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改进的离轴三反光学系统的设计

摘要:基于离轴三反光学系统(TMA)的一般设计方法,总结了设计要点。以两个基于三反光学系统的设计为实例,阐述了通过合理地安排光学结构、将次镜设计为球面反射镜、主镜和三镜在球面基础上改变高次非球面系数等,可使离轴三反光学系统的设计结果接近衍射极限,传递函数在50lp、mm时都接近0.6,Strechl率由通常的0.91提高到0.93。与传 统离轴三反系统相比,相机加工公差和面形加工公差从原来的λ/50放宽到λ/40,主、次、三镜的装调公差放宽了4倍。文中的设计降低了相机的加工及装调难度,有助于系统光学特性实现衍射极限,为三反光学系统的广泛应用提供了借鉴 和实用参考。 


关键词:空间光学遥感器;光学设计;离轴三反光学系统;光学加工;光学装调


1 引言

无论在军事还是民用领域,高分辨率空间遥 感都有广阔的应用前景,目前其主要形式仍是通 过光学相机对地观测。由于大孔径折射和折反式光学系统都需采用特殊光学材料或复杂的结构来 消二级光谱,使其应用受到一定的限制。而反射光学系统由于具有不产生色差,适用于宽光谱 成像;光路可折叠,便于缩短筒长使结构紧凑;各反射面可采用非球面,利于提高像质和减少零件 数,实现系统轻量化;对温度变化不敏感,同时具 有空气中和真空中焦面位置一致等特性,而特别 适用于空间环境。因此,反射光学系统已经广泛 应用于空间遥感器中。尤其是离轴三反光学 系统(Three-mirror Anastigmat,TMA)通过各反 射面的非球面设计及其间隔等参数的调整,可以 达到消像差和平像场的要求,而且系统的体积小、 质量轻、热稳定性好且近年来加工和装调工艺日 臻成熟,所以在空间遥感领域得到了广泛的应用。不过由于受到设计、加工和检测等方面的制约,离轴TMA系统的快速发展还是受到限制。如在抛光阶段必须通过补偿器和干涉仪控制其加工过程 和最终检验,补偿器的加工和装调难度较大,尤其是凸非球面次镜的加工和检验更加困扰着科技工作者。若次镜材料为透射材料,可以采用背部 检测,但对材料的应力均匀性、稳定性都要求极高。为了提高反射镜材料的性能,近年来都采用SiC材料,但SiC材料只能采用Hindle或衍射光学方法检测,而Hindle球不仅加工困难,而且成 本很高,用Hindle球检测次镜的光路调整也较繁 琐和困难。如果采用衍射光学方法检测,中心光 轴的调整又是一大难题。


不难看出,三反系统的设计和加工有待改进 和提高,本文提出了改进的三反系统的光学设计方法,在保证成像质量达到衍射极限的同时,使得系统中3个反射镜的加工和检测难度都大大降低,系统的装调也更加方便,从而为三反光学系统的广泛应用提供了借鉴和实用参考。


2 光学系统参数的确定

在空间光学遥感领域中,为了更多和清晰地获取地物信息,需要进一步提高光学系统的地面覆盖范围和地元分辨率。光学系统的地元分辨率与其角分辨率和卫星高度成比例。卫星的高度一 定,增大光学系统的角分辨率就可以有效地提高 地元分辨率;保持相对孔径一定,增长焦距使入瞳直径增大,从而提高地元分辨率。另一方面,光学 系统的地面覆盖范围与卫星高度和视场角成比例,卫星高度一旦确定,增大光学系统的视场角可以使地面覆盖范围扩大。 


遥感相机的地元分辨率由光电传感器的像元尺寸,轨道高度及光学系统的焦距决定,如下式所示:

GSD=Ha/f'   (1)


式中:GSD为地元分辨率;H为轨道高度;f'为光学系统焦距;a为传感器的像元尺寸。由瑞利判据可得,光学系统的艾利斑由光学系统的F#决定,即


......


图1. 光学系统简图


图2.离轴系统1的性能曲线图


图3.离轴系统2的性能曲线图

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6 结论

本文基于离轴三反光学系统的一般设计方 法,讨论了设计要点,并给出了两个设计实例。系 统采用离轴的方法,避开了中心遮拦,可以取得较 好的像质。两个设计实例都含有球面,工艺性好、 容易加工、特别是凸次镜设计为球面,减少了加工 和检验的难度,有利于实现光学系统装调。其中 第二个设计实例,进一步优化结构和参数后,主镜和三镜的二次圆锥曲面系数均为零,只保留四次 和六次高次项,主镜和三镜可在球面基础上进行加工,加工和装调的难度进一步降低。设计结果 表明,传递函数在50lp/mm时都接近0.6,Strechl比率由通常完善设计的0.91提高到0.93。与常用离轴三反系统相比,相机加工公差和面形加工公差从原来的1/50放宽到1/40,主、次、三镜的装调公差放宽4倍,从而有助于系统实现衍射极限,为三反射光学系统的广泛应用提供了借鉴和实用参考。



源自于:光行天下