物镜是整个望远镜系统中至关重要的部分,其成像质量直接影响整个系统的成像性能。传统物镜采用透镜、棱镜等折反射光学元件,由于转向棱镜引起的色差较大,因此需要对物镜光学系统进行像差矫正。传统物镜尺寸及重量都较大,不符合现今人们对于设备量轻、简单、紧凑的要求。80年代中期,二元光学的提出,为光学设计提供了一个新的思路。二元光学衍射元件不仅具有体积小、重量轻、容易复制等优点,还具有衍射效率高、独特的色散特性、灵活的设计自由度、宽广的材料选择性等优点。利用二元透镜独特的色散性能,矫正系统的色差,同时简化系统。随着制作工艺的迅猛发展,其衍射精度和效率大大提高,使得这种想法变得可行。本文运用新型折衍混合物镜设计方法,在有效提高像质的同时,简化了系统结构。

1 二元光学的色散特性

传统光学元件的色散主要由它的光学材料决定,一般由色散系数P和阿贝数v来表示。而对于衍射光学元件来说,它的色散主要由波长引起,与材料无关。所以衍射光学元件可以用于折射光学系统中,用来同时矫正球差和色差。 传统光学元件与衍射光学元件的光学特性如表 1所示，衍射元件在实际工作波长λ时的焦距可表示为:

表 1(Table 1)

表 1 传统光学元件与衍射元件聚焦特性比较 Tab. 1 Focusing properties comparison between traditional and diffraction optical elements

表 1 传统光学元件与衍射元件聚焦特性比较 Tab. 1 Focusing properties comparison between traditional and diffraction optical elements

成像型二元光学元件具有轴对称的表面轮廓,其相位函数表达式为:

对于设计波长为λ₀,衍射级次m=1的二元器件,其近轴光焦度由相位函数中的二次项系数A₁给出,即:

2 望远物镜的设计 2.1 物镜初始结构

本文在设计初期,选取了一个传统望远物镜作为初始系统,其结构如图 1所示。 初始物镜前组采用一个单透镜和一个胶合透镜组成的胶合分离式结构,此结构具有较多的自由度,可以有效减小高级像差,成像质量较好,且装配较为简单。采用一个双胶合透镜作为调焦镜对不同物距处的物体成像。转向棱镜把倒像转正,在设计过程中等效为平行平板。物镜系统将远处物体成像在分划板上,要求在分划板上能得到清晰的像。

图 1

Fig. 1

图 1 初始结构示意图 Fig. 1 Original structure diagram

其主要性能指标如表 2所示,转向棱镜的长度取41.5 mm,材料为K9玻璃。

表 2(Table 2)

表 2 物镜性能指标 Tab. 2 Objective specifications 名称 值 焦距f′ 245 mm 入瞳直径(入瞳与物镜重合) 45 mm 视场角 2ω=1.5° 筒长(第一光组到最终像面的距离) <160 mm 调焦范围 1.5 m~∞

表 2 物镜性能指标 Tab. 2 Objective specifications

初始系统采用胶合分离式物镜,其成像质量较好,但结构较为复杂。本文的目的是通过使用二元衍射面的衍射特性,来简化物镜结构。物镜前组使用单个胶合透镜,胶合透镜的后表面是一个二元光学表面,将物镜的曲率、厚度、材料设置为变量,进行优化。由于二元衍射表面增加了设计的自由度,同时衍射表面有着不同于传统玻璃的色散,有助于色差的校正。图 2为带二元衍射面双胶合物镜系统对无穷远物体成像时的MTF曲线,图 3为其畸变图。

图 2

Fig. 2

图 2 带二元光学衍射面的双胶合物镜系统的MTF Fig. 2 MTF of doublet objective system with binary diffractive surface

图 3

Fig. 3

图 3 带二元光学衍射面的双胶合物镜系统的畸变 Fig. 3 Distortion of doublet objective system with binary diffractive surface

由图 2可见,物镜的MTF曲线非常不错,在50 lp/mm处,除最大视场外,所有MTF均大于0.6,最大视场的MTF大于0.5,保证了镜头像质。望远物镜是小视场大孔径的系统,所以主要对物镜进行球差、彗差、畸变和色差进行校正。畸变虽然不会影响成像的清晰度,但是会影响轮廓的精确测量,所以望远物镜对于畸变的要求较高,要求畸变小于0.5%。在优化的过程中,可以把畸变作为约束条件,对其进行控制。由图 3可见,此系统的畸变较小,接近0.1%。

3 物镜调焦像质分析

以上优化是基于无穷远处物体成像,而本设计望远物镜需要对1.5 m到无穷远处清晰成像。 若原物镜和调焦镜的焦距分别为f′₁、f′₂,它们之间的距离为d,则 根据高斯公式,组合物镜的等效焦距f′、物距l、像距l′有如下关系:

由式(5)可见,等效焦距f′随d的变化而变化。当物距l改变时,通过移动调焦镜来改变d,使f′也相应改变,从而保证像距l′不变,即保证被观察物在分划板平面上成清晰的像。

在CODE V软件中对系统设置变焦,模拟系统的调焦过程,物距分别取无穷远、4 500 mm、 3 000 mm、1 500 mm进行重新优化。表 3为优化后的系统结果,图 4为其调焦后系统的MTF。图 5为初始胶合分离式物镜调焦后MTF曲线图。 由图 4可以看出,系统进行调焦后,成像质量有所下降。在1 500 mm处的成像质量下降,且像散较大,所有视场在50 lp/mm空间频率处的MTF均大于0.4。其他物距处,均大于0.5以上。在调焦过程中,系统的畸变增加,但是对于像质的清晰度没有影响,且畸变在可控范围内。对比图 5传统胶合分离式物镜的MTF,图 4的二元光学系统成像质量有显著提高,且结构相对简化。

表 3(Table 3)

表 3 带二元光学衍射面的双胶合物镜系统调焦后的参数 Tab. 3 Parameter of doublet objective system with binary diffractive surface after focusing 名称 类型 曲率半径 间隔 材料 物面 球面 无限 无限 物镜 球面 91.113 0 10.658 6 DLAF79_CDG 球面 -47.386 9 2.200 0 HZF50_CDGM 球面 -635.280 6 72.257 1 调焦镜 球面 3 052.533 1 2.200 0 HK2_CDGM 球面 14.669 8 9.507 1 HZBAF21_CD 球面 15.217 1 11.887 2 棱镜 球面 无限 41.500 0 K9_CHINA 球面 无限 6.000 0 分划板 球面 无限 3.000 0 K9_CHINA 球面 无限 -0.200 0

表 3 带二元光学衍射面的双胶合物镜系统调焦后的参数 Tab. 3 Parameter of doublet objective system with binary diffractive surface after focusing

图 4

Fig. 4

图 4 带二元光学衍射面的双胶合物镜系统调焦后的MTF Fig. 4 MTF of doublet objective system with binary diffractive surface after focusing

图 5

Fig. 5

图 5 初始物镜调焦后MTF Fig. 5 Initial objective MTF after focusing

本文以胶合分离式物镜为初始结构,使用CODE V软件设计了内调焦望远物镜。该系统利用二元光学透镜来简化物镜前组的复杂度,简化了系统结构。由于二元光学透镜具有质量轻,易于复制等优点,对于仪器的集成、质量减轻、大规模的复制加工有着非常重要的意义。经CODE V软件对望远物镜的调焦模拟,得到了一个对1.5 m到无穷远物距成像均良好的光学系统。该结果说明利用二元光学衍射面来校正系统的像差、简化系统的结构是切实可行的,且成像性能相比胶合分离式物镜更好。