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大视场、长焦距离轴三反射镜光学系统的设计

2014/11/13 21:35:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  张亮1, 2, 安源1, 2, 金光1

  ( 1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春130033;

  2.中国科学院研究生院, 北京100039)

  摘要: 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。

  0 引言

  在空间对地遥感领域中, 无论军事还是民用领域对光学系统的要求都越来越高。当工作轨道高度和探测器尺寸一定时, 增大焦距可以提高对地面像元的分辨率。但是, 焦距增大时, 系统的尺寸也将随着增大, 对航空和航天产品非常不利。因此, 如何在既增大焦距又保证成像质量的条件下尽量减小体积是目前空间光学研究的热点。在大孔径的系统中, 折射系统需要采用特殊的材料和结构来消除二级光谱色差, 而反射系统不产生色差, 孔径可以做得较大, 且宜于轻量化。由于二反系统不能满足大视场、大相对孔径的要求, 人们又引进了三反系统[1- 3]。共轴三反系统在大视场的情况下, 中心遮拦过大, 影响了进入系统的能量, 同时也降低了光学系统的分辨率。采用非共轴三反系统能够解决中心遮拦问题[4]。基于几何光学, 详细设计了焦距为2 m 的离轴三反射镜光学系统, 视场可达 7°×3°, 成像质量良好且系统的总长度较小。

  1 初始结构参数计算

  离轴三反射镜系统是在共轴三反射镜系统求得初始结构参数的基础上进行离轴、优化而得到的[5- 6]。因此,首先由共轴三反射镜系统求解系统的初始结构参数。

  三反射镜光学系统的初始结构如图1 所示, 1,2,3分别是三反系统的主镜、次镜、三镜。其结构参数共有8 个: 三个面的半径r 1 、r 2 、r 3 , 主镜到次镜的距离为d1, 次镜到三镜的距离为d2, 三个反射镜面的二次非球面系数分别为- e21 , - e22 , - e23 。定义系统的轮廓参数: !1 =l2 /f1 ′≈h2 /h1 , !1 为次镜对主镜的遮拦比, f1 ′为主镜的焦距, l2 为次镜顶点到主镜焦点的距离, h1 、h2 为主镜和次镜的口径; !2 =l3 /l2 ′≈h3 /h2 , !2 为第三镜对次镜的遮拦比, l2 ′为次镜顶点到主、次两反射镜焦点的距离, l3 为三镜顶点到主、次两反射镜焦点的距离, h3 为第三镜的口径; "1 =l2 ′/l2 ≈u2 /u2 ′, "2 为次镜的放大率; l3 ′为三镜顶点到三反系统焦点的距离,"2 =l3 ′/l3 =u3 /u3 ′。利用高斯光学理论, 可得到系统结构参数的有关公式:

  式中: f ′为系统的总焦距。

  由求出的!1 、!2 、"1 、"2 , 根据系统要求的球差s1 、彗差s2 、像散s3[7- 8], 即可求得三个反射镜面的二次非球面系数- e21 , - e22 , - e23 。至此,系统的8 个结构参数已全部确定。由上述步骤求解初始结构参数时,对于中间成像系统,!1 >1,!2 <0,"1 <1,"2 >0,φ为正值。对于中间不成像系统,!1 >1,!2 >0,"1 <1,"2 <0,φ为负值。为了尽可能缩短系统的长度, 可以令d1 ≈ d2 , 并由此求出初始结构参数。

  2 设计举例与性能分析

  现设计一个焦距f′=2 000 mm; 相对孔径D/f′=1/9; 视场角(矩形视场): 7°×3°; 工作波段为0.486、0.588、0.656 μm 的系统。根据上述初始结构的求法, 确定系统各光学表面的初始结构参数和部分非球面参数(如表1 所示)。

  从表1 可以看出, 主镜、次镜均为双曲面。孔径光阑与次镜重合, 且无中间成像。为避免中心遮拦, 将主镜和第三镜进行了偏心和倾斜, 形成如图2 所示的离轴三反光学系统, 透镜的偏心和倾斜会产生新的附加像差, 主要为离轴彗差和一定量的离轴像散, 在此通过第三镜的偏心和像面的偏心来校正。

  将初始结构进行特定优化后, 其传递函数曲线如图3 所示, 能量分布如图4 所示, 可以看出系统的像质已达到衍射极限。系统的最大间隔为焦距的f ′/2.5~f ′/3。

  系统焦距f 与探测器单元尺寸δ有如下的关系:

  式中: H 为卫星轨道高度; s 为地面线分辨率。地面覆盖宽度:

  Q=2·H·tanω (7)

  式中: Q 为地面覆盖宽度, ω为系统的半视场角。由上述公式可知, 当卫星高度为600 km 探测器的像元尺寸为5 μm 时, 文中光学系统的地面分辨率为1.5 m 覆盖宽度为73.4 km。

  3 结论

  离轴三反系统因其独特优势, 适合于空间摄影等领域, 已备受关注。文中设计使用的是矩形视场, 适用于线阵的TDI- CCD 接收器, 通过推扫方法可成像,实例适合空间对地遥感、空间摄影等领域。采用离轴三反光学系统, 消除了中心遮拦, 并提高了成像质量。随着计算机辅助加工技术以及装调技术的不断提高, 这类系统会得到广泛的应用。

  参考文献:

  [1] CHANG Jun, WENG Zhi $cheng, JIANG Hui $lin, et al. Designof long focal length space optical system with three reflectivemirrors[J]. Optics and Precision Engineer ing( 常军, 翁志成,姜会林, 等. 长焦距空间三反光学系统的设计. 光学精密工程) , 2001, 9( 4) :315- 318.

  [2] WU Yu, XUE Ming $qiu. Study of long focal length all $reflective optical system[J]. Acta Optica Sinica ( 吴煜, 薛鸣球. 长焦距反射式光学系统研究. 光学学报) , 1991, 11 ( 7) :646- 650.

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  [4] LIU Lin, XUE Ming $qiu, SHEN Wei $min. Approach toincrease the image performance of the uncoaxial three $mirrorreflective system[J].Optical Technique ( 刘琳, 薛鸣球, 沈为民.提高离轴三反射镜成像质量的途径.光学技术) , 2002, 28( 2) : 181- 184.

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  [C]//Proceedings of SPIE,Ear th Observing Systems Ⅲ ,1998,3439:104- 115

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  [8] HUANG Xin $geng. Optimum design of non $coaxial infraredoptical system for infrared horizon sensor [J]. Infrared andLaser Engineer ing( 黄心耕. 新型红外地平能感器非共轴红外光学系统的优化设计. 红外与激光工程), 2000, 29 ( 2) :72- 77.280

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