长焦距同轴四反射镜光学系统设计
同轴超紧凑型主三镜一体化光学系统设计研究
同轴超紧凑型主三镜一体化光学系统设计研究摘要：本文在像差理论引导下设计了同轴超紧凑型主三镜一体化光学系统，在F数为7、焦距为1750mm、全视场角为1.4°的基础上开展试验，并创建信噪比数学模型，对公差进行分析和控制。
根据研究结果可知，该系统整体长度不超过200mm，只有焦距的1/8.75，与小遮拦、超紧凑的设计要求相符合，且成像质量佳，对微小卫星光学系统设计，提高分辨率来说具有现实意义。
关键词：光学系统；一体化设计；同轴超紧凑型引言：在空间遥感技术飞速发展下，业界开始追求更高的光学遥感器分辨率，因光学镜头对遥感器成像效果具有较大影响，甚至能够决定遥感器方案质量，成为业界研究重点课题之一。
为了提高卫星空间分辨率，主三镜一体化结构被研发出来，与空间光电系统相比在质量、体积等方面具有较大优势，尤其是紧凑型主三镜一体化系统设计，能够在保证成像质量的同时，对光学系统体积和质量进一步压缩，应用效果更加显著。
1光学系统设计理论与方案1.1指标参数结合现实应用要求，在光学成像中相机关键指标参数如下。
谱段区间在400—750nm之间，相机幅宽超过12km，MTF值在奈奎斯特频率位置优于0.26，地面分辨率超过1.8m，像元尺寸为6.4×6.4um，信噪比超过25dB，系统尺寸为250mm×250mm×200mm。
地面分辨率和探测器像元间的联系可用公式表示为：式中，f代表的是焦距；p代表的是探测器像元；g代表的是地面分辨率；H 代表的是卫星轨道高度，取值为500km。
假设地面幅宽为12km，卫星轨道高度与半视场角间的联系可用公式表示为：式中，z代表的是地面幅宽；H代表的是卫星轨道高度；w代表的是半视场角。
奈奎斯特频率与像元尺寸间的联系可用公式表示为：式中，f代表的是奈奎斯特频率；p代表的是像元尺寸。
o1.2方案制定轻小型光学系统的优势在于体积小、焦距长、质量轻。
长焦距系统的透镜口径较大，在加工和装调时产生诸多不便，需要较多的透镜对二级光谱色差进行校正，系统质量与体积较大，与微小型、轻量化设计理念相违背。
可见光、中／长波共口径共焦距光学系统设计
可见光、中／长波共口径共焦距光学系统设计高明;刘彬彬;刘钧;吕宏【摘要】In order to meet the high resolution、high accuracy of environmental detection,to improve the detection ca-pability in complex environment and to solve the problems that the conversion speed of the optical path was slow for multi-band optical system and there were differences in the object information of different bands,an optical system that features visible light,medium /long-infrared light,shared aperture,con-focal was designed.The system can receive target informations of three bands at the same time.The focal length for visible、medium /long-infrared light is equal by focal length compensation,which improves the consistency of target information for three bands.The focal length is 1 2 mm and field of view is 36°.T he transfer function value is >0.53 for visible light at 80 lp /mm Nyquist frequency;the transfer function value is >0.5 for mid-infrared light at 20 lp /mm and the transfer function value is >0.36 for long-infrared light at 20 lp /mm.The system has an excellent overall image quality and is athermal for temperatures between -40 °C and +60 °C.%为满足系统对环境探测的高分辨力、高准确性，提高光学系统在复杂环境下的探测能力，同时针对多波段光学系统光路转换速度慢、不同波段目标信息存在差异的问题，设计了一种可见光、中／长波三波段共口径、共焦距光学系统。
长工作距变焦显微系统物镜设计
长工作距变焦显微系统物镜设计
激光内雕机在进行激光内雕时,经常会存在激光“炸点”不均匀的情况,需要对其进行放大分析,从而更好地控制激光束的能量。
本文根据企业激光内雕“炸点”观察需求,设计了一款长工作距变焦显微物镜。
玻璃内部的“炸点”观察范围为9mm~32mm,系统采用光学变焦方式,分辨率小于5μm,变焦范围为6mm~24mm,放大倍率为4~×~16~×,变倍比为4倍。
探测器采用了一款型号为VA-1MG2的1/2英寸CCD,其像元大小为5.5μm。
利用Zemax进行光学系统设计优化,在截止频率91lp/mm处,各组态下各视场的MTF值均大于0.4,在中心视场和0.7视场处均接近衍射极限。
点列图的RMS 半径也均小于艾里斑半径,满足长工作距变焦显微系统的各项指标需求。
长工作距变焦显微系统在变焦显微镜的基础上增加了工作距较长的优点。
因此,如何设计一款具有长工作距离的变焦显微系统成了一个研究的重要方向。
本文完成的长工作距变焦显微物镜设计主要为:首先对变焦光学系统的国内外研究现状进行介绍;其次对激光“炸点”观测的工作原理进行了阐述;然后对变焦光学系统原理及其补偿方式介绍;根据设计参数指标选取了合适的长工作距变焦显微系统的初始结构并对其进行优化设计;最后进行了长工作距变焦显微系统的像差分析、公差分析以及机械结构设计。
空间同轴反射式次镜支撑结构优化设计与实验验证
空间同轴反射式次镜支撑结构优化设计与实验验证一、引言空间望远镜是进行太空观测的重要工具，对于研究行星、恒星以及宇宙背景辐射等都有重要的意义。
而望远镜的次镜作为望远系统的重要组成部分，其支撑结构的设计和优化直接影响望远镜的性能。
本文旨在对空间同轴反射式次镜的支撑结构进行优化设计，并通过实验验证其优化效果。
二、支撑结构设计要求1.刚度要求：支撑结构需要具有足够的刚度，以保证次镜在工作状态下形变较小，从而减小像差。
2.响应频率要求：支撑结构需要具有足够高的响应频率，以避免在运载火箭发射或者宇航器变轨等振动环境下产生共振现象，从而影响观测结果。
3.轻量化要求：支撑结构需要具有尽可能小的质量，以减小整个望远镜的重量，从而减小发射成本。
三、支撑结构优化设计1.结构选择：根据要求，选择了由支撑环和支撑杆组成的支撑结构。
支撑环用于连接次镜和支撑杆，支撑杆用于支撑次镜并传递载荷。
2.材料选择：选择高强度、低密度的材料，如碳纤维复合材料，以满足轻量化要求。
3.结构优化：通过有限元分析等方法对支撑结构进行优化设计，以提高刚度和响应频率。
优化的参数包括支撑环和支撑杆的几何尺寸、数量和布局等。
通过多次迭代优化，找到最佳的支撑结构设计方案。
四、实验验证1.制造支撑结构样件：根据优化设计方案，制造出支撑结构的样件，包括支撑环和支撑杆。
使用先进的制造技术，如3D打印或复合材料制造等，确保样件的精度和质量。
2.实验测试：在实验室中对支撑结构样件进行静态和动态测试。
静态测试主要包括载荷试验，通过施加不同的载荷，检查支撑结构的刚度和形变情况；动态测试主要包括模态分析，通过施加激励，测量支撑结构的响应频率。
3.数据分析和验证：根据实验数据进行分析，与优化设计结果进行比对，验证支撑结构的优化效果。
如果实验结果与设计结果相符，则说明优化设计是合理有效的；如果实验结果与设计结果有差距，则需要对设计方案进行调整。
五、总结与展望本文对空间同轴反射式次镜的支撑结构进行了优化设计，并通过实验验证了其优化效果。
多级反光镜光学系统的设计与优化
多级反光镜光学系统的设计与优化多级反光镜光学系统被广泛应用于航天、机器视觉、医学影像等领域中。
它能够实现高分辨率、高对比度的成像效果，并且具备一定的适应性，能够适应不同环境下的成像要求。
本文将深入探讨多级反光镜光学系统的设计与优化问题。
一、反光镜与光路设计反光镜是多级反光镜光学系统的重要组成部分。
它能够反射由主光路传入的光线，使光线能够沿着不同的光路传播。
因此，反光镜的反射率、表面形态等因素会影响光路中的光线走向，从而影响成像质量。
在反光镜的设计中，需要考虑其材质、反射率、形状和尺寸等因素。
一般来讲，反光镜应该具有较高的反射率，以最大程度地保持光线的亮度。
同时，反光镜的表面形态也需要充分考虑，以减少光线反射过程中产生的光学噪声。
在光路的设计中，则需要考虑光路的传播路径、光路长度以及光路中的光学元件的位置和大小等因素。
通过对这些因素的控制，可以实现更加稳定、高效的成像效果。
二、多级反光镜系统的优化在多级反光镜光学系统的设计中，需要考虑光学元件的数量、形状和大小等因素。
同时，还需要考虑反光镜的反射率和表面形态等因素。
在这些因素的基础之上，我们可以通过优化反光镜的布局和光学元件的尺寸等参数，来实现系统的优化。
其中，反光镜布局的优化是非常重要的。
反光镜的布局需要考虑光线通过反射镜后的传播路径，从而使得光线到达成像平面的过程最为高效和稳定。
同时，反光镜也需要尽可能少，以减少光线在传播过程中的损失。
另外，反光镜与光学元件之间的距离也是影响系统性能的重要方面。
通过优化反光镜与光学元件的尺寸和布局，可以实现更少的反光镜和光学元件的使用情况下，获得更高的成像质量。
三、多级反光镜系统的实际应用多级反光镜光学系统被广泛应用于各种不同的领域中。
在机器视觉领域中，多级反光镜光学系统被用于实现高精度的位置定位和物体识别任务；在医学影像领域中，多级反光镜光学系统能够减少不同组织之间的干涉，从而实现更加清晰和准确的成像效果。
总之，多级反光镜光学系统是一种灵活、高效而且能够适应不同环境的光学设备。
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。
反射式望远镜
高反射式望远镜光机系统简介及设计班号：0936203 学号：6090120331 姓名：蔡海蛟摘要：反射式望远镜所用物镜为凹面镜，有球面和非球面之分。
比较常见的反射式望远镜的光学系统有牛顿式反射望远镜与卡塞格林式反射望远镜，另外还有里奇-克莱琴式、达尔-奇克汉式望远镜，这些系统都是沿轴的光学系统。
离轴设计有几种通过消除次镜或移动任何的辅助元件避开主镜光轴，以尽量避免阻碍入射光的设计，通常称为离轴光学系统，包括赫歇尔式，Schiefspiegler，Yolo望远镜等。
关键词：反射式望远镜; 牛顿; 凹面镜; 光线按照光学结构的不同天文望远镜可分为许多不同的种类，但比较常用有：折射式天文望远镜和反射式天文望远镜以及折反式式望远镜。
折射式天文望远镜用光学透镜做物镜，而反射式天文望远镜用曲面反光镜做物镜。
尽管两者可以达到一样的效果，但它们的光学结构是完全不同的。
折射式天文望远镜通常采用两片或多片镀膜透镜组合而成的消色差物镜。
折射望远镜是以会聚远方物体的光而现出实象的透镜为物镜的望远镜它会使从远方来的光折射集中在焦点,折射望远镜的好处就是使用方便,稍微忽略了保养也不会看不清楚,因为镜筒内部由物镜和目镜封着,空气不会流动,所以比较安定,此外,由于光轴的错开所引起的像恶化的情形也比反射望远镜好,而口径不大透镜皆为球面,所以可以机械研磨大量生产,故价格较便宜。
一般来讲，制作大口径（100mm以上）的组合透镜是非常困难的，所以常见的折射式天文望远镜的口径都不超过100mm。
反射式望远镜是使用曲面和平面的面镜组合来反射光线，并形成影像的光学望远镜，而不是使用透镜折射或弯曲光线形成图像的屈光镜。
这种望远镜通常利用一个凹的抛物面反射镜将进入镜头的光线汇聚后反射到位于镜筒前端的一个平面镜上，然后再由这个平面镜将光线反射到镜筒外的目镜里，这样我们便可以观测到星空的影像。
以下重点介绍反射式望远镜。
在1616年，意大利的僧侣Niccolo Zucchi是第一位创造出反射镜的人，但是他未能准确的塑造出面镜的形状和用于拦阻影像的镜子，即缺乏观看影像的方法。
星载高分辨率红外双谱段遥感器光学系统设计
第５２卷 第１期 激光与红外Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ．１ ２０２２年１月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤＪａｎｕａｒｙ，２０２２
文章编号：１００１５０７８（２０２２）０１０１０２０８·光学技术·星载高分辨率红外双谱段遥感器光学系统设计
王保华，刘志敏，唐绍凡，王媛媛（北京空间机电研究所，北京１０００９４）
摘 要：针对高精度红外遥感成像的应用需求，提出了高空间分辨率、高噪声等效温差和大幅宽的中波／长波红外双谱段遥感成像技术方案，在太阳同步轨道获取地面目标的中波和长波红外辐射信息，谱段范围分别为３～５μｍ和８～１２μｍ，中波红外谱段空间分辨率优于５ｍ，长波红外谱段空间分辨率优于１０ｍ，幅宽大于２０ｋｍ，噪声等效温差优于６０ｍＫ。根据噪声等效温差和光学传递函数等要求优化了光学系统指标参数，分析了二次成像同轴三反光学系统的冷光阑匹配原理，计算了光学系统初始结构参数，设计了光阑匹配型和出瞳匹配型中波／长波红外双谱段一体化光学系统，比较了两种方案光学系统的冷光阑匹配效果。关键词：光学遥感；红外双谱段；光学设计；冷光阑匹配中图分类号：Ｏ４３９ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０２２．０１．０１７
ＯｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｏｆｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｄｕａｌｂａｎｄＩＲｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｏｒ
ＷＡＮＧＢａｏｈｕａ，ＬＩＵＺｈｉｍｉｎ，ＴＡＮＧＳｈａｏｆａｎ，ＷＡＮＧＹｕａｎｙｕａｎ（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｍａｇｉｎｇ，ａｍｉｄｄｌｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｌｏｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｍａｇｉｎｇｓｏｌｕｔｉｏｎｗｉｔｈｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｎｏｉｓｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ（ＮＥＴＤ）ａｎｄｌａｒｇｅｓｗａｔｃｈｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｉｔｃａｎｇｅｔｔｈｅｍｉｄｄｌｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｌｏｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｆｒａｒｅｄｒａｄｉａｔｉｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｇｒｏｕｎｄｔａｒｇｅｔｓｏｎｓｕｎｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｒｂｉｔｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｒａｎｇｅｏｆ３～５μｍａｎｄ８～１２μｍｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｓｐａｔｉａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｄｄｌｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ５ｍ，ａｎｄｔｈｅｓｐａｔｉａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｏｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ１０ｍ，ｓｗａｔｃｈｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ２０ｋｍ，ａｎｄｔｈｅＮＥＴＤｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ６０ｍＫ．ＴｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｄｅｐｅｎｄｏｎＮＥＴＤａｎｄｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＭＴＦ）．Ｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｔｈｅｏｒｙｏｆｃｏｌｄｓｈｉｅｌｄｏｎｒｅｉｍａｇｉｎｇｃｏａｘｉａｌｔｈｒｅｅｍｉｒｒｏｒｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙｔｗｏｄｕａｌｂａｎｄｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｉｍａｇｉｎｇｏｆｆａｘｉｓｔｈｒｅｅｍｉｒｒｏｒｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓｄｕｅｔｏｍａｔｃｈｉｎｇｆｏｒｍｏｆｃｏｌｄｓｈｉｅｌｄａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｒｅｓｕｌｔｉｓｅｓｔｉｍａｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ；ｄｕａｌｂａｎｄｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｌｄｓｈｉｅｌｄｍａｔｃｈｉｎｇ
同轴超短焦距折反式投影系统设计
同轴超短焦距折反式投影系统设计杨建明1,2∗,刘伟奇1,孟祥翔1,2,冯睿1,孟中1,张大亮1【摘要】摘要：为了缩短超短焦距投影仪的机械总长,克服传统离轴超短焦距投影系统的装调困难,降低系统的设计难度,设计了一种同轴的超短焦距投影系统。
首先,通过分析像差与系统总长的关系,证明了需要保证系统总长的必要性。
然后,通过镂空非球面反射镜中心部分,利用平面或球面反射镜折转光路,提出了一种新的设计超短焦距投影仪的方法。
在保证光学总长的同时缩短了机械总长,提高了空间利用率,解决了同轴折反系统中存在挡光的问题。
最后设计的系统总长为215 mm,投射尺寸为100 in。
系统的投射比为0.17,物方NA为0.2,焦距为1.66 mm。
各个视场传递函数在内奎斯特频率处达到0.5以上,各指标都满足了投影系统的要求。
同时,在透镜个数相同的情况下,系统的性能都优于传统的投影仪。
【期刊名称】液晶与显示【年(卷),期】2015(000)005【总页数】8【关键词】光学设计;投影系统;折反射系统;超短焦距1 引言目前投影机向微型化、立体化和超短焦距发展,微型投影机又称口袋式投影,主要特点是把传统庞大的投影机精巧化、便携化[1],使投影技术更加贴近生活和娱乐;立体投影技术主要研究如何显示出三维的立体图像,增强体验感[2-3];而超短焦距投影仪的突出优点是即使在狭窄的空间也能实现大屏幕高质量的图像显示。
虽然传统投影机可以投射出超大的显示画面,但投射距离很大。
投影机的投射比越小,说明相同投影距离,投射画面的宽度越大。
普通投影机的投射比通常在1.5～1.9之间;当投射比小于1时,即为短焦镜头;而当投射比在0.6以下,则是超短焦镜头。
超短焦镜头由于制作工艺复杂,因此一直很昂贵,但是,由于超短焦投影机在教育行业等特殊应用上的先天优势,一直也受到用户的青睐,尤其在欧美地区,超短焦投影机在逐渐普及。
为了实现超薄化,必须增大投影镜头的视场角,起初的大视场投影仪都采用透射式设计,但是随着视场角的增大,各种轴外像差、色差等也急剧变化,并且很难同时得以校正,表现为非中心视场区域的各色图像是错位的,这样降低了图像的对比度,图像达不到满意的效果,同时大视场系统畸变也很难矫正,给光学设计带来很大的困难[4-5]。
长焦距离轴三反射式光学系统设计
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除 了满 足 系统 焦 距 、 差 、 差 、 散 、 曲等 系统 球 彗 像 场
收稿 日期 ：２ １－１ －１ ０１ ０ ８
作者简介 ：王路 （９ ５ ，男 ，硕士研究生 ，主要从事光学系统设计方面的研 究，Ｅ １ ８ 一） —ｍａｌ ｉ ：ｗａｇｕ ７ ＠１３ｔ ｍ。 ｎ ｌ０ ９ ６ ． ｏ 通讯作者 ：王春艳 （９ １ ，女 ，博士 ，教授 ，主要从事光学设计和光电检测方 面的技术研究 。 １ ７ 一）
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0118002-1长焦距同轴四反射镜光学系统设计
陈丽1,2,刘莉1,2，赵知诚1,2,李瀛搏3，傅丹鹰4，沈为民
1,2
(1.苏州大学物理与光电·能源学部教育部现代光学技术重点实验室，江苏苏州215006；
2.苏州大学物理与光电·能源学部江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏苏州215006；3.北京空间机电研究所，北京100076；4.航天东方红卫星有限公司，北京100094)
摘要：
低成本、高性能对地遥感微纳卫星是当前研究和开发的热点，为适应微纳卫星平台，要求空
间相机具备小型、轻量化的特点。在其体积和质量的限制下，设计结构尽可能紧凑的长焦距大视场望远物镜是成功研制高分辨率对地遥感光学相机的关键，研究利用同轴四反射镜系统解决这一问题的可能性。首先，介绍无二次遮拦同轴四反射镜望远物镜的组成与工作原理；基于近轴光学和初级像差理论，导出几何约束条件和初级像差公式，给出结构紧凑的长焦距同轴四反镜系统的设计思想与方法；最后给出举例及设计结果。优化设计了全视场角1°×1°、有效焦距2100mm、F数为7的同轴四反射光学系统，总长228mm，约为有效焦距的1/9,结构简单紧凑，像质接近衍射极限。关键词：光学设计；对地遥感相机；长焦距；同轴四反射望远物镜；无二次遮拦中图分类号：O435文献标志码：ADOI：10.3788/IRLA201948.0118002
Designofcoaxialfour-mirroranastigmatopticalsystemwithlongfocallength
ChenLi1,2,LiuLi1,2,ZhaoZhicheng1,2,LiYingbo3,FuDanying4,ShenWeimin
1,2
(1.KeyLabofModernOpticalTechnologiesofEducationMinistryofChina,CollegeofPhysics,OptoelectronicsandEnergy,SoochowUniversity,Suzhou215006,China;2.KeyLabofAdvancedOpticalManufacturingTechnologiesofJiangsuProvince,CollegeofPhysics,OptoelectronicsandEnergy,SoochowUniversity,Suzhou215006,China;3.BeijingInstituteofSpaceMechanics&Electricity,Beijing100076,China;4.DFHSatelliteCo.Ltd.,Beijing100094,China)
Abstract:Theearth-observingremotesensingmicro/nanosatellitewithlow-costandhigh-performance
isthefocusofthecurrentresearchanddevelopment.Inordertoadapttothemicro/nanosatellite′splatform,thecameraisoftenrequiredtobecompactandlightweight.Limitedofitsvolumeandweight,designingalongfocallength,wide-fieldtelescopeascompactaspossibleisthekeyofsuccessfullymanufacturingthehigh-resolutionremotesensingopticalcamera.Thepossibilityofsolvingthisproblembyusingon-axisfour-mirrorsystemisstudied.Firstofall,thebasiccompositionandtheworkingprincipleofon-axisfour-mirrorsystemwithoutsecondaryobscurationwasintroduced.Then,theconditionsofgeometricconstraintandtheformulasofprimaryaberrationswerepresented
收稿日期：2018-08-13；修订日期：
2018-09-17
基金项目：国家重点研发计划(2016YFB0501300,2016YFB0501302，2016YFB05500501-02)；江苏高校优势学科建设工程
作者简介：陈丽(1991-)，女，硕士生，主要从事光学设计与仪器光学方面的研究。Email:20154208108@stu.suda.edu.cn导师简介：沈为民(1963-)，男，教授，博士生导师，主要从事光学设计和仪器光学以及遥感航天技术等方面的研究。
Email:swm@suda.edu.cn
第48卷第1期红外与激光工程2019年1月Vol.48No.1InfraredandLaserEngineeringJan.2019红外与激光工程
第1期www.irla.cn第48卷
0118002-20引言
为获取高分辨率对地遥感图像，空间相机通常
需采用长焦距光学系统。总质量小于100kg
的微纳
卫星星上质量及功耗资源非常有限[1-2]，相机体积大
会导致卫星所承受负荷急剧增大，解决相机载荷小型轻量与长焦距高分辨率间的矛盾，是成功开发高分辨率对地遥感微纳卫星的关键之一。高分辨率星载遥感相机通常使用反射式结构，具有无色差、体积小、对温度变化不敏感、易于实现轻量化等优势[3]。两反系统结构简单[4]，但视场范围
较小，需用长的外遮光罩抑制视场外杂光，导致相机体积较大，越来越不适用于高性能微纳卫星平台。目前广泛采用同轴三反系统[5]，具有视场大、易于控制
系统杂散辐射等优点，但为引出像面通常需添加平面镜，同时需要避免其二次遮拦。采用偏视场结构[6]可避免二次遮拦，但边缘视场残余彗差、像散和畸变
较大，影响成像质量。另一种常用方法是利用主次镜实像和三镜出瞳附近的倾斜折叠平面反射镜，使主次镜实像无遮拦地通过该平面反射镜上的中心孔，三镜反射光线不穿过平面镜中心孔，而是无拦光地通过平面反射镜的环形孔径[7-9]，为了减小光学系统
的长度，需要增大三镜放大倍率，增长三镜的像距，需用多块平面镜转折光路，导致光学系统复杂，可靠性下降。为进一步减小系统总长，使得相机体积和质量更加轻小，需要研究四反射镜系统结构，通过进一步增加自由参量，更加有效地避免二次遮拦、减小光学系统尺寸、增大相机视场范围，解决相机小型轻量与长焦距高分辨率应用需求的矛盾。国内外不少学者针对四反射系统进行了像差理论推导[10-12]
，大多用于离轴四反射系统的初始结
构求解。1979年，Robb
提出一种同轴四反射结构[13]
，
其入瞳位于球面主镜上，四镜位于主次镜实像和三
镜出瞳附近，四镜反射光线无遮拦穿过三镜中心孔到达像面，自然引出像面，便于探测器的安装和使用。其优点在于可使用口径较小的凹面四镜校正球面主镜残余像差，详细的设计过程未见报道。2009
年，朱立荣采用球面和抛物面主镜设计了出瞳在四
镜处的超大口径长焦距同轴四反射光学系统[14]
,
由
于视场角较小，并未对系统的二次遮拦情况进行分析。文中基于小型紧凑的结构设计理念出发，针对同轴四反系统进行详细的理论分析和设计，由高斯光学和三级像差理论，分析系统无二次遮拦条件与次镜倍率的关系，通过确定次镜倍率参数，得到系统初始结构，优化设计了主镜、三镜可集成一体化、长焦距、短筒长、结构紧凑的同轴四反射镜光学系统，像质接近衍射极限，结果表明较现有同轴三反系统，具有更加小型紧凑的结构优势，成像质量好，杂光抑制能力强，在今后微小型卫星相机载荷系统中具有潜在的应用价值。
1工作原理及理论分析
文中研究的同轴四反射镜望远物镜光路如图1所示，由凹面主镜M1、凸面次镜M2、凹面三镜
M3
和凸面四镜M4四块非球面反射镜组成，物镜的孔
径光阑位于主镜M1处，主镜、三镜和四镜开有中心
孔，来自远处景物的光线经主镜M1和次镜M2
反
射后形成景物的一次实像
I
1，穿过四镜M4的中心
孔后入射到三镜M3，再经过三镜M3和四镜M4
反
射后，光束穿过三镜M3上的中心孔，将景物一次实
像I1中继成像于探测器焦平面FPA
处。
basedonGaussandopticalaberrationtheory.Thedesignideaandmethodofthecompacton-axis
four-mirrorsystemwithlongfocallengthwerepresented.Finally,anoptimizedopticalsystemwasgiven,withfullfieldangleis1°×1°,effectivefocallength(EFL)is2100mm,Fnumberis7,respectively.Thetotallengthofthissystemis228mm,onlyabout1/9ofEFL.Thisopticalsystemissimpleandcompactanditsimagingqualityisneardiffractionlimit.Keywords:opticaldesign;remotesensingcamera;longfocallength;on-axisfour-mirrorsystem;withoutsecondaryobscuration