高分辨率微型星载相机光学系统的设计及应用

陈玉芳，吴振聪，王 敏

（福建师范大学 光电与信息工程学院 医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建 福州 350007）

引言

随着太空资源开发争夺战日益加剧，研发高分辨率空间目标探测系统成为竞争的关键。探测系统的核心部件是目标探测镜头，其主要应用于空间目标与碎片的探测与跟踪[1]。为此，高分辨率微型星载相机光学系统的成功研制对提高我国近地空间目标监视能力发挥了重要作用。最早运用CCD相机作为星载对地观测载荷是在20世纪80年代初，前苏联在1980年6月发射了载有3 谱段推扫式线阵CCD 相机的试验卫星。但星载相机作为对地观测仪器真正被人们重视并且进入实用阶段是在1986年2月法国成功发射Spot-1 卫星以后，该卫星所载的HRVCCD 相机获得了巨大的成功[2]。2011年11月26 日，美国火星探测器“好奇号”搭载了一批先进的探测仪器，包括17 台200 万像素的CCD 相机。

我国空间相机研制起步较晚，1975年11月第一台可见光谱空间相机“尖兵一号”搭乘第一颗返回式卫星发射。2007年10月嫦娥一号卫星发射成功，携带3 个光学遥感器CCD 相机、激光高度计和成像光谱仪。2008年8月我国环境减灾卫星发射成功，CCD 相机在77 lp/mm 时MTF 最高达0.22。2009年9月26 日，福建师范大学研制的神舟七号飞船伴飞卫星相机镜头上，首次近距离获得在轨航天器的全景图像，像素130 万。2010年中科院西安光机所研制的星载长焦距高分辨率CCD 遥感相机，最小地面分辨率0.5 m。

国内公开发表的相关文献中，兰丽艳等发表的星载大视场多光谱高分辨率CCD 相机光学系统的设计中，全视场角为3°，体积为500 mm×400 mm×400 mm 相对较大，系统结构采用11 片透镜[3]。张丹枫等发表的星载多光谱相机光学系统设计中，系统质量约为5 kg，分辨率为1 024×1 024[4]pixel。相比已公开星载镜头，研发的微型星载相机光学系统具有分辨率高、体积小、质量轻等明显优势，成功应用于天宫二号伴飞卫星相机中，顺利完成空中对接等空间遥感观测任务，获得的图像清晰稳定。

1 系统设计指标及设计难点分析

1.1 系统设计指标

根据空间恶劣环境，系统应达到抗冲击震动、耐太空高温差强辐射、体积小、质量轻等条件[5]，要求光学系统性能的技术指标如表1所示。

1.2 系统设计难点分析

相机系统中各个谱段的调制传递函数要求高，特别是高频部分，中心视场≥0.3@110 lp/mm。要求系统的光学间隔、曲率半径、面型精度都要很高，并且在装配过程中要解决好误差补偿，控制好积累误差，保证0.7 视场MTF≥0.25@110 lp/mm。由于成像波段为450 nm～800 nm，属于可见光和近红外光谱段。在这样的宽谱段下，设计一个在各个谱段MTF 都比较高的镜头，需要进行复消色差设计，像差校正平衡，控制公差配制[6]，满足太空使用要求。并且光学系统应用于卫星的相机中，满足低载荷小型化要求，镜头外形尺寸不超过Φ70 mm×150 mm（不含遮光罩），镜片质量≤300 g，镜头质量≤800 g。这些要求使得系统的设计难度大大增加。

表1 系统性能技术指标要求Table1 System performance specification requirements

太空是一个非常复杂的环境，为避免太空辐射的损害，既要保证光学系统的有效寿命，同时也要使系统在宽谱段实现高解析度共焦成像，这要求系统在镜片材料的选择上需要采用高低色散材料配对和特殊色散偏离材料组合[7]。同时，太空环境温度的剧烈变化，温度差较大，主要考虑以下3 方面[8-11]：1）折射率随着温度的变化，包括光学镜片材料参数及空气；2）介质的膨胀系数，包括光学材料和光学结构；3）光学曲率半径随温度变化。这些因素会使系统产生像面飘移和像差劣化，设计时必须进行温度误差补偿设计。

2 光学系统设计与像质评价

2.1 光学系统结构

根据以上设计难点分析及系统性能技术指标要求，最终星载相机镜头采用5G8P 的长焦结构，如图1所示。

前组两片采用正透镜，有效地减小成像光束的口径，有利于缩短系统光程；后组第3、4、5 组采用了胶合镜和厚透镜组合，进一步改善场曲和倍率色差等轴外像差，并有利于减少组装单元，提高良率[12]。在镜片的材料选择上，在窗口玻璃上采用石英作为抗辐射防护材料，有效地保护了传感器免受太空辐射的损害，保证了光学系统的有效寿命[13]。同时通过采用高低色散材料的配对和特殊色散偏离的材料组合，使系统在450 nm～800 nm宽谱段上实现了高解析度共焦成像。表2和表3分别为光学系统结构参数和光学系统玻璃材料参数。

表2 光学系统结构参数Table2 Structural parameters of optical system

表3 光学系统玻璃材料参数Table3 Glass material parameters of optical system

2.2 像质评价

图2 传递函数Fig.2 MTF curves

从图2可以看出，星载相机镜头各视场在110 lp/mm 截止频率处传递函数也都在0.3 以上，达到了系统像质要求。由图3的星点评价图可以看出星载相机镜头的星点RMS 半径约为1 μm～2 μm，明显小于相机像素的几何尺寸，体现出较好的成像锐度，而且各谱线中心重合较好，垂轴色差校正较为理想，各视场光斑大小也较为均匀。

图3 星点图Fig.3 Spot diagrams

图4中星载相机镜头的球差基本控制在约0.04 mm 以内，其全谱段的位置色差也基本控制在约0.015 mm 以内。从图5可以看出，星载相机镜头的场曲控制在0.025 mm 左右，子午和弧矢光线的像散也控制得很好。

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

图5 场曲和畸变Fig.5 Field curvature and optical distortion

从图6可以看出，星载相机镜头的全谱段倍率色差均控制得较好，最大倍率色差都控制在艾瑞半径附近，并小于像元尺寸。从图7可以看出，星载相机镜头边缘视场的相对亮度大于81%，达到技术指标要求。

从图8可以看出，星载相机镜头的成像锐度表现良好，在星点半径约4 μm 的区域集中了约90%的能量，能量场非常集中，主要能量集中区域小于像元尺寸。

设计物距为无穷远，图9是其55 lp/mm 处的离焦MTF 表现，图10 为1 000 m 近摄距处的MTF表现。若需要更近的近摄距，还可以将装调物距从无穷远适当拉近。

图6 倍率色差Fig.6 Lateral color

图7 相对亮度Fig.7 Relative illumination

图8 环围能量比Fig.8 Diffraction encircle energy ratio

图9 离焦MTF 曲线Fig.9 Defocus MTF curve

图10 1 000 M 近摄处MTF 曲线Fig.10 MTF curve at 1 000 m

3 温度适应模拟优化及应用

由于太空环境温度的剧烈变化，对光学镜片材料参数及光学镜头结构都有很大影响，并因此产生相对于装配环境的像面漂移和像差劣化。星载相机镜头由于其较长的焦距，具有更高的温度敏感特性。为此，我们专门做了温度适应性的模拟和优化，并在结构件膨胀系数选材上做补偿优化，以尽可能控制由于温度变化所产生的像面离焦和像差劣化[14]。

图11 是经过温度适应性优化后得到的结果。在3 ℃～28 ℃的工作温度范围内，星载相机镜头的像面漂移相对于18 ℃的装调状态分别只有±6 μm左右，根据图9的像面离焦分析可知，像面完全处于焦深范围内，其温度变化不影响成像的清晰度。

图11 温度变化产生的像面漂移Fig.11 Image plane drift caused by temperature changes

另外，在太空状态下，大气压力消失导致的空气端折射率改变，从而产生像面漂移，其数值较大，难以找到负压力系数材料来补偿。故采用后焦固定位移的方式来实现上星后的像面补偿，如图12 所示。其像面经过-0.339 mm 的位移后，在3 ℃～28 ℃仍然有约±21 μm 的漂移。根据图9的像面离焦分析，像面依然处于焦深范围内，从地面到太空状态下温度的变化基本不影响成像的清晰度。图13、图14、图15 是在大气压为0，温度为3 ℃、18 ℃、28 ℃下系统的MTF 表现（-0.339 mm 的像面位移，不对焦）。

图12 真空下温度变化产生的像面漂移Fig.12 Image plane drift caused by temperature changes in vacuum

图13 p=0，T=3 ℃处MTFFig.13 p=0,T=3 ℃ MTF

图14 p=0，T=18 ℃处MTFFig.14 p=0，T=18 ℃ MTF

图15 p=0，T=28 ℃处MTFFig.15 p=0，T=28 ℃ MTF

从图13～15 可以看出，星载相机镜头在3 ℃～28 ℃的温度真空状态下，其成像MTF 表现仍然可以满足成像要求[15]。

通过多次检测，最后研制出来的镜头测得的传递函数曲线如图16 所示。在110 lp/mm 处传递函数值均达到0.3 以上。并且成功应用在天宫二号伴随卫星可见光相机上，在轨运行一年多圆满完成天宫二号对接等空间遥感试验观测任务。图17和图18 分别是最终镜头图像和伴星拍摄的组合体可见光图像。

图16 实测MTFFig.16 Measured MTF

图17 2 500 万像素星载相机光学系统Fig.17 Space-borne camera optical system of 25-megapixel

图18 伴星拍摄的组合体可见光图像Fig.18 Visible image by space-borne camera

4 结论

通过理论分析与模拟太空环境实验相结合，本文研发了一款高分辨率抗辐射、耐太空高温差强辐射、体积小、质量轻的星载相机镜头。采用高低色散材料的配对和特殊色散偏离材料组合，使系统在450 nm～800 nm 宽谱段上实现2 500 万像素高解析度共焦成像。该系统成功应用在天宫二号伴飞卫星可见光相机上，圆满完成天宫二号对接等空间遥感试验观测任务，对我国航空探测具有重要意义。