宽视场成像光谱仪前置远心离轴三反光学系统设计
Offner型成像光谱仪前置光学系统设计_闫兴涛
收 稿 日 期 ：2013-02-04 ； 修 订 日 期 ：2013-03-08 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 (60808028) ； 国 家 863 计 划 (2009AA122203) 作 者 简 介 ： 闫 兴 涛 (1986-) ， 男 ， 博 士 生 ， 主 要 从 事 光 学 设 计 方 面 的 研 究 。 Email:xingtao.yan@ 导 师 简 介 ： 杨 建 峰 (1969-) ， 男 ， 博 士 生 导 师 ， 博 士 ， 主 要 从 事 光 学 设 计 与 光 谱 成 像 方 面 的 研 究 。 Email:yangjf@
第 42 卷第 10 期 Vol.42 No.10
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2013 年 10 月
Oct.2013
Offner 型成像光谱仪前置光学系统设计
闫兴涛 1,2，杨建峰 1，薛 彬 1，马小龙 1，赵意意 1,2，卜 凡 1,2
(1. 中国科学院西安光学精密机械研究所 光谱成像技术实验室，陕西 西安 710119； 2. 中国科学院大学，北京 100049)
综 上 所 述 ， 对 于 Offner 型 成 像 光 谱 仪 应 选 用 中 间不成像的视场离轴三反消像散结构作为其前置望 远系统的基本结构。
典 型 Offner 型 成 像 光 谱 仪 结 构 如 图 1 所 示 。
2714
红外与激光工程
第 42 卷
图 1 Offner 型 成 像 光 谱 仪 系 统 的 结 构 图 Fig.1 Structural sketch map of Offner imaging spectrometer
成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计
成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计
李欢;周峰
【期刊名称】《航天返回与遥感》
【年(卷),期】2012(033)002
【摘要】视场宽、结构紧凑、质量轻是空间光学系统设计研究的热点。
文章从离轴三反望远系统的应用技术指标分析、设计思想、设计流程及光学系统优化4个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计出一个光谱范围0.4～2.5μm、焦距f′=700mm、相对孔径f′/4、线视场角20°的离轴三反望远系统,次镜为球面,主镜和三镜非球面最高次数为4次,在Nyquist频率27.8对线/mm处,调制传递函数值均大于0.87。
【总页数】6页(P28-33)
【作者】李欢;周峰
【作者单位】北京空间机电研究所,北京100076;北京空间机电研究所,北京100076
【正文语种】中文
【中图分类】O439
【相关文献】
1.双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计 [J], 姚波;袁立银;亓洪兴;舒嵘
2.共轴偏光瞳宽视场折轴三反射光学系统设计 [J], 李旭阳;马臻;李英才
3.用于成像光谱仪的宽视场离轴三反望远镜设计 [J], 陈伟;薛闯
4.大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计 [J], 刘强;王欣;黄庚华;舒嵘
5.宽视场长焦距离轴三反射镜光学系统的设计 [J], 陈浩锋;李英才;樊超;易红伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
离轴三反望远镜设计
光学与电子信息学院课程设计报告（2019-2020学年第一学期）论文名称自由曲面离轴三反系统设计课程类别必修专业班级-学号-姓名-任课教师-完成时间-摘要时代的发展对信息的掌握能力提出了更高的要求，而观测是获取信息的一个重要前提，因而各种大视场、高质量的成像系统也成为了较为迫切的需求。
在多种光学系统中，反射式系统由于其易加工、无色差的特点具有良好的发展前景；在反射系统中，最常用的又是离轴三反式系统。
在反射系统中引入自由曲面，能够获得更好的像差消除能力，并提供较高的优化自由度，提升成像质量[1, 2]。
本文针对指定要求视场和畸变的光学系统作出了设计，完成了光学系统的选型、初始结构计算设计以及优化，得到了焦距1200mm，F-number为14的离轴三反系统，对该系统进行了像质评价，并且利用蒙特卡洛方法对其进行了公差分析。
本文对长焦距、大视场的光学成像系统作出了一个设计的尝试，完成了进行应用的基础。
关键词：自由曲面；离轴三反；大视场；蒙特卡洛目录摘要 (2)1背景介绍 (1)1.1研究背景 (1)1.2光学系统的选择 (2)1.2.1折射系统与反射系统的比较 (2)1.2.2离轴三反系统的两种类型 (3)1.3光学自由曲面 (4)2设计指标 (6)3设计步骤 (7)3.1初始结构的确定 (7)3.2初始结构参数表与图示 (8)4优化步骤 (11)4.1焦距与F数的优化 (11)4.2点列图的优化 (11)4.3MTF的优化 (12)5设计结果及性能评估 (17)5.1设计结果 (17)5.2性能评估 (19)5.2.1像差曲线 (19)5.2.2波前差 (19)5.2.3弥散斑 (22)5.2.4点扩散函数(PSF) (23)5.2.5能量集中度曲线及MTF曲线 (24)5.2.6畸变分析 (25)5.2.7焦距与F数 (25)6公差分析 (26)7存在问题 (29)8总结与展望 (30)8.1设计总结 (30)8.2未来展望 (30)参考文献 (31)1背景介绍1.1研究背景随着时代的发展，对信息的掌握能力成为了衡量一个国家科技实力的决定因素之一，而光学系统在观测目标、获取信息方面具有重要的价值和意义。
基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计
基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计摘要：关键词：传递矩阵，非球面透镜，棱镜，宽视场，畸变概述：宽视场离轴三反光学系统由于具有较大的视场角度和高质量的成像效果，在实际应用中被广泛运用于望远镜、航空摄影、光学测量等领域。
在实际应用中，该系统需要具有高质量的成像效果和较小的畸变，因此在设计过程中需要合理选择系统结构和参数，以及优化系统的光学设计。
系统结构和参数的选择：在确定系统结构和参数时，需要考虑到系统的使用环境和要求，并结合非球面透镜和棱镜的特性进行选择。
在本文设计的系统中，选择了三反射式结构，由于该结构具有简单、紧凑、易制造等特点。
系统中采用了高质量的非球面透镜和无色棱镜，以实现较高的成像质量和较小的畸变。
传递矩阵模型的建立：在建立传递矩阵模型时，需要根据系统结构和参数，将系统分成若干个子系统，并分别建立相应的传递矩阵模型。
为了考虑非球面透镜和棱镜的影响，需要采用复合矩阵法，将传递矩阵合成为总的传递矩阵。
为了避免误差积累，需要将系统分成若干个小段，并采用迭代法求解。
在确定系统参数时，需要考虑到系统成像质量和畸变的影响。
系统成像质量主要受到非球面透镜的影响，而畸变则主要受棱镜的影响。
在设计过程中，需要对非球面透镜的曲面形状和棱镜的角度进行优化。
在本文的设计中，采用了遗传算法来进行系统参数的优化，以得到最优的成像效果和畸变。
评价和分析：通过实际制作和测试，本文所设计的宽视场离轴三反光学系统成像质量较高，畸变较小，并达到了设计要求。
通过对系统的评价和分析，可以发现系统的成像效果主要受到非球面透镜的影响，而棱镜的影响并不明显。
在实际应用中，需要合理选择非球面透镜的曲面形状，以实现更好的成像效果。
结论：进一步分析：在实际应用中，宽视场离轴三反光学系统具有广泛的应用前景。
由于该系统可以有效解决传统光学系统中的畸变问题，并能够实现较大的视场角度和高质量的成像效果，因此在望远镜、航空摄影、光学测量等领域得到了广泛的应用，受到了科研人员和工程师的高度关注。
离轴三反成像光谱仪光学系统设计
ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｒ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｔ ｈｅ ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｉ ｔ ｏ ｎ ｐ ｒａ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ， ｉ ．ｅ ．ｔ ｈｅ ｒ ａ ｄ ｉ ｉ ａ ｎ ｄ
ｉ ｎ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ
Ｚｈ ａ ｎ ｇ Ｔｉ ｎ ｇ ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ，Ｌｉ ａ ｏ Ｚｈ ｉ ｂ ｏ
（ Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ９ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈ ｅ ｈｉ ｇ ｈ— ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｉｅ ｆ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍｓ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｍ ｕ ｓ ｔ ｈ ａ ｖ ｅ ｓ ｏ ｍｅ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ，ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｌ ｒｇ ａ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ｒ ａ ＦＯＶ ，ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ａ ｐｅ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ，ｗ ｉ ｄ ｅ － ｓ ｐｅ ｃ ｒａ ｔ ｌ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ，ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｗｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｅ ｄ，ｅ ｔ ｃ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｍ ａ ｋ ｅ ｓ ｔ ｈｅ ｏ ｆ－ ａ ｘｉ ｓ ａ １ ｌ ｒ ｅ ｌｅ ｆ ｃ ｉ ｔ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍｓ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ｎｔ ａ ｒ ｅ ｓ ｅ ｒｃ ａ ｈ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｉ ｔ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈｉ ｓ ｆ ｉｅ ｌ ｄ ． Ａ
成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计
成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计摘要：成像光谱仪是一种光学设备，通过对光波的分光和成像，能够对物体进行高精度的光谱测量，是现代高科技领域中不可或缺的重要设备之一。
本文就宽视场离轴三反望远系统的光学设计展开讨论，探讨如何通过构建光路，克服离轴场和色差的问题，实现高精度成像。
关键词：成像光谱仪；光学设计；离轴三反望远系统；宽视场；色差一、引言成像光谱仪是一种利用空间光学技术，将光波分光后进行成像的一种高科技仪器。
它具有精度高、分辨率好、稳定性强等特点，在化学、生化、医学等领域中得到广泛的应用。
本文将主要讨论宽视场离轴三反望远系统的光学设计，为读者提供一份系统的分析和设计方案。
二、光路设计在成像光谱仪中，光路设计是非常重要的一步。
通过光路的设计和构建，能够克服离轴色差等问题，实现高精度成像。
本文采用的是离轴三反望远系统，这种系统的主要优点是可以消除离轴像差，提高成像质量。
而且，在宽视场的情况下，也能够有比较好的成像效果。
离轴三反望远系统主要包括四个光学元件，分别是物镜、准直镜、弯晶镜、平行光板。
物镜起到了成像的重要作用，是整个光路中影响成像质量的关键元件。
准直镜和弯晶镜则能够控制离轴像差的大小，提高成像质量。
平行光板则是起到相干光传播的作用，使得光在系统中保持相干性，从而保证了成像的清晰度和稳定性。
为了提高宽视场的成像质量，本文采用了黎曼透镜的设计方式。
黎曼透镜具有宽视场、大孔径等优点，在成像光谱仪中应用广泛。
因此，将黎曼透镜的设计方式应用到离轴三反望远系统的光学设计中，可以显著提高成像质量。
三、色差控制色差是成像光谱仪中所面临的一大问题。
色差的存在，会导致成像的清晰度和精度下降。
因此，在系统的光学设计中，需要采用一些控制色差的方法，以保证成像的高精度和稳定。
一种解决色差的方法是采用同时具有正像差和负像差的镜头设计。
这种设计方式能够有效减弱色差的影响，提高成像的质量和精度。
高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计
航天返回与遥感第42卷第1期92SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING2021年2月高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计王保华李可唐绍凡张秀茜王媛媛（北京空间机电研究所，北京 100094）摘要针对高空间分辨率、高光谱分辨率和大幅宽成像的遥感应用需求，提出了高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪技术方案，分析确定了成像光谱仪光学系统指标，设计了空间成像光学系统和光谱成像光学系统。
空间成像光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案，实现了大视场、大相对孔径像方远心设计，系统相对畸变小于0.02%；光谱成像光学系统的狭缝长度超过90mm，采用新型离轴透镜补偿型Offner设计方案，实现了长狭缝高保真光谱成像设计，谱线弯曲和色畸变均小于1/10像元尺寸。
设计结果表明，高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统简单紧凑，成像品质接近系统衍射极限，满足星载高光谱对地成像的数据应用要求。
关键词成像光谱仪光学系统设计自由曲面凸面光栅航天遥感中图分类号: O439文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2021)01-0092-08DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.011Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer withHigh Resolution and Super SwatchWANG Baohua LI Ke TANG Shaofan ZHANG Xiuqian WANG Yuanyuan（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）Abstract In order to meet the requirements of remote sensing applications with high spatial resolution, hyperspectral resolution and super swatch, a new scheme of the space imaging spectrometer with high resolution and super swatch is put forward. The spatial resolution and swatch are 50m and 150km respectively, and the hyperspectral resolution can be better than 5nm between 0.4μm and 1.0μm. The comprehensive performance has reached the international advanced level. The index parameters are optimized based on SNR and the modulation transfer function. Then the space imaging optical system and the spectrum imaging optical system are designed according to the optical desigh parameters. The free-form surface is adopted for the off-axis mirror to realize telecentric design of wide field of view and large relative aperture. The relative distortion is lower than 0.02%. The slit length is over 90mm in the spectrum imaging optical system. And the new oftener configuration with off-axis correction lens is put forward to realize high fidelity design. The keystone and smile can be both controlled within 1/10 pixel. The optical system of the space imaging spectrometer with high resolution and super-swatch has so favorable imaging quality and compact volume,收稿日期：2020-03-02基金项目：科技部国家重点研发计划项目（2016YFB0500501）引用格式：王保华, 李可, 唐绍凡, 等. 高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(1): 92-99.WANG Baohua, LI Ke, TANG Shaofan, et al. Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer withHigh Resolution and Super Swatch[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 92-99. (in Chinese)第1期王保华等: 高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计 93which can satisfy the demand of remote sensing application.Keywords imaging spectrometer; optical system design; free-form surface; convex grating; space remote sensing0 引言成像光谱仪是一种将成像技术与光谱技术相结合的新型光学遥感仪器，可以同时采集目标的空间信息、辐射信息和光谱信息，形成谱像合一的数据立方体，在大气、陆地、海洋、农林、应急减灾、水土和矿产资源调查等领域具有重要应用价值[1-3]。
基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计
基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统
设计
基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计
传递矩阵是一种用于描述光线在光学系统中传播的数学工具。
在光学系统设计中，传递矩阵可以用来计算光线的传播路径和光线的偏振状态等信息。
在本文中，我们将介绍一种基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计。
宽视场离轴三反光学系统是一种常用于望远镜和显微镜等光学系统中的设计。
它由三个反射面组成，其中两个反射面是离轴的，而第三个反射面则是轴对称的。
这种设计可以有效地减少像差和畸变等光学问题，同时还可以实现宽视场和高分辨率的要求。
在本文中，我们将采用传递矩阵的方法来设计这种光学系统。
首先，我们需要确定系统的光路和反射面的位置和形状。
然后，我们可以使用传递矩阵来计算光线在系统中的传播路径和偏振状态。
最后，我们可以根据设计要求来优化系统的参数，以实现最佳的光学性能。
在实际的光学系统设计中，还需要考虑到材料的折射率、反射率和散射等因素。
此外，还需要进行光学测试和调整，以确保系统的性能符合设计要求。
基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计是一种高效、精确和可靠的光学设计方法。
它可以帮助我们实现高质量的光学系统，满
足各种应用需求。
用于成像光谱仪的宽视场离轴三反望远镜设计_陈伟
Ｖｏｌ．４２ Ｎｏ．８ Ａｕｇｕｓｔ ２０１３
ｄｏｉ：１０．３７８８／ｇｚｘｂ２０１３４２０８．０９５０
用于成像光谱仪的宽视场离轴三反望远镜设计
陈伟，薛闯
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 １３００３３）
摘 要：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 ２１０ ｍｍ，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 ． 关 键 词 ：光 学 设 计 ；望 远 镜 ；成 像 光 谱 仪 ；离 轴 三 反 消 像 散 ；空 间 分 辨 力 中图分类号：Ｏ４３３．１；ＴＮ７４４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－４２１３（２０１３）０８－０９５０－６
２ 初始结构参量计算
离轴三反望远镜是在同轴三反望远镜的基础上 进行离轴得到的，所 以 同 轴 三 反 望 远 镜 的 三 级 像 差 理论是离轴三反望 远 镜 设 计 的 基 础．首 先 把 离 轴 三 反望远镜看成同轴 系 统 进 行 初 始 结 构 参 量 计 算，同 轴三反望远镜的光学结构和参量定义如图１所示， 图 中 所 标 长 度 量 均 为 带 有 符 号 的 量 ，规 定 ，从 左 到 右 为 正 ，从 右 到 左 为 负 ．
10_远心离轴三反消像散望远系统的光学设计
Email :cclhuan @126. com 修回日期 :2008 - 10 - 22
中 ,主镜 、次镜和三镜的顶点曲率半径分别为 R1 、R2 和 R3 ,主镜与次镜 、次镜与三镜的间隔分别为 d1 、 d2 ,系统像方焦距为 f ′. 对于望远系统 ,假定物体位 于无穷远 ,即 l1 = ∞, u1 = 0 (其中 l1 和 u1 分别为主 镜的物距和物方孔径角) .
衍射极限 ,在空间频率 27. 8 对线/ mm 处 , M TF 值 大于 0. 85 ,像元最大光斑的均方根 ( RMS) 尺寸为 6μm ,小于探测器像元尺寸 18 μm ,满足设计要求. 图 6 为主镜非球面与最佳拟合球面的差值曲线. 由 差值曲线可见 ,在整个口径内 ,主镜非球面与最佳拟 合球面间最大差值为 52μm.
3 设计流程
根据式 (4) ～ (11) ,给出远心离轴三反消像散系 统的程序设计框图.
图 2 平像场 、远心三反望远系统程序设计 Fig. 2 Flow chart of p rogram design of t he flat field ,
telecent ric t hree2mirror telescope
ICA
Vol. 38 No . 9 September 2009
10°远心离轴三反消像散望远系统的光学设计 3
李欢1 ,2 ,向阳1
(1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室 , 长春 130033) (2 中国科学院研究生院 ,北京 100049)
摘 要 :在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上 ,研究了成像光谱仪用远心宽视场 、大相对孔 径离轴三反消像散系统的设计问题 ,推导出了平像场 、远心三反消像散系统初始结构参量和三级像 差的计算方程. 在给定系统像方焦距 f ′和 F/ # 的情况下 ,只要给定次镜对主镜的遮拦比α1 和次 镜口径 D2 的具体值 ,就可以得到一个平像场 、远心三反消像散成像系统的初始结构 ,通过进一步 优化可得到满足设计要求的结果. 据此设计出一个光谱范围 0. 4～2. 5 μm 、焦距 f ′= 720 mm 、相 对孔径 F/ 4 、线视场角为 10°的平像场 、远心离轴望远系统 ,其主镜为 6 次非球面 ,次镜和三镜为椭 球面 ,在空间频率 27. 8 对线/ mm 处 ,调制传递函数值大于 0. 85. 关键词 :成像光谱仪 ;望远系统 ;光学设计 ;三反镜系统 ;远心 中图分类号 :O439 文献标识码 :A 文章编号 :100424213 (2009) 092225625
宽视场成像光谱仪前置远心离轴三反光学系统设计
以共轴三反系统成像理论[ 13] 为基础, 选择一次 成像结构对远心三反成像系统进行研究。
如图 1 所示, f 为共轴三反系统的焦距, 三个反 射镜 M 1 、M 2 和 M 3 的顶点曲率半径分别为 R 1 、R2 和 R3 , 主镜 M1 与次镜 M 2 间隔为 d1 , 次镜 M 2 与三 镜 M3 间隔为 d2, 三镜 M3 与像面的间隔为 d3 , 即 图 1中的 l3 。
e23 1 ( 1+
1)4 -
2 1
(
1
+
1)( 1-
1)2 ,
( 9)
S II =
1 4
e22 ( 1 - 1 ) ( 1 + 1 ) 3 +
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2 1
-
2) ( 1+
1)3 -
5 1
+
2
4 1
+
3 1
-
3
2 1
-
1
,
( 10)
S III =
1 41
e22 ( 1 -
1)5 +
e23 (
2 1
0622004 1
开展了远心离轴 三反系统的研 究设 计, 如: Jun ichi 等[ 11] 设计的远心离轴三反系统焦距 为 700 mm 、F 数为 4、IF OV 为 6 , 主镜为双曲面镜、 次镜为球面镜、三镜为扁椭球面镜; 李欢等[ 12] 设计 的远心离轴三反系统焦距为 720 m m、F 数为 4、视 场角为 10 , 主镜为 6 次非球面镜、次镜和三镜为椭 球面镜。
Abstract I n order to meet the needs of the wide field of view ( FOV ) imaging spectrometer development, the problem about optical design of telecentric, wide FOV, large relative aperture, off axis three mirror system is studied, and the expressions of initial configuration parameters and the third order aberrations for flat field, telecentric, three mirror system are educed. With the specific requirements of 0. 4~ 2. 5 m spectral range, F number is 4, 720 mm focal length, 10 FOV, a flat field, telecentric, off axis three mirror imaging system is designed, in which the secondary mirror is convex spheric mirror, the primary mirror and the third mirror are concave conicoid and coplanar, and all the three mirrors are coaxial. The design result indicates that the imaging quality of the designed system approaches the diffraction limit at full FOV in the required wave band. Key words optical design; off axis three mirror system; telecentric; wide field of view; imaging spectrometer OCIS codes 220. 4830; 220. 3620; 120. 6200
大视场离轴三反光学系统设计
大视场离轴三反光学系统设计超大视场离轴三反光学系统设计（一）系统概述超大视场离轴三反光学系统是一种具有超大视场、低失真和高性能的反光学系统，主要包括反光镜、聚焦镜组、准直镜组、透镜组和其他光学元件，采用先进离轴技术设计开发。
它能够实现对大物体的密集成像以及实现低失真、高质量的图像。
（二）设计原则1.系统设计原则：应该特别注意偏准物稳定性、图像准直和色散校正。
2.光学元件：尽可能选用可靠性高、性能良好的元件并采用先进的离轴技术，以确保系统能够快速响应，提升性能和质量。
3.复杂结构：系统应该简单但有效，减少系统中的复杂元件数量，减轻重量、减少体积，提高系统的可携带性。
（三）基本结构该系统的基本结构具有如下特点：（1）反光镜以及准直镜组采用多反射面来实现高亮度、高质量的图像在镜片之间，而不是复合光学元件；（2）多反射面设计需要精确的模仿实现；（3）聚焦镜组采用单反射面结构，可以确保系统的精度和可靠性；（4）透镜组则采用由紫外光、可见光和近红外光三种类型的透镜组合，能够得到高质量的图像。
（四）特性1.超大视场：采用离轴技术、多层反射面以及透镜组合的超大视场离轴三反光学系统能够传递大量信息，实现对大物体的密集成像。
2.低失真：采用最新的离轴技术和准直器精确控制，确保图像准直和色散校正，消除几何变形，实现低失真、高质量的图像。
3.高性能：系统的结构紧凑，减少了尺寸和重量，使其可以作为便携式设备使用，提升性能和质量。
（五）总结超大视场离轴三反光学系统具有超大视场、低失真和高性能的特性，可以实现大物体的密集成像，是当今最先进的反光学系统。
它不仅可以用于精密医学成像，而且还具有广泛的临床应用价值，可满足当前市场对高性能设备的需求。
应用于大视场生物成像分析仪的离轴三反显微物镜设计
第 14 卷 第 5 期 2021 年 9 月
文章编号 2095-1531（2021）05-1177-07
中国光学 Chinese Optics
Vol. 14 No. 5 Sept. 2021
应用于大视场生物成像分析仪的离轴 三反显微物镜设计
刘广兴1,2 *，张 洋2，朱海龙2，尹焕才2，唐玉国1,2 *
引用本文: 刘广兴,张洋,朱海龙,尹焕才,唐玉国. 应用于大视场生物成像分析仪的离轴三反显微物镜设计[J]. 中国光学, 2021, 14(5): 1177-1183. doi: 10.37188/CO.2021-0020 LIU Guang-xing, ZHANG Yang, ZHU Hai-long, YIN Huan-cai, TANG Yu-guo. Objective lens design with off-axis three-mirror system for large field of view biological imaging analyzer[J]. Chinese Optics, 2021, 14(5): 1177-1183. doi: 10.37188/CO.20210020
像理论为基础，采用视场离轴的方式设计了离轴三反显微物镜，并进行光学仿真分析。该系统光谱范围为 350~1 100
nm、放大倍数 β=−1，视场范围为 150 mm×20 mm，数值孔径为 0.1，点列图直径的均方根小于 3.5 μm，在空间截止频率
178 lp/mm 处，全视场的 MTF 均值大于 0.35，畸变为 0。实验结果表明：该成像系统视场大、分辨率高，大视场生物成像
（1. 中国科学技术大学 生物医学工程学院，安徽 合肥 230026； 2. 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163）
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收稿日期: 2010 11 17; 收到修改 稿日期: 2011 02 25 基金项目: 国家自然科学基金( 60538020) 资助课题。 作者简介: 刘晓梅( 1981 ) , 女, 博士研究生, 主要从事成像光谱仪光学系统设计方面的研究。 E mail: two day s999@ sohu. com 导师简介: 向 阳( 1963 ) , 男, 研究员, 博士生导师, 主要从事成像光谱技术和光学检 测等方面的研究。 E mail: xiang y@ sklao . ac. cn
图 1 共轴三反系统
Fig. 1 Coax ial t hr ee mirr or system
为了使共轴三反系统成为像方远心光学系统,
将孔径光阑置于次 镜 M2 边缘, 光阑 面与次镜 M 2 顶点重合, 并使孔径光阑到三镜 M 3 的距离 d2 为三 镜 M3 顶点曲率半径 R3 的一半, 即孔径光阑位于三 镜 M3 物方焦点处, 该系统出瞳( 孔径光阑经三镜成
程组。为了使系统结构紧凑、体积小, 取 | d1| = | d2| ,
得 1 = 0. 5, 此时主镜和三镜共面, 结构最紧凑。为
了降低制造难度和成本[ 14, 15] , 选择次镜为凸球面镜
( 即 e2 2 = 0) 。
0622004 2
刘晓梅等: 宽视场成像光谱仪前置远心离轴三反光 学系统设计
于 1 的正数。取 R1 < 0、R2 < 0、R3 < 0, 即三反系统
的主镜和三镜为凹面镜、次镜为凸面镜, 这样的面形
排列具有体积小、结构紧凑的特点。
根据三级像差理论, 推导出平像场远心三反系 统的三级球差 S 、彗差 S 和像散 S 的系数表达式 分别为
SI =
1 4
( e21 - 1) - e22 1 ( 1+ 1 ) 3 +
( 5)
d1 = (1- 1)f ,
( 6)
d2 = - 1f ,
( 7)
d3 = (1+ 1) 1f .
( 8)
由( 3) ~ ( 8) 式可以看出, 孔径光阑位于次镜的
远心三反系统的结构尺寸参数只由系统焦距 f 和
次镜对主镜的遮拦比 1 决定。对于一次成像结构
系统, 焦距 f 为负值, 次镜对主镜的遮拦比 1 为小
像) 在无穷远, 入瞳( 孔径光阑经主镜成像) 与系统物 方焦点重合, 由几何光学成像理论可知, 此时三反系
统为像方远心光学系统, 即系统远心条件式为
d2 = -
R3 2
.
( 1)
设 1 和 1 为次镜 M 2 对主镜 M1 的遮拦比和 放大率, 2 和 2 为三镜 M3 对次镜 M2 的遮拦比和 放大率。三反系统平像场条件为[ 13]
宽视场高分辨率成像光谱仪能够获得比现有窄 视场成像光谱仪多几倍的地物信息量, 是成像光谱 技术发展的重要方向之一。宽视场成像光谱仪要求 前置光学 成像系统 为远心、宽视 场( IF OV 不小 于 10 ) 、低 F 数( 约为 4) 。目前设计出的宽视 场远心 离轴三反系统, 存在非球面次数高、反射镜相对系统 参考轴有偏心和倾斜、系统研制难等问题。为了改 善这种情况, 本文对宽视场远心离轴三反系统进行 了理论研究和系统设计。
0
Secondar y - 578. 9515 412. 33 0
0
0
T ertiary - 824. 66 - 691. 8433 0. 1796 0
1引 言
成像光谱仪[ 1] 将光学成像系统和光谱分光系统 有机结合在一起, 能够同时获取目标的空间特征和 光谱特征, 在环境、气候、资源和地质等军民科学研 究和应用领域都展现出广阔的应用前景。未来空间 成像光谱仪[ 2] 需要大线视场、宽光谱范围、大相对口
径以及像质接近衍射极限的成像系统。离轴三反系
Spectrometer with Wide Field of V iew
Liu Xiaomei1, 2 Xiang Yang1
1 St at e Key La bor a tor y of Applied Optics , Cha ngchun In stitu te of Opt ics ,
F ine Mechan ics a nd Phy sics , Chinese Academ y of Scien ces , Chan gchu n , J ilin 130033, Chin a 2 Gr a du a te U niv er sity of Chinese Aca dem y of S ciences , Beijin g 100049, China
3 系统设计
根据宽视场成像光谱仪的性能指标, 确定其前 置光学系统设计要求如下: 光谱范围 0. 4~ 2. 5 m、 F 数为 4、f = 720 mm 、IFOV 为 10 , 探测器像元尺 寸为 30 m 30 m。
在优化过程中, | d1| 增大, 所以要通过适当增大 1 的 值, 使得 | d1 | = | d2 | 。设 计分 析表 明, 1 在 0. 55~ 0. 6 范围内取值时, 主次镜口径和相 对位置 都比较接近, 结构规整, 系统总长接近系统焦距的一 半, 同时 系统具有 较好的 成像质量。表 1 为 1 = 0. 57时, 优化得到的主镜和三镜共面、远心离轴三反 系统的结构参数, 系统光路如图 2 所示。表 1 中, R 为反射面的顶点曲率半径, d 为反射镜间隔, e2 为反 射镜的二次曲面系数。
-
2)2(1 +
1)2-
6 1
+
3
5 1
-
6
3 1
+
2
2 1
+
1+ 1 ,
( 11)
式中 e21 、e22 和 e23 分别为主镜、次镜和三镜的二次曲
面系数。
( 9) ~ ( 11) 式中, 自由变量共有 4 个, 即 e21 、e22 、
e23 及 1 。令 S 、S 、S 等于零, 将得到一个不定方
摘要 为了满足宽视场成像光谱仪发展的需求, 研究了远心、宽视 场和大 相对孔 径的离 轴三反系 统的光 学设计 问
题, 推导出平像场远心三反系统初始结构尺寸参 数和三级像 差表达 式。针对 光谱范围 0. 4~ 2. 5 m、F 数为 4、有
效焦距 720 mm 和视场 10 的设计 要求, 采用视场角离轴的方法, 设计出次镜为凸球面镜、主镜和 三镜共面且都为凹
第 31 卷 第 6 期 2011 年 6 月
光学学报 ACTA OPTICA SINICA
V ol. 31, N o. 6 June, 2011
宽视场成像光谱仪前置远心离轴三反光学系统设计
刘晓梅1, 2 向 阳1
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光 学国家重点实验室, 吉林 长春 130033 2 中国科学院研究生院, 北京 100049
Abstract I n order to meet the needs of the wide field of view ( FOV ) imaging spectrometer development, the problem about optical design of telecentric, wide FOV, large relative aperture, off axis three mirror system is studied, and the expressions of initial configuration parameters and the third order aberrations for flat field, telecentric, three mirror system are educed. With the specific requirements of 0. 4~ 2. 5 m spectral range, F number is 4, 720 mm focal length, 10 FOV, a flat field, telecentric, off axis three mirror imaging system is designed, in which the secondary mirror is convex spheric mirror, the primary mirror and the third mirror are concave conicoid and coplanar, and all the three mirrors are coaxial. The design result indicates that the imaging quality of the designed system approaches the diffraction limit at full FOV in the required wave band. Key words optical design; off axis three mirror system; telecentric; wide field of view; imaging spectrometer OCIS codes 220. 4830; 220. 3620; 120. 6200
统能够满足这些要求, 成为人们研究的热点[ 3~ 7] 。 欧洲太空局资助的 H R IS[ 8] 、美国 T R W 公司研
制 H yperion[ 9] 和 美 国 海 军 N EMO 卫 星 上 的 CO IS[ 10] , 其前置光学成 像系统采用的 就是离轴三 反系统, 其线视场角( IF OV ) 不超过 3 。此外, 国内
S IV = 1 2 - 2 ( 1+ 1 ) + 1+ 2 = 0. ( 2)
1
12