反射式光学系统目前广泛应用于各种领域，其主要优点是能够避免色差同时实现良好的成像质量。与折射式系统相比，反射式系统利用镜面反射代替透镜折射，具有更少的光学元件和更高的光学性能稳定性。本文将探讨反射式系统的基本结构、特点以及其在不同环境下的光学特性。希望本文能对各位读者有所帮助。
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一. 反射式系统的结构与一般特点
反射式光学系统的历史可以追溯到16世纪末期，当时科学家们开始探索利用镜面反射代替透镜折射来改善光学性能。最早的反射望远镜由英国天文学家赫歇尔于1789年设计完成，这一突破性的设计成功地解决了传统折射式望远镜因大口径透镜造成的色差问题。随着科学技术的发展，反射式光学系统逐渐应用于各个领域，包括天文学、激光技术、显微技术等。如今，反射式光学系统不仅在研究领域中占有重要地位，而且在消费电子和精密仪器中得到了广泛应用。
关于反射式光学系统的结构，我之前也写过不少文章了，与折射镜头一样，反射式即反射镜系统也有许多种不同的结构。通常可以按照反射镜的数量和特点进行分类。例如单个反射镜的单抛物面镜，两反射镜的牛顿系统、卡塞格林系统、格里高利、RC系统，三个反射镜的离轴三反，四个反射镜的同轴四反和离轴四反。
同一类反射系统，反射镜位置不同也会有不同的性能，例如我之前介绍过的一篇Nature Communications上的文章就讲了离轴三反不同具体结构之间的性能差异。
三反射镜系统的设计（二）——离轴三反光学系统的结构形式与性能特点
此外，反射镜和折射元件组合也可以形成一些有趣的应用，例如我之前介绍过的施密特系统，施密特校正板起到校正球面反射镜球差的作用，同时，施密特校正板在特定位置也可以不产生彗差。关于施密特校正板的计算，大家有兴趣可以自己试一下，该面型一般为偶次非球面，这里还涉及到非球面参数拟合的问题。折反混合式系统是往往是一些经典结构的组合。例如在下图中，系统大部分光焦度源于主反射镜和次反射镜，透镜相当于在像面之前的一个场校正组，这组元件可以有效地平场并校正剩余轴外像差。
从光线传输的角度讲，透镜系统与反射镜系统之间存在本质的差异。透镜系统中的光线经常直接通过并使用入瞳的整个通光孔径，而反射镜系统则存在根本的不同，反射镜之间可能形成遮拦，如最典型的双反射镜卡塞格伦系统。这个特点会导致MTF曲线中频出现明显的下降（该问题之前我也解释过）。
反射式系统相比折射式系统有一定的优点。首先，由于斯涅尔定律，反射镜对于所有波长的折射率都可以认为是-1，反射式系统能够避免色差问题，因此在大光圈和广角设计中表现尤为突出。其次，反射式系统通常需要更少的光学元件，降低了制造成本和维护难度。由于反射镜的表面可以不受光学材料限制，反射式系统能够实现大口径设计，这在天文学和航空航天等领域尤为重要。此外，镜面的设计自由度较高，目前一个流行的研究方向就是自由曲面。
但是，反射式系统除了中心遮拦外，反射镜之间仍存在彼此妨碍，这显著增加了装调的难度，而支撑结构等机械元件进一步增加了空间的紧凑型，这使得反射式系统的元件数量往往较少。挡光问题和元件妨碍的问题限制了反射式系统的视场。
元件数量有限，那么反射式系统就很难不去使用非球面控制系统的像差，最原始的反射式光学系统是牛顿式光学系统，球面主镜使得几乎只有轴上点可以保持清晰。现在单点金刚石车削等加工技术已经非常成熟了，光学领域的另一个前沿方向就是大口径非球面反射镜的加工装调和检测。
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二. 全铝结构的高低温特性
反射式光学系统的热化特性主要由其材料的热膨胀系数决定。若反射系统仅使用单一材料，如铝来制造，其热化效应通常是可以忽略的。这是因为在均匀温度变化下，整个系统会随温度的升高或降低而均匀膨胀或收缩。由于所有系统参数（如镜面的曲率）都会以相同的比例缩放，因此像差不会出现，成像依然保持清晰。
然而，在实际应用中，反射式系统也可能需要使用多种材料，这时热梯度效应便显得尤为重要。当不同材料之间的热膨胀系数不同，或者系统中的部分区域存在温度差异时，温度梯度会导致不同部件的膨胀或收缩量不同，从而影响系统的光学性能。此时，成像可能会出现像差或失真，尤其在大温度变化的环境中，像质的稳定性可能会受到影响。
因此，对于采用多种材料或存在温度梯度的反射系统，必须仔细评估其热特性。设计人员需要考虑材料的热膨胀系数、温度变化对系统参数的影响，以及这些变化对成像质量的潜在影响。通过精确的热分析，可以预测并减少这些热效应对光学性能的影响。
下面我们可以通过仿真验证一下，下面是我之前设计的过的一个四反射镜光学系统，我们加入高低温分析，将材料均设置为铝合金，可以看到-80℃~+80℃温度范围内，虽然焦距发生了一些变化，但传函本身没有明显下降。
对于折反射混合系统，为了解决上述热膨胀问题，许多高精度反射镜采用了微晶玻璃材料。微晶玻璃的一个显著特性是其几乎为零的热膨胀系数，这使得它在温度变化时能够保持较为稳定的尺寸变化。因此，微晶玻璃广泛应用于大口径反射镜中，尤其是在天文望远镜和其他高精度光学系统中。采用这种材料的反射式系统能够在温度变化较大的环境下仍保持较好的光学性能，避免了因热膨胀带来的像差问题。
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三. 反射镜的球差
反射式光学系统大量的用于各类大口径应用中，从像差的角度，反射镜也会比透镜更有优势。下面举一个简单的例子，口径均为300mm，焦距均为600mm的透镜和反射镜放在一起，我们可以看一下这二者有什么区别。
从结论上来说，即使不使用非球面，球面反射镜所产生的球差也会明显小于单个折射面，如果大家推导过球差公式，这里可以得出一个结论，球面反射面的赛德尔系数S1大约是同等条件球面折射面的十分之一。
但在实际应用中，球差的影响在大光圈设计中尤为突出。这使得球差成为影响反射系统成像质量的一个重要因素，尤其是在高精度光学系统和大口径望远镜的设计中，这也是为什么我们一般看到的主镜都是非球面（施密特系统是个有趣的例外）。我之前也介绍过利用赛德尔系数计算反射系统圆锥系数的方法，大家感兴趣可以回顾一下。
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四. 总结
反射式光学系统凭借其独特的优点，广泛应用于天文学、激光系统、显微技术等多个领域。与传统的折射式光学系统相比，反射式系统利用镜面反射而非折射，避免了色差的出现，且通常拥有较少的光学元件，具有较高的光学性能稳定性。通过对反射式系统结构、高低温特性、像差等方面的讨论，我们可以清晰地看到，反射式系统在成像质量、设计灵活性以及实际应用中的优势。
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