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大口径拼接式合成孔径光学系统设计

摘要:介绍了一种基于三反消像散系统的大视场长焦子孔径合成光学成像系统的设计方法。在利用菲涅尔衍射直接积分叠加的基础上对子出瞳波前进行了像质评估,以实现对拼接镜面的全面仿真和分析;用非序列面误差分析和分配的结 果修改初始结构;通过高次曲面平衡像差,并在结构优化时使用较小 犉 数的系统增加结构对子镜失调误差的冗余度,迭代完成系统的最终设计。设计了一个同轴三反子孔径合成光学成像系统,焦距为44m, f/8,7子镜拼接,视场角达0.6°x0.06°,通过不断迭代,获得了较好的结构和成像质量。 


关键词:光学设计;拼接镜面;误差分析;非序列面;太空望远镜


1 引言

随着对地光学成像观测要求的逐步提高,迫切需要效费比更高的高分辨率大视场太空望远系统。由多子镜拼接的合成孔径光学系统在空间观测中将占据越来越重要的地位。这种形式的太空望远镜与普通光学系统在结构和成像性质上类似,但使用多块小口径子镜拼接成主镜来实现单一大口径光学系统的功能,可在发射时折叠,在轨展开,具有发射体积小、质量轻、口径大、分辨率高、部署灵活多变等优点。该项技术的关键是子镜制造、拼接和展开。子镜的面形误差、失调误差会大幅改变系统的光瞳函数,对像面复振幅分布和MTF造成较大影响,且由于它的超大口径和超长焦距,相对于传统光学系统,从加工、检测到装配都成为瓶颈技术。因此,光学设计时需要着重考虑拼接镜面对系统的影响,并对拼接镜面进行全面模拟,尽可能降低光学系统的加工和装调难度。


在NGST光学设计中,曾考虑了同轴三反、四反等方案,最终采用了同轴三镜离轴,并形成JWST的18子镜拼接三折叠方案,以获得较小体积、更大视场、更小次镜以及更小的加工难度。其三镜皆为二次曲面,在光学设计中考虑了系统的在轨自动装调和检测、波前探测和波像差校正等技术,其设计思想是通过微纳米主动光学技术来实现苛刻的公差要求。其光学设计则是在常规三反消像散系统设计的基础上对主镜的拼接和模拟。设计过程中,没有把误差分析和像质评价的结果放在比常规光学系统设计更重要的角度来规划并指导整个系统的优化。


本文基于三反消像散系统,讨论了基于非序列面的光学设计和基于菲涅尔直接衍射积分对子镜出瞳波前进行像质评估,并通过误差分析结果修改原始设计,不断迭代以获得适于子孔径合成光学成像系统的设计方法。


2 光学系统初始结构

三反消像散系统TMA(Three Mirror Anastigmatic)由于其独特优势,可满足空间相机在多光谱范围内,高分辨率、大视场、小体积、轻质量且为平像场等要求,以此为初始结构,使用矩形视场,可较好地满足空间相机的要求。三反光学系统的初始结构如图1所示:


图1.三反系统的初始结构


图2.拼接式合成孔径光学系统及失调MTF


......


图4.拼接镜面系统及MTF曲线


6 结论

三反消像散系统的独特优势,特别适用于大型子孔径合成光学成像系统。利用非序列面对拼接镜面的模拟,通过误差分析和初始结构的相互迭代,可有效降低失调公差的要求。采用高次曲面小犉数光学系统的初始结构,并针对误差分析结果重新优化,迭代完成最后设计,是现代子孔径合成光学成像系统的有效设计方法。


通过设计一个焦距为44m,使用高次曲面的同轴三反子孔径合成光学成像系统,经计算机模拟,验证了设计思想的有效性。误差分析表明,这种大口径长焦距子孔径合成光学成像系统的加工或是其微动调整机构的实现,都面临新技术的挑战,需要使用非常规手段实现。


源自于:光行天下