-09-01
引言
大视场孔径光学系统为满足像质要求，往往结构复杂，通常需要八至十几片光学元件[1-4]，导致光学透过率低， 在空间和体积方面也无法满足航天使用要求。球透镜是实现大视场成像的最简单的光学元件，虽然形成了球面像面，但可以利用光纤面板将球面像面传输到平面像面，通过像增强器在探测器上形成清晰的图像。因此，利用球透镜实现大视场是光学系统轻小型化的一条理想途径[5]。
但由于在设计球透镜大视场光学系统时，可变参数少，在某些应用场合，如星敏感器的光学系统，因需要较大的光通量，导致相对孔径较大，从而无法设计出满足像质要求的球透镜。文中采用在球透镜中加工二元光学元件的方法[6]，即将球透镜一分为二， 在其中一个表面上加工台阶状的二元光学表面，然后用紫外胶重新把两部分胶合起来。该方法可有效校正色差和球差，提高像质。同时提出利用谐衍射技术[7-8]，使一个二元面同时工作在可见和紫外两个波段上，形成可见/紫外双波段光学系统。仿真试验表明：所研制的球透镜具有工程可行性。
1 二元球透镜设计
球透镜可见/紫外双波段光学系统结构如图1 所示。可以看出：二元球透镜可实现大视场光学成像，所形成的像面为球面，从而有效校正场曲。为提高像质，采用折射率较高的蓝宝石作为光学材料。为校正光学系统的色差，采用二元光学元件，将其加工在孔径光阑处的平面上，孔径光阑为6 mm，球透镜口径为18 mm。为便于球透镜及二元元件的加工，将球透镜分为左半球、平片及右半球3 部分，分别加工，并将二元元件加工在平片上，最后利用紫外胶(折射率为1.415 1)将3部分胶合形成二元球透镜。在半视场0~15°内接收光谱范围为0.500~0.800 μm 的可见光波段信号，在半视场15~35°内接收光谱范围为0.350~0.360 μm 的紫外波段信号，为保证清晰成像，两波段的像面存在一定的焦移，由于成像面由光纤面板组成，两波段的焦移可直接利用光纤面板来补偿。系统的入瞳为10 mm，焦距为11.25 mm。
球透镜的前表面曲率半径为10.42 mm，后表面曲率半径为14.49 mm。孔径光阑位于离前表面中心9.69 mm 处。平片的厚度为3 mm，二元面加工在平片的前表面(即孔径光阑处)。平片的后表面距离球透镜的后表面中心7.35 mm。像面曲率半径为12.980 mm，当系统用于紫外波段时，像面的位置将前移0.18 mm。从光线追迹的结果可知：可见波段像高为3.02 mm，紫外波段像高为2.96~6.65 mm。
二元面的相位表达式为：
经光学系统优化设计， 二元元件的参数如下：最大项数n=12; 规化半径为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。
二元元件可见光波段中心波长设计为0.550 μm，采用八台阶，经计算台阶形状如图2 所示。台阶周期数为22， 最小线宽为10 μm。采用3 次掩模套刻工艺， 第一次刻蚀深度为774 nm， 第二次刻蚀深度为387 nm，第三次刻蚀深度为193.5 nm。
在可见光波段中，光斑的中心能量分布如图3 所示。从图中可知：80%能量光斑半径小于22 μm。可见光波段的点列图如图4 所示，从图中可知点列图的几何均方根值小于22 μm。
对紫外波段，像面需要往前移动约0.18 mm,图5表示波长为0.350 μm 时的中心能量分布， 从图中可知：80%能量光斑半径为28.5 μm。图6 表示波长为0.350 μm 时的点列图。图7 表示波长为0.360 μm 时的中心能量分布，从图中可知：80%能量光斑半径为25 μm。图8表示波长为0.360 μm 时的点列图。因此，在整个紫外波段内，光斑半径可控制在30 μm 以内。
2 二元球透镜加工
蓝宝石球透镜加工通过传统工艺完成。二元光学元件加工通过掩模套刻方法完成，经三次掩模套刻完成八台阶二元元件加工。所有加工均在浙江大学完成，其中在蓝宝石上用反应离子束刻蚀时的刻蚀条件及速率如表1 所示。加工后的二元元件经台阶仪测试，深度精度达到20 nm。
二元平板透镜通光孔径之外的部分采用镀钽膜方式形成孔径光阑。钽膜对光反射小，避免了光学系统的杂散光。所加工完成的球透镜如图9 所示。
3 二元球透镜测试
利用焦距为2 m 的平行光管对球透镜的像质进行了测试，测试时所使用的鉴别率板如图10 所示。在各视场下通过球透镜成像后的鉴别率板像如图11 所示。从测试结果可清晰分辨标号为2 的线条。由于该线条宽度为1.69 mm，球透镜焦距为11.25 mm，计算得到：球透镜在焦面上可分辨10 μm 的线条宽度。已完全达到弥散斑小于60 μm 的设计要求。
4 结论
在球透镜中间引入二元光学元件，可有效校正色差及球差，提高球透镜的成像质量，使球透镜在大视场、大相对口径的光学系统中充分发挥其轻小型化的优势。利用二元元件的谐衍射特性，还可实现双波段光学系统。
摘自：中国计量测控网
