[发明专利]一种基于离轴四反射镜的衍射望远镜光学系统设计方法

说明书

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。

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。