高光學(xué)效率可見紅外共口徑/視場離軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈永丹 孫建 聶云松

高光學(xué)效率可見紅外共口徑/視場離軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈永丹1,2孫建1,2聶云松1,2

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094） （2先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

針對高光學(xué)效率可見紅外共口徑光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，基于光學(xué)效率的定義分析了影響光學(xué)系統(tǒng)效率的主要因素，確定了采用離軸反射式共視場光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高光學(xué)效率的技術(shù)路線。比對了可見紅外共口徑/視場離軸光學(xué)系統(tǒng)的主流構(gòu)型，提出了一種共用主次鏡的緊湊型全反射式離軸系統(tǒng)構(gòu)型。給出了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，其技術(shù)指標(biāo)為：可見光通道焦距6 000mm，F(xiàn)數(shù)12.4，視場角2°×0.1°，光譜范圍400～700nm，全譜段全視場調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）數(shù)值在奈奎斯特頻率處（71.4線對/mm）大于0.31，相對畸變小于0.29%；紅外通道焦距1 700mm，F(xiàn)數(shù)3.5，視場角2°×0.1°，光譜范圍3～5μm，冷光闌效率100%，全視場全譜段MTF數(shù)值在奈奎斯特頻率處（33線對/mm）大于0.31，相對畸變小于0.73%。分析結(jié)果表明，同等技術(shù)指標(biāo)條件下，文章所述共口徑光學(xué)系統(tǒng)紅外通道光學(xué)效率較復(fù)雜折反射式共口徑光學(xué)系統(tǒng)效率至少提升40%，可解決傳統(tǒng)離軸系統(tǒng)畸變較大的問題。

低畸變 共口徑/視場 光學(xué)效率 離軸系統(tǒng) 光學(xué)設(shè)計(jì) 光學(xué)遙感

0 引言

紅外成像用于獲取地物的溫度輻射特性，具有熱輻射識別能力強(qiáng)、遠(yuǎn)距離和全天時工作等優(yōu)點(diǎn)[1]，是空間光學(xué)遙感偵察、去偽探測的重要手段。同等指標(biāo)條件下中波紅外衍射極限分辨率高于長波紅外，并且中波紅外探測器的噪聲更小，靈敏度更高[2]，因此中波紅外光學(xué)系統(tǒng)在成像過程中能夠?qū)崿F(xiàn)較高的空間分辨率和溫度分辨率[3]。但紅外圖像的清晰度與可見光圖像相比仍有較大差距，故將紅外圖像與可見光圖像融合可使同一場景的目標(biāo)更為清晰，通過譜段細(xì)分亦能實(shí)現(xiàn)地物的精細(xì)識別。綜上所述，兼具可見和紅外譜段的遙感相機(jī)通過可見及紅外通道參數(shù)的差異化配置可以提高分辨率，獲得相對高的清晰度，且能夠兼顧目標(biāo)的溫度分辨率。

雙波段共口徑系統(tǒng)整機(jī)較傳統(tǒng)雙相機(jī)系統(tǒng)整機(jī)大幅減小體積、降低成本[4-5]。紅外探測一般對光學(xué)系統(tǒng)的噪聲等效溫差有一定要求，對于高靈敏度系統(tǒng)而言，如果能提高光學(xué)系統(tǒng)效率，將有效減小紅外探測的工程實(shí)施難度。雙通道光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，通過盡量多的共用光學(xué)元件，以達(dá)到提高光學(xué)系統(tǒng)效率的目的。但共用光學(xué)元件數(shù)量的增加，直接導(dǎo)致系統(tǒng)可優(yōu)化變量的減少，這與成像品質(zhì)的最優(yōu)目標(biāo)存在矛盾。同時，巧妙的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還要考慮元件的加工性和系統(tǒng)緊湊性的要求。因此，高光學(xué)效率可見紅外共口徑共視場光學(xué)系統(tǒng)在具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)的同時，也大大增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，具有較高的研究價值。

由于本文研究的可見紅外共口徑共視場光學(xué)系統(tǒng)的成像譜段為可見光到中波紅外的較寬光譜范圍，基本無法找到既可矯正寬光譜像差又能實(shí)現(xiàn)0.5m口徑的透射式光學(xué)材料，所以無法選用透射式光學(xué)系統(tǒng)。反射式光學(xué)系統(tǒng)可分為同軸反射式和離軸反射式兩種類型。同軸反射式系統(tǒng)，存在中心遮攔，損失信噪比[6-7]。離軸反射式系統(tǒng)可規(guī)避同軸反射式系統(tǒng)存在的中心遮攔問題[8-13]，在同等系統(tǒng)指標(biāo)情況下，有利于保證紅外通道的光學(xué)系統(tǒng)效率和成像品質(zhì)。所以本文致力于研究高光學(xué)效率可見紅外共口徑共視場離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)。

對于此類光學(xué)系統(tǒng)已有不少學(xué)者展開了研究，文獻(xiàn)[14]中介紹了一種雙視場共孔徑離軸光學(xué)系統(tǒng)，可以很好的解決大小視場共口徑應(yīng)用問題。但每個通道需要6～7片紅外透鏡，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)效率大幅降低，并且需要通過校正鏡切入切出實(shí)現(xiàn)共口徑成像，增加了活動機(jī)構(gòu)，降低了整機(jī)可靠性。文獻(xiàn)[15]中介紹的兩種雙波段光學(xué)系統(tǒng)，均包含8片紅外透鏡，且其系統(tǒng)體積龐大，同樣由于引入過多透射元件而使光學(xué)系統(tǒng)效率降低。文獻(xiàn)[16]雖然采用全反射式光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可見紅外共口徑設(shè)計(jì)，達(dá)到了提高光學(xué)效率的目的，但可見紅外雙通道采用分視場成像的技術(shù)手段，不具備雙波段同時成像的優(yōu)勢；同時，垂直光軸方向系統(tǒng)體積偏大，增加了系統(tǒng)質(zhì)量；且未見文中提及考慮紅外通道冷光闌問題，其雜散輻射光對成像品質(zhì)可能存在一定影響。

本文針對高光學(xué)效率可見紅外共口徑共視場光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用需求，對比了現(xiàn)有雙通道離軸系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了該類光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，研究了光學(xué)效率的影響因素，確定了雙波段共口徑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，提出了一種緊湊型全反射式高光學(xué)系統(tǒng)效率共口徑離軸系統(tǒng)構(gòu)型，給出了可見紅外共口徑離軸反射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對系統(tǒng)布局及像質(zhì)進(jìn)行迭代優(yōu)化。

1 設(shè)計(jì)思路

光學(xué)效率的概念常用于聚光及光纖耦合系統(tǒng)中[17-18]，后延伸到成像光學(xué)系統(tǒng)。對于透射式光學(xué)系統(tǒng)可定義為透鏡中透射光的總能量與入射到透鏡上的光能量之比，其值與透射式系統(tǒng)的光學(xué)損失密切相關(guān)[19-20]。由此可知光學(xué)效率與其光學(xué)損失密切關(guān)聯(lián)，透射元件因受到兩個透射表面的透過率及材料吸收率的雙重影響，較反射元件損失更多的光學(xué)效率。據(jù)此分析可知影響光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)效率的主要因素為光學(xué)系統(tǒng)遮攔和透射元件數(shù)量。

基于同軸反射式系統(tǒng)存在中心遮攔損失部分光學(xué)效率的固有特點(diǎn)，本文選取離軸光學(xué)系統(tǒng)形式，目前離軸共口徑/共視場光學(xué)系統(tǒng)的主要型式如圖1所示。圖1（a）所示光學(xué)系統(tǒng)型式簡潔，光學(xué)效率高，但系統(tǒng)體積龐大，不利于整機(jī)質(zhì)量和成本控制。在共口徑、共視場和緊湊性的多重要求下，雙通道各包含3片反射鏡的整體構(gòu)型導(dǎo)致其能實(shí)現(xiàn)的視場角指標(biāo)存在一定局限。光學(xué)系統(tǒng)焦平面結(jié)構(gòu)布局從圖1（a）上看也存在一定問題。圖1（b）所示系統(tǒng)型式焦平面布局合理，但系統(tǒng)共用光學(xué)元件部分采用韋瑟雷爾（wetherell）結(jié)構(gòu)、無中間像離軸三反構(gòu)型，導(dǎo)致其沿光軸方向及垂直于光軸方向的二維方向上體積均較大，不利于實(shí)現(xiàn)緊湊性要求，并且紅外通道由于引入中繼透鏡組光學(xué)系統(tǒng)效率相對較低。圖1（c）所示系統(tǒng)型式共用光學(xué)元件部分采用柯爾施（Korsch）結(jié)構(gòu)、有中間像離軸三反構(gòu)型，較圖1（b）型式緊湊，但同樣由于引入中繼透鏡組而存在光學(xué)效率偏低的問題。

針對上述雙通道光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種全反射式共口徑/共視場離軸光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型，該光學(xué)系統(tǒng)理論構(gòu)型如圖2所示。

圖2 全反射式可見紅外共口徑/共視場離軸光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型示意

可見光通道與紅外通道共用主次鏡，可見光通道光闌置于主鏡上，紅外通道光闌置于紅外探測器冷屏開口處，由此實(shí)現(xiàn)共口徑。雙通道經(jīng)過主次鏡后通過分色片分光，以此保證雙通道共視場，實(shí)現(xiàn)可見、紅外通道同時成像。經(jīng)分色片分光后可見光三鏡置于主鏡上方，實(shí)現(xiàn)可見光通道的緊湊型布局，紅外通道經(jīng)分色片分光后接紅外通道三鏡和紅外通道四鏡，避免使用紅外透鏡元件，最大限度的保證了紅外通道的光學(xué)效率。經(jīng)分析，同等技術(shù)指標(biāo)條件下該種型式光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)效率較圖1（c）所示光學(xué)系統(tǒng)效率至少提升40%，詳見2.2部分。

共口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)為兼顧雙通道的成像品質(zhì)，一般會對光學(xué)元件引入平移或傾斜變量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的對稱性損失，因此一般此類系統(tǒng)畸變較為明顯。初級畸變的分布式為

式（1）中

或者

由式（2）可知，孔徑光闌位于球心，系統(tǒng)將不產(chǎn)生畸變。由式（3）可知，預(yù)消除畸變需同時滿足光闌位置的正弦條件和角倍率的正切條件，即

本文所提出的全反射式共口徑/共視場離軸光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型，顯然不滿足上述消除畸變的條件。所以該種構(gòu)型方式紅外通道的紅外三鏡和紅外四鏡與可見光通道三鏡剝離，可最大限度的矯正光闌離軸帶來的非對稱像差，從而更好的矯正系統(tǒng)畸變。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，給出一個光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，并據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)例分析光學(xué)系統(tǒng)的成像品質(zhì)、畸變及光學(xué)效率。

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 設(shè)計(jì)結(jié)果及像質(zhì)評價

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，光學(xué)系統(tǒng)型式如圖2所示，按照高斯光學(xué)成像理論[21]或矢量像差理論[22-24]確定系統(tǒng)初始參數(shù)后帶入ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，采用像差平衡手段對雙通道初始解進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，最終得到滿足技術(shù)指標(biāo)要求的可見紅外共口徑共視場光學(xué)系統(tǒng)。圖3為光學(xué)系統(tǒng)整體構(gòu)型圖，可見光通道由帶中間像離軸三反系統(tǒng)組成，最大限度的保證了系統(tǒng)體積及光學(xué)效率，紅外通道與可見光通道共用主次鏡，通過紅外三鏡和紅外四鏡實(shí)現(xiàn)紅外通道緊湊型布局、壓縮焦距及畸變矯正的目標(biāo)?？梢姽馔ǖ拦怅@置于主鏡前方，既滿足了系統(tǒng)像差矯正要求又保證了主鏡的小口徑。紅外光學(xué)系統(tǒng)光闌置于探測器冷屏開口處，保證冷光闌效率為100%。共口徑光學(xué)系統(tǒng)最終體積約為1 300mm×1 200mm×485mm。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。其中各主要反射表面均為非球面表面，設(shè)計(jì)過程充分考慮了非球面的各項(xiàng)加工及待檢參數(shù)，保證各反射鏡參數(shù)能夠適應(yīng)現(xiàn)階段光學(xué)制造水平。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)整體構(gòu)型圖

表2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4為光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線，如圖4所示，可見光通道在71.4線對/mm處全視場全譜段MTF數(shù)值大于0.31，紅外通道在33線對/mm處全視場全譜段MTF數(shù)值大于0.31，可滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線

光學(xué)系統(tǒng)相對畸變數(shù)值如表3所示，可見光通道光學(xué)系統(tǒng)最大相對畸變?yōu)?.285 0%，紅外通道光學(xué)系統(tǒng)最大相對畸變?yōu)楱C0.726 8%，滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。

表3 光學(xué)系統(tǒng)相對畸變數(shù)值

根據(jù)現(xiàn)階段光學(xué)元件加工及鍍膜技術(shù)水平，將圖1（c）所示構(gòu)型（包含5片透鏡）系統(tǒng)光學(xué)效率與本實(shí)例光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)效率相比較。按照透射元件表面透過率99%，材料吸收1%；反射元件表面反射率98%，推算兩光學(xué)系統(tǒng)紅外通道光學(xué)系統(tǒng)效率，本文設(shè)計(jì)實(shí)例光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)效率比圖1（c）所示構(gòu)型光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)效率至少提升40%。

3 結(jié)束語

本文通過梳理可見光及紅外成像的優(yōu)缺點(diǎn)，肯定了可見紅外共口徑成像在空間探測領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，從光學(xué)效率的定義出發(fā)，分析了影響光學(xué)系統(tǒng)效率的主要因素，確定了采用離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高光學(xué)效率共口徑系統(tǒng)的技術(shù)路線。對比現(xiàn)有雙通道離軸系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了該類光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。研究了光學(xué)效率的影響因素，確定了雙波段共口徑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，提出了一種緊湊型全反射式高光學(xué)系統(tǒng)效率共口徑離軸系統(tǒng)構(gòu)型。實(shí)現(xiàn)了可見紅外復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)的緊湊型要求。給出了全反射式可見紅外共口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，設(shè)計(jì)結(jié)果表明，同等技術(shù)指標(biāo)情況下，該光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)效率較復(fù)雜折反射式雙通道共口徑光學(xué)系統(tǒng)效率至少提高40%，且系統(tǒng)雙通道畸變均得到有效矯正。

[1] 馬占鵬, 薛要克, 沈陽, 等. 可見/紅外雙色共孔徑光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 光子學(xué)報(bào), 2021, 50(5): 24-32.

MA Zhanpeng, XUE Yaoke, SHEN Yang, et al. Design and Realization of Visible/LWIR Dual-color CommonAperture Optical System[J]. Acta Photonica Sinica, 2021, 50(5): 24-32. (in Chinese)

[2] ANDREW B, ANDREW S, JIM M. Compact Multi-band (VIS/IR) Zoom Imager for High Resolution Long Range Surveillance[J]. Proceedings of SPIE, 2005, 5783: 816.

[3] 馬文坡. 中波紅外與長波紅外推掃成像性能分析[J]. 紅外與激光工程, 2014, 43(12): 3861-3865.

MA Wenpo. Performance Analysis on MWIR and LWIR Pushbroom Imaging[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(12): 3861-3865. (in Chinese)

[4] 許黃蓉. 雙波段自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 西安: 西安工業(yè)大學(xué), 2017．

XU Huangrong. Design of Dual-band Adaptive Optical System[D]. Xi'an: Xi'an Technological University, 2017. (in Chinese)

[5] 韓培仙, 任戈, 劉永, 等．可見/中波雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2020, 41(3): 435-440.

HAN Peixian, REN Ge, LIU Yong, et al. Optical Design of VIS/MWIR Dual-band Common-aperture System[J]. Journal of Applied Optics, 2020, 41(3): 435-440. (in Chinese)

[6] 趙秀麗. 紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1986: 178-187. ZHAO Xiuli. Infrared Optical System Design[M]. Beijing: China Machine Press, 1986: 178-187. (in Chinese)

[7] 潘君驊. 光學(xué)非球面的設(shè)計(jì)、加工與檢驗(yàn)[M]. 蘇州: 蘇州大學(xué)出版社, 2004: 12．

PAN Junhua. The Design Manufacture and Test of the Aspherical Optical Surfaces[M]. Suzhou: Soochow University Press, 2004: 12. (in Chinese)

[8] 史廣維, 張新, 張建萍. 無遮攔折反射紅外光學(xué)系統(tǒng)[J]. 光學(xué)精密工程, 2014, 22(8): 1995-2000.

SHI Guangwei, ZHANG Xin, ZHANG Jianping. Unobscured Catadioptric Infrared Optical Systems[J]. Optics and Precision Engineering, 2014, 22(8): 1995-2000. (in Chinese)

[9] JONATHAN C P, JOSEPH M H, JANNICK P. Rolland Starting Point Designs for Freeform Four-mirror Systems[J]. Optical Engineering, 2018, 57(10): 101705-1-101705-11.

[10] 朱鈞, 吳曉飛, 侯威, 等. 自由曲面在離軸反射式空間光學(xué)成像系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 航天返回與遙感, 2016, 37(3): 1-8.

ZHU Jun, WU Xiaofei, HOU Wei, et al. Application of Freeform Surfaces in Designing Off-axis Reflective Space Optical Imaging Systems[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2016, 37(3): 1-8. (in Chinese)

[11] 姜宏佳. 大尺寸離軸反射式相機(jī)的仿真集成分析方法[J]. 航天返回與遙感, 2018, 39(1): 78-86.

JIANG Hongjia. Application of Integrated Analysis of Optical-structurethermalin Large-scale Off-axis Three Mirror System[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2018, 39(1): 78-86. (in Chinese)

[12] CHANG S. Off-axis Reflecting Telescope with Axially-symmetric Optical Property and Its Applications[J]. Proceedings of SPIE, 2006, 6265: 626548.

[13] MORETTOG, KUHN J, GOODE P. Reviewing Off-axis Telescope Concepts: A Quest for Highest Possible Dynamic Range for Photometry and Angular resolution[J]. Proceedings of SPIE, 2012, 8444: 84440Y.

[14] 常偉軍, 孫婷, 張宣智, 等. 雙視場共孔徑離軸三反光學(xué)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法: 中國, CN 110221420A[P]. 2019-06-16.

CHANG Weijun, SUN Ting, ZHANG Xuanzhi, et al. Off-axial TMA Optical System for Dual-FOV and Common-aperture and Its Design Method: China, CN 110221420A[P]. 2019-06-16. (in Chinese)

[15] JAY V, JASON M, JOHN H, et al. 3rd Generation FLIR Demonstrator[J]. Proceedings of SPIE, 2008, 6940: 69400U.

[16] 王臣臣, 鄒剛毅, 龐志海, 等. 大視場可見紅外一體化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 紅外與激光工程, 2016, 45(10): 156-161.

WANG Chenchen, ZOU Gangyi, PANG Zhihai, et al. Design of Large Field for Visible/Infrared Integrated Optical System[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(10): 156-161. (in Chinese)

[17] 張明, 黃良甫, 羅崇泰, 等. 空間用平板形菲涅耳透鏡的設(shè)計(jì)和光學(xué)效率研究[J]. 光電工程, 2001, 28(5): 18-21.

ZhANG Ming, HUANG Liangfu, LUO Chongtai, et al. Study on Design and Optical Efficiency of Flat Type Fresnel Lens Forspace Application[J]. Opto-electronic Engineering, 2001, 28(5): 18-21. (in Chinese)

[18] 周安然, 韓於利, 孫東松, 等. 高光學(xué)效率相干多普勒激光雷達(dá)的測風(fēng)性能分析與測試[J]. 紅外與激光工程, 2019, 48(11): 65-71.

ZHOU Anran, HAN Yuli, SUN Dongsong, et al. Analyzing and Testing of Performances of High Optical Efficiency CDL in Wind Sensing[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(11): 65-71. (in Chinese)

[19] 張明軍, 高文英, 牛泉云, 等. 聚光光伏系統(tǒng)菲涅耳聚光器性能分析與仿真[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(8): 2411-2416.

ZhANG Mingjun, GAO Wenying, NIU Quanyun, et al. Characteristics Analysis and Simulation of Fresnel Concentrator in Concentrated Photovoltaic System[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(8): 2411-2416. (in Chinese)

[20] 李鵬, 吳賀利, 楊培環(huán), 等. 菲涅耳聚光透鏡的一般設(shè)計(jì)方法及效率分析[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2010(6): 62-66.

LI Peng, WU Heli, YANG Peihuan, et al. General Design Method and Optical Efficiency of the Solar Concentrator by Fresnel Lens[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2010(6): 62-66. (in Chinese)

[21] 樊學(xué)武, 馬衛(wèi)紅, 陳榮利, 等. 具有二次像面的三反射光學(xué)系統(tǒng)的研究[J]. 紅外與激光工程, 2003, 32(8): 1001-1003.

FAN Xuewu, MA Weihong, CHEN Rongli, et al. Study on Three-mirror Reflective Optic System Having One Image Surface[J]. Infrared and Laser Engineering, 2003, 32(8): 1001-1003. (in Chinese)

[22] 劉璐, 胡斌, 周峰, 等. 二維大視場緊湊型離軸四反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2020, 41(1): 73-84.

LIU Lu, HU Bin, ZHOU Feng, et al. Design of Compact Off-axis Four-mirror Optical System with Two-dimensional Large Field of View[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(1): 73-84. (in Chinese)

[23] 操超, 廖志遠(yuǎn), 白瑜, 等. 基于矢量像差理論的離軸反射光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 物理學(xué)報(bào), 2019, 68(13): 114-121.

CAO Chao, LIAO Zhiyuan, BAI Yu, et al. Initial Configuration Design of Off-axis Reflective Optical System Based on Vector Aberration Theory[J]. Acta Physica Sinica, 2019, 68(13): 114-121. (in Chinese)

[24] 鄒剛毅, 樊學(xué)武, 龐志海, 等. 矢量波像差理論在無遮攔三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 紅外與激光工程, 2014, 43(2): 569-573.

ZOU Gangyi, FAN Xuewu, PANG Zhihai, et al. Design of Unobscured Three-mirror Optical System by Applying Vector Wavefront Aberration Theory[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(2): 569-573. (in Chinese)

Design of a High Optical Efficiency Off-axial Optical System for VIS/IR with Common Aperture and FOV

JIA Yongdan1,2SUN Jian1,2NIE Yunsong1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）

As to the needs of the high optical efficiency optical system for VIS/IR with common aperture, based on the definition of optical efficiency, the factors affecting the optical system efficiency are analyzed, and the technical route of using off-axial reflective optical system to achieve high optical efficiency is determined. The typical configurations of the VIS/IR common-aperture/common-FOV off-axial optical system are compared, and a compact total-reflection off-axial system configuration with common primary and secondary mirrors is proposed. A design example was given. The technical indicators are as followed. For the VIS channel, the focal length, F number, field of view and the operating wave band are 6 000mm, 12.4, 2°×0.1° and 400～700nm respectively. The modulation transfer function in the pan-spectral band is above 0.31 all over the field of view at the Nyquist frequency of 71.4lp/mm, and the relative distortion is less than 0.29%. For the IR channel, the optical system focal length is 1700mm, F number is 3.5, field of view is 2°×0.1°, and the operating wave band is 3～5μm with 100% cold shied efficiency. The modulation transfer function of the system is above 0.31 all over the field of view at the Nyquist frequency of 33lp/mm, and the relative distortion is less than 0.73%. The analysis results indicate that under the same technical conditions, the optical efficiency of the infrared channel for common-aperture optical system described in this paper is at least 40% higher than the complex catadioptric optical system.

low distortion; common-aperture/common-FOV; optical efficiency; off-axial system; optical design; optical remote sensing

TH743

A

1009-8518(2023)01-0126-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.01.014

2022-01-02

科工局民用航天項(xiàng)目（D040101）

賈永丹, 孫建, 聶云松, 等. 高光學(xué)效率可見紅外共口徑/視場離軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(1): 126-134.

JIA Yongdan, SUN Jian, NIE Yunsong, et al. Design of a High Optical Efficiency Off-axial Optical System for VIS/IR with Common Aperture and FOV[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(1): 126-134. (in Chinese)

賈永丹，女，1984年生，2012年獲長春理工大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師。研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)遙感器光學(xué)設(shè)計(jì)及仿真。E-mail：jwana@126.com。

（編輯：龐冰）