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
2 中国科学院大学，北京 100049
为保证大口径离轴三反消像散（Three-Mirror Anastigmat，TMA）光学系统在轨成像质量，探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理，以矢量像差理论为基础，用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差，并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现，位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散；提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式，以系统出瞳波像差RMS值为评价标准，构建离轴TMA系统像差补偿模型，利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时，所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ；系统三镜存在0.05λ像散与彗差时，可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ，且当三镜面形误差在（−0.03λ，0.03λ）范围内时，可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值，使系统成像质量满足要求，为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。
离轴三反消像散 矢量像差理论 像差补偿 波像差 off-axis three-mirror anastigmat nodal aberration theory figure error compensation wavefront error 红外与激光工程
2023, 52(4): 20230053
1 中国科学院南京天文仪器研制中心, 江苏 南京 210042
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 合肥工业大学光电技术研究院, 安徽 合肥 230009
大口径、长焦距离轴三反射镜系统的设计过程中会出现透镜的挡光问题。 传统的优化方法降低了光学设计的效率,对成像质量有负面影响。实践表明用ZPL宏指令 可以解决这个问题。反射式平行光管设计指标为:通光口径500 mm, 焦距4000 mm, 波长范 围为400～1400 nm, 有效视场2°×1°, 点列图优于6 μm。根据设计指标计算了同轴三反射 镜(TMA)系统的初始光学结构参数,借助Zemax软件中的ZPL宏指令得出最终设计方案。结果表 明:各个视场的点列图均优于6 μm, 波像差均优于λ/25, 满足设计指标。ZPL宏指令辅 助设计在离轴多反射镜系统中能控制系统结构,避免挡光,提高设计效率和成像质量。
光学设计 离轴三反射镜系统 ZPL宏 大口径平行光管 optical design off-axial three-mirror anastigmat system ZPL macros collimator with large aperture
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
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 航天东方红卫星有限公司, 北京 100094
针对大视场空间相机的像移补偿, 建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响, 推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例, 分析了3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点, 研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明, 卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数(MTF)下降, 其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大; 并且随着积分级数增加, 下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时, 对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限, 积分级数为96级的大视场空间相机, 要求卫星姿态稳定度控制在0.001(°)/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析, 证明了像移速度场模型的准确性, 为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。
空间相机 离轴三反光学系统 像移补偿 像移速度场 卫星姿态稳定度 调制传递函数 space camera off-axis three mirror anastigmat system image motion compensation image motion velocity field satellite attitude stability Modulation Transfer Function(MTF)
1 苏州大学物理与光电·能源学部, 江苏 苏州 215006
2 江苏省现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
随着Skysat-1卫星的成功发射，高分辨率视频相机是目前竞相开发的卫星有效载荷。为降低成本、适应小卫星平台，亟需设计与研制体积小、重量轻、易实现、能对面视场成像的长焦距光学系统。研究与设计了适于面视场成像的全视场同轴三反望远物镜，解决其固有的二次遮拦和像面引出困难等问题。由近轴几何光学理论，导出消除二次遮拦的条件和系统总长与三镜中继成像倍率的关系，讨论并得到合理的三镜中继成像倍率等参数。利用出瞳附近处的平面镜，无遮拦地引出像平面，同时用平面镜组折叠光路，减小系统总长。给出了确定初始结构参数的方法与结果，优化设计得到了有效焦距、视场角、F数分别为10 m、1.1°×1°、14.3的无二次遮拦光学系统，其总长约为有效焦距的1/8，成像质量接近衍射极限。
光学设计 星载视频相机 同轴三反望远物镜 二次遮拦
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
2 中国科学院大学，北京 100039
针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要，设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数，实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构，选择了结构简单、扩展性和调整性优良的两点单层固定支撑结构。利用集成仿真与优化方法，分析计算反射镜镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势，确定了最优支撑间隔。最后，利用干涉仪结合补偿器的检测方式，对不同支撑间隔工况下镜面面形进行检测，验证了仿真分析的可靠性。结果表明: 在支撑间隔为564 mm时，由检测支撑引起的镜面面形误差最小(RMS=8.26 nm)，干涉检测得到的镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势与仿真得到的趋势相符，仿真结果可靠性高。提出的方法可实施性好，可推广到其他大口径离轴长条形反射镜的设计和检测中，为离轴三反(TMA)相机的设计提供技术基础。
离轴长条形反射镜 检测支撑 面形误差 集成仿真与优化 离轴三反相机 off-axis rectangular mirror detection support surface shape error integrated simulation and optimization Three Mirror Anastigmat(TMA) camera 光学 精密工程
2015, 23(10): 2835
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春130033
离轴三反光学系统的焦距是空间相机的重要指标之一,离轴三反空间相机在完成光学系统装调及光学镜头装配后需要进行焦距测量。通过对两种经典的焦距测量方法即放大率法和测角法进行对比分析,选用测角法作为焦距的测量方法,同时对用于同轴光学系统的焦距测量公式增加离轴角修正量使其适用于离轴三反光学系统,并以某离轴三反空间相机为例论述焦距测量方法及步骤。由修正后的焦距计算公式计算出相机的焦距为8 010 mm,证实了该测量方法的可行性。
离轴三反系统 空间相机 焦距测量 off-axis three-mirror anastigmat(TMA)system space camera focal length measurement
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
对离轴三反测绘相机的像移模型进行了必要的修正以获得高的测绘精度。对两线阵离轴三反航天测绘相机进行建模, 推导了考虑地球曲率的斜视和后视相机的像移速度和偏流角计算公式。以交会角为25°的离轴三反航天测绘相机为例, 分析了斜视相机以正视为准调整行周期和偏流角, 以及兼顾正视、斜视相机调整偏流角时, 像移速度匹配残差和偏流角调整残差对图像质量的影响。分析结果表明, 以调制传递函数下降5%为约束,当积分级数大于5时, 应分别调整斜视和正视相机的行周期; 按正视相机调整斜视相机的偏流角时, 积分级数应取71以内; 若兼顾正视、斜视相机调整偏流角, 当积分级数为96时, 对正视、斜视相机的成像质量无本质影响。
离轴三反系统 航天测绘相机 像移 偏流角 地球曲率 像质 off-axis Three Mirror Anastigmat(TMA)system aerospace mapping camera image motion drift angle earth curvature image quality
1 长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
由三块反射镜组成的光学系统在轨道空间微重力的影响下，其反射镜面间隔、曲率半径往往发生改变，对系统的后截距产生较大的影响，最终导致相机离焦，成像质量下降。通过分析三反系统的等效高斯光学系统，得到其后截距公式；通过齐次坐标变换，得到反射镜面刚体位移公式；通过采用最小二乘算法拟合计算得到微重力环境下的镜面半径，计算出相机在空间环境下的离焦量为004 mm，为调焦机构的设计提供了理论依据。
空间相机 离轴三反相机 空间微重力 离焦 space camera off-axis three-mirror anastigmat camera space microgravity defocus
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
2 中国科学院大学, 北京 100039
空间环境的恶劣经常导致航天相机的成像平面偏离焦平面产生离焦, 从而影响遥感成像质量。本文针对某航天离轴三反消像散多光谱相机设计了一种调焦系统对成像平面的离焦进行有效补偿。首先, 分析了相机的离轴三反消像散光学系统和CCD焦平面的特点, 确定调焦方式并阐述调焦系统工作原理。然后, 介绍了调焦系统构成以及调焦控制器环境适应性、步进电机力矩选择、调焦传动机构的设计参数和位置编码器, 推导出了调焦精度与调焦机构参数及编码器分辨率的关系, 分析了调焦系统所能达到的调焦精度。最后, 通过调焦系统测试了调焦行程内CCD焦平面直线位置与编码器码值的对应曲线。对闭环控制方式测试数据的计算分析显示, 闭环调焦精度在3σ情况下为±3.11 μm, 满足相机调焦控制精度±10 μm的要求。
离轴三反相机 多光谱相机 消像散 CCD焦平面 调焦系统 调焦精度 闭环控制 Three Mirror Anastigmat(TMA) multispectral camera CCD focus plane focusing precision closed-loop control
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
2 长春工业大学 机电工程学院, 吉林 长春 130012
空间相机受所处复杂运载环境(冲击、振动、过载)和空间运行环境(压力、温度、微重力)的影响易产生焦平面偏移。为提高成像质量, 本文设计了一种利用丝杠螺母变向、直线导轨导向、倾斜导轨驱动且适用于反射式光学系统的新型高精度调焦机构来修正离焦量。 该设计采用防冷焊措施、预压消间隙措施和双重防卡死设计, 有效地提高了结构强度、刚度和可靠性, 从而保证了调焦精度。介绍了其结构和工作原理, 描述了相应的可靠性设计措施, 最后通过精度检测试验对调焦机构进行了综合性能测试。试验结果表明: 该调焦机构具备良好的自锁特性, 其直线运动精度优于±2 μm, 重复定位精度优于±1 μm; 调焦行程范围内调焦反射镜摆角精度绕X轴和Y轴方向均优于±3.5″, 满足用户提出的精度要求。
斜面驱动 调焦机构 离轴三反系统 空间相机 inclined plane driving focusing mechanism off-axis Three Mirror Anastigmat(TMA) system space camera
