一、背景

线扫相机是采用线形传感器作为感光芯片的相机，其感光芯片极长，有几千的长度，而宽度仅有 1 到2 个像素。线扫相机与待检测物体相对匀速运动， 逐行连续扫描，以实现对整个表面的均匀成像。扫镜头的特点是最大像面尺寸比较大，它能够在高速运动的物体上进行图像捕捉，具有高速的扫描频率和快速的曝光时间。与传统的面阵 CCD 相机相比，线扫相机综合畸变更小，获取的图像在扫描方向上的精度更高。

由于线扫镜头具有高速扫描和高精度的特点，因此它机器视觉、自动化检测、条形码识别等领域都有广泛的应用。

离轴三镜反射系统具有不产生色差、无中心遮拦、结构紧凑等特点，且因为其不对称的结构，视场常常为线视场。离轴三反结构将成为线扫镜头的一个全新设计方案。

二、离轴三反系统的原理介绍与设计方法

离轴三反射镜光学系统设计基于高斯光学理论，求取共轴三反射镜光学系统结构作初始结构。 通过光阑离轴或视场离轴，或者二者相结合的方法实现系统中心无遮拦。在系统优化过程中，利用高次非球面来满足系统多种性能的要求。

三反射系统的结构如下图所示：

三反射系统的成像性质由下式中的α1、α2、β1、β2 决定。

式中，α1为次镜对主镜的遮拦比；α2为三镜对次镜的遮拦比；β1为次镜放大率；β2为三镜放大率。

离轴三反系统可以分成以下两类：光阑离轴和视场离轴

光阑置于主镜上或之前，光阑离轴。如图 1 所示。 采用光阑离轴的方法，虽然可以使系统结构变 得紧凑，但是在较大视场的情况下，成像质量下降得很快。

将光阑置于次镜上，通过视场的倾斜来避免中心遮拦，光阑不离轴。视场离轴的三反射系统具有更强的像差校正能力，视场大，成像质量好，比较适合大视场和大相对口径的要求。视场离轴效果图如图2所示

三、应用案例：线扫镜头的设计

在设计初，以共轴的三反作为初始结构，如图4所示。然后在反射镜前后加入坐标断点来实现光学系统的旋转和离轴。

为了避免挡光，需要保证从物面到主镜的光线在经过次镜所在的Z坐标位置时，Y方向的最低光线高于从主镜反射到次镜的最高光线，并有一定的余量，对于由最后一个反射面反射向焦面的光线，也需要满足类似的关系。优化后的结构如图5所示。

四、结语

离轴三反系统与折射系统相比更易加工、易大型化且抗热性良好，且克服了共轴系统存在遮拦比的问题。与离轴两反系统相比，三反射镜的系统视场大，且易控制杂散光的辐射，增加了轴外视场的光通量，使像面的照度更均匀，更符合线扫镜头的要求与应用。