一种新型离轴三反式光学系统的设计

光学与电子信息学院课程设计报告（2019-2020学年第一学期）论文名称自由曲面离轴三反系统设计课程类别必修专业班级-学号-姓名-任课教师-完成时间-摘要时代的发展对信息的掌握能力提出了更高的要求，而观测是获取信息的一个重要前提，因而各种大视场、高质量的成像系统也成为了较为迫切的需求。

在多种光学系统中，反射式系统由于其易加工、无色差的特点具有良好的发展前景；在反射系统中，最常用的又是离轴三反式系统。

在反射系统中引入自由曲面，能够获得更好的像差消除能力，并提供较高的优化自由度，提升成像质量[1, 2]。

本文针对指定要求视场和畸变的光学系统作出了设计，完成了光学系统的选型、初始结构计算设计以及优化，得到了焦距1200mm，F-number为14的离轴三反系统，对该系统进行了像质评价，并且利用蒙特卡洛方法对其进行了公差分析。

本文对长焦距、大视场的光学成像系统作出了一个设计的尝试，完成了进行应用的基础。

关键词：自由曲面；离轴三反；大视场；蒙特卡洛目录摘要 (2)1背景介绍 (1)1.1研究背景 (1)1.2光学系统的选择 (2)1.2.1折射系统与反射系统的比较 (2)1.2.2离轴三反系统的两种类型 (3)1.3光学自由曲面 (4)2设计指标 (6)3设计步骤 (7)3.1初始结构的确定 (7)3.2初始结构参数表与图示 (8)4优化步骤 (11)4.1焦距与F数的优化 (11)4.2点列图的优化 (11)4.3MTF的优化 (12)5设计结果及性能评估 (17)5.1设计结果 (17)5.2性能评估 (19)5.2.1像差曲线 (19)5.2.2波前差 (19)5.2.3弥散斑 (22)5.2.4点扩散函数(PSF) (23)5.2.5能量集中度曲线及MTF曲线 (24)5.2.6畸变分析 (25)5.2.7焦距与F数 (25)6公差分析 (26)7存在问题 (29)8总结与展望 (30)8.1设计总结 (30)8.2未来展望 (30)参考文献 (31)1背景介绍1.1研究背景随着时代的发展，对信息的掌握能力成为了衡量一个国家科技实力的决定因素之一，而光学系统在观测目标、获取信息方面具有重要的价值和意义。

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。

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。

基于自由曲面的离轴三反光学系统设计方法研究一、引言。

光学系统在我们的生活中可太重要啦，就像我们戴的眼镜、相机的镜头，这些都和光学系统有关系呢。

而离轴三反光学系统那可是相当厉害的一种，要是再加上自由曲面，哇，这就像给超级英雄又加了超能力一样。

不过要设计这个系统可不是件简单的事儿，今天咱们就来好好聊聊这个设计方法的研究。

二、自由曲面是啥。

自由曲面可不是那种规规矩矩的形状，它就像一个超级有创意的艺术家随手捏出来的形状一样。

它不像我们常见的平面或者球面那么简单，自由曲面可以有各种各样复杂的弯曲和变化。

这种曲面在光学系统里可有用啦，因为它能够让光线按照我们想要的方式去传播，就像是给光线安排了一个特别定制的轨道。

比如说在一些高端的相机镜头里，自由曲面就能让成像质量超级好，画面的边缘都不会模糊。

三、离轴三反光学系统的独特之处。

离轴三反光学系统，首先它有三个反射镜，这三个反射镜可不是随便放的哦。

它们通过巧妙的布局，让光线在反射的过程中能够准确地聚焦或者成像。

而且离轴这个特点也很重要呢，和传统的同轴光学系统不一样，离轴的设计可以避免一些同轴系统会出现的问题，像是中心遮挡之类的。

这样就可以让更多的光线进入系统，得到更清晰、更明亮的像。

比如说在天文望远镜里，如果采用离轴三反光学系统，就能看到更遥远、更暗淡的天体啦。

四、设计方法的探索。

1. 建模方面。

要设计这个系统，首先得建立一个合适的模型。

这个模型就像是这个光学系统的蓝图一样。

我们得考虑自由曲面的形状怎么用数学式子来表示，那可不是简单的一次函数、二次函数就能搞定的。

可能要用到一些复杂的多项式或者其他特殊的函数。

然后根据这个数学表达式，在计算机里把这个自由曲面和三个反射镜的模型构建出来。

这就像是搭积木一样，不过这个积木可是超级复杂的。

2. 光线追迹。

有了模型之后，就得看看光线在这个系统里是怎么跑的啦。

光线追迹就像是跟踪一个调皮的小虫子在一个迷宫里的路线一样。

我们要知道光线从哪里进来，在每个反射镜上怎么反射，最后又到哪里去了。

长焦距离轴三反射式光学系统设计王路王春艳鲍智康（长春理工大学光电工程学院，长春130022）摘要：介绍了一种长焦距离轴三反射式光学系统的设计过程。

在同轴三反射式光学系统基础上,将第一面镜设置成光阑，通过对其适当的离轴、倾斜，实现无中心遮拦的离轴反射式光学系统设计。

给出了同轴系统初始结构的求解方程，分析了同轴系统存在的问题。

以一个长焦距离轴三反射式光学系统作为设计实例，通过镜面离轴、倾斜并进行优化,得到了成像质量良好的光学系统设计结果。

关键词：离轴三反射式光学系统；长焦距；光阑；中心遮拦中图分类号:TH703文献标识码: A文章编号:Design of Long Focal Length and Uncoaxial Three-mirror Reflective Optical SystemWANG Lu WANG Chunyan BAO Zhikang( School of Photo-electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022)Abstract: Introduced the designing process of a long focal length and uncoaxial three-mirror reflective system. .Based on the coaxial three-mirror, placed the first surface as the aperture and decentered to a suitable position to get the result of non-obstruction of the light..Primary aberration formula is deducted respectively, and analyzed the problems existed in the coaxial three-mirror reflective system. Took an uncoaxial three-mirror reflective system as a design example, by decenterring and tilting the surface, and got a good image quality of optical system design results.Keywords：uncoaxial three-mirror reflective system; long focal length; aperture; obstruction of light0.引言反射式物镜在空间光学系统中有着广泛的应用。