多视场离轴全反射式光学系统

　　0　引　言

　　近10多年来多视场光学系统广泛地应用于机载遥感、星载遥感、制导、观察和瞄准、搜索与跟踪系统等领域。其中长焦距(窄视场)光学系统可以提高系统的分辨率和作用距离;宽视场(短焦距)光学系统可以提高系统的搜索范围并弥补长焦距的近距盲区。

　　多视场光学系统的技术途径有以下三种:折射式、折反射式和全反射式。折射式光学系统由于受材料限制,焦距不宜过长,且难以实现宽波段成像;传统的共轴全反射式光学系统存在中心遮挡、次镜安装困难等问题。离轴全反射式光学系统可以同时实现长焦距、宽视场,经光路折叠系统紧凑,无中心遮挡,能量利用率高,是实现多视场光学系统极具潜力的一种技术途径。此外,全反射式光学系统无波长选择性,可应用于红外波段、可见光波段、紫外波段、毫米波波段等;加分束镜可实现多波段成像,再加光谱细分技术可实现多光谱成像[1,2];如果反射镜与镜框整体使用相同材料时,可实现完全无热差,因此航天领域普遍采用这种光学系统。本论文将详细讨论多视场离轴全反射式光学系统的理论基础及设计技术。

　　1　多视场离轴全反射式光学系统理论基础

　　一般全反射式光学系统的焦距长、视场小。为了获得宽视场,采用多视场离轴全反射式光学系统是必要的。多视场离轴全反射式光学系统是以共轴双反射光学系统和单视场离轴三反射式光学系统为基础的。

　　1.1　共轴双反射光学系统

　　传统的共轴双反射光学系统有三种:牛顿系统、卡塞格林系统和格里高利系统[3,4]。这三种双反射光学系统的次镜都位于主镜的入射光路中,存在次镜挡光。双反射系统的自由参数只有四个:主镜面形系数e21、次镜面形系数e22、次镜遮拦比α、次镜放大率β,最多可同时消四种像差[5],即球差、彗差、像散和像面弯曲。

　　1.2　单视场离轴三反射式光学系统

　　单视场离轴全反射式光学系统主要有单视场离轴三反射式光学系统和单视场离轴四反射式光学系统,以离轴三反射式光学系统最为常见。离轴三反射式光学系统结构参数的计算与同轴三反射式光学系统类似,优化计算时取同轴系统的离轴部分,为了避开次镜挡光,将入射光瞳离轴,同时将视场离轴。同轴三反射式光学系统光路如图1,主镜M1、次镜M2和第三反射镜M3,三个镜面的二次非球面系数分别为:e1、e2、e3;半径分别为:R1、R2、R3;次镜对主镜的遮拦比α1、第三反射镜对次镜的遮拦比α2、次镜放大率β1、第三镜的放大率β2,定义分别为[5]

　　依据消球差、彗差、像散的条件可求出同轴三反射式光学系统的面形系数e21、e22、e23。同轴三反射光学系统的独立变量有7个:e21、e22、e23、α1、α2、β1及β2,消像差较同轴双反射系统容易。