一种新型离轴三反式光学系统的设计

　　0　引言

　　长焦距、小体积、轻量化的空间光学系统是遥感技术领域研究的热点之一.目前,光学设计最常用的结构形式为折射式.长焦距、大相对孔径的要求使得折射式光学系统色差校正难的缺点显得尤为突出.若使用过多的透镜,会使得系统长度过长,系统结构不够紧凑,整个系统的质量过大,达不到系统小型化、轻量化的要求.常用的马克苏托夫望远镜、施密特折反射式光学系统作为空间光学系统,前者对使用的光学玻璃有较高的要求,限制了口径的增大,后者改正镜的非球面面型特殊,加工困难,且其镜筒长度约为焦距的两倍,也无法满足小体积、轻量化的要求.反射式光学系统结构折叠,其体积和重量远小于折射式.但单纯的两反射系统最多只能校正两种像差(球差和彗差),三反射系统在长焦距、大相对口径的情况下,中心遮拦大得无法接受.

　　本文根据长焦距、大相对孔径空间光学系统的要求,在高斯光学理论的基础上,通过对系统的几何参量推导和分析,得出了三镜反射系统的求解方程,并提出了一种离轴非球面三镜反射系统的设计.即在共轴三反射系统求得初始结构基础上将光栏置于主镜上,适当的离轴、倾斜避免了中心遮拦,不仅大大减小了系统的体积和重量,还有效提高了系统的成像质量.

　　1　设计思想

　　在成像轴对称系统中引入参量如图1.其中,M1,M2,M3分别为主镜、次镜和三镜,A′为像面.f′1为主镜焦距, 分别为次镜的物距、像距及三镜的物距、像距,令三个镜面的曲率半径分别为c1,c2, c3,三个反射镜面的二次非球面系数分别为,,则

　　对于反射系统,有n1=n′2=n3=1,n′1=n2=n′3=-1,令h1=-1,θ=-1·由参考文献[5]知,当三个反射镜都为二次曲面时,系统有8个变量(两个间隔,三个半径,三个非球面系数),满足了总焦距和校正主要像差后,有充分的剩余变量可以用来满足中心遮拦、工作距等外形尺寸的约束要求或降低系统的高级像差.

　　2　设计实例

　　现要求设计一种空间光学系统.其设计要求为焦距f=1000mm,相对孔径D /f=1/4,视场角2w=3°系统的观测波段为可见光波段,探测器为10μm的CCD.

　　考虑到该系统为空间光学系统,应尽量使系统结构小型化.另外,此设计要求相对孔径较大,视场也较大,对像质要求也较高,适合采用三镜反射式系统.中间成像的二次成像结构具有相对中心遮拦小的优点,但经过实际设计结果表明,该种结构只适合于小视场使用,加大视场后像质降低很快.若将该系统在同轴的基础上离轴,即可解决这一问题,最后确定选用系统中间不成像的一次成像结构.为使系统结构小型化,故在本设计中将光栏位置定在主镜上,即x1=y1=0.