共孔径红外双色离轴全反射系统

　　0 引言

　　随着红外热成像技术的发展，单一波段的红外光谱成像系统已无法满足系统在复杂背景下对探测精确度的要求。根据目标和背景的辐射和反射特性，对可见光或红外光谱中的两个或多个波段的辐射进行探测比较、复合成像，已成为红外光学领域的研究热点[1]。同时，在空间光学领域，各种应用对于光学系统的空间分辨率要求越来越高，在光学系统的观测距离和探测器的像元尺寸一定的条件下，增大焦距可以提高系统的像元分辨率， 但对于折射或折反射系统，焦距增大势必会引起光学系统的尺寸、体积、质量随之增大。全反射式光学系统以其结构简单、受材料限制小、易实现轻量化设计、无色差、无二级光谱、适用波段宽、抗热性能好等特点[2]，在空间遥感等领域得到广泛应用。但是，共轴全反射系统由于存在中心遮拦，系统的成像质量受到严重影响，且视场角越大，遮拦对像质的影响越严重。离轴全反射系统可成功解决系统中心遮拦的问题，且通过引入更多的优化变量，在提高系统视场的同时改善系统的成像质量。

　　文中将红外双色复合成像和离轴反射式系统的诸多优点结合起来， 设计了一种共孔径红外双色离轴全反射系统， 该系统以离轴三反系统作为初始结构，在中波红外波段(3~5 μm )采用离轴四反结构;在长波红外波段( 8~12 μm)采用离轴三反结构。系统具有长焦距、大孔径、平像场、无遮拦等特点， 结构简单，像质优良。

　　1 离轴三反系统设计方法

　　离轴三反系统根据有无中间像面可分为两类[3]：没有中间像面的一类称为库克三反系统， 该系统的优点是视场相对较大，像质较好;有中间像面的一类是格里高利两反系统的延伸， 这种系统可通过在中间像面处加入光阑的方法， 有效消除杂散光对像质的影响，这对于长焦距系统是非常必要的。由于文中所设计系统的结构形式较为特殊， 因此采用中间像面位于二三镜之间的离轴三反系统。

　　从总体设计思路上看， 目前的离轴三反系统设计都是在求取同轴三反系统初始结构的基础上，通过光阑离轴、视场离轴或两者相结合的方法实现中心无遮拦，这样既压缩了系统的体积和质量，又使成像质量得到明显改善。因此，离轴三反系统设计，首先应从确定相应的同轴三反系统的初始结构参数开始。中间像面位于二三镜之间的同轴三反系统的基本结构如图1 所示[4]。图中，物体位于光学系统左侧无限远处， 光线依次经过主镜、次镜和三镜反射成像，系统入瞳位于主镜上。

　　同轴三反系统的结构参数包括：3 个反射镜的曲率半径R1、R2、R3;3 个反射镜的通光口径D1、D2、D3;3 个反射镜的二次曲面系数e12 、e22 、e32 ; 主镜到次镜的距离d1;次镜到三镜的距离d2;三镜到像面的距离d3(即图1 中的参数-l3′)。定义α1为次镜对主镜的遮拦比;α2为三镜对次镜的遮拦比;β1、β2分别为次镜和三镜的放大率。由图1 所示的几何关系，α1、α2、β1、β2可表示为：