轻量化Φ600R-C光学系统主镜的研制

　　1　引　言

　　轻量化600R-C光学系统是某卫星光学系统的主系统,后面可以接各种光谱、光度观测设备。主要有以下优点[1-2]:R-C系统为等晕光学系统,采用非球面,使光学系统结构简单化,有较大的消像差能力,可获得大到几十分的视场并同时消球差和彗差,视场大成像质量好;系统口径大,远远超过透镜的极限尺寸,可接收更多的能量,对于卫星的后继接收系统很有利;使用反射系统,镀反射膜后,可以在紫外到远红外都能达到很高的反射率;对于反射镜的材料,它的膨胀系数较小、应力较小,便于磨制;轻量化程度高,节省发射费用和减小镜面变形;筒长短,结构简单,容易装调。

　　系统的次镜口径小,非球面度和非球面度梯度也都不大,面形相对容易加工到较高精度,系统加工难度主要集中在主镜上,质量大、非球面度大,轻量化程度高,加工时检验方式、支撑与夹持方法都要合理,否则既费时又易变形。

　　2　光学设计

　　2. 1　R-C光学系统参数

　　R-C光学系统是整个光学系统的主系统,它的技术指标是在系统总体要求下提出的,主镜口径为610mm,有效通光口径600mm。R-C光学系统部分结构参数如表1所示。

　　2. 2　奥夫纳(Offner)补偿器设计

　　由于主镜的口径大、相对孔径大,所以非球面度、非球面度梯度以及法线像差较大,检验较为困难。补偿检验可以用小口径球面系统来检验大口径、大相对孔径的非球面镜,所以主镜采用会聚光奥夫纳补偿检验。用单色光进行自准直检验,不考虑补偿器的色差问题,只要求消除球差即可。单透镜消球差的能力是有限的,所以采用两片同种材料的透镜作补偿器,即两片型补偿器。

　　消球差条件为:

　　再依据三级像差理论及等偏角原则,用PW法求解补偿器初始结构参数[3]。由于补偿器将点光源成像在主镜的曲率中心,补偿器的光焦度φc的选择决定于补偿器口径与出射光线的孔径角,以及主镜法线的孔径角。主镜的口径与顶点曲率半径已知,镜面法线的孔径角即可求出,若设定补偿器对主镜的遮拦比α值,则补偿器口径成为定量,再根据补偿器出射光线的孔径角的要求,即可求出φc:

　　式中,φc1和φc2分别为补偿器两片透镜的光焦度。对φc1和φc2进行合理分配,即可求出两片透镜弯曲Q1与Q2,根据Q1与Q2即可求出两透镜的四个曲率半径。将初始结构参数带入光学设计软件,对透镜加厚进行优化设计,就可以得出理想结果。奥夫纳补偿检验设计参数如表2所示,图1为补偿器检验光路图。

　　从图2可知:系统轴上波像差为0. 0178λ, 0. 1°时的波像差为0. 1021λ,可见满足补偿器设计使用要求。