离轴三镜系统光学元件间补偿关系研究

　　0　引言

　　空间相机光学成像系统,根据任务不同,光学系统结构形式也不同.目前,空间相机光学系统主要有折射式、折反式和全反射式[1~3],随着光学系统结构形式的复杂化,其调整方式也发生了变化.旋转对称透射系统装配时不需要内部调整,只需平移或旋转焦平面就可以获得足够高的精度[4].折反射系统(通常为两镜系统加校正器)中,除了调整焦平面外,还需要一个元件(通常为次镜)的平移和倾斜来消除慧差和像散,这种传统的方法需要调整的变量不多,每一次调整也是靠工作人员的经验.在旋转非对称系统(甚至有些共轴系统)中,如果不对光学元件进行有计划地调整,将无法达到性能要求.离轴三镜无遮掩光学系统取决于对装调变量(倾斜、偏心和平移)的调整来达到设计的光学性能.实际上,每一个光学元件常常要调整6个自由度,自由度间不可避免存在一定的相关性,而且每个光学元件都存在一定的面形误差,面形误差产生的像差与位置自由度失调产生的像差混合在一起,难以把这些变量分离出来,这些因素给系统装调造成一定的困难.

　　本文分析了离轴三镜系统中调整变量之间及调整变量与面形误差间的补偿关系,进行了计算机模拟,得到了变量间相互补偿的具体量值.

　　1　离轴三镜系统

　　本文分析的是一个离轴三镜系统,其光学系统结构形式如图1.系统焦距为1.5 m,F数为5,视场角为0.1°×10°.系统没有一个公共的光轴,每个光学元件都有一定的偏心和倾斜量.该系统在装调时一般以主镜为基准,需要调整量为次镜的偏心和倾斜:dx2、dy2、tx2、ty2;三镜的偏心和倾斜:dx3、dy3、tx3、ty3;主次镜间距和次镜与三镜间距:d1、d2.

　　光学元件位置失调主要引起初级像差的变化,根据初级像差理论[5],可以写出系统初级像差的极坐标表达式

　　式中,(ρ,θ)为出瞳面任意点极坐标,h′为像高,As,Ac,Aa,Ad和At为球差、慧差、像散、场曲和畸变系数,这些系数与光学系统结构参数有关.下面以初级像差理论为基础,分别对焦平面补偿沿轴误差、次镜和三镜的倾斜变量补偿偏心误差、次镜和三镜的偏心、倾斜变量及位移补偿面形误差进行研究.

　　2　利用焦平面补偿系统沿轴像差

　　利用焦平面平衡系统沿轴像差是光学系统经常用到的调整方式.空间相机光学系统都带有调焦机构,除了补偿光学元件的位置失调而引起系统焦距变化外,还可以利用焦面产生的离焦像差补偿系统球差、像散和场曲.在离轴三镜系统中,镜子间的间距误差会导致系统焦距发生变化,可以利用调节焦面的方式来补偿.焦平面离焦产生的像差为