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1、苏州大学硕士学位论文超大口径四反射镜光学系统设计姓名：朱立荣申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：沈为民20070501超大口径四反射镜光学系统设计中文提要超大口径四反射镜光学系统设计中文提要超大口径长焦距反射式光学系统可以获得更高分辨率的图像，是空间遥感系统的发展方向。但是，现有的光学系统多采用复杂非球面镜做主镜，其制造难度大、成本高、装调困难，不容易做大口径。因此，降低超大口径主镜的加工难度就成为迫切需要解决的问题。本文提出了一种四反射镜光学系统设计思想，主镜采用较易加工的球面镜或抛物面镜，大大降低了制造技术难度。文中阐述了四反射镜系统校正像差的原理，利用出瞳附近的四镜校正位于入瞳处的
2、主镜引起的像差，减轻了主镜的消像差负担，使较易加工的球面反射镜和抛物面反射镜作主镜成为可能。同时，以初级像差理论为基础，使用P - w 法计算得到初级球差、初级慧差、初级像散、初级场曲和初级畸变的计算公式，并选取适宜的结构参数，得出四种四反射镜光学系统初始结构。并借助Z E M A X光学设计软件，优化得到四种超大口径长焦距光学系统设计方案，并分别从视场、结构、遮拦情况、成像质量以及实现难度等方面进行评价分析。最后探讨了反射光学系统公差制定方法，并利用Z E M A X 软件的公差分析功能，以方案一中所设计的系统为侧，对超大口径四反射镜光学系统进行公差分析，得到了比较满意的结果。关键词：光学设
3、计；四反射镜系统；超大1 3 径；长焦距；像差校正；公差分析作者：朱立荣指导教师：沈为民O p t i c a lD e s i g no fF o u r - m i r r o rS y s t e m sw i t hu l t r a - l a r g eA p e r t u r eA b s t r a c tO p t i c a ls y s t e m sw i t hu l t r a - l a r g ea p e r t u r ea n du l t r a - l o n ge f f e c t i v ef o c a ll e n g t hh a v e
4、i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si ns p a c er e m o t es e n s i n ga n da s t r o n o m y T h ee x i s t i n gs y s t e m sm o s t l yu 辩t h ea s p h e r i e a lm i r r o ra st h ep r i m a r yw h i c hi sh a r dt om a k el a r g e 即l e r n l r ed u et ot h ed i f f i c u l t yo ff a b r i
5、c a t ea n da s s e m b l e S oh o wt of a c i l i t a t et h ef a b r i c a t i o n so fl a r g ea p e r t u r ei sn e e dt ob es o l v e d I nt h i sp a p e rf o u r - m i r r o rs y s t e m sw i t hh u g ea p e r t u r ea n dl o n gf o c a ll e n g t hi si n v e s t i g a t e da n dd e s i g n e
6、d T h es p h e r i c a lm i r r o ra n dp a r a b o l i cm i r r o ra r eu s e da st h ep r i m a r yt or e d u c et h ed i f f i c u l t i e so ff a b r i c a t i o n F i r s t l y , t h em e t h o dt od e t e r m m ei t si n i t i a ls t r u c t u r ei sr e p o r t e d As 打o n ga s p h c r i cq u
7、a t e r n a r yw i t hs m a l l e ra p e r t u r ei sp l a c e dc l o s et ot h ee x i t i n gp u p i lt oO D I T e 斌r e s i d u a la b e r r a t i o n s S e c o n d l y , t h ei n i t i a ls l n l c t u r ep a r a m e t e r so ft h eo p t i c a ls y s t e ma 托o b t a i n e dw i t hP - Wm e t h o d
8、, t h e nt h r o u g ht h ed e r i v a t i o no fp 妒m a r ya b e r r a t i o nf o r m u l a s ，t h ea b e r r a t i o np r o p e r t ya r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d T h i r d l y ,a se x a r a p l e s ，s e v e r a lf o u r - m i r r o rs y s t e m sw i t hl O ma p e r t u r ea n dl O O m
9、f o c a l - l e n g t ha r co p t i m i z e db yt h eZ E M A Xo p t i c a ld e s i g ns o f t w a r ea n dg i v e ni nd e t a i l T h e yh a v es o m em e r i t ss u c ha su l t r a - l a r g ea p e r t u r e ，w i d ef i e l d , p e r f e c ti m a g eq u a l i t y , a n dn os e c o n do b s t r u c
10、t i o n F i n a l l y , t o l e r a n c e sa r ea s s i g n e dt ot h eo p t i c a la n dm e c h a n i c a lc o m p o n e n tw i t ht h eg o a lo f m e e t i n gt h eo p t i c a lp c f f o 咖锄a n dm i n i m i z i n gt h ec o s t K e yw o r d s ：f o u r - m i r r o rs y s t e m ；a b e r r a t i o n ；o
11、 p t i c a ld e s i 印；l a r g ea p e r a l r e ；, l o n gf o c a ll 锄g t h ；t o l a , a n c ea n a J y s i sW i t t o nb yZ h uL i r o n gS u p e r v i s e d 蚵S h e nW e i m i n苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明学位论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它
12、教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。研究生签名：蕊近闩期：丝丑= f ：! 学位论文使用授权声明苏3 4 大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公柿( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。期；砬：圭：! 期：色司匕超大口径四反射镜光学
13、系统设计第一章绪论1 1 引言第一章绪论在空间光学遥感领域，地面像元分辨率和地面覆盖范围是决定空间相机质量的重要因素。地面像元分辨率的大小与像元尺寸、轨道高度和光学系统焦距有关。在一定高度条件下，减小像元尺寸可以提高地面分辨率，但像元尺寸越小对应于系统的口径就越大，同时像元尺寸还受到C C D 制造工艺的限制。增加光学系统焦距也可以提高系统分辨率，而相对孔径一定时，焦距的增加势必引起光学口径的增大。轨道高度越低，地面像元分辨率越大，但同时又会减少地面覆盖范围，而且使卫星寿命变短。另一方面，地面覆盖率也与相机视场角有关，视场越大地面覆盖越大。所以，研制大口径、长焦距、宽视场的光学相机就成为空间遥
14、感的一个重要发展方向。折射式光学系统由于存在二级光谱，需要选择特殊材料进行校正，这些材料的物理和化学性质一般不很理想，受到现有加工工艺的限制，难以满足大口径的要求，而且大尺寸的折射系统重量很大，不能采用轻量化结构设计，零件的支撑和装调难于保证准无应力和镜面变形因此，折射式结构一般只适合于小孔径、宽视场、窄波段的光学系统要求折反式光学系统是空间相机常用类型，一般系统的光焦度由反射系统承担，采用无光焦度的视场和( 或) 光瞳校正器校正视场像差【l 】，扩大视场视场校正器的各零件采用同种玻璃材料，这样即可校正自身色差，又可校正二级光谱。然而，折反式光学系统只适用于中长焦的空间相机，对于超大口径长焦距
15、的光学系统，由于其视场要求较大，像质要求接近衍射极限，而且外形尺寸和重量要求较小，因此，折反系统的应用受到局限。反射式光学系统是在空间光学领域研究比较多的类型，其优点有：( 1 ) 反射系统不存在色差，也不存在二级光谱，可以用于很宽谱段成像。( 2 ) 反射系统零件相对较少，重量轻，可以设计成轻量化结构，便于卫星运载。( 3 ) 反射系统设计形式灵活，可以使用多个镜片来折叠光路，使结构紧凑，超大口径四反射镜光学系统设计第一章绪论可以使用非球面来获得大孔径、大视场、长焦距等多种性能要求。( 4 ) 反射系统可以采用拼接镜的形式，有几个小镜片拼接成大口径的光学系统。大口径的反射镜材料也比透镜材料容
16、易得到，且性能稳定。因此，超大口径的光学系统必须采用反射系统来完成。( 5 ) 反射式光学系统可以使用二级光学的形式，设计成小尺寸的实出瞳，在实出瞳的位置上放置校正元件，以便利用小尺寸校正元件校正主镜和整个系统的像差，降低主镜的加工难度和公差要求。( 6 ) 反射式光学系统可以设计成带有中间像结构，增强系统的消杂光能力。反射系统在设计上有很大潜力，尤其是对于大口径或超大1 ：3 径的光学系统，关键是其大口径主镜的加工和装调工艺是否满足。目前，世界各国对此都开展了多方面研究，许多已经投入使用。1 2 国内外研究现状大口径望远镜在“地对空”和“空对地”的观测中都起到了非常重要的作用。美国航空和宇宙航行局( N A S A 在继哈勃望远镜之后，提出了下一代空间望远镜一詹姆士韦伯空间望远镜嘲，如图I - I ，光学系统采用三反射镜系统结构，主镜口径为哈勃的2 5 倍达到6 5 m ，工作波段0 6 - - 2 8 1 m , l 帅处角分辨率在0 1 5 角秒以上，视场角2 3 角分，采用轻量化设计，光学系统的主镜由一
