下载:
-
反射式光学系统已有400多年的发展历史，其具有无色差、环境适应性好、可实现大口径等光学性能优势，在现代光学仪器装备上有着越来越广泛的应用。反射式光学系统结构形式简洁，发展延续性强，几百年来光学构型衍生路线相对清晰，具有更强的设计理论研究性。得益于计算机性能、光学制造能力与光学测试技术的不断提升，反射式光学系统在20世纪至今的100多年时间里发展迅速，成果瞩目。
从17世纪至20世纪初，反射式光学系统经历了以Newton系统为代表的单镜反射式光学系统和以Cassegrain系统、Ritchey-Chrétien系统为代表的两镜反射式光学系统的两大阶段，反射镜数量的增加与面型方程的非球面化使反射式光学系统的像差校正能力不断增强，但两镜反射式光学系统仅能较好地校正球差和彗差，限制了光学视场的进一步增大。1905年，Schwarzschild在论文中证明，不具有可以同时校正球差、彗差、像散和场曲四个赛德尔像差的实用性强的两镜反射式光学系统，拥有第三个具有光焦度的反射镜的反射式光学系统，可以在不同反射镜组合下消除所有三阶像差，而后至今的100多年里，各种结构形式的三镜反射式光学系统不断被研究者提出，也衍生出丰富的构型，反射式光学系统进入了三镜结构的黄金发展时代。
文中以三镜反射式成像光学系统的发展为主要路线，介绍了较为典型的同轴三镜反射式光学系统、两轴三镜反射式光学系统、离轴三镜反射式光学系统与无焦三镜反射式光学系统，简要讨论了他们各自的结构特点、结构关联、光学特性以及公开可查的典型应用情况，为光学设计人员的交流提供一定的设计参考。
-
同轴三镜反射式光学系统的特征是光学元件口径中心与光轴重合，光学元件基本为旋转对称型，该类型光学系统提出的时间较早，较具有代表性的为Paul Baker型三镜反射式光学系统。
Paul Baker型三镜反射式光学系统于1935年由法国光学仪器制造商Maurice Paul提出，并于1945年被美国人James Baker重新独立提出。该三镜反射式光学系统由Cassegrain型无焦光学系统和一个具有球面面型的三镜组成[1]。Cassegrain无焦光学系统由凹面抛物面主镜和凸面球次镜组成，无焦光学系统将入射光束准直缩束输出，光线经过具有球面面型的三镜反射，最终成像在像面，如图1所示。
图 1 Paul Baker三镜系统
Figure 1. Paul Baker three-mirror system
Paul Baker三镜反射式光学系统的孔径光阑设置在次镜位置，次镜与三镜的曲率半径相同，因此该系统消除了球差、彗差和像散，但残留有像场弯曲。Paul Baker三镜系统可以实现5°左右的光学视场，填补了Ritchey–Chretien光学系统（可实现1°左右视场）与Schmidt光学系统（可实现10°以上视场）间视场实现能力的差距。
Paul Baker三镜反射式光学系统的残余场曲可以通过调整次镜与三镜之间的轴向间隔来校正，此时的系统称为Willstrop Mersenne–Schmidt型三镜反射式光学系统[2]，如图2所示。
图 2 Willstrop Mersenne–Schmidt三镜系统
Figure 2. Willstrop Mersenne–Schmidt three-mirror system
Paul Baker三镜反射式光学系统虽然可以实现较好的成像质量，但是像面位置在光学系统的内部，而且次镜对主镜、像面对三镜均存在较大的孔径遮拦，因此Paul Baker三镜反射式光学系统的应用并不是十分广泛。该系统的一个典型的改进型应用是在大型综合巡天望远镜(Legacy Survey of Space and Time, LSST)中，LSST望远镜主镜、次镜及三镜的口径分别为8.4 m、3.4 m和5 m，望远镜光学系统在Paul Baker三镜反射式光学系统的基础上设置了像面前的校正透镜组，形成折反射式结构，实现了3.5°的光学视场[3]，如图3所示。
1969年，Rumsey提出了一种巧妙的同轴三镜反射式光学系统[4]，如图4所示。该光学系统的主镜与三镜具有几乎相同的轴向位置与曲率半径，主镜中心孔洞设置为次镜的镜室，主次镜剖视图看似像一块镜体，与LSST光学系统较为相似。此外，次镜中心设置了通光孔，光线在经过三镜反射后，从次镜中心的通光孔穿过，成像在位于次镜背部的像面。
1972年，Korsch设计了一种同轴三镜反射式光学系统[5]，该光学系统集成了Paul Baker系统与Rumsey系统的特点，光束在次镜与三镜间以平缓的角度传播，三个反射镜均采用双曲面面型设计，如图5所示。由于该系统的三镜轴向位置与曲率半径没有被严格约束，设计自由度高于Rumsey系统，可以实现1.2°视场角范围内的良好成像。
图 5 Korsch型同轴三镜系统
Figure 5. Korsch coaxial three-mirror system
除了以上几种典型的同轴三镜反射式光学系统外，无中间像面的同轴三镜反射式光学系统还有Robb三镜系统以及其他构型Korsch三镜系统等，这些系统构型同Paul Baker三镜反射式光学系统相似，由光焦度为“正”、“负”、“正”的三面反射镜组成，均不具有中间像面，为一次成像系统。不同的是主次镜光焦度分配略有差异，反射镜的面型也较多由非球面或高次非球面组成，因此可以获得良好的成像质量[6-7]。无中间像面的同轴三镜反射式光学系统的不足之处是体积尺寸较为庞大。
-
尽管光学设计者们提出的同轴三镜反射式光学系统方案较多，但由于孔径遮拦因素，许多方案不具有实用性。20世纪70年代，Korsch提出了一些两轴三镜反射式光学系统方案，具有很好的应用价值。这些系统均为二次成像系统，具有中间一次像面，同时具有实入瞳与实出瞳。
根据像差求解，三个反射镜通过光焦度的分配与非球面化设计可以消除三阶球差、彗差与像散。1972年，Korsch给出了可以校正前三项初级像差且可以平场的三镜反射式光学系统结构的解算方程，同时提出了一种两轴三镜反射式光学系统结构，如图6所示[8]。
在该系统中，主镜与次镜形成一个位于二者之间的焦点，即系统的一次像面，通过在该一次像面处设置一面45°平面折转镜，将光线反射至三镜，再经过三镜成像在像面。
该光学系统在焦距、相对孔径、视场等指标方面可以实现较为全面的性能。图7为笔者设计的一个Korsch两轴三镜反射式光学系统示例，其在焦距为24 m、相对孔径为1∶3、视场角2ω为1°的设计指标下仍可以保证近衍射限成像。
图 7 Korsch两轴三镜系统
Figure 7. Korsch two-axis three-mirror system
1990年，Sasian将Korsch两轴三镜方案中的45°平面折转镜设计为一面凹面镜，形成了一种两轴四镜系统，并将光学系统出瞳位置设计在最后一面凹面镜上，可以通过在出瞳位置设置主动镜校正光学系统像差[9]。
1977年，Korsch提出了另外两种两轴三镜反射式光学系统结构[10]。第一种结构的主镜与次镜构成类似的Cassegrain系统结构，在紧靠主镜后部的位置形成一个实像面，即一次像面，三镜将一次像面的像基本以1∶1的放大率成像在像面。为了避免像面如Paul Baker三镜系统一样在光学系统内部，在主镜背部与三镜之间有一面45°平面折转镜设置在出瞳位置，将像面引出，光路如图8所示。
该系统常使用偏置视场范围，具有实现2°左右的线视场能力，光学结构可以根据成像指标需求和功能需求调整三镜的成像放大率，获得不同长度的后截距。该系统的一个典型应用为2005年发射的用于探测火星的高分辨率科学成像实验相机(High Resolution Science Imaging Experiment, HiRISE)的光学系统，焦距为12000 mm，相对孔径为1∶24，视场角为1.142°×0.175°，光学系统如图9所示[11]，后截距范围内设置的平面镜作为调焦镜使用。
图 9 HiRISE光学系统
Figure 9. Optical system of HiRISE
Korsch提出的第二种结构如图10所示，该结构在主镜和三镜的对角线方向上设置了一面45°平面镜，该平面镜中心有开孔，使光学系统形成环形视场，光学系统出瞳设计在平面镜中心孔附近，以使开孔尺寸最小。
超新星望远镜(Super Nova/Acceleration Probe, SNAP)采用该种结构形式进行了望远镜光学系统设计[12]，如图11所示。
-
同轴反射式光学系统存在孔径遮拦，对光学系统集光能力和衍射分辨率均造成影响，尤其在视场角较大时这一现象更加明显。离轴反射式光学系统由于不存在孔径遮拦，相同光学口径下具有更强的光能利用率，也更容易获得较高的成像质量。
离轴反射式光学系统的历史可以追溯到1616年Zucchi提出的前视望远镜方案[13]，如图12所示。Zucchi将一面凹面青铜镜倾斜放置作为望远镜物镜，被铜镜反射回的光束直接衔接了一个具有负光焦度的折射式伽利略目镜，形成了一套目视天文望远镜系统。为了避免观测者头部对铜镜产生遮挡，该望远镜需要应用轴外视场观测，在当时的设计与制造条件下，该铜镜不仅缺乏详细的面型参数设计、面形精度低，而且不具备在反射镜基底上镀出高反射率膜系的技术能力，因此不可能实现良好的成像质量。
为了去除Cassegrain系统的中心遮拦，Anton Kutter于1953年发表了关于双倾斜镜的文章，在两镜光学系统中通过对主镜和次镜进行角度倾斜，去除了次镜对主镜所产生的孔径遮拦现象，光路如图13所示 [14]。Kutter在文章中引入了德语中表示“倾斜”的一词，即“Schiefspiegler”，从此该词成为了这类无孔径遮拦光学系统的代表性统称。此后，各种形式的Schiefspiegler两镜系统、三镜系统陆续出现，图14所示的Buchroeder Schiefspiegler三镜系统，图15所示的Solano Schiefspiegler三镜系统即是其中的两种Schiefspiegler三镜系统。
图 13 Schiefspiegler型光学系统
Figure 13. Schiefspiegler optical system
但是由于反射镜的倾斜给光学系统引入了大量的彗差和像散，Schiefspiegler型光学系统仅在相对孔径为1∶20以下的情况下才具有较为满意的成像质量，这也限制了Schiefspiegler光学系统的推广与应用。
图 14 Buchroeder Schiefspiegler三镜系统
Figure 14. Buchroeder Tri-Schiefspiegler
图 15 Solano Schiefspiegler三镜系统
Figure 15. Solano Tri-Schiefspiegler
-
目前应用性较为广泛的离轴反射式光学系统是离轴三镜消像散(Three-Mirror Anastigmats, TMA)光学系统。不同于Schiefspiegler系统，离轴TMA系统中，三面反射镜的母镜在一条轴线上，这条轴线即为光学系统的光轴，三面反射镜为其各自母镜的子孔径区域。因此，离轴TMA反射式光学系统是同轴TMA反射式光学系统的一个偏置的子部分。从这种理解角度可以构建由同轴TMA系统结构向离轴TMA系统结构的转化过程，下面以两种常用的结构形式为例给出说明，如图16所示[15]。
第一种为视场偏置型的离轴TMA光学系统，该系统在同轴TMA光学系统的基础上进行视场偏置形成，常用类型以次镜作为孔径光阑，主镜与三镜也可同时进行孔径偏置。
第二种为孔径偏置型的离轴TMA光学系统，该系统在同轴TMA光学系统的基础上进行孔径偏置形成，常用类型以主镜作为孔径光阑，也可同时进行光学系统视场偏置。
离轴TMA光学系统中的反射镜面型基本为二次曲面或高次非球面，随着光学技术的发展，光学自由曲面也被逐渐应用，并具有良好的应用前景。随着成像视场的增大，光学系统不仅需要关注前三项单色像差的校正，平场设计也尤为重要，因此，在离轴TMA光学系统中必须有一面具有负光焦度的反射镜才可以实现对场曲的校正。Korsch归纳总结了10种可以实现平场设计的离轴TMA光学系统结构[16]，如图17所示。文中后续介绍的一些光学系统也在这些结构范围内。
图 17 零匹兹瓦和的离轴TMA光学系统结构
Figure 17. Configurations of Zero-Petzval off-axis TMA optical system
从图17中可以看出，与同轴三镜反射式光学系统相同，离轴TMA光学系统也基本可以分为两大类：无中间像面系统即一次成像的离轴TMA光学系统和有中间像面系统即二次成像的离轴TMA光学系统。这两种离轴TMA光学系统的结构形式非常丰富，其中Cook申请了很多专利，并得到了较多应用，因此很多离轴TMA光学系统也均被命名为Cook式光学系统。
-
在无中间像面一次成像的离轴TMA光学系统中，根据孔径光阑所在位置，有三种较为经典的构型：（1）光阑位于次镜的Wetherell TMA光学系统；（2）光阑前置的Cook TMA光学系统；（3）光阑位于反射镜之间的Walrus TMA光学系统。
1980年，Wetherell在专利中提出了光阑位于次镜的离轴TMA光学系统，该系统无实入瞳，出瞳在无穷远处[17]。该光学系统与Cooke三片式透镜结构具有光学结构共性，如图18所示，均由光焦度为“正”、“负”、“正”的三个光学元件组成，而且孔径光阑也均设置在次镜位置，光学系统具有对称性。对比Rumsey于1969年在专利所提出的同轴反射式光学系统，Wetherell TMA光学系统可以理解为Rumsey光学系统的离轴化应用。
图 18 三片式透镜光学系统
Figure 18. Triplet lenses optical system
大多数应用情况下，Wetherell TMA光学系统具有非常好的对称性，主镜、三镜与光阑的轴向距离相近，主镜与三镜的尺寸接近，基于这种特点，可以将主镜与三镜集成制造在一块反射镜材料上，实现主三镜的一体化制造，可以简化光学系统装调流程[18-19]。
基于对称性特性，Wetherell TMA光学系统善于实现很大的光学视场角，在应用非球面的情况下，光学系统可以较容易地获得20°~30°的线视场角，如图19所示。在应用自由曲面等复杂光学曲面后，性能会有大幅度提升。2019年，笔者应用该构型光学系统结合光学自由曲面设计，实现了焦距为1000 mm、相对孔径为1∶10、视场角为80°×4°的超大视场离轴TMA光学系统[20]，如图20所示。
图 19 无中间像面的Wetherell TMA光学系统
Figure 19. Non-re-imaging Wetherell TMA optical system
1988年，Cook在专利中提出了一种具有实入瞳的离轴TMA光学系统，即光阑前置的Cook式一次成像TMA光学系统[21]，如图21所示。该光学系统的孔径光阑位于主镜之前，不具有实出瞳，光学系统成像质量不如孔径光阑位于次镜的Wetherell TMA光学系统。但基于具有实入瞳的特点，可以更方便地在光学系统前设置窗口、扫描镜等元件，便于与前置光学系统进行光瞳对接。Cook在专利所描述的设计中，光学系统的三镜和像面均设置了角度倾斜。
1986年，Hallam在专利中提出了一种离轴三镜反射式望远镜光学系统结构[22]，该光学系统使用离轴角度较大的轴外视场范围成像，如图22所示，这种结构早在1980年即有报道，被称为Hughes Walrus光学系统[23]，如图23所示，该光学系统由光焦度分别为“负”、“正”、“正”的三面反射镜组成，孔径光阑位于次镜与三镜之间，主镜与次镜近似构成一个无焦光学系统，因此在孔径光阑位置非常适合设置光学平板元件，从孔径光阑出射的光线经过三镜成像在像面，Hallam系统（Hughes Walrus系统）的光学结构特性非常类似于一个反摄远透镜结构，如图24所示。
图 23 无中间像面的Walrus TMA光学系统
Figure 23. Non-re-imaging Walrus TMA optical system
图 24 反摄远透镜光学系统
Figure 24. Inverse telephoto optical system
Walrus TMA光学系统可以实现一个很大的矩形光学视场，但该构型光学系统体积庞大，总长度约为焦距的3.4倍，有人认为这可能是它被称为“海象（Walrus）”的原因[24]。
-
1981年，Cook在专利中提出了一种具有中间像面二次成像的离轴TMA光学系统[25]，光学系统的孔径光阑位于主镜，孔径和视场均进行了离轴偏置，如图25所示。该类型光学系统一次像面在次镜与三镜之间，结构紧凑，可实现较大的摄远比。可以通过在一次像面处设计里奥光阑等方式提高杂散光抑制效果；基于具有实出瞳的光学特征，可以配合红外制冷探测器进行冷光阑设计，因此也十分适用于红外光学系统设计。
为了实现更好的成像质量，专利中对光学系统的次镜和三镜进行了角度倾斜，国内的一些研究人员有时将这种反射镜倾斜设置的离轴TMA光学系统称为“偏轴系统”。
我国首次火星探测任务“天问一号”环绕器上搭载的高分辨率相机(High Resolution Imaging Camera, HiRIC)的光学系统即采用了该型TMA光学系统进行设计[26]，如图26所示，光学孔径和视场角均进行了离轴偏置，为了补偿残余像差，焦面进行了角度倾斜。
图 26 “天问一号”高分辨率相机光学系统
Figure 26. Optical system of high resolution imaging camera on “Tianwen-1” mission
二次成像离轴Cook TMA光学系统的中间像面可以如图26所示，设计在次镜与三镜之间，也可以通过光焦度分配的调整将中间像面设计在主镜与次镜之间的位置，如图27所示。该类型二次成像TMA光学系统的详细设计方案在Korsch和Cook于1988年和1989年的发明专利中均有详细说明[27-28]。1987年，Cook还对该光学系统进行了次镜和三镜的球面化方案设计分析，获得了较大的光学视场[29]。
图 27 一次像面在主次镜之间的TMA光学系统
Figure 27. Re-imaging TMA optical system with relayed image plane between primary mirror and secondary mirror
对比无中间像面的离轴Wetherell TMA光学系统，虽然有中间像面的离轴Cook TMA光学系统具有摄远比大、结构紧凑等优势，但有中间像面的离轴TMA光学系统具有反射镜加工难度大、光学系统装调误差敏感度高等不足之处。有对比设计分析显示：在设计指标相同、光学系统总体长度基本相同的情况下，二次成像离轴Cook TMA光学系统中主镜、次镜与三镜的光焦度基本是一次成像离轴Wetherell TMA光学系统的2倍，二次成像离轴Cook TMA光学系统的反射镜倾斜误差敏感度、偏向误差敏感度与离焦敏感度分别是一次成像离轴Wetherell TMA光学系统的9倍、2倍与4倍[30]。因此，如何在有限资源条件下降低光学系统的误差敏感度，保证光学系统的工程实现性像质，是光学系统设计需要研究的关键问题[31]。
1986年，Cook在专利中提出了一种紧凑型离轴TMA光学系统[32]，该光学系统由光焦度分别为“正”、“正”、“负”的主镜、次镜、三镜组成，在次镜和三镜间具有中间像面，如图28所示。专利中表述：该系统并没有完全消除像散，被称为“near-anastigmatic”光学系统。
1992年，Cook提出了一种可实现大视场的离轴TMA光学系统专利[33]，该光学系统由负光焦度主镜和正光焦度次镜、三镜组成，为二次成像光学系统，中间像面位于次镜与三镜之间，该系统具有实出瞳，光路如图29所示。与三面反射镜光焦度也为“正”、“负”、“负”的Hallam系统一样，该光学系统的特点是可以较大的面视场，视场范围可达到20°×40°，不足之处是系统长度极长，具有空间适用性限制。
图 29 大视场二次成像离轴Cook TMA 光学系统
Figure 29. Re-imaging wide field of view off-axis Cook TMA optical system
对比摄远比小、尺寸体积大的离轴TMA光学系统，研究者们还提出了一些其他类型的离轴TMA光学系统，通过在光路中间设置平面折转反射镜、对光路进行多次折转的方式，减小光学系统的体积尺寸。
Rodgers于1991年提出了如图30所示的离轴TMA光学系统[34]。该光学系统由光焦度分别为“正”、“负”、“正”的主镜、次镜、三镜以及位于次镜和三镜之间的45°折转镜组成，孔径光阑靠近主镜。折转镜将三镜位置由主镜下部折转至主镜顶部，使光学系统布局更加紧凑。不同于普通平面折转镜，该折转镜为一面准平面镜，具有微小的光焦度及高次非球面面型，在折转光路的同时可以对光学系统的像差进行校正，使系统具有更佳的成像质量。Rodgers TMA光学系统的最大特点是可以以最小的体积尺寸提供最大的入瞳孔径，严格地讲，Rodgers提出的系统属于四镜反射式光学系统范畴。
图 30 Rodgers 提出的离轴 TMA 光学系统
Figure 30. Off-axis TMA optical system proposed by Rodgers
值得一提是与Rodgers TMA光学系统外形非常相似的一种紧凑型三镜反射式光学系统，该系统虽然不属于具有中间像面的二次成像系统，但反射镜位置空间布局与Rodgers TMA光学系统极为相似，在此一起讨论。它于2005年被三菱电机株式会社的Takayuki Nakano与Yasuhisa Tamagawa提出[35]，如图31所示，2009年被Rochester大学的Fuerschbach、Rolland与Thompson再次设计，如图32所示。Fuerschbach对该系统与Rodgers TMA进行了对比[36]。该光学系统可以通过对一个同轴光学系统进行反射镜倾斜，形成了一种折叠式光学系统结构，并应用光学自由曲面对像差进行了校正，光学系统形成过程如图33所示。
类似的具有折转镜的离轴TMA光学系统结构形式比较丰富多样，Cook于1994年和1996年分别提出了两种具有折转镜的离轴TMA光学系统方案[37-39]，如图34与图35所示。
图36和图37为笔者设计的具有折转镜的离轴TMA光学系统，前者通过在次镜与三镜间设计平面折转镜，将三镜从沿光轴方向折转至主镜背部，又在三镜与焦面间设置平面折转镜，将焦面折转至次镜下部，两块折转镜位置靠近，可通过一面反射镜实现功能；后者是在次三镜之间的一次焦面附近设计平面折转镜，将三镜折转至次镜下部，又在后截距范围内设计平面折转镜，将焦面折转至主镜背部。两种设计方案均对离轴TMA光学系统反射镜位置进行空间布局，提高了光学系统紧凑性。
图 36 具有折转镜的离轴TMA光学系统I
Figure 36. Off-axis TMA optical system with folding mirror (I)
图 37 具有折转镜的离轴TMA光学系统II
Figure 37. Off-axis TMA optical system with folding mirror (II)
-
前文介绍分析了多种类型的同轴、离轴三镜反射式成像光学系统，这些光学系统均是形成会聚光路的系统。在成像光学系统中，无焦光学系统也有着重要的作用，三镜反射式光学系统不仅可以实现光路会聚成像，而且可以通过反射镜光焦度分配与面型参数的设计实现无焦光学系统，此节做简要介绍。
1972年，Abe Offner在专利中提出了多种同轴、离轴TMA无焦光学系统[40]，如图38所示。其中，图38(a)、(b)为同轴TMA无焦光学系统，图38(a)的抛物面主镜与双曲面次镜组成了一个Cassegrain结构，通过在焦点处设置45°平面折转镜，将光路折转至抛物面三镜，使光路平行出射；图38(b)的不同之处是由主镜与次镜组成的Cassegrain结构的焦点在主镜与次镜中间。图38(c)为离轴TMA无焦光学系统，这种系统构型与具有一次像面的Cook式TMA系统相似，光路原理与图38(b)相同，仅仅是去掉了位于主镜与次镜之间的折转镜，并应用了各反射镜的离轴口径部分。
去除图38(a)所示的同轴TMA无焦光学系统的45°平面折转镜，并选用轴外视场，可以形成笔者设计的同轴偏视场TMA无焦光学系统，如图39所示。对图38(c)所示的离轴TMA无焦光学系统进行中间像面位置调整，并增加45°平面折转镜，可以形成笔者设计的离轴TMA无焦光学系统，如图40所示。同轴TMA无焦光学系统与离轴TMA无焦光学系统的变形结构较多，通过调整反射镜光焦度可以衍生出丰富的结构形式。
图 39 同轴TMA无焦光学系统
Figure 39. Coaxial afocal TMA optical system
图 40 离轴TMA无焦光学系统
Figure 40. Off-axis afocal TMA optical system
1992年，Cook提出了由光焦度分别为“负”、“正”、“正”的主镜、次镜、三镜构成的离轴无焦TMA光学系统[41]，如图41所示，该光学系统与图29所示的有焦光学系统结构形式一致，为二次成像系统，可以实现较大的光学视场。
-
三镜反射式光学系统是具有重要应用价值的一类光学系统，在反射式光学系统中占据重要位置，光学设计领域研究人员在百年来对其进行了深入的研究，创造、衍生了一系列丰富的结构形式。三镜反射式光学系统具有像差校正能力强、可实现大视场的优点，一直是大型光学望远镜、航空航天光学遥感器光学系统的重要应用构型。文中依据三镜反射式光学系统的发展时序，较为系统地梳理了经典的国际发明专利与学术论文等文献，较为全面地介绍了同轴三镜反射式光学系统、两轴三镜反射式光学系统、离轴三镜反射式光学系统与无焦三镜反射式光学系统结构形式的经典类型，阐述了它们各自的结构特点、设计能力，并给出一些设计示例，简要介绍了它们在可查工程项目中的应用情况，供光学设计研究人员参考与探讨。
Overview of three-mirror reflective optical system (Invited)
-
摘要: 三镜反射式光学系统由于具备同时校正球差、彗差与像散三种像差的能力，可以实现较高的光学性能，基于其反射镜数量少、装调复杂性可接受等特点，在光学成像领域有着广泛的应用。特别是离轴三镜反射式光学系统，凭借其无孔径遮拦、可实现大视场等诸多优势，在高性能光学仪器装备中占据着重要位置。文中以典型的三镜反射式光学系统发展为主线，全面介绍了多种类型的三镜反射式光学系统，涵盖同轴三反系统、两轴三反系统、离轴三反系统与无焦三反系统，讨论了其光学结构特点、结构关联与光学系统性能，并给出了设计示例，供光学设计领域研究人员共同探讨。Abstract: The three-mirror reflective optical system can achieve high optical performance because of its ability to correct the aberrations of spherical aberration, coma and astigmatism at the same time. Based on the characteristics of small number of mirrors and acceptable alignment complexity, it is widely used in the field of optical imaging. In particular, the off-axis three-mirror optical system occupies an important position in high-performance optical instruments and equipment due to its many advantages, such as with unobscuration and with ability of large field of view. Taking the development of typical three-mirror optical system as the main line, various types of three-mirror optical systems were introduced comprehensively, including coaxial three-mirror optical system, two-axis three-mirror optical system, off-axis three-mirror optical system and afocal three-mirror optical system, their optical configuration characteristics, relevance and optical system performance were discussed, and design examples were gived for researchers in the field of optical design.
-
图 2 Willstrop Mersenne–Schmidt三镜系统
Figure 2. Willstrop Mersenne–Schmidt three-mirror system
图 17 零匹兹瓦和的离轴TMA光学系统结构
Figure 17. Configurations of Zero-Petzval off-axis TMA optical system
图 26 “天问一号”高分辨率相机光学系统
Figure 26. Optical system of high resolution imaging camera on “Tianwen-1” mission
图 27 一次像面在主次镜之间的TMA光学系统
Figure 27. Re-imaging TMA optical system with relayed image plane between primary mirror and secondary mirror
图 29 大视场二次成像离轴Cook TMA 光学系统
Figure 29. Re-imaging wide field of view off-axis Cook TMA optical system
图 30 Rodgers 提出的离轴 TMA 光学系统
Figure 30. Off-axis TMA optical system proposed by Rodgers
图 37 具有折转镜的离轴TMA光学系统II
Figure 37. Off-axis TMA optical system with folding mirror (II)
-
[1] Paul M. Systèmes Correcteurs Pour Réflecteurs Astronomiques[M]. 1935. [2] Willstrop R V. The Mersenne–Schmidt: A three-mirror survey telescope [J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 1984, 210(3): 597-609. doi: 10.1093/mnras/210.3.597 [3] Olivier S S, Seppala L, Gilmore K. Optical design of the LSST camera [C]//Advanced Optical and Mechanical Technologies in Telescopes and Instrumentation. International Society for Optics and Photonics, 2008, 7018: 70182G. [4] Rumsey N J. Telescopic system utilizing three axially aligned substantially hyperbolic mirrors: US, 3460886[P]. 1969-08-12. [5] Schroeder D J. Astronomical Optics[M]. California: Academic Press, 2000. [6] Korsch D. Design and optimization technique for three-mirror telescopes [J]. Applied Optics, 1980, 19(21): 3640-3645. doi: 10.1364/AO.19.003640 [7] Robb P N. Three-mirror telescopes: design and optimization [J]. Applied Optics, 1978, 17(17): 2677-2685. doi: 10.1364/AO.17.002677 [8] Korsch D. Closed form solution for three-mirror telescopes, corrected for spherical aberration, coma, astigmatism, and field curvature [J]. Applied Optics, 1972, 11(12): 2986-2987. doi: 10.1364/AO.11.002986 [9] Sasian J M. Four-mirror optical system for large telescopes [J]. Optical Engineering, 1990, 29(10): 1181-1185. doi: 10.1117/12.55714 [10] Korsch D. Anastigmatic three-mirror telescope [J]. Applied Optics, 1977, 16(8): 2074-2077. doi: 10.1364/AO.16.002074 [11] Gallagher D, Bergstrom J, Day J, et al. Overview of the optical design and performance of the high resolution science imaging experiment (HiRISE) [C]//Current Developments in Lens Design and Optical Engineering VI, International Society for Optics and Photonics, 2005, 5874: 58740K. [12] Lampton M L, Akerlof C W, Aldering G, et al. SNAP telescope [C]//Highly Innovative Space Telescope Concepts, International Society for Optics and Photonics, 2002, 4849: 215-226. [13] Raymond N W. Reflecting Telescope Optics I: Basic Design Theory and Its Historical Development[M]. Berlin: Springer-Verlag, 2013. [14] Kutter A. The Schiefspiegler (Oblique Telescope) [M]. West Germany: Sky Publishing Corporation, 1958. [15] Meng Qingyu, Wang Hongyuan, Wang Wei, et al. Desensitization design method of unobscured three-mirror anastigmatic optical systems with an adjustment-optimization-evaluation process[J]. Applied Optics, 2018, 57(6): 1472-1481. [16] Korsch D. Reflective Optics[M]. US: Academic Press, 2012. [17] Wetherell W B, Womble D A. All-reflective three element objective: US, 4240707[P]. 1980-12-23. [18] Meng Qingyu, Wang Wei, Ma Hongcai, et al. Easy-aligned off-axis three-mirror system with wide field of view using freeform surface based on integration of primary and tertiary mirror [J]. Applied Optics, 2014, 53(14): 3028-3034. doi: 10.1364/AO.53.003028 [19] Meng Qingyu, Wang Hongyuan, Wang Kejun, et al. Off-axis three-mirror freeform telescope with a large linear field of view based on an integration mirror [J]. Applied Optics, 2016, 55(32): 8962-8970. doi: 10.1364/AO.55.008962 [20] Meng Qingyu. Design of off-axis three-mirror systems with ultrawide field of view based on an expansion process of surface freeform and field of view [J]. Applied Optics, 2019, 58(3): 609-615. doi: 10.1364/AO.58.000609 [21] Cook L G. Reflective optical triplet having a real entrance pupil: US, 4733955[P]. 1988-03-29. [22] Hallam K L, Howell B J, Wilson M E. Wide-angle flat field telescope: US, 4598981[P]. 1986-07-08. [23] Abel I R, Hatch M R. The pursuit of symmetry in wide-angle reflective optical designs [C]//1980 International Lens Design Conference. International Society for Optics and Photonics, 1980, 237: 271-280. [24] Herbert Gross, Fritz Blechinger, Bertram Achtner. Handbook of Optical Systems, Volume 4: Survey of Optical Instruments[M]. Weinheim: Wiley-VCH, 2005. [25] Cook L G. Three mirror anastigmatic optical system: US, 4265510[P]. 1981-05-05. [26] Meng Qingyu, Wang Dong, Wang Xiaodong, et al. High Resolution Imaging Camera (HiRIC) on China’s first Mars exploration Tianwen-1 mission [J]. Space Science Reviews, 2021, 217: 42. doi: 10.1007/s11214-021-00823-w [27] Korsch D. Wide-field three-mirror collimator: US, 4737021 [P]. 1988-04-12. [28] Cook L G. Method and apparatus for receiving optical signals: US, 4834517[P]. 1989-05-30. [29] Cook L G. Wide field of view three-mirror anastigmat (TMA) employing spherical secondary and tertiary mirrors [C]//Recent Trends in Optical Systems Design and Computer Lens Design Workshop. International Society for Optics and Photonics, 1987, 766: 158-162. [30] Cook L G. The last three-mirror anastigmat?[C]//Lens Design: A Critical Review. International Society for Optics and Photonics, SPIE, 1992, 10263: 102630G. [31] Qin Zichang, Wang Xiaodong, Ren Chengming, et al. Design method for a reflective optical system with low tilt error sensitivity [J]. Optics Express, 2021, 29(26): 43464-43479. doi: 10.1364/OE.447556 [32] Korsch D G. Near-anastigmatic compact collimator: US, 4632521[P]. 1986-12-30. [33] Cook L G. Wide field of view focal three-mirror anastigmat: US, 5170284[P]. 1992-12-08. [34] Rodgers J M. Catoptric optical system including concave and convex reflectors: US, 5309276[P]. 1994-05-03. [35] Takayuki Nakano, Yasuhisa Tamagawa. Configuration of an off-axis three-mirror system focused on compactness and brightness [J]. Applied Optics, 2005, 44(5): 776-783. doi: 10.1364/AO.44.000776 [36] Fuerschbach K, Rolland J P, Thompson K P. A new family of optical systems employing φ-polynomial surfaces [J]. Optics Express, 2011, 19(22): 21919-21928. doi: 10.1364/OE.19.021919 [37] Cook L G. Fast folded wide angle large reflective unobscured system: US, 5331470[P]. 1994-07-19. [38] Cook L G. Off-axis three-mirror anastignat having corrector mirror: US, 5550672[P]. 1996-08-27. [39] Cook L G. Off-axis three-mirror anastigmat having corrector mirror: US, 6016220[P]. 2000-01-18. [40] Offner A. Catoptric anastigmatic afocal optical system: US, 3674334[P]. 1972-07-04. [41] Cook L G. Wide field of view afocal three-mirror anastigmat: US, 5173801[P]. 1992-12-22. -
点击查看大图
图(43)
计量
- 文章访问数: 1146
- HTML全文浏览量: 350
- PDF下载量: 318
- 被引次数: 0
