大视场、长焦距离轴三反射镜光学系统的设计

离轴三反光学系统具有高分辨率、大视场、长焦距、质量轻、小体积等特点，满足空间对地遥感、空间摄影等领域的要求。介绍了离轴三反射镜光学系统的设计原理。用ZEMAX软件设计了一个三个反射面均是二次曲面、焦距为2 000 mm、F数为9的离轴三反射镜系统。结果表明，该系统可达到7°×3°视场，对于空间频率50 lp/ mm，调制传递函数值均大于0.5。     

中高轨道空间详查相机光学设计

明确了几种三反和四反结构的性能优劣,进而获得一种性能优良的中高轨空间详查光学系统的设计方案。针对同一种光学设计技术指标,分析了空间详查相机的各项主要参数,利用Zemax光学设计软件设计了同轴三反射镜,一次中间像离轴三反射镜和无中间像离轴三反射镜3种三反光学系统以及同轴四反射镜,无中间像离轴四反射镜和一次中间像离轴四反射镜3种四反光学系统,均满足指标要求。对比了上述系统的优缺点,在综合考虑当前的光学加工、检测、装调的可行性以及高分辨力空间对地成像技术发展先进性的基础上,决定选用有一次中间像的离轴四反射镜光学系统作为最终方案,得到了有效焦距29 m,F数9.7,视场角1°×0.3°,外形尺寸3200 mm×6489 mm×8194 mm的空间详查相机光学系统。对该光学系统的性能进行了模拟和验证,结果表明该光学系统的分辨率、传递函数、像差、畸变等各项性能优异。     

可见光/红外双波段离轴三反光学系统优化设计

为满足多波段、长焦距、大孔径、紧凑结构的设计要求,对反射式光学系统进行了研究。以同轴三反系统的成像理论为设计基础,为避免光学系统遮拦同时提高成像质量,利用Zemax软件介绍了一种优化离轴三反光学系统的方法。与采用ZPL语言的控制优化相比,该方法更加简便、直观,且无需使用复杂非球面,仅采用曲面圆锥系数即可满足设计要求,大大降低了加工、检测的成本和难度。采用视场离轴方式设计出了一种焦距为1000 mm、口径为6 in、视场角为2.2°×0.22°的可见光/中波红外双波段离轴三反光学系统。仿真结果表明,其3～5 μm波段在空间频率17 lp/mm处的全视场调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值大于0.4,0.4～0.7 μm波段在空间频率50 lp/mm处的全视场MTF值大于0.7。该系统的成像质量良好,接近衍射极限。     

自由曲面在离轴光学系统中的应用

针对自由曲面能提升成像光学系统的性能和校正像差的特点,分析了自由曲面在离轴光学系统中的应用优势。光学系统选用视场角为30°×11°、焦距为150 mm、F数为3的Cook-TMA。本设计中,离轴三反光学系统的主反射镜采用自由曲面设计。分析了使用Zernike多项式曲面在大视场离轴反射式光学系统中对离轴光学系统性能的提升效果,并与使用常规非球面的情况进行了比较,分析了自由曲面的优缺点。结果表明,自由曲面在提高离轴光学系统的成像质量方面具有更大的优势,系统的平均传递函数比常规非球面提升了15.9%以上,系统接近衍射极限。Zernike多项式曲面在离轴三反系统中的应用效果良好,系统的成像性能得到了较大的提升。     

科技简讯

长春光机所离轴三反光学加工项目研究取得重大突破中科院长春光机所依靠自主成熟技术承担的“离轴三反镜光学加工”项目2007年1月12日通过用户验收,部分关键技术指标优于任务书要求。作为国际上长焦距大视场空间相机光学系统发展的一种新趋势,三反消像散离轴非球面光学系统具有组件少、无遮拦、长焦     

三镜反射式光学系统综述（特邀）

三镜反射式光学系统由于具备同时校正球差、彗差与像散三种像差的能力,可以实现较高的光学性能,基于其反射镜数量少、装调复杂性可接受等特点,在光学成像领域有着广泛的应用。特别是离轴三镜反射式光学系统,凭借其无孔径遮拦、可实现大视场等诸多优势,在高性能光学仪器装备中占据着重要位置。文中以典型的三镜反射式光学系统发展为主线,全面介绍了多种类型的三镜反射式光学系统,涵盖同轴三反系统、两轴三反系统、离轴三反系统与无焦三反系统,讨论了其光学结构特点、结构关联与光学系统性能,并给出了设计示例,供光学设计领域研究人员共同探讨。     

空间相机离轴三反红外光学系统设计

针对空间光学系统长焦距、大视场、小型化、轻量化、大相对孔径、高成像质量的特点和发展趋势,通过对非球面反射式光学系统设计模型及其理论参数的研究分析,在共轴三反射式光学系统的基础上,提出了一种离轴三反射式红外光学系统的设计方法。利用ZEMAX求解并优化,设计一个焦距f=1000 mm,视场角为4,D/f=1/4的反射式离轴光学系统。使该系统在50 lp/mm空间频率处传函达到0.3以上,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在10 m以内,满足空间照相机的需要。该系统克服了共轴三反存在中心遮挡的问题,提高了系统的像质。     

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.     

共孔径红外双色离轴全反射系统

以初级像差理论为基础,重点分析了离轴三反系统初始结构参量的确定方法。利用CODEV软件编译计算并生成离轴三反光学系统初始结构的人机交互程序。将红外双色复合成像和离轴全反射系统结合起来,设计了一种共孔径红外双色离轴全反射系统。该系统具有长焦距、大孔径、宽波段、平像场等特点,结构简单,像质优良,在航空航天领域具有广泛的应用前景。     

一种改进的易于加工、装调的离轴三反光学系统设计

为了降低离轴三反光学系统加工和装调难度,提出了一种无遮拦的两反射镜三反射光学系统。将传统的离轴三反射光学系统中的主镜和三镜改进为一块非球面反射镜,即用一块镜面实现两镜的设计,这既能够降低光学加工的复杂度,同时也减少了装调的难度。根据三反射系统像差设计理论,推导出同轴两反射镜三反射系统的初始结构参数计算公式,得出了适用于该系统的求解方程组。设计了焦距1000 mm,F数为10,全视场2°×0.4°,无中心遮拦的离轴两镜三反射系统,两反射镜面型均为二次曲面。从调制传递函数、点列图、衍射能量分布图可以看出,系统成像质量好,能量比较集中。整体系统体积小、结构简单,重量轻。     

大视场离轴三反光学系统设计

与传统折射光学系统相比,离轴反射光学系统具有小体积、轻量化和无色差等特点,因此被广泛应用于望远镜系统和空间观测系统等领域。随着目前自由曲面的广泛应用,首先分析了离轴三反光学系统的初始结构参数确定方法,然后在系统的主反射镜设计中引入Zernike边缘矢高形式的自由曲面,最终设计了一款有效焦距为700 mm,视场角为10°,F/#为4.5,系统总长为597.58 mm的离轴三反光学系统。该系统在71.4 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均大于0.28,畸变均小于0.1%,结果表明,该系统在有效视场内成像质量较好。该系统的设计方法对类似的离轴三反光学系统设计具有一定的参考价值。     

成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计

高分辨率成像光谱仪要求光学系统在宽视场和宽波段范围内具有高的空间分辨率和光谱分辨率。根据同轴三反光学系统初级像差理论计算初始结构,并分别将孔径光阑置于主镜、次镜和三镜焦点,通过光阑和视场离轴,设计了无中心遮拦的离轴反射式光学系统。其光谱范围为1.0~2.5 m,焦距f=1 600 mm,相对孔径为1/ 5,视场角为6.861.48,满足成像光谱仪宽视场、大相对孔径离轴三反消象散光学系统的设计指标。     

自由曲面在制冷型离轴三反光学系统的应用

研究了制冷型红外离轴三反光学系统成像原理和优化设计方法。给出了一个应用自由曲面的制冷型离轴三反射镜光学系统的设计。系统采用两个自由曲面反射镜和一个偶次非球面反射镜组成二次成像的结构形式,将制冷型红外探测器的冷光阑作为系统的孔径光阑,得到100%的冷光阑效率。第二和第三反射镜将孔径光阑成像在第一反射镜的位置,显著减小第一反射镜的口径。通过调整每个反射镜的偏心与倾斜,实现系统的无遮拦,使用自由曲面增大视场、校正像差、保证系统的成像质量。该系统的工作波段为3~5 m,焦距为450 mm,F数为2,视场为3.6622.931,各视场的调制传递函数在环境温度为-40~60℃的范围内均高于0.5,实现系统的无热化,并且结构紧凑。     

一种改进型的红外三反射镜探测成像系统

长焦距、多谱段、轻量化成像系统具有分辨率高、轻小型等优点,是目前成像系统设计的一个重要研究方向。针对制冷型红外同轴三反射结构中心遮拦大的不足,提出了一种改进型的同轴三反射镜成像系统,在系统三镜后加平面反射镜,将系统光线进行折转,利用三个反射镜的二次曲面系数校正轴外像差,给出了具体的设计思路及考虑问题,并给出了一个焦距f=400mm,F/#为4,全视场角为1.72°的设计实例。设计结果表明,系统成像质量接近衍射极限。     

基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统设计

反射系统具有体积小、重量轻、无色差、成像性能优良等特点,广泛应用于航空机载领域。本文基于矩阵光学理论,并以此建立非线性方程组,用数学软件求解得到满足要求的初始结构。优化过程中不断调整系统各镜的偏心和倾斜,消除系统的中心遮拦。在光学系统中引入自由曲面,提升了光学系统的轴外像差平衡能力,增大系统视场角。设计了焦距100 mm,视场角20°×20°,相对孔径为F/7的离轴四反射镜光学系统。结果表明,该光学系统具有较大的成像视场,结构紧凑,无中心遮拦,成像质量接近衍射极限。     

矢量波像差理论在无遮拦三反光学系统设计中的应用

传统的无遮拦三反射镜光学系统设计是先设计轴对称反射系统,然后通过偏光瞳、偏视场或者两者结合的方法来实现系统无遮拦设计,系统中不可避免地用到了离轴非球面反射镜。以矢量波像差理论的相关结论出发,将反射镜的倾斜作为系统的优化变量,利用轴对称非球面反射镜实现了无遮拦三反射系统的设计。分析了此种系统的设计思路及步骤,设计了焦距为1 000 mm、视场角为1020、F数为10的三反射镜光学系统,系统结构紧凑,成像质量接近衍射极限。该系统与其他无遮拦三反光学系统相比,最大的优点是系统中的非球面均为轴对称反射面,极大地降低了系统成本。     

基于量子遗传算法的自由曲面离轴反射光学系统设计

针对自由曲面离轴反射光学系统的初始结构较少、优化过程复杂的问题,提出了一种基于量子遗传算法的离轴反射光学系统设计方法,即采用量子遗传算法结合像差理论得到高像质的初始光学系统结构,再对其离轴化处理并引入自由曲面,进而设计得到自由曲面离轴反射光学系统。该方法可以方便、快捷地为自由曲面离轴反射光学系统提供像质良好、特定布局的初始结构。以离轴三反系统为例,采用该方法设计了一套工作在可见光波段、视场大小为10°×4°、F数为2的主三镜一体化的自由曲面离轴三反系统。仿真结果表明,该离轴三反系统视场较大、结构紧凑、成像质量良好,其最大RMS波像差为0.0485 λ (λ=0.6328 μm),全视场的调制传递函数（MTF）在50 lp/mm处大于0.9,且一体化集成结构有利于简化系统的对准及装调。     

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。     

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。