Cook结构补偿镜的球面折反型望远系统

　　1　引　言

　　本文提出了一种Cook结构作为补偿镜,替代传统的折反望远镜的前置大口径补偿镜,而且全部面型球面化的望远系统。此结构是主,次镜都是球面反射镜,Cook镜作为补偿镜位于次镜之后,补偿前面球面镜的剩余球差,在像面附近存在一弯月镜负责平衡场曲。折反望远系统通常有两种结构形式。第一种:主、次反射镜为非球面的折反望远系统。此类结构的主镜和次镜均采用非球面,主镜是抛物面,次镜是双曲面,或者是椭球面,在接近像面的位置上还要加入一个校正场曲的弯月镜,这种结构中非球面的加工和系统装调是该系统应用的难点。第二种:主、次反射镜为球面,但有前置校正镜的折反望远系统。此类结构虽然无非球面反射镜,但主反射镜前有一个或两个大口径的前置校正镜组,用来校正轴上球差,其口径基本与入瞳直径相当。这种大口径前置校正镜,由于口径大,获得高品质的大尺寸光学材料很困难,且价格也非常高。以上两种结构都给实际加工带来困难,也增加了系统的制造成本。目前国内的非球面,尤其是大口径非球面的加工、检测和装调也都相当困难;而且大口径球面透镜需要大块的光学材料。对大尺寸的光学材料,要保证材料良好的光学均匀性、汽泡、条纹度等光学指标,其制造难度非常大,成本也很高。在保证相同成像质量的前题下,如何用球面代替非球面,用小口径透镜代替大口径,降低加工难度,减小制造成本,以获得更高性价比的新型实用望远系统正是本文所讨论的核心内容。新结构望远镜技术指标是:焦距2 500 mm,入瞳350 mm,系统F/7.1,中心遮拦比取0.42。在像面处CCD的50 pl MTF衍射极限达0.45。视场角为0.5°,MTF>0.4@50 pl/mm。波长450~660 nm,全长小于1.1 m。

　　2　改进的折反结构系统

　　2.1　系统结构

　　此望远镜使用基于Cooke结构补偿镜来解决补偿球差的问题[123]。在这里使用Cooke三片式镜头作为初始优化结构,经过优化圆满地校正了球差。值得注意的是,这里的Cooke镜组中每片镜都是弱光焦度,光线几乎不偏折,入射角很小,因此引入的色差,球差也非常小,反而把球面反射镜的剩余球差给予校正。校正镜结构如图1。此新型系统全部采用球面设计,避开了非球面镜或前置大口径球面校正镜的经典折反系统的设计模式,系统结构简单,便于加工,可大大降低成本。具体结构如图2。

　　图2中将经典折反结构中的非球面改为球面,并加上后置Cooke结构校正镜组。这种结构的特点是由非球面改为球面而带来的轴上球差,通过后置小口径Cooke结构球面镜组加以校正。后置球面镜组替代了前置大口径球面校正镜,其球差校正效率比前置校正镜困难得多,但通过复杂化后,仍能平衡主反射镜产生的球差。但小口径的后置校正镜从材料熔炼到加工难度远比大口径的前置校正镜容易得多、便宜得多。