拼接式合成孔径光学系统的子镜失调误差分析

　　1　引　言

　　拼接式合成孔径光学系统可有效解决光学成像系统大孔径尺寸与有限发射体积和质量之间的矛盾,是提高天文望远镜和空间相机性能的途径之一,其关键技术是子镜的拼接。在研究中发现,子镜的失调误差将改变系统瞳函数,从而对像面复振幅分布造成较大的影响。本文通过对衍射效应分析,得出了子镜失调与系统像质的函数曲线关系,从而指导并确定各种失调的误差限。

　　2　拼接镜面合成孔径光学系统

　　作为大口径拼接形式合成孔径光学系统的先期实验系统,设计了三个结构类似的折反式光学系统,主镜为三子镜拼接而成,如图1所示。

　　作为对比分析,这三个系统有不同的焦距和口径。其中,第一个系统的口径为84. 4mm,焦距为1350mm;第二个系统的口径为300mm,焦距为1350mm;第三个系统的口径为300mm,焦距为4800mm。

　　本文对比分析了这三个系统在有相同单项误差时,一块镜片失调情况的系统参数,包括点扩散函数、波像差和点列图,并将三者进行对比研究,两块子镜失调的情况与之类似。

　　3　单向失调误差的模拟结果

　　子镜失调,系统结构不对称, PSF函数和MTF函数也呈不对称性,因此,按照常规轴对称系统只取子午和弧矢方向来代表整个系统的MTF值信息量不够,应该用立体MTF来表述光学系统性能。立体MTF涉及取样密度和评价像质时各个方向的权重,计算量太大,这里不做讨论,只以PSF的斯特涅尔比来描绘系统的光学性能。当失调误差太大,超出干涉衍射效应范围,系统的成像特征将与仅有两块子镜时的系统类似。作为对比,用典型失调量对三系统相同位置的一子镜进行了位置误差的模拟,数据如表1所示。

　　表中,W.F为波像差p-v值,单位为λ; S. D.为斯特涅尔比; spot为弥散斑平均半径,单位为μm。“|”表示平移失调,“”表示倾斜失调。误差为负的情况与之类似。

　　x,y方向的平移误差,数据表明,系统对此二方向的误差相对不敏感,对成像质量影响较小,在工程设计时可在这两个方向上分配相对较大的公差。对比三个系统,F数较小的有更大的波像差,更低的斯特涅尔比;即使系统有相同的F数,口径较大的系统比口径较小的系统波像差更大,斯特涅尔比更低;F数越大,子镜的位置误差对系统的影响越小。

　　在对比的三个系统中,y方向的平移失调对系统的影响均小于x方向,但并不能因此得出结论到所有的类似系统,而应该具体分析主镜镜面的圆锥系数和曲率半径,并通过模拟试验得出结论。

　　x,y方向上相同角度的倾斜误差,焦距越长,口径越大,波像差越大。在对比的三个系统中,子镜绕x轴旋转失调对系统的影响要小于绕y轴的影响,这是因为子镜在x方向的尺寸大于在y方向的尺寸,当子镜尺寸有变化时,对系统的影响程度也会相应改变。