基于球面的600mm望远镜光学系统设计

　　0　引　言

　　目前的大口径望远镜系统通常采用非球面反射镜进行设计,如经典的Cassegrain,Ritchey-Chre-tien,Schimit和Newton等形式,目的是消除球面反射镜的球差。由于大口径非球面反射镜在加工、检测、装调上都较困难,因此构造这样的系统常常成本很高,不适合一般的实验研究应用[1,2]。

　　为了设计一套大口径、低成本的实验望远镜系统,本文分析了四种全部采用球面的可能实现形式,并分别得到了满足指标要求的设计结果。通过分析每种形式的优缺点,得出了最适合的一种形式,并进行了详细的分析和设计。

　　1　设计指标要求

　　对该系统的设计指标要求如下:

　　口径600mm,焦距6000mm,视场角0.2°,遮拦比<30%,波段500~750nm,成像质量的80%的能力集中在直径为30μm的圆内,采用球面元件。

　　在结构方面要求望远镜结构紧凑,为了使焦面位置容易装调,采用卡焦或耐焦位置,而不选择主焦点形式。

　　2　四种可实现的光路形式

　　2.1　Maksutov-Cassegrain

　　Maksutov系统利用一块前置的弯月形厚透镜,通过弯曲产生过校正球差,补偿球面反射镜的欠校正球差,而且透镜的光焦度很小,几乎不产生色差[3]。其基本形式如图1所示,校正镜的厚度为

　　式中:n为校正镜折射率;R1和R2为前后两个面的曲率半径。校正镜无光焦度,系统无色差。

　　将Maksutov的弯月形校正镜应用到Schimit-Cassegrain形式中来代替非球面的Schimit校正板,可以得到全部使用球面的Maksutov-Cassegrain的形式。按要求设计的Maksutov-Cassegrain形式的系统如图2所示。前校正镜的材料为K9,厚度为60mm。

　　这种形式的Maksutov-Cassegrain系统称为Maksutov-Rumak系统。系统遮拦比为30%,轴上、0.7视场和轴外视场的80%的能力集中度分别为27.1μm,38.4μm和29.6μm,满足设计指标要求。但前校正镜与主镜间隔为1564mm,结构不够紧凑,这也是Maksutov系统固有的缺点。要想缩短前校正镜到主镜间隔需要增加主镜的光焦度,主镜将产生更大的球差,使前校正镜更加弯曲,会增加系统的残余像差。

　　为了缩短系统的长度,可以在汇聚光路中增加校正镜,构成紧凑的Maksutov形式,这种系统的前校正镜和主次镜系统的焦距短,通过后面的校正镜组增加焦距,系统的色差由后校正镜组校正。设计结果如图3所示,其中由前校正镜、主次镜组成的系统焦距为3971. 5mm,前校正镜与主镜间隔为1100mm,并通过反射镜将焦点折出,便于将仪器安装在望远镜四通上,同时又能缩短筒长。前校正镜仍为K9材料,60mm厚,汇聚光路中的四块校正镜材料分别为K9,ZF2,QF2和QK3,像面前的场镜为ZF5。系统遮拦比为30%,轴上、0.7视场和轴外视场的80%的能力集中度分别为27.1μm,26.1μm和30.0μm。