于灝洋，周 軍，李 娟

（北京遙感設備研究所，北京100854）

1 引言

在載人航天活動中，人類一直不斷拓展自身空間操作和活動能力，從初期的基于空間站和航天飛機的試驗、維修，到未來還將開展的載人登月、登火等活動，都需要航天員開展出艙活動（Extra Vehicular Activity，EVA）來完成機器無法替代的任務。EVA中，由于艙外航天服比較厚重而且活動不便，甚至轉身和彎腰等在地面輕松、快速實現(xiàn)的動作都變得不易，也影響到航天員對周圍場景的直接、快速地觀察，給多航天員協(xié)同工作和復雜環(huán)境下的操作帶來不便。比如，當航天員登陸地外星體表面，在陌生環(huán)境下活動時，要同時面臨生存和探索兩方面的挑戰(zhàn)：一方面，在星表行走時，航天員需要能夠充分感知周邊環(huán)境狀況，還應當能夠靈活使用和操控航天服和登陸車；另一方面，還需要同時便捷地觀察周圍場景并與隊友們相互協(xié)同。因此，為航天員開發(fā)視場拓展系統(tǒng)，給其EVA提供實時、大視場、高清晰度的全景信息就顯得十分重要。

全景成像技術是一種獲取大視場信息的有效手段，其在機器人視覺、探測監(jiān)控，航天航空等領域都有著廣泛的應用。2004年美國勇氣號火星車上搭載的一對全景相機，通過水平360°旋轉掃描形成全景圖像，運用雙目立體視覺原理進行三維重建［1］，首次向人類展示了火星的三維全景景觀。但這種基于旋轉掃描技術的全景拼接系統(tǒng)實時性差，體積也較大。Greguss在他的專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等人又在此基礎上進行了深入的研究，提出了一系列至今仍非常有價值的環(huán)形全景鏡頭結構［3］。國內(nèi)浙江大學等單位也對PAL光學系統(tǒng)進行了較為深入的研究［4］。PAL光學系統(tǒng)有大視場角、成像質(zhì)量高、結構緊湊、畸變小、后期圖像處理簡單、實時性好等優(yōu)點，但受自身成像特點的限制，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，會使系統(tǒng)成像質(zhì)量快速下降［4］，如果增加焦距則會使后繼透鏡組的設計變得十分復雜［5］。

基于EVA視場拓展需求，針對PAL上述不足，本文提出一種由雙非球面組成的PAL光學系統(tǒng)改進方案；并通過優(yōu)化光學設計軟件的約束條件而加快軟件對復雜光學系統(tǒng)優(yōu)化的收斂速度，并通過仿真分析對改進方案進行分析驗證。

2 設計要求

EVA航天員視覺拓展系統(tǒng)工作原理如圖1所示，主要由全景成像光學鏡頭、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景，光學系統(tǒng)應對方位360°、仰角10°、俯角50°范圍內(nèi)的景物清晰成像，對PAL光學系統(tǒng)的詳細指標要求如表1所示。

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

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

3 PAL光學系統(tǒng)改進設計

3.1 基本架構

PAL光學系統(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對稱的光學材料，光線在其中可以發(fā)生多次折射與反射，以實現(xiàn)大視場成像，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像差，使系統(tǒng)達到理想的成像效果。

PAL光學系統(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)過設計可構成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——形成一個圓環(huán)，不同入射角光線的入射點在第一折射面形成不同大小的同心圓環(huán)，因此該光學系統(tǒng)的入瞳為一個個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，正比于視場角大小，所以在視場不變的情況下，增加PAL系統(tǒng)的入瞳尺寸，將會使PAL透鏡尺寸增加，而且將會引入難以校正的軸外像差。

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

3.2 改進優(yōu)化

由于PAL透鏡結構較為復雜，光線在其中要經(jīng)過多次反射折射，容易從多途徑引入雜散光，導致成像系統(tǒng)失效或降低成像對比度。為了抑制PAL光學系統(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專利中［3］選取與系統(tǒng)指標要求相近的鏡頭初始結如構圖3，并在ZEMAX中建立模型，結構參數(shù)如表2所示。

圖3 ZEMAX中的PAL透鏡初始結構Fig.3 The initial structure of PAL in ZEMAX

表2 PAL初始結構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4一體化設計為非球面，面3也設計為非球面，為了降低非球面加工的難度，PAL透鏡選用可以單點車削加工的PMMA材料，其中反射面鍍金屬鋁膜，折射面鍍增透膜，如圖4所示。

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

后繼轉像系統(tǒng)如圖5所示，后繼轉像透鏡組的主要任務是校正由PAL引入大視場而帶來的各種像差，由4片透鏡組成，包含2組雙膠合透鏡，負責系統(tǒng)色差的校正，最后一片負透鏡對系統(tǒng)場曲進行校正。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計，可降低了加工與裝調(diào)的成本；光學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面之間相互關聯(lián)，很難從初級像差推導出一個最優(yōu)的結構形式。通過ZEMAX光學設計軟件來尋找最優(yōu)解，可以解決這一問題。但是PAL透鏡包含多個反射面與折射面，光線傳播路徑復雜，軟件優(yōu)化過程易使PAL結構變形、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)的關鍵在于合理約束PAL透鏡的各個表面、光線保證PAL結構的合理性，本文的約束條件設置如下：

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，因為該分界點決定了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，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）對于f-theta全景系統(tǒng)需要采用disc操作數(shù)對畸變進行控制。

最終設計結果為：視場（40°～100°） ×360°、有效焦距為 6.1 mm、F數(shù) 2.2、入瞳直徑2.77 mm、光學系統(tǒng)總長98 mm、后工作距大于8 mm，較大的相對孔徑保證系統(tǒng)的光能利用率。設計模型與光路如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)結構圖Fig.7 Layout of the system

4 設計結果分析

如前所述環(huán)帶全景光學系統(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)帶全景光學系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線，所有視場在100 lp／mm處MTF值均大于0.4，成像質(zhì)量良好。軸外視場的點列圖尺寸最大，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照度下降小于0.2，可以認為整個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曲線與點列圖Fig.9 Modulation transfer function（MTF） and spot diagram

圖10 像面相對照度Fig.10 Relative illumination of image surface

全景光學系統(tǒng)采用被動無熱化設計，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，被動無熱化效果較好。

雜散輻射是影響光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要因素之一，對該系統(tǒng)進行雜散輻射分析，在ZEMAX中進行非序列建模。通過模擬兩個縱向位置不同的環(huán)帶光源，對光源進行光線追跡查看像面上的目標及能量分布情況，分析是否有鬼像及其它雜散光。光源半徑為50 mm，長度5 mm，兩個光源相距5 mm，光源輻射能量為100 W。為保證仿真的有效性，光學系統(tǒng)各表面透過率98%，剩余反射率2%，探測器參數(shù)根據(jù)實際探測器設定，可得到結果如圖12所示?？梢钥吹絇AL光學系統(tǒng)將雙環(huán)光源展開為環(huán)帶成像在探測器上，探測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 結論

本文以EVA航天員的視場拓展為應用背景，開展了無需轉動機構的全景成像技術研究，設計了一種PAL環(huán)帶光學全景系統(tǒng)，并通過仿真分析加以驗證。PAL透鏡采用雙非球面設計，提高了成像質(zhì)量，后繼透鏡組結構簡單，系統(tǒng)采用被動無熱化設計，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、結構緊湊等優(yōu)點，未來可與艙外航天服的頭盔和近眼顯示系統(tǒng)結合，以實現(xiàn)航天員視覺范圍的穿戴式拓展。