APQ 光学设计

我们认为，新一代 CMOS 传感器需要创新的光学设计，以满足日益提高的成像质量要求。

新开发的萤石四片式 Polychromat 同样为目视观测者带来优势：与大多数复消色差物镜不同，其 Strehl 比在可见光谱两端不会下降到接近或低于衍射极限。

下面将详细介绍我们新一代天文物镜的光学设计。该设计由技术光学工程师 Dipl.-Ing. (FH) Uwe Laux 开发（详见相关说明）。 Laux, Uwe：《Astrooptik. Optik-Systeme für die Astronomie》，第 3 次修订增补版，2017 年，第 146–155 页以及相关专利申请）。

设计目标
Quadruplet
Strehl
截止滤镜
专业光学
油浸耦合
减反射镀膜

在开发新一代天文物镜时，我们很快发现，经典的复消色差三片式设计只能利用现代电子传感器（CCD、CMOS）完整 UBVRI 光谱范围（365 nm – 1014 nm）的一部分。

因此，我们对新一代物镜的目标是开发一种能够在这一宽广光谱范围内实现基本无像差成像的设计。要实现这一目标，必须满足若干条件。

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即使在最先进的三片式 Apochromat 中，尤其棘手的高斯误差（球差色差）也无法得到完全校正。

只有满足正弦条件或等晕条件，光学系统才能形成得到像差校正的图像。满足这一条件的物镜称为齐明物镜（aplanatic objective）。

我们不会通过计算人为改变多色成像质量或让结果显得更有利，因为这并不能改善光学系统本身的校正。相反，系统在365 nm至1014 nm范围内使用波长表进行优化，各波长权重均为1。

由此得到四片式多色校正基础系统，其中 CaF₂ 元件被保护在两片特殊光学玻璃元件之间。

多色校正物镜的四片式结构尤其适合口径约130 mm及以上的大型折射镜，并能特别有效地校正纵向色差和球差色差。

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纵向色差曲线呈现多色校正的典型特征：曲线在三个以上波长处穿过平均像面。

该光学设计完全实现了我们的目标：在365 nm（UV）至1014 nm（IR）光谱范围内达到衍射极限成像质量，即 Strehl 比 ≥ 0.9。

针对这一新光学系统及其设计，我们以"Polychromatisches Objektiv und Verfahren zum Entwurf eines polychromatischen Objektivs"为名称向德国专利商标局（DPMA）提交了专利申请，申请号10 2016 123 732.9。

在目视观测和 CCD 成像中，该设计可提供近乎无像差的成像。图像明亮，并几乎不受色差、像散、彗差、球差和高斯误差影响，使实际分辨率接近理论极限。

尤其在高要求的行星观测中，其明亮、细节丰富且高对比度的成像支持非常高的放大倍率，并能明显体现相较传统复消色差系统的光学优势。

与大多数复消色差物镜不同，其 Strehl 比在可见光谱两端不会下降到接近或低于衍射极限；下面将其归一化到436 nm至707 nm光谱范围进行说明：

APQ 150/1200 Polychromat 与 Carl Zeiss APQ 150/1200 Apochromat 在可见光谱范围内的对比：Strehl 比随波长变化（436 nm – 707 nm）

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四片式 Polychromat 作为基础系统具有很高的成像质量，因此可与视场校正镜以及改变焦距的系统组合，例如 Barlow 系统和焦距缩短校正镜。

可用波长范围从365 nm延伸至1014 nm，因此可达到经典复消色差双片式和三片式物镜有限可见光谱范围（通常分别为436 nm–656 nm和480 nm–707 nm）的最多约三倍。

因此，无论在 UV 还是 IR 区域，用户都可额外利用现代 CCD 和 CMOS 传感器宽广 UBVRI 光谱范围中的重要部分；这些传感器通常具有大像面、高像素数和高量子效率。

值得注意的是，新型萤石四片式 Polychromat 的可用波长范围与现代 CCD 和 CMOS 传感器的光谱灵敏度范围高度吻合。

由此可以呈现传统可见光范围内不可见的 UV 和 IR 结构，从而开辟新的研究和观测领域。

复消色差氟磷酸盐玻璃和 CaF₂ 双片式、三片式物镜通常需要 UV/IR 截止滤镜，以抑制其优化可见光范围之外的光谱成分。

由于这些复消色差物镜是针对可见光谱设计的，为获得足够清晰的图像，通常必须滤除该范围之外的光谱成分。

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相比之下，对于萤石四片式 Polychromat，这类 UV/IR 截止滤镜不仅没有必要，甚至可能产生反作用，因为它们会滤除被观测目标的光谱信息。

以四片式基础设计为起点，可以通过增加光学元件、将液体光学透明耦合介质改为空气间隔、采用非球面玻璃—空气界面，或以晶体及其他特殊光学介质替代常规光学玻璃，派生出焦比从 f/1 到 f/8 的 Polychromat。

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这些特殊 Polychromat 的应用包括天文摄影镜以及其他可用光谱范围从320 nm至2500 nm的系统，例如专业天文学中的专用阶梯光栅光谱仪、减焦系统和相机系统。

油浸耦合装配在镜片之间使用光学透明液体介质，相比传统空气间隔结构具有多项优势：

耦合油可防止相邻镜片之间产生热致应力。

油膜可防止空气间隔结构中可能出现的镜面相对倾斜。

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更少的玻璃-空气界面可减少杂散光并提高光学系统透过率。

光学系统可更快适应环境温度，从而改善热学性能。

传统减反射（AR）镀膜无法完全匹配多色校正物镜的宽光谱性能，因为它们通常只针对可见光谱范围优化。

因此，我们委托为萤石四片式 Polychromat 开发新的超宽带减反射镀膜，其特点是具有极低的平均剩余反射率 R。_AVG 在 365 nm（UV）至 1014 nm（IR）的整个光谱范围内 < 0.7%。

在采用非球面且无空气间隔的版本中，四片式 Polychromat 只有两个外部玻璃—空气界面。结合超宽带减反射镀膜，可将剩余反射降低到物理上极低的水平。

CaF₂ 从 UV 到 IR 具有高透过率，再结合无空气间隔的油浸耦合结构，可进一步提高系统透过率并将反射降至最低。

目前可用的减反射镀膜技术将实际可用光谱范围限制在 365 nm 至 1014 nm。

针对专门应用，可选择提供特殊 UV 或 IR 减反射镀膜。

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