一种易于制造、较大视场离轴三反光学系统设计

　　1　引言

　　反射式光学系统具有很多优点,突破了折射式系统口径过小的限制,且没有色差,广泛应用于紫外、红外波段,在空间光学领域发挥着重要的作用。随着空间光学技术的发展,离轴三反光学系统以其无遮拦、调制传递函数(MTF)高等优点,得到越来越多的应用[1-2]。离轴三反光学系统有3个曲率半径、2个间隔、3个二次非球面系数8个参数变量,在满足系统焦距的同时可以校正球差、彗差、像散和场曲4种单色像差,达到像质优良[3]。

　　本文根据离轴三反光学系统的设计原理,详细设计了焦距为1 000mm,F数为10的离轴三反光学系统。主镜和次镜为两个非球面镜,三镜为球面镜,像质达到衍射极限,它具有易于制造、装调且有较大视场的优点。

　　2　系统设计原理

　　离轴三反光学系统是在对同轴三反射式光学系统初始结构的参数求解的基础上,将光学系统的光阑、视场离轴或镜面倾斜,以避开镜面遮拦而得到的[4]。所以,设计时首先要得出同轴三反射式光学系统的8个初始结构参数(如图1所示):主镜M1、次镜M2及三镜M3的顶点曲率半径分别为r1、r2和r3;M1,M2,M3的非球面系数分别为;M1与M2之间的间隔为d1,M2与M3之间的间隔为d2。

　　为使光学系统平像场(消除场曲SⅣ),满足给定的焦距f′以及工作距离(即M3到最终像面的距离)l3′,由像差及高斯光学理论,可以得到同轴三反射式光学系统的求解方程[5]:

　　式中　f′为光学系统的焦距;r1,r2,r3分别为3个镜面的顶点曲率半径。选择合适的光学系统的工作距离l3′、两个间隔d1和d2及焦距f′,并把它们作为已知量代入方程(1)、(2)、(3)中,可以求出3个镜面的顶点曲率半径r1,r2和r3。

　　然后,将这些参数(r1,r2,r3,d1,d2,l3′)输入光学设计软件ZEMAX中,设置主镜、次镜及三镜的3个非球面系数为变量,在保证系统焦距的同时,校正球差SⅠ、彗差SⅡ和像散SⅢ三种像差,即可得到这3个非球面系数值[6]。至此,建立同轴三反射式光学系统的8个变量参数就全部确定了。离轴三反光学系统的设计通常是将校正好的同轴对称光学系统偏轴使用,一种方法是将光阑放在次镜上,通过视场倾斜来避免中心遮拦问题,光阑不离轴;第二种方法是将光阑置于主镜上,光阑离轴,经过优化,以满足像质要求[7-8]。本文采用第一种方法:将该同轴光学系统的次镜设为孔径光阑,设置视场倾斜,偏轴使用,再进行多次优化,以达到像质要求为目标,完成所需的离轴三反光学系统的设计。

　　3　系统设计实例

　　根据上述离轴三反光学系统的设计方法,设计了一种光学系统,满足相机在300km的轨道高度对地推扫成像,地元分辨率为2m。单轨推扫成像对地覆盖范围为42km,光谱覆盖范围为486~900nm。