全部采用反射元件的四组元变焦望远镜的设计与分析

　　1.概述

　　因为希望对红外和可见光波段进行多光谱段共用光学系统，在过去的十年里全部采用反射式镜组的光学系统取得了发展。应用现今的设计和制造技术，准直系统、共振系统、成像系统的非常规设计变得越来越容易实现。然而，在反射技术的应用领域中，反射式变焦并不普遍。这是由于以下各种原因所致:设计困难;能量利用率低;装调及大反射元件在精确变焦过程中的光机结构问题。

　　这些间题在现在技术条件下得以缓解。全部为反射元件的变焦系统如MZT(多光谱段变焦望远镜)的设计已见诸报道。

　　该设计的初始动机是基于一种对于Boeing望远系统适用于宽窄两个视场的多光谱望远镜。对于这种要求的解决方法显然是需采用全部反射元件的变焦系统。这种形式的实际系统并没有见过文字报道。曾经有过关于由Woehl设计的离轴倾斜反射镜的报道。因为该系统用于光束整形和目标工程，它并不适用于宽视场。最近，Rah和Lee描述了一种同轴对称式反射变焦系统，这种四球面反射镜采用卡塞格林一卡塞格林型式设计，具有二倍的变倍比和2。视场并存在较大的轴外象差。因此，需着手设计一种新的全反射元件变焦望远镜。

　　2.第一代系统

　　该初始结构由Georgepinson在U.S专利4812030(Mar，14.1989)发展而来。第一代系统的设计由Bobwatts完成。这是一种测量卡塞格林一卡塞格林结构，采用两个外购的负组实现变焦。它有4倍的变焦范围(2.5到10in)，将近F/3.5的相对孔径。宽视场6°，窄视场1.5°。该结构在变焦过程中的第一块反射镜和第二块反射镜之间有一个移动的中间像面。整个系统长从13.5变到15.5in，第一块反射镜的口径为4in。在该系统中为减小加工难度，采用球面系统和简单的锥面。该系统的点列图直径轴上为0.001in，轴外为0.0lin。可见还有很大的提高质量的潜力，应用该设计方案制造了一个原型。该系统的成像质量比预期应用于CCD摄像机的要求还有一些距离，并且常规抛光的反射镜也难于装调。设计中所面临的直接限制导致了这种结果，例如:光学设计工具仅是基于PC机的一种程序，该系统对于该类非常规系统的控制能力很小;加工设备仅限于锥面。由Boeing和CAO合作进行了第二代MZT原理样机的设计探索。

　　CAO致力于开发多种类的光学设计符号代码，提高采用金刚石切削制造普通非球面的能力，积累设计、加工、装调先进的反射型光学系统的经验。

　　3.第二代系统

　　第二代系统的目标是在不增加系统复杂程度的前提下，设计一种具有较高成像质量、较高光能利用率、较好的杂散光抑制性能的系统。该设计期望在随视场增大，成像质量允许适当减少的前提下，轴上点成像质量达到衍射极限。第一步是重新设计前后部分，应用双反射镜望远系统的标准方程解移动像点到第一反射镜顶点的相对关系。同时考虑光能有效利用的难点。应用这个解在第二组进行非球面化，在整个变焦范围内校正第一组产生的象差。选择合适的前后配置是一个非常艰难的工作。CAO开发了一种新技术来确定适用于这种需要的通用成像问题的解。基本输入包括物空间数值孔径、倍率和总长。输出结果生成有效空间解及各组元光焦度。为便于观察后组后面元件的配置，该输出有宽、窄视场的轮廓图。最初在适宜尺寸范围的解包括正一负、负一正、正一正多种组合。在加入一定的约束条件如遮拦比、空间位置，解的范围变得很窄，只选择了初始设计的反卡塞格林后部配置。