折反式大口径、大视场、宽光谱光学系统

　　0 引言

　　目前，口径超过500 mm 的天文设备几乎全部采用反射式光学系统。一方面，这样大口径的高质量透射材料难以制作和加工;另一方面，天文仪器使用的波段范围也较宽， 普通的玻璃材料难以满足透过率要求，对色差的校正也很困难。

　　同轴反射式光学系统中， 卡塞格林系统及其改进形式RC 系统的应用最为广泛。卡塞格林系统由抛物面和双曲面组成，由于无法消除彗差，视场无法做大。其改进形式RC 系统的主、次镜均为双曲面，虽然可以消除一定的初级彗差， 但大视场带来的像散无法消除。

　　为了增大视场， 并保证大视场下整个系统的成像质量， 广泛采用在反射式系统中加入折射元件的方法来校正反射系统引起的像差。加入的折射元件主要是各种校正板和透镜组， 根据折射元件添加的位置，大致可以分为两类：

　　一类系统是在主反射镜前加校正元件， 如施密特校正板、马克苏托夫弯月镜等。由于校正元件位于主镜前面，其口径与主镜相当。而大口径的折射材料难以得到，因此，这类系统口径无法做得太大。另一类系统是在主、次反射镜之后，即在第一像面之前不远处添加折射或反射元件[1]，以校正主反射系统的像差。这些折射或反射元件通常处在会聚光路中，其尺寸比系统口径小得多。因此，这类系统的口径可以做得很大。这类系统主要应用在大型天文仪器和测量飞行载体弹道的靶场光学设备中[2]。文中以Ф750 mm 目标探测光学系统为例，提出了一种新的主焦点光学系统结构形式， 来实现大口径光学系统的大相对孔径、大视场和宽光谱。首先介了该系统要求的技术指标， 并根据技术指标设计了主焦点光学系统，得出其相应的结构参数。然后对该主焦点系统的性能进行了分析， 最后与该光学系统在实际应用中的成像结果进行了比较， 证明设计结果与实际结果的成像质量是吻合的。

　　1 设计原理与指标要求

　　1.1 设计原理

　　位于地面的目标探测望远镜光学系统的主要探测目标来自空间各个轨道， 其星等目标要求决定了望远镜系统的成像质量特点：像面的弥散斑小、能量集中度高、传递函数高。这样的性能要求决定了光学系统的孔径和视场：孔径越大，进入目标探测系统的能量就越多，能探测到的星等就越高;视场越大，系统所能探测到的范围就越大;光谱范围越宽，系统的探测功能就越好。

　　在视场和探测接收器尺寸一定的情况下， 系统的焦距随之确定， 即大视场和一定的像面尺寸决定了系统的短焦距以及大相对孔径[3]。

　　因此， 文中的目标探测光学系统具有大相对孔径、大视场和宽光谱的特点。同时，这也是该系统设计的难点，因为大相对孔径、大视场和宽光谱分别带来难以消除的球差、彗差、像散和色差[4]。对于这样的大口径光学系统， 常规的设计思想是利用RC 系统作为主光学系统来承担系统的光焦度，并消除初级球差和一部分彗差，然后在次镜与焦面之前设置校正镜组来消除剩余的彗差和像散。但是考虑到短焦距RC 系统的次镜对主镜的遮拦较大，而且次镜自身为二次曲面的凸面，达到一定口径时， 其加工和检测在国内现有水平下都很困难。因此，文中放弃了这种常规方案，只选用主反射镜来承担系统的大部分光焦度， 在主焦点和主反射镜之间设置透射校正镜组， 利用元件的各个参数来消除以上的像差，优化了系统结构，使系统加工、检测和装调都变得简单，同时得到了很好的成像结果。