长焦距离轴三反射式光学系统设计
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统 的光 阑离 轴 、 场离 轴 或 镜 面 倾 斜 ， 到 的非 对 视 得 称 光 学 系统 以消 除 同轴 光 学 系 统存 在 的 中心 遮 拦
问题 。
径、 大视 场 、 焦 距 等 多 种 性 能要 求 的 系统 。一 般 长
两 反射 式 光 学 系统 由于可优 化 的变量 少 ， 以不 能 所
Ｋｅ ｒｓ：ｕ ｃ ａ ｉｌｔ ｅ —ｍｉ ｏ ｅ ｅ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ； ｌｎ ｏ ａ ｅ ｇｈ； ａ ｅ ｕ ｅ ｏ ｓｒ ｃｉｎ ｏ ｉｈ ｙｗｏ ｄ ｎ ｏ ａ ｈ ｅ ｘ ｒ ｒ ｒ ｒｆ ｃｉ ｙ ｔｍ ｒ ｌ ｖ ｏ ｇ ｆｃ ｌｌｎ ｔ ｐ ｒ ｒ ； ｂ ｔ ｔｏ ｆｌ ｔ ｔ ｕ ｇ
满 足 大视 场 、 相 对孔 径 的要 求 。人 们 又 引入 了三 大 反 射 镜 系统 。三反 射镜 系 统 由三 片反 射 镜组 成 ， 有
两 个 间距 、 个 半 径 和 三个 圆锥 系 数 共 八 个 变量 ， 三
本文 以一个 长 焦距 三 反射 镜 为设 计 实例 ， 来介 绍 离 轴 三 反射 式 光 学 系统 的设 计 方 法 。在 同轴 三 反 射 镜 求得 初 始 结 构 的基 础 上 ， 过 对 光 阑离 轴 ， 通
离 轴 或 镜 面 倾 斜 ， 到 的非 共 轴 的三 反 射 光 学 系 得
（＋—ｆ １ ｆ）￣ ｌｌ １
２１ ， ａ ， 、 ’
（） ３
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一可
统 。 这种 离轴 的光 学 系 统 可 以 消 除 同轴 光 学 系 统 存 在 的 中心遮 拦 问题 。所 以 ， 轴三 反 射式 光 学 系 离
第３卷第ｌ ５ 期
２ １年 ３ ０２ 月
长 春 理 工 大 学 学报 （ 自然 科 学 版 ）
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｈ ｎ ｃ ｕ ｉｅｓｙｏ Ｓ ｉｎ ｅａｄＴ ｃ ｎ ｌｇ （ ｔｒｌ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ ｏ ｒａ Ｃ ａ ｇｈ ｎＵｎｖｒｉ ｆ ｃｅ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｎａｕａ Ｓｉｎ ｅＥ ｉｏ ） ｏ ｔ ｉ
系统结 构形 式 的关 系如表 １ 所示 阳。
表 １ 同 轴 三反 射 式 光 学 系统 结构 参 数 与 其 结构 形 式 的
对 应 关 系表
Ｔａ ． ＣＯ ｒ ｓ Ｏ ｄｎ ｅａ ｉｎ ｌａ ｌ ｆ ｈ ｏ ｘａ ｂ１ ｒｅ ｐ ｎ ｉｇ ｒ ｌｔ ａ ｂｅｏ ｅｃ ａ ｉｌ ｏ ｔ ｔ ｔ ｒｅ ｈｅ —ｍｉ ｏ ｆ ｃ ｉｅｏ ｔ ａ ｙ ｔ ｍ ’ ａｒｍ — ｒ ｒ ｅ ｌ ｔ ｐ ｉ ｌ ｓｅ Ｓｐ ａ ｒ ｒ ｅ ｖ ｃ ｓ
首先 在 同轴 情 况 下 ， 用几 何 光 学 知识 和 像 差 利 理 论 来 求 解 系统 的初 始 结 构 。 同轴 二反 射 式 光 学 三
系 统 的光路 结构 和参 数定 义 如 图 ｌ 。 图 中 Ｍｌ Ｍ２ Ｍ３ 别是 主 镜 、 镜 和 三镜 ， 、 、 分 副 光
Fra Baidu bibliotek
结 参 数 、 ｚ 、 ｚ 、 焦距 ＿ 完 全决 定 ， 它 们 与 厂 且
ａ ｌ， ｂ ｅ ｅ ｔｒｉｇ ａ ｄ ｔｔｎ ｈ ｕ ｆｃ ， ａ ｄ ｇ ｔａ ｇ ｏ ｍ ａ ｅ ｑ ａｉ ｆｏ ｔ ａ ｙ ｔｍ ｅ ｉ ｅ ｕｔ ｍｐｅ ｙ ｄ ｃ ｎｅ ｎ ｎ ｉ ｉｇ ｔｅ ｓ ｒａ ｅ ｎ ｏ ｏ ｄ ｉ ｇ ｕ ｌｙ ｏ ｐ ｉ ｌｓ ｓｅ ｄ ｓｇ ｒｓ ｌｓ ｌ ｔ ｃ ｎ
Ｖ ｏ － Ｎｏ １ ｌ３５ ． Ｍ ａ ．０１ ｒ２ ２
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
摘
光电工程学院 ，长春
１０ ２ ） ３ ０ ２
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
第一期
王路 ，等 ：长焦距离轴 反射式光学 系统 设计
ｌ ９
倾 斜 和 优化 ， 到 了成像 质 量 良好 的光 学 系统 设 计 得
结果。
ｎ 丽
２］’ ａ厂
一 —
（） ２
１ 初 始 结 构 方 程 的建 立
离 轴 三 反 射 式 光 学 系 统 是 在 同轴 三反 射 光 学 系统 的 基础 上 ， 过 对 光 学 系 统 的光 阑离 轴 、 场 通 视
线从左方入射 ， 次经主镜 、 依 副镜 和 三镜 的反 射 到
达像面。
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数 相 对 较 少 ， 易 实 现 轻 量 化设 计 ， 容 能够 满 足 大 孔
入 系统 的能量 ， 同时也降低了光学 系统 的分辨率 。 采 用 非 共 轴 的三 反 射 镜 系统 能 够 解 决 中心 遮 栏 问 题 。在 同轴 三 反射 式光 学 系统 的基 础 上 ， 将光 学 系
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）
统 的设 计 是 在 同轴 ｊ 反 射 式 光 学 系 统 的设 计 基 础
上 进 行 的。
ｄ 一 （一 ） ｌ １
２ 口 （一 ２ ＝ １ １ ） ｌ
厶
（） ５ （） ６
式 中 厂是 系统 总焦距 。 。 可 见 同轴 三 反 射 式 光 学 系 统 的结 构 形 式 由其
件 和 系统 的长 度 要求 的关 系更 加 明确 ， 以二个 间 可
ａ； １ 三镜 对 副 镜 的 遮 拦 比 ２ 副 镜 的放 大 率 １ 三 ； ； 镜 的放 大率 。它们 之 间满 足 以下 关 系式 ：
隔ｄ 、 ２ １ ｄ 和工作距离 ｄ （ ３ 第三镜到像面的距离 ） 为 给定 的条 件 。 即将 ｄ 、 ｄ 作 为 已知 量 。规 定 １ｄ 、。
折 反 系 统需 采 用 特 殊 光 学 材 料 或 复 杂 的 结 构来 消
统的视场大 ， 且易于控制光学 系统 的杂散辐射 ， 增 加 了轴外 视场 的光通 量 ， 使得像面 照度 更加均匀 ｎ 但 是 同轴 三 反 射 系统 中心遮 栏 过 大 ， 响 了进 影
。
二级 光 谱 。反 射 式 系统 不存 在 色差 ， 级 光谱 也 就 二 不存在 ， 因此 可 以用 于 很 宽 的谱 段 成像 ； 且 零 件 而
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 ：Ｔ ０ Ｈ７ ３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：１７ － ８ ０（０ ２ １ ０ １ － ３ ６ ２ ９ ７ ２ １ ）０ － ０ ８ ０
Ｄｅｉｎ ｏ ｎ ｃ ｌ ｎ ｔ ｎ ｎ ｏ ｘａ ｓｇ ｆ Ｌｏ ｇＦｏ ａ Ｌｅ ｇ ｈ ａ ｄ Ｕ －ｃ ａ ｉ ｌ
反 射 式 物 镜 在 空 间光 学 系统 中有 着 广 泛 的应
性 能和像 质 要 求外 ， 有 足够 的变 量 进行 系 统 布局 还 和 结 构 的 优化 设 计 。三 反 射 式 系 统 比两反 射 式 系
用 。对 于 大 口径 系 统 来 说 ， 射 式 难 以 实 现 。 而 透 且 ， 研 制 长 焦 距 或 超 长 焦距 光 学 系统 时 ， 少 采 在 较 用 大孑 径 折 射 和折 反 系统 。大 口径 的折 射 系统 和 Ｌ
由于是 长 焦距 系 统 ， 往需 要 对 系统 的总 长度 往 有 一 定 的 要 求 。 为 了使 给定 的有 关 结 构 方 面 的条
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别 为 各 镜 的 二 次 曲 面 系数 ） 副 镜 对 主 镜 的 遮 拦 比 ；
图 １ Ｉ 三 反 射 系统 司轴
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各反 射 面的半 径 ｒ ｒ ７镜 间距 ｄ ｄ ｌ、 ２、＂ ３ １、 ２、
，
各 反 射 面 的二 次 非 球 面 系 数 （ 锥 系 数 ） 圆
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 和 优 化 ，得 到 了成 像 质 量 良好 的 设 计 结 果 。
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满 足 大视 场 、 相 对孔 径 的要 求 。人 们 又 引入 了三 大 反 射 镜 系统 。三反 射镜 系 统 由三 片反 射 镜组 成 ， 有
两 个 间距 、 个 半 径 和 三个 圆锥 系 数 共 八 个 变量 ， 三
本文 以一个 长 焦距 三 反射 镜 为设 计 实例 ， 来介 绍 离 轴 三 反射 式 光 学 系统 的设 计 方 法 。在 同轴 三 反 射 镜 求得 初 始 结 构 的基 础 上 ， 过 对 光 阑离 轴 ， 通
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第３卷第ｌ ５ 期
２ １年 ３ ０２ 月
长 春 理 工 大 学 学报 （ 自然 科 学 版 ）
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｈ ｎ ｃ ｕ ｉｅｓｙｏ Ｓ ｉｎ ｅａｄＴ ｃ ｎ ｌｇ （ ｔｒｌ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ ｏ ｒａ Ｃ ａ ｇｈ ｎＵｎｖｒｉ ｆ ｃｅ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｎａｕａ Ｓｉｎ ｅＥ ｉｏ ） ｏ ｔ ｉ
系统结 构形 式 的关 系如表 １ 所示 阳。
表 １ 同 轴 三反 射 式 光 学 系统 结构 参 数 与 其 结构 形 式 的
对 应 关 系表
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首先 在 同轴 情 况 下 ， 用几 何 光 学 知识 和 像 差 利 理 论 来 求 解 系统 的初 始 结 构 。 同轴 二反 射 式 光 学 三
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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
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１０ ２ ） ３ ０ ２
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
第一期
王路 ，等 ：长焦距离轴 反射式光学 系统 设计
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１ 初 始 结 构 方 程 的建 立
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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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二级 光 谱 。反 射 式 系统 不存 在 色差 ， 级 光谱 也 就 二 不存在 ， 因此 可 以用 于 很 宽 的谱 段 成像 ； 且 零 件 而
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 ：Ｔ ０ Ｈ７ ３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：１７ － ８ ０（０ ２ １ ０ １ － ３ ６ ２ ９ ７ ２ １ ）０ － ０ ８ ０
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反 射 式 物 镜 在 空 间光 学 系统 中有 着 广 泛 的应
性 能和像 质 要 求外 ， 有 足够 的变 量 进行 系 统 布局 还 和 结 构 的 优化 设 计 。三 反 射 式 系 统 比两反 射 式 系
用 。对 于 大 口径 系 统 来 说 ， 射 式 难 以 实 现 。 而 透 且 ， 研 制 长 焦 距 或 超 长 焦距 光 学 系统 时 ， 少 采 在 较 用 大孑 径 折 射 和折 反 系统 。大 口径 的折 射 系统 和 Ｌ
由于是 长 焦距 系 统 ， 往需 要 对 系统 的总 长度 往 有 一 定 的 要 求 。 为 了使 给定 的有 关 结 构 方 面 的条
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图 １ Ｉ 三 反 射 系统 司轴
Ｆｇ １ Ｃｏ ｘｉｌｈ ｅ — ｉ ｏ ｙ ｔ ｉ． ａ ａ ｒ ｅ ｍ ｒ ｒ ｓｅｍ ｔ ｒ ｓ
各反 射 面的半 径 ｒ ｒ ７镜 间距 ｄ ｄ ｌ、 ２、＂ ３ １、 ２、
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各 反 射 面 的二 次 非 球 面 系 数 （ 锥 系 数 ） 圆
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 和 优 化 ，得 到 了成 像 质 量 良好 的 设 计 结 果 。
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