大口径长焦距反射式偏瞳平行光管光学设计

　　大口径长焦距平行光管由于口径大、焦距长,一般采用反射系统,可以从紫外到红外较宽的波段内且无色差.普遍采用结构简单的Cassegrain二反系统.这类系统次镜对主镜有中心遮栏,不仅损耗能量,而且会降低系统低频部分的MTF.要改变这种情况,一种途径是增大系统相对孔径.而大相对口径、高精度光学元件加工非常困难.另一个途径就是采用共轴偏瞳系统或离轴系统.这2种系统次镜不遮挡主镜光线,没有光能损耗.在各国发射的空间相机中,很多采用了离轴系统.离轴系统各元件不同轴,加工和装调也比较困难.共轴偏瞳系统则具有长焦距、宽视场、无遮拦、结构紧凑、加工装调相对容易等优点而被广泛采用.

　　1　理论分析

　　1.1　偏瞳两镜系统分析

　　偏瞳两镜系统的变量:主、次镜顶点曲率半径、主、次镜非球面系数、次镜放大率、两镜间距.偏瞳系统在设计中可以将像面倾斜作为一个变量.对于偏瞳的Cassegrain系统,主次镜顶点曲率半径和两镜间距确定系统光焦度,偏瞳量最小值取决于主镜顶点曲率半径和主次镜间距.考虑到次镜遮光罩,偏瞳量要相应增大.Cassegrain系统主镜为抛物面,次镜为双曲面.系统可用于校正像差的变量只有次镜非球面系数和像面的倾角,最多校正球差和彗差.像散与视场成二次关系,随视场增大,像散迅速增大,系统像质下降很快.所以一般偏瞳Cassegrain系统只能在很小的视场内获得较好的像质.

　　要想扩大偏瞳两镜系统的视场,就要增加系统量以校正其他轴外像差,一种方法是在像面前加无光焦度校正组,以校正轴外视场像差.但引入透组会丧失反射系统无色差、宽波段的优点,并引入差等不利因素.提出对次镜进行偏心与倾斜,从而保持两镜系统结构简单、元件较少的前提下提高统像质,增大视场.

　　1.2　倾斜与偏心对系统像差的影响

　　1.2.1　矢量像差理论

　　国外对于包含偏心与倾斜元件系统的研究起步20世纪70年代,Roland.V.Shack教授针对含有倾与偏心元件的系统提出了矢量像差理论.该理论对含偏心与倾斜元件的系统进行了分析并对元件偏与倾斜对系统像差的影响有较深入的研究.对于轴对称系统,第j面的三阶波前像差在极标下可以表示为

　　图3中,O点为轴对称系统的视场中心; A点为整个系统的对称中心;B点为最终像场中的场点;矢量 H为视场矢量,起始于高斯像面中心;矢量 Hj为有效视场高度,起始于第j面像差场对于整个系统的对称中心;矢量 aj为视场矢量的偏移矢量,起始于视场中心,指向第j面像差场在像面上的对称中心.从图3可以看出