CN108983420B - 一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法，属于光学设计领域。衍射望远镜光学系统由衍射物镜、中继镜和衍射校正镜构成，将传统透射式的中继镜和衍射校正镜改进为反射镜，进行离轴，并在三反射镜系统基础上增加一个反射镜，构成离轴四反射式目镜，提出了一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法。相比透射式系统或基于离轴三反射式衍射望远镜系统，本发明设计方法简单易行，设计的光学系统镜片数量少，变化参数多，并且在大视场、宽波段范围内有着优良的性能。

Description

一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法

技术领域

本发明属于光学设计领域，特别涉及一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法。

背景技术

伴随着光学望远镜口径的增大，不管是制造技术方面，还是调整技术方面，传统形式的望远系统实现起来已经越来越困难，成本越来越高。制约因素包括：传统的大口径望远系统，是通过反射原理成像，需要高精度的反射镜镜面，以及能够精准调节面形和各子镜位置的自适应控制系统和支撑机构，使得各镜面拼接后形成的反射波前的波前差均方根值达到纳米量级。此外，其重量与口径的平方成正比，这主要是因为其重量不仅仅包含光学元件，还有必需的支撑和控制结构。在这样的背景下，一系列更加先进的望远镜制造技术被陆续提出，包括薄膜反射镜技术、稀疏孔径技术、分块展开技术以及衍射成像技术。其中，衍射成像技术因其超轻的质量和宽松的公差两大特性有望成为下一代超大口径望远镜的原理支撑。

目前，衍射望远镜系统多采用折射式，因系统固有色差较大，折射式需采用多个折射式元件以及昂贵材料进行消色差，使得整个系统的质量急剧增大，导致其应用受到一定的限制。而反射式光学系统不产生色差，整个衍射光学系统只需校正衍射物镜色差即可，且反射式系统易于实现轻量化。基于两反射或三反射的衍射望远镜系统结构相对简单，但可变量少，难以满足大视场，宽波段的要求。此外，基于同轴反射式衍射望远镜系统在视场较大情况下，会导致中心遮拦过大，影响系统的成像质量。

为了克服以上困难，本发明将基于同轴三反镜的衍射望远镜系统改进为离轴四反射系统，具有4个半径，5个间隔和4个非球面系数共13个参数，增加了系统优化的自由度，提出了一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法，该设计方法简单易行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法，包括以下步骤：

步骤一、基于同轴四反射镜衍射望远镜系统的初始结构参数计算

衍射望远镜光学系统由衍射物镜、中继镜、衍射校正镜组成，光线入射后，依次经衍射物镜、中继镜、衍射校正镜到达像面；其中，将中继镜设计为三反射镜结构，衍射校正镜设计为反射式，共同组成四反射镜目镜系统。所述的衍射物镜口径和F数分别为D₁和F₁/#，由三反射镜构成的中继镜中主镜M₁、次镜M₂、三镜M₃顶点的曲率半径分别为R₁、R₂、R₃，主镜M₁、次镜M₂、三镜M₃的非球面系数分别为

主镜M₁至次镜M₂距离、次镜M₂至三镜M₃距离、三镜M₃至衍射校正镜的距离分别为d₁、d₂、d₃；衍射校正镜设计成反射式，其F数、曲率半径、非球面系数以及到像面距离分别为F_N/#、R_N、

和l₂。对于衍射望远镜光学系统设计，衍射物镜的口径D₁和F₁/#，衍射校正镜的F_N/#作为初始结构参数。

根据f₁＝l₁＝D₁×F₁/#计算衍射物镜的焦距，利用ZEMAX软件计算出衍射物镜二元面系数。

衍射望远镜光学系统存在色差大的问题，为了校正色差，系统结构的设计基于Schupmann消色差原理。衍射物镜与衍射校正镜之间存在以下关系：

其中,衍射校正镜的曲率半径初始值可根据R_N＝2f_N计算。

衍射物镜至中继镜距离l₁与中继镜至衍射校正镜距离l₂存在关系：

l₂＝ηl₁

由高斯公式可计算出中继镜的焦距(或光焦度)：

利用计算出的中继镜焦距和选取的合适镜间距离，根据以下公式可计算出三个反射镜的曲率半径：

其中，

为了简化计算，目镜中四个反射镜的非球面系数可利用软件在系统进行优化时直接计算。

至此，基于同轴四反射镜衍射望远镜光学系统的初始结构参数D₁、F₁/#、F_N/#、l₁、l₂、d₁、d₂、d₃、R₁、R₂、R₃、R_N以及衍射物镜的二元面系数全部确定。

步骤二、将步骤一中获得的初始结构参数输入到ZEMAX光学设计软件中；将光阑至于第一面上，取合适值为离轴量，使系统无中心遮拦，进行光学系统设计优化，即可得到满足要求的离轴四反射镜衍射望远镜光学系统。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

本发明提出一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法，该方法将基于同轴三反镜的衍射望远镜系统改进为离轴四反射系统，增加了系统优化的自由度，使得系统可在更大视场和宽波段的情况下性能优良。根据Schupmann消色差原理、高斯公式以及三反射系统求解公式得出了适用于基于四反射镜的衍射望远镜系统初始参数计算公式，设计方法简单易行。

附图说明

图1为本发明一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法的离轴四反射镜衍射望远镜光学系统设计结构图。图中1代表衍射物镜，2代表目镜系统。

图2为本发明一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法的离轴四反射目镜系统设计结构图，其位于图1中虚线框内。图中3代表目镜系统中主反射镜，4代表次反射镜，5代表三反射镜，6代表以反射镜为基底的衍射校正镜，7代表像面。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法，该方法所需条件和实现步骤如下：

步骤一、基于同轴四反射镜衍射望远镜系统的初始结构参数计算

衍射望远镜光学系统由衍射物镜1、中继镜、衍射校正镜组成，光线入射后，依次经衍射物镜1、中继镜、衍射校正镜到达像面；其中，将中继镜设计为三反射镜结构，衍射校正镜设计为反射式，共同组成四反射镜目镜系统。所述的衍射物镜口径和F数分别为D₁和F₁/#，由三反射镜构成的中继镜中主镜M₁、次镜M₂、三镜M₃顶点的曲率半径分别为R₁、R₂、R₃，主镜M₁、次镜M₂、三镜M₃的非球面系数分别为

主镜M₁至次镜M₂距离、次镜M₂至三镜M₃距离、三镜M₃至衍射校正镜的距离分别为d₁、d₂、d₃；衍射校正镜设计成反射式，其F数、曲率半径、非球面系数以及到像面距离分别为F_N/#、R_N、

和l₂。对于衍射望远镜光学系统设计，衍射物镜的口径D₁和F₁/#，衍射校正镜的F_N/#作为初始结构参数。

根据f₁＝l₁＝D₁×F₁/#计算衍射物镜的焦距，利用ZEMAX软件计算出衍射物镜二元面系数。

衍射望远镜光学系统存在色差大的问题，为了校正色差，系统结构的设计基于Schupmann消色差原理。衍射物镜与衍射校正镜之间存在以下关系：

其中,衍射校正镜的曲率半径初始值可根据R_N＝2f_N计算。

衍射物镜至中继镜距离l₁与中继镜至衍射校正镜距离l₂存在关系：

l₂＝ηl₁

由高斯公式可计算出中继镜的焦距(或光焦度)：

利用计算出的中继镜焦距和选取的合适镜间距离，根据以下公式可计算出三个反射镜的曲率半径：

其中，

为了简化计算，目镜中四个反射镜的非球面系数可利用软件在系统进行优化时直接计算。

至此，基于同轴四反射镜衍射望远镜光学系统的初始结构参数D₁、F₁/#、F_N/#、l₁、l₂、d₁、d₂、d₃、R₁、R₂、R₃、R_N以及衍射物镜的二元面系数全部确定。

根据上述初始结构参数的求法，设计了系统焦距8000mm，衍射物镜口径D₁＝1000mm，F₁/#＝25，衍射校正镜F_N/#＝1，视场(圆形视场)2ω＝2×0.6°，工作波段0.55～0.65μm(主波长0.6μm)的四反射镜衍射望远镜系统。考虑系统的合理性，取-d₁＝d₂＝-d₃＝1000mm，衍射校正镜至像面距离l₂适当调整，得到系统的初始结构参数如表1和2所示。

表1同轴初始结构参数

表2衍射物镜二元面系统

步骤二、光学系统设计优化

将步骤一获得参数输入光学设计软件ZEMAX中，得到同轴衍射望远镜光学系统结构示意图和成像质量评价图。

求解出的初始结构光学系统遮拦严重，成像质量差，需进行优化。为保证系统结构的合理性，优化过程中保持d₂和d₃的绝对值大小与d₁一致，取目镜系统离轴量150mm，以各面半径、间距值、非球面系数以及衍射校正镜的二元面系数和倾斜、偏心为变量进行优化，形成如图1所示的离轴四反射镜的衍射望远镜系统，结构参数如表3和4所示。

表3离轴优化后的结构参数

表4衍射物镜和校正镜二元面系统

目镜中第三反射镜通光孔相对于镜片的遮拦比只有0.01，对系统成像质量几乎没有影响，满足要求。

光学传递函数曲线MTF反映光学系统对入射光束空间频率成分的传递能力，可以看出在Nyquist频率下，全视场、全波段范围内，系统的MTF接近衍射极限。点列图反映了几何光线入射到像面上的集中程度，能量分布反映了光斑能量集中程度，从点列图和能量分布图可以看出，能量集中，成像质量优良。

通过以上步骤实现了一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计。

本发明提出一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法，该方法将基于同轴三反镜的衍射望远镜系统改进为离轴四反射系统，增加了系统优化的自由度，使得系统可在更大视场和宽波段的情况下性能优良。根据Schupmann消色差原理、高斯公式以及三反射系统求解公式得出了适用于基于四反射镜的衍射望远镜系统初始参数计算公式，设计方法简单易行。

Claims (2)

1.一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、基于同轴四反射镜衍射望远镜系统的初始结构参数计算

衍射望远镜光学系统由衍射物镜、中继镜、衍射校正镜组成，光线入射后，依次经衍射物镜、中继镜、衍射校正镜到达像面；其中，将中继镜设计为三反射镜结构，衍射校正镜设计为反射式，共同组成四反射镜目镜系统；所述的衍射物镜口径和F数分别为D₁和F₁/#，由三反射镜构成的中继镜中主镜M₁、次镜M₂、三镜M₃顶点的曲率半径分别为R₁、R₂、R₃，主镜M₁、次镜M₂、三镜M₃的非球面系数分别为

主镜M₁至次镜M₂距离、次镜M₂至三镜M₃距离、三镜M₃至衍射校正镜的距离分别为d₁、d₂、d₃；衍射校正镜设计成反射式，其F数、曲率半径、非球面系数以及到像面距离分别为F_N/#、R_N、

和l₂；对于衍射望远镜光学系统设计，衍射物镜的口径D₁和F₁/#，衍射校正镜的F_N/#作为初始结构参数；

根据f₁＝l₁＝D₁×F₁/#计算衍射物镜的焦距，利用ZEMAX软件计算出衍射物镜二元面系数；

衍射望远镜光学系统存在色差大的问题，为了校正色差，系统结构的设计基于Schupmann消色差原理，衍射物镜与衍射校正镜之间存在以下关系：

f_N＝-η²f₁

其中，衍射校正镜的曲率半径初始值可根据R_N＝2f_N计算；

衍射物镜至中继镜距离l₁与中继镜至衍射校正镜距离l₂存在以下关系：

l₂＝ηl₁

由高斯公式可计算出中继镜的焦距或光焦度：

利用计算出的中继镜焦距f_relay和选取的合适镜间距离d，根据以下公式可计算出三个反射镜的曲率半径：

其中，

为了简化计算，目镜中四个反射镜的非球面系数可利用软件在系统进行优化时直接计算；

至此，基于同轴四反射镜衍射望远镜光学系统的初始结构参数D₁、F₁/#、F_N/#、l₁、l₂、d₁、d₂、d₃、R₁、R₂、R₃、R_N以及衍射物镜的二元面系数全部确定；

步骤二、将步骤一中获得的初始结构参数输入到ZEMAX光学设计软件中；将光阑至于衍射物镜面上，再将中继镜系统取合适值为离轴量，使系统无中心遮拦，进行光学系统设计优化，即可得到满足要求的离轴四反射镜衍射望远镜光学系统。

2.一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统，其特征在于：该基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统是由权利要求1所述的一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法设计的。

Images