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空間光學
作者:佚名    文章來源:不詳    點擊數:2328    更新時間:2007-2-13
     空間光學是在高層大氣和大氣外層空間,利用光學設備對空間和地球進行觀測與研究的一個應用學科分支。

    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律。在民用上解決資源勘查(包括礦藏、農業、林業和漁業等)、氣象、地理、測繪、地質的科學問題;在軍事上為偵察、空間防御等服務。

    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設備,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,研究它們的結構,探索它們的運動和演化規律。例如,對太陽觀測主要是研究太陽的結構、動力學過程、化學成分及太陽活動的長期變化和快速變化;對太陽系內的行星、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。當太陽光經過大氣層時,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。

    空間光學的歷史如果從20世紀40年代發射探空火箭和發送氣球算起,至今才不過五六十多年,然而它的發展是十分引人注目的。

    1946年利用V-2火箭發射攝譜儀探測了來自空間的紫外線;1957年蘇聯發射了第一顆人造衛星。人造衛星的發射標志著空間時代的到來。自此,空間光學開始了蓬勃發展的時期。

    60年代以后,美國相繼發射持續對整個太陽觀測的軌道太陽觀測臺(OSO)系列,蘇聯發射了一系列天文衛星,歐洲空間局也發射了特德-1A(TD-1A)衛星。不過它們所帶有的光學設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設備,它的發射使從空間對太陽的觀測發展到一個新的階段。

    美國1978年發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、成像正比計數器、固體分光計。1983年1月26日世界上第一顆紅外天文衛星發射成功,這顆衛星是由荷蘭、美國和英國聯合研制的,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系統主要是紅外望遠鏡。如上述第一顆紅外天文衛星裝的紅外望遠鏡,它采用的是一個相當緊湊的雙反射鏡式的卡塞格倫光學系統,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支撐,探測器為焦平面組件。

    整個系統(包括遮光罩、防反射板及內部熱屏)都置于一個致冷的真空系統中。冷卻系統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,對光學系統致冷到10K,對遮光板冷到16K。據稱,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。還可以使用氣態電離室和正比計數器。

    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,主望遠鏡結構由兩維波管構成。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和膠片暗盒。光學系統按 X射線掠入射的全反射原理設計,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,具有很高的靈敏度和空間、時間分辨率。

    空間光學系統的發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、新器件以及信息傳輸與處理技術密切相關。今后發展的趨勢是發展多元線陣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、發展數據控制技術、改善星上和地面的數據處理,縮短處理時間和降低成本;使用 X射線天文物理設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-地球環境。
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