双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计 姚 波，袁立银，亓洪兴，舒 嵘 （中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室上海 20083） 摘要：提出了一种双通道共用一个主光学的推帚式高光谱成像仪光学系统，该系统由离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外光谱仪后光学和短波红外光谱仪后光学组成，设计中采用双通道共用离轴三反射主光学系统，不仅满足了成像仪大视场、宽谱段的要求，而且提高了系统的光学效率，使系统结构更加紧凑，双通道光谱仪均采用棱镜-全息透射光栅-棱镜分光组件分光，实现了宽光谱分光，提高了衍射效率，系统实现光谱范围覆盖450～2500 nm，全视场达23.9°。 关键词：光学系统设计；双通道成像光谱仪；离轴三反射；棱镜-全息透射光栅-棱镜 中图分类号：TH744.1 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2013)07-0419-06 Optical Design of a Dual-channel Imaging Spectrometer Sharing the Off-axis TMA System YAO Bo，YUAN Li-yin，QI Hong-xing，SHU Rong (Key Laboratory of Space Active Opto-Electronics Technology, Shanghai Institute of Technical Physics, CAS, Shanghai 200083, China) Abstract：This paper presents an optical system for a dual-channel pushbroom hyperspectral imaging spectrometer which shared a main optics. This optical system consists of the main optics, slit, collimator, dichroic mirror and the optical components of VISNIR and SWIR. The two channels sharing off-axis Three-Mirror Anastigmatic (TMA) telescope system is designed, which is not only to meet the requirements of the imager about field of view, wide spectra, but also to improve the optical efficiency and make the system more compact. Prism Grating-Prism (PGP) components are used to achieve a wide spectrum spectrophotometry and high diffraction efficiency, whose response covers the range from 450 to 2500nm with a 23.9° field of view. Key words：optical design，imaging spectrometer，off-axis three-mirror system，Prism Grating-Prism(PGP) 0引言 近年来随着对地观测的需求和光电技术的进步，成像光谱仪已发展成为新一代遥感仪器，它将传统二维成像技术与光谱仪技术有机结合，能在获取地物二维空间几何信息的同时，以高光谱分辨率获取目标的光谱信息，具有超多波段、高光谱分辨力、高空间分辨力的特点，比多光谱图像包含了更丰富的地物目标信息。因此，高光谱成像在地质地理、植被调查、大气探测、海洋遥感、农业科技，环境监测、减灾防灾及军事应用等方面具有广泛应用前景[1]。 国内外比较典型的高光谱成像仪仪器有美国JPL实验室的A VIRIS[2]，中国的OMIS[3]，PHI[4]，德国的DAIS[5]等。星载高光谱成像仪主要以美国为主，典型的如EO-1卫星的Hyperion[6]，海军NEMO 卫星的岸带高光谱成像仪COIS[7]，以及火星勘探成像光谱仪CRISM[8]和月球矿物制图仪Moon Mineralogy Mapper[9]等，谱段主要集中在可见近红外-短波红外，这些高光谱成像仪提供的丰富高光谱数据已在多个应用领域发挥了重要作用。 在高光谱成像仪的研制过程中，研制成败的一个关键环节就是光学系统的选择和设计，直接影响着仪器的性能、体积和质量。对于传统的望远系统设计，有折射系统和反射系统2种选择，其中折射系统需要采用特殊的材料和结构来消除二级光谱色差，反射系统不产生色差，孔径、焦距都可以做得很大，且宜于轻量化。现有的两反系统虽然结构形 419
文章编号 10042924X (2003)0120055204 宽覆盖、离轴空间相机光学系统的设计 常 军1,翁志成1,姜会林2,丛小杰1 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130022; 2.长春理工大学,吉林长春130022) 摘要:当前空间相机的光学系统的要求是:在多光谱范围内,系统要有高分辨率、大视场、小体积、质量轻且像面为平像场,TMA (Three mirror anastigmat )可以满足上述要求。为此给出了这方面的设计,所研究的TMA 系统三个反射面都是二次曲面,将主镜和第三镜离轴放置,避免中心遮拦的影响,系统的视场可达到5°×0.2°,焦距为6m ,像质接近衍射极限。关 键 词:高分辨率;空间相机中图分类号:TH703 文献标识码:A 1 引 言 目前,在空间对地观测遥感领域中,无论是军事还是民用领域都在努力发展高分辨力的空间相机,并要求相机在多光谱条件下,具有大视场、高分辨率、体积小、无色差、平像场。当工作轨道高度和探测器尺寸一定时,增大焦距,可以提高对地面像元的分辨率。但是,焦距增大时,系统尺寸也将随着增大,体积大对航空和航天产品非常不利。对于长焦距光学系统,折射系统和折反系统存在二级光谱,不易校正[1];反射系统不产生色差,无二级光谱,使用波段范围宽,而且孔径可以做得较大,宜于轻量化,在抗热性能方面有较强的优势,而且通过使用非球面来校正像差,可以使结构简单,像质优良。目前已有学者在这方面做了不少工作[2-6] 。最常用的卡氏系统也同样具有上述优点,但其视场小,且存在残余场曲;同轴的三镜消像散反射系统(TMA )由于中心遮拦的影响,减少了进入系统的能量,降低了系统的传函值。离轴TMA 避免了中心遮拦,传函值可做到较高。本文探讨一种离轴TMA ,系统焦距为6m ,视场可达到5°×0.2°,对地面有较大的覆盖范围,且筒长较短,成像质量接近衍射极限。 2 光学系统分析 在无像差光学系统中或者系统的像差足够小 时,光学系统口径的衍射决定了系统的最高分辨率。衍射对系统分辨率的影响由艾利斑直径d 来表征: d = 2.44λf D ,(1) 其中:λ为波长,f 为光学系统焦距,D 为光学系统口径。 光学系统的成像质量最好能做到衍射极限,即像斑直径最小为衍射极限。系统焦距f 与探测器单元尺寸δ有如下的关系: f s H =δ,(2) 式中:H 为卫星轨道高度,s 为地面线分辨率。地面覆盖宽度: Q =2?H ?tan ω, (3)式中:Q 为地面覆盖宽度,ω为系统的半视场角。由上式可知,在波长、卫星高度和探测器尺寸δ确定后,空间分辨率与光学系统相对孔径有关,当光学系统口径一定时,在相同的轨道高度条件下,增大焦距可以提高地面分辨率,增大系统的视 收稿日期:2002205204;修订日期:2002210230. 基金项目:国家自然科学基金项目(No.69978020) 第11卷 第1期 2003年2月 光学 精密工程Optics and Precision Engineering Vol.11 No.1Feb. 2003
基本信息 stray light 指远离吸收光的其它波长的入射光。由于光源发出的光经过单色器时有可能从单色器舱内及其它光学元件表面发生反射，从光学元件表面以及大气中的灰尘也可以发生散射，这些都会产生杂散光。杂散光的存在会对比尔定律产生偏移。 另：一般指超出眼睛网膜视线之光线。 杂散光的来源 产生杂散光的原因很多，其最主要的原因大致有以下9个方面： 1. 灰尘沾污光学元件（如光栅、棱镜、透镜、反射镜、滤光片等）； 2. 光学元件被损伤，或光学元件产生的其他缺陷（如光栅、透镜和反射镜、棱镜材料中的气泡等）； 3.准直系统内部或有关隔板边缘的反射； 4.光学系统或检测器没有作适当的屏蔽，“室光”直接进入光学系统； 5.热辐射或荧光引起的二次发射； 6.狭缝的缺陷； 7.光束孔径不匹配； 8.光学系统的相差； 9.单色器内壁黑化处理不当。 以上9个方面中，光栅是杂散光的主要来源。它产生的杂散光占总杂散光约80%。[1] 杂散光的重要性 杂散光是紫外可见分光光度计非常重要的关键技术指标。它是紫外可见分光光度计分析误差的主要来源，它直接限制被分析测试样品浓度的上限。当一台紫外可见分光光度计的杂散光一定时，被分析的试样浓度越大，其分析误差就越大。ASTM认为：“杂散光可能是光谱测量中主要误差的来源。尤其对高浓度的分析测试时，杂散光更加重要”。有文献报道，在紫外可见光区的吸收光谱分析中，若仪器有1%的杂散光，则对A为2.0的样品测试时，会引起2%的分析误差。 因此，认真研究杂散光，以便减少或降低杂散光对光谱分析的影响，是光谱仪器研制者和使用者们必须高度重视的问题。[2]
近日，完成了成像和非成像方面完整的杂散光实例分析，并总结如下。下文仅是一家之言，仅供大家参考。谢绝转载。 杂散光（Stray light）是光学系统中不受欢迎的光线。成像系统和非成像系统都存在杂散光问题，甚至人眼都有这个问题。 杂散光主要表现形式有： 鬼像（Ghost）：由光学表面的多次反射光形成。λ 散射光线。来源自光学元件，机械表面（主要来源）：λ镜头外壳，固定支架，遮光罩，拦光挡片等。 遮光罩使用不当出现的漏光。λ 杂散光的其它来源： 衍射：由遮光罩边缘引起的衍射；另外，由于衍射元件通常只处理一阶衍射，其余阶就成为杂散光的来源了。Lyout光栏是天文望远镜中消除衍射效应的典型器件。υ 热效应：探测器因环境因素，或机械结构和系统硬件引起的热效应而产生杂散信号。υ 杂光（Veiling Glare）是到达成像系统传感器的杂散光，会导致成像系统性能的衰减。杂光主要有两种成分：散射光和鬼像。一次反射鬼像影响最大的是高功率激光系统，二次反射鬼像主要影响成像系统和红外系统。鬼像又分鬼像焦点像（ghost focus images）和鬼像光瞳像（Ghost pupil images）。前者是由物面形成的，后者由光瞳形成的。由于光瞳是系统全视场能量积分处，所以其影响可能也会很大。对于高功率激光系统而言，除了要避免成像光路形成的内焦点，还要避免鬼像光路形成的鬼像内焦点。 鬼像分析可分为轴上点近轴光路分析和照明方式的分析。前者就是用成像软件进行鬼像光路分析完成。照明方式分析，实际就是采用商用照明软件所使用的“二叉树”（分裂光线）方法完成。一般而言，应用成像软件进行鬼像光路分析，还可以优化光学系统结构，比如：ZEMAX、CODE V；照明可以完成杂光系数分析，当然，有一些照明软件也可以优化机械结构，比如LT、ASAP。 几种消杂光的办法如下： 1、更改光学类型，优化系统结构，或优化机械结构 2、增加消杂光光栏 3、用螺纹消杂光 4、对镜筒内壁采用无光发黑氧化，或者喷无光漆，或贴消光绒毛。 5、对产生严重鬼像的光学面镀增透膜。 6、使用合理的遮光罩 7、透镜镜片边缘涂黑处理
近日，完成了成像和非成像方面完整的杂散光实例分析，并总结如下。下文仅是一家之言，仅供大家参考。谢绝转载。 杂散光（Stray light）是光学系统中不受欢迎的光线。成像系统和非成像系统都存在杂散光问题，甚至人眼都有这个问题。 杂散光主要表现形式有： 鬼像（Ghost）：由光学表面的多次反射光形成。λ 散射光线。来源自光学元件，机械表面（主要来源）：λ镜头外壳，固定支架，遮光罩，拦光挡片等。 遮光罩使用不当出现的漏光。λ 杂散光的其它来源： 衍射：由遮光罩边缘引起的衍射；另外，由于衍射元件通常只处理一阶衍射，其余阶就成为杂散光的来源了。Lyout光栏是天文望远镜中消除衍射效应的典型器件。υ 热效应：探测器因环境因素，或机械结构和系统硬件引起的热效应而产生杂散信号。υ 杂光（Veiling Glare）是到达成像系统传感器的杂散光，会导致成像系统性能的衰减。杂光主要有两种成分：散射光和鬼像。一次反射鬼像影响最大的是高功率激光系统，二次反射鬼像主要影响成像系统和红外系统。鬼像又分鬼像焦点像（ghost focus images）和鬼像光瞳像（Ghost pupil images）。前者是由物面形成的，后者由光瞳形成的。由于光瞳是系统全视场能量积分处，所以其影响可能也会很大。对于高功率激光系统而言，除了要避免成像光路形成的内焦点，还要避免鬼像光路形成的鬼像内焦点。 鬼像分析可分为轴上点近轴光路分析和照明方式的分析。前者就是用成像软件进行鬼像光路分析完成。照明方式分析，实际就是采用商用照明软件所使用的“二叉树”（分裂光线）方法完成。一般而言，应用成像软件进行鬼像光路分析，还可以优化光学系统结构，比如：ZEMAX、CODE V；照明可以完成杂光系数分析，当然，有一些照明软件也可以优化机械结构，比如LT、ASAP。 几种消杂光的办法如下： 1、更改光学类型，优化系统结构，或优化机械结构 2、增加消杂光光栏 3、用螺纹消杂光 4、对镜筒内壁采用无光发黑氧化，或者喷无光漆，或贴消光绒毛。 5、对产生严重鬼像的光学面镀增透膜。 6、使用合理的遮光罩 7、透镜镜片边缘涂黑处理
6红外2017年3月文章编号：1672-8785(2017)03-0006-06 自由曲面在离轴光学系统中的应用 周龛1，3肖锡晟1孙胜利1 (1中国科学院上海技术物理研究所，上海2Q0083 ; 上海科技大学，上海2〇121〇 )_ 摘要：针对自由曲面能提升成像.光学系统的性.能攀1较E像差的特点，分析了自由曲面 在离轴光学系统中的应用优势。光学系统选用视场角为30° x l l°、焦距为150mm、 F数为3的Cook-TMA。本设计中，离轴三反光学系统的主反射镜采用自由曲面设计. 分析了使用Z e mike多项式曲面在大视场离轴反射式光学系铳中对离轴光学系统性能的 提升效果，并与使用常规非球面的精况进行了比较，分析了自由曲面的优缺点…结果 表明，自由曲面在提高离轴光学系统的成像质量方面具有更大的优势，系统的平均传 递函数比常规非球面提升了 15.9%以上，系统接近衍射极限。Zemike多项式曲面在离 轴三反系统中的应用效果良好，系统的成像性能得到了较大的提升。 关键词：自由曲面；大视场；离轴三反光学系统；Zernike多项式 中图分类号：TH703 文献标志码：_A DOI:10.3969/jjssnJ672-8785.2017.03.002 Application of Free-form Surface in Off-axis Optical Systems ZHOU Xin1-2,XIAO Xi-sheng1,SUN Sheng-li1 (1 Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 2 Shanghai Tech University, Shanghai 201210, China ) Abstract: According to the features of free-form surfaces which can improve the performance of optical systems and correct aberration, the advantages of using free-form surfaces in off-axis optical systems are analyzed. The optical system used is a Cook-TMA with a field angle of 30 ° x ll ° ，a focal length of 150 mm and a F number of 3. In this design, the main reflector in the off-axis three-mirror optical system is designed by using a free-form surface. The performance improvement of using Zernike polynomial surface in a wide field off-axis reflecting optical system is analyzed and compared with that of the use of conventional aspheric surface. The advantages and disadvantages of free-form surfaces are analyzed. The results show that free-form surfaces have more advantages in the improvement of imaging quality of off-axis optical systems. The average transfer function of using free-form surface is 15.9% higher than that of using conventional aspheric surface. The system is close to the diffraction limit. The use effectiveness of Zernike polynomial surface in the off-axis three-mirror optical system is good and the imaging performance of the system is improved greatly. Key words: free-form surface; large field of view; off-axis three-mirror optical system; Zernike polyno- mial 收稿日期：2017-02-13 作者简介：周鑫（1991-)，男，浙江湖州人，硕士研究生，主要研究大视场航天遥感器光学设计理论与实践。E-mail: zhouxinl991@https://www.doczj.com/doc/3515150250.html, I nfrared(monthly)/V ol.38, No.3, M ar 2017https://www.doczj.com/doc/3515150250.html,/hw
FRED在杂散光分析中的应用 杂散光问题出现在几乎所有的光机系统或者照明系统中。通过遮挡或者移除零件、表面涂漆以及在光学器件进行镀膜都可以减少或者消除杂散光。在本文中，我们会对杂散光做出定义并且说明怎样利用FRED 来分析和减少杂散光问题。 1、什么是杂散光？ 简单来说，杂散光就是不需要的噪音(光)，它是由光机结构、视场外光源或者不完善的光学零件产生的，或者由光学或者照明系统自身的热辐射引起的。FRED 善于发现这些不需要的噪音，它将运用它的虚拟样机研究分析能力来帮助我们消除它。 在成像系统中，杂散光的成因有很多，具体如下： 鬼像 鬼像 它之所以叫鬼像正是因为像面离焦或者是由明亮的光源成鬼影一样的像。鬼像是由透镜表面的反射引起的。光必须从透镜表面反射偶数次才会形成鬼像。有两次反射鬼像，四次反射鬼像等等。仅一个镜面（比如卡塞格林望远镜）构成的光学系统是不会形成鬼像的。如果阳光在拍摄视场内或附近时，鬼像就会出现在影像中。汽车的头灯或者街灯也会在夜间摄影时造成杂散光。如果光亮源很小，各个鬼像会形成光学系统的孔径光阑的形态。在下图1中呈现的就是一个很好的鬼像例子，其中一个双胶合透镜有着完美镀膜的透镜而另外一个光学系统的透镜则没有镀任何膜。追迹由一点发出的21*21的栅格光线以覆盖系统的第一片透镜。 图1—两个双胶合透镜，上面的双胶合透镜，在它的各个透镜上都镀有理想的增透膜。下面的双胶合透镜由于其透镜没有镀膜，各个光学表面有菲涅尔损耗从而产生鬼像。我们已经改变了在各个表面的光线追迹控制，因此从这个表面反射的由于菲涅尔损耗而出现的光线变成了蓝色。这种反射正是下方光学系统杂散光的成因。
1007-4619 (2012) 增刊-0017-05Journal of Remote Sensing 遥感学报 收稿日期：2012-08-01；修订日期：2012-11-20基金项目：国家自然科学资金(No.60507003) 第一作者简介：郭疆(1976— )，男，副研究员，主要从事空间遥感成像技术的研究。E-mail: guojiang001@https://www.doczj.com/doc/3515150250.html, 。 测绘用离轴三反光学系统技术 郭疆1，刘金国1，王国良1，朱磊1，龚大鹏1, 2，齐洪宇1, 2 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 摘 要：离轴三反光学系统可以同时兼顾长焦距与大视场，可以优化为零畸变、低场曲的光学系统，很好地满足了测绘对光学系统的要求，被公认为航天遥感测绘相机的发展方向。本文阐述了航天测绘相机的现状和发展趋势，对离轴三反光学系统应用于测绘的相机内方位元素定义、焦距计算公式的修正、调焦方式对主点位置精度的影响、系统畸变标定以及系统稳定性等问题进行讨论为中国自主获取高分辨率、高精度的测绘数据提供了技术参考。关键词：长焦距，离轴三反，光学系统，测绘相机中图分类号：TP73/V447.3 文献标志码： A 1 引 言 随着地理信息系统软件技术的不断完善和成熟，制约中国地球空间信息产业发展的瓶颈是基础地理数据获取问题。中国数据产业的生产和需求之间存在着较大矛盾，加之国民经济和社会发展迅速，交通和城市建设等地理要素变化很快，加大了测绘对地理信息更新速度的要求，而数据资源获取速度太慢，制约了地理信息的更新速度。为满足地理信息技术快速发展的需求，迫切需要高分辨率的航天遥感测绘相机去获取大比例尺地图。同时宽视场有利于减少图像的整合处理量，提高测绘精度，缩短重访周期，增强卫星的实时性，也成为航天测绘相机的需求之一。 离轴三反光学系统易于设计成长焦距兼大视场，较同轴光学系统有更多的可优化变量，可以很好的解决镜头畸变和场曲等问题，很好地满足了测绘相机对光学系统的要求，是航天遥感测绘相机的发展方向和趋势(姜会林，1982；Juranek 等，1998；Korsch ，1987；潘君骅，1988)。例如，美国的Quickbird-2、印度的CARTOSAT-I 相机和日本的ALOS-PRISM 相机 均为离轴三反光学系统。日本计划在2015年发射的ALOS3，地面像元分辨率为0.8 m ，幅宽为50 km ，也采用离轴三反光学系统。从以上信息可以看出高分辨率、宽幅、低畸变和平视场是大比例尺航天遥感测绘相机的需求(张科科 等，2008)，而采用离轴三反光学系统遥感测绘相机是未来发展趋势。目前，中国离轴三反测绘相机还是空白，而离轴三反测绘相机又有别于同轴系统(常军和姜会林，2003；伍和云和王培纲，2006)，需要对离轴三反光学系统应用于测绘的相关理论和模型进行研究，为中国遥感测绘的快速发展打下基础。 2 离轴三反测绘相机需注意的问题 经典测绘数学模型(王任享，2006；王之卓，2007)中，相机模型均按同轴系统进行处理，而离轴三反光学系统由于视场的偏置，其像面不在光轴上，如图1所示，因此航天测绘在采用离轴三反光学系统时，需对测绘模型和公式进行相应的修正，以保证测绘应用的要求。
（孔径阑）－限制进入光学系统之光束大小所使用的光阑。 （像散）－一个离轴点光源所发出之光线过透镜系统后，子午焦点与弧矢焦点不在同一个位置上。 （边缘光束）－由轴上物点发出且通过入射瞳孔边缘的光线。 （主光束）－由离轴物点斜向入射至系统且通过孔径阑中心的光线。 （色像差）－不同波长的光在相同介质中有不的折射率，所以轴上焦点位置不同，因而造成色像差。 （慧差）－当一离轴光束斜向入射至透镜系统，经过孔径边缘所成之像高与经过孔径中心所成之像高不同而形成的像差。 （畸变）－像在离轴及轴上的放大率不同而造成，分为筒状畸变及枕状畸变两种形式。 （入射瞳孔）－由轴上物点发出的光线。经过孔径阑前的组件而形成的孔径阑之像，亦即由轴上物点的位置去看孔径阑所成的像。（出射瞳孔）－由轴上像点发出的光线，经过孔径阑后面的组件而形成的孔径阑之像，亦即由像平面轴上的位置看孔径阑所成的的像。field of view（视场、视角）－物空间中，在某一距离光学系统所能接受的最大物体尺寸，此量值以角度为单位。 f-number（焦数）－有效焦距除以入射瞳孔直径的比值，其定义式如下：有时候f-number也称为透镜的速度，4 f 的速度是2 f 速度的两倍。 meridional plane（子午平面）－在一个轴对称系统中，包含主光线与光轴的平面。 numerical aperture（数值孔径）－折射率乘以孔径边缘至物面（像面）中心的半夹角之正弦值，其值为两倍的焦数之倒数。数ˋ值孔径有物面数值孔径与像面数值孔径两种。 spherical aberration（球面像差）－近轴光束与离轴光束在轴上的焦点位置不同而产生。 vignetting（渐晕、光晕）－离轴越远（越接近最大视场）的光线经过光学系统的有效孔径阑越小，所以越离轴的光线在离轴的像面上的光强度就越弱，而形成影像由中心轴向离轴晕开。 孔径光阑：限制进入光学系统的光束大小所使用的光阑。 ※球差：近轴光束与离轴光束在轴上的焦点位置不同而产生的像差。 ※像散：一个离轴点光源所发出光线经过系统后，子午焦点与弧矢焦点不在同一位置上。 ※边缘光束：由轴上物点发出且通过入瞳边缘的光线。 ※主光束：由离轴物点斜向入射至系统且通过孔径光阑中心的光线。 ※色像差：不同波长的光在相同介质中有不同的折射离，所以轴上焦点位置不同，因而造成色像差。 ※入光瞳位置：近轴入光瞳的位置与系统的第一表面相联系。第一表面不是物面surface 0而是surface1。 ※出光瞳直径：出光瞳直径等于近轴像空间用透镜单位表示的近轴像光阐的大小。 近轴出光瞳的位置相联系于像表面 ※边缘光线：边缘光线指的是从物中心到入瞳边缘在像平面成像的光线。 ※表面光圈： 表面光圈包括：圆形；矩形；椭圆形和网孔形。用户还可以自己定义光圈和光阑，“浮动” 光圈是基于半径值而定义的。表面光圈对系统光圈没有影响。( ※彗差：当一离轴光束斜向入射至透镜系统，经过孔径边缘所成的像高与经过孔径中心所成的像高不同形成的像差。 ※畸变：像在离轴及轴上的放大率不同而造成，分为筒状畸变及枕状畸变两种形式。 ※视场：物空间中，在某一距离光学系统所能接受的最大物体尺寸，此量值以角度为单位。 ※焦数：有效焦距除以入射瞳孔直径的值。有时也称透镜的速度。 ※子午平面： ※数值孔径：折射率乘以孔径边缘至物面（像面）中心的半夹角的正弦值，其值为两倍焦数的倒数。数值孔径有物面数值孔径和像面数值孔径两种。 ※渐晕：离轴越远（越接近最大视场）的光线经过光学系统的有效孔径越小，所以越离轴的光线在离轴的像面上的光强度就越弱，而形成影像由中心向离轴晕开。 ※景深：空间物体成像的清晰度——景深。能在像面上获得晰度像的物空间深度就是系统的景深。在几何光学中，将像平面上允许的最大光斑直径作为景深标准。 ※物方截距：: 自顶点到入射光线与光轴交点的距离。: ※像方截距：自顶点到出射光线与光轴交点的距离。 ※主平面：垂轴放大率等于1的一对共轭面。※焦物距：自光学系统物方焦点到轴上物点的距离 ※焦像距：自光学系统像方焦点到轴上像点的距离。※视度:与网膜共轭的物面到眼睛距离的倒数。
Stray light calculation methods with optical ray trace software Gary L. Peterson Breault Research Organization 6400 East Grant Road, Suite 350, Tucson, Arizona 85715 Copyright 1999, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). This paper will be published in the proceedings from the July 1999 SPIE Annual Conference held in Denver, Colorado, and is made available as a preprint with permission of SPIE. Single print or electronic copies for personal use only are allowed. Systematic or multiple reproduction, or distribution to multiple locations through an electronic listserver or other electronic means, or duplication of any material in this paper for a fee or for commercial purposes is prohibited. By choosing to view or print this document, you agree to all the provisions of the copyright law protecting it. ABSTRACT Faster, better, and cheaper computers make it seem as if any optical calculation can be performed. However, in most cases brute force stray light calculations are still impossible. This paper discusses why this is so, and why it is unlikely to change in the near future. Standard software techniques for solving this problem are then presented, along with a discussion of how old techniques are used to take advantage of the new features that are available in the latest generation of optical analysis software. Keywords: Stray light, scatter, optical analysis software, ray trace software 1. INTRODUCTION Stray light calculations are done to find out how unwanted light propagates to a detector or focal plane and to determine if its irradiance is large enough to cause a problem. Faster, larger, and cheaper computers, as well as the advent of commercial optical analysis software have made these calculations faster and easier to perform. However, brute-force stray light calculations are still impossible. Fortunately, optical analysis software and standard stray light analysis techniques can be combined to simplify and automate identification of stray light paths. Importance sampling is then used to perform quantitative stray light calculations in a reasonable time. 2. BRUTE-FORCE STRAY LIGHT CALCULATIONS One way of performing a stray light calculation is to do a direct computer simulation of the way light propagates through an optical system. This direct, or brute-force simulation consists of 1. constructing a computer model of the baffles, vanes, housings, struts, lenses, and mirrors of an optical system, and 2. tracing lots of rays through the system, allowing them to scatter, reflect and generally rattle around inside until some of them make it to the detector. This approach has several attractive features: 1. It requires minimal labor on the part of the stray light analyst. Labor is expensive. Computers are cheap, large, and fast. So this seems to be a good allocation of resource.
长焦距宽视场离轴三反光管设计 杨宇飞1，2，颜昌翔1 (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) 摘要:针对大口径、长焦距、宽视场平行光管高像质的应用需求，提出一种采用离轴三反射镜结构的平行光管。从共轴三反理论出发，推导出系统的初始结构；并且在用zemax 软件优化时，提出一种基于ZPL 语言优化离轴量的方法。设计出一个焦距10m ，视场2°×1°的离轴三反平行光管。设计结果表明，系统像质接近衍射极限，全视场波像差RMS 值优于/200(=632.8nm)，系统总长度小于f ′/3，为大口径、长焦距、宽视场光管设计提供了一种设计方法。 关键词:平行光管；离轴三反；长焦距；宽视场；ZPL 中图分类号:O43文献标志码:A 文章编号:1007-2276(2015)07-2070-05 Optical design of the off?axis three?mirror anastigmatic collimator with long focal length and wide field Yang Yufei 1,2,Yan Changxiang 1 (1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China) Abstract:For the application demand of high image quality collimator with large diameter,long focal length and wide field,an off?axis three?mirror configuration for the light collimator was proposed.Based on the coaxial three?mirror configuration theories,the computation of the initial structure of the system was dervied,and a method of optimizing the off?axis amount was put forward by using the ZPL language of zemax software.A wide field off?axis three?mirror light tubes was designed,with focal length of 10m,F -number of 28.57.Results show that the modulation transfer function of this system is near the diffraction limit,within the field 2°×1°,the full field wave?front aberration is less than /200(=632.8nm),the total length of the system is less than f ′/3,providing a possibility design of long focal length,large diameter,and wide field of view light collimator. Key words:collimator;off?axis TMA;long focal length;wide field;ZPL 收稿日期:2014-11-03;修订日期:2014-12-07 基金项目:国家863高新技术发展计划(2011AA12A103);中国地质调查局工作项目(1212011120227) 作者简介:杨宇飞(1991-),男,硕士生,主要从事光学设计方面的研究。Email:yyf2008223@https://www.doczj.com/doc/3515150250.html, 导师简介:颜昌翔(1973-),男,研究员,博士,主要从事空间光学遥感技术方面的研究。Email:yancx@https://www.doczj.com/doc/3515150250.html, 第44卷第7期 红外与激光工程2015年7月 Vol.44No.7Infrared and Laser Engineering Jul.2015
14红外2017年8月文章编号：1672-8785(2017)08-0014-05 大视场离轴三反光学系统设计 罗秦以3张冬冬1钮新华^ (1.中国科学院上海技术物理研究所，h海200083 ; 2.中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海200Q83; 3.中国科学院大学，北京100〇49) 摘要：针对地球环境j s感的大视场和宽光谱的应用需求，在同轴三反学系统的基 础上，通过视场离轴实现了无中心遮拦，并设计了一种焦距为12〇m m、F数为3.5、工 作波长为〇,4?I.65啤、像元尺寸为7.5 n m以及采用C o o k三片式结构的光学系统。在 没有使用自由曲面的情况下，实现了 30°x4°的大视场.其中，主镜为六次双曲面，次 镜为二次扁椭圆面，三镜为四次扁椭圆面。在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率 处的调制传递菡数（Modulation Transfer Rm etion,M T I?)大于0,6，接近翁_射极限。:其藝 散斑崖径的均方根值小于探_器的像元尺寸，畸变小于2.5%，说明本文系统具有优良 的成像性能》 关键词：光学设计；大视场；离轴三反光学系统 中图分类号：TH703 文献标志码：A DOI:10.3969/j.issn.l672-8785.2017.08.003 Optical Design of OfF-axis Three-mirror System with Wide Field LUO Qin ZHANG Dong-dong x,NIU Xin-hua 1 (1. Shanghai Institute of Technical Physicsf Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 2. Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) Abstract: To meet the application needs of wide field and wide spectrum of earth environment remote sensing, a center without obstructing is realized by means of field off-axis on the basis of coaxial three- mirror optical systems. An optical system with a Cook three-mirror structure is designed. The optical system has its focal length of 120 mm, F number of 3.5, operating wavelength of 0.4 to 1.65 \xm and pixel size of 7.5 |j.m. it realizes the 30° x 4° large field of view without any free-form surfaces. In the optical system, the primary mirror is a 6 times hyperboloid; the second mirror is a secondary flat ellipse and the third mirror is a 4 times flat ellipse. The system has its Modulation Transfer Function (MTF) greater than 0.6 at the Nyquist freaquency in the whole field of view, which is close to the diffraction limit. Its RMS dispersion spot diameter is less than the pixel size of the detector and its distortion is less than 2.5%. These results show that the system has excellent imaging performance. Key words: optical design; wide field; ofF-axis three-mirror system 收稿日期：2017-03-19 作者简介：罗秦（1992-)，男，江西抚州人，硕士研究生，主要从事光学系统设计方面的研究。 E-mail: luoqin888@https://www.doczj.com/doc/3515150250.html, I nfrared(monthly)/V ol.38, No.8, A ug 2017https://www.doczj.com/doc/3515150250.html,/hw