火星探測(cè)高分辨率可見(jiàn)光相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟慶宇，付中梁，董吉洪，王棟

（1. 中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2. 探月與航天工程中心，北京 100190）

引 言

對(duì)火星的探測(cè)和研究，涉及到諸多的技術(shù)領(lǐng)域和科學(xué)領(lǐng)域，絕非單一的探測(cè)手段可以完成。在多種探測(cè)方式中，火星遙感成像觀測(cè)是非?；A(chǔ)和重要的一種手段。其他科學(xué)探測(cè)目標(biāo)的選擇，很大程度上依賴于火星遙感觀測(cè)的結(jié)果。高分辨率可見(jiàn)光相機(jī)對(duì)火星科學(xué)探測(cè)具有重要的科學(xué)意義，高分相機(jī)可實(shí)現(xiàn)：①火星表面重點(diǎn)區(qū)域精細(xì)觀測(cè)；②火表重點(diǎn)區(qū)域長(zhǎng)期重訪覆蓋觀測(cè)；③輔助中分相機(jī)完成中等分辨率火星表面觀測(cè)；④著陸區(qū)域高分辨率觀測(cè)等一系列科學(xué)觀測(cè)任務(wù)[1]。

國(guó)外目前成功發(fā)射的火星高分相機(jī)有3部，分別為“火星全球勘探者號(hào)”（Mars Global Surveyor, MGS）搭載的窄視角相機(jī)、“火星快車(chē)”（Mars Express）搭載的（SRC）相機(jī)，以及“火星偵查軌道號(hào)”（Mars Reconnaissance Orbiter, MRO）搭載的高分相機(jī)HiRISE[2-4]（見(jiàn)圖1）。

1996—2003年，從歐美發(fā)射的3個(gè)火星高分相機(jī)需求趨勢(shì)看，火星高分相機(jī)需要更大的視場(chǎng)角與更高的分辨率，光學(xué)系統(tǒng)由簡(jiǎn)單構(gòu)型的兩反系統(tǒng)，折反射系統(tǒng)（R-C加校正鏡），三反射系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，參數(shù)如表1所示。與上述國(guó)外相機(jī)相比，規(guī)劃我國(guó)火星探測(cè)的高分相機(jī)：在近火點(diǎn)300 km軌道高度地面的像元分辨率優(yōu)于0.6 m，明顯優(yōu)于MOC和SRC，與美國(guó)的HiRISE量級(jí)相當(dāng)，為亞米級(jí)分辨率，對(duì)火觀測(cè)地面分辨率為世界領(lǐng)先水平；在成像幅寬指標(biāo)上，規(guī)劃光學(xué)視場(chǎng)角優(yōu)于2°，同軌道高度等效幅寬最大；成像質(zhì)量方面，要求光學(xué)系統(tǒng)靜態(tài)傳遞函數(shù)優(yōu)于0.35，畸變優(yōu)于0.1%；綜合多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，火星高分相機(jī)指標(biāo)居世界領(lǐng)先水平。

1 光學(xué)系統(tǒng)選型

1.1 傳遞函數(shù)分析

圖1 火星高分相機(jī)Fig.1 High-resolution camera for Mars exploration

表1 國(guó)外火星探測(cè)高分相機(jī)光學(xué)技術(shù)參數(shù)比較Table 1 Optical technical indicators of high-resolution cameras

高分相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)從探測(cè)任務(wù)角度分析應(yīng)為寬譜段、高分辨率、長(zhǎng)焦距的光學(xué)系統(tǒng)，且應(yīng)采用反射式光學(xué)系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)；從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的角度分析，光學(xué)設(shè)計(jì)首先考慮采用兩反系統(tǒng)，即具有兩個(gè)反射鏡的光學(xué)系統(tǒng)，但由于其校正像差的自由度所限，不能滿足較大視場(chǎng)的成像質(zhì)量要求；三反射鏡消像散（TMA）系統(tǒng)是高分辨率空間相機(jī)普遍采用的一種全反射光學(xué)系統(tǒng)，從目前廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)型式上可以分為同軸三反和離軸三反兩大類(lèi)。

對(duì)比同軸三反系統(tǒng)與離軸三反系統(tǒng)，同軸三反系統(tǒng)存在次鏡對(duì)主鏡的中心遮攔。從工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)可得出，次鏡及其附屬遮光罩等結(jié)構(gòu)組件對(duì)主鏡造成的線遮攔至少在30%以上（面遮攔9%），隨著視場(chǎng)角的增大，該比例通常會(huì)更高，從物理光學(xué)角度分析，遮攔減小了實(shí)際有效通光口徑，降低了系統(tǒng)能量收集能力，使光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)（MTF）降低，系統(tǒng)信噪下降。圖2以相對(duì)孔徑為1:12的光學(xué)系統(tǒng)為例，給出了不同遮攔比下的系統(tǒng)衍射極限MTF對(duì)比，由圖看出無(wú)遮攔的離軸光學(xué)系統(tǒng)在MTF表現(xiàn)上相比同軸系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.2 雜散光抑制能力分析

圖2 同軸、離軸光學(xué)系統(tǒng)衍射極限MTF對(duì)比（相對(duì)孔徑1:12）Fig.2 Diffraction limitation MTF comparison of coaxial system and off-axis system（F-number = 12）

在雜散光抑制性能方面，離軸TMA系統(tǒng)亦有雜散光抑制能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可很好保障系統(tǒng)高信噪比的實(shí)現(xiàn)，同軸系統(tǒng)與離軸系統(tǒng)雜散光示意圖如圖3～5所示，同軸系統(tǒng)為遮擋一次雜散光路徑，通常需要較長(zhǎng)的伸出相機(jī)本體的遮光罩，軸向尺寸長(zhǎng)。NASA火星高分相機(jī)HiRISE采用了同軸三反系統(tǒng)，其遮光罩長(zhǎng)度尺寸占據(jù)了相機(jī)長(zhǎng)度尺寸的近1/3，如圖4所示。為了壓縮空間布局，節(jié)省工程任務(wù)資源，有利于立方體型的空間布局，亦基于抑制雜散光需求，保證成像質(zhì)量，從外形尺寸角度綜合分析，火星高分相機(jī)應(yīng)選用離軸三反消像散光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在能量收集能力，傳遞函數(shù)，雜散光抑制能力，空間尺寸布局等方面具有性能優(yōu)勢(shì)。

圖3 同軸系統(tǒng)雜散光示意圖Fig.3 Stray light suppression for coaxial system

圖4 HiRISE相機(jī)外形結(jié)構(gòu)Fig.4 The outside view of HiRISE

圖5 離軸系統(tǒng)雜散光示意圖Fig.5 Stray light suppression for off-axis system

1.3 光學(xué)結(jié)構(gòu)選型

離軸三反TMA系統(tǒng)的應(yīng)用通常有兩種形式，即COOK TMA與Wetherell TMA[5-6]。

COOK TMA光學(xué)系統(tǒng)如圖6所示，美國(guó)的QuickBird衛(wèi)星相機(jī)采用此系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)焦距f= 9 m，f/15，F(xiàn)OV = 2.1°。該系統(tǒng)的主鏡、次鏡和三鏡都是離軸非球面的，沒(méi)有中心遮攔，孔徑光闌放在主鏡上。這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)闆](méi)有中心遮攔，衍射極限傳遞函數(shù)高，用第一次成像面加窄長(zhǎng)的視場(chǎng)光闌方法消雜散光。其視場(chǎng)角相對(duì)較大，一般可實(shí)現(xiàn)FOV = 1.5°～3°。該型離軸TMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為緊湊，攝遠(yuǎn)比一般可做到6左右[7]。

首先要適時(shí)曬塘消滅有害生物。池塘魚(yú)類(lèi)起捕后，可把池塘的水放干，利用立冬至立春這段時(shí)間晝夜溫差大，溫度低的有利條件消除池塘的有害生物。因?yàn)榇蠖鄶?shù)潛伏塘底的有害生物一般在冬日活動(dòng)微弱，經(jīng)不起冰雪嚴(yán)寒的侵襲而死亡。同時(shí)，經(jīng)過(guò)冬天冰雪冷凍以及太陽(yáng)曝曬，塘底泥沙土質(zhì)會(huì)變得比較疏松，與空氣接觸后，有助于細(xì)菌活動(dòng)，把池中的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為以后養(yǎng)殖中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

圖6 離軸三反二次成像TMA系統(tǒng)（COOK TMA）Fig.6 Realy off-axis TMA system（COOK TMA）

Wetherell TMA光學(xué)系統(tǒng)如圖7所示。這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是孔徑光闌放在次鏡上，主鏡和次鏡比較對(duì)稱，可設(shè)計(jì)大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，視場(chǎng)角可作到FOV = 3°～20°。另外這個(gè)系統(tǒng)可設(shè)計(jì)成像方遠(yuǎn)心光路，畸變也小，可用于測(cè)繪相機(jī)。缺點(diǎn)是主鏡和三鏡都是扁長(zhǎng)的離軸非球面，加工難度較大，尺寸和重量也大。該型離軸TMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較大，攝遠(yuǎn)比一般在4～5左右[8]。

圖7 離軸三反一次成像TMA（Wetherell TMA）系統(tǒng)Fig.7 Nonrealy off-axis TMA system（Wetherell TMA）

火星探測(cè)距離遠(yuǎn)，衛(wèi)星平臺(tái)資源有限，相機(jī)需要做到輕巧緊湊，根據(jù)探測(cè)任務(wù)對(duì)視場(chǎng)等指標(biāo)的要求，火星高分辨率相機(jī)決定采用COOK TMA離軸三反光學(xué)系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)，該型系統(tǒng)在離軸光學(xué)系統(tǒng)中攝遠(yuǎn)比大，體積重量小，其在后截距范圍內(nèi)具有實(shí)出瞳，可放置較小的平面鏡用于系統(tǒng)調(diào)焦，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的視場(chǎng)角適用于火星探測(cè)任務(wù)，滿足任務(wù)需求。

2 光學(xué)系統(tǒng)方案

2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，分析計(jì)算了各反射鏡的光焦度分配，確定了光學(xué)系統(tǒng)的一階參數(shù)。經(jīng)優(yōu)化，完成了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，光學(xué)系統(tǒng)如圖8所示。系統(tǒng)焦距4 600 mm，相對(duì)孔徑1:12，反射鏡軸向距離750 mm，光學(xué)系統(tǒng)攝遠(yuǎn)比實(shí)現(xiàn)1:6。

圖8 光學(xué)系統(tǒng)Fig.8 Optical system

光學(xué)系統(tǒng)焦面具有兩個(gè)視場(chǎng)功能區(qū)，TDICCD推掃視場(chǎng)區(qū)域與CMOS面陣視頻成像區(qū)域，如圖9。TDICCD推掃視場(chǎng)區(qū)域光學(xué)傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)值在全頻處均接近衍射極限，優(yōu)于0.4@60l p/mm（λ = 632.8 nm），CMOS面陣視頻成像區(qū)域光學(xué)傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)值平均值優(yōu)于0.5@40l p/mm（λ = 632.8 nm），如圖10所示。經(jīng)系統(tǒng)公差分析，由光學(xué)系統(tǒng)加工裝調(diào)引起的光學(xué)傳遞函數(shù)下降因子可控制在0.9，光學(xué)系統(tǒng)靜態(tài)傳遞函數(shù)可優(yōu)于0.35。光學(xué)系統(tǒng)具有較小的畸變值，全視場(chǎng)內(nèi)絕對(duì)網(wǎng)格畸變優(yōu)于0.03%，如圖11所示。多項(xiàng)指標(biāo)分析表明，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。

圖9 焦面探測(cè)器布局Fig.9 Detector layout on focal plane

圖10 光學(xué)傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.10 The MTF design result（a）TDICCD push-broom imaging FOV（b）CMOS imaging FOV

圖11 網(wǎng)格畸變Fig.11 Grid distortion

2.2 反射鏡檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

高分相機(jī)設(shè)計(jì)緊湊，攝遠(yuǎn)比大，反射鏡光焦距與非球面梯度數(shù)值較大，光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度大，同時(shí)對(duì)反射鏡的加工提出了較高要求。為保證反射鏡高面形精度的實(shí)現(xiàn)，需要設(shè)計(jì)合理可行的反射鏡面形光學(xué)檢測(cè)方案。

光學(xué)系統(tǒng)主鏡與三鏡為凹面離軸非球面反射鏡，次鏡為凸面離軸非球面反射鏡。經(jīng)分析，主鏡和三鏡要采用offner補(bǔ)償器，圖12（a）和（b）分別為主鏡與三鏡的檢測(cè)光路，補(bǔ)償器距被檢反射鏡距離約等于反射鏡曲率半徑，主鏡與三鏡補(bǔ)償器設(shè)計(jì)波前誤差均優(yōu)于0.003 0 λ。

次鏡為非球面凸鏡，面形檢驗(yàn)有多種方案：

首先分析Hindle球檢測(cè)方案（見(jiàn)圖13），該方案技術(shù)成熟，需要一塊尺寸較大的標(biāo)準(zhǔn)凹面球面反射鏡與被檢凸面非球面反射鏡配合形成檢測(cè)光路。外形尺寸的緊湊型設(shè)計(jì)導(dǎo)致火星高分相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)次鏡的非球面度與相對(duì)孔徑均較大，這些因素決定與其匹配的標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡尺寸較大，經(jīng)計(jì)算其尺寸在1 m左右，該反射鏡屬于專(zhuān)用設(shè)備，通用性較差，成本高，所以不作為次鏡檢測(cè)方案。

圖12 主鏡、三鏡檢測(cè)補(bǔ)償器Fig.12 Offner compensator for PM and TM

圖13 Hindle檢驗(yàn)方法Fig.13 Hindle testing method

再者分析同主鏡、三鏡相同的反射面正面檢測(cè)offner方案，如圖14所示，同樣由于次鏡非球面度與相對(duì)孔徑因素的影響，該方案的補(bǔ)償器至少需要4片透鏡構(gòu)成，且每片透鏡的尺寸均在Φ200 mm左右。用于補(bǔ)償器制造的光學(xué)材料要求具有非常高的光學(xué)均勻性，大口徑高均勻性光學(xué)玻璃成本很高，且大口徑透鏡系統(tǒng)，熱穩(wěn)定性較差，溫度的波動(dòng)對(duì)出射波前影響較大，用該補(bǔ)償器進(jìn)行反射鏡加工檢測(cè)，需要環(huán)境具有較高的穩(wěn)定性。綜合分析，此補(bǔ)償器制造成本高，補(bǔ)償穩(wěn)定性不占優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)難度大，不宜作為次鏡檢測(cè)方案。

圖14 次鏡正面檢測(cè)offner方案Fig.14 Offner testing method from the front of mirror

次鏡的第3種檢測(cè)方案為多透鏡補(bǔ)償檢測(cè)方案，如圖15。該方案中的次鏡采用透射型光學(xué)材料，設(shè)計(jì)中，將次鏡背部的另一面設(shè)計(jì)成球面，與另一塊透鏡組成檢測(cè)光路，檢測(cè)中，干涉儀出射的匯聚光波經(jīng)過(guò)次鏡與透鏡組成的檢測(cè)光路出射平面波，平面波經(jīng)過(guò)一塊與檢測(cè)光軸垂直的平面鏡反射回檢測(cè)光路，再次經(jīng)過(guò)次鏡與透鏡組成的光路形成球面波，與干涉儀發(fā)出的球面波進(jìn)行剪切干涉。該種檢測(cè)方法較前兩種方法簡(jiǎn)單易行，但除了加工一塊尺寸較大的透鏡外，還需將次鏡的另一面加工成高精度球面。

圖15 次鏡多透鏡補(bǔ)償檢測(cè)方案Fig.15 Compensation testing method based on multi-lens

次鏡檢測(cè)的第4種方案為次鏡背部檢測(cè)offner方案，如圖16所示，該種方案的次鏡仍采用透射型材料制造，次鏡背部加工成平面工藝面，檢測(cè)時(shí)采用與主鏡、三鏡相同的offner型補(bǔ)償器方案，該檢測(cè)方案中，補(bǔ)償器由兩塊尺寸較小的透鏡構(gòu)成，檢測(cè)精度高，檢測(cè)成本低。

圖16 次鏡背部檢驗(yàn)offner方案Fig.16 Offner testing method from the back of mirror

經(jīng)分析，次鏡補(bǔ)償器采用背部檢測(cè)方案，其設(shè)計(jì)波像差優(yōu)于0.003 0 λ。

3 結(jié) 論

根據(jù)國(guó)際火星探測(cè)高分相機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，展望規(guī)劃了首次火星探測(cè)有效載荷高分辨率可見(jiàn)光相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。選擇COOK式離軸三反光學(xué)系統(tǒng)完成火星高分相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，光學(xué)系統(tǒng)焦距4 600 mm，相對(duì)孔徑1:12，實(shí)現(xiàn)分辨率優(yōu)于0.6 m@300 km，視場(chǎng)角優(yōu)于2°的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)綜合指標(biāo)位于國(guó)際領(lǐng)先水平。光學(xué)成像質(zhì)量方面，在TDICCD推掃成像視場(chǎng)，成像質(zhì)量達(dá)到了衍射極限光學(xué)系統(tǒng)的要求。選擇了合理可行的檢測(cè)方案，完成了光學(xué)反射鏡檢測(cè)補(bǔ)償器。

火星高分相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)可保證火星高分相機(jī)指標(biāo)居國(guó)際領(lǐng)先水平。