22m焦距太空望远镜光学设计

　　1　引　言

　　空间光学中,同轴三反消像散系统无色差,可同时消除多种像差,平衡轴上和轴外点的成像质量,适于大视场长焦空间光学系统。但焦距的增加将使系统 尺寸和质量随之增加,尤其是有中间像的长焦系统。拼接式合成孔径光学系统能满足下一代太空望远镜更大、更轻和可折叠的要求。这种形式的太空望远镜可以在发 射时折叠,在轨展开,关键技术是子镜制造和拼接。子镜的面形误差和拼接产生的失调误差将大幅改变系统的光瞳函数,对像面复振幅分布造成较大影响。因此,子 镜的面形精度、口径大小、数量分布和装调精度应在系统设计时作为一个整体考虑。

　　本文基于三反消像散系统,采用多子镜拼接和反射折叠镜压缩光路的技术,在满足大视场、长焦的同时,有效降低系统尺寸,给出了设计实例。

　　2　结构参数分析

　　三级像差理论给出了单色像差的一般表达式,共五种:球差、慧差、像散、场曲和畸变,其三级像差系数分别为。在三镜全反系统中共有7个自由变量:,为次镜对主镜的遮拦比,其中f1′为主镜焦距,h1和h2为主次镜的口径; ,为三镜对次镜的遮拦比,h3为三镜口径;′为次镜和三镜的放大率; 分别为3个反射镜的二次项系数。另外,R1,R2,R3为三个反射面的曲率半径,f′为系统总焦距,d1,d2为主镜与次镜、次镜与三镜的间距。由此可确定这种系统有可能同时消除所有单色像差[1]。三反光学系统的初始结构如图1所示。

　　a1,a2,β2,β3为与轮廓尺寸有关的变量,若要消除球差、慧差、像散和场曲,则有三个变量可自由安排。适当选择自由变量,将其带入Seidel像差系数公式,通过求解来确定。满足总焦距和初级像差要求后,剩余变量可用来满足中心遮拦、工作距等外形尺寸要求[2],其中成中间像的充分条件是:a1<0或a2<0。

　　为减轻质量和缩小体积,需要限制主次镜间距。且口径一定时,较大的主次镜间隔会增加轴外视场拦光,降低轴外视场的衍射调值函数。因此主次镜间隔 应该足够小,直至高级像差的增加导致传递函数下降为止[3]。同时,为减小三镜的体积和适当安排接受焦面,不可避免导致较长的后截距。视场较小时,可使用 折叠镜配合三镜将光路压缩在主次镜间,可有效减小体积,但这种方法不适用于大视场的长焦系统[4]。

　　由于主镜的体积、质量等因素限制,下一代大口径太空望远镜不可避免要采用拼接主镜。拼接主镜不可避免产生失调误差,使出瞳波前或波像差发生较大 变化,影响光学系统的成像性能。在满足性能指标前提下,出瞳波前的变化还与子镜的面形精度、一致性和形状、大小、位置有关。对于误差的研究将贯穿于系统设 计、加工、装调和在轨使用的全过程。