研究了制冷型红外离轴三反光学系统成像原理和优化设计方法。给出了一个应用自由曲面的制冷型离轴三反射镜光学系统的设计。系统采用两个自由曲面反射镜和一个偶次非球面反射镜组成二次成像的结构形式, 将制冷型红外探测器的冷光阑作为系统的孔径光阑, 得到100%的冷光阑效率。第二和第三反射镜将孔径光阑成像在第一反射镜的位置, 显著减小第一反射镜的口径。通过调整每个反射镜的偏心与倾斜, 实现系统的无遮拦, 使用自由曲面增大视场、校正像差、保证系统的成像质量。该系统的工作波段为3~5 μm, 焦距为450 mm, F数为2, 视场为3.662°×2.931°, 各视场的调制传递函数在环境温度为-40~60 ℃的范围内均高于0.5, 实现系统的无热化, 并且结构紧凑。

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。

提出了一种基于棱镜-光栅-棱镜分光器件的短波红外成像光谱仪光学系统，该系统由离轴三反射式望远物镜、准直镜、棱镜-光栅-棱镜和会聚镜组成，光谱覆盖950~2 500 nm，空间视场达到22.5°.在实现宽视场、宽波段设计的同时，优化设计了棱镜-光栅-棱镜分光器件的各个参量.通过偏斜会聚镜光轴和棱镜-光栅-棱镜光轴在光谱维的角度，可以良好地校正色畸变keystone和谱线弯曲smile，将二者控制在5 μm以下，使得成像光谱仪获取的光谱信息更为准确.

当前对空间望远镜光学系统的要求是:在宽光谱范围内,系统具有分辨率高、质量轻等特点,衍射望远镜可以满足上述要求.利用Schupmann提出的消色差理论可实现系统宽光谱覆盖,采用平面衍射透镜做物镜可使系统轻量化,降低了成本.设计了一个物镜口径为1 000 mm,f/#=100,用离轴三反射镜做目镜的衍射望远镜.设计结果表明:系统在0.65～0.75 μm波段,0.02°×0.035°视场范围内,得到了消色差,接近衍射极限的成像质量.

利用Zemax光学设计软件与自编计算机辅助装调软件,实现了对大口径、长焦距、无中心遮拦离轴三反射镜光学系统的装调.通过Zemax软件模拟光学系统的失调模式,得到整个光学系统的波前像差,把波前像差代人到自编的复杂光学系统计算机辅助装调软件中,计算出光学系统的失调量,与引入的失调量对比,证明了其正确性.在实际的装调过程中,用小型球面干涉仪分别收集3个视场的干涉图,得到失调光学系统的失调量,用Zemax软件验证失调量数据的正确性,从而指导?暗?按此方法,在波长λ＝632.8 nm时,得到离轴三反射镜光学系统的全视场波像差RMS值为0.108λ.该方法也可以运用到其他光学系统中.