基于光學自由曲面的離軸三反光學系統(tǒng)

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1、基于光學自由曲面的離軸三反光學系統(tǒng)　　摘要：目的是完成長焦距大視場離軸三反空間光學系統(tǒng)的有效設計以及研制，進而對自由曲面光學數(shù)理模型進行描述。完成立足于自由曲面的離軸三反光學系統(tǒng)的設計分析。其焦距大小為4500mm，同時其成像視場角大小為11°。同時還直接對比分析了傳統(tǒng)離軸三反光學系統(tǒng)跟次鏡為自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)關鍵性能。光學系統(tǒng)中設計中需要從根本上使用自由曲面設計的光鏡，促使光學系統(tǒng)像差平衡能力得到基礎的保證。最后選擇最佳的方案，相對孔徑大小為D/f=1/9.0，促使光學自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)得到有效設計?！　￡P鍵詞：光

2、學自由曲面；離軸三反光學系?y；研究　　1概述　　隨著各國之間的競爭愈加的激烈，目前各國之間經(jīng)濟競爭中，最具代表性的競爭項目就是高科技，也就是說是一種信息技術(shù)之間的競爭。一個國家高科技發(fā)展水平以及發(fā)展?jié)摿χg受到空間遙感技術(shù)水平的直接影響。因為在環(huán)境污染以及生態(tài)破壞控制過程中使用空間遙感技術(shù)可以取得非常顯著的效果。所以在權(quán)衡利弊之后，想要對生存環(huán)境進行保護以及維持，就需要提升以及創(chuàng)新空間遙感技術(shù)，促使我國社會以及經(jīng)濟發(fā)展實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。分析目前的實際情況得到，空間遙感光學系統(tǒng)取得了較為顯著的成績，其主要趨向于長焦距、大口徑、小體

3、積、輕量化發(fā)展走向。在空間遙感系統(tǒng)中，廣泛使用的是反射式成像光學系統(tǒng)。反射式成像光學系統(tǒng)得到廣泛使用主要是因為具有以下特點：不存在色差、光學系統(tǒng)可實現(xiàn)折疊、輕量化發(fā)展等[1]。反射系統(tǒng)可以被分為以下幾個部分：第一個部分是四反射系統(tǒng)；第二個部分是三反射系統(tǒng)；第三個部分是兩反射系統(tǒng)?！　?基于自由曲面的光學離軸三反光學系統(tǒng)設計以及性能分析　　選取光學系統(tǒng)的主要參數(shù)，分為以下幾個：第一個是焦距f（m）；第二個是視場角FOV（°）；第三個是相對孔徑D/f等。在確定主要參數(shù)的基礎上確定探測器像元尺寸大小。所以，焦距f（m）、視場角FOV（

4、°）、相對孔徑D/f對于系統(tǒng)等重要性能指標直接造成非常大的影響，例如：成像帶寬（SW）、地面像元分辨力（GSD）、信噪比（SNR）、傳遞函數(shù)設計（MTF）等。大視場設計需要作者選擇使用COOK-TMA離軸三反構(gòu)型參與設計，詳細如圖1：　　其中，次鏡則主要為系統(tǒng)孔徑光闌，光學系統(tǒng)需要實現(xiàn)基本的對稱形式，最后完成一次成像離軸三反射鏡系統(tǒng)的設計。在上述的基礎上完成基于傳統(tǒng)非球面的離軸三反系統(tǒng)光學系統(tǒng)設計工作?！　≡谕瓿稍O計工作之后得到，在存在結(jié)構(gòu)尺寸約束的基礎上，從根本上滿足相關的任務指標，一般在長焦距大視場系統(tǒng)設計過程中，選擇使用的

5、是常規(guī)離軸三反光學系統(tǒng)的長焦距。這樣一來就會存在相對較大的軸外像差。相比中心視場實際情況得到，會存在明顯降低軸外視場傳遞函數(shù)的情況，其下降幅度超過10.00%。有待提升其相關的系統(tǒng)優(yōu)化平衡能力。上述限制條件會直接影響到常規(guī)非球面的傳統(tǒng)光學系統(tǒng)的事業(yè)，對其提出了全新的標準以及要求。在傳統(tǒng)離軸三反系統(tǒng)設計的過程中，相對孔徑D/f大小不一致，完成基于自由曲面次鏡的離軸三反系統(tǒng)的設計工作，會得到不同的關鍵性能指標。相比常規(guī)非球面離軸三反系統(tǒng)設計情況得到表1?！　Ρ确治鼋Y(jié)果之后得到，自由曲面設計次鏡之后，對于傳統(tǒng)離軸TMA光學系統(tǒng)（相對

6、孔徑D/f=1/9.0）來說，新型光學系統(tǒng)的關鍵性能指標效果更為顯著（相對孔徑/f=1/9.5），所以選取后者可以促使光學系統(tǒng)重量有效的減少，促使感器的體積得到明顯的縮小。所以，在實際工作，對系統(tǒng)性能指標需求進行綜合考慮，同時還需要綜合考慮遙感器載荷體積大小，嚴格按照重量限制的相關規(guī)范以及要求，最后選擇最佳的方案[2]。本次研究最佳的方案就是相對孔徑為D/f=1/9.5的光學系統(tǒng)優(yōu)選方案，在實際工作中需要嚴格的要求光學系統(tǒng)。在系統(tǒng)設計過程的過程中，需要對次鏡研制難度進行針對綜合分析，對次鏡跟標準球面之間存在的偏差進行及時有效的修

7、正，在完成系統(tǒng)優(yōu)化設計工作之后，需要嚴格保證次鏡自由曲面跟標準球面偏離大小大概在0.0007mm左右即可。在完成面形實時高精度檢測的過程中，需要有效的使用定制標準球面鏡結(jié)合的基礎，同時還要使用以數(shù)字樣板為基礎的非零位檢測方法，這樣一來就可以促使大口徑凸自由曲面反射鏡檢測難題得到最大程度的解決，對于后期自由曲面次鏡的加工過程有效的正確指導?！　?自由曲面高精度檢測技術(shù)以及加工技術(shù)　　3.1自由曲面次鏡凸反射鏡檢測技術(shù)　　光學檢測技術(shù)人員在實際工作中最為顯著的問題就是大口徑凸非球面的檢驗工作。在光學元件制造的過程中，最為關鍵的環(huán)節(jié)就

8、是穩(wěn)定高效的高精度檢測方法。子孔徑拼接檢測方法、無像差點檢測方法、零位補償檢測方法是非常常見的凸反射鏡檢測方法。對于實際工程應用情況來說，是不存在的絕對“零位條件”，在光學檢測的過程中，普遍存在一定的非共路誤差情況[3]。唯一區(qū)別非零位檢測跟零位檢測兩者是其存在