基于全景光學(xué)的EVA航天員視場(chǎng)拓展技術(shù)研究

于灝洋，周 軍，李 娟

（北京遙感設(shè)備研究所，北京100854）

1 引言

在載人航天活動(dòng)中，人類(lèi)一直不斷拓展自身空間操作和活動(dòng)能力，從初期的基于空間站和航天飛機(jī)的試驗(yàn)、維修，到未來(lái)還將開(kāi)展的載人登月、登火等活動(dòng)，都需要航天員開(kāi)展出艙活動(dòng)（Extra Vehicular Activity，EVA）來(lái)完成機(jī)器無(wú)法替代的任務(wù)。EVA中，由于艙外航天服比較厚重而且活動(dòng)不便，甚至轉(zhuǎn)身和彎腰等在地面輕松、快速實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作都變得不易，也影響到航天員對(duì)周?chē)鷪?chǎng)景的直接、快速地觀察，給多航天員協(xié)同工作和復(fù)雜環(huán)境下的操作帶來(lái)不便。比如，當(dāng)航天員登陸地外星體表面，在陌生環(huán)境下活動(dòng)時(shí)，要同時(shí)面臨生存和探索兩方面的挑戰(zhàn)：一方面，在星表行走時(shí)，航天員需要能夠充分感知周邊環(huán)境狀況，還應(yīng)當(dāng)能夠靈活使用和操控航天服和登陸車(chē)；另一方面，還需要同時(shí)便捷地觀察周?chē)鷪?chǎng)景并與隊(duì)友們相互協(xié)同。因此，為航天員開(kāi)發(fā)視場(chǎng)拓展系統(tǒng)，給其EVA提供實(shí)時(shí)、大視場(chǎng)、高清晰度的全景信息就顯得十分重要。

全景成像技術(shù)是一種獲取大視場(chǎng)信息的有效手段，其在機(jī)器人視覺(jué)、探測(cè)監(jiān)控，航天航空等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。2004年美國(guó)勇氣號(hào)火星車(chē)上搭載的一對(duì)全景相機(jī)，通過(guò)水平360°旋轉(zhuǎn)掃描形成全景圖像，運(yùn)用雙目立體視覺(jué)原理進(jìn)行三維重建［1］，首次向人類(lèi)展示了火星的三維全景景觀。但這種基于旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)的全景拼接系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，體積也較大。Greguss在他的專(zhuān)利中提出一種基于柱面投影的環(huán)帶全景透鏡（Panoramic Annular Lens，PAL）［2］，Powell等人又在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入的研究，提出了一系列至今仍非常有價(jià)值的環(huán)形全景鏡頭結(jié)構(gòu)［3］。國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)等單位也對(duì)PAL光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了較為深入的研究［4］。PAL光學(xué)系統(tǒng)有大視場(chǎng)角、成像質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)緊湊、畸變小、后期圖像處理簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，但受自身成像特點(diǎn)的限制，如通光口徑較小、焦距較短、角分辨率低，如果增加數(shù)值孔徑，會(huì)使系統(tǒng)成像質(zhì)量快速下降［4］，如果增加焦距則會(huì)使后繼透鏡組的設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜［5］。

基于EVA視場(chǎng)拓展需求，針對(duì)PAL上述不足，本文提出一種由雙非球面組成的PAL光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)方案；并通過(guò)優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的約束條件而加快軟件對(duì)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化的收斂速度，并通過(guò)仿真分析對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行分析驗(yàn)證。

2 設(shè)計(jì)要求

EVA航天員視覺(jué)拓展系統(tǒng)工作原理如圖1所示，主要由全景成像光學(xué)鏡頭、圖像采集與處理電子艙兩部分組成，通常固定于EVA航天服的頭頂位置，為便于航天員觀察四周場(chǎng)景，光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)方位360°、仰角10°、俯角50°范圍內(nèi)的景物清晰成像，對(duì)PAL光學(xué)系統(tǒng)的詳細(xì)指標(biāo)要求如表1所示。

圖1 EVA航天員視覺(jué)拓展系統(tǒng)工作原理Fig.1 The principle of FOV extension system for EVA astronaut

表1 PAL光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)要求Table 1 Parameters of panoramic annular optical system

3 PAL光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 基本架構(gòu)

PAL光學(xué)系統(tǒng)包含環(huán)帶全景透鏡與后繼透鏡組，環(huán)帶全景透鏡是一塊旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的光學(xué)材料，光線在其中可以發(fā)生多次折射與反射，以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)成像，后繼透鏡組為一組常規(guī)透鏡，其作用為平衡由前者引入的大視場(chǎng)像差，使系統(tǒng)達(dá)到理想的成像效果。

PAL光學(xué)系統(tǒng)遵循平面圓柱投影法，不同入射角度的光在像面形成同心環(huán)狀像，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)可構(gòu)成f-theta系統(tǒng)［3］。因此，入射角相同的光線在第一折射面的入射區(qū)域相同——形成一個(gè)圓環(huán)，不同入射角光線的入射點(diǎn)在第一折射面形成不同大小的同心圓環(huán)，因此該光學(xué)系統(tǒng)的入瞳為一個(gè)個(gè)隨入射角變化而變化的環(huán)帶。所以PAL透鏡的通光孔徑通常不會(huì)很大，光能利用率較低，如圖2所示。PAL透鏡第一折射面的面積正比于入瞳大小，正比于視場(chǎng)角大小，所以在視場(chǎng)不變的情況下，增加PAL系統(tǒng)的入瞳尺寸，將會(huì)使PAL透鏡尺寸增加，而且將會(huì)引入難以校正的軸外像差。

圖2 PAL光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.2 diagram of panoramic annular optical system

3.2 改進(jìn)優(yōu)化

由于PAL透鏡結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，光線在其中要經(jīng)過(guò)多次反射折射，容易從多途徑引入雜散光，導(dǎo)致成像系統(tǒng)失效或降低成像對(duì)比度。為了抑制PAL光學(xué)系統(tǒng)中的雜散光，可將后繼鏡組第一片透鏡作為系統(tǒng)孔徑光闌［5］。從Powell專(zhuān)利中［3］選取與系統(tǒng)指標(biāo)要求相近的鏡頭初始結(jié)如構(gòu)圖3，并在ZEMAX中建立模型，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖3 ZEMAX中的PAL透鏡初始結(jié)構(gòu)Fig.3 The initial structure of PAL in ZEMAX

表2 PAL初始結(jié)構(gòu)Table 2 The initial structure of panoramic annular optical system

為提高全景鏡頭的成像質(zhì)量，將PAL透鏡上的面2與面4一體化設(shè)計(jì)為非球面，面3也設(shè)計(jì)為非球面，為了降低非球面加工的難度，PAL透鏡選用可以單點(diǎn)車(chē)削加工的PMMA材料，其中反射面鍍金屬鋁膜，折射面鍍?cè)鐾改ぃ鐖D4所示。

圖4 70°光線入射PAL透鏡示意圖Fig.4 Illustration of 70°incidence light into PAL

后繼轉(zhuǎn)像系統(tǒng)如圖5所示，后繼轉(zhuǎn)像透鏡組的主要任務(wù)是校正由PAL引入大視場(chǎng)而帶來(lái)的各種像差，由4片透鏡組成，包含2組雙膠合透鏡，負(fù)責(zé)系統(tǒng)色差的校正，最后一片負(fù)透鏡對(duì)系統(tǒng)場(chǎng)曲進(jìn)行校正。由于在PAL模塊中引入了非球面，可減輕后繼鏡組像差平衡的壓力，因此后繼透鏡采用全球面設(shè)計(jì)，可降低了加工與裝調(diào)的成本；光學(xué)材料選擇理化性能好、加工性能優(yōu)良的成都光明常備玻璃材料。

圖5 后繼成像系統(tǒng)Fig.5 The relay imaging system

由于PAL透鏡全景透鏡模塊的每個(gè)面之間相互關(guān)聯(lián)，很難從初級(jí)像差推導(dǎo)出一個(gè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件來(lái)尋找最優(yōu)解，可以解決這一問(wèn)題。但是PAL透鏡包含多個(gè)反射面與折射面，光線傳播路徑復(fù)雜，軟件優(yōu)化過(guò)程易使PAL結(jié)構(gòu)變形、陷入局部解，偏離正確的優(yōu)化方向。利用ZEMAX優(yōu)化該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于合理約束PAL透鏡的各個(gè)表面、光線保證PAL結(jié)構(gòu)的合理性，本文的約束條件設(shè)置如下：

1）利用操作數(shù)REAY約束邊界光線，使邊界光線1的反射光線與邊界光線2的透射光線相分離，因?yàn)樵摲纸琰c(diǎn)決定了PAL透鏡反射膜與增透膜的界限，使反射與透射光在該點(diǎn)分離才可保證光線傳播路徑的合理性，如圖6中圓圈位置所示。

圖6 PAL光路圖Fig.6 Beam path of PAL

2）利用操作數(shù)RAGZ、RAGY約束兩邊界光線在第一折射面的位置，使邊界光線1的入射光位置低于第二反射面與第一折射面的交點(diǎn)，邊界光線2的入射位置始終在第一折射面上。

3）利用操作數(shù)控制第一折射面的曲率半徑為正，并配合其他操作數(shù)控制PAL透鏡的入瞳尺寸、徑向尺寸等參數(shù)。

4）對(duì)于f-theta全景系統(tǒng)需要采用disc操作數(shù)對(duì)畸變進(jìn)行控制。

最終設(shè)計(jì)結(jié)果為：視場(chǎng)（40°～100°） ×360°、有效焦距為 6.1 mm、F數(shù) 2.2、入瞳直徑2.77 mm、光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)98 mm、后工作距大于8 mm，較大的相對(duì)孔徑保證系統(tǒng)的光能利用率。設(shè)計(jì)模型與光路如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Layout of the system

4 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

如前所述環(huán)帶全景光學(xué)系統(tǒng)為f-theta系統(tǒng)，系統(tǒng)的f-theta畸變小于2.2%，如圖8所示。環(huán)帶全景光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線，所有視場(chǎng)在100 lp／mm處MTF值均大于0.4，成像質(zhì)量良好。軸外視場(chǎng)的點(diǎn)列圖尺寸最大，其RMS半徑5.04 μm，意味著該系統(tǒng)85%的能量可以集中在直徑5 μm的像元內(nèi)，如圖9所示。像面中心與邊緣的相對(duì)照度下降小于0.2，可以認(rèn)為整個(gè)像面照度分布均勻如圖10所示。

圖8 畸變曲線Fig.8 The f－theta distortion curve

圖9 MTF曲線與點(diǎn)列圖Fig.9 Modulation transfer function（MTF） and spot diagram

圖10 像面相對(duì)照度Fig.10 Relative illumination of image surface

全景光學(xué)系統(tǒng)采用被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)在低溫、高溫的環(huán)境下MTF曲線如圖11所示，與常溫下的MTF曲線相比，其像質(zhì)變化不大，被動(dòng)無(wú)熱化效果較好。

雜散輻射是影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要因素之一，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行雜散輻射分析，在ZEMAX中進(jìn)行非序列建模。通過(guò)模擬兩個(gè)縱向位置不同的環(huán)帶光源，對(duì)光源進(jìn)行光線追跡查看像面上的目標(biāo)及能量分布情況，分析是否有鬼像及其它雜散光。光源半徑為50 mm，長(zhǎng)度5 mm，兩個(gè)光源相距5 mm，光源輻射能量為100 W。為保證仿真的有效性，光學(xué)系統(tǒng)各表面透過(guò)率98%，剩余反射率2%，探測(cè)器參數(shù)根據(jù)實(shí)際探測(cè)器設(shè)定，可得到結(jié)果如圖12所示。可以看到PAL光學(xué)系統(tǒng)將雙環(huán)光源展開(kāi)為環(huán)帶成像在探測(cè)器上，探測(cè)器中心位置存在少量雜散光，是光線在PAL透鏡內(nèi)部經(jīng)多次反射后進(jìn)入后繼鏡組的雜散光，其能量較弱并不影響成像效果。

圖11 -40℃和＋60℃下的MTF曲線Fig.11 The MTF curves at －40℃ and ＋60℃

圖12 非序列模式系統(tǒng)雜散光分析Fig.12 Stray lights analysis in non-sequential mode

5 結(jié)論

本文以EVA航天員的視場(chǎng)拓展為應(yīng)用背景，開(kāi)展了無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的全景成像技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了一種PAL環(huán)帶光學(xué)全景系統(tǒng)，并通過(guò)仿真分析加以驗(yàn)證。PAL透鏡采用雙非球面設(shè)計(jì)，提高了成像質(zhì)量，后繼透鏡組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)采用被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)，在－40℃ ～＋60℃溫度范圍內(nèi)成像質(zhì)量基本不變，該系統(tǒng)有著成像質(zhì)量好、通光孔徑大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)可與艙外航天服的頭盔和近眼顯示系統(tǒng)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)航天員視覺(jué)范圍的穿戴式拓展。