衍射望远镜光学系统设计

　　0 引言

　　目前, 在空间对地遥感领域中, 无论是军用还是民用都在努力发展高分辨率的空间望远镜, 并要求它在多光谱范围内, 具有质量轻、分辨率高等特点。传统的空间望远镜设计大都选择多反射镜结构[1- 2], 通过采用高次非球面来校正像差, 为减小质量, 将主镜做成薄膜结构[3], 但使得系统加工装调困难, 同时元件面形难于控制。而用平面薄膜衍射透镜做物镜的衍射望远镜可以克服传统望远镜的缺点, 达到结构简单且具有超轻的质量和宽松的面形精度要求, 因为, (1) 位相型衍射元件在可见光波段内可以做成一系列表面深度为1 !m 左右的浮雕结构, 加上十几个微米厚的平面基底, 整个衍射透镜可以做得很薄, 从而大大降低元件的质量; (2) 入射光经反射镜表面光程差的改变量是镜面面形误差的两倍, 对于高分辨率的反射式望远镜, 一般要求光程差要小于λ/10, 元件的面形精度优于λ/20, 这在可见光波段是很难实现的。但衍射光学元件是透射型元件, 入射光通过一个等厚的透射表面, 在一个面上的路径延迟被另一个表面抵消, 表面的面形误差几乎对出射光程不产生影响, 使得元件面形具有很宽松的公差要求。美国劳伦斯- 利弗莫尔国家实验室已经开始研究衍射空间望远镜并得到了较好的结果[4- 5]。但目前在国内尚未见到有关报道。

　　设计了一个口径为1 000 mm, 焦距长8 m 的衍射望远镜。物镜采用平面衍射透镜, 质量轻, 面形精度低,易控制; 目镜采用带有衍射面的离轴三反射镜, 使系统结构简单( 三个反射面均为普通的二次非球面) , 体积小, 具有很好的色差校正能力。所设计系统具有较好的成像质量, 满足当前对空间望远镜的应用要求, 解决了传统望远镜质量轻与高分辨率之间的矛盾。

　　1 设计原理

　　设计衍射望远镜的主要障碍是衍射元件有很大的色散, 只能对极窄频谱范围内的光线精确聚焦, 要想实现衍射透镜的宽带应用就要对其进行色差校正。传统的折射透镜通常采用不同色散的玻璃组合做成胶合结构, 可以在某一频谱范围内实现色差校正。但衍射透镜却不能简单地用同样的方法校正色差, 因为所有衍射元件具有相同的色散特性, 即衍射元件的阿贝数只与波长有关:

　　式中: λ0 是设计波长; λ1 、λ2 分别是所用波段的最短和最长波长。文中采用衍射元件不单独校色差, 而是将物镜衍射透镜与目镜衍射透镜结合实现色差的校正。

　　其理论依据是由Schupmann 提出的[5], 即: 任何一个有色差的光学元件, 其色差的校正可通过将与第一个元件具有相同色散、相反光焦度的元件放在第一个元件的共轭像位置来实现。这个原理的优点是可以实现全波段消色差, 而不是局限在某一个较窄的频谱范围内。基于Schupmann 理论的衍射望远镜系统的结构如图1 所示。多色光经过衍射物镜发生色散, 到达目镜时, 各颜色光线在空间与频谱上分开。接继系统T 理论上是一个理想系统, 它将来自物镜的不同颜色的空间分开的光线会聚于一点, 再由目镜衍射透镜将各颜色光线在频谱上重新合为一束光。