非球面光學(xué)零件的應(yīng)用

李池娟，孫昌鋒，席 喆，楊曉慶

(華北光電研究所，北京100015)

1 引言

現(xiàn)代光電子儀器不但要求獲取更多的外部信息和成像質(zhì)量高度清晰，而且要求整機(jī)系統(tǒng)小型化、集成化和輕量化。采用傳統(tǒng)球面光學(xué)零件設(shè)計(jì)出來(lái)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，像質(zhì)差，滿足不了現(xiàn)代光電子儀器的要求，球面光學(xué)零件已像瓶頸一樣制約著光電子儀器向小型化、集成化和輕量化發(fā)展的需求。

光學(xué)系統(tǒng)中采用非球面零件，光學(xué)設(shè)計(jì)自由度變多，能快速消除光學(xué)系統(tǒng)多種像差，減少光學(xué)零件的數(shù)量，優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)，減小系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量。同時(shí)，非球面零件的制造技術(shù)受到信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械制造科學(xué)、微電子技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)等綜合技術(shù)成果的牽引［1］，近十年來(lái)非球面等新型光學(xué)零件的制造技術(shù)得到飛速發(fā)展。在現(xiàn)代光電子儀器小型化、集成化和輕量化的過(guò)程中，越來(lái)越多的光學(xué)系統(tǒng)采用了非球面零件等新型光學(xué)零件。特別是軍用光電系統(tǒng)，如軍用激光、微光、熱成像等裝置、導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭、飛行器的光學(xué)頭罩等均采用了高精度的非球面零件或衍射光學(xué)零件。非球面光學(xué)零件在醫(yī)療和民用光電儀器中也得到廣泛應(yīng)用，如眼球內(nèi)置鏡、人造骨關(guān)節(jié)、數(shù)碼相機(jī)、光盤(pán)讀寫(xiě)裝置、高品質(zhì)投影儀等民用產(chǎn)品中都成功地應(yīng)用了非球面零件［2］。

2 非球面零件的應(yīng)用

2．1 非球面零件在星載高光譜成像儀上的應(yīng)用

星載高光譜成像技術(shù)是21世紀(jì)遙感技術(shù)發(fā)展的前沿和當(dāng)今世界遙感界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。目前已有多顆星載高光譜成像衛(wèi)星在軌飛行或正在研制，為國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域提供豐富的信息。在高光譜儀的研制過(guò)程中，光學(xué)系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)是高光譜成像儀研制成敗的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著儀器的性能、體積和質(zhì)量。高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)一般由望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)和光譜成像系統(tǒng)兩部分組成，望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)將地物目標(biāo)的一個(gè)條帶成像在光譜成像系統(tǒng)的入射狹縫上，光譜成像系統(tǒng)對(duì)入射狹縫進(jìn)行色散，然后按波長(zhǎng)不同成像在探測(cè)器的不同位置［3］。

目前小型化設(shè)計(jì)中常用的望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)是非球面離軸三反望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)(TMA)，如圖1所示［4］。它是由三塊離軸非球面反射鏡組成的TMA望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，能將光路折疊壓縮，大大縮短了的TMA系統(tǒng)長(zhǎng)度;采用反射系統(tǒng)不產(chǎn)生色差，抗熱性能好;非球面能有效校正像差，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，像質(zhì)優(yōu)良;離軸光學(xué)系統(tǒng)能消除共軸系統(tǒng)中心遮攔過(guò)大問(wèn)題。TMA三反望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)可滿足對(duì)地觀測(cè)光學(xué)遙感大視場(chǎng)、高分辨率、小體積和輕量化的要求，是新一代空間望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)的發(fā)展方向。

圖1 離軸三反望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)(TMA)

高光譜成像儀的分光方法是儀器的核心，直接影響儀器的性能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、質(zhì)量和體積等。典型的分光方法有棱鏡、光柵色散分光、傅里葉變換光譜儀。分光系統(tǒng)的質(zhì)量和體積與選擇的分光方法密切相關(guān)，近幾年發(fā)展起來(lái)的光柵光譜成像系統(tǒng)具有最小的體積和質(zhì)量，而棱鏡色散高光譜成像儀最重。中國(guó)南京天文臺(tái)研制的LAMOST光譜儀采用全反射式離軸非球面光柵分光，LAMOST光譜儀光學(xué)系統(tǒng)除了體積小和質(zhì)量輕外，還有以下優(yōu)點(diǎn):一是采用全反射式非球面光柵有效修正色差和獲取更大的光譜范圍;其次是使用反射式非球面光柵避免了采用折射式施密特板和透射式光柵產(chǎn)生的一系列偽像給光學(xué)系統(tǒng)帶來(lái)干擾。圖2是南京天文臺(tái)研制的LAMOST光譜儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

圖2 中國(guó)南京天文臺(tái)研制的LAMOST非球面反射光柵光譜成像光學(xué)系統(tǒng)［5］

2．2 非球面零件在軍用光電裝置上的應(yīng)用

由于非球面光學(xué)零件在光學(xué)系統(tǒng)中能有效修正像差，減少光學(xué)零件數(shù)量，縮小系統(tǒng)體積和減輕質(zhì)量，提高系統(tǒng)性能，因此非球面零件被普遍應(yīng)用到軍用光電系統(tǒng)上。例如一具AN/AVS－6飛行員夜視眼鏡就采用了9塊非球面光學(xué)零件和2塊球面光學(xué)零件;再如我國(guó)正在研制的光電偵察跟蹤項(xiàng)目，它是仿美國(guó)F35戰(zhàn)機(jī)上的光學(xué)偵察跟蹤系統(tǒng)，由于設(shè)計(jì)要求十分苛刻，球面系統(tǒng)無(wú)法滿足系統(tǒng)要求，僅以激光接收鏡頭為例，若采用球面系統(tǒng)需要21片光學(xué)鏡片;而采用非球面系統(tǒng)，只需5片就足夠了;從設(shè)計(jì)周期上看，采用球面系統(tǒng)設(shè)計(jì)這個(gè)鏡頭共花費(fèi)2個(gè)月的時(shí)間;而采用非球面系統(tǒng)只需要10 d。從體積質(zhì)量上看，采用球面系統(tǒng)的鏡頭質(zhì)量是2．5 kg;而采用非球面系統(tǒng)只是1 kg。從設(shè)計(jì)指標(biāo)上看，采用球面系統(tǒng)的鏡頭最小焦距是口徑的1．5倍，即F=0．67;而采用非球面系統(tǒng)可以進(jìn)一步貼近 F=0．5的理論極限。由此非球面零件的優(yōu)勢(shì)可見(jiàn)一斑。

2．3 非球面零件在空空導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭上的應(yīng)用

由于球面光學(xué)系統(tǒng)零件片數(shù)較多，系統(tǒng)的光學(xué)效率低，對(duì)導(dǎo)引頭的探測(cè)距離和靈敏度影響大，滿足不了越來(lái)越高的戰(zhàn)技指標(biāo)要求;而非球面在不增大光學(xué)系統(tǒng)通光口徑的前提下，零件數(shù)量減少，且光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)能得到提高，使系統(tǒng)光學(xué)效率和導(dǎo)引頭的探測(cè)靈敏度和探測(cè)距離得到顯著提高。

圖3是采用球面零件導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)示意圖，圖4是采用非球面零件導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)示意圖［6］。

圖3 采用球面零件導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)示意圖

圖4 采用非球面零件導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)示意圖

比較圖3和圖4，顯見(jiàn)采用非球面光學(xué)系統(tǒng)后，只保留了整流罩、主鏡、次鏡三個(gè)基本光學(xué)零件，系統(tǒng)相差也得到很好的校正。由于非球面光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品裝調(diào)帶來(lái)很大方便，降低了裝調(diào)難度，保證了裝調(diào)產(chǎn)品的性能與設(shè)計(jì)的性能的一致性。

2．4 非球面光學(xué)零件在激光上的應(yīng)用

從激光器中直接出來(lái)的光束通常為高斯光束，而實(shí)際應(yīng)用中(如光學(xué)測(cè)量、激光醫(yī)療、激光加工等領(lǐng)域)要求光強(qiáng)空間分布為均勻的激光光束。這需要在高斯光束之后增加一個(gè)光束整形光學(xué)系統(tǒng)將高斯光束變換成光強(qiáng)均勻分布的平頂光束。目前光束空間整形方法主要有非球面透鏡組、全息濾波器、衍射光學(xué)元件、振幅調(diào)制光柵、微透鏡陣列、雙折射透鏡組、液晶空間光調(diào)制器、長(zhǎng)焦深整形元件等方法。其中非球面透鏡組光束整形法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，圖5是非球面透鏡組光束整形結(jié)構(gòu)示意圖。這種方法是由一片非球面凹面鏡和一片非球面凸面鏡組成，可將準(zhǔn)直的高斯光束整形成平頂光束，且能將入瞳和出瞳處的衍射控制的很?。?］。2．5 非球面光學(xué)零件在醫(yī)療上的應(yīng)用

圖5 非球面透鏡組光束整形法示意圖

隨著非球面技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)越來(lái)越多地用到了非球面技術(shù)，如非球面人工晶狀體、人工髖關(guān)節(jié)以及以非球面技術(shù)為核心的醫(yī)療儀器。

研究表明白內(nèi)障患者植入球面人工晶狀體(球面IOL)后，部分患者存在客觀視力好，卻主訴視物模糊，尤其夜間視力差、眩光、光暈、重影等問(wèn)題，根據(jù)波前像差技術(shù)，設(shè)計(jì)出在光學(xué)上與人眼自然晶狀體更接近的非球面人工晶狀體用以提高術(shù)后視功能。非球面人工晶狀體眼與球面人工晶狀體眼相比，非球面人工晶狀體眼高階像差尤其是球差降低，更接近于年輕人的自然晶狀體眼。此外非球面人工晶狀體眼對(duì)比敏感度好于球面人工晶狀體眼，尤其是在大瞳孔、高空間頻率和眩光狀態(tài)下差異更明顯，從而改善夜間眩光狀態(tài)下視力［8］。

目前一種非球面髖臼人工髖關(guān)節(jié)在研究中表明:人體行走過(guò)程中，兩個(gè)假體發(fā)生微偏離時(shí)或手術(shù)中髖臼放置位置不當(dāng)時(shí)，可以避免邊緣接觸，有限元計(jì)算得到非球面髖臼人工髖關(guān)節(jié)與原有球面關(guān)節(jié)相比，接觸應(yīng)力最大降低幅度可達(dá)78．45%，進(jìn)而減少外上緣磨損，延長(zhǎng)假體壽命，具有使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

2．6 非球面光學(xué)零件在民用產(chǎn)品上的應(yīng)用

非球面在日常生活中無(wú)處不見(jiàn)，例如:非球面車(chē)前燈是國(guó)際上最流行的車(chē)燈，有很好的配光效果;非球面投影大屏幕顯示光學(xué)系統(tǒng)，使厚度縮小一倍;非球面太陽(yáng)能聚光鏡;非球面光學(xué)零件在數(shù)碼相機(jī)、激光打印機(jī)、掃描儀、打標(biāo)機(jī)、光盤(pán)讀寫(xiě)裝置以及手機(jī)上的照相機(jī)鏡頭都采用了非球面。

最近市場(chǎng)上推出的明基BenQ MX712UST超短焦投影機(jī)，采用世界領(lǐng)先的超短距離投影技術(shù)拉近空間距離。它憑借精確計(jì)算、能在狹窄空間內(nèi)投射大畫(huà)面的特殊非球面鏡頭，實(shí)現(xiàn)了在距離墻面15 cm距離內(nèi)投射出80 in的巨大畫(huà)面。這一機(jī)種將普遍用于教育行業(yè)以及對(duì)空間要求極為苛刻的超小型會(huì)議室等環(huán)境下，由于投影機(jī)高強(qiáng)度的光束可能對(duì)人眼造成潛在危害，因此讓投影機(jī)靠近屏幕或白板，會(huì)讓環(huán)境更加安全。避免投影機(jī)光束直射雙眼，同時(shí)也避免使用傳統(tǒng)非短焦投影機(jī)時(shí)，站在投影機(jī)和白板間容易形成臉部陰影。BenQ MX712 UST超短焦投影機(jī)采用非球面短距離鏡頭投影技術(shù)，帶來(lái)更明亮、更清晰、更穩(wěn)定的畫(huà)質(zhì)。

3 結(jié)論

光學(xué)系統(tǒng)中合理采用非球面，可有效減少光學(xué)零件的數(shù)量，簡(jiǎn)化光學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)，提高成像質(zhì)量，可使整機(jī)實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、多功能化。隨著非球面制造技術(shù)的不斷成熟，非球面越來(lái)越多的被應(yīng)用到空間探索、國(guó)防裝備和民用產(chǎn)品領(lǐng)域，非球面光學(xué)零件已成為光電儀器中的關(guān)鍵部件，在空間探索、國(guó)防、醫(yī)療以及民用等多個(gè)領(lǐng)域有著不可替代的地位。

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