基于光學(xué)自由曲面的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)

孫素平

摘 要：目的是完成長焦距大視場離軸三反空間光學(xué)系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)以及研制，進(jìn)而對(duì)自由曲面光學(xué)數(shù)理模型進(jìn)行描述。完成立足于自由曲面的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析。其焦距大小為4500mm，同時(shí)其成像視場角大小為11°。同時(shí)還直接對(duì)比分析了傳統(tǒng)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)跟次鏡為自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵性能。光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)中需要從根本上使用自由曲面設(shè)計(jì)的光鏡，促使光學(xué)系統(tǒng)像差平衡能力得到基礎(chǔ)的保證。最后選擇最佳的方案，相對(duì)孔徑大小為D/f=1/9.0，促使光學(xué)自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)得到有效設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：光學(xué)自由曲面；離軸三反光學(xué)系統(tǒng)；研究

1 概述

隨著各國之間的競爭愈加的激烈，目前各國之間經(jīng)濟(jì)競爭中，最具代表性的競爭項(xiàng)目就是高科技，也就是說是一種信息技術(shù)之間的競爭。一個(gè)國家高科技發(fā)展水平以及發(fā)展?jié)摿χg受到空間遙感技術(shù)水平的直接影響。因?yàn)樵诃h(huán)境污染以及生態(tài)破壞控制過程中使用空間遙感技術(shù)可以取得非常顯著的效果。所以在權(quán)衡利弊之后，想要對(duì)生存環(huán)境進(jìn)行保護(hù)以及維持，就需要提升以及創(chuàng)新空間遙感技術(shù)，促使我國社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。分析目前的實(shí)際情況得到，空間遙感光學(xué)系統(tǒng)取得了較為顯著的成績，其主要趨向于長焦距、大口徑、小體積、輕量化發(fā)展走向。在空間遙感系統(tǒng)中，廣泛使用的是反射式成像光學(xué)系統(tǒng)。反射式成像光學(xué)系統(tǒng)得到廣泛使用主要是因?yàn)榫哂幸韵绿攸c(diǎn)：不存在色差、光學(xué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)折疊、輕量化發(fā)展等[1]。反射系統(tǒng)可以被分為以下幾個(gè)部分：第一個(gè)部分是四反射系統(tǒng)；第二個(gè)部分是三反射系統(tǒng)；第三個(gè)部分是兩反射系統(tǒng)。

2 基于自由曲面的光學(xué)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及性能分析

選取光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)，分為以下幾個(gè)：第一個(gè)是焦距f（m）；第二個(gè)是視場角FOV（°）；第三個(gè)是相對(duì)孔徑D/f等。在確定主要參數(shù)的基礎(chǔ)上確定探測器像元尺寸大小。所以，焦距f（m）、視場角FOV（°）、相對(duì)孔徑D/f對(duì)于系統(tǒng)等重要性能指標(biāo)直接造成非常大的影響，例如：成像帶寬（SW）、地面像元分辨力（GSD）、信噪比（SNR）、傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)（MTF）等。大視場設(shè)計(jì)需要作者選擇使用COOK-TMA離軸三反構(gòu)型參與設(shè)計(jì)，詳細(xì)如圖1：

其中，次鏡則主要為系統(tǒng)孔徑光闌，光學(xué)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)基本的對(duì)稱形式，最后完成一次成像離軸三反射鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在上述的基礎(chǔ)上完成基于傳統(tǒng)非球面的離軸三反系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

在完成設(shè)計(jì)工作之后得到，在存在結(jié)構(gòu)尺寸約束的基礎(chǔ)上，從根本上滿足相關(guān)的任務(wù)指標(biāo)，一般在長焦距大視場系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，選擇使用的是常規(guī)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的長焦距。這樣一來就會(huì)存在相對(duì)較大的軸外像差。相比中心視場實(shí)際情況得到，會(huì)存在明顯降低軸外視場傳遞函數(shù)的情況，其下降幅度超過10.00%。有待提升其相關(guān)的系統(tǒng)優(yōu)化平衡能力。上述限制條件會(huì)直接影響到常規(guī)非球面的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的事業(yè)，對(duì)其提出了全新的標(biāo)準(zhǔn)以及要求。在傳統(tǒng)離軸三反系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，相對(duì)孔徑D/f大小不一致，完成基于自由曲面次鏡的離軸三反系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，會(huì)得到不同的關(guān)鍵性能指標(biāo)。相比常規(guī)非球面離軸三反系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況得到表1。

對(duì)比分析結(jié)果之后得到，自由曲面設(shè)計(jì)次鏡之后，對(duì)于傳統(tǒng)離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)（相對(duì)孔徑D/f=1/9.0）來說，新型光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)效果更為顯著（相對(duì)孔徑/f=1/9.5），所以選取后者可以促使光學(xué)系統(tǒng)重量有效的減少，促使感器的體積得到明顯的縮小。所以，在實(shí)際工作，對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)需求進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)還需要綜合考慮遙感器載荷體積大小，嚴(yán)格按照重量限制的相關(guān)規(guī)范以及要求，最后選擇最佳的方案[2]。本次研究最佳的方案就是相對(duì)孔徑為D/f=1/9.5的光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選方案，在實(shí)際工作中需要嚴(yán)格的要求光學(xué)系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的過程中，需要對(duì)次鏡研制難度進(jìn)行針對(duì)綜合分析，對(duì)次鏡跟標(biāo)準(zhǔn)球面之間存在的偏差進(jìn)行及時(shí)有效的修正，在完成系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作之后，需要嚴(yán)格保證次鏡自由曲面跟標(biāo)準(zhǔn)球面偏離大小大概在0.0007 mm左右即可。在完成面形實(shí)時(shí)高精度檢測的過程中，需要有效的使用定制標(biāo)準(zhǔn)球面鏡結(jié)合的基礎(chǔ)，同時(shí)還要使用以數(shù)字樣板為基礎(chǔ)的非零位檢測方法，這樣一來就可以促使大口徑凸自由曲面反射鏡檢測難題得到最大程度的解決，對(duì)于后期自由曲面次鏡的加工過程有效的正確指導(dǎo)。

3 自由曲面高精度檢測技術(shù)以及加工技術(shù)

3.1 自由曲面次鏡凸反射鏡檢測技術(shù)

光學(xué)檢測技術(shù)人員在實(shí)際工作中最為顯著的問題就是大口徑凸非球面的檢驗(yàn)工作。在光學(xué)元件制造的過程中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是穩(wěn)定高效的高精度檢測方法。子孔徑拼接檢測方法、無像差點(diǎn)檢測方法、零位補(bǔ)償檢測方法是非常常見的凸反射鏡檢測方法。對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用情況來說，是不存在的絕對(duì)“零位條件”，在光學(xué)檢測的過程中，普遍存在一定的非共路誤差情況[3]。唯一區(qū)別非零位檢測跟零位檢測兩者是其存在的非共路誤差大小，非零位檢測想要等效零位檢測，那么就需要在檢測過程中忽略非共路誤差對(duì)檢測結(jié)果精度，同時(shí)去除有效標(biāo)定非共路誤差。

3.2 自由曲面次鏡凸反射鏡加工分析

自由曲面次鏡凸反射鏡加工其實(shí)際上不具備回轉(zhuǎn)對(duì)稱性，同時(shí)在自由曲面次鏡凸反射鏡加工的表面存在不一致的各點(diǎn)曲率半徑大小，所以，自由曲面次鏡凸反射鏡加工的過程中，其有特定的要求，那就是不可能跟常規(guī)平面或者是球面一樣采取工件尺寸相當(dāng)?shù)哪ケP[4]。

自由曲面次鏡凸反射鏡加工最為常用的方法就是選擇使用確定性的技術(shù)路線，在實(shí)際工作中，需要使用面形檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在使用計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)一個(gè)小磨頭進(jìn)行控制，在研磨或者是拋光非球面光學(xué)表面的過程中，需要嚴(yán)格按照確定加工軌跡來完成，材料的去除量需要以在工件表面控制磨頭的駐留時(shí)間為基礎(chǔ)。自由曲面次鏡凸反射鏡采用龍門式結(jié)構(gòu)作為加工中心的主體結(jié)構(gòu)。其中，磨頭需要采取主軸擺動(dòng)式變速平轉(zhuǎn)動(dòng)的方法。

4 結(jié)束語

本次研究最為基礎(chǔ)的研究內(nèi)容就是自由曲面的新型空間光學(xué)系統(tǒng)，主要是因?yàn)槠浯嬖谝韵绿攸c(diǎn)：工程實(shí)現(xiàn)性非常的強(qiáng)、體積非常的小、性能非常的優(yōu)越等。在實(shí)現(xiàn)自由曲面的新型空間光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，可以從根本上促使遙感器成像質(zhì)量得到有效的提升。隨著社會(huì)的發(fā)展，空間地觀測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有效的發(fā)展，所以未來的發(fā)展趨向?qū)?huì)是自由曲面的新型光學(xué)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]張磊，包睿，喬鑫，等.長波紅外離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電光與控制，2015，12（22）：1-8.

[2]王博，唐博.非致冷離軸三反光學(xué)系統(tǒng)研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，04（04）：6-9.

[3]孟慶宇，汪洪源，王嚴(yán)，等.大線視場自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程，2016，10（33）：156-163.

[4]高鐸瑞，胡輝，汪偉，等.一種改進(jìn)的易于加工、裝調(diào)的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國激光，2015，06（23）：321-326.