用于空间的三反射镜光学系统设计

引言

三反射镜系统的反射可在当三块反射镜的主截面彼此重合或者不重合时发生，从而得到一空间光路。此外，在双反射系统中增加一主截面与前两块反射镜主截面重合的第三块反射镜，也可在前两块反射镜主截面重合的第三块反射镜出现时，在前两块反射镜反射的光线不变偏向角上加上由第三块反射镜产生的可变的偏向角，同时在由前两块反射镜的非镜象上加上第三次反射的镜象。这些原理也可以推广到主截面位在同一平面内的任何数目的反射镜，由奇数反射镜组成的系统总是与一块平面反射镜等效；同样，由偶数反射镜组成的系统与双反射镜系统等效。

1三反射镜光学系统的原理

事实上，主截面在同一平面内的三反射镜系统没有任何新的光学性质，但是，主截面彼此不重合的三块反射镜的另一种情形却具有特殊的意义。其实，将主截面位在互相垂直的平面内的双反射镜系统和产生反向光束的反射镜结合起来,当最后一种介质与前一种介质的折射系数异号时，就可得到在

收稿日期:2013-01-05两个平面内的线放大率都等于-1的系统，因而立即得到两个角放大率都等于+1。这样一来，即可得到：

Vt=V,=—1;Wt=W,=1

2三反射镜光学系统的参数

三反射镜系统的第三镜还可以放在前两镜合成焦点之后，即«2取负值而爲取正值，往往是希望得到长焦距。我国的2.16m天文望远镜从R-C系统转换到折轴系统，不是更换副镜，而是在R-C系统焦点之后加入第三镜成为三镜系统，只稍稍改变副镜位置，即改变«1，使折轴系统$1=0及Sh=0。这时，R1,e2,ei都已定，且*有一定要求，为折轴焦距与主镜焦距之比,真正的自由变量只有aa及el。其中,%只能在一个小范围内变化，折轴焦点的视场很小，满足$1=0及$h=0就够了，主镜及副镜的面形参数分别为e2=1.0951347及e2=5.077526，折轴系统轮廓参数为%=0.296574074,a2=—0.564073696,為=—2.967187012,爲=5.055332748,计算机优化算出e2=—0.2585。算出的e2=—0.26156。由于将开放式谐振腔的反射镜做成了凹形曲线的回转表面，旋转轴穿过曲线的弦，就既能保证电子流与开放式谐振腔的场进行相互作用的最佳条件，又能极大部分的

绕射辐射场都落入开放式谐振腔中，开放式谐振腔的反射镜1和2之间应该包含有奇数个辐射波的半波长，以便在绕射光栅的中部能出现场的最大值[%

计算表明，反射镜间距离的量值应取7~9个辐射波的半波长数，反射镜1和2的曲率半径以及它们间的距离都是基于共焦参量近似为1的条件下选取的，而(沿径向的)反射镜的长度则应该选择得使开放式谐振腔的工作空间里能安置下焦散。在一个器件中它将电子束的两种相位聚焦结合在一起,这就是电子束在开放式谐振腔表面波场中的群聚和电子在反射器拒斥场中的相位聚焦，使得振荡器的起振电流有所降低,并出现功率绝对值和效率同时增加的无功耗调谐振荡区。由于在这类器件中所出现的电子现象的复杂性，就要求建立一种能完全与之相适应的理论，以便详细研究它们的物理过程,并在进一步改善器件时能够提出适当的建议。对于这类器件,因为建立非线性理论具有很大困难，所以现时我们仅限于建立一种线性理论，此理论已能给出和弄清互作用初始阶段的基本规律和互作用过程的奥秘，以及求解非线性问题的可能途径叫3用于空间的三反射镜光学系统设计

求解离轴三反射镜系统的初始结构和同轴三反系统一样,可以利用已导出的公式，只是在优化计算时，取同轴系统的离轴部分。为了避开副镜挡光，线视场的中心不在光轴上，即子午面内有一个人射角。图1所示是对长焦距系统和大相对口径系统的设计原理图。图中三个镜面的曲率半径R都是负的，a1,«2,b都是正值。在图1(b)中,«1为正,a为负,岗为负,A为正,d1都是负值,％都是正值，厂都是负值。对于图1(a),即一次成像的情况，f应取负值；对于图1(b)的情况，f应取正值。

红外分光光度计都采用镀铝反射镜。这是因为镀铝反射镜反射率高，反射损失小，价格便宜并且凹面反射镜还可以消除透镜所产生的彩色像差，使谱带变锐以及避免透镜在红外区吸湿性大的缺点，所以现代的红外分光光度计均采用反射镜而不用透镜。为了保护镀铝反射膜，有时再在其上真空喷镀几微米厚的氧化膜。反射镜面必须严格防尘、防蚀，特别要防止机械擦伤。如遇有尘埃等污染，可采用净化干燥的氮气予以清除。狭缝是放在分光系统的入口和出口，其开启间隔(狭缝宽度)直接影响分辨率。狭缝大，光的能量增加，但分辨率下降。这是由于出口狭缝出来的光并非是某一种单一波长的光，而还混有邻近波长成分的光。亦即由出口狭缝出来的光并非绝对纯的单色光，而是具有一定波长范围的相对纯的单色光。单色光的纯度不仅与出口狭缝宽度有关，而且还与入口狭缝宽度有关。当入口狭缝宽度与出口狭缝宽度相等时，透过光只有1/4是属于不纯光波。当入口狭缝宽度小于出口狭缝宽度时，透过光虽然较纯，但光强大为降低。当入口狭缝宽度大于出口狭缝宽度时，透过光强虽有增加，但不纯光波亦增加。基于要获得较纯的单色光和具有一定光强，因而在红外分光光度汁上选择入口狭缝宽度和出口狭缝宽度相等并随波长改变，而光狭缝亦作相应的变宽或变窄(由辐射源的强度分布所决定尸。其次，由于光斜射入棱镜，在出口狭缝上所获得的像发生弯曲。为了校正这一情况，一般将入口狭缝做成弧形,而出口狭缝做成直线形。为了保证狭缝呈线性接触，狭缝口都把一边磨成刀刃形式，并且被磨的一边背着光的前进方向，以避免由于刀刃口斜面产生的干涉反射。狭缝也必须当做光学部件处理，并要防止灰尘落于刀刃上，安装和使用中严防狭缝两刀刃相碰或损伤。

4结语

在获得高色散时,一方面，会产生介质吸收的极大的缺点,使其测定波长和分辨都受到了限制；另一方面，要保证获得材质均匀、化学稳定性好，又易于机械加工的大块单晶也较困难。如测定较宽波段的红外光谱，往往需要将几个棱镜组合起来,这就提高了仪器的价格。而采用光栅作色散元件，既可提高分辨率，又可扩大测定波长范围。但由于早期的反射式子面光栅的主要光强分布在没有色散的零级极大处，而对可利用的一级、二级光谱，能量分布甚少，用这样的光栅分光，所得光谱能量甚弱。为了使衍射光的能量集中到所需的一级上去，可改进光栅刻槽的形状，制成闪耀光栅。而对衍射光的多级次光谱的分离，则可采用滤光片或和前置棱镜结合起来消除相互干扰。目前,光栅红外分光光度计都采用复制闪耀光栅来作色散元件。

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