摘 要:通过选取三镜消像散(Three-mirror anastigmat,TMA)的结构形式介绍了共轴系统离轴使用的方法。TMA系统由三个二次曲面镜、一个变形镜和一个快速稳像镜构成。根据三镜系统的初级像差理论推导出了系统的初始结构,利用自动光学设计软件Zemax对初始结构进行了像差优化设计。采用两种优化方法来保证系统的出瞳与变形镜重合,以便于校正主镜的剩余误差。所设计出的光学系统的成像质量可接近衍射极限,满足了系统对成像质量的要求。
1 引 言
高分辨率空间遥感器在航天对地观察和测量上有着广泛的应用,已成为国内外研究者研究的热点。1990年发射的哈勃是世界上最著名的空间遥感器,是一个主镜为2·4m的两镜系统[1],哈勃对宇宙的探测取得了巨大的成就。由于技术上的原因,哈勃将于2011年被下一代空间遥感器詹姆士·韦伯代替。詹姆士·韦伯是主镜口径为6·5m的三镜系统[2]。中国计划于2008年发射主镜口径为1m的空间太阳遥感器。它将用于全面观测太阳磁场、太阳大气的精细结构、太阳耀斑能量的积累和释放以及日地空间环境等[3]。本文所讨论的高分辨率空间遥感器的主镜口径为数米,焦距为数十米,是我国未来10年最重要的空间遥感器。
空间遥感器的设计目前常用的有三种不同的结构形式[4],即四镜系统、三镜四反射系统、三镜消像散系统,分别如图1、图2和图3所示。
图1所示的结构形式的优点是成像质量好,有实的出瞳;缺点是难以固定和装调,第三镜和第四镜口径较大,并且还是高次非球面,给加工带来了困难。图2所示的结构形式的优点是成像质量好,易于固定安装,并且所有反射镜都是二次曲面;缺点是没有实的出瞳,次镜口径也较大。图3所示的结构形式是三镜消像散(TMA)的结构形式,可以克服以上两种结构存在的缺点。这种结构运用了共轴系统离轴使用的方法,即以一定角度入射的的平行光束经主镜、次镜和三镜反射后,光束偏离开主光轴,因此可以加装一个变形镜以实时校正主镜的像差,满足自适应的要求。快速稳像镜的作用是稳定像面。变形镜和快速稳像镜在光学设计的过程中均视为理想平面镜,不影响系统的像差,所以TMA系统实际上是由三个二次曲面构成的三镜系统。首先根据三镜系统的初级像差理论求解出初始结构,然后进行像差优化。
本文所设计的系统的性能参数是:焦距为数十米,口径为数米,谱段为0·5~0·8μm,分辨率为0·1m(500km轨道),成像质量接近于衍射极限,视场角为1°×0·05°,面遮拦≤7%,平像面且具有实的出瞳,处在主镜后面,外形尺寸小,长度≤6m,结构紧凑,波前误差接近衍射极限。
2 光学系统初始结构的确定
三镜系统的自变量共有七个,不仅可以很好地校正初级像差,还能利用剩余的变量控制三个反射镜的外形尺寸。三镜反射系统如图4所示。假设物体位于无穷远,即物距l1=∞,物方孔径角u1=0,入瞳位于主镜上,即x1=0,y1=0。假设主镜、次镜和第三镜的二次曲面系数分别为e21,e22,e23,则副镜对主镜的遮拦比为
在以上四个消像差公式中共有七个自由变量,即e21,e22,e23,α1,α2,β1和β2。其中后四个变量与外形尺寸有关,如果只要求消除球差、慧差和像散,则外形尺寸完全可以自由安排。若要求像面是平的,则由式(4)来决定与外形尺寸相关的变量之间的关系。
从以上公式可以得出结构参数的计算公式如下
根据式(1)~式(4)四个消像差公式和式(5)~式(9)五个结构参数公式以及相应的性能要求,可以很方便的编程计算出各面形的参数。需要注意的是,性能参数中要求的是面遮栏系数,而公式中的遮栏比为线遮栏系数,它们之间是平方的关系,即线遮栏系数必须小于0·264。
3 系统的像差优化
快速稳像镜是一理想平面镜,在系统优化的过程中可以不加入计算。但是变形镜必须加入,因为系统的孔径光阑与主镜重合,其共轭像面位置就是出瞳,也就是变形镜的位置,只有这样,在自适应光学中变形镜才能校正主镜的误差。由于结构和光束位置的限制,变形镜也就是出瞳必须位于主镜与三镜之间。在优化的过程中首先加入变形镜,然后控制系统的出瞳,让出瞳与变形镜重合,这样即可满足要求。
系统探测器的像元尺寸为0·007mm,由此可以计算出系统计算传函的特征抽样频率为72对线/mm。视场角的设置[7]:x方向为0°, 0·25°, 0·35°,0·5°;y方向为0·3°, 0·3°, 0·3°, 0·3°。波长在0·5~0·8mm范围内均匀设置。由于是反射系统,波长对优化过程没有影响。根据性能要求需要控制的参数还有:r2/r1小于0·264;总长度小于6000mm。在优化过程中,有两种优化方法:第一种方法是将光阑设置在变形镜上,控制入瞳与主镜重合;第二种方法是把光阑设置在主镜上,利用优化操作数将出瞳和变形镜控制在同一个位置,同时保持这个位置在主镜与三镜之间。这两种方法均能得到令人满意的效果。从图5可以看出,初步优化后的结构比较匀称;从图6可以看出,初步优化后的传递函数MTF已经接近衍射极限;从图7可以看出,第四镜(即变形镜)遮挡了次镜到第三镜的部分光线,所以需要进一步调整结构。为了调整光束的高度,可采用两种方法进行优化:一种方法是对主镜、次镜的曲率半径和主镜的厚度进行调整,使得次镜到主镜的光线在第四镜附近汇聚,并在优化过程中令这个量为常数;另外一种方法就是通过控制光线的实际投射高度来降低全视场边缘光线在第四面上的投射高度,或提高在第三镜上的投射高度。
最终优化结果:系统结构变化不大,但从图8可以看出遮挡已经被消除。由图9可以看出传函比调整之前有些下降,但仍然接近衍射极限;波像差的PV值为0·764个波长;根据瑞利准则[8],最大波像差小于四分之一波长,系统质量与理想光学系统没有显著差别。因此系统的成像质量已经接近衍射极限。
4 结 论
对如此大的口径和长焦距的空间光学遥感器来说,本设计在国内尚属首次。本文所设计的结果可满足技术要求,光学系统的成像质量接近衍射极限,整个结构匀称紧凑,符合总体要求。
参考文献:
[1]键行.第二代空间望远镜的几种方案[J].天文爱好者,1998,(6):32.
[2] John Nella1, Paul Atcheson. James webb sPACe telescope (JWST)observatory architecture and performance[J].Proceedings of SPIE,2000,5487: 576—588.
[3]星宇.观日“中国眼”2008年升空[J].今日科苑,2005,(2):35.
[4] James BHadaway, Mark Wilson, Devid Redding, et al. Lessonslearned in the optical design of the next generation space telescope[J]. Proceedings of SPIE,1998, 3356: 114—121.
[5]潘君骅.光学非球面的设计、加工与检验[M].北京:科学出版社,1994.
[6]安连生,李林,李全臣.应用光学(第三版)[M].北京:北京理工大学出版社,2002.
[7]讯计光电(上海)有限公司. ZEMAX光学设计程式使用手册[Z].朗讯科技股份有限公司,2003.
[8] Robert E Fischer. Optial System Design[Z].McGraw Hill,2000.
收稿日期:2005-10-18;收到修改稿日期: 2005-11-30 E-mail:wangmingqiang@bit.edu.cn
作者简介:汪明强(1976-),男,江苏省人,北京理工大学信息科学技术学院硕士研究生,主要从事空间遥感器光学设计的研究。
