球面棱镜和非共轴光学系统

　　1　前　言

　　随着现代科技日新月异的发展,现代光电仪器的使用范围不断扩大,要求也越来越高。传统的共轴对称光学系统已满足不了空间科学、生物工程、海洋探测、信息技术等领域和现代工业、现代国防发展的需要,因而促进了非共轴光学系统的发展和日益广泛的应用[1]。

　　非共轴系统是指光学面的光轴与系统的光轴不重合,不具有对称轴的光学系统。由任意放置的表面组成的不具有圆对称轴的光学系统就是非共轴光学系统。球面共轴系统是非球面非共轴系统的特例。

　　我们知道,共轴光学系统的物空间轴和像空间轴相共轭。但是,对于空间任意折射、反射表面组成的非共轴光学系统,不存在一个确定的轴作为对称轴。然而,经研究后我们同样可以确认,在其物空间和像空间也存在共轭轴[2]。

　　对于非共轴光学系统,从共轴条件出发,就可以确定:1)存在垂直于焦平面的共轭轴;2)物空间轴的法平面与像空间轴的法平面共轭;3)围绕两个共轭轴是对称的;4)轴的共轭法平面内,放大率为常数。可见,非共轴系统的这些性质与共轴系统完全吻合。共轴系统的所有公式也都能扩展到非共轴系统[3]。据此,我们可以设计出不同用途的非共轴光学系统。

　　球面棱镜是非共轴光学系统常采用的光学元件之一。合理采用球面棱镜元件及其组合可以设计出一系列具有不同用途的光学系统。

　　2　球面棱镜及其特点

　　球面棱镜是非共轴光学系统采用的光学元件之一。球面棱镜通常是把光学棱镜的表面根据光学设计的需要,制成具有一定曲率半径的球面。含有球面棱镜的非共轴光学系统,不仅可以使光学系统简化,有利于克服共轴光学系统的遮蔽,并且具有共轴光学系统难以达到的一些光学性能,从而拓宽了各种光学系统的应用范围。

　　2.1　球面反射棱镜的球表面起到一个倾斜球面反射镜的作用,图1所示,并且以反射表面代替折射表面能产生光焦度。

　　我们分析了只有一个会聚表面的平凸反射透镜和平凸折射透镜,可知,平凸反射透镜的同轴像差只是平凸折射透镜的几分之一。因此,球面反射镜作为会聚元件时有正场曲;对于同样光焦度,反射表面比折射表面具有大得多的曲率半径:球差和色差也相应减小。

　　正因如此,完全可以用具有一定光焦度的球面镜来代替棱镜的折射表面。但是必须指出,球面棱镜的倾斜球反射表面作为会聚表面能产生非共轴像差———纵向像散、倾斜像散、慧差和畸变。

　　2.2　球面棱镜元件可以使光学系统简化

　　合理采用球面棱镜组做物镜和目镜,相对孔径可达1∶3~1∶4。由于球面棱镜代替了直角棱镜,简化了光路,这就减小了光学系统的长度和仪器的重量。