大视场离轴三反光学系统设计

文章编号：1672-8785(2017)08-0014-05
大视场离轴三反光学系统设计
罗秦以3张冬冬1钮新华^
(1.中国科学院上海技术物理研究所，h海200083 ;
2.中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海200Q83;
3.中国科学院大学，北京100〇49)
摘要：针对地球环境j s感的大视场和宽光谱的应用需求，在同轴三反学系统的基
础上，通过视场离轴实现了无中心遮拦，并设计了一种焦距为12〇m m、F数为3.5、工
作波长为〇,4〜I.65啤、像元尺寸为7.5 n m以及采用C o o k三片式结构的光学系统。

在
没有使用自由曲面的情况下，实现了 30°x4°的大视场.其中，主镜为六次双曲面，次
镜为二次扁椭圆面，三镜为四次扁椭圆面。

在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率
处的调制传递菡数（Modulation Transfer Rm etion,M T I?)大于0,6，接近翁_射极限。

:其藝
散斑崖径的均方根值小于探_器的像元尺寸，畸变小于2.5%，说明本文系统具有优良
的成像性能》
关键词：光学设计；大视场；离轴三反光学系统
中图分类号：TH703 文献标志码：A DOI:10.3969/j.issn.l672-8785.2017.08.003 Optical Design of OfF-axis Three-mirror System
with Wide Field
LUO Qin ZHANG Dong-dong x,NIU Xin-hua 1
(1. Shanghai Institute of Technical Physicsf Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China;
2. Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Chinese Academy
of Sciences, Shanghai 200083, China; 3. University of Chinese
Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract: To meet the application needs of wide field and wide spectrum of earth environment remote
sensing, a center without obstructing is realized by means of field off-axis on the basis of coaxial three-
mirror optical systems. An optical system with a Cook three-mirror structure is designed. The optical
system has its focal length of 120 mm, F number of 3.5, operating wavelength of 0.4 to 1.65 \xm and pixel
size of 7.5 |j.m. it realizes the 30° x 4° large field of view without any free-form surfaces. In the optical
system, the primary mirror is a 6 times hyperboloid; the second mirror is a secondary flat ellipse and the
third mirror is a 4 times flat ellipse. The system has its Modulation Transfer Function (MTF) greater
than 0.6 at the Nyquist freaquency in the whole field of view, which is close to the diffraction limit. Its
RMS dispersion spot diameter is less than the pixel size of the detector and its distortion is less than
2.5%. These results show that the system has excellent imaging performance.
Key words: optical design; wide field; ofF-axis three-mirror system
收稿日期：2017-03-19
作者简介：罗秦（1992-)，男，江西抚州人，硕士研究生，主要从事光学系统设计方面的研究。

E-mail: luoqin888@
I nfrared(monthly)/V ol.38, No.8, A ug 2017/hw
〇引言
1
离轴三反初始结构的计算
进入21世纪以来，人口快速增长、生态环境 持续恶化以及资源逐渐枯竭等问题口益凸显， 人们越来越多地求助干卫星遥感技术来監测环 境变化。

而环境的不断变化则要求环境遥感監 测能够具有越来越高的时间分辨率 < 时间分辨 率取决于卫星的重访周期。

刈幅宽度越大，重 访周期越短。

这就要求遥感相机的视场越来越 大。

在目前国内已发射的遥感卫星中，宽视场遥 感相机大多采用折射式系统.环境遥感需要获 取目标的光谱信息.工作波段越宽、光谱分辨率 越高，就越有利于环境信息获取。

佴折射式系统 由于存在二级光谱，工作波段越宽，色差校正越 难，所以大视场和宽光谱很难同时实现。

一般可 以通过CCD 相机和红外相机的拼接来实现宽光 谱覆盖，何这对于有限的星上空间资源来说又 是不利的.2013年发射的Proba -V 植被观测卫星 基于离轴三反结构实现了 33p 的线视场|，其 入瞳口径为15.5 mm ，相对孔径为1/6 ^这说明 通过对具有小口径和大F 数系统的离轴三反结 构进行合理优化可以得到大的线视场。

佴对于 具有大口径和小F 数系统的结构来说，由于边 缘视场像差难以校正，很难实现很大的视场.
在污染监测、土壤识别、城市和工业用水監 测、水库水面监测等中小型环境特征应用方面， 遥感相机的空间分辨率需要达到50 m 左右，其 光谱范围主要在可见光到短波红外之间《若卫 星的轨道高度为800 km ，由瑞利准则可知，相 机口径需要在30 _
以上。

由干目前国内大线
阵红外探测器技术相对比较落后，为了实现成 像所需的信噪比，需要实现大的相对孔径。

因 此，本文根据三级像差理论计算了大视场离轴 三反初始结构.基干视场离轴以及光学设计软 件优化，设计出了一种焦距为1.20 _、相对孔 径为1/3.5、工作波段为0.4〜1.65
、视场可
达30e :x 4f 、像元尺寸为7.5 vmi 的光学系统，该 系统结构紧凑，成像质量接近衍射极限…
本文设计的光学系统采用离轴三反结构，
其初始结构一般都是基于三级像差理论计算得 到的，离轴三反系统是在共轴三反系统的基础 上，通过视场离轴或光阑离轴得来的.因此，这 里实际要讨论的是共轴三反系统初始结构的计 算。

共轴三反系统具有7个自由变童。

与两反系 统相比，该系统大大增加了消除各种像差的可 能性。

图1所示为同轴三反系统的初始结构… 其中，、M 2和M 3分别代表三反系统中的主 镜、次镜和三镜，其结构参量:共有__8个，包括_3 个反射面的半径（尽、和、主镜到次镜的 距离4、次镜到三镜的距离毛以及3个非球面 的二次非球面系数、-ef 和-…引入以 下四个轮廓参数K ;次镜对主镜的遮拦系数为
次镜的放大率为
A
(3)
.镜的放大率为
0a
通过将上述轮廓参数代入三级像差理论中 的Seidel 像差公式31 ,可以得到初级像差系数 民、&、民和5<4的表达式a 具体的推导过程可 参考《光学非球面的设计、加工与检验》一书。

/hw
I nfrared (monthly )/V ol .38, No.8, A ug
2017
为了消除球差、彗差和像散，令民=民=民=〇.，此时可以得到由4个轮廓参数表示的3个 非球面的二次非球面系数-<、-ef和-为
了实现平像场，令&=0,此时可得到4个轮廓 参数之间的关系，所以其中只有3个可变轮廓参
根据高斯光学理论，可以推导出轮廊参数 与剩余的5个结构参数尽、尽、i?3、^、4之间的关系[4]:
R= 2 f
1A/?/
(5)
,2ai f
2一（1 +氏)/?/
⑻
D2a,«2f
3 - 1+/?/
(7)
"I —c y
卜眺f
(8)
a x(l-a2)^
2—爲f
(9)
基于以上公式，给定3个轮廓参数就可以求 出系统的结构参数。

在实际计算中，需要判断其 结构的合理性4根据焦距的正负可将其分为有 中间成像和无中间成像两种.宽视场离轴三反 系统通常采用无中间成像的结构，一般光焦度 分配按照“正-负-正”和反摄远结构的“负- 正-正”的原则。

传统的“正-负-正”结构可 实现长条形大视场，何无法得到大的圆视场；而 反摄远结构则可实现较大的圆视场，比如庞志 海设计的新型大视场无遮拦三反系统[51，其视 场可以做到20°x20°，更大的视场需要采用自由 曲面[9L佴这种结构带来的缺点是主镜尺寸很 大，整体比《正-负-正”结构更松散，而本文 需要设计一种具有长条形大视场的系统，所以 采用“正-负-正”光焦度分配。

为了简化计算，令4和名相等，则只剩下 两个自由变量。

焦距/为-12〇mm，取£^=0.3, a2=2.1，根据以上公式即可得到一组初始结构 参数(见表1).
I nfrared(monthly)/V ol.38, No.8, A ug 20172设计结果
将上节算得的系统初始结构输入到光学设 计软件中.加上约束条件，借助该软件进行结构 优化设计.图2所示为最终设计的光学系统的 光路结构。

表1离轴三反光学系统的：#始结构参数
反射镜
R (mm)d (mm)-e2王镜-477.2167—1.366
次镜-97.3-167 1.48
三镜
—122.2750.17
本文系统的光阑位于次镜。

三面反射镜的 光轴同轴.通过视场离轴的方式实现了无遮拦. X轴方向上的视场为±15*_，Y轴方向上的视场 为6..SC ~ 1〇.5& ,通过系统整体Y轴偏心和系统 整体绕X轴彳©斜2° ,使得主镜与三镜之间保持 足够的距离，像面与次镜之间也保持足够的距 离，互不产生干涉，为反射镜支撑结构设计留下 空间距离…通过增加非球面反射镜的高次项来 提高系统的消像差能力.主镜是六阶双曲面，次镜是凸的二次扁椭圆面，三镜是四阶扁椭圆 面。

三面反射镜分别经过离轴后取母镜上的有 效口径。

表2列出了本文系统的具体结构参数。

/hw
围3MTF曲线W4能量集中度
表2光学糸统的结构参数
反射镜王镜次镜三镜曲率半径（mm)-1212.6-205.88-237间距（mm)-176.9171.9-192.9圆锥系数-1.799 3.8550.1989
4阶—1.5EM0— 1.H0
6阶-6.0E^15——母镜大小（mm)24253192有效U径(Iran)170x5230184x72离轴量（mm)-69-1511
图3为系统优化后的MTT曲线图.可以看 出，全视场的MTF在奈奎斯特频率处都大于 0.6，接近衍射极限。

图4所示为系统的能童集中 度曲线。

在像元尺寸内，能量集中度达到90%。

图5所示为本文系统的弥散斑.其最大RMS 半径为2.4m n，小于探测器像元的一半尺寸。

图6所示为系统的场曲和畸变…边缘视场处的 场曲在0.1m m以内，像散约为0,06 mm,畸变 小于2.5%,成像质量优良…
/hw I n fr a r e d(m o n t h l y)/V o l.38, No.8, A ug 2017
F IE L D CLJRUflTURE
DISTO X
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+
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m i i 番 i i i -0.10 0.M IL L IM 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
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0.00
5.00
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W ED SEP 7 2016
MRXIHUM FIELD IS IB.310 DEGREES WflUELENGTHS ： 0.HH7 0.893
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---------------------------------- ----m f l H f t 0 ^ 關f c .Z H X
I 匚ONFIGLJRFITION 1 O F 1
图
6
本文系统的场曲和畸变
(下转第47页）
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/hw
图4热电堆探测器的输出电压随温度的变化
的响应修正系数存入内部存储器中《通过以上 热电堆探测器的温度补偿装宵:，可以获得任意 环境温度下的温度值和探测器的输出值；然后 结合存储器中不同温度下的响应修正系数，便 可完成对热电堆探测器的温度补偿，具体测fi
结果如图4中红线所示。

经过此温度补偿装管 后，在0 "C〜40 "C范围内，响应度变化量由19.5 mV/W降低到2.7 mV/W，大大降低了太赫兹探 测器的温度漂移，使太赫兹探测器能在宽温度 范围内获得更加准确的信号输出》
4总结
提出了一种热电堆型太赫兹探测器的温度 修正方法，利用双热电堆探测器并联方式和引入温度补偿裝胥，降低了太赫兹探测器的岑点 漂移和响应度温度漂移等噪声.结果表明，零 点漂移噪声由3.76 mV降到0.49 mW，温度漂移 引起的响应度变化量也从19.5 mV/W降低到2.7 mV/W。

此修正方法可以大幅降低周围温度噪
声的影响，从而有效提高太赫兹探测器的性能。

参考文献
[1] Stone M R, Naftaly M, Miles R E. Generation of
Continuous Wave Terahertz Radiation Using a Two
Mode Titanium Sapphire Laser Containing an In­
tracavity Fabry-Perot etalon [J]. Journal of Applied
Physics, 2005, 97(10): 103108.
[2] Jiang Yi, Jin B B, Xu W W, et al. Terahertz
Detectors Based on Superconducting Hot Electron Bolometers [J]. Science China, 2012, 55(1): 64-71.
[3] Pradere C, Caumes J P, Toutain J, et al. Absolute
Self-calibrated Room-temperature Terahertz Power- meter [J]. Applied Optics, 2013, 52(11): 2320-2324.
[4] Graf A, Arndt M, Gerlach G. Seeback^ Effect in Mi­
cro Machined Thermopiles for Infrared Detection [J].
A Review Proc Estonian Acad Sci Eng, 2007, 13(4):
338-353.
阆吴宗凡，柳美琳，张绍举，等.红外与激光技术[M].
：!匕京i国防工业出版社，1&98.
[6] Mancarella F, Roncaglia A, Passini M, et al. Wafer-
level Testing of Thermopile IR Detectors [C]. Irvine:
The 4th IEEE Conference on Sensors, 2005.
(上接第I S页）
3结束语
本文根据三级像差理论计算出了光学系统 的初始结构参数.通过实现视场离轴以及增加 非球面的高次项对其进行了优化。

在没有使用自 由曲面的情况下，设计出了一种具有30°x4°长条形大视场且F数为3.5的大相对孔径离轴三反 系统。

该系统基于线阵探测器实现推扫成像，可以解决遥感相机中既要获得大视场又要满足宽 光谱、无遮拦和结构紧凑要求的难题、.本文系统 的成像质量优良，接近衍射极限.实际效果将在 后续研制中予以测试和验证，未来可在中高分 辨率星载光学系统中广泛应用。

随着自由曲面/hw 加工与检验技术的不断成熟，基于自由曲面的离轴三反系统将会具有更大的视场。

参考文献
M宋#.欧空局Proba-V微卫杲发射成功[J].航天返 回与遥感，2013, 34(3): 81.
闽潘君骅.光学非球面的设计、加工与检验苏州=苏州大学出版社，2004.
[3]李暁彤.几何光学•像差•光学设计[M].杭州：浙
_江大学出版社，20W.
M r学专•航天遥感反射式光学系统设汁H.红外技 术，2007, 29(5): 25:3-256.
[5] 庞志海.新型大视场无遮拦三反光学系统设汁[J].
红外与激光工程，2013, 42(9): 2449-2452.
[6] 张东阁.大视场高分辨率空间红外光学系统关键技
术研究[D].上海：中国科学院h海技术物理研究 所，2014
I neeared(momthly),/V ol.3：8s No,8, Aus 3017
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