宽视场光谱巡天望远镜光学系统参考设计

华中科技大学武汉光电国家实验室的相关团队针对宽视场光谱巡天望远镜(SSST)，设计了一种具有宽视场的卡塞格林式（Cassegrain）光学系统，并将大气色散校正器(ADC)引入望远镜的光学系统，以校正大气色散效应。该可行性设计具有2.4°×2.4°的大视场(FOV)，在80%的包络能量下，其全视场的图像光斑直径小于0.3弧秒，可为下一代光谱巡天望远镜提供参考设计。相关研究成果以Recommended optical system design for the SSST为题发表在Optica（原OSA）旗下的“Applied Optics”上。

该文章综合考虑候选站点的大气弥散效应和实际科学目标，提出了一种基于宽视场卡塞格林式并配置校正器的SSST新设计。对于提出的SSST的最终设计将大气色散校正器(ADC)引入望远镜的光学系统中，以校正大气色散效应，其相对孔径尺寸高达F/3.5，达到令人满意的性能。此外，望远镜本体的能量收集效率可高达62%，光谱仪最终的光纤馈电效率也可高达42%。

（1）主焦点校正器和卡塞格林焦点校正器之间的选择。现代大型光学红外望远镜的校正器存在两种主流设计，即主焦点校正器和卡塞格林焦点校正器，最终选择了卡塞格林宽场校正器(WFC)。

图1.两种校正器设计：(a)主焦点校正器(b)卡塞格林焦点校正器

（2）卡塞格林宽场校正器的焦比选择。在光纤馈电宽场光谱仪中，能量损失最严重的因素就是光纤的焦比退化（FRD）,其效应示意图如图2所示。由于光纤的FRD效应，必须增加光谱仪的准直器尺寸，以保持系统的能量收集效率在相对较高的水平。考虑到光纤焦比退化和实际设计挑战，最终采用F/3.5作为SSST的卡塞格林校正器焦比。

图2.光纤的焦比退化

（3）ADC的选择。由于地球大气层对观测有色差影响，也就是所谓的大气扩散，ADC就是用来校正望远镜色差的。考虑到对紧凑性和宽视场校正性能的极高要求，最终采用零偏差ADC系统作为补偿SSST系统大气色散效应的工具。

图3.三种不同ADC的基本设计原理:(a)单个ADC;(b)线性ADC;(c)零偏ADC。

图4.SSST全系统设计图

图5.SSST的Cassegrain校正器设计图

在天顶方向（0°），像点EE80直径约为0.1572角秒，在30°天顶角时，EE80像点的最大直径约为0.1653角秒，在50°天顶角时，EE80像点的最大直径约为0.2064角秒。

图6.365–1150nm波段各天顶角大气效应平均RMS光斑直径：(a)0°(b)30°(c)50°

文章为中国在智利的SSST项目设计了有参考价值的光学系统，为了最大限度地提高科学价值以及可接受的建造成本，充分考虑了焦距类型、系统焦比、M2孔径大小、校正器孔径大小和最大FOV方面的权衡，以得出最佳配置SSST的光学系统。在所提出的设计中，成功实现了2.4°×2.4°大视场的卓越图像质量，EE80直径小于0.3弧秒，远低于智利的大气观测结果（平均0.7弧秒）。此外，在设计的SSST系统设计中，通过在设计中引入几个ADC透镜，对大气色散效应进行了详细考虑，ADC系统被证明能够补偿从天顶方向到最大天顶角50°的大气色散效应。

文章链接：

https://opg.optica.org/ao/fulltext.cfm?uri=ao-59-11-3508&id=429809