使用ZPL宏指令辅助设计离轴三反射镜系统

    引言

    光学系统从结构形式上可主要分为折射式、折反射式和全反射式三种，它们各有不同的适用条件，适应其允许视场大小不同、有无中心遮拦等需求。

    在航天遥感中，由于其光学系统具有长焦距，大口径，宽波段等特点，因此全反射式光学系统得到了广泛的应用^[1]。其中，随着光学加工、装调技术的发展与提高，离轴三反射镜系统以其视场大、无色差、适用温度范围宽、对材料无限制、无中心遮拦等优势，受到了越来越多的重视，取得了越来越广泛的应用。

    1 离轴三反射镜系统的设计原理

    1.1 同轴三反系统设计

    由于两反系统在设计中的自由变量只有 4 个，像 差校正和轮廓尺寸之间的矛盾限制了设计，如果再增加一个反射镜，则自由变量便有 7 个，从而大大增加了消像差的可能性。

    通过由三级像差理论推导的公式确定一个合理的初始结构，将其输入计算机通过光学设计软件进行优化，很快就能得出像质良好的同轴三反系统^[2]。

    1.2 离轴三反系统设计

    同轴三反虽然可以更好地校正像差，也可以取得更大的视场，但是由于严重的中心遮拦，像面的光照度损失严重，在信噪比要求高的场合下，完全无法满足要求^[1]。为了消除挡光，通常只取三反的离轴部分（如图 2 所示），因此离轴三反成像通常都是线视场，在穿轨方向视场很大，在沿轨方向取轴外的单一视场（或小范围的视场），通过卫星的运动对地面进行推帚式的扫描，从而完成对地面的成像。

    考虑到系统结构的简化、小型化与轻量化，离轴三反的离轴量越小越能满足要求；而为了避免挡光，日径越大的系统离轴量自然又需要取得更大，在计算机辅助设计软件的自动优化常规功能中，无法平衡这样的矛盾。而通过 ZEMAX 光学设计软件的 ZPL 宏指令功能，则可以解决这一问题，使软件自动优化的作用得到最大化的发挥，离轴三反的结构取得最优化。

    2 不挡光 ZPL 宏指令

    ZPL（The ZEMAX Programming Language）是ZEMAX 光学设计软件的一项扩展功能，可通过类似于 Basic 语言的宏指令，在光学设计中实现 ZEMAX软件本身所不具备的功能^[3]。

    2.1 不挡光 ZPL 宏指令的原理

    在 ZEMAX 软件中，图 2 中的离轴三反通常用表1 中的数据格式来表达。

    表 1 中，面 1、2 分别代表在角度和高度方向的离轴量，R₁、R₂、R₃分别代表主镜、次镜、第三镜的曲率半径，C₁、C₂、C₃分别为它们的非球面系数，T₁为主次镜之间的距离，T₂为次镜和第三镜之间的距离，T₃为第三镜到焦面的距离。