离轴反射式光学系统的研究进展与技术探讨

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

随着空间远程探测及航空航天技术的发展 ，对光学系统要求越来越高，具体表现在：更高的空间分辨率、更高的光谱分辨率、更宽的光谱范围、全天时观测能力等方面 j，为此，用于这些领域的光学系统-般具有长焦距、大 口径、多光谱、结构紧凑等特点。由于光学材料性能的限制及宽光谱范围色差的影响，采用折射式光学系结构形式很难实现此类光学系统，在工程中-般采用反射式或折反射式的光学结构形式 j。离轴反射式光学系统在实现大孔径 、多波段、高光学效率系统方面具有明显的优势。

近年来，随着设计新方法、波前探测与计算机装调、大口径反射镜轻量化、离轴光学零件加工检测等技术的发展与成熟，为离轴反射式光学系统发展注入了新的活力。

2 特点与应用领域离轴反射式光学系统主要具有以下优点 ：(1)无色差，有利于多光谱系统的实现；(2)无中心遮挡，有利于提高系统的光学效率与成像质量；(3)结构相对紧凑，光路可多次转折；(4)不受光学材料的限制，口径可以做大；(5)固有无热化，环境适应性较强。

相对于其独特的优势，其缺点也十分明显，主要表现在：(1)视场相对较小，探测范围小；(2)含有离轴(偏轴)非球面，不利于零件的加工与检测；作者简介：李荣刚(1977～)，男，硕士，高级工程师，从事光电系统的设计与研究工作。E-mail：iropticslrg###yahoo.com.ca收稿日期：2012-06-29；修订日期：2012-07-15激 光 与 红 外 No.2 2013 李荣刚等 离轴反射式光学系统的研究进展与技术探讨 129(3)光学系统装调困难；(4)价格昂贵。

离轴反射式光学系统的特点决定了其高端的应用领域，主要用于多光谱成像、远程预警探测、对地侦测、高分辨率光学遥感；其载体多为机载、星载光电平台。

3 研究进展多年来，国内外相关单位在离轴反射式光学系统研究方面投入了大量的精力，并取得积极的成果。

美国自20世纪6O年代开始着手研究离轴反射式光学系统在机载侦察设备上的应用，U2侦察机上的肯尼迪系统最具代表性 J。受到当时技术的限制，该系统仅采用离轴抛物面镜，系统瞬时视耻小，-般用于采用单元器件的行扫系统。7O年代开始出现了离轴三反消像散系统(TMA)。在 20世纪80年代，在 TMA结构的基础上，离轴反射式光学系统得到蓬勃的发展。

进入 21世纪以来，随着空间防御及远程预警探测计划的开展，美国进-步加紧在此领域的研究力度。Raytheon公司于2004年披露了-款四镜反射系统 (如图1所示)。与传统的离轴三反系统相比，其结构更为紧凑，相对 口径更大；该系统的物理长度与系统焦距的比值小于0.3，系统的F数可达乃 ，并且该系统具有平像场的特点。2010年，Cor。

ning公司推出-款新型的全反射式光学系统 (如图2所示)。该系统具有宽光谱，双视场，结构紧凑图 1 Raytheon公司的四镜反射系统图2 Coming公司的双视场反射系统的特点。系统通过反射镜的切换实现双视场，视场倍率可达4 X。

在国内，-些大学与研究所，也相继开展了离轴反射式光学系统的研究，并得到相应的应用，目前国内单位的研究还是主要基于 TMA的结构形式↑来，天津津航技术物理研究所在 TMA的基础上设计了共孔径红外双色离轴全反射系统 (如图 3所示)，实现了红外双色复合成像，系统具有平像场的特点。该系统在中波红外波段的焦距为 1000 mm，长波红外波段的焦距为800 mm，系统长度与焦距的比值约为0.5。

图3 共孔径红外双色离轴全反射系统就目前国内外的研究情况来看，离轴反射式光学系统在设计、工艺、检测方面存在-些技术瓶颈，其大部分研究还停留在理论设计与试验阶段，距工程化还存在较大的差距。

4 技术探讨随着设计分析方法的丰富，光学加工检测技术的进步，新的设计理念与技术方法为离轴反射式光学系统的发展提供了新的手段。下面从光学系统设计方法、波前探测与计算机辅助装调、离(偏)轴光学零件的加工检测、轻量化设计与分析等方面进行- 些探讨。

4.1 设计新方法离轴反射式系统不再是传统旋转对称型的结构形式，为了达到结构紧凑的目的，系统已经过多次转折，坐标系发生多次变化，系统表现出光学参数与实际存在-定的差别。采用光线计算的方法是保证系统光学参数的正确性的可靠方法，譬如，焦距可利用不同视场问的主光线在当前坐标系下形成的像高进行控制。另外，光学零件之间相互位置也只能依靠其在坐标系的坐标进行控制，以免造成系统在优化过程中光学零件间的相对位置的不确定性。

离轴反射式光学系统中存在平移与倾斜等参量 ，像差的表现形式发生了很大的变化 J，对其补偿十分困难。为了获得高质量的离轴反射式光学系统，自由曲面 成为-种必要的技术途径。自由曲面是-类非旋转对称、形状不规则的曲面结构，其能激 光 与 红 外 No.2 2013 李荣刚等 离轴反射式光学系统的研究进展与技术探讨 131中金属反射光学元件轻量化率的增加，在比刚度提高的同时，其绝对刚度却在下降，镜面对支撑应力的敏感度迅速增加 。

对系统建立参数化的有限元分析模型，结合光机加工及装配工艺要求，合理选择关键的结构参数作为优化设计变量，对其进行优化设计1 。

优化过程除了考虑机械强度，力学性能因素外，还要考虑光学性能及环境适用性。有限元分析软件ANSYS，ALGOR FEAS在此方 面具有强大 的优化功能。

5 结 论为适应空间及远程探测的需求，具有大口径、高分辨率等特点的离轴全反射光学系统已成为空间光学领域研究的重点之-。随着设计手段的丰富，现代加工检测技术的进步，装调工艺的成熟，离轴反射式光学系统势必突破束缚其发展的技术瓶颈，在性能、工艺水平、研发成本与周期等方面得到进-步的提升。