大视场、长焦距空间光学系统的设计

　　近年来,在空间对地遥感领域中,无论是军用还是民用对遥感图片地面分辨率的要求都越来越高。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,对于焦距增长最为有利的一种类型是反射式长焦距光学系统。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。因此,如何增大焦距,同时又在保证成像质量的条件下尽量减小体积是目前空间光学研究的热点。在大孔径光学系统中,折射系统需采用特殊光学材料或复杂的结构来消二级光谱[1],而反射系统不产生色差,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。因此目前已有学者在这方面做了不少工作[2~4]。

　　本文探讨了一种类型的非共轴三镜消象散反射系统(TMA),系统焦距为10m,视场可达到6°,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。

　　1　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。

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受限,即像斑直径最小为衍射极限。又由于系统焦距f与探测器单元尺寸δ有如下的关系:

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,当光学系统口径取一可以实施的值时,在相同的轨道高度条件下,增大焦距可以提高地面分辨率,增大系统的视场角可以扩大对地面的覆盖宽度。

　　由以上的分析及要求,大口径对于提高空间光学系统的性能有利。折射系统和折反系统由于受到了材料等因素的影响,其使用范围受到了相应的限制;而全反射系统具有可将孔径做得较大,且不产生色差等优势。其中由三块反射镜组成的TMA系统结构最简单,且像质较理想。TMA系统当三个反射镜都是二次曲面时,系统有8个变量(三个半径,两个间隔,三个二次非球面系数),满足了总焦距和校正初级像差后,剩余的变量可以用来满足中心遮拦、工作距等外形尺寸约束要求,可有多组解。

　　2　设计举例和性能分析

　　现设计一个焦距f′=10 000mm、相对孔径D/f′=1/10、视场角(矩形视场角)6°×0.2°、谱段范围0.486~0.7μm的TMA系统,确定系统各光学表面和各面间隔的初始结构参数如表2·1所示。

　　从表中可以看出:主镜、次镜和第三镜均为椭球面。其中孔径光栏和次镜重合,且无中间成像。为避免中心遮拦,将各个透镜进行了偏心和倾斜,形成如图2·1所示TMA系统。透镜的偏心和倾斜会产生新的附加像差,主要产生彗差和一定量的像散,在此通过用第三镜的偏心来校正彗差。