大视场超紧凑探测光学系统设计

摘要：为了实现对14等星目标的精确探测，本文设计了一个大视场的探测光学系统。首先，根据选定的CCD231-84 E2V光电探测器计算了系统入瞳和焦距等初始参数，依据选定的参数进行了初始结构的选型，选定了马克苏托夫望远镜的形式并对其进行了改进。然后，对设计结果进行了探测性能分析。最后，对设计好的系统进行了公差分析及优化，使它能满足加工装配需求。设计与分析结果表明：该探测光学系统折反射镜全表面采用球面，系统总长350 mm，全视场30 μm包围能量分布均在86%以上，最大畸变小于1%。该系统视场大、结构紧凑、装调难度低、探测灵敏度高、探测范围广，可用于目标的精确探测。

关键词：光学设计；探测系统；大相对孔径；大视场；超紧凑

1 引言

探测光学系统应用广泛，灵敏度与时效性是其重要的性能指标。大孔径的设计可以提高系统接收的光照度，进而对微弱目标发出的光更加敏感，提高探测灵敏度；大视场的设计可以提高系统同一时间内的可探测范围，提高探测时效性；大相对孔径的设计可以提高系统的分辨率和像面照度，缩短曝光时间，从而提高探测灵敏度。因此，大孔径大视场大相对孔径是探测光学系统的设计趋势。

1941年，马克苏托夫制成了由负弯月形厚透镜和球面反射镜组成的望远镜系统，并以他的名字命名。1957年，葛利格里报道了马克苏托夫-卡塞格林望远镜的设计方法，在马克苏托夫望远镜的基础上结合卡塞格林式进行了改进。马克苏托夫望远镜由于其结构简单，所有表面均为球面易于制造，且在同样的口径和焦距下镜筒长度短，集光能力强等优点而被广泛应用于天文、工业和航空航天等领域。它作为相机物镜，在校正像差的基础上可以大幅度缩短系统总长。

二次曲面、高阶非球面和自由曲面具有优秀的像差校正能力，但非球面对于光学系统的加工、检测和装配提出了更高的要求，而球面镜在光学加工、检测及装配中的难度相比于非球面镜来说非常低，所以在满足系统指标的情况下会尽可能采用球面镜。本文基于以上两点设计了星载大视场全球面的紧凑型同轴探测光学系统。该系统拥有280 mm的孔径，15°的圆视场和1/1.18的相对孔径，能对14等星进行探测，具有探测性能优秀、灵敏度高、时效性强及加工装配要求低等优点。

2 光学系统原理与结构

2.1　马克苏托夫物镜

马克苏托夫物镜由弯月形透镜与球面反射镜组成。弯月形透镜主要用于抵消球面反射镜带来的球差，增大弯月形透镜的厚度不会引进色差。光阑和弯月形透镜的位置接近反射镜的球心，系统产生的轴外像差比较小，适当的改变透镜和反射镜的光焦度分配，通过间隔的变化还可以校正正弦差。马克苏托夫物镜的结构如图1所示。

图1.马克苏托夫物镜

其中，弯月形透镜消色差条件为：

 （1）

式中r1，r2为弯月形透镜两个表面的曲率半径。

2.2 初始结构选型

大视场光学探测系统通常有全反射式、折返式和透射式三种形式。全反射式光学系统不存在色差，由于同轴反射式系统存在中心遮拦，多采用离轴反射式系统，但离轴反射式系统的装调难度高。透射式光学系统中透镜对不同波长光的折射率不同从而产生色散，二级光谱难以校正且系统焦距较大需要大量轴向空间，不利于紧凑型系统的设计。受玻璃材料光学特性的限制，大口径系统难以找到合适的玻璃材料，光学设计和加工也较难实现。折返式光学系统是透射式与全反射式之间的一种结构形式，它相比于透射式系统结构更简单，轴向总长更小，相比于全反射式光学系统装调难度大大下降。基于以上以及对系统整体探测性能及系统加工装调难度的考虑，本文采用同轴折返式光学系统。将马克苏托夫物镜与卡塞格林结构相结合，选用马克苏托夫-卡塞格林望远镜的设计形式，通过两反结构折叠系统光路，大幅缩短轴向长度的同时使整个系统拥有较小的色差，利用透镜组校正反射镜带来的像差。

马克苏托夫望远镜在反射镜组前拥有一片透镜校正孔径像差。本设计中由于两个反射镜都采用球面镜的形式，球面反射镜不存在色差但会造成较大的球差、彗差、切向像散和匹兹伐模糊，需要透镜组进行像差校正。且由于系统大孔径和大视场的原因，整个光学系统的孔径像差与视场像差都较难校正，将前置透镜增加镜片为透镜组，提高孔径像差校正能力，同时在反射透镜组后添加后置透镜组，校正视场像差。

为了压缩系统轴向总长，将反射镜次镜与前置透镜组的最后一片透镜的后表面设计为统一曲率半径，之后仅需要在前置透镜组最后一面内镀反射膜即可实现次镜的作用，并使结构更加紧凑。最后得到系统的初始结构如图2所示。

图2.系统初始结构

考虑到超紧凑设计，初始结构中后置透镜组的两反结构内要节省轴向空间，同时严格限制移动范围保证后置透镜组不产生遮拦。

3 光学设计参数与结果

3.1　系统视场选择

系统视场角直接决定了系统的观测范围。在探测系统本身不旋转的情况下更大的视场决定着更大的探测范围，也就意味着探测系统更大的时效性。本文选择CCD231-84 E2V光电探测器，像元数目为4096×4112，像元尺寸为15μm×15μm。马克苏托夫式望远镜一般选用3°的视场角，本文为了扩大探测范围以提高时效性，选用15°的全视场角。由于本文设计的系统具有旋转对称性，所以仅选择4个视点来追踪整个视场即可，如图3所示。

图3.探测光学系统视场

3.2 系统焦距计算及探测器视场

系统焦距计算公式为

......

5 结论

本文将改进的马克苏托夫望远镜作为初始结构，利用CCD231-84 E2V光电探测器设计了工作于450~800 nm，焦距为331 mm，视场角2ω=15°，F/1.18的全球面紧凑型折返式探测光学系统，系统的轴向总长为350 mm。系统探测性能分析结果表明，该系统全视场在探测像元内的包围能量分布均高于86%，最大畸变小于1%，可以探测14等星。该系统结构紧凑，探测性能良好，可用于目标的精确探测。

鉴于篇幅，本文仅为节选（光学 精密工程 第28卷 第12期），全文内容可阅读原文下载PDF文档。