利用离轴三反镜光学系统确定各镜的装调公差

　　1　引　言

　　随着非球面加工技术的成熟,非球面已经大量的运用到了实际产品中。近年来,人们对光学系统各项指标的要求越来越高,使得光学系统变得更为复杂, 所用的镜片也越来越多。所以,只用少量镜片就可以达到衍射极限的光学系统得到了人们的广泛关注。离轴三反镜光学系统,即三镜消像散光学系统(TMA),就 是在这种情况下发展起来的。它具有大视场、高分辨率、体积小、结构紧凑、无色差和平像场的特点。由于反射系统不产生色差,无二级光谱,使用波段宽,而且孔 径可以做得较大,宜于轻量化,在抗热性能方面有较强的优势,所以通过非球面校正像差可以使结构简单,像质优良[1]。它已成功地运用到了航天遥感相机和光 刻光学系统中。美国已在这方面做了大量的工作[2~5]。法国在对离轴三反镜光学系统用于航天遥感方面也做了大量的研究[6]。日本在光刻系统中也应用了 离轴三反镜光学系统[7~8]。

　　2　理论基础

　　2.1　泽尼克系数与赛德尔像差之间的关系[9,10]

　　在用计算机进行辅助装调时,只能对初级像差进行装调,而高级像差是不能用装调的方法去除的。可以只用三级像差来表示系统出瞳面上的波像差,三级像差也可以用前9项Zernike系数来表示:

　　在式(2)中,W11表示波面的倾斜;W20表示波面的离焦;W22表示波面的像散; W31表示波面的彗差;W40表示波面的球差。由式(1)和式(2)可以得到Zernike系数与Seidel像差之间的关系,如表1所示。

　　2.2　离轴三反镜光学系统调整自由度

　　常见的离轴三反镜光学系统如图1(a)和图1(b)所示。

　　在离轴三反镜光学系统中,共有三块镜片,每个镜片都有6个自由度。镜片在x方向、y方向和z方向上的自由度以及绕x轴旋转、绕y轴旋转和绕z轴 旋转的自由度,总共有18个自由度,去掉相互作用的3个自由度,还有15个自由度。在实际装调中,x方向的自由度为偏心,y方向的自由度为镜面的高低,z 方向的自由度为镜面的间隔。绕x轴旋转的自由度为镜面的俯仰,绕y轴旋转的自由度为镜面的偏摆。如果事先知道这些自由度的优先级别,就可以在装调时有的放 矢。

　　3　计算镜片的装调公差和确定其优化级别[8]

　　3.1　镜片的装调公差

　　如果在光学系统的像面上用的是像元大小为10μm的CCD,且最终整个光学系统的MTF≥0·2,那么光学部分的MTF就必须大于0·4。将光 学系统的数据代到Zemax光学设计软件中,并对主次三镜的公差进行分析。由于这样的分析具有相似性,所以本文只对中心视场进行分析计算。当测试波长 λ=632·8nm,光学系统的调制传递函数(几何平均MTF是Zemax中所用的术语)大于0·42(即空间频率大于50对线/mm)时,可以得到各个 镜面的公差,如表2所示。