大相对孔径折射式复消色差天文望远物镜设计

　　引言

　　深空天体指的是天上除太阳系和恒星之外的天体。对于深空天体，望远镜的主要作用是为不敏感的眼睛收集更多的光线。短焦比望远镜聚光能力强，适合深空天体即星云，星团，星系等的观测和摄影。

　　反射式系统可以避免折射式光学系统存在的二级光谱，但视场角很小[1]，结构不紧凑，装调困难。折反光学系统，为了校正像差扩大视场，一般采用反射镜加折射改正镜的形式[2]，外型尺寸和重量比较大，改正镜也较难加工。透射式光学系统，视场角可以做得较大，加工工艺简单，但色差是折射式望远镜.

　　所具有的主要缺陷，在宽谱段内进行消色差也是折射式系统光学设计的难点。一般焦距较短的系统，二级光谱色差的数值较小不需要校正，但是对于焦距较长的系统，例如天文望远镜或长焦平行光管，它的影响不可忽视，需要进行校正[3]。通常二级光谱校正的最有效方法是采用特殊光学材料，如萤石(CaF2)、氟冕玻璃、特种火石玻璃、晶体和光学液体[4，5]，以及二元光学技术的应用。通过对超低色散材料的使用，设一款适合深空观测的短焦比高分辨力复消色差望远镜。

　　1　复消色差光学系统基本原理分析及材料的选择

　　光学镜头的色差是由光学材料的色散引起的，消色散与光焦度的分配有关[6]。根据传统的密接系统消色差基本原理，密接双薄透镜系统对两种色光校正色差的条件为

　　组合光焦度公式

　　系统的F光和C光消色差后，D光与F光或C光的色差为二级光谱色差，总的F光与D光色差等于密接薄透镜组各部分的色差之和

  （3）

式(3)中，c、Φ、ν分别为透镜前后面的曲率差、各个透镜的光焦度、阿贝数，P称为材料的部分色散，将式(1)和式(2)代人式(3)可得

　　系统的F光和C光消色差后，D光与F光或C光的色差为二级光谱色差，总的F光与D光色差等于密接薄透镜组各部分的色差之和

 （5）

　　将式(4)和式(5)代入式(3)可得

　　由式(7)可知，对于一定焦距的密接双薄透镜系统，其二级光谱初级量与系统结构参数无关，完全由两块玻璃的相对色散和阿贝常数差数之比决定[7]。校正二级光谱色差，必须使用阿贝数相差较大而相对色散系数相同或相近的材料。一般玻璃材料中，只有少量材料偏离正常P-ν近似直线，这种材料有萤石(CaF2)、氟冕玻璃(FK)和特种火石玻璃(TF)。

　　两种普通玻璃的组合很难消除二级光谱，只能采用特殊玻璃的组合来降低二级光谱的数值[8]。文中选择的材料为超低色散材料S-FPL53、S-FPL51与火石玻璃S-BSL7、S-LAL14的组合，进行二级光谱的校正。在设计中正透镜选择超低色散材料，有利于色差的校正。表1给出来这几种玻璃的色散特性。