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
魏烨艳 1,2,3白先勇 1,2,4张志勇 1,2,4冯志伟 1,2,3,*宋谦 1,2,3
1 中国科学院 国家天文台，北京000
2 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京100049
3 中国科学院 国家天文台 天文光学重点实验室，北京100101
4 中国科学院 国家天文台 太阳活动重点实验室，北京100101
为了实现对太阳中红外光谱CO 4.66 μm波段的观测，设计了一台光谱中心波长为4.667 μm的高分辨中红外光谱仪。基于科学观测需求分析了光谱仪的技术指标，为降低红外仪器的背景辐射，光谱仪整体置于真空制冷环境中；为达到高分辨率的观测需求，采用中阶梯光栅作为分光器件；为获得更优的像质，同时达到压缩光路的目的，光谱仪采用李特洛结构与离轴三反消像散技术相结合的光学设计，离轴三反同时承担了光谱仪中准直和成像的功能。在同轴三反系统的几何光学成像理论的基础上，研究了同轴三反结构、离轴三反结构以及光谱仪结构的求解和设计优化方法。光谱仪的焦距为1 300 mm，数值孔径为0.035，视场为20.3'×0.158'，系统的整体尺寸小于700 mm。结果表明，在工作波段范围内，光谱仪点列图的均方根直径小于5 μm，能量集中于一个像元尺寸范围内，光谱仪系统设计结果满足要求。
光学设计 中红外 光谱仪 中阶梯光栅 李特洛 离轴三反消像散 optical design mid-infrared spectrograph echelle grating littrow three-mirror anastigmatic
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
大相对孔径宽视场成像光谱仪已成航天、航空遥感的迫切需求，要求其望远镜具有大相对孔径、宽视场和像方远心、成像质量高等特点.以同轴三反望远镜的几何成像理论为基础，研究了大相对孔径、宽视场远心离轴三反望远镜的光学设计问题，并且编制了初始结构计算程序.采用视场离轴方式设计了一个波段范围200～1 000 nm，焦距210 mm，相对孔径1∶2.5，线视场14°的远心离轴三反望远镜，主镜和三镜为6次非球面，次镜为二次曲面.点列图直径的均方根值小于16 μm，80%的能量集中在一个像元以内，在奈奎斯特空间频率22.2 lp/mm处，调制传递函数大于0.75，畸变小于0.2%，各项指标均满足应用要求.
光学设计 望远镜 成像光谱仪 离轴三反消像散 空间分辨力 Optical design Telescope Imaging spectrometer Offaxis threemirror anastigmatic Spatial resolution
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
大视场、高分辨力星载成像光谱仪已成为空间遥感的迫切需求。根据大视场、高分辨力的研究目标，提出了先视场分离分光再用分色片分光的设计方法，分析了视场分离分光的原理。设计了一个全反射式星载成像光谱仪光学系统，该系统由指向镜、11.42°远心离轴三反消像散（TMA）前置望远系统和4个Offner凸面光栅光谱成像系统组成，通过恰当选择4个光谱成像系统的变倍比来实现2种探测器的匹配。运用光学设计软件CODE V对成像光谱仪调制系统进行了光线追迹和优化，并对设计结果进行了分析。分析结果表明，光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到0.7以上，完全满足设计指标要求；同时证明了设计方法是可行的。
光学设计 成像光谱仪 离轴三反消像散 凸面光栅 Offner光谱成像系统
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
根据大视场短波红外成像光谱仪的要求，考虑到市售探测器的限制，提出了视场分离的方法，分析了视场分离方法的原理.利用此方法设计了一个星载大视场短波红外成像光谱仪光学系统，该系统由11.42°远心离轴三反消像散前置望远系统和2个Offner凸面光栅光谱成像系统组成，运用光学设计软件CODE V和ZEMAX对成像光谱仪光学系统进行了光线追迹和优化，并对设计结果进行了分析，分析结果表明，光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到0.7以上，完全满足设计指标要求.
光学设计 成像光谱仪 离轴三反消像散 凸面光栅 Offner光谱成像系统 Optical design Imaging spectrometer Off-axis three-mirror anastigmatic Convex grating Offner spectral imaging system
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033
根据高分辨力、大视场的要求，考虑到市售探测器的限制，提出了视场分离分光的方法，分析了视场分离分光的原理。利用此方法设计了一个星载高分辨力、大视场高光谱成像仪光学系统，该系统由11.42°远心离轴三反消像散(TMA)望远系统和2 个Offner 凸面光栅光谱成像系统组成，运用光学设计软件CODE V 对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化，并对设计结果进行了分析，分析结果表明，光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到0.7 以上，完全满足设计指标要求。
光学设计 高光谱成像仪 离轴三反消像散 凸面光栅 Offner 光谱成像系统 optical design hypersepectral imager off-axis three-mirror anastigmatic convex grating Offner spectral imaging system
