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轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计

赵宇宸,  何欣,  张凯,  刘强,  崔永鹏,  孟庆宇

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赵宇宸, 何欣, 张凯, 刘强, 崔永鹏, 孟庆宇. 轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1218001-1218001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.1218001
引用本文: 赵宇宸, 何欣, 张凯, 刘强, 崔永鹏, 孟庆宇. 轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1218001-1218001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.1218001
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Zhao Yuchen, He Xin, Zhang Kai, Liu Qiang, Cui Yongpeng, Meng Qingyu. Optical design of miniaturized and large field of view off-axis optical system based on freeform surface[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(12): 1218001-1218001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.1218001
Citation: Zhao Yuchen, He Xin, Zhang Kai, Liu Qiang, Cui Yongpeng, Meng Qingyu. Optical design of miniaturized and large field of view off-axis optical system based on freeform surface[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(12): 1218001-1218001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.1218001
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轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计

doi: 10.3788/IRLA201847.1218001
  • 1.

    中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033

基金项目: 

国家自然科学基金（61705220）

详细信息
    作者简介:

    赵宇宸(1986-),男,助理研究员,博士,主要从事空间光学系统设计及杂散光分析方面的研究。Email:bernard19@163.com

  • 中图分类号: O439

Optical design of miniaturized and large field of view off-axis optical system based on freeform surface

  • 1.

    Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China

  • 摘要: 随着空间技术的不断发展，高性能、低成本的轻小型空间光学系统成为空间光学领域一个新的研究热点。离轴三反光学系统具有成像质量高、大视场、轻量化程度高等特点，能够更好地适应轻小型、低成本空间光学系统的应用要求，具有广泛的应用前景。以高斯光学和三反消像差理论为基础，设计了一款第三反射镜为自由曲面的离轴三反光学系统，焦距1 550 mm，视场3.60.45，相对孔径1：6.2，自由曲面的加入极大地提高了系统设计自由度和成像质量。设计结果表明，在有效视场内系统成像质量良好，fMTF优于0.43@111 lp/mm，系统最大波像差为0.049 （=632.8 nm），平均波像差RMS值为0.034 ，最大网格畸变0.9%，成像质量相对于子午面完全对称。系统的总长小于f'/3.1，高度小于f'/4.1，且系统的加工和装配公差较为宽松，易于实现。该设计结果对轻小型空间光学系统的设计具有一定的参考价值。
    Abstract: With the increasing development of space technology, space optical system with the characteristics of high-performance, miniaturization has become a new hotspot research in space optical fields. Off-axis three-mirror optical system has the advantage of high quality image, large field of view and high level of lightweight etc., which can better suit the application of miniaturized and low-cost space optical system and has broad application prospects. Based on the Gaussian optics and three-mirror aberration theory, the off-axis three-mirror with freeform surface of tertiary mirror was designed. The focal length was 1 550 mm, field of view was 3.60.45, relative aperture was 1:6.2, degrees of freedom and image quality were increased efficiently by the introduction of freeform surface. The design results show that system has a better performance in effective field of view, modulation transfer function value is above 0.43@111 lp/mm, wave-front error maximum value is 0.049 (=632.8 nm), RMS wave-front error value is 0.034 , maximum grid distortion value is 0.9%, and the imaging quality is complete symmetrical about the tangential plane. The total length of the optical system is less than f'/3.1, the height is less than f'/4.1, and is easily implemented because of the relatively loose tolerance about processing and assembling. The obtained results have a certain reference value for miniaturized space optical system.
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    [2] 任成明, 孟庆宇, 秦子长.  大型自由曲面离轴三反光学系统降敏设计(特邀) . 红外与激光工程, 2023, 52(7): 20230287-1-20230287-11. doi: 10.3788/IRLA20230287
    [3] 周丽军, 杨通, 程德文, 王涌天.  基于方域正交多项式自由曲面的成像系统设计方法(特邀) . 红外与激光工程, 2023, 52(7): 20230317-1-20230317-14. doi: 10.3788/IRLA20230317
    [4] 王合龙, 陈建发, 黄浩阳, 崔泽曜.  基于自由曲面的离轴三反光学系统研制 . 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20220523-1-20220523-8. doi: 10.3788/IRLA20220523
    [5] 钱壮, 莫言, 樊润东, 谈昊, 冀慧茹, 马冬林.  制冷型大面阵自由曲面离轴三反光学系统设计（特邀） . 红外与激光工程, 2023, 52(7): 20230339-1-20230339-9. doi: 10.3788/IRLA20230339
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    [14] 赵宇宸, 何欣, 冯文田, 刘强, 付亮亮, 谭进国, 孟庆宇.  同轴偏视场共孔径面阵成像光学系统设计 . 红外与激光工程, 2018, 47(7): 718004-0718004(8). doi: 10.3788/IRLA201847.0718004
    [15] 姜晰文, 贾学志, 丛杉珊.  自由曲面在制冷型离轴三反光学系统的应用 . 红外与激光工程, 2018, 47(9): 918004-0918004(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0918004
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-17
  • 修回日期:  2018-08-19
  • 刊出日期:  2018-12-25

轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计

doi: 10.3788/IRLA201847.1218001
  • 1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
    • 作者简介:

    赵宇宸(1986-),男,助理研究员,博士,主要从事空间光学系统设计及杂散光分析方面的研究。Email:bernard19@163.com

  • 收稿日期: 2018-07-17
  • 修回日期: 2018-08-19
  • 刊出日期: 2018-12-25
基金项目:

国家自然科学基金（61705220）

  • 中图分类号: O439

摘要: 随着空间技术的不断发展，高性能、低成本的轻小型空间光学系统成为空间光学领域一个新的研究热点。离轴三反光学系统具有成像质量高、大视场、轻量化程度高等特点，能够更好地适应轻小型、低成本空间光学系统的应用要求，具有广泛的应用前景。以高斯光学和三反消像差理论为基础，设计了一款第三反射镜为自由曲面的离轴三反光学系统，焦距1 550 mm，视场3.60.45，相对孔径1：6.2，自由曲面的加入极大地提高了系统设计自由度和成像质量。设计结果表明，在有效视场内系统成像质量良好，fMTF优于0.43@111 lp/mm，系统最大波像差为0.049 （=632.8 nm），平均波像差RMS值为0.034 ，最大网格畸变0.9%，成像质量相对于子午面完全对称。系统的总长小于f'/3.1，高度小于f'/4.1，且系统的加工和装配公差较为宽松，易于实现。该设计结果对轻小型空间光学系统的设计具有一定的参考价值。

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