离轴三反望远镜主镜和三镜面形误差补偿机理

为保证大口径离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat,TMA)光学系统在轨成像质量,探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理,以矢量像差理论为基础,用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差,并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现,位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散;提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式,以系统出瞳波像差RMS值为评价标准,构建离轴TMA系统像差补偿模型,利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明:系统主镜存在0.5λ像散与彗差时,所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ;系统三镜存在0.05λ像散与彗差时,可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ,且当三镜面形误差在(-0.03λ,0.03λ)范围内时,可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值,使系统成像质量满足要求,为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。

高分辨率空间相机共轴三反光学系统实现形式研究

为了设计出高分辨率空间相机的光学系统,研究了反射式光学系统中存在次镜对主镜的中心遮拦等问题。通过对共轴三反射光学系统结构参数和最终视场在像面上的分布情况的分析,提出了半视场、全视场和环形视场3种光学形式,设计了焦距为3 000 mm、F数为10的3种形式的共轴三反光学系统。设计结果表明:3种共轴三反光学系统在有效视场角内成像质量均接近衍射极限,可以满足高分辨率空间相机不同的使用要求,指出半视场共轴三反光学系统适合于线阵CCD推扫成像,全视场共轴三反光学系统可用于面阵CCD凝视成像,环形视场共轴三反光学系统可实现一台相机上全色和多光谱成像的要求。

用于成像光谱仪的宽视场离轴三反望远镜设计

大相对孔径宽视场成像光谱仪已成航天、航空遥感的迫切需求,要求其望远镜具有大相对孔径、宽视场和像方远心、成像质量高等特点.以同轴三反望远镜的几何成像理论为基础,研究了大相对孔径、宽视场远心离轴三反望远镜的光学设计问题,并且编制了初始结构计算程序.采用视场离轴方式设计了一个波段范围200～1 000nm,焦距210mm,相对孔径1∶2.5,线视场14°的远心离轴三反望远镜,主镜和三镜为6次非球面,次镜为二次曲面.点列图直径的均方根值小于16μm,80%的能量集中在一个像元以内,在奈奎斯特空间频率22.2lp/mm处,调制传递函数大于0.75,畸变小于0.2%,各项指标均满足应用要求.

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。

三点支撑变形对三反射消像散望远镜像散场的影响

为了提高大口径望远镜的装调效率,对具有三点支撑变形的大口径三反射消像散望远镜在装调过程中的像散场分布进行了研究。采用矢量像差理论和孔径坐标变换,分析了在孔径光阑和非孔径光阑处反射镜存在三点支撑变形时,像散在望远镜失调和非失调情况下的分布特性。最后,在光学设计软件CODE V中利用条纹Zernike多项式Z10和Z11来模拟反射镜三点支撑变形引入的面形误差,通过实际光线追迹对像散场分布特性进行了验证。分析结果表明:当三点支撑变形位于主镜(孔径光阑)上时,不会影响望远镜的像散场分布;当三点支撑变形位于次镜或三镜(非孔径光阑)上时,将会产生与视场共轭成线性的像散项,导致望远镜在失调或非失调情况下的像散出现不同的分布特性。在最终装调时,通过分析像散场的分布可对望远镜的装调状态进行定性的分析,从而为大口径三反射消像散望远镜的装配提供指导。

星载大视场短波红外成像光谱仪光学设计

根据大视场短波红外成像光谱仪的要求,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的方法,分析了视场分离方法的原理.利用此方法设计了一个星载大视场短波红外成像光谱仪光学系统,该系统由11.42°远心离轴三反消像散前置望远系统和2个Offner凸面光栅光谱成像系统组成,运用光学设计软件CODEV和ZEMAX对成像光谱仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到0.7以上,完全满足设计指标要求.

Offner型成像光谱仪前置光学系统设计

针对Offner型成像光谱仪结构特点，总结了其前置望远系统的选型及设计原则；介绍了一种大视场、长焦距、像方远心离轴三反光学系统的设计方法；利用该方法优化设计了一款焦距800 mm，视场达8.6o×0.148o，工作波段0.9~5μm的星载Offner型成像光谱仪的前置望远光学系统。对其性能分析表明，在Nyquist频率16.7 lp/mm处，各谱段的调制传递函数值均在0.65以上，接近衍射极限，完全满足成像质量要求。同时证明了该设计方法可行，所设计系统结构紧凑，较易加工，适于空间遥感用Offner型成像光谱仪。

空间光学系统技术发展探讨

文章总览国际典型大科学工程和计划,对空间光学系统技术在过去20年的发展做出了简要的归纳和总结。同时通过跟踪一些领域前沿和技术生长点,指出了一些可能对未来空间光学系统带来重大改变的方向。

星载高分辨力、大视场高光谱成像仪光学设计

根据高分辨力、大视场的要求,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离分光的方法,分析了视场分离分光的原理。利用此方法设计了一个星载高分辨力、大视场高光谱成像仪光学系统,该系统由11.42°远心离轴三反消像散(TMA)望远系统和2个Offner凸面光栅光谱成像系统组成,运用光学设计软件CODEV对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到0.7以上,完全满足设计指标要求。

太阳CO 4.66μm光栅光谱仪的光学设计

为了实现对太阳中红外光谱CO 4.66μm波段的观测,设计了一台光谱中心波长为4.667μm的高分辨中红外光谱仪。基于科学观测需求分析了光谱仪的技术指标,为降低红外仪器的背景辐射,光谱仪整体置于真空制冷环境中;为达到高分辨率的观测需求,采用中阶梯光栅作为分光器件;为获得更优的像质,同时达到压缩光路的目的,光谱仪采用李特洛结构与离轴三反消像散技术相结合的光学设计,离轴三反同时承担了光谱仪中准直和成像的功能。在同轴三反系统的几何光学成像理论的基础上,研究了同轴三反结构、离轴三反结构以及光谱仪结构的求解和设计优化方法。光谱仪的焦距为1 300 mm,数值孔径为0.035,视场为20.3'×0.158',系统的整体尺寸小于700 mm。结果表明,在工作波段范围内,光谱仪点列图的均方根直径小于5μm,能量集中于一个像元尺寸范围内,光谱仪系统设计结果满足要求。

22m焦距太空望远镜光学设计

在三级像差理论上对大视场小体积的三反消像散系统进行了探讨，采用了共轴设计、偏置视场使用的成像方式，采用了拼接主镜，对系统进行了相应的误差分析，并在光路的中间像附近引入双折叠镜，通过多次反射压缩光路，有效降低系统体积。设计了一个长焦三反系统，焦距为22m，视场角为0．8°×0．1°，引入折叠镜后系统总长约f’／5-f’／5．5，结构简单。

大视场高分辨力星载成像光谱仪光学系统设计

大视场、高分辨力星载成像光谱仪已成为空间遥感的迫切需求。根据大视场、高分辨力的研究目标,提出了先视场分离分光再用分色片分光的设计方法,分析了视场分离分光的原理。设计了一个全反射式星载成像光谱仪光学系统,该系统由指向镜、11.42°远心离轴三反消像散(TMA)前置望远系统和4个Offner凸面光栅光谱成像系统组成,通过恰当选择4个光谱成像系统的变倍比来实现2种探测器的匹配。运用光学设计软件CODE V对成像光谱仪调制系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析。分析结果表明,光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到0.7以上,完全满足设计指标要求;同时证明了设计方法是可行的。

大口径反射镜面形误差对光学系统像差特性的影响

依据波像差理论和坐标变换分析了大口径反射镜面形误差对光学系统初级像差特性的影响。利用FringeZernike多项式表示光学系统的波像差和反射镜面形误差,通过变换矩阵分析可知当系统孔径光阑(出瞳或入瞳)光学表面存在面形误差时,将会在全视场内引入常量的波像差系数。如果非系统孔径光阑表面存在面形误差,由于孔径变换的原因,除了在全视场内引入的常量波像差系数外,还将会在全视场内引入低阶的波像差系数且其零点位于中心视场,不同的波像差系数与视场的依据关系不同。分析结果表明利用坐标变换矩阵可以对反射镜面面形误差引入的波像差进行定性分析,以提高大口径反射光学系统的装调效率。