大视场离轴四反射镜光学系统设计_刘军
光学中的视场畸变
光学中的视场畸变一、视场畸变的概念1. 定义- 在光学系统中，视场畸变是指实际成像与理想成像在几何形状上的偏差。
当光线通过光学系统成像时，理想情况下，位于同一平面上的物点应该成像为一个平面上的像点，并且像与物在几何形状上应该相似。
由于光学系统存在像差等因素，会导致视场中的像点偏离其理想位置，从而产生畸变。
- 例如，对于一个正方形的物体，在存在畸变的光学系统成像后，可能会变成桶形（桶形畸变）或者枕形（枕形畸变）。
2. 与视场的关系- 视场是指光学仪器能够观察到的范围。
视场畸变的程度往往与视场的大小有关。
一般来说，视场越大，越容易出现明显的畸变。
这是因为随着视场角的增大，光线经过光学系统的路径变得更加复杂，光学系统的像差等因素对视场边缘的成像影响更大。
- 例如，广角镜头由于其较大的视场角，相比于普通镜头更容易产生视场畸变。
二、视场畸变的类型1. 桶形畸变- 现象描述- 桶形畸变的特点是图像的边缘向外凸出，就像一个桶的形状。
在这种畸变下，直线看起来会向图像中心弯曲。
例如，拍摄建筑时，如果存在桶形畸变，建筑的垂直边缘在图像边缘处会向外弯曲，使得建筑看起来像被“鼓起来”一样。
- 产生原因- 主要是由于光学系统对离轴光线的折射特性与对轴上光线的折射特性存在差异。
在一些镜头设计中，为了获得较大的视场角，会采用特殊的光学结构，但这种结构可能会导致离轴光线的聚焦点相对于轴上光线的聚焦点产生偏差，从而引起桶形畸变。
2. 枕形畸变- 现象描述- 枕形畸变与桶形畸变相反，图像的边缘向内凹陷，呈枕形。
直线在图像边缘处会向远离图像中心的方向弯曲。
在拍摄电视屏幕时，如果存在枕形畸变，电视屏幕的四个角会向内凹陷，屏幕看起来不再是规则的矩形。
- 产生原因- 同样是由于光学系统的像差，特别是在一些长焦镜头或者某些特定的光学系统中，由于光学元件的设计和制造误差，以及光线传播过程中的折射和反射规律，导致离轴光线的成像位置与理想位置的偏差，进而产生枕形畸变。
自由曲面在空间光学的应用
自由曲面在空间光学中的应用在当今的生活中，自由曲面（Free-form）扮演着越来越重要的角色。
如汽车车身、飞机机翼和轮船船体的曲线和曲面都是自由曲面。
到底什么是自由曲面？简单来讲，在工业上我们认为就是不能用初等解析函数完全清楚的表达全部形状，需要构造新的函数来进行研究；在光学系统中，光学自由曲面没有严格确切的定义，通常是指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。
在我们的日常生活中，打印机、复印机以及彩色CRT中都会用到光学自由曲面。
鉴于光学自由曲面在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，所以，以下就自由曲面在空间光学方面的情况进行了调研。
一、自由曲面简介光学自由曲面没有严格确切的定义，通常指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。
光学自由曲面已经渗透到我们生活中的各个角落，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼镜，就是自由曲面技术在眼用光学镜片中的成功应用。
自由曲面光学镜片主要有两种：一是自然形成的曲面；二是人工形成的曲面。
人工形成的自由曲面又分为一次成型和加工成型两种形式。
二、自由曲面运用的原因空间遥感光学系统是在离地200km（低轨卫星）以上的轨道对地面目标或空间目标进行光学信息获取，具有遥感成像距离远的特点。
如何在几百公里遥感距离下获得较高分辨率的同时保证较宽的成像幅宽是推动空间遥感光学不断发展的源动力。
光学系统的入瞳直径是决定空间相机地面像元分辨率的主要因素之一，在一定F／＃的前提下，入瞳直径越大，空间相机地面像元分辨率越高。
但入瞳直径的增加，意味着所有与孔径相关的像差增加。
受空间环境中力学、热学、压力等因素的制约，当入瞳直径增大到一定程度（通常200mm以上），光学系统一般采用反射式或折反射式方案。
为了简化光学系统形式，仅采用球面镜是无法平衡由于入瞳直径增加而剧增的像差，然而通过运用自由曲面的应用，可以解决像差增大的问题。
卡塞格林式离轴反射系统准直仪的设计与装调方法
卡塞格林式离轴反射系统准直仪的设计与装调方法徐正奎1，王春兴1，王世锦2，王贵全1，蔡顺文1，李晓斌1，黄声1（1. 昆明物理研究所，云南昆明 650223；2. 重庆军代局驻昆明地区第一军代室，云南昆明 650032）摘要：根据生产需要，设计、生产了焦距为8m的卡塞格林式离轴反射系统准直仪，并构建先进装调方法精准装校，通过干涉图像和干涉条纹的判读，使卡式准直仪系统的成像质量接近设计水平，解决生产中准直仪最长焦距只有3m而无对应的产品所需空间频率的红外鉴别率测试靶板问题。
关键词：离轴反射系统；四杆靶；装调方法中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2020)12-1164-06Design and Development of a Cassegrain Off-axis Reflection System CollimatorXU Zhengkui1，WANG Chunxing1，WANG Shijing2，WANG Guiquan1，CAI Shunwen1，LI Xiaobin1，HUANG Sheng1(1. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China; 2. The First Military Commissary Department Garrisoned in Kunming ofChongqing Military Commissary Bureau, Kunming 650032, China)Abstract：We design and develop a Cassegrain off-axis reflection system collimator with a focal length of 8m according to production requirements and construct an advanced installation and adjustment method to accurately calibrate it. Through the interpretation of images and interference fringes, the imaging quality of the collimator system is found to be close to the designed value. We solve the problem of the infrared discrimination test target board in production because the longest focal length of the existing collimator focal length is 3m, and there is no corresponding spatial frequency required by the product.Key words：off-axis reflection system, four targets, alignment method0引言平行光管检测设备准直仪按光学透镜形式分为透射式系统和反射式系统。
光学系统
光学系统
光学术语
01 理想
03 放大率
目录
02 物像关系 04 光阑
05 渐晕现象
07 像差
目录
06 成像光束 08 对称共轴作图
光学系统（optical system）是指由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合成的系统。 通常用来成像或做光学信息处理。曲率中心在同一直线上的两个或两个以上折射（或反射）球面组成的光学系统 称为共轴球面系统，曲率中心所在的那条直线称为光轴。
由于轴上点的成像光束被孔径光阑所限制，易于想到，将系统的所有光孔分别通过其前面的光学零件成像于 物空间时，其中对轴上物点张角为最小的那个像，或当物在无穷远时孔径为最小的那个像所对应的光孔，一定是 孔径光阑。孔径光阑在物空间的像称为入射光瞳，其对物点的张角称为物方的光束孔径角。同样，孔径光阑被其 后面的光学零件成在像空间的像，称为出射光瞳，它一定也是对轴上像点张角为最小的一个光孔像，这个张角是 像方的光束孔径角。入射光瞳、孔径光阑与出射光瞳三者是共轭的。如果忽略光阑像差，入射光瞳是物面上各点 成像光束的公共入口；出射光瞳是成像光束的公共出口。通过孔径光阑中心的光线叫主光线，因共轭关系，它也 通过入射光瞳中心和出射光瞳中心。因此，一般说主光线是成像光束的中心线。
一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计
中，对于 （ ） ３ ， Ｈ Ｃ Ｏ， ｓ ０２ ，ＮＯ等气体成 分有较 明显 的探 测 优 势 。 紫外 全 景 临边成 像 仪设 计运 行 在４ ０ ０ ｋ ｍ的 轨道 高
２ ０ ０ Ｏ１ Ｏ， ３ ０ ０ ５ ０ ０ １ ０ ０ ０ ２ ０ ０ ０ ｍｉ ｌ ｌ
全景成像技 术包括鱼眼镜头 ， 折反 式全 景成像技术 和环带式 全景成像技 术 ， 浙江大学光学 国家重点实验室对 于以上全 景 成像技术进 行了一系列的研究 。 但 国内外 尚未有 将全景成像 技术应 用到大气紫外临边探测 的仪器研究进展 。 本 工作结合重点专项项 目的光学设计 技术指标 ， 提 出了
收稿 日期 ：２ ０ １ ３ － ０ ４ － ２ ３ ，修订 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ６ — ２ ０
Ｆｉ ｇ ．１ ｓ ｏ ｕｎ ｄｉ ｎｇ ｗａ ｖ ｅ ｌ ｅ ｎ ｇｔ ｈ ｂ ａ ｎｄ ｆ ｏ ｒ ａｔ ｍｏ ｓ ｐ ｈｅ ｒ ｉ ｃ ｔ ｒ ａ ｃ ｅ ｇ ａ ｓ
一
种 用 于大 气 探 测 的紫 外 成像 仪光 学 系统 设 计
张 晶 ， 王淑荣¨ ， 李 博 ， 薛庆 生 ， 黄 煜
１ ．中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所 ，吉林 长春
２ ．中 国 科 学 院 大 学 ， 北京 １ ０ ０ ０ ４ ９
１ ３ ０ ０ ３ ３
的研究热点 ｌ ］ 】 。目前文 献 中有 关临边 成像 光谱 仪 的报 道其
光学系统部 分大多采用前置光学系统 ， 包 括反射式 非球面刻
划光栅 、离轴抛物面反射镜 ， 或通过方 位扫描 镜与高 度扫描 镜 的配合 实现较大视场的临边探测 。 这 在一定程 度上增加 了 加工成本 ， 给加工和装配带来 了很多不 便 。目前 国内外有关
光学设计实验四卡塞格林系统设计
实验四:卡塞格林系统一．实验目的熟悉卡塞格林系统设计的原理过程，学习如何使用多项式的非球面，掌握设计系统的的方法及过程。
二.系统结构性能要求1）孔径值10英寸；2）视场角为0︒；3）相对波长为可见光；4）玻璃材料BK7 、MIRROR ；三．实验步骤1.系统参数的设置：孔径值10英寸；（单位是英寸）视场角为0︒；工作波长为可见光；2.结构参数的设置:平面镜的厚度为1英寸，玻璃材料BK7；反射镜的焦距为60英寸，厚度为30英寸，玻璃材料为MIRROR；如下图所示：3.加辅助镜面，并安放像平面。
让ZEMAX为辅助面计算恰当的曲率。
玻璃材料为mirror。
（注意：已将主反射面的距离减小到-18，这将使辅助镜面的尺寸减小。
像平面的距离现在是28，实际上，是在主反射面后10英寸）如下图所示：四．光学望远系统优化过程1.将三环六臂改为五环六臂（菜单栏Editors一Merit Function一Tools一Default Merit Function一Reset一Rings）如下图所示：2.设置变量，将曲率半径设为优化变量，权重设为1。
将新面（即第3面）的厚度从0改为20。
往上移一行，将第2面的厚度由60改为40。
对于主反射面来说，校正器与它的距离就是60；3,。
将光阑面（STO）的表面类型换为“EVEN ASPHERE”。
这种面型允许为非球面校正器指定多项式非球面系数。
并将第一面的“4th Order Term” 6th Order Term”和“8th Order Term”列设为变量，当前为0，如下图所示：4.打开视场角，调整设计。
从主菜单，选System，Fields，并将视场角的个数设置为3，输入y角0.0，0.35和0.7。
如下图所示：优化即可得到MTF，如下图所示：5双击第三面的第一列，从孔径类型列中选圆形“Circular Aperture”，到Min Radius中输入1.7。
这表示所有的光线穿过表面时离轴距离必须要大于1.7英寸，这就是主反射面的缺口“Hole”。
光电检测原理与技术第5章 光学系统与专用光学元件
2. 望远系统
（1）伽俐略望远镜（ Galileo telescope ）
结构 发散透镜作目镜，会聚 透镜作物镜，物镜的像 方焦点和目镜的物方焦 点重合。
光路 Q Q ' Q "
远物 Q 射来的平行光束，经物镜会聚后，原来应成实像于 Q', 这对于目镜来说应作虚物，最后成正立像P"Q"于无穷 远处。
非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略
球面系统不能理想成像
出现三级以上像差
u3 u5 u7 u9 sin u u 3! 5! 7! 9!
三级像差(或初级像差)----5种： 1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism)和场曲(curvature of field) 4) 畸变(distortion)
表5-1 不同波长时焦 深的计算结果
nf 2 nD 2 x 2 2 2 ( F )
(5-6)
（3）最小弥散斑及其角直径 光学系统中影响成像质量的因素主要是像差和衍射。系统的 像差按照不同的设计有很大的差别。而衍射作用的大小可用计算 艾里斑的方法来估计。当斑内占总衍射能量的84％时，所对应的 角直径分别为 (5-7) 2.44
D
—— 探测光辐射的波长。
4 2L ' ( F ) 2 n
' 0
以可见光、中红外和远红外三个光谱区中，三种典型波长的 焦深为例，说明这一关系。计算结果列于表5-1中。表中可见，当 ' ＝0.5μm，2 L ＝ 8μm，说明像面有确定的位置，随着波长增加， 0 L'0 2 按正比增加，当 ＝10μm，2 ＝ 160μm L'0 ，这时很难断定像 面的确切位置。这是红外系统的特点之一。 与焦深相对应的物空间中。物移动某一 ' 距离x，只要其像面移动不超过 L0，那 么仍可得到清晰的像。所以，对应焦深 在物空间中的范围就是景深。利用牛顿 公式可以计算出x为
基于1.06／1.54μm激光的离轴折反式平行光管物镜设计
（ ａｉｎ ｌｎｒ ｒｄ ｎ ｄ ｓｒ ｌ ｌ ｔ ｈａｉｇＰ ｏ ｕｔ Ｔｓｎ ｅｔｒＷｕ ａ ３０ ３ Ｃ ｉａ Ｎ ｔ ａ ｆａｅ ｄＩ ｕｔａ ｅ ｒ ｅ ｔ ｒｄ ｃｓ ｅｔ ｇＣ ｎｅ， ｈ ｎ４ ０４ ， ｈｎ ） ｏ Ｉ ａ ｎ ｉ Ｅ ｃｏ ｎ ｉ
文 章编 号 ：１０ ．８ １２ １）２０ ８—３ ０ １８ ９（０００—０ １ ０
Ｏｐ ｉａ ｓｇ ｆａ ｆ－ ｘ ｓ ｐ ｅ ｉ ｓ ｒＣｏ ｌ ａ ｏ ｓ ｄ ｏ ．６ １５ ａ ｔｃ ｌ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｎ Ｏｆ ａ ｉ ｈ ｒｃＬａ ｅ ｌ ｍ ｔ ｒＢａ ｅ ｎ １０ ／ ．４ｐｎ Ａｓ ｉ
第３卷 第２ ２ 期 ２１ ０ ０年 ２月
红 外 技 术
Ｉ ｆａ ｅ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｎ ｒ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ｒ
Ｖｂｌ３ Ｎ ｏ． －２ ２
Ｆ ｂ ２ １ ｌ ． ００ ｅ
基于 １ ６１ ４． 激光的离轴折反式平行光管物镜设计 ． ／． ｍ ０ ５ｔБайду номын сангаасｔ
马 洁，曾 宇
系统要求低成本 、中心无遮拦且结构简单紧凑 ，故采用离轴折反射结构形 式。初始结构中，主镜采用 抛物面反射镜，在其成像光束中加入一个光焦度为零且有空气间隔的同种材料组成的双透镜组 ， 消除 了正弦差。同时为 了减小补偿透镜组 的口 ， 径 使它们适当地 靠近像 面位置。利用 Ｚ ＭＡ Ｅ Ｘ优化结果表 明传递函数达到衍射极限，完全满足设计要求。 关键词：光学设计；平行光管；离轴折反式；激光 中图分类 号 ： Ｂ ６ Ｔ ４ ；Ｔ ９ Ｔ ９ ； Ｈ７ １ Ｎ２ 文献标 识码 ： Ａ
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｔｈｉ ａ ｅ ｓ ｒｂ ｓａ ｍｅ ｈ ｄ ｏｆｄｅ ｉ ｎｉ ｏｌ ｍａ ｏ ｔ ０ ０ｌｌ ｌ ｏ ａ ｅ ｇ ， ｐ ｒｕ ｅ ｏ ｔａ ｔ ｓｐ ｐ ｒｄｅ ｃ ｅ ｔ ｏ ｓｇ ｎｇ ａ ｃ ｌ ｔ ｒｗｉｈ １ ０ ｌ ｃ ｌｌ ｎ ｔ ａ ｅ ｔ ｒ ｆ ｉ ｉ ＩＩ ｆ ｈ