一种改进型的红外卡塞格林光学系统设计

    引言

    卡塞格林光学系统因为具有无色差、无热化、结构长度短、特别适于多光谱等特点，有很重要的实用价值，被广泛应用在大型天文望远镜系统,紫外或红外的光学系统中[1]。但卡塞格林光学系统自身存在一些固有的缺陷：系统中的次反射镜将视场中心优质的成像光束挡掉，影响综合光通量，并且一旦视场和相对孔径变大，像质就会迅速恶化。因此卡塞格林光学系统的视场和相对孔径通常都较小，即使把主镜和次镜做成高次非球面，也仍然不能满足某些红外系统的使用要求。

    为了进一步增大系统的视场和相对孔径，本设计方案在卡塞格林光学系统中引入曼金反射镜，并结合中继镜组和非球面的使用，使卡塞格林光学系统承担视场、相对孔径的能力进一步提高，系统的像差校正能力进一步增强。

    1 对卡塞格林光学系统进行改进的必要性

    1.1 问题的提出

    在实际工作中经常会遇到在短结构空间范围内实现长焦距系统设计的要求，这时采用卡塞格林光学系统进行光路折叠以使结构紧凑、轴向尺寸缩短是较好的选择，但是在视场和相对口径都较大的情况，使用该系统进行设计又显得力不从心。为了解决类似问题，寻求一种更好的卡塞格林光学系统设计方法来满足使用要求，特提出以下指标来进行该课题的设计研究与分析。光学系统的设计指标如下：

    1）工作波段：3.7～4.8 μm，中心波长 4 μm；

    2）焦距 f：180 mm；

    3）视场：5°×3.8°；

    4）相对孔径 D/f：1:2（F^#＝2）；

    5）红外探测器：640×480 元制冷型探测器，像元间距 25μm；

    6）冷屏效率：100%；

    7）外形尺寸要求：从窗口第一面到像面的总长小于 130mm。

    1.2 单纯卡塞格林光学系统的能力分析

    典型的卡塞格林光学系统视场均不超过 0.5°，即使在主次镜上采用高次非球面设计，也很难做到满足设计要求的大视场，大相对孔径。经大量的分析计算，得出在典型的卡塞格林光学系统的主次镜上加载高次非球面后，最佳设计指标大概为：①焦距 f：180mm；②视场：1.2°×0.8°；③相对孔径为 D/f＝1:2.5。此时带窗口的卡塞格林光学结构图如图 1 所示。

    图 2 为该系统的光学传递函数（MTF）曲线。由图可知，卡塞格林光学系统在满足上述指标时的传函值比较贴近衍射限，成像质量好。

    若要满足系统使用要求，还需进一步提高视场和相对孔径，设计过程就显得尤其困难。仅将典型的卡塞格林光学系统的指标中相对孔径 D/f 提高到 2:1 时，传递函数（MTF）曲线就大幅下降。图 3 为将图 1 所示光学系统相对孔径 D/f 提高到 2:1 时的光学传递函数（MTF）曲线。