衍射望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)_張楠

1、衍射望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)衍射望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)張楠張楠當(dāng)前對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的要求是:在寬光譜范圍內(nèi)系統(tǒng)具有分辨率高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)衍射望遠(yuǎn)鏡可以滿足上述要求。利用Schupmann提出的消色差理論可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)寬光譜覆蓋采用平面衍射透鏡做物鏡可使系統(tǒng)輕量化降低了成本。設(shè)計(jì)了一個(gè)物鏡口徑為1000mmf#=100用離軸三反射鏡做目鏡的衍射望遠(yuǎn)鏡。設(shè)計(jì)結(jié)果表明:系統(tǒng)在0.65~0.75!m波段0.020.035視場范圍內(nèi)得到了消色差接近衍射極限

2、的成像質(zhì)量。目前在空間對(duì)地遙感領(lǐng)域中無論是軍用還是民用都在努力發(fā)展高分辨率的空間望遠(yuǎn)鏡并要求它在多光譜范圍內(nèi)具有質(zhì)量輕、分辨率高等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的空間望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)大都選擇多反射鏡結(jié)構(gòu)[12]通過采用高次非球面來校正像差為減小質(zhì)量將主鏡做成薄膜結(jié)構(gòu)[3]但使得系統(tǒng)加工裝調(diào)困難同時(shí)元件面形難于控制。平面薄膜衍射透鏡做物鏡的衍射望遠(yuǎn)鏡可以克服傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)，達(dá)到結(jié)構(gòu)簡單且具有超輕的質(zhì)量和寬松的面形精度要求因?yàn)?1)位相型衍射元件在可見光波段內(nèi)可以

3、做成一系列表面深度為1um左右的浮雕結(jié)構(gòu)加上十幾個(gè)微米厚的平面基底整個(gè)衍射透鏡可以做得很薄從而大大降低元件的質(zhì)量(2)入射光經(jīng)反射鏡表面光程差的改變量是鏡面面形誤差的兩倍對(duì)于高分辨率的反射式望遠(yuǎn)鏡一般要求光程差要小于λ10元件的面形精度優(yōu)于λ20這在可見光波段是很難實(shí)現(xiàn)的。但衍射光學(xué)元件是透射型元件入射光通過一個(gè)等厚的透射表面在一個(gè)面上的路徑延遲被另一個(gè)表面抵消表面的面形誤差幾乎對(duì)出射光程不產(chǎn)生影響使得元件面形具有很寬松的公差要求。美國

4、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開始研究衍射空間望遠(yuǎn)鏡并得到了較好的結(jié)果[averylargeaperturediffractivespacetelescope，verylargeaperturediffractivetelescopes]。但目前在國內(nèi)尚未見到有關(guān)報(bào)道。設(shè)計(jì)了一個(gè)口徑為1000mm焦距長8m的衍射望遠(yuǎn)鏡。物鏡采用平面衍射透鏡質(zhì)量輕面形精度低易控制目鏡采用帶有衍射面的離軸三反射鏡使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單(三個(gè)反射面均為普通的二次非球面

5、)體積小具有很好的色差校正能力。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較好的成像質(zhì)量滿足當(dāng)前對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用要求解決了傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡質(zhì)量輕與高分辨率之間的矛盾。設(shè)計(jì)衍射望遠(yuǎn)鏡的主要障礙是衍射元件有很大的色散只能對(duì)極窄頻譜范圍內(nèi)的光線精確聚焦要想實(shí)現(xiàn)衍射透鏡的寬帶應(yīng)用就要對(duì)其進(jìn)行色差校正。衍射元件的阿貝數(shù)只與波長有關(guān):理論依據(jù)是由Schupmann提出的:任何一個(gè)有色差的光學(xué)元件其色差的校正可通過將與第一個(gè)元件具有相同色散、相反光焦度的元件放在第一個(gè)元件的共軛像位

6、置來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)原理的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)全波段消色差而不是局限在某一個(gè)較窄的頻譜范圍內(nèi)衍射望遠(yuǎn)鏡的理論結(jié)構(gòu):傳函函數(shù)傳函函數(shù)垂軸色差曲線垂軸色差曲線從上面的設(shè)計(jì)結(jié)果可以看出由于目鏡離軸三反射鏡采用視場離軸三個(gè)反射鏡實(shí)際是共軸的彼此沒有偏心和傾斜主鏡與三鏡在同一平面上且三反射鏡均為簡單的二次非球面因此整個(gè)目鏡系統(tǒng)加工裝調(diào)都很容易且目鏡系統(tǒng)體積小。系統(tǒng)傳遞函數(shù)曲線接近衍射極限在空間頻率30lpmm處MTF值能達(dá)到0.5以上。色差校正很好彌散范圍小