基于光學自由曲面的離軸三反光學系統

孫素平

摘 要：目的是完成長焦距大視場離軸三反空間光學系統的有效設計以及研制，進而對自由曲面光學數理模型進行描述。完成立足于自由曲面的離軸三反光學系統的設計分析。其焦距大小為4500mm，同時其成像視場角大小為11°。同時還直接對比分析了傳統離軸三反光學系統跟次鏡為自由曲面離軸三反光學系統關鍵性能。光學系統中設計中需要從根本上使用自由曲面設計的光鏡，促使光學系統像差平衡能力得到基礎的保證。最后選擇最佳的方案，相對孔徑大小為D/f=1/9.0，促使光學自由曲面離軸三反光學系統得到有效設計。

關鍵詞：光學自由曲面；離軸三反光學系統；研究

1 概述

隨著各國之間的競爭愈加的激烈，目前各國之間經濟競爭中，最具代表性的競爭項目就是高科技，也就是說是一種信息技術之間的競爭。一個國家高科技發展水平以及發展潛力之間受到空間遙感技術水平的直接影響。因為在環境污染以及生態破壞控制過程中使用空間遙感技術可以取得非常顯著的效果。所以在權衡利弊之后，想要對生存環境進行保護以及維持，就需要提升以及創新空間遙感技術，促使我國社會以及經濟發展實現可持續發展。分析目前的實際情況得到，空間遙感光學系統取得了較為顯著的成績，其主要趨向于長焦距、大口徑、小體積、輕量化發展走向。在空間遙感系統中，廣泛使用的是反射式成像光學系統。反射式成像光學系統得到廣泛使用主要是因為具有以下特點：不存在色差、光學系統可實現折疊、輕量化發展等[1]。反射系統可以被分為以下幾個部分：第一個部分是四反射系統；第二個部分是三反射系統；第三個部分是兩反射系統。

2 基于自由曲面的光學離軸三反光學系統設計以及性能分析

選取光學系統的主要參數，分為以下幾個：第一個是焦距f（m）；第二個是視場角FOV（°）；第三個是相對孔徑D/f等。在確定主要參數的基礎上確定探測器像元尺寸大小。所以，焦距f（m）、視場角FOV（°）、相對孔徑D/f對于系統等重要性能指標直接造成非常大的影響，例如：成像帶寬（SW）、地面像元分辨力（GSD）、信噪比（SNR）、傳遞函數設計（MTF）等。大視場設計需要作者選擇使用COOK-TMA離軸三反構型參與設計，詳細如圖1：

其中，次鏡則主要為系統孔徑光闌，光學系統需要實現基本的對稱形式，最后完成一次成像離軸三反射鏡系統的設計。在上述的基礎上完成基于傳統非球面的離軸三反系統光學系統設計工作。

在完成設計工作之后得到，在存在結構尺寸約束的基礎上，從根本上滿足相關的任務指標，一般在長焦距大視場系統設計過程中，選擇使用的是常規離軸三反光學系統的長焦距。這樣一來就會存在相對較大的軸外像差。相比中心視場實際情況得到，會存在明顯降低軸外視場傳遞函數的情況，其下降幅度超過10.00%。有待提升其相關的系統優化平衡能力。上述限制條件會直接影響到常規非球面的傳統光學系統的事業，對其提出了全新的標準以及要求。在傳統離軸三反系統設計的過程中，相對孔徑D/f大小不一致，完成基于自由曲面次鏡的離軸三反系統的設計工作，會得到不同的關鍵性能指標。相比常規非球面離軸三反系統設計情況得到表1。

對比分析結果之后得到，自由曲面設計次鏡之后，對于傳統離軸TMA光學系統（相對孔徑D/f=1/9.0）來說，新型光學系統的關鍵性能指標效果更為顯著（相對孔徑/f=1/9.5），所以選取后者可以促使光學系統重量有效的減少，促使感器的體積得到明顯的縮小。所以，在實際工作，對系統性能指標需求進行綜合考慮，同時還需要綜合考慮遙感器載荷體積大小，嚴格按照重量限制的相關規范以及要求，最后選擇最佳的方案[2]。本次研究最佳的方案就是相對孔徑為D/f=1/9.5的光學系統優選方案，在實際工作中需要嚴格的要求光學系統。在系統設計過程的過程中，需要對次鏡研制難度進行針對綜合分析，對次鏡跟標準球面之間存在的偏差進行及時有效的修正，在完成系統優化設計工作之后，需要嚴格保證次鏡自由曲面跟標準球面偏離大小大概在0.0007 mm左右即可。在完成面形實時高精度檢測的過程中，需要有效的使用定制標準球面鏡結合的基礎，同時還要使用以數字樣板為基礎的非零位檢測方法，這樣一來就可以促使大口徑凸自由曲面反射鏡檢測難題得到最大程度的解決，對于后期自由曲面次鏡的加工過程有效的正確指導。

3 自由曲面高精度檢測技術以及加工技術

3.1 自由曲面次鏡凸反射鏡檢測技術

光學檢測技術人員在實際工作中最為顯著的問題就是大口徑凸非球面的檢驗工作。在光學元件制造的過程中，最為關鍵的環節就是穩定高效的高精度檢測方法。子孔徑拼接檢測方法、無像差點檢測方法、零位補償檢測方法是非常常見的凸反射鏡檢測方法。對于實際工程應用情況來說，是不存在的絕對“零位條件”，在光學檢測的過程中，普遍存在一定的非共路誤差情況[3]。唯一區別非零位檢測跟零位檢測兩者是其存在的非共路誤差大小，非零位檢測想要等效零位檢測，那么就需要在檢測過程中忽略非共路誤差對檢測結果精度，同時去除有效標定非共路誤差。

3.2 自由曲面次鏡凸反射鏡加工分析

自由曲面次鏡凸反射鏡加工其實際上不具備回轉對稱性，同時在自由曲面次鏡凸反射鏡加工的表面存在不一致的各點曲率半徑大小，所以，自由曲面次鏡凸反射鏡加工的過程中，其有特定的要求，那就是不可能跟常規平面或者是球面一樣采取工件尺寸相當的磨盤[4]。

自由曲面次鏡凸反射鏡加工最為常用的方法就是選擇使用確定性的技術路線，在實際工作中，需要使用面形檢測數據的基礎上，在使用計算機的基礎上對一個小磨頭進行控制，在研磨或者是拋光非球面光學表面的過程中，需要嚴格按照確定加工軌跡來完成，材料的去除量需要以在工件表面控制磨頭的駐留時間為基礎。自由曲面次鏡凸反射鏡采用龍門式結構作為加工中心的主體結構。其中，磨頭需要采取主軸擺動式變速平轉動的方法。

4 結束語

本次研究最為基礎的研究內容就是自由曲面的新型空間光學系統，主要是因為其存在以下特點：工程實現性非常的強、體積非常的小、性能非常的優越等。在實現自由曲面的新型空間光學系統設計的過程中，可以從根本上促使遙感器成像質量得到有效的提升。隨著社會的發展，空間地觀測系統實現了有效的發展，所以未來的發展趨向將會是自由曲面的新型光學系統。

參考文獻

[1]張磊，包睿，喬鑫，等.長波紅外離軸三反光學系統設計[J].電光與控制，2015，12（22）：1-8.

[2]王博，唐博.非致冷離軸三反光學系統研究[J].長春理工大學學報（自然科學版），2014，04（04）：6-9.

[3]孟慶宇，汪洪源，王嚴，等.大線視場自由曲面離軸三反光學系統設計[J].紅外與激光工程，2016，10（33）：156-163.

[4]高鐸瑞，胡輝，汪偉，等.一種改進的易于加工、裝調的離軸三反光學系統設計[J].中國激光，2015，06（23）：321-326.