发布日期：2024-10-06 20:55 点击次数：202
“天问一号”拍火星的相机不一般立花里子种子
■孟庆宇
●在距见识200千米开外即可“知秋一叶”
●凭壮健“骨骼”既身轻如燕又牢不能破
●像拖布定向拖地同样可结束“推扫成像”
前不久，国度航天局公布了“天问一号”传回的首幅火星图像。此图像是“天问一号”高分散率相机在距离火星约220万千米处拍下的。图中，火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑以及最长峡谷——水手谷等记号性地貌赫然可见。
图像一公布，就勾引了全天下的眼神。这部高分散率相机，也一度成为东说念主们眼中的“明星”。
高分散率的深邃：长焦距离轴光学系统
这部高分散率相机，能在距离见识265千米处结束0.5米分散率的光学成像。这就如同站在长春市中心不雅看沈阳市中心的一台轿车，致使不错分散出是三厢车还是两厢车，满盈称得上是“知秋一叶”。具备这一不凡功力，领先要成绩于先进的光学系统。
光学系统是相机的中枢部分，它能将辽远的景物成像在感光元件上，从而结束影相功能。像素分散率是咱们最蔼然的相机性能酌量，示意像片上的1个像素对应辽远被拍摄景物的尺寸。证据几何光学物像关系，分散尺寸、影相距离(卫星漂荡高度)、焦距、像元尺寸等4个参数，组成一个相似三角形的几何关系。从这个关系不错得出，相机分散率越高，光学系统焦距就越长，相应的镜头口径就越大。
袖珍光学系统，如常见的铺张级单反镜头、手握千里镜等，基本上由光学玻璃制造的透镜组成，其特色是焦距短、分散率低。由于大尺寸的优质光学玻璃难以制造，且光学玻璃自己力学、热学性能欠佳，容易产生色差，因此长焦距大口径的光学系统基本罗致反射式光学结构。
五月色图在反射式光学系统中，透镜功能由反射镜代替。其中，可使后光汇注的凸透镜由凹面反射镜代替，可使后光发散的凹透镜由凸面反射镜代替。大型天文千里镜以及高分散率航天相机中，均使用反射式光学系统。
反射式光学系统按照光轴本性可分为两大类：同轴光学系统和离轴光学系统。
同轴光学系统中，每个反射镜王人是旋转对称的。这一特色，使得反射镜的加工难度与光学系统的装调集成难度王人相对较小。受限于制造水平，大部分反射式光学系统基本上罗致同轴结构体式。
离轴光学系统中，大部分反射镜莫得旋转对称轴，反射镜位置的空间布局更为复杂。这种非对称光学系统的反射镜加工难度与系统装调集成难度王人很大。
固然离轴光学系统结束难度大，但其性能有许多过东说念主之处。最病笃的极少等于，在离轴光学系统的成像光路中，任何一个反射镜王人不会对其他反射镜形成孔径障翳，从而使光学系统有用口径缩小。
光能量的相聚智商决定着光学系统的分散率。比如，在同轴系统中，次反射镜会对主反射镜形成孔径障翳；若是反射镜数目增加，形成的障翳效应也越大。这种嗅觉就像在眼镜中心贴上一派玄色不透光的胶布，不仅影响了本应该被眼睛相聚的光能量，同期也形成光学系统分散率下落。具有相通光学口径的离轴光学系统，比同轴光学系统有更强的分散智商。
“天问一号”高分散率相机的光学系统，罗致了不具有孔径障翳的长焦距离轴三反射镜光学系统，由3个具有光焦度的反射镜和一个不具有光焦度的平面反射镜组成。
光学系统焦距拉长，镜头尺寸也随之增长。为了压缩体积尺寸，妥当深空探伤任务中相机分量资源极为有限的要求，高分散率相机光学系统中的3个非球面反射镜，罗致了高陡度大偏离量的高次非球面。花式团队克服光学系统想象、加工与检测等重重难题，最终将光学系统主反射镜与次反射镜之间的距离收缩至750毫米以内。这关于焦距为4640毫米、视场角为2°的离轴反射式光学系统，体积尺寸说明极为优秀。
另外，为使光学系统在具有渊博成像质地的同期，尽可能保证较为宽松的装置公役，花式团队在光学系统想象历程中，应用了低明锐度光学系统想象措施。
超轻量化与超相识性的法门：全碳化
光机结构是相机的“骨骼”，为光学、电子学和热控等系统提供赞助，确保光学系统位置气象的相识。由于空间相机的光学系统极为精密，光学反射镜需要按想象位置高精度安放，能力确保光学系统渊博的成像质地。
火星探伤器辐射时，对相机的冲击升沉极大，光机结构需要在剧烈变化的力学环境中，使相机中每个光学元件保握位置相识性，确保每个元件的位置变动在5微米内。这就需要相机的“骨骼”极为壮健，也等于专科上所说的“结构应具有高刚度”。
关联词，深空探伤分量可分派资源极为有限。这部焦距近5米的相机，可想象质地仅为43千克，何如使光机结构想象得既“身轻如燕”又“牢不能破”，是一项极具挑战性的任务。经过科学论证，花式组提议了“全碳化”相机的想象理念。
在光学反射镜材料上，主反射镜与三反射镜均使用了具有低密度、高弹性模量、高热导率和低热推广通盘的碳化硅材料。通过想象，反射镜在87%轻量化率的情况下，仍能保证渊博的力学性能。
相机结构的框架，由碳化硅铝基复合材料制成。通过优化想象，详情框架的材料溜达，形成加强筋与薄板组合的轻量化结构，轻量化率达到90%以上，且具有很高的结构刚度。联贯框架的赞助杆，由高模量碳纤维复合材料制成，每根近1米长的赞助杆，分量仅500克傍边。
这么高轻量化的光机结构，在火箭辐射冲击振动等严苛力学环境下，可保证光学反射镜的间距最大变动量不出奇5微米。关于750毫米傍边的反射镜想象间距来讲，相对变化量不到十万分之一，真的算得上是“牢不能破”。
一机完成多种任务的要道：两种“视网膜”
焦面成像探伤器是相机的“视网膜”，光学系统将景物成像在探伤器上，从而完成拍摄。
为了赢得更多的科学产出，高分散率相机酌量了多个科学见识：包括对火星名义重心区域邃密不雅测、遥远重访覆盖不雅测，对着陆区域高分散率不雅测，对火星天气风光动态不雅测等。不同的科学见识，需要用到的“视网膜”也不相通。
高分散率相机充分应用私有的光学视场，在一个像面上神秘地开发了两种类型的成像探伤器：多光谱TDI-CCD探伤器和全色面阵CMOS探伤器。3片多光谱TDI-CCD探伤器呈“品”字形布局在像面，2片全色面阵CMOS探伤器则溜达在像面两头。
TDI-CCD探伤器是一种线阵成像的探伤器，成像时通过景物与探伤器的相对畅通而束缚输出图像。这种成像阵势叫作“推扫成像”，其使命旨趣就像拖布定向拖地同样，所拖过的区域是完成的成像区域，拖布的宽度等于成像的幅宽。这雷同于咱们拍大合影时的改变影相，像片的长度标的是TDI-CCD“推扫成像”标的，亦然相机和卫星的漂荡标的，像片宽度则是成像幅宽。
高分散率相机的TDI-CCD探伤器建立有全色、彩色(红、绿、蓝)与近红外5个成像谱段，不错同期推扫出全色图像、RGB彩色图像、近红外图像。“天问一号”高分散率相机在距火星名义约330～350千米高度拍摄的0.7米分散率全色图像，即是应用TDI-CCD探伤器推扫拍摄的。
全色面阵CMOS探伤器与咱们宽泛使用的单反相机的探伤器功能同样，既可结束画幅面阵成像，又可结束视频成像。“天问一号”高分散率相机在距离火星约220万千米处拍摄的首幅火星图像，等于全色面阵CMOS探伤器的极品。
(作家系中国科学院长春光机所副探究员、“天问一号”高分散率相机副主任想象师)
版式想象：梁 晨
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