宽覆盖、离轴空间相机光学系统的设计

    1 引 言

    目前,在空间对地观测遥感领域中,无论是军事还是民用领域都在努力发展高分辨力的空间相机,并要求相机在多光谱条件下,具有大视场、高分辨率、体积小、无色差、平像场。当工作轨道高度和探测器尺寸一定时,增大焦距,可以提高对地面像元的分辨率。但是,焦距增大时,系统尺寸也将随着增大,体积大对航空和航天产品非常不利。对于长焦距光学系统,折射系统和折反系统存在二级光谱,不易校正[1];反射系统不产生色差,无二级光谱,使用波段范围宽,而且孔径可以做得较而且通过使用非球面来校正像差,可以使结构简单,像质优良。目前已有学者在这方面做了不少工作[2_6]。最常用的卡氏系统也同样具有上述优点,但其视场小,且存在残余场曲;同轴的三镜消像散反射系统(TMA)由于中心遮拦的影响,减少了进入系统的能量,降低了系统的传函值。离轴TMA避免了中心遮拦,传函值可做到较高。本文探讨一种离轴TMA,系统焦距为6 m,视场可达到5b@0.2b,对地面有较大的覆盖范围,且筒长较短,成像质量接近衍射极限。

    2  光学系统分析

    在无像差光学系统中或者系统的像差足够小时,光学系统口径的衍射决定了系统的最高分辨率。衍射对系统分辨率的影响由艾利斑直径d来表征:

    其中:K为波长,f为光学系统焦距,D为光学系统口径。

    光学系统的成像质量最好能做到衍射极限,即像斑直径最小为衍射极限。系统焦距f与探测器单元尺寸D有如下的关系:

    式中:H为卫星轨道高度,s为地面线分辨率。地面覆盖宽度:

Q =2•H•tanX, (3)

    式中:Q为地面覆盖宽度,X为系统的半视场角。由上式可知,在波长、卫星高度和探测器尺寸D确定后空间分辨率与光学系统相对孔径有关,当光学系统口径一定时,在相同的轨道高度条件下,增大焦距可以提高地面分辨率,增大系统的视场角可以扩大对地面的覆盖宽度。同时,增大系统的口径有利于提高空间光学系统的性能。但在研制长焦距或超长焦距光学系统时,较少采用大口径的折射和折反射系统。主要原因为二级光谱消除困难;其次大尺寸、高光学均匀性的材料较难熔炼、对加工与装调要求极高,而且对环境温度和压力的变化也特别敏感。相对而言,反射式系统具有以下优势:

    (1)不存在任何色差,二级光谱也就不存在,因此可以用于很宽的谱段成像,特别适用于卫星遥感侦察和多光谱成像的光学系统;

    (2)零件数相对较少,质量轻,可以设计成轻量化结构进一步减轻质量,这正是空间光学系统所需要的;