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大口径反射镜轻量化及其支撑结构设计李畅;何欣【摘要】为了满足大口径（800mm ×400mm）矩形轮廓反射镜的结构稳定性设计要求，采用背部3点支撑方式，基于Bipod原理，为某超宽覆盖空间的相机主镜设计了一种新型柔性支撑结构。
分析了反射镜各结构参量对其质量和刚度的影响，选取其中影响较大的参量作为设计变量，对镜体轻量化结构进行了优化设计，并进行了有限元分析。
结果表明，优化设计后的反射镜组件具有较好的力学适应性、温度适应性和动态刚度。
振动试验结果与有限元分析结果相符，证明了其准确性。
%In order to satisfy the structure stability of a large rectangle mirror (800mm ×400mm), a novel flexible supporting structure of space camera primary mirror with super wide coverage was designed by Bipod principlein which three supporting points were adopted in backside of themirror .The influence of the structure parameters on the mass and stiffness of the mirror was analyzed .The parameters which had significant effect were chosen as the design variables and the optimization design of mirror lightweight structure was carried out .The finite element analysis was conducted .The results indicate that the mirror structure has better mechanical adaptability , thermal adaptability and dynamical stiffness .The results of finite element analysis are consistent with the results of vibration test .【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P337-340)【关键词】光学制造;结构设计;大口径反射镜;轻量化;支撑结构【作者】李畅;何欣【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033; 中国科学院大学，北京100049;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033【正文语种】中文【中图分类】TN202引言随着科学技术的不断发展以及对地观测要求的不断提高，高分辨率、宽覆盖的空间相机逐渐成为光学遥感器的发展趋势，因此，通常采用具有长焦距、大口径、大视场等特点的离轴三反光学系统［1-2］。
大视场光学系统设计
大视场光学系统是指适用于视角范围广泛的摄影、遥感、医学成像等应用场合的光学系统。
它可以提供高质量的图像，同时在更大的范围内保持较好的光学性能。
下面将介绍大视场光学系统的设计原理和常用的优化方法。
设计原理
大视场光学系统的设计需要考虑以下几个方面的因素：
1.镜头参数的选择：为了满足大视场的要求，需要选择较大的视角和宽广的视场。
镜头类型也需要根据具体应用场合进行选择。
2.光学元件的设计：光学元件的设计应该针对大视场进行优化。
对于非球面透镜，合理设计会显著提高光学性能。
3.光线追迹技术：为保证大视场光学系统的高质量，需要使用光线追迹技术进行优化，识别并排除光线传递过程中产生的像点附近的偏移或畸变。
常用优化方法
1.大覆盖距离：实际上，大覆盖距离优化是一个基于不同光学环节的设计指标。
在实际设计中，我们需要将不同部分的优化结合在一起，如减小曲面像点偏移等。
2.光学元件选材：选择正确的光学元件材料是保证大视场光学系统高分辨成像及色彩保真度的前提。
需要在选择合适材料的同时，充分考虑镜头的成像质量及相机结构因素。
3.非球面透镜设计：非球面透镜的设计是一项关键的方法，这种方法可以显著减少透镜产生的色差及像差，从而达到提高大视场成像质量的目的。
总之，大视场光学系统设计需要考虑多种因素，包括镜头参数的选择、光学元件的设计，以及光线追迹技术等等。
准确的设计和优化方法是保证大视场光学系统高质量成像的关键。
基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计摘要：关键词：传递矩阵，非球面透镜，棱镜，宽视场，畸变概述：宽视场离轴三反光学系统由于具有较大的视场角度和高质量的成像效果，在实际应用中被广泛运用于望远镜、航空摄影、光学测量等领域。
在实际应用中，该系统需要具有高质量的成像效果和较小的畸变，因此在设计过程中需要合理选择系统结构和参数，以及优化系统的光学设计。
系统结构和参数的选择：在确定系统结构和参数时，需要考虑到系统的使用环境和要求，并结合非球面透镜和棱镜的特性进行选择。
在本文设计的系统中，选择了三反射式结构，由于该结构具有简单、紧凑、易制造等特点。
系统中采用了高质量的非球面透镜和无色棱镜，以实现较高的成像质量和较小的畸变。
传递矩阵模型的建立：在建立传递矩阵模型时，需要根据系统结构和参数，将系统分成若干个子系统，并分别建立相应的传递矩阵模型。
为了考虑非球面透镜和棱镜的影响，需要采用复合矩阵法，将传递矩阵合成为总的传递矩阵。
为了避免误差积累，需要将系统分成若干个小段，并采用迭代法求解。
在确定系统参数时，需要考虑到系统成像质量和畸变的影响。
系统成像质量主要受到非球面透镜的影响，而畸变则主要受棱镜的影响。
在设计过程中，需要对非球面透镜的曲面形状和棱镜的角度进行优化。
在本文的设计中，采用了遗传算法来进行系统参数的优化，以得到最优的成像效果和畸变。
评价和分析：通过实际制作和测试，本文所设计的宽视场离轴三反光学系统成像质量较高，畸变较小，并达到了设计要求。
通过对系统的评价和分析，可以发现系统的成像效果主要受到非球面透镜的影响，而棱镜的影响并不明显。
在实际应用中，需要合理选择非球面透镜的曲面形状，以实现更好的成像效果。
结论：进一步分析：在实际应用中，宽视场离轴三反光学系统具有广泛的应用前景。
由于该系统可以有效解决传统光学系统中的畸变问题，并能够实现较大的视场角度和高质量的成像效果，因此在望远镜、航空摄影、光学测量等领域得到了广泛的应用，受到了科研人员和工程师的高度关注。
成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计摘要：成像光谱仪是一种光学设备，通过对光波的分光和成像，能够对物体进行高精度的光谱测量，是现代高科技领域中不可或缺的重要设备之一。
本文就宽视场离轴三反望远系统的光学设计展开讨论，探讨如何通过构建光路，克服离轴场和色差的问题，实现高精度成像。
关键词：成像光谱仪；光学设计；离轴三反望远系统；宽视场；色差一、引言成像光谱仪是一种利用空间光学技术，将光波分光后进行成像的一种高科技仪器。
它具有精度高、分辨率好、稳定性强等特点，在化学、生化、医学等领域中得到广泛的应用。
本文将主要讨论宽视场离轴三反望远系统的光学设计，为读者提供一份系统的分析和设计方案。
二、光路设计在成像光谱仪中，光路设计是非常重要的一步。
通过光路的设计和构建，能够克服离轴色差等问题，实现高精度成像。
本文采用的是离轴三反望远系统，这种系统的主要优点是可以消除离轴像差，提高成像质量。
而且，在宽视场的情况下，也能够有比较好的成像效果。
离轴三反望远系统主要包括四个光学元件，分别是物镜、准直镜、弯晶镜、平行光板。
物镜起到了成像的重要作用，是整个光路中影响成像质量的关键元件。
准直镜和弯晶镜则能够控制离轴像差的大小，提高成像质量。
平行光板则是起到相干光传播的作用，使得光在系统中保持相干性，从而保证了成像的清晰度和稳定性。
为了提高宽视场的成像质量，本文采用了黎曼透镜的设计方式。
黎曼透镜具有宽视场、大孔径等优点，在成像光谱仪中应用广泛。
因此，将黎曼透镜的设计方式应用到离轴三反望远系统的光学设计中，可以显著提高成像质量。
三、色差控制色差是成像光谱仪中所面临的一大问题。
色差的存在，会导致成像的清晰度和精度下降。
因此，在系统的光学设计中，需要采用一些控制色差的方法，以保证成像的高精度和稳定。
一种解决色差的方法是采用同时具有正像差和负像差的镜头设计。
这种设计方式能够有效减弱色差的影响，提高成像的质量和精度。
基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统
设计
基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计
传递矩阵是一种用于描述光线在光学系统中传播的数学工具。
在光学系统设计中，传递矩阵可以用来计算光线的传播路径和光线的偏振状态等信息。
在本文中，我们将介绍一种基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计。
宽视场离轴三反光学系统是一种常用于望远镜和显微镜等光学系统中的设计。
它由三个反射面组成，其中两个反射面是离轴的，而第三个反射面则是轴对称的。
这种设计可以有效地减少像差和畸变等光学问题，同时还可以实现宽视场和高分辨率的要求。
在本文中，我们将采用传递矩阵的方法来设计这种光学系统。
首先，我们需要确定系统的光路和反射面的位置和形状。
然后，我们可以使用传递矩阵来计算光线在系统中的传播路径和偏振状态。
最后，我们可以根据设计要求来优化系统的参数，以实现最佳的光学性能。
在实际的光学系统设计中，还需要考虑到材料的折射率、反射率和散射等因素。
此外，还需要进行光学测试和调整，以确保系统的性能符合设计要求。
基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计是一种高效、精确和可靠的光学设计方法。
它可以帮助我们实现高质量的光学系统，满
足各种应用需求。
改进的离轴三反光学系统的设计赵文才【摘要】基于离轴三反光学系统(TMA)的一般设计方法,总结了设计要点.以两个基于三反光学系统的设计为实例,阐述了通过合理地安排光学结构、将次镜设计为球面反射镜、主镜和三镜在球面基础上改变高次非球面系数等,可使离轴三反光学系统的设计结果接近衍射极限,传递函数在50 lp/mm时都接近0.6,Strehl率由通常的0.91提高到0.93.与传统离轴三反系统相比,相机加工公差和面形加工公差从原来的λ/50放宽到λ/40,主、次、三镜的装调公差放宽了4倍.文中的设计降低了相机的加工及装调难度,有助于系统光学特性实现衍射极限,为三反光学系统的广泛应用提供了借鉴和实用参考.%The key design of off-axial Three-mirror Anastigmat (TMA) systems was summarized, and an improved design of the off-axial TMA optical systems was proposed with a new optical structure. By taking two designed systems for examples, the optical elements of the TMA system were reasonably arranged, the secondary mirror was designed as a spherical surface, and the primary and the third mirrors were optimized with high-order aspheric coefficients. Obtained results show that the Modulation Transform Function(MTF) curve of the designed system approaches to the optical diffraction limit with an improved value of 0. 6 at the spatial frequency of 50 pl/mm. Compared with the common off-axial TMA optical system, the Strehl ratio can be increased from 0. 91 to 0. 93. The surface tolerance is relaxed from λ/50 to λ/40, and the assembling tolerances of the primary mirror, sec ond mirror and the third mirror can be relaxed by a factor of 4. The improved designmakes the manufacture and assembly of the off-axial TMA optical system much easier, and helps the system to achieve excellent performance in the level of optical diffraction limit. These are beneficial to the popularization of off-axial TMA optical systems.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)012【总页数】7页(P2837-2843)【关键词】空间光学遥感器;光学设计;离轴三反光学系统;光学加工;光学装调【作者】赵文才【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TP73;TH7031 引言无论在军事还是民用领域，高分辨率空间遥感都有广阔的应用前景，目前其主要形式仍是通过光学相机对地观测。
立式三反离轴相机光机结构设计背景介绍立式三反离轴相机是常见的一种高清数码相机结构，它的光学结构是由光学系统和机械结构系统组成，能够满足不同的应用需求。
本文将针对其光学机械结构进行设计讨论。
光学系统立式三反离轴相机的光学系统包括透镜和镜头。
这些元件被设计成离轴的形状，可以有效避免光学畸变。
在光路上加入称为“反转仪”或“变光仪”的附件来逆转光路方向，使图像正演后成像，避免了光路过程中反转后的图像倒置问题。
机械结构系统立式三反离轴相机机械结构系统包括相机主体、平台、云台和支架等组成部分。
在这里，我们重点关注的是支架部分。
立柱支架立柱支架是将相机固定在立柱上的部件。
主要由竖直立柱、导向轨道和相机安装平台组成。
立柱支架设计旨在提高相机在竖直方向上的稳定性，安装平台设计旨在增加相机在水平方向上的调节性。
导向轨道导向轨道是一种平行于地面的固定元件。
它通常用作调节相机位置的基础，以适应特定的拍摄需求。
在立柱支架中，导向轨道位于竖直立柱上方，以稳定相机的位置。
相机安装平台相机安装平台是用于安装相机的部件。
它通常可以左右旋转及水平移动，以适应拍摄需求。
此外，相机安装平台还可以通过手柄或按钮将相机向上或向下调整。
反应式阱制冷器在高清数码相机中，反应式阱制冷器被广泛应用。
它是一种集成热电效应和半导体材料的装置，能够有效地控制相机温度。
反应式阱制冷器的设计旨在保持相机的稳定性和提高相机对噪声和热带来的抗干扰能力。
光机结构设计对于立式三反离轴相机的光机结构设计，需要考虑以下几方面的因素：1.光路设计：包括透镜、镜头和反转仪等光学部件的选型和设计。
2.机械结构设计：包括支架、导向轨道、相机安装平台等机械部件的选型和设计。
3.温度控制设计：包括反应式阱制冷器的设计和选型，以及相应的控制电路设计。
通过以上的设计考虑，我们可以设计出一款符合高清数码相机的光机结构。
结论本文介绍了立式三反离轴相机的光机结构设计。
我们深入探讨了包括光路设计、机械结构设计和温度控制设计在内的重要因素，以期为相机光学结构的优化提供一些有价值的参考。
第18卷 第7期2010年7月 光学精密工程 Optics and Precision Engineering Vol.18 No.7 J ul.2010 收稿日期:2009206225;修订日期:2009208226. 基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(No.863222521213B )文章编号 10042924X (2010)0721491207离轴三反宽视场空间相机的辐射定标任建伟1,刘则洵1,2,万 志1,李宪圣1,任建岳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(TMA )光学系统是目前最先进的空间对地观测相机的光学系统。
本文在分析离轴TMA 宽视场空间相机成像机理的基础上,针对其光学系统光路和结构的特点,提出了分视场定标和利用特殊开口形状积分球的全视场定标两种方案,并采用两种定标方案分别对离轴TMA 宽视场空间相机两个不同阶段的样机进行了实验室辐射定标,定标结果表明两种方案切实可行,满足该相机实验室辐射定标要求。
通过对提出的两种实验室辐射定标方案优缺点的分析,得出两种定标方案不同的使用条件,结果显示两种定标方案的定标精度分别为1.68%和1.89%。
关 键 词:离轴三反(TMA )系统;空间相机;辐射定标中图分类号:V475.3;TP73 文献标识码:A doi :10.3788/OPE.20101807.1491R adiometric calibration of off 2axis three 2mirror 2anastigm atspace camera with wide vie wing f ieldREN Jian 2wei 1,L IU Ze 2xun 1,2,WAN Zhi 1,L I Xian 2sheng 1,REN Jian 2yue 1(1.Changchun I nstit ute of O ptics ,Fi ne Mechanics and Physics ,Chi nese A cadem y of S ciences ,Changchun 130033,Chi na;2.Grad uate U ni versit y of Chi nese A cadem y of S ciences ,B ei j i ng 100039,Chi na )Abstract :Off 2axis Three 2Mirror 2Anastigmat (TMA )optical system is a mo st advanced optical system used in space cameras for eart h observation p resently.In t his paper ,t he imaging mechanism of a off 2axis TMA wide viewing field space camera is analyzed ,and two kinds of calibration project s ,sectional viewing field radiomet ric calibration and entire viewing field radiomet ric calibration using an especial hatch integrating sp here ,are p roposed according to t he pat h and const ruction feat ures of t he off 2axis TMA optical system.Then ,Bot h t he p roject s are used in t he laboratory radiomet ric calibration for t he different p hase specimens of t he off 2axis TMA space camera.The calibration result indicates t hat bot h of t he project s are feasible and can f ully satisfy t he requirement s of laboratory radiometric calibration.The service conditions of t he two project s are obtained by analyzing t he relative merit s of t he p roject s.It is concluded t hat t he calibration accuracies of two project s are 1.68%and 1.89%,respectively.K ey w ords :off 2axis Three 2Mirror 2Anastigmat (TMA )system ;space camera ;radiomet ric calibration1 引 言 空间光学相机的光学系统经历了从折射系统、折反系统到全反系统的演变。
光学系统设计与优化在现代的科技领域中，光学系统设计与优化具有重要的作用。
通过对于光的控制，我们可以用光学器件实现很多高端科技产品。
比如，我们可以使用激光器器件或者相机镜头等器件，让一个汽车获得更高的安全性能或者让一个人获得更清晰的图像效果。
因此，今天我们将探索光学系统的设计与优化。
首先，我们先来简要了解一下光学系统是什么。
光学系统是指利用光学元件进行光学设备的系统，通过对于光线的传播和成像控制，完成各种各样的应用。
可以说，光学系统是由多个光学元件组成的一个复杂系统，包括镜片、棱镜、滤光片等等。
光学系统的设计是一个涉及到多学科的综合性设计，广泛地应用于航空、电子、通讯、医疗和环保等领域。
光学系统的核心就是要实现光线的控制，以达到清晰、明亮、准确的成像效果。
同时，光学系统的设计者还需要考虑到以什么方式来控制光线：通过物镜焦距、组合镜面、透镜等多种方法，最终实现设计要求的成像效果。
那么，如何进行光学系统的设计与优化呢？这里我们先提供一些思路和方法：首先，了解设计目标。
要对于设备的应用场景有足够的了解，精确把握设计的目标需求和应用场景。
例如，对于相机镜头，会关注到光圈大小、焦点长度、镜头质量等等，而对于车载激光雷达，我们会关注到测量距离、被测物体的反射、雷达的便携性等等。
其次，优化设计参数。
一旦有了设计目标，下一步便是通过计算和模拟同样的设备，以此来优化其参数和配置。
例如，对于一个更好的摄像头，我们需要为其进一步设计透镜制度、组合反射体、光圈控制等等。
过程中需要考虑到多样化的参数，最终输出优化结果并进行调整和验证。
最后，进行调试和优化。
设计优化的必要环节，需要对于实际设备进行调试，在实验室和设备管理平台上进行性能评估。
这时候会直接操作设备，让实验进行多次重复，只有通过不断地调整，才能进行后续的优化。
在光学系统设计中，我们也需要了解器件的材质和特性。
因此，应该对器件的种类、学术背景、生产工艺等方面有一定的了解。
第 31 卷第 14 期2023 年 7 月Vol.31 No.14Jul. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering二维大视场离轴反射式光学系统设计于亚琼1，2，王灵杰1*，赵尚男1，2，张建萍1，张新1，2（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.中国科学院大学，北京100049）摘要：宽视场光学成像系统可以增大光学遥感器观测范围、提高探测效率。
近年来，基于自由曲面的光学系统设计和制造取得了重大进展，为设计大视场、大相对孔径、高分辨率、高成像质量、无遮挡离轴反射系统提供了可能性。
首先，分析了大视场离轴反射系统的像差特性，指出当不断增加系统视场角，尤其是子午方向视场角时，与视场相关的非对称高级像差量将剧烈增加；像场连续性要求更加凸显。
接着，提出了一种二维大视场长焦距离轴光学系统设计方法：在常规光学系统初始结构基础上，采用多重结构形式，使子午方向视场角离散化，光学系统特定曲面分解为两个子曲面；并构建系统约束条件，通过约束系统外形尺寸、优化系统结构形式进而完成系统优化设计。
最后，基于提出的方法，设计了一款焦距为1 000 mm，像方F数为10，视场角为40°×16°的自由曲面离轴四反光学系统。
设计结果表明：该系统全视场范围内成像质量较好，50 lp/mm的特征频率下，400~750 nm可见光波段内光学调制传递函数优于0.26，证明该方法切实有效。
关键词：光学设计；离轴反射系统；自由曲面；二维大视场；曲面分解中图分类号：TP394.1；TH691.9 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233114.2019Optical design of the off-axis reflective system with wide fovYU Yaqiong1，2，WANG Lingjie1*，ZHAO Shangnan1，2，ZHANG Jianping1，ZHANG Xin1，2（1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）* Corresponding author， E-mail： wanglingjie@；Abstract： Generally， the observation ranges and detection efficiencies of optical remote sensors can be en⁃hanced using wide-field optical imaging systems. Accordingly， the design and manufacturing of freeform-surface-based optical systems have achieved significant progress recently， making the construction of wide-field， rapid， higher-quality-resolution and -imaging， and obstacle-free off-axis reflection systems feasible. The first part of this paper presents a detailed analysis of the aberration characteristics of an off-axis reflec⁃tion system. This asymmetric higher level aberration increases dramatically as the field of view （FOV），specifically the meridional FOV， of the system increases. These characteristics place a prominent require⁃ment on image field continuity. The second part of this paper presents a new design approach for two-di⁃mensional （2-D）large FOV optical systems with long focal lengths.First，we built multiple structural forms based on conventional optical systems， leading to a discretized meridional field angle， and with cer⁃文章编号1004-924X（2023）14-2019-12收稿日期：2023-02-06；修订日期：2023-03-02.基金项目：青年科学基金资助项目（No.62005271）第 31 卷光学精密工程tain specific surfaces of the optical system decomposed into two sub-surfaces. Following this， system optimi⁃zation was achieved by constraining the system size and improving its structural form. Finally， we designed the off-axis reflective freeform surface optical system. The imaging quality was good within the entire FOV，realizing 2-D large-field imaging of 40°×16°， a focal length of 1 m， and an F-number of 10. The test results prove that the proposed design is good， yielding an optical modulation transfer function of better than 0.26，particularly in the visible spectrum of 400-750 nm with a characteristic frequency of 50 lp/mm.Key words： optical design；off-axis reflection system；freeform surface；wide field-of-view；surface de⁃composition1 引言光学遥感利用可见光、近红外和短波红外传感器对地物进行特定电磁谱段的成像观测［1］。
文章编号 10042924X (2003)0120055204宽覆盖、离轴空间相机光学系统的设计常 军1,翁志成1,姜会林2,丛小杰1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130022;2.长春理工大学,吉林长春130022)摘要:当前空间相机的光学系统的要求是:在多光谱范围内,系统要有高分辨率、大视场、小体积、质量轻且像面为平像场,TMA (Three mirror anastigmat )可以满足上述要求。
为此给出了这方面的设计,所研究的TMA 系统三个反射面都是二次曲面,将主镜和第三镜离轴放置,避免中心遮拦的影响,系统的视场可达到5°×0.2°,焦距为6m ,像质接近衍射极限。
关 键 词:高分辨率;空间相机中图分类号:TH703 文献标识码:A1 引 言 目前,在空间对地观测遥感领域中,无论是军事还是民用领域都在努力发展高分辨力的空间相机,并要求相机在多光谱条件下,具有大视场、高分辨率、体积小、无色差、平像场。
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,系统尺寸也将随着增大,体积大对航空和航天产品非常不利。
对于长焦距光学系统,折射系统和折反系统存在二级光谱,不易校正[1];反射系统不产生色差,无二级光谱,使用波段范围宽,而且孔径可以做得较大,宜于轻量化,在抗热性能方面有较强的优势,而且通过使用非球面来校正像差,可以使结构简单,像质优良。
目前已有学者在这方面做了不少工作[2-6]。
最常用的卡氏系统也同样具有上述优点,但其视场小,且存在残余场曲;同轴的三镜消像散反射系统(TMA )由于中心遮拦的影响,减少了进入系统的能量,降低了系统的传函值。
离轴TMA 避免了中心遮拦,传函值可做到较高。
本文探讨一种离轴TMA ,系统焦距为6m ,视场可达到5°×0.2°,对地面有较大的覆盖范围,且筒长较短,成像质量接近衍射极限。
2 光学系统分析在无像差光学系统中或者系统的像差足够小时,光学系统口径的衍射决定了系统的最高分辨率。
衍射对系统分辨率的影响由艾利斑直径d 来表征:d =2.44λfD,(1)其中:λ为波长,f 为光学系统焦距,D 为光学系统口径。
光学系统的成像质量最好能做到衍射极限,即像斑直径最小为衍射极限。
系统焦距f 与探测器单元尺寸δ有如下的关系:fsH=δ,(2)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 ・tan ω,(3)式中:Q 为地面覆盖宽度,ω为系统的半视场角。
由上式可知,在波长、卫星高度和探测器尺寸δ确定后,空间分辨率与光学系统相对孔径有关,当光学系统口径一定时,在相同的轨道高度条件下,增大焦距可以提高地面分辨率,增大系统的视 收稿日期:2002205204;修订日期:2002210230. 基金项目:国家自然科学基金项目(No.69978020)第11卷 第1期2003年2月 光学 精密工程Optics and Precision Engineering Vol.11 No.1Feb. 2003场角可以扩大对地面的覆盖宽度。
同时,增大系统的口径有利于提高空间光学系统的性能。
但在研制长焦距或超长焦距光学系统时,较少采用大口径的折射和折反射系统。
主要原因为二级光谱消除困难;其次大尺寸、高光学均匀性的材料较难熔炼、对加工与装调要求极高,而且对环境温度和压力的变化也特别敏感。
相对而言,反射式系统具有以下优势:(1)不存在任何色差,二级光谱也就不存在,因此可以用于很宽的谱段成像,特别适用于卫星遥感侦察和多光谱成像的光学系统;(2)零件数相对较少,质量轻,可以设计成轻量化结构进一步减轻质量,这正是空间光学系统所需要的;(3)设计型式非常灵活,可以借助折转反射镜来折叠光路使结构紧凑,还可以用非球面来获得大孔径、大视场、长焦距等多种性能要求的系统。
此类系统一般都要用到非球面,以前由于非球面光学系统的加工、检测和装调工艺水平较低,使得反射式光学系统没有得到广泛应用。
如今,随着计算机辅助加工非球面技术的日益成熟和计算机辅助检测与装调技术的应用;反射式系统的设计与应用获得了充分的解放,出现了一些高质量、高性能的反射式系统,长焦距光学系统的研究也就自然转到反射系统上来。
由三块反射镜组成的TMA 系统结构最简单,在满足消除4种初级像差的前提下,还有多余的参数可以用来安排系统结构,因此受到广泛的关注。
3 设计举例和性能分析现设计一个焦距f ′=6000mm ,相对孔径D/f ′=1/10,视场角(矩形视场角):5°×0.2°,谱段为01486～017μm 的TMA 系统,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:表1 结构参数Fig.1 System parameters半径(mm )二次曲率非球面高次项偏心量x (mm )偏心量y (mm )主镜-6930.0-1.408th 0800次镜-2910.5-0.608th 00第三镜-5010.1-2.008th0-1000像面0-1050 从表中可以看出:主镜、次镜和第三镜均为双曲面。
其中孔径光栏和次镜重合,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1所示TMA 系统,透镜的偏心和倾斜会产生新的附加像差,主要产生离轴彗差和一定量的离轴像散,在此通过用第三镜的偏心和像面的偏心来校正。
图1 系统结构图Fig.1 System layout 将初始结构进行特定优化后,其传递函数曲线见图2,能量分布见图3,从图中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。
图2 传递函数曲线图Fig.2 M TF curve由公式(2)可知,当卫星高度为600km ,探测65 光学 精密工程 第11卷器的像元尺寸为10μm 时,本文光学系统的地面分辨率将为1m ,覆盖宽度为52.4km。
图3 衍射能量分布图Fig.3 Encircled energy curve4 结 语三反系统由于其独特优势,适合于空间摄影等领域,已备受关注。
本文设计使用的是矩形视场,适用于线阵的TDI -CCD 接收器,通过推扫方法可得到成像,实例适合安放在空间对地遥感、空间摄影等领域上。
采用偏轴的TMA 系统,消除了中心遮拦引起的像质下降,提高了成像质量,而且随着计算机辅助加工与干涉装调的技术不断提高,这类偏轴系统将得到更广泛的应用。
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