大视场同离轴一体三反式空间光学系统技术领域
本发明涉及航天航空光学技术领域，具体涉及一种大视场同离轴一体三反
式空间光学系统。
背景技术
在航天航空以及即将开发的临近空间光学遥感器领域中，对空间光学相机
高分辨力和大视场成像的要求不断提高，一般需要较长焦距、较大视场的反射
式光学系统，其相对于传统的透射式相机光学系统而言具有谱段宽、结构简单、
体积小与重量轻的优点，且反射系统不产生色差，反射式光学系统将成为今后
航空航天相机、以至即将开发的临近空间相机的发展方向。
此类空间光学相机到目前为止，国内外多采用两种形式的三反射式光学系
统(TMA)，同轴三反光学系统和离轴三反光学系统。普通的同轴三反光学系统
孔径光阑位于主镜上，具有中间像面和实出瞳，成像视场一般都较小，同时不
可避免地存在着较大的遮拦，因而设计时为获得高传递函数值(MTF)和在红
外波段的探测能力，需要适当减小F数，增加反射镜尺寸，但同时加工和检测
的难度将随之增加，设计视场也会随之减少；离轴三反光学系统中不存在遮拦，
孔径光阑位于主镜上的离轴三反光学系统的视场约为同轴三反光学系统的两
倍，但大口径离轴反射镜的加工、检测和系统的装调难度较大。
与本发明较为接近的已有技术是Korsch,D.Anastigmaticthree-mirror
telescope,Appl.Opt.16#8(1977)和Cook,L.G.Three-mirroranastigmatusedoff
-axisinapertureandfield,ProcSPIE183,207-211(1979).文中所示的光学系统。
Korsch,D文中所述光学系统的视场只能达到1°～2°；Cook,L.G.文中所述光
学系统的视场可达到2°～4°。上述两种光学系统均具有中间像面和实出瞳，
都可通过加入平面反射镜对光路进行合理的折叠，以保证实出瞳在杂散光抑制
中的可用性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在保证空间光学相机小体积(OAL＝0.22～
0.25f)的条件下，使空间光学相机同时具备高分辨率观测和大视场(4°～6°)成
像能力，实现普查、详查一体化；使空间光学相机成本降低，易于装调，并具
有较高的传递函数(MTF)值，以便在航天、航空以及临近空间应用，本发明
提供了一种大视场同离轴一体三反式空间光学系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的大视场同离轴一体三反式空间光学系统，整个光学系统按照光路
设计的右手空间坐标系有序排列，z轴方向为整个光学系统的光轴方向，yoz平
面为整个光学系统的子午面，xoz平面为整个光学系统的弧矢面，yoz平面和xoz
平面相互垂直，且yoz平面和xoz平面都垂直于z轴；中部视场外，入射光线在
xoz平面内投影斜率为正的视场为左视场，入射光线在xoz平面内投影斜率为负
的视场为右视场，左视场和右视场相对于yoz平面对称；
整个光学系统包括中部视场的小F数同轴三反光学系统、左视场的大F数
离轴三反光学系统和右视场的大F数离轴三反光学系统；
中部视场的小F数同轴三反光学系统由主镜、次镜、中部孔径光阑、中部
矩形通光孔、中部第一折叠镜、中部第三镜、中部第二折叠镜和中部焦平面组
成；所述中部矩形通光孔设置在主镜中部上侧，所述中部孔径光阑位于主镜上，
所述中部第三镜与经中部第一折叠镜折转后的光线光轴同轴，所述主镜、次镜、
中部第一折叠镜、中部第三镜、中部第二折叠镜的镜面中心都在yoz平面上；
中部视场的物体光线依次经主镜反射、次镜反射后由中部矩形通光孔出射，出
射光线再依次经中部第一折叠镜折转、中部第三镜、中部第二折叠镜折转后成
像在中部焦平面上；
左视场的大F数离轴三反光学系统由主镜、次镜、左部矩形通光孔、左部
折叠镜、左部第三镜、左部孔径光阑和左部焦平面组成；所述左部矩形通光孔
设置在主镜中部左下侧，所述左部孔径光阑位于左视场的大F数离轴三反光学
系统的出射光瞳处；左视场的物体光线依次经主镜反射、次镜反射后由左部矩
形通光孔出射，出射光线再依次经左部折叠镜折转、左部第三镜、左部孔径光
阑后成像在左部焦平面上；
右视场的大F数离轴三反光学系统由主镜、次镜、右部矩形通光孔、右部
折叠镜、右部第三镜、右部孔径光阑和右部焦平面组成；所述右部矩形通光孔
设置在主镜中部右下侧，所述右部孔径光阑位于右视场的大F数离轴三反光学
系统的出射光瞳处；右视场的物体光线依次经主镜反射、次镜反射后由右部矩
形通光孔出射，出射光线再依次经右部折叠镜折转、右部第三镜、右部孔径光
阑后成像在右部焦平面上；
中部视场的小F数同轴三反光学系统、左视场的大F数离轴三反光学系统
和右视场的大F数离轴三反光学系统共用主镜和次镜，所述主镜和次镜与整个
光学系统的光轴共轴。
本发明的有益效果是：
1、本发明将二次成像的小F数同轴三反光学系统和两个大F数离轴三反光
学系统相结合，为获得大视场，将带状视场分为中部、左部、右部三个部分，
并分别采用不同的第三镜进行成像。小F数同轴三反光学系统对中部带状视场
进行成像，具有传递函数高、成像质量好、分辨率高的特点，同时具有红外观
测能力；而两个大F数离轴三反光学系统分别对左右带状视场进行成像，易于
校正轴外像差。在保证对中部视场高分辨率观测的同时实现大视场成像，本发
明的整个光学系统的全视场均具有较高的传递函数(MTF)。
2、本发明的整个光学系统成像视场可达4°～6°，是相近体积同轴三反光学
系统成像视场的4倍。通过实践证明，本发明在4°～6°的成像视场范围内，
整个光学系统长度可以达到焦距的0.22～0.25倍，使得空间光学相机在获得大
视场的同时，结构紧凑、体积小且重量轻，同时本发明可同时实现普查、详查
观测，可在可见和红外波段对目标进行观测。
3、本发明相对于单一同轴三反光学系统，解决了空间光学相机高分辨率与
大视场及轻小体积的矛盾；本发明通过共用主镜和次镜，与三套独立的光学系
统相比，可以有效节约两套主次镜的加工、制造和检测成本，简化装调过程，
加工装调成本大幅降低，为新一代高分辨率、大视场、轻小体积空间光学相机
的光学系统设计提供了新的方案。
4、本发明的整个光学系统中，小F数同轴三反光学系统和两个大F数离轴
三反光学系统都具有中间像面和实出瞳，可以设计视场光阑和里奥光阑以更好
的抑制杂光，提高成像质量，并可设计后续系统与出瞳承接完成不同的观测任
务。
5、本发明的大视场同离轴一体三反式空间光学系统，特别适合于高分辨率、
宽覆盖、大视场、轻型的空间光学相机镜头，可以广泛应用于航天航空以及临
近空间成像、侦察和观测。
附图说明
图1为中部视场的小F数同轴三反光学系统的结构示意图。
图2为中部视场的小F数同轴三反光学系统的三维结构示意图。
图3为中部视场的小F数同轴三反光学系统的三维结构示意图。
图4为左视场的大F数离轴三反光学系统的结构示意图。
图5为左视场的大F数离轴三反光学系统的三维结构示意图。
图6为左视场的大F数离轴三反光学系统的三维结构示意图。
图7为右视场的大F数离轴三反光学系统的结构示意图。
图8为右视场的大F数离轴三反光学系统的三维结构示意图。
图9为右视场的大F数离轴三反光学系统的三维结构示意图。
图10为本发明的大视场同离轴一体三反式空间光学系统的结构示意图。
图11为本发明的大视场同离轴一体三反式空间光学系统的三维结构示意
图。
图12为本发明的大视场同离轴一体三反式空间光学系统的三维结构示意
图。
图中：a1、主镜，a2、次镜，a3、中部矩形通光孔，a4、中部第一折叠镜，
a5、中部第三镜，a6、中部第二折叠镜，a7、中部焦平面，b3、左部矩形通光孔，
b4、左部折叠镜，b5、左部第三镜，b6、左部孔径光阑，b7、左部焦平面，c3、
右部矩形通光孔，c4、右部折叠镜，c5、右部第三镜，c6、右部孔径光阑，c7、
右部焦平面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图10、图11和图12所示，本发明的大视场同离轴一体三反式空间光学
系统，结合了一个小F数同轴三反光学系统和两个大F数离轴三反光学系统，
小F数同轴三反光学系统位于整个光学系统的中部视场，两个大F数离轴三反
光学系统分别位于整个光学系统的左视场和右视场。中部视场通过小F数同轴
三反光学系统实现高分辨率成像或近红外成像，左视场和右视场分别通过大F
数离轴三反光学系统实现大视场成像，通过上述小F数同轴三反光学系统和两
个大F数离轴三反光学系统的结合增加了整个光学系统视场。
本发明的大视场同离轴一体三反式空间光学系统，按照光路设计的右手空
间坐标系(x，y，z)有序排列，z轴方向为本发明的整个光学系统的光轴方向，
yoz平面为本发明的整个光学系统的子午面，xoz平面为本发明的整个光学系统
的弧矢面，yoz平面和xoz平面相互垂直，且都垂直于z轴(光轴)。中部视场
外，入射光线在xoz平面内投影斜率为正的视场为左视场，斜率为负的视场为
右视场，左视场和右视场相对于yoz平面对称。
如图1、图2和图3所示，中部视场的小F数同轴三反光学系统主要由主镜
a1、次镜a2、中部矩形通光孔a3、中部孔径光阑、中部第一折叠镜a4、中部第
三镜a5、中部第二折叠镜a6和中部焦平面a7组成，中部矩形通光孔a3设置在
主镜a1中部上侧，中部孔径光阑位于主镜a1上。中部视场的小F数同轴三反
光学系统在光的传播方向上，依次排列主镜a1、次镜a2、中部第一折叠镜a4、
中部第三镜a5、中部第二折叠镜a6和中部焦平面a7。主镜a1和次镜a2与本发
明的整个光学系统的光轴共轴，中部第三镜a5与经过中部第一折叠镜a4折转后
的光线光轴同轴。小F数同轴三反光学系统各镜面的中心都在yoz平面上(x坐
标均为零)。主镜a1和次镜a2的反射面相对放置，次镜a2和中部第一折叠镜
a4的反射面相对放置，中部第一折叠镜a4和中部第三镜a5的反射面相对放置，
中部第一折叠镜a4镜面与z轴成约45°夹角，中部第三镜a5的光轴与y轴几
乎平行，中部第三镜a5和中部第二折叠镜a6的反射面相对放置，中部第二折叠
镜a6和中部焦平面a7相对放置。
光路走向为：中部视场的物体光线依次经过主镜a1反射、次镜a2反射后由
主镜a1上的中部矩形通光孔a3出射，出射光线再依次经过中部第一折叠镜a4
折转、中部第三镜a5、中部第二折叠镜a6折转作用后成像在中部焦平面a7上。
如图4、图5和图6所示，左视场的大F数离轴三反光学系统主要由主镜
a1、次镜a2、左部矩形通光孔b3、左部折叠镜b4、左部第三镜b5、左部孔径光
阑b6和左部焦平面b7组成，左部矩形通光孔b3设置在主镜a1中部左下侧(x
坐标为正)。大F数离轴三反光学系统在光的传播方向上，依次排列主镜a1、次
镜a2、左部折叠镜b4、左部第三镜b5、左部孔径光阑b6和左部焦平面b7。主
镜a1和次镜a2与本发明的整个光学系统的光轴共轴。左部孔径光阑b6位于左
视场的大F数离轴三反光学系统的出瞳处。左部第三镜b5与经过左部折叠镜b4
折转后的光线光轴存在较小的倾斜量和离轴量。左部折叠镜b4和左部第三镜b5
位于yoz平面右侧(x坐标为正)，左部焦平面b7位于yoz平面左侧(x坐标为
负)。主镜a1和次镜a2的反射面相对放置，次镜a2和左部折叠镜b4的反射面
相对放置，左部折叠镜b4和左部第三镜b5的反射面相对放置，左部折叠镜b4
镜面与z轴成约-45°夹角。左部第三镜b5的光轴与y轴几乎平行，左部第三镜
b5和左部焦平面b7相对放置。
光路走向为：左视场的物体光线依次经过主镜a1反射、次镜a2反射后由主
镜a1上的左部矩形通光孔b3出射，出射光线再依次经过左部折叠镜b4折转、
左部第三镜b5、左部孔径光阑b6后成像在左部焦平面b7上。
如图7、图8和图9所示，右视场的大F数离轴三反光学系统主要由主镜
a1、次镜a2、右部矩形通光孔c3、右部折叠镜c4、右部第三镜c5、右部孔径光
阑c6和右部焦平面c7组成，右部矩形通光孔c3设置在主镜a1中部右下侧(x
坐标为负)。右视场的大F数离轴三反光学系统在光的传播方向上，依次排列主
镜a1、次镜a2、右部折叠镜c4、右部第三镜c5、右部孔径光阑c6和右部焦平
面c7。主镜a1和次镜a2与本发明的整个光学系统的光轴共轴。右部孔径光阑
c6位于右视场的大F数离轴三反光学系统的出瞳处。右部第三镜c5与经过右部
折叠镜c4折转后的光线光轴存在较小的倾斜量和离轴量。右部折叠镜c4和右部
第三镜c5位于yoz平面左侧(x坐标为负)，右部焦平面c7位于yoz平面右侧
(x坐标为正)。主镜a1和次镜a2的反射面相对放置，次镜a2和右部折叠镜c4
的反射面相对放置，右部折叠镜c4和右部第三镜c5的反射面相对放置，右部折
叠镜c4镜面与z轴成约-45°夹角，但角度与左部折叠镜b4略有不同，以便将
左部孔径光阑b6和右部孔径光阑c6在空间上分开。右部第三镜c5的光轴与y
轴几乎平行，右部第三镜c5和右部焦平面c7相对放置。
光路走向为：右视场的物体光线依次经过主镜a1反射、次镜a2反射后由主
镜a1上的右部矩形通光孔c3出射，出射光线再依次经过右部折叠镜c4折转、
右部第三镜c5、右部孔径光阑c6后成像在右部焦平面c7上。
本发明采用全反射式光学系统结构，其中的中部视场的小F数同轴三反光
学系统和左、右视场的大F数离轴三反光学系统共用主镜a1和次镜a2，远方不
同视场范围内(中部视场、左视场、右视场)的物体光线经过共用的主镜a1和
次镜a2，再经过不同三反系统的折叠镜和第三镜成像在像面处。为了避免遮拦，
两个大F数离轴三反光学系统采用孔径离轴且F数小于小F数同轴三反光学系
统的一半，两个大F数离轴三反光学系统的实际通光孔径只占主镜a1的一部分，
位于主镜a1上部(y轴正向)，两个大F数离轴三反光学系统的实际通光孔径也
只占次镜a2的一部分，位于次镜a2上部(y轴正向)。
如图10、图11和图12所示，本发明中，次镜a2和主镜a1在yoz平面内
沿光轴从左到右排列，主镜a1右方由下至上依次排列有：中部第三镜a5、左焦
平面b7、右焦平面c7、中部焦平面a7、左折叠镜b4、右折叠镜c4、中部第二
折叠镜a6、中部第一折叠镜a4、左部第三镜b5、右部第三镜c5。
本实施方式中，主镜a1是一个光焦度为正的凹面圆镜。次镜a2虽然是一个
光焦度为负的凸面倒圆角矩形镜，但尺寸较小，基本上是本发明的整个光学系
统入瞳尺寸的0.21倍，方便进行加工和检测。中部第一折叠镜a4、左部折叠镜
b4、右部折叠镜c4都是平面矩形镜。中部第三镜a5、左部第三镜b5和右部第
三镜c5都是光焦度为正的凹面长条镜，由于左视场和右视场之间的对称性，左
部第三镜b5和右部第三镜c5的参数相同且镜面相对于yoz平面成镜像关系(孔
径形状和尺寸都是对于yoz平面成镜像关系)，方便进行加工和检测。中部第二
折叠镜a6为平面圆镜。中部焦平面a7、左部焦平面b7、右部焦平面c7都是条
状平面，也适于成像探测器的固定、拼接和检测。
本实施方式中，主镜a1、次镜a2、中部第三镜a5、左部第三镜b5和右部
第三镜c5、中部第一折叠镜a4、中部第二折叠镜a6、左部折叠镜b4、右部折叠
镜c4都可以采用碳化硅或微晶玻璃等材料制成。
本实施方式中，中部焦平面a7、左部焦平面b7、右部焦平面c7都可以采用
线阵CCD探测器、TDICCD探测器或面阵CCD探测器进行成像。
本发明的大视场同离轴一体三反式空间光学系统在x轴方向上的长度由小
F数同轴三反光学系统的入瞳直径决定，在y轴方向上的长度约为整个光学系统
焦距的0.15～0.17倍，在z轴方向上的长度约为整个光学系统焦距的0.22～0.25
倍。
中部视场的小F数同轴三反光学系统和左、右视场的大F数离轴三反光学
系统共用主镜a1和次镜a2，三个系统均具有中间像面和可用的实出瞳。中间像
面均位于各自系统中主镜a1上的矩形通光孔前端，小F数同轴三反光学系统的
实出瞳位于中部第二折叠镜a6上，左视场和右视场的大F数离轴三反光学系统
的实出瞳即左部孔径光阑b6和右部孔径光阑c6。
本发明中，可以在中间像面和实出瞳处分别设置视场光阑和里奥光阑，同
时还可以设置外遮光罩、次镜遮光罩、主镜中心孔遮光罩，并合理加装挡光板、
环，可以很好地抑制杂光。
本发明的光学系统为全反射式系统，通过共用主次镜、少量的视场偏置、
足够的孔径离轴和通过合理设定镜面通光孔径、视场入射光线角以及折叠镜对
光束的折转角度，使除次镜外各元件对视场内光线没有遮挡，确保各系统的成
像互不影响，在系统体积基本不变的条件下，将一个小F数同轴三反光学系统
和两个大F数离轴三反光学系统相结合。通常小F数同轴三反光学系统的视场
约为1°～1.5°，在结合了两个大F数离轴三反光学系统后，视场可达到4°～
6°。小F数同轴三反光学系统针对中部带状视场利用主镜a1、次镜a2、中部
第三镜a5的参数进行像差校正；对中部视场以外的带状视场，轴外像差较大，
两个大F数离轴三反光学系统，利用主镜a1、次镜a2及左部第三镜b5、右部
第三镜c5的参数和左部第三镜b5、右部第三镜c5的倾斜量与离轴量对像差进
行校正，此外通光孔径的离轴和较大的F数也有利于轴外像差的校正，两个大F
数离轴三反光学系统除左部折叠镜b4和右部折叠镜c4的角度略有不同所产生
的影响外，相对yoz平面基本对称，左部第三镜b5和右部第三镜c5的形状和尺
寸也相对于yoz平面成镜像关系。本发明中的二次成像的小F数同轴三反光学
系统具有较长的次三镜距离和后工作距，方便光束的折叠和结构的合理安排。
本实施方式中，主镜a1的通光孔径为：中部视场φ1920mm；左部视场约
φ858.5mm，孔径X偏心21.3mm，孔径Y偏心594.7mm；右部视场约φ858.5mm，
孔径X偏心-21.3mm，孔径Y偏心594.7mm。
本实施方式中，次镜a2的通光孔径为：中部视场422.7mm×386.0mm，孔
径Y偏心25.7mm；左部视场100.1mm×82.4mm，孔径X偏心52.1mm，孔径Y
偏心99.3mm；右部视场100.1mm×82.4mm，孔径X偏心-52.1mm，孔径Y偏
心99.3mm。
本实施方式中，中部视场入射光线角为：1°×0.13°，视场Y方向偏置
0.61°；左部视场入射光线角为：1.5°×0.13°，视场X方向偏置1.25°，视
场Y方向偏置-0.45°；右部视场入射光线角为：1.5°×0.13°，视场X方向偏
置-1.25°，视场Y方向偏置-0.45°。
本实施方式中，中部第一折叠镜a4对光束的折转角度为：中部第一折叠镜
a4镜面与Y轴成47.9°；中部第二折叠镜a6对光束的折转角度为：中部第二折
叠镜a6镜面与Y轴成93.7°；左部折叠镜b4对光束的折转角度为：左部折叠
镜b4镜面与Y轴成-46°；右部折叠镜c4对光束的折转角度为：右部折叠镜c4
镜面与Y轴成-52°。
本实施方式中，主镜a1的曲率半径为5777.6523mm，二次系数为-0.9464；
次镜a2的曲率半径为1523.6782mm，二次系数为-2.2199。
本实施方式中，主镜a1和次镜a2间隔-2317.7337mm；次镜a2和中部第一
折叠镜a4间隔2798.9652mm；次镜a2和左部折叠镜b4间隔3108.3803mm；次
镜a2和右部折叠镜c4间隔3108.3803mm；中部第一折叠镜a4和中部第三镜a5
间隔-1346.4869mm；左部折叠镜b4和左部第三镜b5间隔-918.8632mm；右部折
叠镜c4和右部第三镜c5间隔-918.8632mm；中部第三镜a5和中部第二折叠镜
a6间隔1279.2931mm；中部第二折叠镜a6和中部焦平面a7间隔-983.0988mm；
左部第三镜b5和左部孔径光阑b6间隔1191mm；左部孔径光阑b6和左部焦平
面b7间隔811.7492mm；右部第三镜c5和右部孔径光阑c6间隔1191mm；右部
孔径光阑c6和右部焦平面c7间隔811.7492mm。
本实施方式中，中部第三镜a5的曲率半径为2044.2771mm，二次系数为
-0.4478，非球面系数为-1.6454×10-020；左部第三镜b5的曲率半径为
1866.1145mm，二次系数为-0.4543，非球面系数为-5.8102×10-020；右部第三镜
c5的曲率半径1866.1145mm，二次系数为-0.4543，非球面系数为-5.8102×10-020。
本实施方式中，左部第三镜b5与经过左部折叠镜b4折转后的光线光轴(设
经过左部折叠镜b4折转后的光轴为Z＇轴，则局部空间坐标系为X＇，Y＇，Z＇)
存在较小的倾斜量和离轴量，离轴量为：沿局部X＇轴离轴量为11.69mm，沿
局部Y＇轴离轴量为-8.11mm；倾斜量为：绕局部X＇轴的倾斜量为-64.15″，
绕局部Y＇轴的倾斜量为-67.71″。
本实施方式中，右部第三镜c5与经过右部折叠镜c4折转后的光线光轴(设
经过右部折叠镜c4折转后的光轴为Z＇＇轴，则局部空间坐标系为X＇＇，Y＇＇，
Z＇＇)存在较小的倾斜量和离轴量，离轴量为：沿局部X＇＇轴离轴量为-11.69mm，
沿局部Y＇＇轴离轴量为-8.11mm；倾斜量为：绕局部X＇＇轴的倾斜量为-64.15″，
绕局部Y＇＇轴的倾斜量为67.71″。