摘 要:某研究所要求研制一台夜间红外观测系统,观测波段为3~5μm,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3~5μm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。
1 光学系统的设计
红外焦平面是任务提出方已有的,又叫红外热像仪,是一个密封好的整体。从窗口到冷屏的距离为15 mm,从冷屏到红外接收器的距离为20 mm,冷屏直径为Φ5 mm,光敏面尺寸为9·6×7·18 mm2。焦距900 mm是使用者提出的要求。这样,系统通光口径Φ225 mm和视场角2ω=0·8°也就一定了。
在这里,“冷屏”实际上是系统的出射光瞳,若希望主镜的口径最小,则入瞳应在主镜面上。因此光瞳的匹配与现有的“热像仪”相适应是这个光学设计的前提条件。经过试算及思考之后,发现:双反射系统加一个小的锗透镜是满足要求的最佳方案(见图1)。但要求入瞳正好在主镜面上,而且还要与与冷屏共轭是比较困难的。换句话说,入瞳难免要偏离主镜面,这样,主镜的口径就会变得大于Φ225 mm。
一开始做出了一个像质较好的结果,但主镜口径偏大,且主、副镜的加工、检验及锗透镜的凸非球面的检验均比较麻烦。后来又进行优化,找出了一个系统,其像斑略大于前者,但还是在衍射极限之内。两个系统像质的点图及传递函数见图2和图3。
第一方案的像斑尺寸略好于第二方案,然而两个方案都在衍射斑50μm之内,第一方案的系统总长比第二方案只短8 mm,但通光口径第一方案比第二方案大35 mm。
2 光学检验方案的比较
两个方案的非球面参数列于表1。
根据表1,将各镜的检验方法及需用的辅助镜列于表2。由上述比较可以看出,第一方案的主、副镜检验各需一块球面辅助镜,口径分别为Φ280 mm和Φ190 mm。而第二方案主镜不需要辅助镜,副镜只需一块Φ163 mm的球面镜。而锗镜的第一方案是一个凸的椭球镜,其光学检验方案是个难题。可以设想的是用非球面样板或设计一个比较复杂的自准透镜组,补偿椭球面的法线像差。第二方案则可以用Hindle法,只是由于锗镜的中心部分也要用到,辅助球面镜中心不能钻较大的孔,且检验光路的光束角度太大,需要一个孔径角变换系统。笔者用了一个F/1·5的照相镜头和一个Φ35 mm的双胶合透镜实现了孔径角的变换。
3 方案选择及结果
笔者在详细比较了两个方案后选用了第二方案,主要原因是对加工检验的考虑。第二方案只需两块辅助球面镜,口径不大,容易加工。而第一方案除了Φ280 mm和Φ190 mm两个辅助球面镜之外,锗透镜的凸椭球面检验方案尚难选定。用透镜组进行自准补偿检验估计要3~4片透镜,且像质不会太好。而用非球面样板则更是下策。
选择第二方案还有一个原因是去掉锗透镜,第一次成像时轴上点的像质是好的。这便于主、副镜组合装配时用可见光检验。这一步检验是十分必要的,一方面是检查加工、装配结果好不好,另一方面是找到正确的第一次成像的轴向位置。
这个方案的光学件加工在两个月之内全部完成,与机械设计、加工正好同步。经过光学装调、环境试验等,准时交付使用单位进行红外联调。系统的角分辨率达到了13″,满足了设计任务书的要求。
参考文献:
[1] Hindle J H·A New Test for CassegraiNIan and Gregorian SecondaryMirrors[J]·Mon Not R Astron Soc,1931,91:592·
[2]潘君骅·检验大望远镜中二次凸非球面的新方法[J]·天文学报,1960,8(1):70·
