高分辨率星載光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)過程的偏心誤差分析

王芬++王敏++林峰++郭巧雙

摘要：

針對(duì)影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的裝調(diào)誤差，分析了偏心誤差對(duì)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)成像的影響?；谝豢钭灾髟O(shè)計(jì)的接近衍射極限的高分辨率星載相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，利用Zemax光學(xué)軟件分析光學(xué)裝調(diào)過程中偏心誤差對(duì)光學(xué)傳遞函數(shù)的影響，得出光學(xué)系統(tǒng)中各個(gè)分離元件對(duì)成像質(zhì)量影響的權(quán)重，為光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)方案設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了該光學(xué)系統(tǒng)2 500萬像素高分辨率成像。這種誤差分析方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)過程的有效控制，提高了光學(xué)裝調(diào)的效率。

關(guān)鍵詞：

光學(xué)系統(tǒng)； 高分辨率； 偏心誤差； 裝調(diào)

中圖分類號(hào)： TH 74文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.008

引言

隨著現(xiàn)代航天技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)探測目標(biāo)的分辨率要求也越來越高。為了能夠探測目標(biāo)的微小細(xì)節(jié)，得到更清晰的圖像，高分辨率星載光學(xué)系統(tǒng)的研制成為了該領(lǐng)域研究者的重要課題。目前星載相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)正向著超高分辨率、寬光譜、多功能方向發(fā)展。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)加工技術(shù)、光學(xué)檢測方法以及裝配工藝直接影響著光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，對(duì)于接近衍射極限的光學(xué)系統(tǒng)，其最終的成像質(zhì)量更多取決于光學(xué)加工誤差、檢測方法和裝配技術(shù)?？紤]到在短時(shí)間內(nèi)提高光學(xué)加工工藝和光學(xué)檢測精度的難度，可以將提高光學(xué)成像質(zhì)量的重心放在光學(xué)系統(tǒng)的裝配上，即利用現(xiàn)有加工工藝生產(chǎn)光學(xué)元件，并對(duì)其檢測獲得單元誤差，然后通過有效的裝配技術(shù)來獲得高分辨率成像光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)的裝配過程中主要存在光學(xué)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(diào)整光學(xué)元件間的隔圈厚度可進(jìn)行校正，而光學(xué)元件的偏心誤差不僅會(huì)導(dǎo)致光軸一致性誤差的出現(xiàn)，而且也會(huì)引起有效鏡間距的偏差，因此在系統(tǒng)裝調(diào)過程中我們主要調(diào)節(jié)元件的偏心誤差。一般偏心誤差對(duì)中、低分辨率的鏡頭影響不大，而在高分辨率光學(xué)系統(tǒng)中，偏心誤差就成為主要問題。本文基于一款自主設(shè)計(jì)的接近衍射極限的高分辨率星載相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，利用Zemax光學(xué)軟件分析光學(xué)裝調(diào)過程中偏心誤差對(duì)光學(xué)傳遞函數(shù)的影響，得出各分離光學(xué)元件引起傳遞函數(shù)下降的影響權(quán)重，為光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)方案設(shè)計(jì)和實(shí)施提供參考。

2系統(tǒng)裝調(diào)偏心誤差分析

2.1光學(xué)系統(tǒng)

自主設(shè)計(jì)的接近衍射極限的高分辨率星載相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。該光學(xué)系統(tǒng)工作波長450～800 nm，中長焦，F(xiàn)數(shù)4，視場角2ω=10.4°，MTF軸上點(diǎn)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(shè)計(jì)得到的MTF曲線如圖3所示。

由圖2可見，該光學(xué)系統(tǒng)鏡片數(shù)量較多且排列緊密，同時(shí)成像質(zhì)量要求高，偏心誤差對(duì)鏡頭分辨率影響大，因此裝配非常困難。表1為光學(xué)鏡

片的加工公差值，給定的公差值是現(xiàn)有光學(xué)加工工藝可以達(dá)到的精度。根據(jù)鏡片的公差值，通過光學(xué)軟件仿真得出裝配過程中不同光學(xué)元件的偏心誤差對(duì)系統(tǒng)的影響情況。對(duì)影響大的元件在裝配過程中進(jìn)行重點(diǎn)控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)2 500萬像素的高分辨率成像。

2.2各分離元件偏心誤差對(duì)系統(tǒng)的影響

根據(jù)現(xiàn)有光學(xué)工藝加工出來的光學(xué)鏡片和光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)的實(shí)際情況，在Zemax中分別模擬光學(xué)元件相對(duì)于光軸的偏心和傾斜，得到各個(gè)光學(xué)元件對(duì)光學(xué)傳遞函數(shù)MTF下降的影響權(quán)重，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4所示為光學(xué)系統(tǒng)各光學(xué)元件相對(duì)于基準(zhǔn)軸偏移0.015 mm時(shí)對(duì)MTF下降影響的柱狀圖，由圖可知，對(duì)于X和Y方向偏心，鏡片A對(duì)像質(zhì)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(xué)系統(tǒng)各光學(xué)元件相對(duì)于光軸傾斜0.015°即54″時(shí)對(duì)MTF下降影響的柱狀圖，由圖可知，膠合組CD的傾斜對(duì)像質(zhì)影響最大，鏡片B次之，而膠合組EF和GH的傾斜誤差對(duì)像質(zhì)幾乎沒有影響。綜合考慮偏心和傾斜的影響，可以發(fā)現(xiàn)膠合組CD的偏心誤差對(duì)像質(zhì)最為敏感，在光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)過程中應(yīng)該重點(diǎn)控制，其次為鏡片B和鏡片A。

2.3裝調(diào)偏心誤差對(duì)MTF的影響

圖6和圖7所示分別為光學(xué)元件相對(duì)于基準(zhǔn)軸不同的偏心量和傾斜量對(duì)MTF的影響，橫坐標(biāo)分別為單個(gè)元件的偏心和傾斜量，縱坐標(biāo)為110 lp/mm處系統(tǒng)的MTF平均值。顯而易見，隨著每個(gè)元件相對(duì)于基準(zhǔn)軸的偏心和傾斜量的增加，系統(tǒng)MTF下降，且不同元件對(duì)系統(tǒng)MTF的影響不同。系統(tǒng)成像質(zhì)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(zhì)量，則0.6視場的MTF值可近似系統(tǒng)的平均MTF值。因此根據(jù)圖6和圖7的曲線可以判斷裝調(diào)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(nèi)。系統(tǒng)實(shí)際裝調(diào)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(guān)系，綜合圖6和圖7，計(jì)算出對(duì)光學(xué)系統(tǒng)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(diǎn)控制。在系統(tǒng)裝調(diào)過程中，可以利用偏心測量儀對(duì)元件的偏心誤差進(jìn)行測量，定量控制裝調(diào)過程中的元件偏心誤差，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的高效裝調(diào)。

2.4裝調(diào)過程與結(jié)果

利用現(xiàn)有光學(xué)工藝加工光學(xué)鏡片，在裝配前對(duì)每個(gè)鏡片進(jìn)行面形、厚度和偏心檢測并記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)給定的公差值篩選出合格的鏡片并進(jìn)行分組、優(yōu)化匹配，利用偏心測量儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行逐片偏心校正，同時(shí)控制光學(xué)系統(tǒng)鏡間距。裝配完成后利用星點(diǎn)板在平行光管上定性分析像質(zhì)，當(dāng)?shù)玫胶玫男屈c(diǎn)像時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)裝調(diào)成功，最后再利用光學(xué)傳遞函數(shù)測量儀檢測系統(tǒng)的MTF值。

以X1號(hào)光學(xué)系統(tǒng)為例，X1號(hào)光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)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(tǒng)各鏡片的裝調(diào)偏心誤差，測量值如表2所示。對(duì)像質(zhì)影響最為敏感的鏡片CD的裝調(diào)偏心誤差調(diào)節(jié)至公差值范圍內(nèi)，其他鏡片的裝調(diào)偏心誤差也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于公差值。在1 300 mm的光具座上用星點(diǎn)板看到的星點(diǎn)像中心亮且圓，周圍有一個(gè)低亮度僅有約1/8圓大小缺口的環(huán)，說明此時(shí)裝調(diào)的光學(xué)同心度校正得較好。再用3號(hào)分辨率板看到22組四個(gè)方向的條紋清晰，最后利用光學(xué)傳遞函數(shù)測量儀測量系統(tǒng)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(dá)到0.35，0.6視場110 lp/mm處的子午和弧矢MTF也達(dá)到了0.3，整體像質(zhì)得到有效提高，滿足用戶要求。

3結(jié)論

本文基于一款高分辨率星載相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，通過Zemax光學(xué)軟件模擬分析和實(shí)際裝調(diào)實(shí)踐，說明了光學(xué)系統(tǒng)的偏心誤差引起的光軸一致性誤差是影響高分辨率光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的一個(gè)重要因素。利用軟件模擬分析裝調(diào)過程中各個(gè)光學(xué)元件的偏心誤差對(duì)光學(xué)傳遞函數(shù)下降的影響情況，分析不同大小的偏心誤差對(duì)系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的影響，確定裝調(diào)過程中偏心誤差的公差值，定量地指導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)2 500萬像素高分辨率成像。與傳統(tǒng)的單純靠裝調(diào)人員經(jīng)驗(yàn)的方法相比，這種誤差分析方法能夠?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)方案設(shè)計(jì)和實(shí)施提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)裝調(diào)過程的定量控制，縮短了裝調(diào)周期，有效提高了光學(xué)裝調(diào)的效率。

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（編輯：劉鐵英）