离轴三反射系统的热光学分析和温控指标的制定

　　1　引　言

　　近年来，空间对地遥感对遥感图片地面分辨率的要求越来越高，由此对成像光学系统的要求也越来越高。反射系统由于不产生色差，孔径较大，宜于轻量化，结构简单，像质优良而在该领域得到广泛采用。其中共轴三反系统在大视场的情况下，中心遮拦过大，影响了进入系统的能量，同时也降低了光学系统的分辨率;而离轴系统具有无中心遮拦、成像质量好、视场大、结构紧凑等优点，是目前比较先进的空间相机光学系的统结构形式。

　　空间环境中，轨道外热流和周边物体温度的变化会造成相机温度分布不均匀，热应变会使光学元件之间产生相对位置变化和镜面变形，因而不利的空间热环境是遥感器光学系统成像质量下降的主要干扰源。尤其是高分辨率空间相机多要求成像质量达到或接近衍射极限，任何微小扰动都会严重干扰成像质量，因此温度变化对遥感器光学系统的影响十分令人关注。

　　温度对遥感器的影响与其搭载方式有关，空间遥感器在航天器中有两种搭载方式：即遥感器裸露于太空中或在航天器内部。当其裸露于航天器外舱时，由于太阳辐射、地球辐射、阳光反照、冷黑空间及各个舱位与太阳帆板的遮挡，使遥感器朝向太阳的表面温度可高达200℃，温度分布十分不均匀。为了减小温度对空间遥感器的影响，遥感器多采用第二种搭载方式使其在航天器舱内受热控系统调节，从而温度变化较小，即便如此，各种温差仍会对光学系统产生影响。

　　离轴三反射光学系统主镜的口径大、各镜面形精度要求高、反射镜与镜筒材料匹配难度较大，在空间热环境的作用下易产生各种温差，引起几何尺度变化与面形畸变，使光学系统的成像质量不高，对该系统存在问题的研究表明，在光学设计阶段，对温度不均匀性对光学系统成像质量的影响予以分析和评价，通过热光学试验验证分析结果的准确性，提出合理的温控指标要求，对保证成像质量是非常必要的[1-5]。本文针对离轴三反射光学系统提出了一套由有限元分析到光学分析的热光学分析方法。分析了不同温度对光学成像质量的影响，并根据光学参数的要求提出了光学系统温控指标。

　　2　光学系统结构与像质评价

　　本文所研究的空间相机光学系统为COOK型离轴三反射光学系统。其光阑置于次镜上，通过视场的倾斜避免中心遮拦，光阑不离轴，这种结构型式有利于畸变校正，并能够设计为远心光路。主镜与三镜为矩形镜，次镜为圆形光阑，在三镜与像面间加入一片平面反射镜起到缩短光路和调焦的作用，系统结构如图1所示.