大口径拼接式合成孔径光学系统设计

　　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[1],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[2-3]。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[4]。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 Anas-tigmatic)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[5],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:

　　二次曲面的三反系统中共有7个自由变量[6]: a1=L2/f1′≈h2/h1,为次镜对主镜的遮拦比,其中f1′为主镜焦距,h1和h2为主次镜的口径; a2=l3/l1′≈h3/h2,为三镜对次镜的遮拦比,h3为三镜口径;β1=L2′/L2=u2/u2′,β2=L3′/L3=u3/u3′为次镜和三镜的放大率; e21,e22,e23分别为3个反射镜的二次项系数。三级像差理论给出了单色像差:球差、慧差、像散、场曲和畸变的一般表达式,像差系数分别为SⅠ,SⅡ,SⅢ,SⅣ及SⅤ。为消除球差、慧差、像散和场曲,则只有e21,e22,e23三个变量可自由安排。基本可满足SⅠ=SⅡ=SⅢ=SⅣ 0的要求,在获得较大视场的同时具有较好的像质。