离轴三反射镜光学系统研究

　　0 引 言

　　随着精密制导和空间遥感技术的发展, 单一波段的红外光谱成像系统已不能满足探测准确度的需要。根据目标和背景的辐射及反射特性, 对可见光或红外光谱中的两个或多个波段辐射进行探测和比较就非常重要[1]。同时, 无论是军用还是民用, 在空间遥感领域对空间光学系统分辨率的要求也越来越高。这就要求在多光谱的条件下, 光学系统需长焦距和大口径甚　　至大视场才能满足需要[2]。离轴三反射镜光学系统具备与共轴全反射光学系统相同的优点, 如无色差、无二级光谱、使用波段范围宽、易做到大孔径、抗热性能好、结构简单、宜轻量化等, 可成功解决系统中心的遮拦问题, 且其系统优化变量多, 在提高系统视场大小的同时能改善系统的成像质量, 因此成为研究的热点[3- 4]。

　　从设计思想上看, 目前的离轴三反射镜光学系统设计都基于高斯光学理论, 求取共轴三反射镜光学系统结构作初始结构, 通过光阑离轴或视场离轴, 或者二者相结合的方法实现系统中心无遮拦。系统优化过程中, 利用高次非球面来满足系统多种性能的要求[5]。

　　文中重点研究了离轴三反射镜光学系统初始结构的确定方法, 给出了系统中各几何参量的物理意义, 详细分析了 3 种不同结构的几何参量的取值范围。

　　1 初始结构参量确定的传统方法

　　根据系统中间是否成实像以及成中间实像的位置可以简单地把三反射镜光学系统划分为 3 种类型。

　　1.1 中间不成实像的系统

　　初始结构如图 1 所示, 假设物体无穷远, 入瞳在主镜 M1上, M2、M3分别为次镜和第三镜, 同时引入几个参量: 次镜对主镜的遮拦比 α1=l2/f′1≈h2/h1; 第三镜对次镜的遮拦比α2=l3/l ′2≈h3/h2; 次镜的放大率 β 1=l′2/l2;第三镜的放大率 β 2=l′3/l3。

　　反射系统中 n1=n′2=n3=1, n′1=n2=n′3=- 1。设 d1、d2分别为主镜与次镜、次镜与第三镜间的距离, d3为后截距, 则 d1<0, d2>0, d3<0, 令 f′为系统焦距, 则:

　　根据系统要求的球差 SI、彗差 SII和像散 SIII即可求出 3 个反射镜的二次球面系数- e21、- e22和- e23[7]。在给出各结构参量取值范围之前, 首先根据 3 个反射镜曲率半径的正负不同对结构进行二次分类, 各结构类型如表 1 所示。

　　当系统之间不成实像时, f′取负值, 其他各结构参量取值范围如表 2 所示。

　　1.2 主镜和次镜中间成一次实像的系统

　　当主镜和次镜中间成一次实像时, 系统各参量取值范围如表 3 所示, 这里 f′为正值。

　　1.3 次镜和第三镜中间成一次实像系统