高分辨率微型星載相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳玉芳，吳振聰，王 敏

（福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007）

引言

隨著太空資源開發(fā)爭(zhēng)奪戰(zhàn)日益加劇，研發(fā)高分辨率空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)成為競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。探測(cè)系統(tǒng)的核心部件是目標(biāo)探測(cè)鏡頭，其主要應(yīng)用于空間目標(biāo)與碎片的探測(cè)與跟蹤[1]。為此，高分辨率微型星載相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的成功研制對(duì)提高我國近地空間目標(biāo)監(jiān)視能力發(fā)揮了重要作用。最早運(yùn)用CCD相機(jī)作為星載對(duì)地觀測(cè)載荷是在20世紀(jì)80年代初，前蘇聯(lián)在1980年6月發(fā)射了載有3 譜段推掃式線陣CCD 相機(jī)的試驗(yàn)衛(wèi)星。但星載相機(jī)作為對(duì)地觀測(cè)儀器真正被人們重視并且進(jìn)入實(shí)用階段是在1986年2月法國成功發(fā)射Spot-1 衛(wèi)星以后，該衛(wèi)星所載的HRVCCD 相機(jī)獲得了巨大的成功[2]。2011年11月26 日，美國火星探測(cè)器“好奇號(hào)”搭載了一批先進(jìn)的探測(cè)儀器，包括17 臺(tái)200 萬像素的CCD 相機(jī)。

我國空間相機(jī)研制起步較晚，1975年11月第一臺(tái)可見光譜空間相機(jī)“尖兵一號(hào)”搭乘第一顆返回式衛(wèi)星發(fā)射。2007年10月嫦娥一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射成功，攜帶3 個(gè)光學(xué)遙感器CCD 相機(jī)、激光高度計(jì)和成像光譜儀。2008年8月我國環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星發(fā)射成功，CCD 相機(jī)在77 lp/mm 時(shí)MTF 最高達(dá)0.22。2009年9月26 日，福建師范大學(xué)研制的神舟七號(hào)飛船伴飛衛(wèi)星相機(jī)鏡頭上，首次近距離獲得在軌航天器的全景圖像，像素130 萬。2010年中科院西安光機(jī)所研制的星載長(zhǎng)焦距高分辨率CCD 遙感相機(jī)，最小地面分辨率0.5 m。

國內(nèi)公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)中，蘭麗艷等發(fā)表的星載大視場(chǎng)多光譜高分辨率CCD 相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，全視場(chǎng)角為3°，體積為500 mm×400 mm×400 mm 相對(duì)較大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用11 片透鏡[3]。張丹楓等發(fā)表的星載多光譜相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)質(zhì)量約為5 kg，分辨率為1 024×1 024[4]pixel。相比已公開星載鏡頭，研發(fā)的微型星載相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)具有分辨率高、體積小、質(zhì)量輕等明顯優(yōu)勢(shì)，成功應(yīng)用于天宮二號(hào)伴飛衛(wèi)星相機(jī)中，順利完成空中對(duì)接等空間遙感觀測(cè)任務(wù)，獲得的圖像清晰穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)空間惡劣環(huán)境，系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到抗沖擊震動(dòng)、耐太空高溫差強(qiáng)輻射、體積小、質(zhì)量輕等條件[5]，要求光學(xué)系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

相機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)譜段的調(diào)制傳遞函數(shù)要求高，特別是高頻部分，中心視場(chǎng)≥0.3@110 lp/mm。要求系統(tǒng)的光學(xué)間隔、曲率半徑、面型精度都要很高，并且在裝配過程中要解決好誤差補(bǔ)償，控制好積累誤差，保證0.7 視場(chǎng)MTF≥0.25@110 lp/mm。由于成像波段為450 nm～800 nm，屬于可見光和近紅外光譜段。在這樣的寬譜段下，設(shè)計(jì)一個(gè)在各個(gè)譜段MTF 都比較高的鏡頭，需要進(jìn)行復(fù)消色差設(shè)計(jì)，像差校正平衡，控制公差配制[6]，滿足太空使用要求。并且光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于衛(wèi)星的相機(jī)中，滿足低載荷小型化要求，鏡頭外形尺寸不超過Φ70 mm×150 mm（不含遮光罩），鏡片質(zhì)量≤300 g，鏡頭質(zhì)量≤800 g。這些要求使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大大增加。

表1 系統(tǒng)性能技術(shù)指標(biāo)要求Table1 System performance specification requirements

太空是一個(gè)非常復(fù)雜的環(huán)境，為避免太空輻射的損害，既要保證光學(xué)系統(tǒng)的有效壽命，同時(shí)也要使系統(tǒng)在寬譜段實(shí)現(xiàn)高解析度共焦成像，這要求系統(tǒng)在鏡片材料的選擇上需要采用高低色散材料配對(duì)和特殊色散偏離材料組合[7]。同時(shí)，太空環(huán)境溫度的劇烈變化，溫度差較大，主要考慮以下3 方面[8-11]：1）折射率隨著溫度的變化，包括光學(xué)鏡片材料參數(shù)及空氣；2）介質(zhì)的膨脹系數(shù)，包括光學(xué)材料和光學(xué)結(jié)構(gòu)；3）光學(xué)曲率半徑隨溫度變化。這些因素會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生像面飄移和像差劣化，設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與像質(zhì)評(píng)價(jià)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析及系統(tǒng)性能技術(shù)指標(biāo)要求，最終星載相機(jī)鏡頭采用5G8P 的長(zhǎng)焦結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

前組兩片采用正透鏡，有效地減小成像光束的口徑，有利于縮短系統(tǒng)光程；后組第3、4、5 組采用了膠合鏡和厚透鏡組合，進(jìn)一步改善場(chǎng)曲和倍率色差等軸外像差，并有利于減少組裝單元，提高良率[12]。在鏡片的材料選擇上，在窗口玻璃上采用石英作為抗輻射防護(hù)材料，有效地保護(hù)了傳感器免受太空輻射的損害，保證了光學(xué)系統(tǒng)的有效壽命[13]。同時(shí)通過采用高低色散材料的配對(duì)和特殊色散偏離的材料組合，使系統(tǒng)在450 nm～800 nm寬譜段上實(shí)現(xiàn)了高解析度共焦成像。表2和表3分別為光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)系統(tǒng)玻璃材料參數(shù)。

表2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table2 Structural parameters of optical system

表3 光學(xué)系統(tǒng)玻璃材料參數(shù)Table3 Glass material parameters of optical system

2.2 像質(zhì)評(píng)價(jià)

圖2 傳遞函數(shù)Fig.2 MTF curves

從圖2可以看出，星載相機(jī)鏡頭各視場(chǎng)在110 lp/mm 截止頻率處傳遞函數(shù)也都在0.3 以上，達(dá)到了系統(tǒng)像質(zhì)要求。由圖3的星點(diǎn)評(píng)價(jià)圖可以看出星載相機(jī)鏡頭的星點(diǎn)RMS 半徑約為1 μm～2 μm，明顯小于相機(jī)像素的幾何尺寸，體現(xiàn)出較好的成像銳度，而且各譜線中心重合較好，垂軸色差校正較為理想，各視場(chǎng)光斑大小也較為均勻。

圖3 星點(diǎn)圖Fig.3 Spot diagrams

圖4中星載相機(jī)鏡頭的球差基本控制在約0.04 mm 以內(nèi)，其全譜段的位置色差也基本控制在約0.015 mm 以內(nèi)。從圖5可以看出，星載相機(jī)鏡頭的場(chǎng)曲控制在0.025 mm 左右，子午和弧矢光線的像散也控制得很好。

圖4 球差和位置色差Fig.4 Spherical aberration and position chromatism

圖5 場(chǎng)曲和畸變Fig.5 Field curvature and optical distortion

從圖6可以看出，星載相機(jī)鏡頭的全譜段倍率色差均控制得較好，最大倍率色差都控制在艾瑞半徑附近，并小于像元尺寸。從圖7可以看出，星載相機(jī)鏡頭邊緣視場(chǎng)的相對(duì)亮度大于81%，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

從圖8可以看出，星載相機(jī)鏡頭的成像銳度表現(xiàn)良好，在星點(diǎn)半徑約4 μm 的區(qū)域集中了約90%的能量，能量場(chǎng)非常集中，主要能量集中區(qū)域小于像元尺寸。

設(shè)計(jì)物距為無窮遠(yuǎn)，圖9是其55 lp/mm 處的離焦MTF 表現(xiàn)，圖10 為1 000 m 近攝距處的MTF表現(xiàn)。若需要更近的近攝距，還可以將裝調(diào)物距從無窮遠(yuǎn)適當(dāng)拉近。

圖6 倍率色差Fig.6 Lateral color

圖7 相對(duì)亮度Fig.7 Relative illumination

圖8 環(huán)圍能量比Fig.8 Diffraction encircle energy ratio

圖9 離焦MTF 曲線Fig.9 Defocus MTF curve

圖10 1 000 M 近攝處MTF 曲線Fig.10 MTF curve at 1 000 m

3 溫度適應(yīng)模擬優(yōu)化及應(yīng)用

由于太空環(huán)境溫度的劇烈變化，對(duì)光學(xué)鏡片材料參數(shù)及光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)都有很大影響，并因此產(chǎn)生相對(duì)于裝配環(huán)境的像面漂移和像差劣化。星載相機(jī)鏡頭由于其較長(zhǎng)的焦距，具有更高的溫度敏感特性。為此，我們專門做了溫度適應(yīng)性的模擬和優(yōu)化，并在結(jié)構(gòu)件膨脹系數(shù)選材上做補(bǔ)償優(yōu)化，以盡可能控制由于溫度變化所產(chǎn)生的像面離焦和像差劣化[14]。

圖11 是經(jīng)過溫度適應(yīng)性優(yōu)化后得到的結(jié)果。在3 ℃～28 ℃的工作溫度范圍內(nèi)，星載相機(jī)鏡頭的像面漂移相對(duì)于18 ℃的裝調(diào)狀態(tài)分別只有±6 μm左右，根據(jù)圖9的像面離焦分析可知，像面完全處于焦深范圍內(nèi)，其溫度變化不影響成像的清晰度。

圖11 溫度變化產(chǎn)生的像面漂移Fig.11 Image plane drift caused by temperature changes

另外，在太空狀態(tài)下，大氣壓力消失導(dǎo)致的空氣端折射率改變，從而產(chǎn)生像面漂移，其數(shù)值較大，難以找到負(fù)壓力系數(shù)材料來補(bǔ)償。故采用后焦固定位移的方式來實(shí)現(xiàn)上星后的像面補(bǔ)償，如圖12 所示。其像面經(jīng)過-0.339 mm 的位移后，在3 ℃～28 ℃仍然有約±21 μm 的漂移。根據(jù)圖9的像面離焦分析，像面依然處于焦深范圍內(nèi)，從地面到太空狀態(tài)下溫度的變化基本不影響成像的清晰度。圖13、圖14、圖15 是在大氣壓為0，溫度為3 ℃、18 ℃、28 ℃下系統(tǒng)的MTF 表現(xiàn)（-0.339 mm 的像面位移，不對(duì)焦）。

圖12 真空下溫度變化產(chǎn)生的像面漂移Fig.12 Image plane drift caused by temperature changes in vacuum

圖13 p=0，T=3 ℃處MTFFig.13 p=0,T=3 ℃ MTF

圖14 p=0，T=18 ℃處MTFFig.14 p=0，T=18 ℃ MTF

圖15 p=0，T=28 ℃處MTFFig.15 p=0，T=28 ℃ MTF

從圖13～15 可以看出，星載相機(jī)鏡頭在3 ℃～28 ℃的溫度真空狀態(tài)下，其成像MTF 表現(xiàn)仍然可以滿足成像要求[15]。

通過多次檢測(cè)，最后研制出來的鏡頭測(cè)得的傳遞函數(shù)曲線如圖16 所示。在110 lp/mm 處傳遞函數(shù)值均達(dá)到0.3 以上。并且成功應(yīng)用在天宮二號(hào)伴隨衛(wèi)星可見光相機(jī)上，在軌運(yùn)行一年多圓滿完成天宮二號(hào)對(duì)接等空間遙感試驗(yàn)觀測(cè)任務(wù)。圖17和圖18 分別是最終鏡頭圖像和伴星拍攝的組合體可見光圖像。

圖16 實(shí)測(cè)MTFFig.16 Measured MTF

圖17 2 500 萬像素星載相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)Fig.17 Space-borne camera optical system of 25-megapixel

圖18 伴星拍攝的組合體可見光圖像Fig.18 Visible image by space-borne camera

4 結(jié)論

通過理論分析與模擬太空環(huán)境實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，本文研發(fā)了一款高分辨率抗輻射、耐太空高溫差強(qiáng)輻射、體積小、質(zhì)量輕的星載相機(jī)鏡頭。采用高低色散材料的配對(duì)和特殊色散偏離材料組合，使系統(tǒng)在450 nm～800 nm 寬譜段上實(shí)現(xiàn)2 500 萬像素高解析度共焦成像。該系統(tǒng)成功應(yīng)用在天宮二號(hào)伴飛衛(wèi)星可見光相機(jī)上，圓滿完成天宮二號(hào)對(duì)接等空間遙感試驗(yàn)觀測(cè)任務(wù)，對(duì)我國航空探測(cè)具有重要意義。