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空间光学

2012-11-23 21:40:46 来源:

   空间光学是在高层大气和大气外层空间,利用光学设备对空间和地球进行观测与研究的一个应用学科分支。 

  具体来说,对地球观测,主要是利用仪器通过可见光和红外大气窗口探测并记录云层、大气、陆地和海洋的一些物理特征,从而研究它们的状况和变化规律。在民用上解决资源勘查(包括矿藏、农业、林业和渔业等)、气象、地理、测绘、地质的科学问题;在军事上为侦察、空间防御等服务。

 

  对空间(天体)观测和研究,主要是利用不同波段及不同类型的光学设备,接收来自天体的可见光、红外线、紫外线和软X射线,探测它们的存在,测定它们的位置,研究它们的结构,探索它们的运动和演化规律。例如,对太阳观测主要是研究太阳的结构、动力学过程、化学成分及太阳活动的长期变化和快速变化;对太阳系内的行星、彗星以及对银河系的恒星等天体的紫外线谱、反照率和散射的观测,确定它们的大气组成,从而建立其大气模型。

 

              

 

  从空间对地球和对天体进行观测时,摆脱了在地面进行观测时大气带来的种种限制,是科学上的一大进步。众所周知,地球周围存在着稠密的大气层,恰恰是这层大气,多年来限制着人们从地面和低空间对天空的观测和研究。

 

  太阳是强大的辐射体,它的辐射度最大值处于波长为0.47微米处,而辐射能的46%在0.4~0.7微米可见光谱段。当太阳光经过大气层时,由于大气的种种作用,使它的能量衰减,投射到地面的太阳光的短波部分被截止在0.3微米处,X射线和γ射线就更难到达地面,在红外波段上,波长越长吸收越强。同时,即使在大气窗口可见光3000~7000埃和近红外几个波段的太阳光也还要受到大气的折射和湍流的影响,致使光学仪器的空间分辨率大大下降。

 

             

 

  在空间对空观测和研究超越了大气层这个屏障,实现了可见光、红外线、紫外线、X射线和γ射线全电磁波段探测,提高了测量精度。例如,据估计美空间望远镜只有2.4米的口径,其分辨率比地面五米口径的海尔望远镜高十倍;此外,还可进行全天时的巡天观测。

 

  空间光学的历史如果从20世纪40年代发射探空火箭和发送气球算起,至今才不过五六十多年,然而它的发展是十分引人注目的。

 

  1946年利用V-2火箭发射摄谱仪探测了来自空间的紫外线;1957年苏联发射了第一颗人造卫星。人造卫星的发射标志着空间时代的到来。自此,空间光学开始了蓬勃发展的时期。

 

  60年代以后,美国相继发射持续对整个太阳观测的轨道太阳观测台(OSO)系列,苏联发射了一系列天文卫星,欧洲空间局也发射了特德-1A(TD-1A)卫星。不过它们所带有的光学设备大都工作在紫外和X射线波段。从60年代中期到70年代初,美国共发射了3个轨道天文台(OAO),其中OAO-3上装有一架口径91厘米的卡塞格伦式紫外望远镜,工作波段为1000~4000埃,空间分辨率为5角秒。1973年美国发射了载人天空实验室,上面的阿波罗望远镜装置是一组观测太阳的光学设备,它的发射使从空间对太阳的观测发展到一个新的阶段。

 

  美国1978年发射的第二颗高能天文台(HEAO),它装有一架大型掠射X射线望远镜,口径为0.6米,焦距为3.4米,分辨率为1~2角秒。还有四种可更换的探测器:高分辨率成像器、晶体分光计、成像正比计数器、固体分光计。1983年1月26日世界上第一颗红外天文卫星发射成功,这颗卫星是由荷兰、美国和英国联合研制的,它装有一架口径为60厘米的红外望远镜,其灵敏度比至今所使用的同类仪器高得多。

 

  总的看来,至今在红外波段使用的空间光学系统主要是红外望远镜。如上述第一颗红外天文卫星装的红外望远镜,它采用的是一个相当紧凑的双反射镜式的卡塞格伦光学系统,反射镜及支架采用重量轻、强度高的铍合金制造。主镜口径为60厘米,焦比为f/10,次镜由主镜的遮光板的环支撑,探测器为焦平面组件。

 

  整个系统(包括遮光罩、防反射板及内部热屏)都置于一个致冷的真空系统中。冷却系统对不同的部件采用不同冷却温度,对探测器和它的前置放大器、场镜及滤光片致冷到3K,对光学系统致冷到10K,对遮光板冷到16K。据称,其灵敏度比至今所使用的同类仪器高100倍。

 

  在紫外波段使用的空间观测设备主要有太阳远紫外掠射望远镜、远紫外太阳单色光照相仪,远紫外分光计──太阳单色光分光计、紫外线谱仪、紫外宽带光度计等。它们所用的探测器与可见光观测仪器类似,有照相乳胶、光电倍增管和像增强器。还可以使用气态电离室和正比计数器。

 

  在X射线波段上使用的仪器主要有各种X射线望远镜、太阳X射线分光计、太阳X射线单色光照相仪,以及各种类型的X射线探制器等。

 

  美国天空实验室上装的S-056X射线望远镜,全长为253.7厘米,直径为40.3厘米,重量为104.3千克,主望远镜结构由两维波管构成。前管安装石英掠入射x射线反射镜组件,后管安装照相机机构和胶片暗盒。光学系统按X射线掠入射的全反射原理设计,由一个凹面掠入射抛物面和后面紧接着一个凹面双曲面所纽成。焦距为190.3厘米,集光面积为14.8千方厘米,掠入射角为0.916度。在两反射镜相交处的反射镜内径为24.4厘米,有效视场为38角分,有效焦比为f/44。该望远镜工作波段在6埃以上所有X射线波长范围内,具有很高的灵敏度和空间、时间分辨率。

 

  空间光学系统的发展在于追求必要的精度和光谱、时间、空间分辨率,这与新技术、新器件以及信息传输与处理技术密切相关。今后发展的趋势是发展多元线阵CCD成像器件和大型二维阵列焦平面探测器的自描大型成像系统、发展数据控制技术、改善星上和地面的数据处理,缩短处理时间和降低成本;使用X射线天文物理设备扩大高能天文观测能力;利用太阳地球观测台更详细地研究太阳-地球环境。

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