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光行天下 -> 光學(xué)設(shè)計及經(jīng)驗 -> 空間光學(xué)概述 [點此返回論壇查看本帖完整版本]

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lilic

2009-03-06 22:27

空間光學(xué)概述

空間光學(xué)是在高層大氣和大氣外層空間，利用光學(xué)設(shè)備對空間和地球進行觀測與研究的一個應(yīng)用學(xué)科分支。

具體來說，對地球觀測，主要是利用儀器通過可見光和紅外大氣窗口探測并記錄云層、大氣、陸地和海洋的一些物理特征，從而研究它們的狀況和變化規(guī)律。在民用上解決資源勘查(包括礦藏、農(nóng)業(yè)、林業(yè)和漁業(yè)等)、氣象、地理、測繪、地質(zhì)的科學(xué)問題；在軍事上為偵察、空間防御等服務(wù)。

對空間(天體)觀測和研究，主要是利用不同波段及不同類型的光學(xué)設(shè)備，接收來自天體的可見光、紅外線、紫外線和軟 X射線，探測它們的存在，測定它們的位置，研究它們的結(jié)構(gòu)，探索它們的運動和演化規(guī)律。例如，對太陽觀測主要是研究太陽的結(jié)構(gòu)、動力學(xué)過程、化學(xué)成分及太陽活動的長期變化和快速變化；對太陽系內(nèi)的行星、彗星以及對銀河系的恒星等天體的紫外線譜、反照率和散射的觀測，確定它們的大氣組成，從而建立其大氣模型。

從空間對地球和對天體進行觀測時，擺脫了在地面進行觀測時大氣帶來的種種限制，是科學(xué)上的一大進步。眾所周知，地球周圍存在著稠密的大氣層，恰恰是這層大氣，多年來限制著人們從地面和低空間對天空的觀測和研究。

太陽是強大的輻射體，它的輻射度最大值處于波長為0.47微米處，而輻射能的46%在0.4～0.7微米可見光譜段。當(dāng)太陽光經(jīng)過大氣層時，由于大氣的種種作用，使它的能量衰減，投射到地面的太陽光的短波部分被截止在0.3微米處，X射線和 γ射線就更難到達地面，在紅外波段上，波長越長吸收越強。同時，即使在大氣窗口可見光3000～7000埃和近紅外幾個波段的太陽光也還要受到大氣的折射和湍流的影響，致使光學(xué)儀器的空間分辨率大大下降。

在空間對空觀測和研究超越了大氣層這個屏障，實現(xiàn)了可見光、紅外線、紫外線、X射線和γ射線全電磁波段探測，提高了測量精度。例如，據(jù)估計美空間望遠鏡只有2.4米的口徑，其分辨率比地面五米口徑的海爾望遠鏡高十倍；此外，還可進行全天時的巡天觀測。
　
空間光學(xué)的歷史如果從20世紀(jì)40年代發(fā)射探空火箭和發(fā)送氣球算起，至今才不過五六十多年，然而它的發(fā)展是十分引人注目的。

1946年利用V-2火箭發(fā)射攝譜儀探測了來自空間的紫外線；1957年蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星。人造衛(wèi)星的發(fā)射標(biāo)志著空間時代的到來。自此，空間光學(xué)開始了蓬勃發(fā)展的時期。

60年代以后，美國相繼發(fā)射持續(xù)對整個太陽觀測的軌道太陽觀測臺(OSO)系列，蘇聯(lián)發(fā)射了一系列天文衛(wèi)星，歐洲空間局也發(fā)射了特德-1A(TD-1A)衛(wèi)星。不過它們所帶有的光學(xué)設(shè)備大都工作在紫外和 X射線波段。從60年代中期到70年代初，美國共發(fā)射了3個軌道天文臺(OAO)，其中OAO-3上裝有一架口徑91厘米的卡塞格倫式紫外望遠鏡，工作波段為1000～4000埃，空間分辨率為5角秒。1973年美國發(fā)射了載人天空實驗室，上面的阿波羅望遠鏡裝置是一組觀測太陽的光學(xué)設(shè)備，它的發(fā)射使從空間對太陽的觀測發(fā)展到一個新的階段。

美國1978年發(fā)射的第二顆高能天文臺(HEAO)，它裝有一架大型掠射 X射線望遠鏡，口徑為0.6米，焦距為3.4米，分辨率為1～2角秒。還有四種可更換的探測器：高分辨率成像器、晶體分光計、成像正比計數(shù)器、固體分光計。1983年1月26日世界上第一顆紅外天文衛(wèi)星發(fā)射成功，這顆衛(wèi)星是由荷蘭、美國和英國聯(lián)合研制的，它裝有一架口徑為60厘米的紅外望遠鏡，其靈敏度比至今所使用的同類儀器高得多。

總的看來，至今在紅外波段使用的空間光學(xué)系統(tǒng)主要是紅外望遠鏡。如上述第一顆紅外天文衛(wèi)星裝的紅外望遠鏡，它采用的是一個相當(dāng)緊湊的雙反射鏡式的卡塞格倫光學(xué)系統(tǒng)，反射鏡及支架采用重量輕、強度高的鈹合金制造。主鏡口徑為60厘米，焦比為f/10，次鏡由主鏡的遮光板的環(huán)支撐，探測器為焦平面組件。

整個系統(tǒng)(包括遮光罩、防反射板及內(nèi)部熱屏)都置于一個致冷的真空系統(tǒng)中。冷卻系統(tǒng)對不同的部件采用不同冷卻溫度，對探測器和它的前置放大器、場鏡及濾光片致冷到3K，對光學(xué)系統(tǒng)致冷到10K，對遮光板冷到16K。據(jù)稱，其靈敏度比至今所使用的同類儀器高100倍。

在紫外波段使用的空間觀測設(shè)備主要有太陽遠紫外掠射望遠鏡、遠紫外太陽單色光照相儀，遠紫外分光計——太陽單色光分光計、紫外線譜儀、紫外寬帶光度計等。它們所用的探測器與可見光觀測儀器類似，有照相乳膠、光電倍增管和像增強器。還可以使用氣態(tài)電離室和正比計數(shù)器。

在 X射線波段上使用的儀器主要有各種 X射線望遠鏡、太陽 X射線分光計、太陽 X射線單色光照相儀，以及各種類型的 X射線探制器等。

美國天空實驗室上裝的S-056X射線望遠鏡，全長為253.7厘米，直徑為40.3厘米，重量為104.3千克，主望遠鏡結(jié)構(gòu)由兩維波管構(gòu)成。前管安裝石英掠入射x射線反射鏡組件，后管安裝照相機機構(gòu)和膠片暗盒。光學(xué)系統(tǒng)按 X射線掠入射的全反射原理設(shè)計，由一個凹面掠入射拋物面和后面緊接著一個凹面雙曲面所紐成。焦距為190.3厘米，集光面積為14.8千方厘米，掠入射角為0.916度。在兩反射鏡相交處的反射鏡內(nèi)徑為24.4厘米，有效視場為38角分，有效焦比為f/44。該望遠鏡工作波段在6埃以上所有 X射線波長范圍內(nèi)，具有很高的靈敏度和空間、時間分辨率。

空間光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展在于追求必要的精度和光譜、時間、空間分辨率，這與新技術(shù)、新器件以及信息傳輸與處理技術(shù)密切相關(guān)。今后發(fā)展的趨勢是發(fā)展多元線陣CCD成像器件和大型二維陣列焦平面探測器的自描大型成像系統(tǒng)、發(fā)展數(shù)據(jù)控制技術(shù)、改善星上和地面的數(shù)據(jù)處理，縮短處理時間和降低成本；使用 X射線天文物理設(shè)備擴大高能天文觀測能力；利用太陽地球觀測臺更詳細地研究太陽-地球環(huán)境。

其它光學(xué)分支學(xué)科：

光學(xué)、幾何光學(xué)、波動光學(xué)、大氣光學(xué)、海洋光學(xué)、量子光學(xué)、光譜學(xué)、生理光學(xué)、電子光學(xué)、集成光學(xué)、空間光學(xué)。

其它物理學(xué)分支學(xué)科：