火星:拍得不错!

  出品:科普中国

  制作:孟庆宇

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  本文作者系中国科学院长春光机所副研究员,中科院青年创新促进会会员,“天问一号”高分辨率相机副主任设计师,项目光学系统负责人。

  

  “天问一号” 获取的首幅火星图像(距离火星约220万公里)

  (图片来源:国家航天局)

  

  火星全色图像(拍摄距离火星表面约330千米-350千米高度,分辨率约0.7米)

  (图片来源:国家航天局)

  这些照片是用什么相机拍的呢?

  答案是:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(简称“中科院长春光机所”)研制的“天问一号”高分辨率相机!

  

  “天问一号”高分辨率相机

  我国第一台为火星拍摄高清图像的相机有多优秀?来看看它的“测评报告”吧。

  高分辨率的秘密:长焦距离轴光学系统

  “天问一号”高分辨率相机能在距离目标265km处实现0.5m分辨率的光学成像,就如同站在长春市中心观看沈阳市中心的一台轿车,甚至可以分辨出是三厢车还是两厢车,绝对称得上是“明察秋毫”,这首先要得益于先进的光学系统。

  光学系统是相机的核心部分,它将远处的景物成像在感光元件上(如胶片、CCD探测器),实现照相功能。像元分辨率是我们最关注的相机指标,表示照片上的1个像元(素)对应远处被拍摄景物的尺寸。根据几何光学物像关系,分辨尺寸、照相距离(卫星飞行高度)、焦距与像元尺寸这四个参数构成一个相似三角形的几何关系,如下图所示。从这个关系可以得出,相机分辨率要求越高,光学系统焦距需要越长,相应的镜头口径也需要更大。“天问一号”高分辨率相机要达到如前所述的分辨率,光学系统焦距需要近5米。

  

  物像关系

  小型光学系统,如常见的消费级单反镜头、手持望远镜等,基本由光学玻璃制造的透镜组成,特点是焦距短,分辨率低。由于大尺寸的优质光学玻璃难于制造,且光学玻璃自身还具有力学、热学性能欠佳,产生色差等缺点,因此长焦距大口径的光学系统基本采用反射式光学结构设计研制。

  在反射式光学系统中,透镜功能由反射镜代替,其中可使光线汇聚的凸透镜由凹面反射镜代替,可使光线发散的凹透镜由凸面反射镜代替。在大型天文望远镜、高分辨率航天相机中,基本均使用反射式光学系统。

  

  凸透镜与凹面反射镜

  

  凹透镜和凸面反射镜

  反射式光学系统按照光轴特性可以分为两大类:同轴光学系统和离轴光学系统。

  同轴光学系统中,每个反射镜都是旋转对称的,这种特点决定了反射镜的加工难度与光学系统的装调集成难度都相对较小。受限于制造水平,几百年来的大部分反射式光学系统基本均采用同轴结构形式。

  离轴光学系统中,大部分反射镜没有旋转对称轴,反射镜位置的空间布局性更为复杂,这种失对称光学系统的反射镜加工难度与系统装调集成难度都很大。

  

  同轴反射式光学系统(左)与离轴反射式光学系统(右)

  虽然离轴光学系统实现难度大,但性能有很多过人之处。最重要的一点就是在离轴光学系统的成像光路中,任何一个反射镜不会对其他反射镜造成孔径遮拦,使光学系统有效口径降低,也就是我们通俗理解的“挡光”。光能量的收集能力(更严格意义的讲应是“光学系统的有效口径”)决定着光学系统的分辨率。比如,在同轴系统中,次反射镜会对主反射镜造成孔径遮拦,如果反射镜数量增多,造成的遮挡效应也越大,这种感觉就像在眼镜中心贴上了一片黑色不透光的胶布,影响了本应该被眼睛收集的光能量,同时也造成光学系统分辨率下降。

  下图仿真计算了具有相同某个焦距与孔径的同轴光学系统与离轴光学系统的分辨能力对比:没有遮拦的离轴光学系统能够很好地分辨出两个圆点(左图);而遮拦比达到40%(例如主反射镜口径为100mm,次发射镜口径为40mm)的同轴光学系统对两个圆点的分辨能力下降(右图)。所以,具有相同光学口径的离轴光学系统比同轴光学系统具有更强的分辨能力。

  

  孔径遮拦对分辨率的影响:无遮拦(左)遮拦比40%(右)

  “天问一号”高分辨率相机的光学系统采用了不具有孔径遮拦的长焦距离轴三反射镜光学系统,设计焦距4640mm,由三个具有光焦度的反射镜和一个不具有光焦度的平面反射镜组成。

  

  “天问一号”高分辨率相机光学系统

  光学系统焦距长,镜头尺寸也随之增长。为了压缩体积尺寸,适应深空探测任务中相机重量资源极为有限的条件,高分辨率相机光学系统中的三个非球面反射镜采用了高陡度大偏离量的高次非球面。项目团队克服了光学系统设计、加工与检测等重重困难,最终使光学系统主反射镜与次反射镜之间的距离不到750mm,这对于焦距为4640mm,视场角为2°的离轴反射式光学系统,体积尺寸表现极为优秀。

  

  光学系统的主镜、次镜、三镜与调焦平面镜实物图

  同时,为了使光学系统在具有良好成像质量的同时尽可能保证较为宽松的装配公差,光学系统设计过程中应用了项目组提出的低敏感度光学系统设计方法,更有利于光学系统面向可实现性。

  超轻量化&超稳定性的诀窍:全碳化

  光机结构是相机的“骨骼”,为光学、电子学和热控等系统提供支撑,更重要的作用是确保光学系统位置状态的稳定。空间相机的光学系统极为精密,光学反射镜需要按照设计位置高精度安放,才能保证光学系统的良好成像质量。

  火星探测器发射时,对相机的冲击振动极大,光机结构需要在剧烈变化的力学环境中保障相机中每个光学元件的位置稳定性,每个元件的位置变动要保证在5微米内,角晃动量要在几个角秒内,这就需要相机的“骨骼”极为强壮,专业术语称为结构应具有高刚度。

  以下是“刚度”的示意图:小鸟虽轻,但是身下的杆子刚度很弱,轻易就被压弯了;大象虽然沉重,但是身下的杆子刚度很高,依然坚挺支撑着大象的身躯。

  

  低刚度 VS 高刚度(素材来源于veer图库)

  但是,深空探测重量可分配资源极为有限,这台焦距近5m的相机可设计质量仅为43kg,如何使光机结构设计的既“身轻如燕”又“稳如泰山”,是一项极具挑战的任务。经过多年论证,项目组提出了“全碳化”相机的设计理念。

  

  相机轻量化设计理念

  在光学反射镜材料上,主反射镜与三反射镜均使用了具有低密度、高弹性模量、高热导率和低热膨胀系数的碳化硅材料。通过设计,反射镜在87%轻量化率的情况下,仍能保证良好的力学性能。

  

  碳化硅主镜背部

  相机结构的框架由碳化硅铝基复合材料制成,通过优化设计确定框架的材料分布,形成加强筋与薄板组合的轻量化结构,轻量化率达到90%以上,且具有很高的结构刚度。连接框架的支撑杆,由高模量碳纤维复合材料制成,每根近1m长的支撑杆,重量仅500g左右。

  这样高轻量化的光机结构,在火箭发射冲击振动等严苛力学环境下,可以保证光学反射镜的间距最大变动量不超过5微米,对于750mm左右的反射镜设计间距来讲,相对变化量不到十万分之一,真正算得上是“稳如泰山”。

  

  高分辨率相机桁架结构

  一机完成多种任务的关键:两种“视网膜”

  焦面成像探测器是相机的“视网膜”,光学系统将景物成像在探测器上,完成拍摄。为了获得更多的科学产出,高分辨率相机规划了多种科学目标:包括对火星表面重点区域精细观测、长期重访覆盖观测,对着陆区域高分辨率观测,对火星天气现象的动态观测等。不同的科学目标需要用到的“视网膜”并不相同。

  高分辨率相机充分利用2°×0.7°的光学视场,在一个像面上巧妙地设置了两种类型的成像探测器:多光谱TDI-CCD探测器和全色面阵CMOS探测器。3片多光谱TDI-CCD探测器呈“品”字形布局在像面,2片全色面阵CMOS探测器分布在像面两端。

  

  高分辨率相机焦面探测器布局图(上) 焦面探测器集成工作图(下)

  TDI-CCD探测器是一种线阵成像的探测器,成像时通过景物与探测器的相对运动而不断输出图像。这种成像方式叫做“推扫成像”,英文为“Push-broom”,其工作原理就像拖布沿着一个方向拖地,所拖过的区域是完成的成像区域,拖布的宽度就是成像的幅宽。这类似于我们拍大合影时的转机照相,照片的长度方向是TDI-CCD推扫成像方向,也是相机和卫星的飞行方向,照片的宽度是成像幅宽。

  

  TDI-CCD推扫成像示意图

  高分辨率相机的TDI-CCD探测器配置有全色、彩色(红、绿、蓝)与近红外5个成像谱段,可以同时推扫出全色图像、RGB彩色图像、近红外图像。“天问一号”高分辨率相机在距离火星表面约330千米-350千米高度拍摄的0.7米分辨率全色图像,即是应用TDI-CCD探测器推扫拍摄的。

  全色面阵CMOS探测器与我们日常使用的单反相机的探测器功能一样,既可以实现画幅面阵成像,又可以实现视频成像。“天问一号”高分辨率相机在距离火星约220万公里处获得的首幅火星图像,就是应用面阵CMOS探测器拍摄的。

  四年攻关,期待未来

  从地球发出的指令达到“天问一号”需要十几分钟,而研制高分辨率相机的路,项目团队走了四年多。

  长春光机所于2016年4月正式启动火星探测高分辨率相机研制任务,空间光学研究三部承担了该项目的研制任务。项目团队由30多人组成,平均年龄在35岁左右,一些优秀的研究生也参与其中。在四年多的研制工作中,团队科研人员大力协同,攻坚克难,发扬“四个特别”与“两弹一星”精神,保证了项目的顺利完成。

  

  “天问一号”高分辨率相机项目组

  深空探测任务前景广阔,充满着无限希望与可能。项目团队将不忘初心,牢记使命,力争为我国深空探测任务研制更加先进的航天光学仪器装备,促进深空探测任务获得丰硕的科学成果。

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