反射式近红外空间相机光学系统的设计.docxVIP

摘要

空间相机在探索太空过程中起到了至关重要的作用，人们通过空间相机拍摄太空的照片，进行科学研究，更好的认识了宇宙，空间相机有共轴结构和离轴结构两种。

共轴光学系统空间相机存在中心遮拦问题，结构不够紧凑等问题；为解决共轴结构空间相机存在的缺陷，离轴三反空间光学系统应运而生。本文介绍了一视场角为4°×1°，焦距为2000mm，系统总长为1200mm，工作波段为1.3~2.5，像元尺寸为15×15的离轴三反近红外空间相机的光学系统的设计方法。最终，该系统的光学性能满足MTF@33lp/mm0.6，全视场点列图RMS半径均小于探测器像元尺寸；经公差分析后，符合生产要求，具有实际意义。

关键词：离轴三反结构设计像差理论光学设计方法ZEMAX软件使用

Abstract

Spacecameraplaysavitalroleintheprocessofspaceexploration.Peopletakespacephotosthroughspacecamera,conductscientificresearch,andbetterunderstandtheuniverse.Spacecamerahastwokindsofcoaxialstructureandoff-axisstructure.

Thespacecameraofcoaxialopticalsystemhastheproblemofcenterblockingandthestructureisnotcompactenough.Inordertosolvethedefectsofthecoaxialstructurespacecamera,theoff-axistripleinversespaceopticalsystemcameintobeing.Thispaperintroducesthedesignmethodoftheopticalsystemofanoff-axistriple-reflexNIRspacecamerawithafieldofviewof4°×1°,afocallengthof2000mm,atotalsystemlengthof1200mm,aworkingbandof1.3~2.5,andapixelsizeof15×15.Finally,theopticalperformanceofthesystemmeetstherequirementsofMTF@33lp/mm0.6,andtheRMSradiusofthewholefieldplotissmallerthanthepixelsizeofthedetector.Aftertoleranceanalysis,itmeetstheproductionrequirementsandhaspracticalsignificance.

Keywords:Off-axisTMA;Designofstructure;AppliedOptical;Aberrationtheory；Opticaldesignmethod；AppliedofZEMAX

绪论

1.1本课题研究的目的与意义

为了看清地球以及宇宙全貌，人们曾使用过很多方法，目前世界最普遍的方法就是通过火箭将设计、研制好的空间相机发射升入太空，通过空间相机拍摄并将图片传送回地球供科学家进行分析。结合空间相机工作的太空环境，并且使空间相机能够对地球进行观察，通常选择近红外波段（1~3）为其工作波段[1]，该波段属于大气窗口[2]，且大多数宇宙射线集中于此波段。有利于空间相机获取更多的信息。

目前常用的空间相机大多采用共轴反射光学系统，传统共轴反射式相机结构简单，主镜和副镜均为对称式旋转曲面，镜片加工制造工艺简单，通过加工制造非球面主镜和副镜可以很容易降低系统球差；但是，共轴反射式相机的可用视场通常较小，且存在较大的彗差；与此同时，相机存在中心遮拦问题，导致相机CCD中心像质劣化[3]。

为解决共轴反射系统给空间相机带来的中心遮拦的问题，同时提高空间相机的观察范围，离轴三反（ThreeMirrorAnastigmat,TMA）空间相机应运而生。对于反射光学系统的装调来说，非球面元件的光轴与机械轴不重合，且离轴反射系统装调的精度要求也远高于传统