关心人的短信-小学副校长述职报告

第３０卷第６期
２００９年１１月
应用光学
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏ ｆ
ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ
Ｖ０１．３０Ｎｏ．６
Ｎｏｖ．２００９
文章 编号：１００２—２０８２（２００９）０６一０９１６一０５
一种新型的两镜三反射光学系统设计郭永祥１’２，李英才１，吕保斌１’２，白
２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）
瑜１’２
（１．中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学研究室，陕西西安７１０１１９；
摘
要：结合反射系统中双反射和三反射各自的优缺点，提出一种特殊的两镜三反光学系统，给
出其初始结构的确定方法。对其结构优化过程中，在系统次镜后加平面反射镜，将系统进行折轴
处理，然 后在折轴反射镜后加透镜来校正剩余像差。该系统初始结构中两反射镜组成的是一个无
焦系统，在主镜发 生２次反射后成像。分析该初始系统的缺陷，对补偿该缺陷并使其成像质量达
到衍射极限的后续补偿系统 进行了设计。应用该方法设计了焦距，＝５
有长焦距、小尺寸等特点。
关键词：光学设计；反射 系统；三反射；双反射
中图分类号：ＴＮ９４２．２１文献标志码：Ａ
０００
ｍｍ，Ｆ 数均为５，全
视场角分别为０．４。和１。的２个系统，从像质评价结果可以看出，系统成像质量接近衍 射极限，具
Ｎｏｖｅｌ
ｄｅｓｉｇｎ
ｏｆｔｗｏ—－ｍｉｒｒｏｒｔｈｒｅｅ・—ｒｅ ｆｌｅｃｔｉｏｎ
ｏｐｔｉｃａｌ
ｓｙｓｔｅｍ
ＧＵＯ
Ｙｏｎｇ—ｘｉａｎ９ １”，ＬＩＹｉｎｇ—ｃａｉｌ，Ｌｎ
Ｂａｏ—ｂｉｎｌ“，ＢＡＩ
Ｙｕｌ’２
（１． ｘｉ’ａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ
Ｏｐｔｉｃｓ
ａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎ
２．Ｇｒ ａｄｕａｔｅ
Ｓｃｈｏｏｌｏｆ
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣＡＳ，Ｘｉ’ａｎ
７１０１ｉ ９，Ｃｈｉｎａ；
ＣＡＳ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
１０００３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａ ｃｔ：Ｉｎ
ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅ
ａｄｖａｎｔａｇｅｓ
ａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ
ｏｆ
ｏｒｄｉｎａｒｙ
ｄｏｕｂｌｅ—ｒｅｆｌｅｃ ｔｉｏｎ
ａｎｄｔｈｒｅｅ—ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ，ｏｎｅ
ｓｐｅｃｉａｌ
ｔｗｏ— ｍｉｒｒｏｒ
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ｗｉｔｈ
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ｄｅｓｉｇｎｅｄ
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ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ；ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ
ｓｙ ｓｔｅｍ；ｔｈｒｅｅ—ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ；ｄｏｕｂｌｅ
ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ
引言随着科学技术的进步，长焦距、小体积、轻量化
的光学系统越来越成为空间遥感技术领域的研究热点。目前光学设计最常用的结构形式还是折射
收稿日期：２００９—０５—１１；修回日期：２０ ０９—０７—１０
式，但是长焦距、大相对孔径的要求使得折射式光
学系统色差校正难的缺点更 为突出，而且大尺寸的
透镜精度使得系统价格很昂贵。因此人们引入了反
射系统，反射系统不存 在色差即可以忽略其二级光
作者简介：郭永祥（１９８５一），男，山西朔州人，西安光学精密机械研究 所硕士研究生，主要从事光学设计工作。
Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｙｘｌｌｒ６０５＠１６３．ｔｏｍ
万方数据

应用光学２００９，３０（６）
郭永祥，等：一种新型的两镜三反射光 学系统设计
・９１７・
谱的影响，再加上反射系统容易实现轻量化设计
（如采取蜂窝式 结构）使得反射系统在空间遥感光
学系统设计中的应用越来越广泛。
由于单纯的双反射系统最多 只能校正两种像
差，常用的基于双反射的折反式光学系统又存在镜
筒较长的缺点，在长焦距情况 下无法满足小体积轻
量化的要求，而三反射系统设计结构又比较复杂、
装调难度较大。介于上述 情况，本文提出一种特殊
的两镜三反射光学系统，对该类系统初始结构的确
定进行了分析，并在 减小系统体积和提高像质方面
做了相应的设计。在此基础上设计出了２个长焦
距、小Ｆ数、成像 质量均基本达到衍射极限的光学
系统。
１
设计过程
１．１初始结构分析
两镜三反射式光学系统的光路结构和参数定
义如图１所示。图中长度值均为带符号的数据，符
号规则为自左向右为正，反之为负。
围ｌ两镜三反射式系统光路结构
Ｆｉｇ．１
Ｂｅａ ｍ
ｐａｔｈ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆｔｗｏ—ｍｉｒｒｏｒ
ｔｈｒｅｅ－ｒｅ ｆｌｅｃｔｉｏｎ
ｓｙｓｔｅｍ
该系统主要由两面反射镜构成，光线在主镜发
生２次反 射，因此可以把它看做主镜和三镜重合的
三反射镜光学系统。该系统的特点是光线的前２次
反射 相当于经过了一个无焦系统（即２块反射镜的
焦点重合），光线平行入射到主镜，而后经主镜和次
镜反射后又平行出射。其结构参数包括２块反射镜
各自的曲率半径，＿，和，＿。（，．。一ｎ）；两 镜的间隔ｄ。＝
－－ｄ。；２块反射镜的２个非球面系数ｋ。一－－ｅ；，愚。一
－－ｅｉ。< br>利用三反射系统平像场条件［３］：
一１一上上上：０
ｒ１，．２ｒ３
可以得出 ：
ｒ１２ｒ３＝２ｒ２
再根据球面反射镜曲率半径与其焦距的关系
以及图１所示系统结 构几何关系可知，系统各参数
可由系统总焦距表示成：
万方数据
，．１’３＝２ｒ２＝ ／。
ｄｌ＝吨一≤
将上面得到的主要结构参数输入到ＺＥＭＡＸ
光学设计软件中，将各 反射镜二次非球面系数设为
变量进行优化，得到两镜三反射光学系统的初始结
构，优化时需注意 将三镜的所有参数都和主镜保持
一致。
本系统的遮拦比稍大，由上面推导出的两镜曲
率 半径关系以及两镜焦点重合的特点可知，本系统
初始结构次镜对主镜的遮拦比口＝＾／＾＝，．：／ｒ。 ＝
０．５（其中＾为主镜焦距，／２为次镜焦距）。
１．２
结构优化和像质提高设计< br>在上述优化过程中发现２个问题：一是如果不
采取后续处理系统全长为焦距的一半，不能满足小< br>型化的要求；二是成像质量欠佳，原因是优化变量
较少，真正可以调整的只是非球面系数。对于这 ２
个问题下面分别给予优化和改善设计。
１）在系统次镜后加平面反射镜，如图２所示。
将系统进行折轴处理，这样可以轻松地将整个镜筒
长减小到系统焦距的０．３倍左右。
围２折 轴两镜三反射光学系统原理
Ｆｉｇ．２
Ｃｏｕｄ∈ｔｗｏ—ｍｉｒｒｏｒｔｈｒｅｅ—ｒｅｆｌ ｅｃｔｉｏｎ
ｓｙｓｔｅｍ
２）设计过程中发现优化变量只有非球面参
数，使得像散和 彗差得不到较好地校正，故本文采
取在折轴反射镜后加透镜来校正剩余像差［５］。设计
表明， 加２片透镜后进一步优化设计可以很好地改
善像质，使成像质量接近衍射极限。另外两镜为无
焦 组合时视场做不大。考虑到该问题，为了能做到
更大的视场，可以在优化时将两镜的曲率半径也设
为变量，这样对系统遮拦比也有一定的改善作用。
至此，一个两镜三反射式光学系统的方案设计工作< br>就基本完成了。
在优化过程中，通过将反射镜的高次非球面系
数设为变量可以进一步提高 成像质量。在ＺＥＭＡＸ
程序中偶次非球面的表达式为
ｚ＝———：兰兰＝＝＝＝・４－ａｌ< br>ｒｒ２
‘
ｒ２＋口１ｒ４＋铂ｒ６＋ａ４ｒ８＋…
‘。。
１＋￣／１一 （＾＋１）ｃ２，．２

・９１８・
应用光学２００９，３０（６）
郭永 祥．等：一种新型的两镜三反射光学系统设计
式中：五为二次非球面系数；口１、口：、口。、ｃｒ４等 为高
次非球面系数。
化后得出初始结构及相应曲线，如图３所示。从图３
可看出点列图 较差，不能满足系统设计需求。由于
本例中全视场角较小，不需要对两镜的曲率半径进
３
设计实例
１）设计一种空间光学系统，要求焦距，＝
ｍｍ，Ｆ数为５，全视场角２ｗ＝０．４ 。，系统的观
行优化。图４为最终设计方案的参数及相应曲线，
ＭＴＦ在５０
ｌｐ／ｍ ｍ时大于０．５，系统基本达到衍射
５０００
极限，可以满足系统设计要求（本例中两镜均用到
了六次非球面系数）。测波段为可见光波段。依据上述方法求解并初步优
图３初始结构及性能曲 线图
Ｆｉｇ．３
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图４最终结构及性能曲线图
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａｎｄ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｃｈａｒｔｓ
２）设计要求是焦距厂＝５
全视场角２Ｗ０００
ｍｍ，Ｆ／＃＝５，
能满足系统设计需求，且该例中视场角较大，需要
对两 镜曲率半径进行优化。图６为最终设计方案的
参数及相应曲线，ＭＴＦ在５０
ｌｐ／ｍｍ时大于 ｏ．４，系
统基本达到衍射极限，可以满足系统设计要求（本
１。，系统工作波段为可见光波段 ，探
测器像元尺寸为１０ｐｍ。同样初步设计的系统结构
与性能如图５所示。从图５可看出，点 列图较差，不
万方数据

应用光学２００９，３０（６）郭永样，等：一种新型的 两镜三反射光学系统设计・９１９・
图５初始结构及性能曲线图
Ｆｉｇ．５
Ｉｎｉｔｉ ａｌ
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鬻。了一：三一．叠＂ｉ
慧；｜驿！，．Ｊ‘鞠１焉。，。盟。，。
ｐｅｒ ｆｏｒｍａｎｃｅ
ｃｈａｒｔｓ
ｌ嚣爱：：：．；晶，：品，
图６最终结构及性能曲线 图
ａｎｄ
例中两镜均用到了六次非球面系数）。距，进而可以获得更高的分辨率；其次，常用双 反射
系统如ＲＣ系统等需要设计遮光罩来消减杂光的
影响，而本文中的设计方案对杂散光的抑制 能力较
强；第三，本系统结构参数设定更为简单方便。另外
在系统后面加透镜的时候，可以把透 镜尽量往后面
放，这样就能减小透镜的口径，进而减小透镜的加
工难度和造价。因此本文提出的 方案为空间遥感相
机的研究提供了参考。
参考文献：
４
结论
研究了两 镜三反射光学系统初始结构的确定
方法，并给出进一步补偿该系统缺陷的方法。通过
２个实例的 设计可以看出，系统的成像质量良好，
接近衍射极限，系统结构较为紧凑，其镜筒总长约
为焦距 的１／３（两镜间距为焦距的１／４）。国内空间
遥感相机目前大多数都采用基于卡氏、ＲＣ等结构的双反射系统。与其相比本文的结构有３个优点：
首先，可以在相同的加工装调难度上获得更大的焦
［１］
卜江萍，田维坚，杨小军，等．一种新型离轴三反式
光学系统的设计［Ｊ］．光 子学报，２００６，３５（４）：６０８—
万方数据

・９２０・
应用光 学２００９，３０（６）
郭永祥。等：一种新型的两镜三反射光学系统设计
６ｌＯ．
Ｂ Ｕ
Ｊｉａｎｇ—ｐｉｎｇ，ＴＩＡＮ
Ｗｅｉ—ｊｉａｎ，ＹＡＮＧＸｉａｏ－ｊｕｎ，
ｅｔ
ａ１．Ａｎｏｖｅｌ
ｄｅｓｉｇｎ
ｏｆ
ｏｆｆ—ａｘｉｓｔｈｒｅｅ—ｍ ｉｒｒｏｒ
ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ
ｏｐｔｉｃａｌ
ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＡｃｔａＰｈｏｔｏｎｉｃａＳｉｎｉｃａ，
２００６，３５（４）：６０８—６１０．（ｉｎ
Ｃｈ ｉｎｅｓｅｗｉｔｈ
ａｎ
Ｅｎｇｌｉｓｈ
ａｂｓｔｒａｃｔ）
Ｅ２３史黎丽， 左保军，郑国宪，等．航空遥感相机光学系
统设计［Ｊ３．应用光学，２００７，２８（６）：７２４— ７２７．
ＳＨＩＬｉ．“，ＺＵ０
Ｂａｏ—ｊｕｎ，ＺＨＥＮＧ
ＧＵＯ—ｘｉａｎ，ｅ ｔ
ａ１．
Ｏｐｔｉｃａｌ
ｄｅｓｉｇｎ
ｏｆ
ｓｐａｃｅ
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ｓｅｎｓｉｎｇ
ｃａｍｅｒａ
ＥＪ］．
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，２００７，２８（６）：７２４—７２７．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓ ｅｗｉｔｈ
ａｎ
Ｅｎｇｌｉｓｈ
ａｂｓｔｒａｃｔ）
［３］宋岩峰，邵晓鹏， 徐军．离轴三反射镜光学系统研究
［Ｊ］．红外与激光工程，２００８，３７（４）：７０６—７０９．
ＳＯＮＧ
Ｙａｎ—ｆｅｎｇ，ＳＨＡＯＸｉａｏ－ｐｅｎｇ，ＸＵ
Ｊｕｎ．Ｏｆｆ－< br>万方数据
ａｘｉｓｔｈｒｅｅ—ｍｉｒｒｏｒｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ
ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］。
ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０ ０８，３７（４）：７０６—
７０９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈ
ａｎ
Ｅｎｇｌｉ ｓｈ
ａｂｓｔｒａｃｔ）
［４］刘新平，杨建峰．折轴三反射镜成像光学系统结构
研究 ［Ｊ］．光子学报，１９９８，２７（１）：７３—７６．
ＬＩＵ
Ｘｉｎ—ｐｉｎｇ，ＹＡＮＧ
Ｊｉａｎ—ｆｅｎｇ．Ｔｈｒｅｅ—ｍｉｒｒｏｒ
ｓｙｓｔｅｍ
ｗｉｔｈ
ａ< br>ｆｏｌｄｅｄ
ｍｉｒｒｏｒ［Ｊ］．Ａｃｔａ
Ｐｈｏｔｏｎｉｃａ
Ｓｉｎｉｃａ ，１９９８，２７（１）：７３—７６．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈ
ａｎ
Ｅｎｇｌ ｉｓｈ
ａｂｓｔｒａｃｔ）
［５］潘君骅．光学非球面的船工与检验［Ｍ］。北京：科学
出版社，１９９４．
ＰＡＮ
Ｊｕｎ—ｈｕａ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ
ａｎｄ
ｔｅｓｔｉｎｇ
ｏｆ
ｏｐｔｉｃａｌ
ａｓｐｈｅｒｅ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｓｃ ｉｅｎｃｅ
Ｐｒｅｓｓ，１９９４．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）