应用SiC反射镜表面改性技术提高TMC光学系统信噪比

　　1　引　言

　　反射式光学系统是用于空间观测的常用光学系统之一,和透射式光学系统相比,反射式光学系统没有色散,避开了长焦距透射式光学系统的二级光谱校正问题,而且具有在空气环境和真空环境下焦面位置相同的性质,因此该类系统在地面条件下确定焦面后就可在真空环境中使用[1-3]。空间观测技术的飞速发展,使得大口径反射镜光学系统的需求日益迫切,反射镜作为反射式光学系统的核心部件,其物理性能和机械性能的要求越来越高。SiC是一种性能优良的空间反射镜镜体材料,具有高比刚度、高热稳定性、高轻量化比、近净尺寸成型等诸多优点,因此引起了各国相关研究机构的高度关注,并取得了一系列的成果。但是SiC材料固有的缺陷,亦使得SiC镜体的表面存在孔洞或台阶状结构,从而造成了即使经过精密抛光,其表面的散射依然很严重的后果,即使镀制反射膜其反射率仍不高,难以满足可见光波段的需求。对于多次反射的反射式光学系统,还会出现系统能量降低的现象,对光学系统的信噪比有明显的影响。SiC表面改性技术是一种有效地消除SiC反射镜缺陷的技术[4-9]。现今,国际上通行的SiC表面改性技术是在SiC反射镜表面镀制一层性质接近于反射镜镜体材料的改性层(通常为Si或者SiC),然后对改性层进行精密光学抛光,来获得超光滑的镜面。一般来说,改性层是具有一定厚度的致密膜层,可以覆盖在镜体表面修复存在缺陷的镜体;另外,改性层具有更好的抛光特性,易于获得均匀且粗糙度小的镜面;而且,粗糙度的改善可以提高反射率。由于反射式光学系统的信噪比和反射率有直接的关系,因此应用该技术后,可以显著地提高反射式光学系统的信噪比。

　　2　光学系统设计

　　本文设计的是一个同轴三反(TMC)光学系统,其光谱为0.5~0.8μm;地面像元分辨率≤1.0 m(500 km轨道高度);相机视场角≥2°;光学设计传递函数(MTF)≥0.45(奈奎斯特频率)。像面上所成的像是一条窄长的像面,因此可以用轴外的一条窄长的像面,以使TMC光学系统避免二次遮拦。利用3个面的非球面系数可以校正球差、慧差和像散,合理分配3个反射镜的曲率半径校正场曲。同卡塞格林系统相比,TMC系统的视场大,中心遮拦小,可以取更小的相对孔径,而且系统总长度较小,在这方面TMC系统有明显优势。对于具体的计算方法,本文不做过多的阐述,这里只给出最后的设计结果。

　　表1是使用CODE V进行光学系统设计的最终结果,光学系统包括了主镜、次镜、三镜和折叠镜4块反射镜,其中折叠镜除了折叠光路外,还具有调焦的功能。

　　图1(a),(b)分别是设计的TMC系统的2D和3D光路图。