为了实现空间碎片探测对探测光学系统灵敏度、探测时效性、孔径和总长等的需求,设计了一种大相对孔径大视场空间光学探测系统,并依据探测器指标与目标特性,确定了系统的设计参数,实现了12.5等星的探测。系统采用非对称双高斯透镜组光学结构,工作波段为450~850 nm,视场角为20°,F数为1.05,入瞳口径为150 mm。采用XY多项式自由曲面设计了系统中的一个透镜前表面,分析结果表明,该系统弥散斑均处于2×2个探测像元内,全视场在2×2个像元内的包围能量占比在86%以上,最大畸变小于1.4%。该探测系统结构紧凑,孔径合理,探测效果好,探测灵敏度高,时效性强;所使用的材料性能满足空间使用条件,且与光学加工能力匹配。所设计的探测系统可用于空间碎片的精确探测。

设计了一种大视场空间光学探测系统,结合空间目标特性及探测器性能指标计算了系统参数,确定了系统的技术指标,实现了对空间255 km处目标9等星的探测。系统采用离轴三反式光学结构,工作波段为400~900 nm,焦距为64 mm,视场角为30°×30°。系统的主镜和三镜分别采用Zernike多项式和XY多项式自由曲面进行设计,对系统进行光线追迹获取了自由曲面的离散点数据,利用Matlab对获得的离散点进行拟合,得到了主镜和三镜的自由曲面面型。系统的能量集中度高,成像质量良好。

为了增大光学系统的视场, 针对含有自由曲面的离轴反射式光学系统设计, 提出了一种面型优化策略和视场优化策略相结合的优化设计方法。该方法从小视场出发, 以表征光学系统波像差的Zernike标准多项式各项系数为评价依据, 确定像差分量优化顺序, 有针对性地选取和优化XY多项式项系数; 计算各视场波像差在全视场波像差的占比, 据此调整各视场的优化权重。在小视场范围内优化获得满足光学系统性能指标的结构参数后, 逐步拓展视场范围, 交替使用面型和视场优化策略, 实现全视场范围内光学系统的优化设计。应用该方法设计焦距1 200 mm、F数为12、视场30°×3°的含有自由曲面的离轴三反光学系统, 仅通过优化15项XY多项式系数表征自由曲面, 设计结果接近衍射极限, 且有利于指导更宽视场的自由曲面光学系统设计。

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统, 该系统焦距为2 000 mm, F数为12, 视场角为35°×1°, 主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计, 且主镜设计为凸面, 使子午视场达到35°, 进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数, 利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明, 全视场内该系统的光学传递函数在63 lp/mm处优于0.4, 弥散斑直径小于一个像元尺寸, 最大相对畸变小于3%, 波像差均优于λ/14, 系统能量集中度高, 成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势, 该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点, 适合大幅宽推扫成像.