离轴三反射式光学系统的设计

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1、FEATURE特别报道

2、光学制造离轴三反射式光学系统的设计DesignofOff-AxisThree-MirrorOpticalSystem刘辉李兴隆裴云天潘鸣(中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)LiuHuiLiXinglongPeiYuntianPanMing(ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics，ChineseAcademyofSciences，Shanghai200083，China)摘要详细讨论了三反射式光学系统的设计方法，从初级像差理论出发推导出了三反射式系统初始结构的计算公式，并且得出了系统结构形式与其基本

3、结构参数和焦距之间的关系。通过设计实例讨论了不同的三反射式光学系统的特点及其应用。设计了大视场、小F数且实现衍射极限成像的Cook-TMA光学系统和有利于杂散光抑制、小F数且实现衍射极限成像的Rug-TMA光学系统。关键词光学设计；同轴三反射；离轴三反射；Cook-TMA；Rug-TMAAbstractThedesignofthree-mirrorsystemisdiscussedindetailandtheformulationforcalculatingtheinitialstructureofthree-mirrorsystemisderivedbasedon

4、theprimaryaberrationtheory，andtherelationshipbetweenthesystemstructureanditsbasicstructureparameters，focallengthisdeduced.Thecharacteristicsandapplicationsofdifferentthree-mirrorsystemswerediscussedbasedondesignexamples.Twotypicalthree-mirroropticalsystemsaredesigned.OneisCook-TMAoptic

5、alsystemwithawidefieldofview，smallFnumber，andthediffractionlimitimaging，andtheotherisRug-TMAopticalsystemwhichispropitioustosuppressthestraylightwithsmallFnumberandachievesthediffractionlimitimaging.Keywordsopticaldesign；on-axisthree-mirrorsystem;off-axisthree-mirrorsystem；Cook-TMA；Rug

6、-TMA中图分类号O435.2doi10.3788/LOP20084512.00591引言与之相比，反射系统则具有如下特点：不存在色进入20世纪90年代后，在空间对地遥感领域差，二级光谱也就不存在，因此可以用于很宽的谱段中，光学系统的要求是：地面分辨力高，地面覆盖宽。成像；零件数相对较少，光学系统孔径可以做得较大，研制相机系统的首要任务是在满足上述条件下，使相且容易实现轻量化设计；减小相机体积，使整个光学机体积减小，重量减轻。鉴于系统角分辨率σ′=系统的重量减轻；反射式光学系统对材料要求相对较(1.22λ)/D，λ为波长，D为系统入瞳直径，增大口径对低，取材容易；设

7、计型式非常灵活，可以借助折转反射于提高空间光学系统的性能有利，但在研制长焦距或镜来折叠光路，使结构紧凑；可以用非球面来获得大超长焦距光学系统时，较少采用大孔径折射和折反系孔径、大视场、长焦距等多种性能要求的系统。一般两统。原因在于：大口径的折射系统和折反系统需采用反射式光学系统的优化变量比较少(一个间距、两个特殊光学材料或复杂的结构来消二级光谱；其次大尺半径和两个非球面系数共五个)，很难满足大视场、大寸、高光学均匀性的材料较难熔炼，对加工与装调要相对孔径的要求。三反射镜系统由三片反射镜组成，求极高；而且大口径材料对环境温度和压力的变化也有两个间距、三个半径和三个圆锥

8、系数共八个变量，特别敏感，其使用范围受到了限制。除了满足系统焦距、球差、彗差、像散、场曲等系统性中国光学期刊网:www.opticsjournal.net59激光与光电子学进展Laser&OptoelectronicsProgress能和像质要求外，还有足够的变量进行系统布局和结号定义为自左向右为正，反之为负。构的优化设计。三反射镜系统比两反射镜系统的视场对于同轴三反射式光学系统，其结构参数包括：大，且易于控制光学系统的杂散辐射，增加了轴外视各反射面的半径R，R，R；镜间间距D，D，D=l′1231233；各场的光通量，使得像面照度更加均匀[1]。反射面的二次非