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.     

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。     

大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计

设计了一款大线视场离轴三反光学系统,系统焦距1 200 mm,相对孔径1:12,视场角301。设计中,第三反射镜应用了x-y多项式光学自由曲面提升系统设计自由度,为便于装调,保证关于子午面像质对称,对x-y多项式自由曲面表达式进行了修正。设计结果得出,该系统光学传递函数均优于0.45@50 lp/mm,工作视场内,系统最大波像差为0.056,平均波像差RMS值为0.036,最大畸变值为0.8%,像质相对于子午面完全对称。系统进行了合理的公差分配,蒙特卡罗分析结果显示,该光学系统最终可实现平均波像差优于/14的成像质量。该系统的设计对空间遥感器光学系统的设计具有一定的参考价值,适合作为大幅宽推扫成像系统。     

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。     

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。     

宽光谱实入瞳远心中继光学系统设计

红外光谱成像系统、光场成像系统、光学显微系统、偏振干涉成像系统、复眼成像系统、环带式全景光学系统、多尺度成像系统及头戴式增强显示系统等光学系统中,通常需要中继光学系统来实现光路衔接、配曈、偏转等。研究了现有中继光学系统结构,介绍了光阑前置即具有实入曈的像方远心离轴三反光学系统的设计方法及自由曲面的描述方法,完成了满足设计参数的具有实入瞳的远心中继光学系统仿真设计,系统各镜采用XY多项式描述的自由曲面离轴三反光学系统结构。CODEV仿真设计结果表明,在工作谱段0.4~5.0 μm、焦距400 mm、F数3、视场角2ω=8°下,系统MTF(Modulation Transfer Function)接近于衍射极限,畸变小于1%,成像质量良好。     

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。     

轻小型立体相机光学系统研制

针对民用低成本立体成像的应用需求,设计了一种轻小型立体成像相机光学系统,旨在于在250 km轨道高度地面实现像元分辨率为50 m的立体成像,该光学系统在焦面探测器配合下,既可实现立体成像,又可实现大画幅面阵成像。该系统焦距f'=32 mm,视场角2=66,相对孔径D/f'=1:6.8,工作谱段450~750 nm。光学系统设计中,采用反远距系统与消色差显微物镜两种光学结构组合的形式,最终全视场光学传递设计值优于0.49@78 lp/mm,几何畸变小于0.1%,边缘视场与中心视场照度比0.83,边缘视场与主光线入射角小于15。光学系统采用精密定心装配,并对成像质量进行了检测,装调后相机光学系统传递函数的测试值均优于0.4@80 lp/mm,满足实验室静态传递函数优于0.2的指标。该光学系统在成像幅宽、几何畸变数值等方面的指标均优于国内外典型立体相机。     

结合面型和视场优化策略的自由曲面设计方法

为了增大光学系统的视场,针对含有自由曲面的离轴反射式光学系统设计,提出了一种面型优化策略和视场优化策略相结合的优化设计方法。该方法从小视场出发,以表征光学系统波像差的Zernike标准多项式各项系数为评价依据,确定像差分量优化顺序,有针对性地选取和优化XY多项式项系数;计算各视场波像差在全视场波像差的占比,据此调整各视场的优化权重。在小视场范围内优化获得满足光学系统性能指标的结构参数后,逐步拓展视场范围,交替使用面型和视场优化策略,实现全视场范围内光学系统的优化设计。应用该方法设计焦距1 200 mm、F数为12、视场303的含有自由曲面的离轴三反光学系统,仅通过优化15项XY多项式系数表征自由曲面,设计结果接近衍射极限,且有利于指导更宽视场的自由曲面光学系统设计。     

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。     

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。     

同轴偏视场共孔径面阵成像光学系统设计

随着对空间信息获取能力的要求不断提高,使得高分辨率动态遥感成为空间光学领域一个新的研究热点。偏视场同轴三反光学系统具有长焦距、体积小、轻量化程度和成像质量高等特点,能够满足低轨视频卫星高分辨率、多谱段、多功能性和低成本的要求,因此在高分辨率动态遥感领域有着广泛的应用前景。以高斯光学和三反射消像差理论为基础,设计了可见光面阵成像、近红外和中红外线阵推扫成像的共孔径光学系统。可见光系统焦距4.1 m,近红外系统焦距2.6 m,中红外系统焦距1.85 m,三者孔径均为520 mm,视场均为0.60.6,成像质均接近衍射极限,成像质量良好。系统总长小于f'visible/3.7,且系统的加工和装配公差较为宽松,易于实现。     

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。     

宽视场航天相机像面测量技术

宽视场高质量的航天相机是未来有效载荷的发展方向,基于宽视场航天相机的装调需求,提出了一种干涉测量与几何量测量相结合的像面测量方法。搭建了宽视场航天相机像面测量平台,利用激光干涉仪确定各视场的焦点位置,激光跟踪仪获取各焦点位置坐标,通过坐标换算和拟合完成像面的绘制,像面测量误差可控制在0.01 mm内。通过该方法,完成了一款离轴三反航天相机的像面绘制,系统焦距1200 mm,相对孔径1∶2.4,视场角10°×1°。测试的像面与光学设计软件ZEMAX输出的理想像面进行比对,像面形状及位置基本吻合,平面度偏差0.009 mm。测试结果表明光学系统装调到位,为探测器配准工序的完成提供了重要依据。     

基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计

针对离轴三反光学系统初始结构求解复杂、视场宽度小的问题,提出了利用光学传递矩阵求解三反系统初始结构的计算方法,推导了三反系统焦距和后截距的表达式,求解了光阑位于次镜的三反系统初始结构。采用引入高次非球面以增加系统设计自由度的技术路线,基于ZEMAX光学设计软件,通过对同轴初始结构进行离轴优化,得到了一个矩形视场172,焦距1 440 mm,F数4.8的离轴三反光学系统。该系统三个反射面均为高次非球面,可同时满足宽视场角和高分辨率的要求,在空间频率50 lp/mm处,调制传递函数大于0.6,接近衍射极限。结果表明:该系统搭载线阵/面阵时间延迟积分电荷耦合元件(TDI-CCD)用于推扫/多通道式空间对地成像时,可有效扩大空间对地成像系统的地面覆盖范围,提高信息获取效率。     

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。