拼接镜面合成孔径光学系统的像质评价

　　1　引　言

　　随着对地光学成像观测要求的逐步提高,需要更高分辨率大视场太空望远系统。分辨率的提高意味着光学系统口径的增大,但口径增大受光学材料、制造工艺等的限制,而且增大口径必将导致系统的体积和质量相应增大,会对整个系统的发射带来困难。因此传统整块主镜的光学系统已不适应现代航天技术的要求。合成孔径光学成像系统采用多个子孔径按一定规律排列组合,通过相位匹配和光路调整,实现子孔径光场的共焦同相,实现单一大口径光学系统的全部或部分功能[1-3],能满足更大、更轻和可折叠的要求,在空间观测领域将占据越来越重要的地位。

　　与传统光学系统相比,合成孔径成像系统的出瞳波前是离散的,而拼接子镜或子系统误差将对像面复振幅分布造成较大影响,严重降低系统像质。根据几何光学成像理论,系统实现理想成像必须满足等光程条件,也就是物理光学上的同位相。因此,光学合成孔径系统的像场应是各子镜或子系统像场的同位相叠加。若不能保持位相同步,则不能达到合成孔径的目的,只能起到提高光能接收率的作用[4]。但大口径长焦距光学系统的成像质量如果再沿用传统概念的平行光管测量,则要求研制出口径更大、焦距更长的高质量平行光管,这在工程上是不经济的,也是不现实的。

　　由于出瞳波前包含了光学系统的所有光学信息,而系统波前可通过波前分析仪或波前径向斜率测量原理[5]等方法获得。通过对波前函数的菲涅耳衍射积分可获得像面的复振幅分布和点扩散函数(系统的特征响应函数),再进行傅里叶变换即可获得MTF曲线。因此,出瞳波前函数作为系统像质的评价标准,具有完备性和可实测性。对地观测目的的子孔径合成孔径光学系统由于近地环境的影响,在轨自动检测和主动调整的相对困难,以及对地观测时大气的影响,不可避免地造成系统产生较大波前误差。但在一定误差范围内,对于较低截止频率的系统,仍可获得较好的MTF曲线[6]。这是因为出瞳波前函数表示整个系统性能的信息,而MTF曲线只表明系统截止分辨率范围内的性能。但基于传统的多项式拟合算法难于精确表征离散的出瞳波前,干涉仪实测获得的光瞳函数经快速傅里叶变换(FFT)后获得的MTF与实际系统有较大差异[7]。

　　本文运用波像差理论,使用菲涅尔衍射直接积分[8-9]法,对比了广义光瞳拟合波阵面函数法和子出瞳波函数积分叠加法对子孔径合成成像光学系统子镜像质评估的差异,分析并比较了失调产生的像差特性及其对系统成像质量的影响。

　　2　子镜误差及分析

　　光学系统可看作一个线性不变系统,物点通过入射光瞳平面和光学系统,在出射光瞳平面形成出瞳波前,如图1,光瞳函数可表示为[10]: