基于光学自由曲面的离轴三反光学系统

孙素平

摘 要：目的是完成长焦距大视场离轴三反空间光学系统的有效设计以及研制，进而对自由曲面光学数理模型进行描述。完成立足于自由曲面的离轴三反光学系统的设计分析。其焦距大小为4500mm，同时其成像视场角大小为11°。同时还直接对比分析了传统离轴三反光学系统跟次镜为自由曲面离轴三反光学系统关键性能。光学系统中设计中需要从根本上使用自由曲面设计的光镜，促使光学系统像差平衡能力得到基础的保证。最后选择最佳的方案，相对孔径大小为D/f=1/9.0，促使光学自由曲面离轴三反光学系统得到有效设计。

关键词：光学自由曲面；离轴三反光学系統；研究

1 概述

随着各国之间的竞争愈加的激烈，目前各国之间经济竞争中，最具代表性的竞争项目就是高科技，也就是说是一种信息技术之间的竞争。一个国家高科技发展水平以及发展潜力之间受到空间遥感技术水平的直接影响。因为在环境污染以及生态破坏控制过程中使用空间遥感技术可以取得非常显著的效果。所以在权衡利弊之后，想要对生存环境进行保护以及维持，就需要提升以及创新空间遥感技术，促使我国社会以及经济发展实现可持续发展。分析目前的实际情况得到，空间遥感光学系统取得了较为显著的成绩，其主要趋向于长焦距、大口径、小体积、轻量化发展走向。在空间遥感系统中，广泛使用的是反射式成像光学系统。反射式成像光学系统得到广泛使用主要是因为具有以下特点：不存在色差、光学系统可实现折叠、轻量化发展等[1]。反射系统可以被分为以下几个部分：第一个部分是四反射系统；第二个部分是三反射系统；第三个部分是两反射系统。

2 基于自由曲面的光学离轴三反光学系统设计以及性能分析

选取光学系统的主要参数，分为以下几个：第一个是焦距f（m）；第二个是视场角FOV（°）；第三个是相对孔径D/f等。在确定主要参数的基础上确定探测器像元尺寸大小。所以，焦距f（m）、视场角FOV（°）、相对孔径D/f对于系统等重要性能指标直接造成非常大的影响，例如：成像带宽（SW）、地面像元分辨力（GSD）、信噪比（SNR）、传递函数设计（MTF）等。大视场设计需要作者选择使用COOK-TMA离轴三反构型参与设计，详细如图1：

其中，次镜则主要为系统孔径光阑，光学系统需要实现基本的对称形式，最后完成一次成像离轴三反射镜系统的设计。在上述的基础上完成基于传统非球面的离轴三反系统光学系统设计工作。

在完成设计工作之后得到，在存在结构尺寸约束的基础上，从根本上满足相关的任务指标，一般在长焦距大视场系统设计过程中，选择使用的是常规离轴三反光学系统的长焦距。这样一来就会存在相对较大的轴外像差。相比中心视场实际情况得到，会存在明显降低轴外视场传递函数的情况，其下降幅度超过10.00%。有待提升其相关的系统优化平衡能力。上述限制条件会直接影响到常规非球面的传统光学系统的事业，对其提出了全新的标准以及要求。在传统离轴三反系统设计的过程中，相对孔径D/f大小不一致，完成基于自由曲面次镜的离轴三反系统的设计工作，会得到不同的关键性能指标。相比常规非球面离轴三反系统设计情况得到表1。

对比分析结果之后得到，自由曲面设计次镜之后，对于传统离轴TMA光学系统（相对孔径D/f=1/9.0）来说，新型光学系统的关键性能指标效果更为显著（相对孔径/f=1/9.5），所以选取后者可以促使光学系统重量有效的减少，促使感器的体积得到明显的缩小。所以，在实际工作，对系统性能指标需求进行综合考虑，同时还需要综合考虑遥感器载荷体积大小，严格按照重量限制的相关规范以及要求，最后选择最佳的方案[2]。本次研究最佳的方案就是相对孔径为D/f=1/9.5的光学系统优选方案，在实际工作中需要严格的要求光学系统。在系统设计过程的过程中，需要对次镜研制难度进行针对综合分析，对次镜跟标准球面之间存在的偏差进行及时有效的修正，在完成系统优化设计工作之后，需要严格保证次镜自由曲面跟标准球面偏离大小大概在0.0007 mm左右即可。在完成面形实时高精度检测的过程中，需要有效的使用定制标准球面镜结合的基础，同时还要使用以数字样板为基础的非零位检测方法，这样一来就可以促使大口径凸自由曲面反射镜检测难题得到最大程度的解决，对于后期自由曲面次镜的加工过程有效的正确指导。

3 自由曲面高精度检测技术以及加工技术

3.1 自由曲面次镜凸反射镜检测技术

光学检测技术人员在实际工作中最为显著的问题就是大口径凸非球面的检验工作。在光学元件制造的过程中，最为关键的环节就是稳定高效的高精度检测方法。子孔径拼接检测方法、无像差点检测方法、零位补偿检测方法是非常常见的凸反射镜检测方法。对于实际工程应用情况来说，是不存在的绝对“零位条件”，在光学检测的过程中，普遍存在一定的非共路误差情况[3]。唯一区别非零位检测跟零位检测两者是其存在的非共路误差大小，非零位检测想要等效零位检测，那么就需要在检测过程中忽略非共路误差对检测结果精度，同时去除有效标定非共路误差。

3.2 自由曲面次镜凸反射镜加工分析

自由曲面次镜凸反射镜加工其实际上不具备回转对称性，同时在自由曲面次镜凸反射镜加工的表面存在不一致的各点曲率半径大小，所以，自由曲面次镜凸反射镜加工的过程中，其有特定的要求，那就是不可能跟常规平面或者是球面一样采取工件尺寸相当的磨盘[4]。

自由曲面次镜凸反射镜加工最为常用的方法就是选择使用确定性的技术路线，在实际工作中，需要使用面形检测数据的基础上，在使用计算机的基础上对一个小磨头进行控制，在研磨或者是抛光非球面光学表面的过程中，需要严格按照确定加工轨迹来完成，材料的去除量需要以在工件表面控制磨头的驻留时间为基础。自由曲面次镜凸反射镜采用龙门式结构作为加工中心的主体结构。其中，磨头需要采取主轴摆动式变速平转动的方法。

4 结束语

本次研究最为基础的研究内容就是自由曲面的新型空间光学系统，主要是因为其存在以下特点：工程实现性非常的强、体积非常的小、性能非常的优越等。在实现自由曲面的新型空间光学系统设计的过程中，可以从根本上促使遥感器成像质量得到有效的提升。随着社会的发展，空间地观测系统实现了有效的发展，所以未来的发展趋向将会是自由曲面的新型光学系统。

参考文献

[1]张磊，包睿，乔鑫，等.长波红外离轴三反光学系统设计[J].电光与控制，2015，12（22）：1-8.

[2]王博，唐博.非致冷离轴三反光学系统研究[J].长春理工大学学报（自然科学版），2014，04（04）：6-9.

[3]孟庆宇，汪洪源，王严，等.大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计[J].红外与激光工程，2016，10（33）：156-163.

[4]高铎瑞，胡辉，汪伟，等.一种改进的易于加工、装调的离轴三反光学系统设计[J].中国激光，2015，06（23）：321-326.