空间光学技术发展与展望

王小勇

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

空间光学是在高层大气中和大气外层空间利用光学设备对空间和地球进行观测与研究的技术，是应用光学的一个学科分支。空间光学遥感器是应用空间光学技术从空间对地球陆地、海洋、大气和地外天体进行观测和研究的光学设备[1]。我国从20世纪60年代开始空间光学遥感器的研制，50年来获得了长足的发展，有力地推动了空间光学技术的发展，也带动了我国应用光学技术的进步。

空间光学遥感器在太空中长期运行，实现特有的光学观测任务，必须适应复杂的空间环境，因此需要在光学设计、制造和检测等方面发展独特的技术以满足任务要求。空间光学技术需满足如下任务要求：

（1）空间光学系统长焦距大视场高性能要求

空间光学遥感器一般距离观测目标几百千米，要实现较高的分辨率和成像幅宽，需要大视场长焦距的光学系统，对光学系统设计提出了很高的要求。

（2）空间光学仪器轻小型化要求

空间光学系统的质量在很大程度上决定了整个卫星或飞行器的体积和质量，极大地影响卫星研制、发射以及在轨运行成本，通常要求空间光学系统体积小、质量轻。

（3）适应恶劣环境的要求

空间光学仪器要能适应严酷的力学环境和在轨运行环境。空间光学系统必须能经受住发射时的冲击、振动考验，能够长期在真空、微重力、复杂多变的外热流环境以及强电离辐射等严酷的太空环境下稳定工作。

（4）在轨稳定性可靠性要求高

空间光学仪器无法像地基光学仪器那样定期进行维护，出现故障也几乎无法维修，因此，需要从系统设计、材料选择、光学加工装调等方面采取技术手段，使空间光学仪器具备优异的稳定性能和可靠性，确保长期在轨有效运行。

围绕着上述技术要求和难题，经过50年的积累和发展，我国在空间光学系统设计技术、轻小型化空间光学技术、高精度空间光学制造技术以及空间环境适应性和可靠性技术等方面取得了长足的进步，研制了几代高性能空间光学遥感器，推动了我国空间光学技术的发展。

1 空间光学系统设计

光学镜头直接决定了遥感器的成像品质和体积规模，很大程度上决定了整个遥感器方案的优劣。随着空间光学遥感器分辨率和成像视场等技术要求的不断提升，空间光学系统的形式不断推陈出新：最初的胶片型相机采用折射式光学系统，可以在可见光谱段内实现较高的成像品质，光学系统焦距达到几百毫米，光学系统长度超过焦距长度；20世纪80年代，相机进入到传输型时代，要求光学系统焦距超过1m，谱段要能够覆盖可见光和短波红外，折射式系统已经很难满足要求，因此发展了以施密特系统为代表的空间折反式光学系统，光学系统采用轻量化反射镜技术降低系统质量，提高稳定性，光学系统长度与焦距长度接近，可以采用反射镜折叠光路缩短相机的体积；90年代中后期，随着相机分辨率要求的进一步提高，继续采用折反射式光学系统，相机的体积和质量无法满足卫星的约束要求，空间光学技术进一步发展，开始采用全反射光学系统，系统主要光学元件全部采用非球面反射镜，通过各反射镜顶点曲率半径、非球面系数、镜间距等参数优化，可以在较大的视场范围内消除各种光学像差，达到理想的成像品质。由于光路多次反射，整个光学系统的长度远小于焦距长度，相机具有长焦距、体积小的特点，而且谱段范围覆盖更宽，从可见光谱段、近红外谱段一直到热红外谱段；近年来，随着多光谱相机性能要求的不断提高，相机的谱段通道数量不断增加，从单通道光学系统发展到复杂多通道一体化光学系统、多维度光学系统，光谱细分程度不断提高，从多光谱成像光学系统到超光谱成像光学系统[2-4]。

图1 多通道集成式光学系统Fig.1 Optical system with multi-channel integration

当前，全谱段、多通道、反射式光学系统已成为空间光学系统发展的主流方向，图 1为一个典型的多通道光学系统，系统分为3个通道、12个谱段，可实现从可见光到热红外谱段（0.45μm～12.5μm）的成像。主光学系统为二次成像三镜消像散（RUG-TMA）全反射式结构型式，利用离轴孔径消除次镜带来的中心遮拦。可见光通道与红外通道共用主镜和次镜，在中间像面处放置反射镜，通过分视场的方式实现可见光通道和红外通道的分光。在红外通道出瞳前方加入分色片，实现短中波红外通道和长波红外通道的分光，从而实现可见光、短中波红外和长波红外3个通道同时成像，每个通道通过组合滤光片实现谱段的细分，最终实现12个谱段成像。

2 轻小型化空间光学技术

空间光学遥感器进入长焦距高分辨率时代后，相机的轻小型化设计就成为空间光学发展的一项重要技术。最初的空间光学系统采用折射式光学系统，光学元件无法采取轻量化措施。20世纪 90年代中国“资源二号”卫星相机采用了改进型施密特光学系统，主反射镜和平面反射镜采用了轻量化技术，相机主支撑结构镜筒采用了碳纤维增强树脂基复合材料，相机的质量得到了显著降低。在中国“资源二号”卫星相机研制过程中，发展了两种反射镜轻量化技术：一种是微晶反射镜背部打孔实现轻量化；另一种是具有完整背板的蜂窝夹芯ULE轻质反射镜技术，两种反射镜的轻量化程度都接近80%。首次使用复合材料镜筒，通过优化铺层设计，达到了轴向零膨胀高刚度的要求，使相机具备了高轻量化、高精度以及高稳定性的特点。近10年来，SIC和SIC基复合材料技术发展迅猛，SIC材料凭借优异的比刚度和热性能，在空间光学系统上得到广泛应用。2014年发射的“高分二号”卫星相机采用了高轻量化率的SIC反射镜（见图2），系统反射镜的轻量化率达到85%以上，有效降低了反射镜的面密度；相机前镜筒采用C/SIC材料，具有高力热稳定性和零湿胀的优点，使相机具有了优异的抗力学性能和空间稳定性[5-7]。

图2 “高分二号”卫星相机SIC反射镜Fig.2 SIC primaray mirror of GF-2 satellite camera

在反射镜采用轻量化技术的基础上，反射镜支撑技术得到相应的发展。为了保证反射镜能够经受住发射力学环境，在轨保持高的空间稳定性，传统的小口径反射镜支撑一般采用装框的形式，尽可能增加反射镜组件的刚度。但是随着反射镜口径的增大以及轻量化要求的不断提高，这种支撑方式已经无法满足要求，需要采用符合运动学原理的离散支撑方式。这种定位支撑为静定支撑，即约束正好等于需要消除的自由度数，也就是具有精确定位功能，同时又避免了过约束对反射镜产生应力，从而影响反射镜的面形。在地面环境下，采用重力卸载措施，降低重力对反射镜面形的影响；在发射阶段采用辅助支撑，使反射镜能够经受恶劣的发射环境的影响[8-9]。

3 先进空间光学制造技术

空间光学元件的加工精度，直接影响了空间光学系统的性能。空间光学元件的加工从传统的手修、小磨头加工，发展到现在的高精度确定性加工。

目前采用数控高精度超声铣磨成型技术可实现反射镜轻量化率优于90%，轻量化孔及嵌套孔形位精度优于5μm，面形精度优于5µm，大大提高了加工效率，较传统铣磨成型加工周期可以提高35%～50%。图3为直径1.86m轻量化非球面反射镜。

图3 直径1.86m轻量化非球面反射镜Fig.3 Lightweight aspheric mirror with diameter of 1.86m

以高精度智能数控研抛和离子束加工为代表的确定性研抛加工技术，可实现对光学元件高效率、高精度的加工。高精度智能数控研抛技术将光学加工与先进的工业化机器人技术相结合，实现面形实时确定性修整，有效控制镜面中高频误差，实现对非球面反射镜表面品质（面形精度、粗糙度等）和表内品质（如亚表面损伤层等）的同时控制，如图 4所示。可实现面形精度优于 λ/70（RMS），残余高频误差优于λ/200（RMS）。面向超薄光学元件和超轻量化精密加工需求，离子束加工技术日趋成熟，可实现对光学元件非接触、确定性、纳米级可控去除，加工精度优于λ/100（RMS）。采用离子束加工，工件无承重、无边缘效应、无网格效应，对超轻、超薄空间光学零件加工具有极大的优势。

图4 智能机械手研拋Fig.4 Polishing with intelligent mechanical arm

空间光学系统的低应力、高精度装调技术极大地影响空间光学遥感器的在轨性能和稳定性。空间光学装调技术先后经历了“预留公差型装调技术”、“误差补偿型装调技术”和“全过程仿真像质预估装调技术”。全过程仿真像质预估装调技术将预留公差型与误差补偿型装调技术相结合，即在原有预留公差型装调技术基础上，利用现代化的测试技术和计算机技术，实时测量装调过程中的各控制参数；并根据测试结果对光学系统进行实时的像质仿真预估，再根据像质仿真预估的结果来指导、确定、调整相关参数。全过程仿真像质预估技术在反射式、折射式光学系统装调过程广泛使用，并且逐渐成为光学系统装调过程问题诊断及解决的有效方法。

计算机辅助装调是全过程仿真像质预估装调的核心技术。光学系统计算机辅助装调技术综合运用了现代光学测量技术、光学CAD技术、数学计算方法等多项技术，是对复杂、高精度光学系统进行可视、定量、有序、科学装调的技术及方法，是获得高品质光学系统必不可少的关键技术，其典型步骤如图 5所示[10]。

图5 计算机辅助装调Fig.5 Computer-aided optical assembly

空间光学元件加工和空间光学系统装调面临的一个共性问题是要在重力场条件下，制造出在零重力条件下具有良好性能的光学元件或光学系统。对于小尺寸光学元件和光学系统，可以通过提高刚度的方法，降低重力对系统的影响。随着空间光学系统焦距的不断增加和轻量化程度的不断提高，光学元件和光学系统受重力影响变形加剧，需要采取重力卸载技术加以解决，见图6[11]。

图6 重力卸载Fig.6 General view of gravity offloading configuration

对于轻量化率超过80%的大口径反射镜，装配误差、环境温度变化、零件残余应力等因素都会对反射镜的面形精度产生影响，必须在重力卸载的条件下通过微应力装调消除重力及各种扰动因素对装调结果的影响。近年来，通过工程实践发展出垂直装调以及背部多点自适应卸载技术，基于有限元分析结果设计的重力卸载装置，卸载精度可优于 λ/180（RMS）。研发出主动式多点支撑卸载装置及气囊卸载装置，采用大型气缸实现上百个点的支撑，使得大口径轻量化反射镜加工、测量精度不断提升[12]。另外，针对大口径轻量化反射镜组件及其整机的装配测试，发展完善了不同级别的自适应卸载技术，有力地保证了大口径空间光学系统在轨性能。

4 空间环境适应性与可靠性技术

空间光学遥感器从发射至入轨的飞行过程中要经历复杂力学环境考验，发射入轨后又长期处于微重力、高真空、交变热辐射环境中。空间光学系统从光学材料选择、光机元件设计到系统制造检测，必须考虑空间环境适应性要求。此外，由于空间光学系统很难在轨维护，必须在地面环境下进行充分试验验证，以暴露并消除设计和制造环节潜在的问题，提高仪器的可靠性和寿命。为了在地面充分考核光学遥感器的在轨性能，发展了空间光学遥感器热光学试验技术。该技术一般采用大型真空设备模拟在轨真空环境，配备低温热沉模拟在轨深低温冷背景，配备专门的外热流设备模拟在轨运行时光学遥感器的外热流变换，并配备长焦距真空平行光管等测量装置，对光学遥感器的性能进行测量。早期的热光学试验是热稳态试验，在相对稳定的极端外热流条件下进行光学测试。随着光学遥感器技术指标的提高，单纯的稳态试验已经无法真实反映出在轨真实的性能，瞬态热光学试验技术，可真实地模拟空间光学遥感器在轨运行时的外热流变化情况，在变化的各种阶段进行测试，提高了测试的真实性。随着技术的进步，目前建成了外形直径6.7m，配套50m可变焦距平行光管的大型真空环境试验测试系统，可以精确地模拟在轨环境，极限真空度达到5×10–5Pa，可以实现523K～23K的温度控制，控温精度小于±1℃，可以在模拟的在轨环境下实现大口径空间光学遥感器的集成检测和试验，验证遥感器设计的合理性并预估在轨成像品质[13-14]。

空间光学遥感器还需要采用在轨标定和测量/调整技术。在轨标定确定仪器的输入-输出关系，是满足遥感数据定量化应用的前提。在轨标定主要包括辐射定标、光谱定标、几何定标[15]。星上辐射定标一般采用灯定标、自然光源（太阳、月亮等）定标和黑体定标。“高分五号”卫星上的全谱段光谱成像仪通过漫反射板全光路全口径太阳定标，实现了可见光、近红外、短波红外波段的高精度绝对辐射定标，定标精度优于5%；通过黑体定标实现了中、长波红外谱段的绝对辐射定标，定标精度1K[16-18]。

5 发展展望

技术的发展日新月异，给空间光学技术的发展注入了新的活力。空间光学系统向高分辨率、高性能和高稳定性方向发展。

为了实现更高的分辨率，需要增大光学系统的口径，口径大于 4m的超大口径光学系统技术得到了迅速发展，主要包括分块可展开光学系统、衍射成像光学系统和在轨组装光学技术。先进光学系统的发展，带动了超轻型反射镜、薄膜反射镜、微纳加工技术的进步。目前在研的JWST望远镜的反射镜面密度达到 15kg/m2。超大口径光学系统的发展，带动了空间精密展开机构、空间机器人、波前传感与控制技术以及高精度激光测量等技术的发展。

简化系统的结构、减少质量和成本，实现更优的性能，一直是空间光学系统追求的目标。自由曲面光学系统和计算光学技术等先进技术的发展为提高系统的性能提供了新途径。自由曲面是一类非旋转对称、形状不规则的曲面结构，采用自由曲面能够为光学系统设计提供更大的自由度，使光学系统实现更加优异的光学性能。计算成像技术是通过联合光学和数字图像处理（或计算）的方法来产生传统光学系统极难获得或无法获得的图像：一方面，计算成像技术可以提供更优越的成像特性，包括视场范围、光谱分辨率、动态范围、时间分辨率等；另一方面，通过引入数字图像处理简化系统的复杂程度。

高的稳定性是保证空间光学系统成像品质的关键。新材料、新设计方法以及在轨主动检测和调整技术的发展，为系统的高稳定性提供了保证。超低膨胀复合材料的发展，使光学系统的结构具有更高的稳定性；热-光学的一体化设计，实现系统对热不敏感；自适应光学和主动光学技术的发展实现了系统误差在轨检测和调整，通过波前传感技术，探测和计算光学系统的波面像差，通过反射镜和变形镜等主动控制光学元件进行系统像差的校正，保证系统的在轨成像品质。

50年来，我国空间光学技术的发展，有力地支持了空间光学遥感器的研制，极大地推动了我国对地观测系统的发展，同时也牵引了光学设计、材料、加工、检测等技术的进步。当前，商业光学遥感产业飞速发展，国家高分辨率对地观测系统重大专项、空间基础设施、深空探测等项目深入推进，必将推动空间光学技术的快速发展。