1 引 言
空间望远镜是航天遥感器中重要的遥感器。利用搭载在航天器上的光学遥感器进行对地观测,具有速度快、视野广、覆盖范围大等优点。以往所设计的空间望远镜的F数都在10以下,而现今空间望远镜的发展趋势是轻型化与高分辨率,采用大F数(15~20)的光学系统,可以满足上述要求,且有利于增大焦距和视场。大F数可以使光学系统设计难度相对降低并能使可行解域拓宽,利于合理安排结构布局,以解决一般长焦距光学系统消杂光困难的问题。
本文重点介绍了大F数(17)空间望远镜在选择不同入射光的波长时,奈奎斯特(Nyquist)频率处的实验室静态传递函数(MTFfN)的变化规律,分析结果表明大F数空间望远镜其入射光平均波长愈短,它的传递函数值愈高,愈能满足对地面分辨率的要求。但减小入射光波长,会使探测器的灵敏度降低,需要采用TDI CCD元件,弥补灵敏度下降所造成的影响。
2 相对孔径大小与波长之间的关系
在空间望远镜系统中,f为系统的焦距,a为CCD像元尺寸,α为望远镜极限分辨角,根据瑞利判据可知,望远镜的分辨率公式为:
式(4)表明,当探测器的空间频率不变时,既探测器的像元尺寸即不变,那么,波长愈小,望远镜的F数愈大。
3 相机的静态传递函数(MTFfN)
MTF是空间望远镜系统再现图像质量的主要标准,因此MTF是评价望远镜的关键指标,一般对望远镜实验室传递函数提出明确的要求是MTFfN≥0.2。
望远镜的实验室MTF用下式计算:
式中:
MTFfN—望远镜系统的实验室MTF(fN频率处,以下同);
MTFO—光学系统的MTF;
MTFT—CCD探测器的MTF;
MTFS—信号链路的MTF;
MTFΔf—相机调焦误差MTF;
MTFΔd—电荷移动的速度与像移速度不同的MTF;
MTFd—显示器的MTF;
望远镜系统的实验室静态MTF主要是由光学系统和CCD决定的,必须保证两者相乘的静态MTFfN≥0.2。本文简要讨论二者对望远镜MTF的影响,从而得出了要达到大F数的要求,需要选择较短的平均波长的结论。
4 入射光波长对大F数望远镜MTF的影响
4.1 探测器的MTF
影响CCD静态MTF的因素有三个:像元几何尺寸大小、扩散和电荷转移效率。对所有像元尺寸的CCD理论MTF为0.63[128];现代技术研制的CCD的电荷转移效率>0.999 95,对MTF影响可忽略,因此扩散是除像元几何尺寸外影响MTF的主要因素。在像元尺寸不变的情况下,随着入射光波长的增加,在探测器材料深处发生光吸收,使MTF值下降。图1是某种像元尺寸CCD的MTF与波长的关系。
从图1中可以看出,当波长λ<0.6μm时,MTF基本不变;λ>0.6μm时,MTF明显下降。
4.2 光学系统的MTF
由于实际光学系统有像差,还有遮拦,MTF要下降;光学零件加工、系统装调等因素都会影响系统的MTF,实际光学系统的MTF低于光学设计的MTF。实际光学系统的MTF等于光学设计MTF乘以实际光学系统的MTF质量因子,通常质量因子为0.8~0.85。本文采用焦距2 m,F数分别是1/17与1/10的三反望远镜系统为例进行分析比较,图2为不同F数的三反系统结构简图。
对两种F数下的光学系统,在入射光波段0.4~0.6μm与0.7~0.9μm时光学设计MTF的比较结果如图3~图5所示。
从以上三幅图中能够看出:在同一CCD像元尺寸下,光学系统的F数愈大,需要入射光的平均波长愈短,才能达到系统对地分辨率的要求。图6表示了CCD像元尺寸为10μm时,入射光平均波长与F数为17的光学系统MTF值曲线图。表1列出了CCD像元尺寸为10μm时,不同入射光波长对F数为17的上述光学系统配用时的MTF值。
4.3 望远镜静态MTF
本文列举了在不同的入射光波长下,像元尺寸为10μm CCD的MTF与上述F数为17的光学系统配用,计算相机静态MTF,如表2所示。
从表2可以看出,当入射光波长为0.4μm时,望远镜静态MTFfN值最大,满足设计要求;当入射光波长>0.6μm时,望远镜静态MTFfN均<0.2,不满足设计要求。
4.4 望远镜探测器光谱灵敏度分析
绝对光谱灵敏度特性Sλ(λ)是光波波长与绝对灵敏度之间的关系,通常以曲线表示。当入射光波长在λ1~λ2范围内的多色光灵敏度如下式:
图7是美国DALSA公司研制的像元尺寸10μm的CCD光谱灵敏度曲线,从图7中可以看出入射光的波段在0.4~0.6μm时,探测器的灵敏度较低,大约是波段在0.7~0.9μm探测器的60%。因此,可采用TDI CCD元件来弥补灵敏度下降所造成的影响。
5 小 结
本文通过改变入射光的平均波长,分析了大F数望远镜系统在奈奎斯特频率处实验室静态传递函数的变化规律,进而论证了大F数望远镜的可行性。通过上述分析,得出以下结论:
(1)对于大F数的空间望远镜(如本文中的F=17),其入射光的波长愈短,望远镜的静态愈大,能满足对地面的分辨率的要求。
(2)随着入射光波段的减小,望远镜探测器的灵敏度也随之降低,可采用TDI CCD技术以拟补灵敏度下降所造成的影响。
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作者简介:金 光(1958-),男,1982年毕业于长春光学精密机械学院精密仪器系,研究员,博士生导师,主要从事空间遥感器总体研究工作。E2mail:jing@ciomp.ac.cn
