随着现代航天技术的快速发展,对探测目标的分辨率要求也越来越高。为了能够探测目标的微小细节,得到更清晰的图像,高分辨率星载光学系统的研制成为了该领域研究者的重要课题^[1]。目前星载相机光学系统正向着超高分辨率、宽光谱、多功能方向发展。光学系统设计、光学加工技术、光学检测方法以及装配工艺直接影响着光学系统的成像质量，对于接近衍射极限的光学系统,其最终的成像质量更多取决于光学加工误差、检测方法和装配技术。考虑到在短时间内提高光学加工工艺和光学检测精度的难度,可以将提高光学成像质量的重心放在光学系统的装配上,即利用现有加工工艺生产光学元件,并对其检测获得单元误差,然后通过有效的装配技术来获得高分辨率成像光学系统。光学系统的装配过程中主要存在光学元件的镜间距误差和偏心误差引起的光轴一致性误差^{[2, 3]}。镜间距误差通过调整光学元件间的隔圈厚度可进行校正,而光学元件的偏心误差不仅会导致光轴一致性误差的出现,而且也会引起有效镜间距的偏差,因此在系统装调过程中我们主要调节元件的偏心误差。一般偏心误差对中、低分辨率的镜头影响不大,而在高分辨率光学系统中,偏心误差就成为主要问题^[4]。本文基于一款自主设计的接近衍射极限的高分辨率星载相机光学系统,利用Zemax光学软件分析光学装调过程中偏心误差对光学传递函数的影响,得出各分离光学元件引起传递函数下降的影响权重,为光学系统的装调方案设计和实施提供参考。

为了满足光学系统成像质量的要求,必须保证该光学系统光轴的一致性^[5]。但是在装调过程中,由于机械结构的误差与光学工艺的复杂性,实际光学系统中的各个光学元件将不可避免地产生偏心误差。偏心误差包括位置偏心(即偏心)和角度偏心(即倾斜),如图 1所示。偏心是指光学元件的光轴与系统的基准轴平行但有一个偏移量,倾斜是指光学元件的光轴与系统的基准轴不平行即有一个倾角^[6]。实际光学系统装调过程中的偏心误差为两者的叠加。

图 1

Fig. 1

图 1 偏心和倾斜 Fig. 1 Decenter and tilt

偏心误差的存在破坏了光学系统光轴的一致性,从而导致成像质量的降低^[7]。文献^[8]假定并证明了由于倾斜和偏心方向的任意性,使得具有倾斜和偏心的光学系统不再具有对称轴或对称面。杨新军等^[9]，樊学武等^[10]根据矢量像差理论推导得到的共轴旋转对称光学系统三阶波前像差赛德尔多项式的矢量表示形式如下:

自主设计的接近衍射极限的高分辨率星载相机光学系统如图 2所示。该光学系统工作波长450~800 nm,中长焦,F数4,视场角2ω=10.4°,MTF轴上点要求110 lp/mm处大于0.35,0.6视场要求110 lp/mm处大于0.25,设计得到的MTF曲线如图 3所示。

图 2

Fig. 2

图 2 光学系统图 Fig. 2 Layout of optical system

图 3

Fig. 3

图 3 MTF设计值 Fig. 3 Designed MTF

由图 2可见,该光学系统镜片数量较多且排列紧密,同时成像质量要求高,偏心误差对镜头分辨率影响大,因此装配非常困难。表 1为光学镜片的加工公差值,给定的公差值是现有光学加工工艺可以达到的精度。根据镜片的公差值,通过光学软件仿真得出装配过程中不同光学元件的偏心误差对系统的影响情况。对影响大的元件在装配过程中进行重点控制,实现了系统2 500万像素的高分辨率成像。

表 1 (Tab. 1)

表 1 光学镜片加工公差值 Tab. 1 Tolerance of lens 公差类型 面形公差 厚度公差/mm 偏心公差/mm 局部面形公差 公差值 3 0.03 0.01 0.4

表 1 光学镜片加工公差值 Tab. 1 Tolerance of lens

根据现有光学工艺加工出来的光学镜片和光学系统装调的实际情况,在Zemax中分别模拟光学元件相对于光轴的偏心和倾斜,得到各个光学元件对光学传递函数MTF下降的影响权重,仿真结果如图 4、图 5所示。

图 4所示为光学系统各光学元件相对于基准轴偏移0.015 mm时对MTF下降影响的柱状图，由图可知,对于X和Y方向偏心,镜片A对像质影响最大,镜片B和胶合组CD的偏心影响也不容忽视。图 5所示为光学系统各光学元件相对于光轴倾斜0.015°即54″时对MTF下降影响的柱状图，由图可知,胶合组CD的倾斜对像质影响最大,镜片B次之,而胶合组EF和GH的倾斜误差对像质几乎没有影响。综合考虑偏心和倾斜的影响,可以发现胶合组CD的偏心误差对像质最为敏感,在光学系统的装调过程中应该重点控制,其次为镜片B和镜片A。

图 4

Fig. 4

图 4 X和Y方向偏心引起的MTF下降 Fig. 4 Decrease of MTF caused by X and Y decenter

图 5

Fig. 5

图 5 X和Y方向倾斜引起的MTF下降 Fig. 5 Decrease of MTF caused by X and Y tilt

图 6和图 7所示分别为光学元件相对于基准轴不同的偏心量和倾斜量对MTF的影响,横坐标分别为单个元件的偏心和倾斜量,纵坐标为110 lp/mm处系统的MTF平均值。显而易见,随着每个元件相对于基准轴的偏心和倾斜量的增加,系统MTF下降,且不同元件对系统MTF的影响不同。系统成像质量要求在0.6视场110 lp/mm处MTF大于0.25,而偏心误差主要影响的是边缘视场的成像质量,则0.6视场的MTF值可近似系统的平均MTF值。因此根据图 6和图 7的曲线可以判断装调过程中镜片A的偏心和胶合组CD的倾斜需分别控制在0.03 mm和0.018°以内。系统实际装调过程中的偏心误差是偏心和倾斜的综合作用,利用偏心和倾斜的关系,综合图 6和图 7,计算出对光学系统最敏感的镜片A、B、CD的装配偏心误差公差值分别为4.87′、3.21′、2.68′,可见镜片CD最为敏感,需要重点控制。在系统装调过程中,可以利用偏心测量仪对元件的偏心误差进行测量,定量控制装调过程中的元件偏心误差,实现光学系统的高效装调。

图 6

Fig. 6

图 6 偏心对MTF的影响 Fig. 6 The influence of decenter on MTF

图 7

Fig. 7

图 7 倾斜对MTF的影响 Fig. 7 The influence of tilt on MTF

利用现有光学工艺加工光学镜片,在装配前对每个镜片进行面形、厚度和偏心检测并记录数据。根据设计给定的公差值筛选出合格的镜片并进行分组、优化匹配,利用偏心测量仪对系统进行逐片偏心校正,同时控制光学系统镜间距。装配完成后利用星点板在平行光管上定性分析像质,当得到好的星点像时认为系统装调成功,最后再利用光学传递函数测量仪检测系统的MTF值。

表 2 (Tab. 2)

表 2 元件的装调偏心误差 Tab. 2 Component’s eccentric error in the alignment 透镜组 透镜A 透镜B 透镜CD 透镜EF 透镜GH 偏心误差/(′) 2.62 2.94 2.64 1.25 0.23

表 2 元件的装调偏心误差 Tab. 2 Component’s eccentric error in the alignment

以X1号光学系统为例,X1号光学系统各个镜片的面形偏差、厚度误差和偏心误差均小于给定的公差值。利用偏心测量仪测量出系统各镜片的装调偏心误差，测量值如表 2所示。对像质影响最为敏感的镜片CD的装调偏心误差调节至公差值范围内,其他镜片的装调偏心误差也远远小于公差值。在1 300 mm的光具座上用星点板看到的星点像中心亮且圆,周围有一个低亮度仅有约1/8圆大小缺口的环,说明此时装调的光学同心度校正得较好。再用3号分辨率板看到22组四个方向的条纹清晰,最后利用光学传递函数测量仪测量系统的MTF,得到的MTF值曲线如图 8所示,0视场110 lp/mm处的子午和弧矢MTF均达到0.35,0.6视场110 lp/mm处的子午和弧矢MTF也达到了0.3,整体像质得到有效提高,满足用户要求。

图 8

Fig. 8

图 8 装调后的MTF Fig. 8 MTF after alignment

本文基于一款高分辨率星载相机光学系统,通过Zemax光学软件模拟分析和实际装调实践,说明了光学系统的偏心误差引起的光轴一致性误差是影响高分辨率光学系统成像质量的一个重要因素。利用软件模拟分析装调过程中各个光学元件的偏心误差对光学传递函数下降的影响情况,分析不同大小的偏心误差对系统光学传递函数的影响,确定装调过程中偏心误差的公差值,定量地指导光学系统装调,实现了系统2 500万像素高分辨率成像。与传统的单纯靠装调人员经验的方法相比,这种误差分析方法能够为光学系统的装调方案设计和实施提供依据,实现装调过程的定量控制,缩短了装调周期,有效提高了光学装调的效率。