改进型卡塞格林望远光学系统的优化设计

　　为了缩短筒长和减小体积，长焦距物镜一般多采用卡塞格林式反射系统。但经典的卡塞格林系统虽然主、次镜能够互补场曲，但是视场依然很小，传统上增大视场的途径主要有两种：一是将主镜和次镜都做成高次曲面，代替原来的二次曲面;二是在像面附近加入透镜式的视场校正器，用以校正反射系统的慧差和像散。对于前者，高次曲面的加工和检测都比较复杂，并且加入高次曲面后，主镜焦面不能独立使用，同时也不能更换副镜来改变系统的组合焦距。对于后者，主、次反射镜依然要使用非球面。本设计通过分析校正反射镜所产生的像差的方法，采用在反射系统前和像面附近同时加入透镜的结构，设计出了不含非球面的折反式卡赛格林光学系统。该系统不仅增大了视场，同时又很好的控制了生产成本，且系统易于装调。

　　1 系统基本参数设计

　　作为望远镜系统，可做出两个假定，如下：

　　(1)物体位于无穷远，即1= ，1= 0

　　(2)光栏位于主镜上，即1=1= 0

　　再定义两个与轮廓尺寸有关的参数 与 ：

　　利用高斯光学公式还可以推导出

　　式中， 表示副镜离第一焦点的距离，也决定了副镜的遮拦比， 表示副镜的放大倍数。主镜的焦距乘以 即为系统的焦距，或主镜的F数乘以 的绝对值即为系统的 F 数。

　　2 光学系统设计

　　2.1 光学技术指标

　　本系统光学技术指标如表 1 所示。

　　2.2 光学结构

　　合理的光学结构有助于在校正像差的同时，达到体积小、重量轻、性价比高等目的。

　　此系统工作波长属于可见光，如果使用折射系统，因为焦距较长校正二级光谱较困难，且使用的透镜过多，系统长度过长，会造成整个系统的质量过大，结构不够紧凑，不能实现系统的小型化、轻量化。若使用反射系统，虽然色差的问题可以决，但是单纯的反射系统为了满足以上技术指标，主、次反射镜都需要采用非球面面型，这对系统的加工、检测、装调都增加了困难。综上所述，本设计采用折反射光学系统，主、次镜采用卡塞格林反射系统结构，利用折射透镜来补偿反射镜所产生的像差，最终使系统在各个元件表面都为标准球面的条件下达到系统技术要求，系统结构图如图 2 所示。

　　3 光学系统性能分析

　　3.1 像差分析与校正

　　像差的校正要通过分析像差的特性，采用合理的光学系统结构来实现。

　　对于折射式系统，因为材料色散的原因引起二级光谱的产生，并且随着焦距的增长，二级光谱增大。而对于反射式系统由于不存在色散，所以不会产生任何色差，也就不会产生二级光谱。所以为了使二级光谱减小，在设计过程中系统的光焦度主要由主、次两个反射镜产生，而其它折射系统不产光焦度。为了校正反射镜产生的球差和彗差，在光学系统的最前端要加入两片额外产生球差和彗差的无光焦度透镜组，并且它们采用同一组玻璃自行消色差。为了校正像散等其它轴外像差，在次反射镜后同样也要加入一个无光焦度的校正组。