成像光谱仪离轴三反望远系统的光学设计

视场宽、结构紧凑、体积小、质量轻是空间光学成像系统设计研究的热点.在共轴三反镜系统的几何光学成像理论基础上.从离轴三反望远系统的方案选择、初始结构计算、三级像差的校正及光学系统的优化4个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计出一个光谱范围1.0～2.5μm、焦距f'=300 mm、相对孔径厂f'/4、视场角6.8°×0.1°的离轴三反望远系统,系统非球面最高次数为4次,总长约为f'/2,对于空间频率30 lp/mm处,调制传递函数值均大于0.8.     

长焦距宽视场离轴三反光管设计

针对大口径、长焦距、宽视场平行光管高像质的应用需求, 提出一种采用离轴三反射镜结构的平行光管。从共轴三反理论出发, 推导出系统的初始结构;并且在用zemax软件优化时, 提出一种基于ZPL语言优化离轴量的方法。设计出一个焦距10 m, 视场21的离轴三反平行光管。设计结果表明, 系统像质接近衍射极限, 全视场波像差RMS值优于/200(=632.8 nm), 系统总长度小于f'/3, 为大口径、长焦距、宽视场光管设计提供了一种设计方法。     

高分辨率空间同轴偏视场三反光学系统设计

同轴三反射光学系统具有体积小、装调精度要求低,且成像质量好等优点,因此在高分辨率航天遥感领域有着广泛的应用前景。通过初级像差理论求解了同轴三反光学系统的初始结构参数,设计了焦距25m,F数为12.5的同轴偏视场三反光学系统。设计结果表明,该系统采用矩形视场偏置,杂光少,引入折叠镜后系统总长f′/6.0～f′/6.6,结构紧凑,视场角达0.6°×0.3°,适合线阵时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)传感器以推扫方式成像,空间频率50lp/mm处,各视场的调制传递函数(MTF)均大于0.47,接近衍射极限,成像质量良好,特别适用于高分辨率对地精细观测等领域。     

离轴四反射镜光学系统设计

与一般光学系统相比,航空遥感光学系统具有长焦距、大口径、宽波段等特点。因此,广泛使用反射式光学系统。常见的离轴三反系统已不能满足系统小型化、轻量化的要求。介绍了一种无中心遮拦的离轴四反射镜系统,由离轴三反系统改进而成,结构更加紧凑。带一次中间像面的离轴三反系统的中间像位于次镜和三镜之间,为了进一步折叠光路,在中间像面处加入球面反射场镜,从而成为离轴四反。分析了离轴四反的设计步骤,设计了一个焦距为1 200 mm,视场为0.8°×0.8°,相对孔径为F/6的光学系统,系统总长只有300 mm,并达到很好的光学性能,具有长焦距、小尺寸、良好的杂散光抑制能力等特点。     

基于自由曲面的离轴三反光学系统研制

针对宽波段、大视场机载光学系统的设计需求,采用二次成像光路形式和XY多项式自由曲面,研制了一套基于640×512@24μm长波红外制冷型探测器的离轴三反光学系统。相比传统离轴三反光学系统,该系统解决了制冷型探测器冷光阑匹配问题和子午视场较小的设计难点,具有宽波段、大视场、透过率高、体积紧凑、无中心遮拦、无热化等技术优点。光学系统焦距160 mm,工作波段8～12μm,F数2,视场5.5°×4.4°,主镜和次镜均为二次曲面,三镜为XY多项式自由曲面。光学系统波前测试结果表明,系统波像差全视场平均值0.067λ(λ=9.11μm),具有较好的成像质量。     

轻小型长波红外光学系统的设计及实现

无人机载光电吊舱对其载荷体积重量的要求苛刻,为了满足8～12.5 μm红外探测需求,设计并实现了一种轻巧紧凑的长波红外光学系统。系统F数为2,口径为150 mm,总视场为2.34°。光学系统采用二次成像折反射式结构,将常用的卡式主系统简化为折叠牛顿式主系统,将球面次镜简化为平面镜折叠光路,轴外像差通过非球面校正镜组校正。主系统采用全铝光机结构,结合后光路的光机材料匹配,在工作环境温度范围内,光学设计传函高于0.41@17 lp/mm,具有100%冷屏效率,而体积仅为Φ152 mm×125 mm。整机装调后,全视场传函高于0.24@17 lp/mm,像质清晰,满足预期。光学系统设计巧妙、结构轻小紧凑、加工装调成本低。设计思路和研制方法可为类似应用的无人机载光电吊舱长波红外仪器的光学系统提供参考。     

高集成度四视场中波红外光学系统

为了实现超小型化、长焦距和超大视场,提出并设计了一种高集成度四视场中波红外光学系统。该系统采用双光路结构形式,包括超小视场光路和小/中/大视场光路,两支光路共用中继组;对超小视场光路进行了四次立体折叠,并对小/中/大视场光路进行了二次折叠。通过以上六次折叠,整个双光路光学系统的外形尺寸得到了有效约束,其外形包络在242 mm×150 mm×85 mm (局部125 mm)范围内,系统集成度高。这种双光路光学系统包括超小视场、小视场、中视场和大视场四个视场。其中,超小视场的焦距为688 mm,视场为0.8°;大视场的焦距为13.19 mm,视场为40°,实现了长焦距和超大视场并存,并获得了50×的变倍比;超小视场光学系统仅采用5片透镜,透过率高,并具有光学被动消热差设计;整个双光路光学系统结构紧凑,体积小,实现了超小型化。设计结果表明,该光学系统像质良好,可以满足高性能热像仪的使用要求。     

轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计

随着空间技术的不断发展,高性能、低成本的轻小型空间光学系统成为空间光学领域一个新的研究热点。离轴三反光学系统具有成像质量高、大视场、轻量化程度高等特点,能够更好地适应轻小型、低成本空间光学系统的应用要求,具有广泛的应用前景。以高斯光学和三反消像差理论为基础,设计了一款第三反射镜为自由曲面的离轴三反光学系统,焦距1 550 mm,视场3.60.45,相对孔径1:6.2,自由曲面的加入极大地提高了系统设计自由度和成像质量。设计结果表明,在有效视场内系统成像质量良好,fMTF优于0.43@111 lp/mm,系统最大波像差为0.049 （=632.8 nm）,平均波像差RMS值为0.034 ,最大网格畸变0.9%,成像质量相对于子午面完全对称。系统的总长小于f'/3.1,高度小于f'/4.1,且系统的加工和装配公差较为宽松,易于实现。该设计结果对轻小型空间光学系统的设计具有一定的参考价值。     

新型大视场无遮拦三反光学系统设计

针对传统形式三反光学系统难以实现大视场的缺点,提出了一种基于反摄远结构的三反光学系统,并获得初始结构参数求解方程。在反摄远结构三反光学系统中,将主、次镜组成反转伽利略望远镜结构形式,以便简化三反光学系统初始参数的求解方程,最终通过视场偏置的办法实现无遮拦设计。基于上述方法,采用光学设计软件Code V设计了焦距f=100 mm,F数为5,视场为2020。像质评价结果表明,系统在空间频率为50 lp/mm处的MTF值均大于0.6,像质优良。与其他三反光学系统相比,该系统不仅具有大视场,而且仅使用了两块非球面反射镜,降低了系统成本。     

大视场可见红外一体化光学系统设计

使用光学设计软件设计了一种大视场可见红外一体化反射式光学系统,可见光和红外视场的大小分别为5.2和5.12。在光学系统的轨道高度为675 km的情况下,可对地面目标进行61.3 km和60.36 km的大幅宽观测。在光学系统采用偏视场设计将可见光和红外光的视场进行分离,可以实现双光路、双波段、双视场同时成像观测,避免了使用分光装置对光能量吸收造成损失,提高了光能利用率。可见光系统选用一个焦距为9 000 mm的三反系统,红外光学系统选用两个三反系统,后置三反系统的入瞳与前置三反系统的出瞳位置重合,系统总焦距为2 025 mm。经过优化,可见光系统的MTF在50 lp/mm达到0.45以上,红外系统的MTF在25 lp/mm达到0.65以上,成像质量均达到衍射极限。