胡嘉寧 王小勇,2 阮寧娟,2 劉曉林 莊緒霞,2 李妥妥,2

?

亞微米像元器件在空間應(yīng)用中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡嘉寧1王小勇1,2阮寧娟1,2劉曉林1莊緒霞1,2李妥妥1,2

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094） （2 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

圖像傳感器是空間光學(xué)探測系統(tǒng)的核心部件，探測器像元尺寸越小意味著所能分辨的空間頻率越高。小像元器件已經(jīng)不斷被應(yīng)用于空間遙感領(lǐng)域，以捕捉更多信息，分辨更多細(xì)節(jié)。在相同分辨率要求下，小像元器件有助于降低系統(tǒng)體積和質(zhì)量。研究分析了亞微米像元器件的特性以及與之匹配的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。依據(jù)亞微米像元器件地面驗(yàn)證相機(jī)的指標(biāo)要求，進(jìn)行了初始結(jié)構(gòu)的對比研究，設(shè)計(jì)出一套含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)施密特光學(xué)系統(tǒng)后焦面置于光路中引入較大遮攔的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了基于亞微米像元器件的小數(shù)大口徑光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該光學(xué)系統(tǒng)工作于可見光譜段，口徑達(dá)300mm，數(shù)為1.67，視場角為2.2°×2.2°，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，像質(zhì)接近衍射極限。公差分析后，全視場全譜段下調(diào)制傳遞函數(shù)在奈奎斯特頻率357線對/mm處優(yōu)于0.3。

公差分析 像質(zhì)評價 亞微米像元 光學(xué)設(shè)計(jì) 成像系統(tǒng) 空間遙感

0 引言

獲取更高分辨率圖像是航天探索等領(lǐng)域一直致力研究的方向。空間遙感領(lǐng)域獲取億級像素圖像主要有四種方式：探測器拼接、單鏡頭掃描拼接、多鏡頭凝視拼接和多尺度凝視拼接，但四種方法存在各自的局限性[1-3]。所以，將小像元器件應(yīng)用于空間遙感領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)單芯片億級像素成像迫在眉睫。長期以來，小像元器件由于滿阱電荷量不足、單個像元飽和電子數(shù)低等因素，限制了其研發(fā)和應(yīng)用。航天遙感領(lǐng)域應(yīng)用的探測器像元尺寸多大于5.5μm。近年來，隨著集成電路技術(shù)不斷發(fā)展，小像元器件可以在不犧牲滿阱電荷量的情況下縮小像元尺寸，獲得較高的量子效率和動態(tài)范圍。加之其像素密度高、阱深比大等特點(diǎn)，小像元器件將在空間遙感等領(lǐng)域占據(jù)重要的位置。

除小像元器件自身研制原因外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上也存在諸多難點(diǎn)。高奈奎斯特頻率的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、小數(shù)大口徑光學(xué)系統(tǒng)像差校正難度大、焦深淺易離焦等限制了小像元器件的空間應(yīng)用。本文以亞微米像元器件為例，梳理了小像元器件系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于亞微米像元器件的超高分辨率成像光學(xué)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)施密特光學(xué)系統(tǒng)后焦面置于光路中引入較大中心遮攔的問題，克服了小像元器件給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的難點(diǎn)。由于亞微米像元器件在空間遙感領(lǐng)域尚無應(yīng)用先例，成像系統(tǒng)獲取的圖像品質(zhì)需要大量地面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，該光學(xué)系統(tǒng)為探究亞微米像元器件在空間應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及地面實(shí)驗(yàn)平臺的搭建提供了有效的解決方案。

1 亞微米像元器件在空間應(yīng)用中的優(yōu)勢與創(chuàng)新

地面像元分辨率（GSD）是評價遙感相機(jī)分辨率的重要指標(biāo)。根據(jù)焦距計(jì)算公式，當(dāng)軌道高度和焦距一定時，地面像元分辨率和像元尺寸成正比。應(yīng)用小像元器件可以獲得更高的分辨率。當(dāng)?shù)孛嫦裨直媛屎蛙壍栏叨纫欢〞r，像元尺寸減小使得遙感相機(jī)焦距隨之減小。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，遙感相機(jī)的體積和質(zhì)量更具優(yōu)勢。

圖1為IKONOS-2和SkySat-2分辨率和軌道高度近似相等的兩顆遙感衛(wèi)星拍攝的圖像，衛(wèi)星具體參數(shù)如表1所示。兩顆遙感衛(wèi)星使用的探測器像元尺寸不同，IKONOS-2使用12μm大像元器件，SkySat-2品質(zhì)應(yīng)用像元尺寸為6.5μm的CMOS面陣傳感器。兩顆遙感衛(wèi)星運(yùn)行的軌道高度近似，獲取圖像分辨率近似，使用像元尺寸大小相差近一倍的探測器，通過不同的設(shè)計(jì)理念獲得成像品質(zhì)相當(dāng)?shù)倪b感圖像。使用小像元器件的SkySat-2衛(wèi)星在質(zhì)量和體積方面較IKONOS-2更具優(yōu)勢[4-7]。在確保成像品質(zhì)的前提下，應(yīng)用更小像元尺寸的探測器是實(shí)現(xiàn)微小或微納衛(wèi)星載荷的重要途徑之一。遙感相機(jī)的輕小型化設(shè)計(jì)是空間光學(xué)發(fā)展的重要方向之一[8]。

圖1 大小像元器件遙感衛(wèi)星拍攝圖像

表1 遙感衛(wèi)星參數(shù)對比

Tab.1 Major parameters of IKONOS-2 and SkySat-2

我國現(xiàn)有遙感相機(jī)在軌應(yīng)用的小像元器件在5.5μm左右，光學(xué)系統(tǒng)奈奎斯特頻率小于100線對/mm。在空間遙感領(lǐng)域若采用像元尺寸0.7μm的亞微米像元器件，采用2×2像元合并，采樣頻率將達(dá)到 714線對/mm，奈奎斯特頻率為357線對/mm，這在國內(nèi)外尚屬首次。開展匹配如此小像元器件的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也屬于國內(nèi)外研究空白。在如此高的奈奎斯特頻率處使光學(xué)系統(tǒng)獲得很高的MTF是極其困難的，光學(xué)系統(tǒng)難以在如此高的奈奎斯特頻率處具有接近衍射極限的成像水準(zhǔn)。

離焦對成像品質(zhì)有很大影響。相同數(shù)，小像元器件相比大像元器件對離焦更為敏感。相同像元尺寸，數(shù)越小，離焦對于成像品質(zhì)的影響更為嚴(yán)重[11-12]。以可見光譜段=0.578μm為例，計(jì)算了不同數(shù)光學(xué) 系統(tǒng)的焦深。小數(shù)光學(xué)系統(tǒng)比大數(shù)光學(xué)系統(tǒng)焦深縮短幾十倍以上。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要引入調(diào)焦機(jī)構(gòu)提升調(diào)焦精度以獲得像質(zhì)良好的圖像。所以，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時應(yīng)預(yù)先為調(diào)焦機(jī)構(gòu)預(yù)留寬松的結(jié)構(gòu)空間。

2 系統(tǒng)指標(biāo)分析

根據(jù)亞微米像元器件的空間光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，制定了相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

2.1 焦距計(jì)算

對于遙感相機(jī)的空間光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，在選定探測器和規(guī)定地面像元分辨率時，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)中像元尺寸和地面像元分辨率GSD是確定的。在星下點(diǎn)成像時，地面像元分辨率計(jì)算公式如下

式中為衛(wèi)星軌道高度；為焦距。

空間遙感相機(jī)的軌道高度為645km，采用0.7μm像元尺寸探測器，2×2像元合并后的等效像元尺寸為1.4μm。為了滿足地面像元分辨率2m的要求，光學(xué)系統(tǒng)焦距至少為451.5mm。

2.2 F數(shù)計(jì)算

能分辨的兩個等亮度點(diǎn)間的距離對應(yīng)愛里斑的半徑，兩點(diǎn)間的距離越小說明光學(xué)系統(tǒng)的分辨能力越強(qiáng)。根據(jù)衍射理論，第一暗環(huán)半徑與光學(xué)系統(tǒng)數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系

第一暗環(huán)半徑應(yīng)小于等效像元中心間距1.4μm。計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)數(shù)≤2可以滿足遙感相機(jī)對于光學(xué)系統(tǒng)分辨本領(lǐng)的要求。

2.3 傳遞函數(shù)計(jì)算

通常，空間遙感相機(jī)的MTFcam受多個分系統(tǒng)的影響，主要包括光學(xué)系統(tǒng)MTFopt、探測系統(tǒng)MTFsen、電子學(xué)系統(tǒng)MTFele[13]。

MTFcam=MTFopt×MTFsen×MTFele

本文要求相機(jī)系統(tǒng)的MTFcam不低于0.15，采用亞微米像元器件在可見光區(qū)域的MTFsen為0.5，電子學(xué)系統(tǒng)MTFele取0.98。其中，光學(xué)系統(tǒng)MTFopt主要考慮光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的MTF、光學(xué)零件加工和裝調(diào)引起的MTF下降。透射式光學(xué)系統(tǒng)較反射式光學(xué)系統(tǒng)對MTF下降影響略大。為留出設(shè)計(jì)余量，取光學(xué)零件加工和裝調(diào)引起的MTF下降為0.85。綜上所述，光學(xué)系統(tǒng)MTFopt在奈奎斯特頻率處應(yīng)大于0.3。

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

該光學(xué)系統(tǒng)口徑為300mm，視場角為2°×2°，要求數(shù)小于2，工作于可見光譜段0.4~0.7μm，應(yīng)用像元尺寸為0.7μm的亞微米像元器件，采用2×2像元合并，將相鄰四個像元合并為一個像元的模式讀出。公差分析后，要求光學(xué)系統(tǒng)在超高奈奎斯特頻率357線對/mm處MTF在0.3以上。同時要求光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，具有一定體積優(yōu)勢。

表2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

Tab.2 The design parameters of optical system

3.1 初始結(jié)構(gòu)選型分析

從設(shè)計(jì)指標(biāo)分析，該光學(xué)系統(tǒng)工作于可見光譜段，具有大口徑、寬譜段、小數(shù)的特點(diǎn)，不僅要求在357線對/mm處獲得較好的成像品質(zhì)，還要求光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，具備一定的體積優(yōu)勢。這給光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了很大的難度，需要綜合比較后開展選型工作。通過前期方案論證，最終設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)形式的光學(xué)系統(tǒng)，分別為含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)和同軸三反光學(xué)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型

含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)不僅可以達(dá)到小數(shù)要求，覆蓋更大視場范圍，在高奈奎斯特頻率處獲得很好的成像品質(zhì)，還通過一片折鏡巧妙的將主反射鏡偏離主軸，使光束從折轉(zhuǎn)鏡中心穿出，將后焦面置于光路之外，減少中心遮攔，為調(diào)焦機(jī)構(gòu)預(yù)留了充足空間；同軸三反光學(xué)系統(tǒng)將主鏡和三鏡置于同一平面。盡管空間遙感領(lǐng)域中存在類似光學(xué)系統(tǒng)，例如美國LSST巡天望遠(yuǎn)鏡（The Large Synoptic Survey Telescope）也采用相近結(jié)構(gòu)，但其像面前設(shè)置了三片透鏡[14-15]。本文去除了LSST光學(xué)系統(tǒng)像面前的三片透鏡，在保證成像品質(zhì)的同時避免了色差對光學(xué)系統(tǒng)的影響。

通過表3可以看出，含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)在奈奎斯特頻率處MTF更高，更能發(fā)揮出亞微米像元器件的性能優(yōu)勢。該光學(xué)系統(tǒng)中心遮攔遠(yuǎn)小于同軸三反光學(xué)系統(tǒng)，更能保證中低頻處的成像品質(zhì)。同軸三反光學(xué)系統(tǒng)更難設(shè)置調(diào)焦機(jī)構(gòu)，且調(diào)焦機(jī)構(gòu)置于光路中將進(jìn)一步增大中心遮攔。含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)更有利于亞微米像元器件地面原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的開展。且該光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，形式巧妙，體積較小。綜上所述，將含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)確定為最終方案。

表3 兩套光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比

Tab.3 The structure comparison of two optical systems

3.2 設(shè)計(jì)與優(yōu)化

將傳統(tǒng)施密特光學(xué)系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)，利用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，采用逐步逼近的優(yōu)化方法尋找全局最小值。通過建立約束條件、設(shè)置參數(shù)變量和確定優(yōu)化函數(shù)等方式不斷根據(jù)中間結(jié)果進(jìn)行分析和系統(tǒng)優(yōu)化，最終得到合理的設(shè)計(jì)方案。

在設(shè)計(jì)初期，針對亞微米像元器件匹配小數(shù)大口徑在中等視場下的高分辨率成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，制定了多維度參數(shù)設(shè)計(jì)方法和工程化高次非球面設(shè)計(jì)方案。采用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件與人工干預(yù)相結(jié)合的方法對多參數(shù)進(jìn)行逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)色差和高級球差對施密特系統(tǒng)影響較大。設(shè)計(jì)中期在光學(xué)系統(tǒng)前端添加了一片非球面透鏡與后面的非球面透鏡組成兩片非球面校正板校正對系統(tǒng)影響較大的色差和高級球差，并且保證將其他像差控制在較低的數(shù)值下。優(yōu)化后期，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，在位于第二片非球面校正板和主反射鏡間設(shè)置一片折轉(zhuǎn)鏡起到折轉(zhuǎn)光路的作用，縮短了系統(tǒng)總長，提高了空間利用率；解決了傳統(tǒng)施密特光學(xué)系統(tǒng)像面位于光路中，引入調(diào)焦機(jī)構(gòu)增大中心遮攔等問題，并為調(diào)焦機(jī)構(gòu)預(yù)留了充足的空間。最終，獲得了各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良且結(jié)構(gòu)新穎合理的含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)。

優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)共含有五片光學(xué)元件，兩片非球面校正鏡、一片平面反射鏡、一片非球面反射鏡和一片球面透鏡。含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)口徑為300mm，焦距為500mm，視場角2為2.2°×2.2°，數(shù)為1.67。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和非球面系數(shù)如表4、表5所示，高次A（1）、A（2）、A（3）分別代表校正鏡L1的第二面、校正鏡L2的第一面以及主反射鏡M采用高次非球面。

表4 含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)最終結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.4 Final structure parameters of reflective Schmidt optical system

表5 含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)非球面系數(shù)

Tab.5 Final asphericity parameters of reflective Schmidt optical system

3.3 像質(zhì)評價

含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)成像品質(zhì)分析與評價如下文所示。圖3為光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線，表6為光學(xué)系統(tǒng)MTF詳細(xì)數(shù)值。圖4（a）為光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖，（b）為光學(xué)系統(tǒng)場曲和畸變。

含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)在奈奎斯特頻率357線對/mm處全視場平均MTF高于0.35，714線對/mm處全視場平均MTF接近0.19，MTF曲線接近衍射極限水平。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，中心遮攔小，中低頻MTF無明顯下降。該光學(xué)系統(tǒng)能夠在如此高空間頻率處獲得較高的MTF值，解決了亞微米像元器件給光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的難點(diǎn)。

圖3 含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線

表6 含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)MTF值

Tab.6 The MTF values of reflective Schmidt optical system

表7中含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)最小均方根彌散斑半徑為0.549μm，最大均方根彌散斑半徑為0.716μm，愛里斑半徑為1.195μm，全視場均方根彌散斑均在愛里斑范圍以內(nèi)，達(dá)到衍射極限。從圖4可以看出，全視場全譜段內(nèi)場曲小于18μm，最大絕對畸變小于0.05%。通過光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價可以 證明含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)各項(xiàng)性能表現(xiàn)出色，可以滿足亞微米像元器件對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出的要求。

表7 光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖及特征值

Tab.7 The spot diagram and eigenvalue of the optical system

圖4 光學(xué)系統(tǒng)場曲和畸變

4 公差分析

在完成光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，對含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)所有光學(xué)元件進(jìn)行了公差分配，為之后加工、裝調(diào)工作提供了可靠的理論依據(jù)，確保光學(xué)系統(tǒng)能夠滿足指標(biāo)要求。公差項(xiàng)包含各個光學(xué)元件的曲率半徑、面形、中心厚度、等厚差、鏡間距、平移和傾斜等公差。根據(jù)綜合默認(rèn)公差和遙感相機(jī)的公差設(shè)置經(jīng)驗(yàn)對光學(xué)系統(tǒng)制定初步的公差約束，之后不斷收緊或放寬初始公差或添加新的公差以滿足光學(xué)系統(tǒng)的加工和裝調(diào)要求。本文采用了靈敏度分析法和蒙特卡羅分析法相結(jié)合的方式進(jìn)行公差分析。先通過靈敏度分析法對含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)公差設(shè)置的嚴(yán)格程度進(jìn)行識別，之后采用蒙特卡羅分析法模擬了超過200個鏡頭考慮所有公差后的公差波動情況和鏡頭性能。表7、表8給出了含折 轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)的加工公差和裝調(diào)公差，表9對比了該光學(xué)系統(tǒng)MTF的設(shè)計(jì)值和公差分析后的結(jié)果。

表8 光學(xué)系統(tǒng)加工公差

Tab.8 The processing tolerance

表9 光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)公差

Tab.9 The assemblage tolerance

表10 光學(xué)系統(tǒng)357線對/mm處MTF公差分析結(jié)果

Tab.10 The MTF values at 357lp/mm after tolerance analysis

含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)對公差敏感度適中。較為嚴(yán)格的公差設(shè)置為主反射鏡的曲率半徑公差和面形公差，對光學(xué)系統(tǒng)影響較大的公差為第一片非球面校正板的等厚差。通過蒙特卡羅分析法計(jì)算200個模擬鏡頭計(jì)算出預(yù)計(jì)累計(jì)誤差90%概率下，遙感相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)在奈奎斯特頻率357線對/mm處全視場平均MTF大于0.3，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文分析了小像元器件在空間應(yīng)用中的優(yōu)勢，小像元器件有助于提升空間分辨率，降低遙感相機(jī)的體積和質(zhì)量。針對小像元器件給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的難點(diǎn)，以亞微米像元器件為例，設(shè)計(jì)了一套含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)。利用一片折轉(zhuǎn)鏡將像面置于光路之外，解決了傳統(tǒng)施密特光學(xué)系統(tǒng)中心遮攔大的問題，實(shí)現(xiàn)了小數(shù)大口徑光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該光學(xué)系統(tǒng)成像品質(zhì)接近衍射極限，公差分配合理。公差分析后，全視場平均MTF在奈奎斯特頻率357線對/mm處大于0.3，符合設(shè)計(jì)要求。綜合考慮，選定含折轉(zhuǎn)鏡的施密特光學(xué)系統(tǒng)作為亞微米像元器件地面原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的最終設(shè)計(jì)方案。

[1] 莊緒霞, 阮寧娟, 賀金平, 等. 多尺度大視場十億像素成像技術(shù)[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(5): 1-8. ZHUANG Xuxia, RUAN Ningjuan, HE Jinping, et al. Multiscale Wide Field-of-view Gigapixel Imaging Technique[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(5): 1-8. (in Chinese)

[2] BRADY D J, GEHM M E, STACK R A, et al. Multiscale Gigapixel Photography[J]. Nature, 2012, 486(7403): 386-389.

[3] 徐奉剛. 大視場高分辨率成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D]. 長春: 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 2017: 2-19.XU Fenggang. Research on Design of Wide Field of View High Resolution Imaging Optical System[D]. Changchun : Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics Chinese Academy of Sciences, 2017: 2-19. (in Chinese)

[4] DIAL G, BOWEN H, GERLACH F, et al. IKONOS Satellite, Imagery, and Products[J]. Remote Sensing of Environment, 2003, 88(1): 23-36.

[5] 馬文坡. 航天光學(xué)遙感技術(shù)[M]. 北京: 中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2011: 261-264. MA Wenpo. Space Optical Remote Sensing Technology[M]. Beijing: China Science and Technology Press, 2011: 261-264. (in Chinese)

[6] 滿溢云, 李海超. 低軌視頻衛(wèi)星成像特性分析[J]. 航天器工程, 2015, 24(5): 52-57. MAN Yiyun, LI Haichao. Imaging Characteristics Analysis for LEO Video Satellite[J]. Spacecraft Engineering, 2015, 24(5): 52-57. (in Chinese)

[7] 葉釗, 李熹微, 王超, 等. 微納衛(wèi)星光學(xué)載荷技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 航天器工程, 2016, 25(6): 122-130. YE Zhao, LI Xiwei, WANG Chao, et al. Survey of Technological Development of Optical Payload for Micro-nano Satellite[J]. Spacecraft Engineering, 2016, 25(6): 122-130. (in Chinese)

[8] 王小勇. 空間光學(xué)技術(shù)發(fā)展與展望[J]. 航天返回與遙感, 2018, 39(4): 79:-86. WANG Xiaoyong. Development and Prospect of Space Optical Technology[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2018, 39(4): 79-86. (in Chinese)

[9] 阮寧娟, 楊秉新. TDICCD相機(jī)相對孔徑影響因素的研究[J]. 航天返回與遙感, 2005, 26(3): 52-55. RUAN Ningjuan, YANG Bingxin. Study on Parameters of Influencing Relative Aperture of TDICCD Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2005, 26(3): 52-55. (in Chinese)

[10] FIETE R D. Image Quality and λFN/p for Remote Sensing Systems[J]. Optical Engineering, 1999, 38(38): 1229-1240.

[11] 劉亞俠, 阮錦. 長焦距航天遙感相機(jī)離焦對傳遞函數(shù)的影響[J]. 長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 27(2): 26-28. LIU Yaxia, RUAN Jin. Discussion about Off-focus Influence on MTF for Long Focus Aerial Camera[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2004, 27(2): 26-28. (in Chinese)

[12] 韓昌元. 光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化[J].光學(xué)精密工程, 2015, 23(1): 1-9. HAN Changyuan. Performance Optimization of Electro-optical Imaging Systems[J]. Optics & Precision Engineering, 2015, 23(1): 1-9. (in Chinese)

[13] 彭成榮. 航天器總體設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2011: 391-399. PENG Chengrong. The System Design of Spacecraft[M]. Beijing: China Science and Technology Press, 2011: 391-399. (in Chinese)

[14] ?ELJKO I, CONNOLLY A J, JURI? M. Everything We'd Like to Do with LSST Data, but We Don't Know (yet) How[J]. Proceedings of the International Astronomical Union, 2016, 12(S325): 93-102.

[15] KRABBENDAM V L. The Large Synoptic Survey Telescope Concept Design Overview[J]. Proc Spie, 2008, 7012: 701205-701205-11.

Study on Submicron Pixel Size Detector Applied in the Space Optical System Design

HU Jianing1WANG Xiaoyong1,2RUAN Ningjuan1,2LIU Xiaolin1ZHUANG Xuxia1,2Li Tuotuo1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）

Imaging sensors are the core device in electro-optical imaging systems. The smaller the pixel size is, the higher the spatial frequency can be. Small pixel size detectors have been already applied on space remote sensing which aims to acquire more information and distinguish more details in image. Under the same requirement of GSD, small pixel size detectors contribute to reduce size and weight of remote sensing cameras. The character of submicron detectors and its difficulties on optical design are analyzed in the paper. Based on the design requirements, two optical systems are compared and then the final design scheme is obtained. Although the final scheme is still a reflective Schmidt optical system, it has conquered the problem in the traditional Schmidt optical system, i.e. the large central obscuration caused by image plane in the light path. The optical system design with smallNumber and large aperture is achieved. The finished system can operate at visible band from 0.4μm to 0.7μm, and has an optical aperture up to 300mm with/1.67 and a 2.2°×2.2° diagonal full field of view. In addition, the final optical system is close to diffraction-limited image quality with compacted configuration and small volume. By tolerance analysis, the MTF value is over 0.3 at 357lp/mm at Nyquist frequency.

tolerance analysis; image quality evaluation; submicron pixel size; optical design; imaging system; space remote sensing

O439

A

1009-8518(2019)01-0050-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.01.006

胡嘉寧，男，1993年生。2016年獲長春理工大學(xué)光電信息工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為中國空間技術(shù)研究院在讀碩士研究生。研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)遙感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：hjn1202@126.com。

2018-11-14

(編輯: 劉穎)