350mm口径复消色差平行光管光学系统设计

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平行光管是进行光电设备标定、光学系统检校的重要设备,也是光学度量仪器中的重要成员。其主要用来产生平行光,模拟一个无穷远的目标。本文结合项目具体需求,需室内检测坦克光电测试设备在某种工况下瞄准线的稳定精度、稳定器的稳定精度等,利用平行光管提供模拟目标源。作为陆军光电标准测试设备,其光学系统参数为:口径50mm,焦距400mm,全视场角2~4~°,需对炮长瞄准镜及车长瞄准镜同时进行标校,限于测试场所及环境条件限制,满足要求的标校用无穷远目标专用设备较少,需研制针对特殊需求的用来提供无穷远模拟目标的高精度光学系统。针对本项目的设计要求,需要设计一款口径D=350mm,焦距f=1.5-3.5m,视场2ω>3~°,工作波段为400-700nm的透射式复消色差平行光管。为解决该问题,拟从以下两个方面进行研究及设计:(1)结合双高斯光学系统结构特点,选用双高斯透镜组作为光学系统初始结构,合理利用操作数,首先校正7种初级像差;结合大口径光学系统像差理论以及衍射透镜特性,在初始结构基础上将透镜标准面逐步替换为二元衍射面,设计了一款全视场角为5.6~°的折衍混合复消色差光学系统,结果满足设计要求;(2)为克服非球面加工难度,本文又利用库克三片分离式透镜作为光学系统初始结构,设计一款分离式球面复消色差光学系统。根据高级像差理论,利用标准透镜法增加透镜,合理分配玻璃透镜光焦度,校正高级像差以及色球差。在不引入非球面的前提下,最终采用6片球面透镜实现了3.5~°视场复消色差平行光管光学系统的设计。设计完成的两款光学系统均接近衍射极限,波像差RMS值均优于λ/20,且不同波长色光在0.707带相交,实现了复消色差。对比两款光学系统,发现引入衍射面的光学系统像差校正收敛速度快,但由于大口径系统胶合件不易于实现,因此综合比较分离式球面透镜光学系统性能更优异。最后模拟实际工作条件,分析了温度以及气压对光学系统像质影响,提出了温度及气压有效补偿措施。结合加工和使用要求对光学系统进行公差分析。最后根据平行光管出射平行光的平行度测试方法,估算了平行精度误差。
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