靜止軌道大視場(chǎng)中波紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 威，陳凡勝，崔 坤

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靜止軌道大視場(chǎng)中波紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 威1,2，陳凡勝1，崔 坤1,2

（1.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

地球靜止軌道凝視成像技術(shù)是航天遙感領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。為了實(shí)現(xiàn)靜軌對(duì)地不間斷觀測(cè)的目的，設(shè)計(jì)了一套覆蓋地球全圓盤的大視場(chǎng)中波紅外凝視成像光學(xué)系統(tǒng)。通過光焦度分配、光線高度控制和冷闌匹配，實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)二次成像光學(xué)結(jié)構(gòu)；根據(jù)現(xiàn)有面型檢測(cè)水平，合理分配非球面，解決了多重像差問題。結(jié)合實(shí)際裝調(diào)工藝，對(duì)溫度適應(yīng)性情況進(jìn)行討論。設(shè)計(jì)得到的光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)達(dá)到18°×18°，角分辨率為72mrad。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，各個(gè)視場(chǎng)的MTF在奈奎斯特頻率處（16.7lp/mm）均大于0.7，像元尺寸內(nèi)能量集中度大于83%，冷闌效率大于98%。該系統(tǒng)有望在靜止軌道紅外探測(cè)相機(jī)、高靈敏度天文衛(wèi)星等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重要應(yīng)用價(jià)值。

靜止軌道；凝視成像；中波紅外；大視場(chǎng)；光學(xué)設(shè)計(jì)；溫度適應(yīng)性

0 引言

在空間對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域中，隨著用戶對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)高時(shí)間、高空間分辨率和高穩(wěn)定性要求的不斷增加，地球靜止軌道凝視成像系統(tǒng)以其遠(yuǎn)優(yōu)于中低軌道觀測(cè)衛(wèi)星的高時(shí)效性、持續(xù)探測(cè)能力和對(duì)敏感事件的近實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，成為當(dāng)前國(guó)際遙感衛(wèi)星領(lǐng)域一個(gè)重要的發(fā)展方向，許多國(guó)家都在致力于高時(shí)間分辨率的大視場(chǎng)面陣凝視型成像儀的研發(fā)工作。

目前在軌的GEO軌道成像系統(tǒng)，如美國(guó)的SBIRS GEO系列[1-2]、GOES氣象衛(wèi)星系列[3]、歐空局3.5m級(jí)Herschel空間望遠(yuǎn)鏡[4]、法國(guó)GEO-Oculus氣象衛(wèi)星[5]和我國(guó)的FY-2、FY-4氣象衛(wèi)星衛(wèi)星[6-7]所搭載的紅外成像儀光學(xué)結(jié)構(gòu)普遍采用反射式或折反射式光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)視場(chǎng)均在幾度以內(nèi)，必須結(jié)合光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全圓盤成像要求。這種工作模式一方面犧牲了系統(tǒng)的時(shí)間分辨率，無法對(duì)感興趣目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷觀測(cè)；另一方面指向控制機(jī)構(gòu)的引入不僅增大了系統(tǒng)的不穩(wěn)定度同時(shí)也大大提高了發(fā)射成本；近幾年來，離軸三反光學(xué)結(jié)構(gòu)在空間相機(jī)中得到大量的應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)可以提供十幾度到幾十度的線視場(chǎng)要求[8]，但仍需要配合一維掃描機(jī)構(gòu)完成凝視觀測(cè)，且加工裝調(diào)也存在著一定復(fù)雜度，有報(bào)道的實(shí)際制造案例國(guó)內(nèi)只有長(zhǎng)春光機(jī)所等為數(shù)不多的幾家研究機(jī)構(gòu)。隨著大面陣探測(cè)器制造技術(shù)的不斷發(fā)展，研發(fā)大視場(chǎng)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)已成為可能和迫切需求。

本文通過消像差方法并結(jié)合非球面的使用，解決了大視場(chǎng)大口徑紅外系統(tǒng)軸外像差問題。構(gòu)建二次成像結(jié)構(gòu)并出瞳效率進(jìn)行限制，抑制了光學(xué)系統(tǒng)自身及外部雜散輻射對(duì)像質(zhì)的影響，實(shí)現(xiàn)了冷闌匹配的目標(biāo)，從而得到了視場(chǎng)為18°×18°凝視型大視場(chǎng)紅外光學(xué)系統(tǒng)，成像質(zhì)量良好，滿足對(duì)地球全圓盤實(shí)時(shí)、不間斷觀測(cè)的需求。對(duì)光學(xué)公差的分配也保證了后期加工生產(chǎn)的可行性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 指標(biāo)參數(shù)

靜止軌道對(duì)地成像衛(wèi)星要求系統(tǒng)光學(xué)視場(chǎng)能夠覆蓋地球全圓盤，圖1為地球輻射散射模型觀測(cè)角與衛(wèi)星視場(chǎng)角的關(guān)系，由三角函數(shù)關(guān)系可得，地球全圓盤對(duì)應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角為17.6°，考慮到設(shè)計(jì)過程中離軸光線可能帶來的大的軸外像差，為確保全視場(chǎng)尤其是邊緣視場(chǎng)的成像質(zhì)量，對(duì)視場(chǎng)進(jìn)行適當(dāng)拓展，取光學(xué)設(shè)計(jì)視場(chǎng)為18°×18°。

圖1 靜止軌道對(duì)地觀測(cè)模型

目前已知在軌衛(wèi)星紅外波段對(duì)應(yīng)星下點(diǎn)最高對(duì)地分辨率為1km，以此為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，波段為3.5～5mm，由光學(xué)衍射極限公式：

和星下點(diǎn)地面分辨率公式：

表1 光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 設(shè)計(jì)思想

1.2.1 光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，為了保證系統(tǒng)能夠接收足夠的能量，光學(xué)系統(tǒng)選用無遮攔結(jié)構(gòu)，可選用透射式結(jié)構(gòu)和離軸反射式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)要求光學(xué)視場(chǎng)為18°×18°，反射式結(jié)構(gòu)并不適用；同時(shí)，對(duì)于大視場(chǎng)系統(tǒng)，像差矯正存在較大困難，相比反射式結(jié)構(gòu)，透射式結(jié)構(gòu)擁有更多的自由變量，更易于矯正軸外像差，因此采用透射式結(jié)構(gòu)。

靜止軌道光學(xué)結(jié)構(gòu)，除了要考慮結(jié)構(gòu)本身問題，深空復(fù)雜的熱雜光環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)本身的影響也是考慮的重要因素之一。為了降低紅外系統(tǒng)自身熱輻射以及空間雜散輻射的對(duì)最終成像質(zhì)量的影響，除了對(duì)探測(cè)器進(jìn)行制冷外，還需要對(duì)系統(tǒng)的出瞳進(jìn)行限制。因此在全透射結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采用二次成像紅外光學(xué)結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了得到盡可能高的冷闌效率，并保證出瞳位置可用，根據(jù)光瞳銜接原理[9]，通過設(shè)計(jì)計(jì)算將系統(tǒng)孔徑光闌經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)最終成像于焦平面的前面（系統(tǒng)像面之前）。光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 二次成像光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)由2組透鏡構(gòu)成，分別為物鏡組1和中繼鏡組2，對(duì)應(yīng)的等效焦距分別為1和2，兩鏡組之間間隔為，鏡組之間成一次像?？讖焦怅@經(jīng)前鏡組一次成像于，并最終成像于￠。各組件間距離關(guān)系如圖2各個(gè)幾何量標(biāo)示。根據(jù)高斯成像公式，兩鏡組近軸光學(xué)幾何關(guān)系為：

由上面3組物像關(guān)系可以推導(dǎo)出：

為了保證系統(tǒng)使用要求（出瞳可用），需要保證：

結(jié)合公式(2)式和(3)式，以前組焦距1為因變量，分別就1＜0，0＜＜1，0＜1＜三種情況代入上述3個(gè)公式，探討1、2和相對(duì)幾何關(guān)系。運(yùn)算得出滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)約束為：

因此系統(tǒng)構(gòu)型要求1和2均為正光焦度鏡組，且二鏡組間距大于其焦距之和，從而保證在1和2之間成一個(gè)實(shí)的中間像。假設(shè)兩鏡組對(duì)系統(tǒng)孔徑光闌的放大倍率分別為1和2，系統(tǒng)的通光口徑為，則系統(tǒng)出瞳（Lyot光闌）的口徑￠應(yīng)滿足：

￠＝12(7)

通過選定參數(shù)0，￠2和￠以及對(duì)出瞳的約束，利用上述公式可以求解出兩鏡組1和2的焦距1和2以及它們的間距等參數(shù)，即可得到該系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。計(jì)算得到系統(tǒng)初始光焦度分配見表2。

表2 光學(xué)系統(tǒng)初始光焦度分配

1.2.2 消像差設(shè)計(jì)

紅外透射式光學(xué)結(jié)構(gòu)受溫度環(huán)境影響明顯，溫度變化會(huì)導(dǎo)致材料折射率、厚度、間距等參量變化，從而導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)像面產(chǎn)生熱聚焦漂移現(xiàn)象。借鑒色差校正原理[10-11]，采用熱差圖法[12]，利用不同光學(xué)材料熱特性之間的差異，在結(jié)構(gòu)中采用不同特性材料相間組合排布，同時(shí)考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)材料熱性能影響，通過材料與結(jié)構(gòu)件之間的熱補(bǔ)償效應(yīng)來消除熱像差影響。選取鍺、硅、硫化鋅、砷化鎵4種材料，鏡筒材料為鋁合金，線脹系數(shù)為22.7e－6/K進(jìn)行系統(tǒng)熱像差校正。其中物鏡組采用兩片式結(jié)構(gòu)，分別為硅、鍺各1片；中繼鏡組采用硅、硫化鋅、砷化鎵、鍺透鏡相間排布。

大視場(chǎng)紅外光學(xué)結(jié)構(gòu)除了受熱像差的影響，離軸像差對(duì)成像質(zhì)量的制約也非常顯著。根據(jù)余弦四次方關(guān)系[13]，隨著視場(chǎng)的增大邊緣視場(chǎng)的照度下降遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于中心視場(chǎng)，并導(dǎo)致邊緣視場(chǎng)畸變、像散嚴(yán)重甚至引入高級(jí)像差。對(duì)于這一問題，不少文獻(xiàn)采取引入折衍射面或自由曲面的方法予以解決，這些方法從設(shè)計(jì)層面能很好解決上述問題，但在實(shí)際加工檢測(cè)時(shí)，往往難以達(dá)到軟件仿真的效果。本文通過在適當(dāng)?shù)耐哥R表面加入二次非球面和高次非球面，在達(dá)到消除軸外像差的同時(shí)，確保了后期工程應(yīng)用的可行性和加工檢測(cè)精度。同時(shí)，為了滿足大視場(chǎng)成像系統(tǒng)的要求，探測(cè)器像面采用多片探測(cè)器拼接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大面陣成像。這一技術(shù)目前已經(jīng)投入實(shí)際工程使用。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

在完成結(jié)構(gòu)選型、光焦度分配和材料選擇后，可以得到光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)，并用ZEMAX-EE軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化過程中，為了確保匹配效率，在出瞳位置設(shè)置虛擬面，通過控制出瞳處零視場(chǎng)和全視場(chǎng)光線高度差對(duì)冷闌效率進(jìn)行控制。在此基礎(chǔ)上，保證前后光焦度不變，分別以半徑和厚度為變量，取系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和初級(jí)像差最小為約束進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)存在較大的軸外像差和邊緣光線溢出現(xiàn)象。移動(dòng)孔徑光闌位置，在孔徑光闌相鄰?fù)哥R凹面上設(shè)置二次非球面，主要用來校正大視場(chǎng)引入的高級(jí)像差；同時(shí)，在遠(yuǎn)離光闌透鏡表面設(shè)置高次非球面，用于校正一次成像面造成的平場(chǎng)曲和畸變，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次優(yōu)化。最終優(yōu)化得到的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3所示?？讖焦怅@位于后光組第1塊透鏡后表面，二次非球面位于系統(tǒng)第2片透鏡后表面和第3片透鏡前表面，高次非球面取第4、6、8次項(xiàng)，放置在最后一片透鏡凹面處。

光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）和能量集中度（Enc）是評(píng)價(jià)光學(xué)結(jié)構(gòu)成像質(zhì)量的重要指標(biāo)。圖4和圖5分別為系統(tǒng)不同視場(chǎng)奈奎斯特頻率處MTF和Enc曲線圖。從圖中可以看出，系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)在奈奎斯特頻率處（16.7lp/mm）大于0.7，全視場(chǎng)、全譜段MTF設(shè)計(jì)均值為0.75，各視場(chǎng)的傳函都接近衍射極限。同時(shí)系統(tǒng)全視場(chǎng)在像元尺寸內(nèi)能量集中度大于0.83。圖6為光學(xué)系統(tǒng)畸變圖，可以看出全視場(chǎng)光學(xué)畸變小于5%，光學(xué)像差得到了有效的控制。

地球靜止軌道空間環(huán)境由于存在太陽直射和午夜雜光入侵的干擾，對(duì)雜散輻射的抑制提出要求。出瞳（Lyot）光闌使探測(cè)器在出瞳前方只能直接看到鏡面，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的雜散光抑制具有較好的效果。同時(shí)為了減少光學(xué)系統(tǒng)的背景輻射和雜光，除了對(duì)探測(cè)器進(jìn)行制冷外，需要在杜瓦里面增加冷光闌，如圖7所示，并要求符合出瞳和冷闌盡量匹配的原則。

該大視場(chǎng)結(jié)構(gòu)出瞳直徑大小為69.998mm。使用的冷闌位置與之重合，冷闌單邊留0.25mm余量，直徑取70.25mm。在該位置0°視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的投影面積的直徑為69.434mm。由此可以計(jì)算出焦平面上零視場(chǎng)的像元相對(duì)應(yīng)的冷光闌效率為97.7%。全視場(chǎng)與零視場(chǎng)出瞳大小如圖8、圖9所示。因?yàn)榭讖綇埥鞘请S像元位置變化的，可以通過ZEMAX-EE光線追跡得出非零視場(chǎng)位置的像元對(duì)應(yīng)的冷闌效率大于97.7%，系統(tǒng)整體的平均冷光闌效率優(yōu)于98%。

3 溫度適應(yīng)性分析

紅外光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)環(huán)境為20℃，工作環(huán)境為－5℃±2℃。隨著溫度降低，鏡間距、透鏡厚度變小，材料折射率、曲率半徑也發(fā)生變化，因此，溫度的變化必然會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)裝調(diào)方式所確定的系統(tǒng)焦面發(fā)生離焦，造成像質(zhì)下降。

通過系統(tǒng)仿真分析，以最后一片透鏡后表面為基準(zhǔn)，焦面與透鏡筒不直接相連，也即溫度變化時(shí)后工作距不發(fā)生變化。當(dāng)環(huán)境溫度變?yōu)椋?°時(shí)原始焦面處MTF曲線如圖10所示。

從圖中可以看出，系統(tǒng)MTF比設(shè)計(jì)值有明顯降低，且不滿足總體技術(shù)指標(biāo)要求，也就說明了，在焦面位置不變情況下，難以確保加工裝調(diào)環(huán)境下與工作環(huán)境下像質(zhì)均良好。為了解決該矛盾，可采取焦面預(yù)置措施，裝調(diào)過程中使實(shí)際焦面位于光學(xué)系統(tǒng)的非理想成像位置，以此保證低溫真空環(huán)境下成像質(zhì)量良好。

常溫條件下鏡頭設(shè)計(jì)后工作距為41.6812mm，低溫環(huán)境下，最佳焦面距離最后一片透鏡后表面距離為41.9572mm，裝調(diào)過程中，可將焦面預(yù)置在低溫環(huán)境下最佳焦面位置。經(jīng)過預(yù)置，低溫環(huán)境下焦面處MTF曲線如圖11所示。

通過仿真分析可知，通過預(yù)置焦面可確保紅外鏡頭在低溫真空環(huán)境下像質(zhì)良好。實(shí)際工程研制過程中，具體預(yù)置位置要參考光學(xué)系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果并通過低溫焦面調(diào)試過程確定。

圖3 光路追跡圖

圖4 光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線

圖5 系統(tǒng)能量集中度曲線圖

圖6 系統(tǒng)畸變曲線圖

圖7 系統(tǒng)出瞳位置示意圖

圖8 全視場(chǎng)下出瞳大小

圖9 零視場(chǎng)下出瞳大小

圖10 －5℃原始MTF曲線圖

圖11 像面預(yù)置后MTF曲線圖

4 結(jié)論

本文根據(jù)靜止軌道對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求，運(yùn)用二次成像光學(xué)結(jié)構(gòu)的求解方法和紅外材料消像差原理，合理地確定了光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)和紅外材料的組合方式；結(jié)合目前加工工藝水平，選擇適當(dāng)?shù)姆乔蛎嫖恢煤碗A次，靜止軌道大視場(chǎng)凝視成像光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：該成像系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)在奈奎斯特頻率處值大于0.7，接近衍射極限，能量集中度高于83%、冷闌匹配效率優(yōu)于98%，成像效果理想，并具有工藝可實(shí)現(xiàn)性。隨著面陣探測(cè)器技術(shù)的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)對(duì)我國(guó)下一代空間遙感、探測(cè)、天文儀器的發(fā)展有著顯著的技術(shù)的積累和促進(jìn)作用。

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The Design of MWIR Staring Wide FOV Optical System Based on GEO Orbit

WANG Wei1 2，CHEN Fan-sheng1，CUI Kun1,2

（1.,,200083,； 2.,100049,）

Geostationary Orbit（GEO） staring imaging technology is an important field of aerospace remote sensing technology research. A wide FOV of high-resolution secondary imaging optical system is realized by optical power distribution, materials athermal design and ray height control. Combined with the actual processing and detection level, the aspheric design method is used in the aberration balance. Finally, temperature adaptability is discussed. The designed optical system has a full field of view of 18°×18°, the IFOV is 72μrad. The results indicate that the modulation transfer functions（MTF） of all FOV at Nyquist frequency（16.7lp/mm）are larger than 0.7, 83% infrared encircled energy is concentrated in one pixel. Moreover, it could obtain well cold aperture efficiency of 98%. The staring wide FOV optical system could be widely applied in infrared detection camera and high sensitivity astronomy satellite in GEO orbit and other fields.

geostationary orbit，staring imaging，MWIR，wide FOV，optical design，temperature adaptability

O435.1，TN216

A

1001-8891(2015)02-0114-05

2014-05-20；

2014-06-26.

王威（1987-），男，博士生，主要從事空間紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：wangweisitp@163.com。

陳凡勝（1978-），男，研究員，主要從事空間紅外弱小目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)總體技術(shù)研究。E-mail：cfs@mail.sitp.ac.cn。

中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程基金項(xiàng)目，編號(hào)：O9KBD013G0。