Golay3望远镜系统的设计

　　1　引　言

　　角分辨率是天文望远镜的关键参数之一，为提高其值往往需要增大望远镜的口径，但这同时增加了望远镜的体积和重量，从而导致望远镜制造成本的上升，目前解决二者矛盾的有效途径之一就是采用稀疏孔径。稀疏孔径通过将数个较小的光学孔径按照一定的排列规则构成一个大的光学孔径来捕获与单个大孔径系统相当的目标信息，可有效地降低光学镜面的加工难度和制造成本。稀疏孔径在具体应用上有2种形式，即多子镜望远镜系统 (Multiple-mirror　Telescope，MMT)和多子望远镜系统 (Multiple-telescopeTelescope，MTT)，各自的代表分别有美国波音SVS公司的Golay6稀疏孔径望远镜[1]和美国麻省理工学院(MIT)的自适应侦查Golay-3光学卫星 (Adaptive　Reconnaissance　Golay-3 OptialSatellite，ARGOS)[2]。

　　关于稀疏孔径的报道大部分都围绕理想的稀疏孔径模型[3-5]进行讨论，并未将稀疏孔径置入望远镜体系[6-7]从整体上对望远镜性能进行分析。本文设计了一套两镜系统，并用Golay-3稀疏孔径来替换主镜，得到了系统的调制传递函数随着稀疏孔径填充因子的变化规律;并为了改善系统的视场，提高像质，在像接收面之前加入校正镜。研究结果对MMT望远镜系统应用于天文和空间光学系统中提供了很好的理论指导。

　　2　Golay　3望远镜设计

　　2.1　两镜系统设计步骤

　　两镜系统的基本结构如图1所示，次镜遮拦比α=h2/h1，次镜放大率β=l2′/l2，利用高斯光学公式可得：

　　其中R1和R2分别为主镜M1和次镜M2的曲率半径。

　　两镜系统的设计首先要确定系统的通光孔径D[8]、相对口径、主镜相对口径以及系统焦点伸出量Δ来计算α和β;然 后，利用公式l2=以及式(1)算出次镜位置l2、两镜相对位置d以及R1和R2;再根据三级像差理论，算出主镜及次镜的面形系数e21和e22;最后，以e21和e22作为优化变量，利用光学设计自动优化程序对系统进行优化。

　　根据以上步骤，本文设计了一套两镜系统，系统参数见表1。

　　考虑到主镜将由Golay3稀疏孔径替代，为了控制子镜的tilt和piston误差自由度[2]，故主镜取为球面，即面形系数e21为0;同时由α和β的大小和符号可知，该系统次镜小于主镜，位于主镜焦点同侧。

　　2.2　主镜为Golay3稀疏孔径的望远镜

　　在上述两镜系统的基础上(见图2)，用Golay3稀疏孔径代替主镜，3个子镜在主镜上的位置分布如图3所示：取光线传播方向为轴，根据右手坐标定则，xy平面与纸面平行。3子镜都为球面，大小相等且均匀分布在主镜面上，3个子镜的面形中心分别关于主镜面形中心120°旋转对称，因此，3子镜的曲率半径与主镜的曲率半径相同(见图4)。