基于光学自由曲面的离轴三反光学系统

　　1　引　言

　　21世纪全球范围内的高技术竞争主要体现为信息技术的竞争，其中空间遥感技术水平已被视为衡量一个国家高科技发展水平及潜力的重要标志。利用空间遥感技术能够遏制环境污染和生态破坏，为保护我们赖以生存的环境提供科学决策依据，保障国民经济和社会持续稳定发展。目前，空间遥感光学系统正朝着大口径、长焦距、小体积和轻量化方向发展，其中反射式成像光学系统则由于反射式光学系统具有无色差、光学系统可折叠、便于轻量化等优势而在空间遥感系统中得到了广泛应用。反射系统主要包括两反射系统、三反射系统和四反射系统等，两反射光学系统结构简单，但是系统自由度少，能同时校正的像差数有限;三反射光学系统增加了系统优化自由度，能够较好地实现系统像差的校正和平衡[1-4]。

　　随着科技不断发展，现代空间光学遥感器对成像性能和质量提出了更高的要求，这对仅使用球面、非球面的传统光学系统提出了巨大挑战。自由曲面光学元件具有非对称结构形式，能够提供灵活的空间布局，拓展了优化自由度，提升了光学系统的像差平衡能力，尤其提升了轴外像差平衡能力，从而显著改善了光学系统的视场适应能力。基于自由曲面的光学系统研究已经成为新一代高性能空间光学系统发展的重要方向。采用基于自由曲面的离轴反射式光学系统设计技术可以使光学载荷获得更大的成像视场，提升遥感器的成像质量，避免采用多台相机视场拼接带来的制造成本和发射成本的剧增。

　　从20世纪90年代起，自由曲面首先在照明光学、头盔显示等系统中得到了成功应用[5-6]。近年来，国外欧美发达国家投入大量资金和研究力量，在自由曲面光学系统相关研究技术领域取得了突破，为基于自由曲面的离轴光学系统研制奠定了坚实的技术基础。国际知名研究机构如美国国家航空航天局(NASA)及其Goddard飞行中心、喷气实验室(JPL)，美国空间防御指挥部，美国ORA公司等均在相关的研究领域开展了大量研究，并已取得一系列研究成果。

　　NASA已经完成了应用自由曲面的空间相机设计、论证工作，进入工程化研制的红外光谱成像仪也采用了自由曲面;国际著名光学系统制造商Leica公司为欧空局(ESA)研制的新型TMA(Three-mirror　Anas-tigmat)相机也采用了自由曲面，全视场波像差由λ/7RMS提高到λ/20RMS。

　　考虑离轴三反系统的现状与需求，本文研究了基于自由曲面的离轴三反光学系统的设计方法，完成了次镜为自由曲面的离轴三反光学系统设计，设计的系统具有体积小、技术可实现性强，波像差和传递函数等关键性能好等优点。