新型离轴反射式变焦光学系统设计

    0 引 言

    反射变焦光学系统的研究在对地观测方面具有重要的应用价值。 对地观测技术研究应用的一个重要方面是军事领域，以军事侦察和大比例尺制图为目的。 军事侦察一般要求探测目标距离大，对目标既能大区域、小倍率地概观，又能小区域、大倍率地仔细观察，因此要求采用长焦距、大口径的连续变焦光学系统，然而长焦距、大口径光学系统的工程设计和实施具有很大难度，连续变焦更加大了设计难度。 这就使长焦距、 大口径连续变焦光学系统成为变焦系统设计的难题， 也逐渐成为近几年来国内外众多科研单位竞相研究的课题。

    在空间对地遥感领域，无论军事还是民用领域，对光学系统的要求都越来越高^[1]。 系统的体积和质量是航天光学系统中的重要指标， 直接影响航天器的发射难度和成本。 在光学系统设计之初就应考虑如何减小仪器的外型尺寸^[2]。 反射系统不存在色差 ，很容易达到拓宽成像谱段的目的， 并且反射镜相对易于加工，可在背面做轻量化设计和处理 ，能够满足系统大型化和轻型化的要求，越来越受到人们的关注。宽谱段、大变倍比、高分辨率的变焦光学系统的设计在空间光学领域中具有重要的意义。 反射变焦系统具有在变焦过程中大小视场切换、连续变焦的特点，在对地观测、 军事侦察中可兼顾大视场搜索和小视场瞄准的需求， 还可以弥补两档或多档镜头由于视场切换而短时间丢失快速运动目标的缺陷，因此，反射变焦系统符合新一代高性能、 轻小型对地观测载荷研制的应用方向。 文中基于对地观测高性能载荷研制的要求，设计出具有大变倍比、大视场、成像质量优良的新型离轴反射变焦光学系统。

    1 设计方法

    首先通过推导反射变焦系统中各个镜子在不同焦距值下的赛德尔像差系数， 给出赛德尔像差系数和三反变焦系统结构参数之间的关系。赛德尔像差理论只能得到一个近似结果，但在设计的初级阶段，可以用它以简单的解析表达式来描述系统的初级像差，如球差、彗差、像散等，以对光学系统的成像质量进一步认识，这在系统设计的初级阶段很重要^[3]。由于遮拦的影响， 共轴反射变焦系统的视场难以进一步增大，为了增大系统的视场，需采用离轴的结构形式以消除遮拦。基于矢量像差理论，给出对离轴变焦系统进行像差校正的方法。

    1.1 三反变焦系统赛德尔像差系数

    根据不同的补偿方式，变焦系统一般分为光学补偿式和机械补偿式。 随着机械加工水平的逐渐提高，机械补偿式的优势愈加明显，目前，大多数变焦系统都属于这种补偿形式。 在机械补偿反射变焦系统中，除了变倍组做线性运动外，至少还需要一个镜子做非线性运动。 对于三反变焦系统，选择次镜为变倍组(做线性运动)，三镜为补偿组(做非线性运动)。 要求在变焦过程中，它们的合成共轭距始终是一个常数^[4]：