离轴三反射镜系统研究

　　引言

　　在空间光学的应用中，全反射系统与折射系统相比，具有没有色差、使用温度范围宽、可以轻量化等优点，因此越来越受到人们的重视。过去，反射式系统通常为共轴的两镜系统，人们对此作了大量的研究。这类系统的缺点一是存在中心遮拦，从而影响进入光学系统的能量和降低分辨率，另外两镜系统的象差校正能力有限，视场和径不能做的太大。随着现代军事和空间光学应用的迫切要求和光学加工能力的发展，人们将注意力逐渐集中到了离轴三反射镜系统上。

　　本文对离轴三反射镜系统的两种基本离轴形式进行了探讨，分析讨论了两种系统的优缺点，给出了设计实例。

　　1光阑离轴的系统

　　对同轴的三反射系统，将其光阑取该同轴系统的轴外部分，就得到相应的离轴三反射镜系统。对于给定焦距为150mm、口径为50mm的系统，我们设计了如图1所示的光阑离轴的有中间象面的离轴三反射镜系统。它的入瞳位于第一个镜面上，出瞳在焦面前面，可以做到100%冷光阑效率。系统中的三个反射面均为二次非球面。系统参数由表1所示。从表1中可以看到，系统的总长度约为120mm，小于系统焦距，第一反射镜同口径几乎同样大小，第三反射镜比第一反射镜要大近三分之一。

　　三反射镜系统可以校正全部初级象差，因此视场可以做的比较大。从图2所示的系统点列图可以看到，对于有中间象面的三反射镜系统，当视场达到5”x5。时，其整个弥散斑仍小于波长为ro林m时的衍射斑，具有衍射极限的成象质量。但当视场进一步增大时，由于高级象差的影响，弥散斑将大于衍射斑。图2中的圆代表衍射斑大小。

　　2视场离轴的离轴三反射镜系统

　　库克三片式折射系统有良好的象差校正能力，应用非常广泛。它的特点是光阑位于第二片透镜上，第一第三片透镜接近成对称分布。将透射元件改为反射元件后，系统就变为反射式的库克三镜系统，对该同轴系统取视场外部分，就得到离轴三反射镜系统。对于给定参数(焦距同样为150mm、口径同样为50mm)的系统，我们设计了如图3所示的离轴反射式库克三镜系统，它的入瞳位于第二个镜面上，系统中的三个反射面均为二次非球面。系统参数由表2所示。

　　从表2可以看到，系统总长度约为240mm，比有中间象面的系统长了一倍。而系统的三个反射镜口径也比有中间象面系统的相应反射镜大了一倍。

　　由于离轴的反射式库克三镜系统的结构特点，没有中间成象过程，系统接近对称分布，因此，它的成象质量比有中间象面的系统要好得多。从图4的点列图中可以看到，离轴的反射式库克三镜系统在15“xloo的视场范围内具有衍射极限的成象质量。图4中的圆代表衍射斑大小。