反射式光学系统由于其无色差特性,在很多领域非常受欢迎。传统的同轴两反的光学系统对于存在遮拦,视场小等问题,目前离轴三反(Three-MirrorAnastigmat,TMA)光学系统也已经成为了趋势,由于其多了更多的优化变量,可以校正全部的初级像差,使得其性能更加,可以实现无遮拦,大视场,大相对孔径,成像质量高,另外可实现长焦距等。也是由于其光学元件自由度高,使得其检测装配比设计更难,其发展也是受限于此,国内外论文中也是多有隐含很多采用离轴三反光线系统的项目由于装调问题而一直延期甚至流产。
1、离轴三反光学系统分类与特性详述
离轴三反在分类上有多种,这里简单说明几个采用的情况。离轴三反光学系统从离轴形式上来说,主要分为两类,光阑离轴和视场离轴。
光阑离轴的离轴三反光学系统有中间像面,其孔径光在主镜上,出瞳在焦面前,因此其可以实现100%冷光阑效率,所以这种多用于红外光学系统中。
视场离轴的离轴三反光学系统,其孔径光闹在次镜上,其主镜与三镜处于对称状态下,因此对于像差校正能力更优,也是这种对称形式与传统的库克三片式透镜系统类似,也有称这种为库克式离轴三反光学系统,这种光学系统有两种较为常用的形式,一种就是光线走向近似于M型的,一种入射到光学系统的光线和光学系统最后出射的光线相交的交叉型,后者像质不如前者。
上述更详细的介绍可以查阅国内外论文,每个光学系统设计之前,其使用背景需调研详细,方能设计出比较合适的光学系统。这里仅仅对离轴三反光学系统中视场离轴M型进行设计过程讲解。
离轴三反光学系统初始结构计算方式有多种,更为常用的设计方法是通过计算共轴三反光学系统初始结构参数来求解的,然后对光学系统进行视场离轴,实现无遮拦。共轴三反光学系统初始结构参数的计算方法在大部分的论文中都有计算方法,比较详细的计算方法可参考潘君骅老师的《光学非球面的设计、加工与检验》第五章三反射镜系统的设计。
2、离轴三反光学系统设计指标要求
入瞳直径 250mm;
系统焦距 1000mm;
系统视场-2°-2°,9-11°:
波段为可见光。
3、离轴三反光学系统优化设计思路
多处对于离轴三反的设计思路已经进行了详细描述,下图则是CODEV软件中对于离轴三反设计的说明图解,但是实际设计过程中没有必要去模式化,可以随意灵活处理。