大F数高分辨率空间望远镜光学系统

　　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。