高分辨率星載光學系統裝調過程的偏心誤差分析

王芬++王敏++林峰++郭巧雙

摘要：

針對影響光學系統成像質量的裝調誤差，分析了偏心誤差對高分辨率光學系統成像的影響。基于一款自主設計的接近衍射極限的高分辨率星載相機光學系統，利用Zemax光學軟件分析光學裝調過程中偏心誤差對光學傳遞函數的影響，得出光學系統中各個分離元件對成像質量影響的權重，為光學系統的裝調方案設計和實施提供了依據，實現了該光學系統2 500萬像素高分辨率成像。這種誤差分析方法實現了對光學系統裝調過程的有效控制，提高了光學裝調的效率。

關鍵詞：

光學系統； 高分辨率； 偏心誤差； 裝調

中圖分類號： TH 74文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.008

引言

隨著現代航天技術的快速發展，對探測目標的分辨率要求也越來越高。為了能夠探測目標的微小細節，得到更清晰的圖像，高分辨率星載光學系統的研制成為了該領域研究者的重要課題。目前星載相機光學系統正向著超高分辨率、寬光譜、多功能方向發展。光學系統設計、光學加工技術、光學檢測方法以及裝配工藝直接影響著光學系統的成像質量，對于接近衍射極限的光學系統，其最終的成像質量更多取決于光學加工誤差、檢測方法和裝配技術。考慮到在短時間內提高光學加工工藝和光學檢測精度的難度，可以將提高光學成像質量的重心放在光學系統的裝配上，即利用現有加工工藝生產光學元件，并對其檢測獲得單元誤差，然后通過有效的裝配技術來獲得高分辨率成像光學系統。光學系統的裝配過程中主要存在光學元件的鏡間距誤差和偏心誤差引起的光軸一致性誤差[23]。鏡間距誤差通過調整光學元件間的隔圈厚度可進行校正，而光學元件的偏心誤差不僅會導致光軸一致性誤差的出現，而且也會引起有效鏡間距的偏差，因此在系統裝調過程中我們主要調節元件的偏心誤差。一般偏心誤差對中、低分辨率的鏡頭影響不大，而在高分辨率光學系統中，偏心誤差就成為主要問題。本文基于一款自主設計的接近衍射極限的高分辨率星載相機光學系統，利用Zemax光學軟件分析光學裝調過程中偏心誤差對光學傳遞函數的影響，得出各分離光學元件引起傳遞函數下降的影響權重，為光學系統的裝調方案設計和實施提供參考。

2系統裝調偏心誤差分析

2.1光學系統

自主設計的接近衍射極限的高分辨率星載相機光學系統如圖2所示。該光學系統工作波長450～800 nm，中長焦，F數4，視場角2ω=10.4°，MTF軸上點要求110 lp/mm處大于0.35，0.6視場要求110 lp/mm處大于0.25，設計得到的MTF曲線如圖3所示。

由圖2可見，該光學系統鏡片數量較多且排列緊密，同時成像質量要求高，偏心誤差對鏡頭分辨率影響大，因此裝配非常困難。表1為光學鏡

片的加工公差值，給定的公差值是現有光學加工工藝可以達到的精度。根據鏡片的公差值，通過光學軟件仿真得出裝配過程中不同光學元件的偏心誤差對系統的影響情況。對影響大的元件在裝配過程中進行重點控制，實現了系統2 500萬像素的高分辨率成像。

2.2各分離元件偏心誤差對系統的影響

根據現有光學工藝加工出來的光學鏡片和光學系統裝調的實際情況，在Zemax中分別模擬光學元件相對于光軸的偏心和傾斜，得到各個光學元件對光學傳遞函數MTF下降的影響權重，仿真結果如圖4、圖5所示。

圖4所示為光學系統各光學元件相對于基準軸偏移0.015 mm時對MTF下降影響的柱狀圖，由圖可知，對于X和Y方向偏心，鏡片A對像質影響最大，鏡片B和膠合組CD的偏心影響也不容忽視。圖5所示為光學系統各光學元件相對于光軸傾斜0.015°即54″時對MTF下降影響的柱狀圖，由圖可知，膠合組CD的傾斜對像質影響最大，鏡片B次之，而膠合組EF和GH的傾斜誤差對像質幾乎沒有影響。綜合考慮偏心和傾斜的影響，可以發現膠合組CD的偏心誤差對像質最為敏感，在光學系統的裝調過程中應該重點控制，其次為鏡片B和鏡片A。

2.3裝調偏心誤差對MTF的影響

圖6和圖7所示分別為光學元件相對于基準軸不同的偏心量和傾斜量對MTF的影響，橫坐標分別為單個元件的偏心和傾斜量，縱坐標為110 lp/mm處系統的MTF平均值。顯而易見，隨著每個元件相對于基準軸的偏心和傾斜量的增加，系統MTF下降，且不同元件對系統MTF的影響不同。系統成像質量

要求在0.6視場110 lp/mm處MTF大于0.25，而偏心誤差主要影響的是邊緣視場的成像質量，則0.6視場的MTF值可近似系統的平均MTF值。因此根據圖6和圖7的曲線可以判斷裝調過程中鏡片A的偏心和膠合組CD的傾斜需分別控制在0.03 mm和0.018°以內。系統實際裝調過程中的偏心誤差是偏心和傾斜的綜合作用，利用偏心和傾斜的關系，綜合圖6和圖7，計算出對光學系統最敏感的鏡片A、B、CD的裝配偏心誤差公差值分別為4.87′、3.21′、2.68′，可見鏡片CD最為敏感，需要重點控制。在系統裝調過程中，可以利用偏心測量儀對元件的偏心誤差進行測量，定量控制裝調過程中的元件偏心誤差，實現光學系統的高效裝調。

2.4裝調過程與結果

利用現有光學工藝加工光學鏡片，在裝配前對每個鏡片進行面形、厚度和偏心檢測并記錄數據。根據設計給定的公差值篩選出合格的鏡片并進行分組、優化匹配，利用偏心測量儀對系統進行逐片偏心校正，同時控制光學系統鏡間距。裝配完成后利用星點板在平行光管上定性分析像質，當得到好的星點像時認為系統裝調成功，最后再利用光學傳遞函數測量儀檢測系統的MTF值。

以X1號光學系統為例，X1號光學系統各個鏡片的面形偏差、厚度誤差和偏心誤差均小于給定的公差值。利用偏心測量儀測量出系統各鏡片的裝調偏心誤差，測量值如表2所示。對像質影響最為敏感的鏡片CD的裝調偏心誤差調節至公差值范圍內，其他鏡片的裝調偏心誤差也遠遠小于公差值。在1 300 mm的光具座上用星點板看到的星點像中心亮且圓，周圍有一個低亮度僅有約1/8圓大小缺口的環，說明此時裝調的光學同心度校正得較好。再用3號分辨率板看到22組四個方向的條紋清晰，最后利用光學傳遞函數測量儀測量系統的MTF，得到的MTF值曲線如圖8所示，0視場110 lp/mm處的子午和弧矢MTF均達到0.35，0.6視場110 lp/mm處的子午和弧矢MTF也達到了0.3，整體像質得到有效提高，滿足用戶要求。

3結論

本文基于一款高分辨率星載相機光學系統，通過Zemax光學軟件模擬分析和實際裝調實踐，說明了光學系統的偏心誤差引起的光軸一致性誤差是影響高分辨率光學系統成像質量的一個重要因素。利用軟件模擬分析裝調過程中各個光學元件的偏心誤差對光學傳遞函數下降的影響情況，分析不同大小的偏心誤差對系統光學傳遞函數的影響，確定裝調過程中偏心誤差的公差值，定量地指導光學系統裝調，實現了系統2 500萬像素高分辨率成像。與傳統的單純靠裝調人員經驗的方法相比，這種誤差分析方法能夠為光學系統的裝調方案設計和實施提供依據，實現裝調過程的定量控制，縮短了裝調周期，有效提高了光學裝調的效率。

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（編輯：劉鐵英）