一种基于像方指向的望远镜关键技术分析

　　0 引 言

　　对于空间遥感成像望远镜而言，大视场成像技术已经成为一个重要的发展方向。当望远镜的运行轨道高度确定后，要使空间遥感器满足大视场、高分辨率要求，除了要求光学系统有大视场角之外，还要求遥感器具有大尺寸像面。虽然目前成像探测器的规模正不断发展，但仍不能满足一些空间遥感器的要求。因此，需要采取探测器拼接手段得到大规模探测器焦平面。例如 LSST 望远镜[1]和 JWST 天文望远镜[2]均采用了探测器拼接技术[3-4]。

　　常见的探测器拼接方式有光学拼接[5]和机械拼接[6]。其中光学拼接是利用分光棱镜将光束分成等光程的几束光并分别在探测器上成像，然后借助电子学图像处理方式对各像面数据进行处理得到完整的成像信息。机械拼接方式主要是直接将探测器各个邻边对齐得到大的焦平面。采用一般的光学拼接形式容易受到材料和胶合的制约，且容易引入色差，对于空间遥感器而言是不利的。采用直接式拼接方法要求探测器两端连接处为有效像元，这对于封装好的单个探测器而言是很难做到的。为此，本文提出了一种采用反射镜进行像方指向，并结合探测器机械交错拼接得到完整的大视场像面图像信息的成像方法。

　　1 望远镜主光学系统

　　本文所应用的望远镜系统为透射式望远镜，其主光学系统为一组透镜，后光路为像方反射镜及焦平面。该透射式望远镜主光学系统的口径约为 100 mm，工作波段为可见光，像面大小约为 120 mm×90 mm。由于该主光学系统所采用的透镜数量多，口径大，为了保证系统的光学效率和成像质量，需要对望远镜的支撑结构及装配公差等因素进行综合考虑。

　　本文采用一体式镜筒支撑方案可以较为方便地保证各光学元件的安装和定位。系统的装配公差主要为各透镜的倾斜、离轴以及各透镜之间的间隔公差。装调时，各个透镜之间通过隔圈的修配来实现间隔的保证，而光轴的调整通过可见对中仪进行，最后通过压圈对各个透镜进行定位。因此，该系统的装配公差主要靠压圈、隔圈的机械加工公差以及光学系统的装调来保证[7]。

　　2 像方指向系统

　　2.1 像方指向概述

　　所谓像方指向也即在望远镜成像焦面与主光学系统之间放置一个可绕主光轴旋转的反射镜，利用反射镜的不同指向来改变望远镜系统成像焦面的空间位置，并在每个焦面位置放置探测器。

　　本文采用 4 次指向工作，因此系统的成像焦平面分别投射在 4 个空间位置上。考虑到系统后光路较长，且焦平面较大，本文将 4 次指向分别放置在一个正八边形的 4 条相连的边上，并将反射镜放置在正八边形的中心位置上，从而可使整个望远镜空间布局紧凑，结构上规则，有利于装调和指向镜的步进指向。该望远镜整体结构示意图如图 1 所示。按照图中结构，定义主光学系统的光轴为 Z 轴，Z 轴正向为沿着主系统光轴远离指向镜，以 Z 轴与指向镜的交点为原点，定义通过各个焦平面中心点的平面定义为 XY 平面，其中 X 轴为水平方向，Y 轴为竖直方向。则通过像方指向镜可绕 Z 轴旋转，在 XY 平面内进行焦面的不同方向指向。根据正八边形指向结构，我们设计并加工了该望远镜，其结构如图 2 所示，图中为后视图，仅显示正八边形5 个边中的 3 个边。