离轴反射式光学系统设计

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用于高分辨率光谱仪的离轴三反射镜光学系统的设计

摘
要：面对空间遥感，尤其在目标特性的精细化识别中，要求成像光谱仪具有高灵敏度、光谱分辨率与高能量通过力高
等优点．同轴三反射光学系统的基础上，在采用视场离轴方式，设计了一个三镜无遮拦全反射光学系统．次镜和光阑重合，无中间像，实现了高分辨率、大视场、长焦距的要求．光学系统的基本参数为：焦距ｆ＝１６０ｍ视场角为２Ｗ＝１。．４。０ｍ，８ ×０１８，相对孔径为１１，／０３个反射面均为二次曲面．计结果表明，设成像质量接近衍射极限，用此方法设计的光学系统在航天遥感领
域具有很好的应用前景．关键词：空间光学；离轴三反系统；光学设计；长焦距中图分类号：Ｈ４０３．Ｔ７；４５２文献标识码：Ａ文章编号：６３—１５（０００ —０２ —０１７２５２１）１０９４
ＤｅｉｎｆＵｎｏｘａｓｇｏｃａｉｌＴｈｒｅｒｆｅｔｖｔｃｌＳｓｅｅｎｅ－ｅｌｃｉｅＯｐｉａｙｔｍＵｓｄｉＩａｉｐｃｒｍｅｅｔｉｈＳｃｒｍｓｌｔｏｍｇｎｇＳｅｔｏｔｒｗｉｈＨｇｐｅｔｕＲｅｏｕｉｎ
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（． ’ｎＩｓｔｔｏｐｉｎｒｃｉ１ａｎｔｕｅｆＯｔｓｄＰｅｓｎＭｅｈｎｃＣｉｅＡｃｅｃｎｅＸｉａ１１９ｈｉａ；ｉｃａｉｏｃａｉｈｎｓａｍｙｏｉｃ， ’ｎ７０１，ＣｎｓｅｄｆＳｅ

一种全自由曲面多反射式离轴光学系统的装调方法

一种全自由曲面多反射式离轴光学系统的装调方法引言全自由曲面多反射式离轴光学系统具有广泛的应用前景，然而其装调方法一直是一个挑战性问题。

本文介绍了一种全自由曲面多反射式离轴光学系统的装调方法，该方法通过合理的步骤和技巧，实现系统的高质量装调。

下面将具体介绍这种方法的步骤和技巧。

步骤一：粗装调整在全自由曲面多反射式离轴光学系统的装调过程中，首先需要进行粗装调整。

具体步骤如下：1.将系统的主轴确定为基准光轴，调整系统的光源位置，使其尽可能与主轴垂直。

2.根据系统的设计要求，调整二次镜的位置和角度，使其能够将入射光线聚焦到所需的位置。

3.根据系统的设计要求，调整曲面反射镜的位置和角度，使其能够将光线反射到正确的位置。

通过以上步骤的粗装调整，可以初步实现系统光线的引导和反射，为后续的精装调做好准备。

步骤二：精装调整在完成粗装调整后，需要进行精装调整来提高装调的精度和质量。

以下是精装调整的步骤：1.使用合适的光学测试仪器，如干涉仪或I nt er fe ro me te r，对系统进行检测。

根据检测结果，确定系统的偏差和调整需求。

2.根据检测结果，调整各个元件的位置和角度，使其满足系统的设计要求。

这里需要特别注意元件之间的相互干涉和衍射效应。

3.通过多次反复的检测和调整，逐步优化系统的光学性能，使其达到最佳状态。

在进行精装调整时，需要充分考虑系统的稳定性和可调度性，避免频繁调整引起的误差和衰减。

步骤三：终精装调经过上述的粗装调整和精装调整，系统的光学性能已经得到了较大的改善。

然而，为了进一步提高系统的质量和稳定性，还需要进行终精装调。

终精装调的步骤如下：1.使用高精度的光学测试仪器，对系统进行全面的检测。

根据检测结果，确定系统的偏差和调整需求。

2.根据检测结果，进一步微调各个元件的位置和角度，使其达到更高的精度和稳定性。

3.进行多次的全面检测和调整，直到系统的光学性能达到最佳状态。

终精装调的目标是尽可能地提高系统的光学性能，使其能够满足实际应用的需求。

大视场离轴四反射镜光学系统设计_刘军

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离轴三反望远镜设计

光学与电子信息学院课程设计报告（2019-2020学年第一学期）论文名称自由曲面离轴三反系统设计课程类别必修专业班级-学号-姓名-任课教师-完成时间-摘要时代的发展对信息的掌握能力提出了更高的要求，而观测是获取信息的一个重要前提，因而各种大视场、高质量的成像系统也成为了较为迫切的需求。

在多种光学系统中，反射式系统由于其易加工、无色差的特点具有良好的发展前景；在反射系统中，最常用的又是离轴三反式系统。

在反射系统中引入自由曲面，能够获得更好的像差消除能力，并提供较高的优化自由度，提升成像质量[1, 2]。

本文针对指定要求视场和畸变的光学系统作出了设计，完成了光学系统的选型、初始结构计算设计以及优化，得到了焦距1200mm，F-number为14的离轴三反系统，对该系统进行了像质评价，并且利用蒙特卡洛方法对其进行了公差分析。

本文对长焦距、大视场的光学成像系统作出了一个设计的尝试，完成了进行应用的基础。

关键词：自由曲面；离轴三反；大视场；蒙特卡洛目录摘要 (2)1背景介绍 (1)1.1研究背景 (1)1.2光学系统的选择 (2)1.2.1折射系统与反射系统的比较 (2)1.2.2离轴三反系统的两种类型 (3)1.3光学自由曲面 (4)2设计指标 (6)3设计步骤 (7)3.1初始结构的确定 (7)3.2初始结构参数表与图示 (8)4优化步骤 (11)4.1焦距与F数的优化 (11)4.2点列图的优化 (11)4.3MTF的优化 (12)5设计结果及性能评估 (17)5.1设计结果 (17)5.2性能评估 (19)5.2.1像差曲线 (19)5.2.2波前差 (19)5.2.3弥散斑 (22)5.2.4点扩散函数(PSF) (23)5.2.5能量集中度曲线及MTF曲线 (24)5.2.6畸变分析 (25)5.2.7焦距与F数 (25)6公差分析 (26)7存在问题 (29)8总结与展望 (30)8.1设计总结 (30)8.2未来展望 (30)参考文献 (31)1背景介绍1.1研究背景随着时代的发展，对信息的掌握能力成为了衡量一个国家科技实力的决定因素之一，而光学系统在观测目标、获取信息方面具有重要的价值和意义。

离轴反射式人眼视网膜成像自适应光学系统设计

文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＨ７３ＴＨ７６０；８
Ｄｅｉｎｏｅｌｃｉｅｏｆａｉｄｐｉｅｏｔｃｌｓｇｆｒｆｅｔｖｆ－ｘｓａａｔｖｐｉａｓｓｅｆｒｈｍａｅｉｍａｉｇｙｔｍｏｕｎｒｔｎａｉｇｎｌ
Ａｂｔａｔｎｏｄｒｔｂａｎｔｅｈｇｅｏｕｉｎｈｍａｅｉａｍａｅｎｖｖ，ａｄｐｉｅｏｔｃｌｓｒｃ：Ｉｒｅｏｏｔｉｈｉｈｒｓｌｔｏｕｎｒｔｌｉｇｓｉｉｏｎｎａａｔｖｐｉａ（ＡＯ）ｓｓｅｆｒｒｔｎｌｉｇｎｓｄｓｇｅｏｃｒｅｔｔｅｄｎｍｉｈｍａｙｖｆｏｔａｅｒ — ｙｔｍｏｅｉａｍａｉｇｗａｅｉｎｄｔｏｒｃｈｙａｃｕｎｅｅｗａｅｒｎｂｒａｔｎ，ｅｐｃａｌｉｈｏｄｒｏｅ．Ｏｎｔｅｂｓｓｏｎｏｅ－ｏｐａｄｔ — ｖｌｎｔｄ，ｔｅｓｓｅｉｓｓｅｉｌｈｇｒｅｎｓｏｙｈａｉｆａｐｎｌｏｎＷＯｗａｅｅｇｈｍｏｅｈｙｔｍａｏｔｄａＳａｋＨａｔａｎｗａｅｒｎｅｓｒ（ＨＷＳａｄａｌｕｄｃｙｔｌｓａｉｌｌｈｄｌｔｒｔｄｐｅｈｒ — ｒｍｎｖｆｏｔｓｎｏＳ）ｎｉｉｒｓａｐｔｉｔｍｏｕａｏｏｑａｇｄｔｃｎｏｒｃｈｖｆｏｔａｅｒｔｏｓｒｓｅｔｖｌｎｓｄａ７０ｎｎａｎｒｒｄｌｍｉｅｃｎｅｅｔａｄｃｒｅｔｔｅｗａｅｒｎｂｒａｉｎｅｐｃｉｅｙａｄｕｅ９ｍｅｒｉｆａｅｕｎｓｅｔ

成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计

成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计摘要：成像光谱仪是一种光学设备，通过对光波的分光和成像，能够对物体进行高精度的光谱测量，是现代高科技领域中不可或缺的重要设备之一。

本文就宽视场离轴三反望远系统的光学设计展开讨论，探讨如何通过构建光路，克服离轴场和色差的问题，实现高精度成像。

关键词：成像光谱仪；光学设计；离轴三反望远系统；宽视场；色差一、引言成像光谱仪是一种利用空间光学技术，将光波分光后进行成像的一种高科技仪器。

它具有精度高、分辨率好、稳定性强等特点，在化学、生化、医学等领域中得到广泛的应用。

本文将主要讨论宽视场离轴三反望远系统的光学设计，为读者提供一份系统的分析和设计方案。

二、光路设计在成像光谱仪中，光路设计是非常重要的一步。

通过光路的设计和构建，能够克服离轴色差等问题，实现高精度成像。

本文采用的是离轴三反望远系统，这种系统的主要优点是可以消除离轴像差，提高成像质量。

而且，在宽视场的情况下，也能够有比较好的成像效果。

离轴三反望远系统主要包括四个光学元件，分别是物镜、准直镜、弯晶镜、平行光板。

物镜起到了成像的重要作用，是整个光路中影响成像质量的关键元件。

准直镜和弯晶镜则能够控制离轴像差的大小，提高成像质量。

平行光板则是起到相干光传播的作用，使得光在系统中保持相干性，从而保证了成像的清晰度和稳定性。

为了提高宽视场的成像质量，本文采用了黎曼透镜的设计方式。

黎曼透镜具有宽视场、大孔径等优点，在成像光谱仪中应用广泛。

因此，将黎曼透镜的设计方式应用到离轴三反望远系统的光学设计中，可以显著提高成像质量。

三、色差控制色差是成像光谱仪中所面临的一大问题。

色差的存在，会导致成像的清晰度和精度下降。

因此，在系统的光学设计中，需要采用一些控制色差的方法，以保证成像的高精度和稳定。

一种解决色差的方法是采用同时具有正像差和负像差的镜头设计。

这种设计方式能够有效减弱色差的影响，提高成像的质量和精度。

改进的离轴三反光学系统的设计

改进的离轴三反光学系统的设计赵文才【摘要】基于离轴三反光学系统(TMA)的一般设计方法,总结了设计要点.以两个基于三反光学系统的设计为实例,阐述了通过合理地安排光学结构、将次镜设计为球面反射镜、主镜和三镜在球面基础上改变高次非球面系数等,可使离轴三反光学系统的设计结果接近衍射极限,传递函数在50 lp/mm时都接近0.6,Strehl率由通常的0.91提高到0.93.与传统离轴三反系统相比,相机加工公差和面形加工公差从原来的λ/50放宽到λ/40,主、次、三镜的装调公差放宽了4倍.文中的设计降低了相机的加工及装调难度,有助于系统光学特性实现衍射极限,为三反光学系统的广泛应用提供了借鉴和实用参考.%The key design of off-axial Three-mirror Anastigmat (TMA) systems was summarized, and an improved design of the off-axial TMA optical systems was proposed with a new optical structure. By taking two designed systems for examples, the optical elements of the TMA system were reasonably arranged, the secondary mirror was designed as a spherical surface, and the primary and the third mirrors were optimized with high-order aspheric coefficients. Obtained results show that the Modulation Transform Function(MTF) curve of the designed system approaches to the optical diffraction limit with an improved value of 0. 6 at the spatial frequency of 50 pl/mm. Compared with the common off-axial TMA optical system, the Strehl ratio can be increased from 0. 91 to 0. 93. The surface tolerance is relaxed from λ/50 to λ/40, and the assembling tolerances of the primary mirror, sec ond mirror and the third mirror can be relaxed by a factor of 4. The improved designmakes the manufacture and assembly of the off-axial TMA optical system much easier, and helps the system to achieve excellent performance in the level of optical diffraction limit. These are beneficial to the popularization of off-axial TMA optical systems.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)012【总页数】7页(P2837-2843)【关键词】空间光学遥感器;光学设计;离轴三反光学系统;光学加工;光学装调【作者】赵文才【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TP73;TH7031 引言无论在军事还是民用领域，高分辨率空间遥感都有广阔的应用前景，目前其主要形式仍是通过光学相机对地观测。

长焦距离轴三反射光学系统设计

长焦距离轴三反射式光学系统设计王路王春艳鲍智康（长春理工大学光电工程学院，长春130022）摘要：介绍了一种长焦距离轴三反射式光学系统的设计过程。

在同轴三反射式光学系统基础上,将第一面镜设置成光阑，通过对其适当的离轴、倾斜，实现无中心遮拦的离轴反射式光学系统设计。

给出了同轴系统初始结构的求解方程，分析了同轴系统存在的问题。

以一个长焦距离轴三反射式光学系统作为设计实例，通过镜面离轴、倾斜并进行优化,得到了成像质量良好的光学系统设计结果。

关键词：离轴三反射式光学系统；长焦距；光阑；中心遮拦中图分类号:TH703文献标识码: A文章编号:Design of Long Focal Length and Uncoaxial Three-mirror Reflective Optical SystemWANG Lu WANG Chunyan BAO Zhikang( School of Photo-electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022)Abstract: Introduced the designing process of a long focal length and uncoaxial three-mirror reflective system. .Based on the coaxial three-mirror, placed the first surface as the aperture and decentered to a suitable position to get the result of non-obstruction of the light..Primary aberration formula is deducted respectively, and analyzed the problems existed in the coaxial three-mirror reflective system. Took an uncoaxial three-mirror reflective system as a design example, by decenterring and tilting the surface, and got a good image quality of optical system design results.Keywords：uncoaxial three-mirror reflective system; long focal length; aperture; obstruction of light0.引言反射式物镜在空间光学系统中有着广泛的应用。

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第33卷第1期光电工程V ol.33, N0.1 2006年1月 Opto-Electronic Engineering Jan, 2006文章编号：1003-501X(2006)01-0034-04离轴反射式光学系统设计伍和云1，王培纲2(1. 安徽建筑工业学院数理系，安徽合肥 230022；2. 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083)摘要：提出通过光瞳和视场离轴，实现无中心遮拦的离轴反射式光学系统设计方法。

在同轴三反射光学系统基础上，将光瞳和视场适当离轴，实现镜间遮拦的消除。

分主镜或次镜为系统孔径光阑两种情况，导出同轴三反射光学系统初级像差公式和初始结构参数计算公式。

由三反射系统成像性质，进一步总结无焦光路条件。

根据设计理论计算离轴三反射系统初始结构，利用Zemax优化得到无中心遮拦的离轴三反射空间观测望远镜。

入瞳320mm，视场(±0.3°)×(±0.6°)，焦距1800mm。

关键词：离轴系统设计；光学系统设计；反射式光学系统；非球面系数中图分类号：TH702, TB851 文献标识码：ADesigns of reflective off-axis systemWU He-yun1，WANG Pei-gang2(1. Anhui Institute of Architectural Industry, Hefei 230022, China；2. Shanghai Institute of Technological Physics, the CAS, Shanghai 200083, China )Abstract：A design method for unobstructed, off-axis, reflective optical system is proposed. Based on the three-mirror anastigmat (TMA), when pupil and field of view are off-axis properly, obstructing between mirrors is avoided. In view of aperture stop on the primary or secondary mirror, the primary aberration formula is deducted respectively. According to the image character of TMA, afocal optical conditions are acquired further. Unobstructed spatial observing telescope with excellent performance is designed with the help of Zemax, which have an entrance pupil diameter of 320mm, FOV of (±0.3°)× (±0.6°)and effective focal length of 1800mm.Key words：Off-axis systems; Optical system design; Reflective optical system; Aspheric coefficient引言空间对地观测光学系统经历了从折射式到反射式，从同轴光学系统到离轴光学系统的发展阶段。

折射式光学系统由于受光学材料的限制，很难做到大口径和轻量化设计，反射系统受材料限制较小，便于轻量化设计，完全没有色差，系统透过率高。

同轴反射系统视场小，中心遮拦的存在严重影响了成像的像质。

离轴三反射系统不存在中心遮拦，而且可优化变量多，提高光学系统视场大小的同时极大的改善了系统成像质量[1]。

2006年1月伍和云等：离轴反射式光学系统设计351 三反射消像差光学系统初始结构参数求解三反射光学系统光路如图1，其主镜M 1、次镜M 2和第三反射镜M 3的二次非球面系数分别为：e 12、e 22、e 32，次镜对主镜的遮拦比α1、第三反射镜对次镜的遮拦比α2、次镜放大率β1、三镜放大率β2的定义如下，三反射系统的成像性质由结构参数α1、α2、β1、β2决定[2]。

12121'h h f l ≈=α,23232'h h l l ≈=α, ''22221u u l l ==β,''33332u u l l ==β 对于一个焦距为f ′的三反射系统，物体位于无穷远时，以y 表示主光线与各镜面交点的高度，则1) 当光阑位于主镜时 01=y ，21121ββα−=y ，2121123)1()1(ββαβαα−+−=y2) 当光阑位于次镜时 211111ββαα−=y ，02=y ，2231βα−=y 代入三反射系统初级像差公式[3]，得到三反射光学系统像差：1) 光阑位于主镜时：2222121132132212331321223231211)1)(1()1)(1()1(])1()1[(41ββααβββαβααββαββ−+−−+++++−−=e e e S (1) 21222211221211321213221122321313212224)1)(1)](1()1([4)1)(1()1(214)1)](1()1([4)1()1(ββββαβααβββββαβββαβααββββα−+−+−−−+−+−+−+−++−−=e e S (2)21211221212122211211111222212122222112211211212222121322211223211312122231)1()1)(1)](1()1([)1)(1)(1(4)1)(1()]1()1([4)1)(1()1(4)1()]1()1([4)1()1(ααβαββββββααββαβααβαββαβββααββαβααβαββαβββααβαβααβαβαβ+−++−−+−+−−−+−−−+−+−−−+−++−+−+−−−=e e S (3)2121122141)1(ααβαββββ+++−=S (4) 2) 光阑位于次镜时，球差S 1和场曲S 4与光阑位于主镜时结果相同。

214)1)(1)(1(4)1(4)1)(1(4)1('22212122211123322121222112−−+−−−−+−+−=βββααββαββααββαe e S21211221221222121122212222221212122213222232121212131)1()1)(1()1(4)1)(1()1(4)1(4)1()1(4)1('ααβαβββββααβααββαβααββααββαβααβααββα+−++−−−−−−−+−−−−+−+−=e e S图1 同轴三反射系统结构图Fig.1 Systematic structure of three-mirror anastigmat (TMA)光电工程第33卷第1期36首先根据系统的结构要求确定系统的三个参数，另外四个参数用于满足像差要求。

由系统结构参数α1、α2、β1、β2和系统焦距f ′可得三反射系统镜面顶点的曲率半径式(5)和面间距式(6)'12')1(2'222132112211f R f R f R βααββαββ+=+==，， (5)',')11('12132122111f d f d f d ααβαββα=+−=−=， (6)2 无焦三反射光学系统设计无限远物体经反射镜M 1成像于其焦点，要让该三反射系统成像于无穷远，物体经主次镜必须成像于三镜焦点上，即l 3=-R 3/2。

由成像公式并结合式(5)、式(6)和消场曲条件可得无焦光路条件2221221221212231ββαβαββααα−+=−++−=， (7)3 离轴三反射光学系统设计设计要求：入瞳孔径320mm ，系统焦距1800mm ，视场角(±0.3º)×(±0.6º)，相对孔径5.6，无中心遮拦。

根据式(1)～式(6)求出一系列的系统初始结构参数，选择结构合理的代入Zemax 并优化，为实现无中心遮拦，将入射光瞳离轴150mm ，同时将视场倾斜3º。

优化后得到的离轴三反射光学系统结构参数如表1。

选择表2中所示的视场点对该系统的成像质量进行评价。

选用点列图和光学传递函数来评价该系统的成像质量，从点列图中可以看到：各视场点的成像光斑大小都小于7.5µm ，均方根小于3.5µm ，该系统衍射极限的大小(即图中的圆)为7.536µm ，基本达到衍射极限；所有视场点的光学传递函数曲线都接近衍射极限，50线对/mm 处的传递函数值基本达到0.80，该系统的成像质量良好。

4 无焦离轴三反射光学系统设计设计要求：主次镜焦距1800mm ，入瞳320mm ，视场(±0.3º)×(±0.6º)根据消像差和像方远心光路条件求解系统的初始结构参数，选择合理的解代入Zemax 并优化，为避免中心遮拦将光瞳离轴250mm ，最终得MTFResolution/(line ·mm -1)图4 离轴三反射系统MTF 曲线Fig.4 MTF curve of off-axis TMAFOV 8图3 离轴三反射系统点列图Fig.3 Spot diagram of off-axis TMA图2 离轴三反射光学系统结构Fig.2 Systematic structure of off-axis TMAFOV 9FOV 70 10 20 30 40 501.000.960.920.880.840.802006年1月伍和云等：离轴反射式光学系统设计37到像方远心离轴三反射系统结构参数如表3。

取表4所示的九各视场点评价该系统成像质量进行。

从该系统的点列图可以看出：该系统成像光斑大小都小于衍射极限4.7µm ，所有视场的光学传递函数基本与衍射限重合，50线对/mm 处传递函数值达到0.85，该系统成像质量优良，满足设计要求。

5 结论本文分析了光阑位于三反射系统不同位置对系统像差的影响，在此基础上推算出同轴三反射系统初始结构参数的计算公式，再将光瞳和视场离轴来避免镜面间的遮拦，设计得到的初始结构参数代入Zemax 光学设计软件优化，获得两例性能优良的离轴三反射空间观测望远系统：离轴三反射物镜和无焦离轴三反射望远镜。