衍射望远镜光学系统设计_张楠.doc

衍射望远镜光学系统设计

张楠
当前对空间望远镜光学系统的要求是: 在宽光谱范围内, 系统具有分辨率高、质量轻等特点, 衍射望远镜可以满足上述要求。
利用 Schupmann 提出的消色差理论可实现系统宽光谱覆盖, 采用平面衍射透镜做物镜可使系统轻量化, 降低了成本。设计了一个物镜口径为 1 000 mm, f/# =100, 用离轴三反射镜做目镜的衍射望远镜。设计结果表明: 系统在 0.65~0.75 !m 波段, 0.02°×0.035°视场范围
内, 得到了消色差, 接近衍射极限的成像质量。
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。
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 um 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[a very large aperture diffractive space telescope， very large aperture diffractive telescopes]。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。
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。
衍射元件的阿贝数只与波长有关:
理论依据是由 Schupmann 提出的: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
衍射望远镜的理论结构:

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。但他是个理论模型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。

理论上, 系统 T 可以采用任何形式的消色差结构, 这里选用反射镜系统来实现,因为反射系统可以有效减小目镜体积, 其单色像差与衍射元件平衡进行校正。为满足消色差的要求, 物镜与目镜衍射组分的光焦度的关系为:

Sm是衍射透镜的最小特征尺寸。
由上述关系, 在保证目镜最短及单色像差的要求下, 可确定衍射面及共轴三反射镜的初始结构, 在此基础上用 ZEMAX 软件进行优化, 可得到满意的成像质量。
基于 Schupmann 的消色差理论, 设计了一个衍射望 远 镜 , 系 统 f/#=8, 工 作 波 段 0.65～0.75 μm, 视 场0.02°×0.035°。其结构参数如下: 物镜( 孔径光阑) 口径1 000 mm, f1/100, 距目镜 100 m, 反面衍射面 fN/2( 反面衍射面做在三镜上), 目镜口径 84 mm, 长度 253 mm。目镜系统参数如表 1 所示, 离轴三反射镜采用视场离轴。
目镜结构

传函函数

垂轴色差曲线

从上面的设计结果可以看出, 由于目镜离轴三反射镜采用视场离轴, 三个反射镜实际是共轴的, 彼此没有偏心和倾斜, 主镜与三镜在同一平面上, 且三反射镜均为简单的二次非球面, 因此整个目镜系统加工装调都很容易,且目镜系统体积小。系统传递函数曲线接近衍射极限, 在空间频率 30 lp/mm 处, MTF 值能达到 0.5 以上。色差校正很好, 弥散范围小于 8 μm。