【摘 要】
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机载和航天的特殊使用环境对空间光学系统提出了小型化和轻量化的要求,离轴全反射系统无色差,作用波段宽,还可以通过折叠光路来实现紧凑型和轻小型结构,有很好的应用前景。由于离轴反射系统的设计形式非常灵活,因此需要在设计中避免引起光线遮拦,此外离轴反射系统中存在一些不对称像差,使用传统的球面很难校正这些像差。光学自由曲面有很强的像差校正能力,在离轴反射系统中使用自由曲面反射镜可以有效地校正系统由于离轴引起
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机载和航天的特殊使用环境对空间光学系统提出了小型化和轻量化的要求,离轴全反射系统无色差,作用波段宽,还可以通过折叠光路来实现紧凑型和轻小型结构,有很好的应用前景。由于离轴反射系统的设计形式非常灵活,因此需要在设计中避免引起光线遮拦,此外离轴反射系统中存在一些不对称像差,使用传统的球面很难校正这些像差。光学自由曲面有很强的像差校正能力,在离轴反射系统中使用自由曲面反射镜可以有效地校正系统由于离轴引起的不对称像差。本文研究了含有自由曲面的紧凑型无焦离轴四反系统的设计方法。主要工作如下:（1）为实现无光线遮拦的紧凑型结构,分析和对比了离轴反射系统中消除光线遮拦的数学模型,采用控制反射镜边缘和光束保持较小间隔的方式建立了紧凑型无焦离轴四反系统的结构约束。（2）根据初级像差原理,推导了基于二次非球面的同轴无焦四反系统的五种初级单色像差系数。为实现初始结构自动求解,根据像差约束和结构约束,建立了求解初始结构的评价函数,确定了待优化变量。（3）使用遗传算法优化评价函数得到初始结构。利用光学软件对初始结构进行像差平衡,过程中引入第一类Forbes非球面和Zernike Fringe多项式自由曲面,最终获得入瞳170 mm,出瞳34 mm,视场3°×3°,口径压缩比为5倍的紧凑型无焦离轴四反系统,并对最终系统的像质和公差进行了分析。
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