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)計以及研制，進而對自由曲面光學(xué)數(shù)理模型進行描述。完成立足于自由曲面的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計分析。其焦距大小為4500mm，同時其成像視場角大小為11°。同時還直接對比分析了傳統(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)計中需要從根本上使用自由曲面設(shè)計的光鏡，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。

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)濟競爭中，最具代表性的競爭項目就是高科技，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。因為在環(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，想要對生存環(huán)境進行保護以及維持，就需要提升以及創(chuàng)新空間遙感技術(shù)，促使我國社會以及經(jīng)濟發(fā)展實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。分析目前的實際情況得到，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為具有以下特點：不存在色差、光學(xué)系統(tǒng)可實現(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部分：第一個部分是四反射系統(tǒng)；第二個部分是三反射系統(tǒng)；第三個部分是兩反射系統(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：第一個是焦距f（m）；第二個是視場角FOV（°）；第三個是相對孔徑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（°）、相對孔徑D/f對于系統(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（MTF）等。大視場設(shè)計需要作者選擇使用COOK-TMA離軸三反構(gòu)型參與設(shè)計，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)需要實現(xiàn)基本的對稱形式，最后完成一次成像離軸三反射鏡系統(tǒng)的設(shè)計。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)計工作。

在完成設(shè)計工作之后得到，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。這樣一來就會存在相對較大的軸外像差。相比中心視場實際情況得到，會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)計的過程中，相對孔徑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)計工作，會得到不同的關(guān)鍵性能指標(biāo)。相比常規(guī)非球面離軸三反系統(tǒng)設(shè)計情況得到表1。

對比分析結(jié)果之后得到，自由曲面設(shè)計次鏡之后，對于傳統(tǒng)離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)（相對孔徑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，在實際工作，對系統(tǒng)性能指標(biāo)需求進行綜合考慮，同時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孔徑為D/f=1/9.5的光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選方案，在實際工作中需要嚴(yán)格的要求光學(xué)系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計過程的過程中，需要對次鏡研制難度進行針對綜合分析，對次鏡跟標(biāo)準(zhǔn)球面之間存在的偏差進行及時有效的修正，在完成系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計工作之后，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。在完成面形實時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)人員在實際工作中最為顯著的問題就是大口徑凸非球面的檢驗工作。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、無像差點檢測方法、零位補償檢測方法是非常常見的凸反射鏡檢測方法。對于實際工程應(yīng)用情況來說，是不存在的絕對“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檢測結(jié)果精度，同時去除有效標(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際上不具備回轉(zhuǎn)對稱性，同時在自由曲面次鏡凸反射鏡加工的表面存在不一致的各點曲率半徑大小，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，在使用計算機的基礎(chǔ)上對一個小磨頭進行控制，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式變速平轉(zhuǎn)動的方法。

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)，主要是因為其存在以下特點：工程實現(xiàn)性非常的強、體積非常的小、性能非常的優(yōu)越等。在實現(xiàn)自由曲面的新型空間光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的過程中，可以從根本上促使遙感器成像質(zhì)量得到有效的提升。隨著社會的發(fā)展，空間地觀測系統(tǒng)實現(xiàn)了有效的發(fā)展，所以未來的發(fā)展趨向?qū)亲杂汕娴男滦凸鈱W(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[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（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[J].紅外與激光工程，2016，10（33）：156-163.

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