卫星对地观测高分辨率光学系统和设计问题

　　1　引　　言

　　当像敏感器(如感光胶片和CCD等)选定以后,光学系统就是决定卫星对地观测相机的性能,体积和重量的首要因素。对地观测能达到的地面分辨率取 决于相机的角分辨率。为了获得高的相机角分辨率,就要求光学系统焦距很长,但由于受到口径的限制,相对孔径一般不允许很大,因此对于高的地面分辨率所需的 特征频率的传递函数都不高,同时在相机工作过程中,像质还要因受多种因素的影响而降低,因此要求光学系统的像质尽可能达到或接近衍射极限。另一方面为缩小 相机的体积和减轻重量,要求光学系统长度和体积尽可能的小,结构尽可能简单,这是一个很大的矛盾。此外,在光学系统设计时,还要考虑环境温度和气压变化对 光学系统的影响和采取措施消除或减弱因大气散射,云层反射和太阳光直射等因素产生的杂光以及在保证成像质量的前提下,使光学系统具有宽松的公差要求等许多 问题。

　　由于CCD的分辨率还远小于感光胶片的分辨率,因此为达到同样的相机角分辨率,CCD相机光学系统焦距要比感光胶片画幅式相机长许多倍,太长的 焦距会带来诸如体积、重量、材料和工艺方面的许多问题,甚至实现不了,因此为获得比较高的相机角分辨率,今后不仅需要线阵CCD推扫式相机,而且仍需要感 光胶片画幅式相机。根据焦距,相对孔径,视场以及波段的要求,相机的光学系统可采用折射式,折反射式和反射式等各种形式。下面分别进行讨论。

　　2　折射系统

　　二级光谱校正是光学系统设计时要解决的重要问题。校正二级光谱最有效的方法是采用有特殊色散的光学材料如CaF晶体,FK(氟冕)玻璃等。但有 特殊色散的光学材料的折射率温度系数为负值,即随温度的增加,折射率值降低,而普通光学玻璃的折射率温度系数为正值。这样一来,在消色差的透镜玻璃组合 中,因用特殊色散光学材料的透镜的光焦度为正,而用普通光学玻璃的透镜的光焦度为负,因此两种透镜因温度变化产生的对像面位移的贡献是叠加的,而不像全用 普通玻璃的消色差透镜组合对像面位移的贡献是相消的。所以用特殊色散光学材料校正二级光谱的光学系统,环境温度变化引起的像面位移是很大的,实际经验表明 都大大超过允许的范围。如图1为一用三块FK1玻璃校正二级光谱的光学系统,采用F线和C线消色差,二级光谱为0.18mm,如果允许像面位移产生的波差 为λ/8,则要求温度变化范围为±0.15°,这是很难实现的。

　　为了减小气压变化对像面位移的影响,在组成消色差的,产生正光焦度的透镜组合中,应选择阿贝数大的,即正透镜玻璃的折射率大于阿贝数小的,即负 透镜玻璃的折射率,其差别越大,受气压变化对像面位移的贡献越小[1]。一般光学系统都不满足这一要求,因此折射系统对气压变化要求都比较严。但特殊色散 光学材料的阿贝数比普通玻璃大,而折射率比普通玻璃低,这就更加重了气压变化对像面位移的影响。仍按λ/8要求,图1所示系统允许的气压变化仅为0.01 个大气压。