Möchten Sie ein Selfie auf dem Mars machen? Es sei denn, Sie haben das gleiche „Selfie-Artefakt“ wie „Tianwen-1“.

Am 15. Mai 2021 landete die Sonde Tianwen-1 erfolgreich auf dem Mars und stellte damit einen wichtigen Schritt auf dem Weg meines Landes zur interstellaren Erkundung dar. Im Handumdrehen ist dieser Reisende seit über einem Jahr auf dem Mars angekommen.

In diesem Jahr kann „Tianwen-1“ als „Selfie-Meister“ bezeichnet werden. Vom Nationalfeiertag über Neujahr bis hin zum Jahr des Tigers wird bei jedem wichtigen Ereignis ein „schönes Foto“ gemacht und zur Erde gesendet, um allen seine Gedanken und seinen Segen mitzuteilen. Denken Sie nicht, dass es einfach ist, ein Selfie zu machen. Ein gutes Selfie im Weltraum zu machen, ist eine sehr anspruchsvolle Aufgabe.

Das erste Bild des Mars, aufgenommen von Tianwen-1

Bildquelle: CCTV News

Werfen wir heute einen Blick auf das Selfie-Artefakt des „Selfie-Meisters“ Tianwen-1 – das außeraxiale optische Dreispiegelsystem – und lüften das Geheimnis seiner hochauflösenden Bildaufnahme.

Hochauflösende Bilder des Mars, aufgenommen mit der hochauflösenden Kamera von Tianwen-1

Bildquelle: CCTV News

Für klare Fotos sind Bodenabdeckung und Auflösung entscheidend

Von den ersten filmbasierten Weltraumkameras bis zu den heutigen Kameras mit CCD-Sensoren hat die Forschung an Weltraumkameras nie aufgehört. Unter ihnen haben sich CCD-Sensorkameras aufgrund ihrer geringen Größe, hohen Bildqualität, starken Vibrationsfestigkeit und Entstörungsfähigkeit allmählich zum Mainstream der Luft- und Raumfahrtkameras entwickelt.

CCD-Array, das im Bildgebungssystem Sloan Digital Sky Survey verwendet wird

Bildquelle: Wikipedia

Wie berechnen wir also die Auflösung von Bildern, die von Weltraumkameras aufgenommen werden? Es ist lediglich notwendig, die CCD-Weltraumkamera am Flugzeug zu montieren. Gehen Sie davon aus, dass der Abbildungswinkel der Weltraumkamera parallel zum Boden ist. Stellen Sie zu diesem Zeitpunkt den Abstand zwischen dem Flugzeug und dem Boden auf H, die Brennweite des optischen Systems der Weltraumkamera auf f, die Länge des Pixels auf d, die Anzahl der Pixel in der Brennebene auf n und die von jedem Pixel abgedeckte Bodenbreite W als Bodenpixelauflösung der Kamera ein. Je kleiner der Wert, desto höher die Auflösung.

Funktionsprinzipdiagramm des linearen Array-CCD-Bildsensors

Bildquelle: Referenz [1]

Auf diese Weise können wir den Ausdruck der Bodenpixelauflösung (GSD) einer CCD-Weltraumkamera durch das Ähnlichkeitsprinzip von Dreiecken erhalten:

Die Breite der Bodenbedeckung ist proportional zur Anzahl der Pixel des Bildsensors und der Ausdruck für W lautet:

Wenn Sie den Beobachtungsbereich und die Klarheit von Luft- und Raumfahrtkameras verbessern möchten, müssen Sie die Bodenabdeckung und Auflösung der Kamera verbessern.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass die Bodenpixelauflösung der Weltraumkamera durch eine Verringerung der Umlaufbahnhöhe, eine Erhöhung der Brennweite des optischen Objektivs der Kamera und eine Reduzierung der Pixelgröße des Bildsensors verbessert werden kann, während die Bodenabdeckungsbreite der Weltraumkamera von ihrer Flughöhe, der Brennweite der Kamera, dem Sichtfeldwinkel, der Pixelgröße und der Pixelanzahl abhängt.

Wenn die Satellitenhöhe konstant ist, kann eine Vergrößerung des Sichtfelds der Kamera (einfach ausgedrückt des Sichtfelds der Kamera) die Bodenabdeckung der Kamera erweitern, während eine Erhöhung der Winkelauflösung des optischen Systems der Kamera die Bodenauflösung effektiv verbessern kann.

Ersteres erfordert ein Teleskopsystem mit langer Brennweite und großem Sichtfeld, während Letzteres eine Vergrößerung der Brennweite unter Beibehaltung einer bestimmten relativen Öffnung erfordert. Dadurch wird der Durchmesser der Eintrittspupille entsprechend vergrößert, die Winkelauflösung verbessert und somit die Bodenauflösung verbessert.

Im Allgemeinen handelt es sich bei Sichtfeld und Auflösung um ein Paar widersprüchlicher Parameter. Das heißt, es ist unmöglich, das Sichtfeld und die Auflösung eines optischen Systems gleichzeitig zu verbessern (mit anderen Worten: Es müssen viele Objekte gleichzeitig gesehen werden, und jedes Objekt muss klar erkennbar sein). In der Praxis ist es jedoch erforderlich, dass wir „beides“ tun. In diesem Fall betrat das Off-Axis-Dreispiegelsystem die historische Bühne.

Wie funktioniert „Off-Axis-Dreispiegel“?

Bevor wir verstehen, was ein „Off-Axis-Dreispiegel“ ist, müssen wir zunächst wissen, was „koaxial“ ist.

„Koaxial“ ist die Grundlage von „außerhalb der Achse“, was bedeutet, dass das optische System die optische Achse als Symmetrieachse verwendet und sich die optische Achse auf eine gerade Linie bezieht, auf der die Krümmungsmittelpunkte der Oberflächen aller Spiegel im optischen System an derselben Stelle liegen. In einem optischen System ist jede Oberfläche eine rotationssymmetrische Oberfläche und die Symmetrieachse fällt mit der optischen Achse zusammen. Dieses optische System wird als koaxiales optisches System bezeichnet.

Das außeraxiale optische System basiert auf dem koaxialen optischen System, und die Blende des optischen Systems liegt außerhalb der Achse, das Sichtfeld liegt außerhalb der Achse oder der Spiegel ist geneigt, um den Zweck der „außeraxialen“ Ausrichtung zu erreichen.

Schema des Off-Axis-Systems

Bildquelle: Referenz [2]

Das Element, das den Lichtstrahl in einem optischen System begrenzt, ist die Blende. Dabei kann es sich um den Rand einer Linse, einen Rahmen oder einen speziell konstruierten Bildschirm mit Löchern handeln.

Die Funktion der Blende lässt sich in zwei Aspekte unterteilen: Begrenzung des Lichtstrahls oder Begrenzung der Größe des Sichtfelds (Abbildungsbereich). Erstere wird als Blendenöffnung bezeichnet und kann den Raumwinkel des Abbildungsstrahls begrenzen und die einfallende Lichtmenge steuern. Von der Meridianebene aus begrenzt es den maximalen Neigungswinkel des Randlichts im Abbildungsstrahl, also den Strahlöffnungswinkel; Letztere wird als Bildfeldapertur bezeichnet und kann die Größe des Abbildungsbereichs des Objekts begrenzen. Beispielsweise bilden der Filmrahmen und der Strichplattenrahmen, die sich mit dem Film in der Kamera überlappen, die Bildfeldblende.

Schematische Darstellung von Aperturblende und Feldblende. Dies ist ein typisches koaxiales optisches System, bei dem sich Objektivlinse, Okular und lichtempfindliches Element alle auf derselben geraden Linie befinden.

Bildquelle: Selbst gemacht

Nachdem wir die oben genannten Konzepte geklärt haben, können wir das Off-Axis-System grob in drei Typen unterteilen: Off-Axis-Blende, Sichtfeldverzerrung und eine Kombination aus Off-Axis-Blende und Sichtfeldverzerrung.

Sehen wir uns zunächst die Blendenöffnung außerhalb der Achse an. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, wird das einfallende Licht durch eine Aperturblende begrenzt. Obwohl das einfallende Licht immer noch parallel zur optischen Achse verläuft, wird es durch die Blende begrenzt und nur ein Teil, der von der optischen Achse abweicht, kann in das System eindringen. Dadurch kann der Systemaufbau kompakter gestaltet werden, allerdings verringert sich dadurch die Abbildungsqualität bei einem größeren Sichtfeld.

Blendenversatz

Bildquelle: Referenz [3]

Als nächstes kommt die Sichtfeldverzerrung. Zu diesem Zeitpunkt tritt das einfallende Licht nicht parallel zur optischen Achse in das System ein, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. CCD ist ein Sensor und wir können ihn als Bildfeld betrachten. Zwischen dem Abbildungslicht und der optischen Achse besteht ein Winkel, der von der optischen Achse abweicht. Daher wird er als „außeraxial“ bezeichnet und ist für die Anforderungen eines großen Sichtfelds und einer großen relativen Apertur besser geeignet.

Sichtfeldverzerrung

Bildquelle: Referenz [4]

Anders als bei einem Koaxialsystem, bei dem der Sekundärreflektor eine Blendenbehinderung des Primärreflektors verursacht, kann das Off-Axis-System das Problem der zentralen Blendenbehinderung, das bei einem Koaxialsystem besteht, beseitigen. Darüber hinaus vergrößert das Off-Axis-System auch das Sichtfeld und kann bis zu einem gewissen Grad gleichzeitig eine hohe Auflösung und einen großen Abdeckungsbereich erreichen, zwei Indikatoren, die schwer in Einklang zu bringen sind. Es handelt sich um ein asymmetrisches optisches System mit besserer Leistung.

Nachdem wir über „außerhalb der Achse“ gesprochen haben, sprechen wir über „drei Antis“.

„Drei Spiegel“ bezieht sich auf die drei Spiegel im optischen System. Dieser Spiegeltyp wird von vielen Faktoren beeinflusst, beispielsweise Krümmungsradius, Dicke, Konuskoeffizient und Material, was die Gestaltungsfreiheit erhöht und die Möglichkeit zur Korrektur von Aberrationen verbessert.

Außeraxiales optisches Dreispiegelsystem

Bildquelle: Referenz [5]

Der Grund für die Hinzufügung eines Reflektors liegt darin, dass das reflektive optische System einerseits dem refraktiven System in puncto Gewicht deutlich überlegen ist und andererseits keine chromatische Aberration aufweist. Dadurch kann die Bildfeldblende vergrößert werden, um das Sichtfeld zu verbessern und den Beobachtungsbereich der Kamera zu erweitern.

Ist die räumliche Distanz hingegen zu groß, muss die Brennweite sehr hoch gewählt werden, wenn man die Auflösung der Beobachtung verbessern möchte. Durch den Einsatz von Reflektoren kann der Lichtweg gefaltet werden, die Struktur kompakter gestaltet werden und die Verwendung optischer Systeme mit größeren Brennweiten ermöglicht werden, wodurch der Durchmesser der Eintrittspupille vergrößert und somit die Bodenauflösung verbessert wird.

Die beliebte Off-Axis-Dreispiegelkamera

Bereits 1975 wurde im Ausland ein hindernisfreier Dreispiegeltyp vorgeschlagen, nämlich das Off-Axis-Dreispiegelsystem. Die inhärenten Eigenschaften dieses optischen Systems ermöglichen seine Anwendung auf Systeme mit geringer relativer Apertur, ungehindertem, großem Sichtfeld und hoher Auflösung. Bis heute wurden zahlreiche Systeme zur ungehinderten Reflexion entwickelt.

Gegen Ende des 20. Jahrhunderts waren außeraxiale Dreispiegelsysteme im Ausland weit verbreitet, in China gab es jedoch kaum Forschung zu außeraxialen reflektierenden optischen Systemen und es gab keine systematische Theorie der reflektierenden Optik. Die Aberrationstheorie, Entwurfsmethoden, strukturellen Eigenschaften und die Beziehung zwischen verschiedenen strukturellen Parametern außeraxialer optischer Systeme müssen kontinuierlich erforscht werden.

Während des Erkundungsprozesses stießen die Forscher auch auf viele Schwierigkeiten. Beispielsweise ist der mathematische Ausdruck des Off-Axis-Teleskops sehr komplex, was den Entwurfsprozess sehr kompliziert macht; Hochleistungsdesign erfordert die Verwendung präziser außeraxialer asphärischer Spiegel, und die Herstellungstechnologie solcher asphärischen Spiegel ist noch leer; und die optischen Elemente im System verfügen über einen hohen Freiheitsgrad, was ihre Erkennung und Montage schwieriger macht als die Konstruktion. Die Montagegenauigkeit ist sehr hoch und es muss die Kontrolle der thermischen Stabilität im Weltraum berücksichtigt werden.

Unter diesen Umständen stellte sich das Changchun-Institut für Optik, Feinmechanik und Physik der Herausforderung, das Ziel der nationalen Autarkie in Wissenschaft und Technologie zu erreichen, und begann, sich mit der fortschrittlichen Fertigungstechnologie außeraxialer optischer Dreispiegelsysteme zu befassen.

Nach zehn Jahren harter Arbeit und Anstrengungen hat das Changchun-Institut für Optik, Feinmechanik und Physik eine Reihe von Durchbrüchen im außeraxialen Dreispiegel-Optiksystem erzielt und damit eine solide Grundlage für die sprunghafte Entwicklung optischer Weltraumfernsensoren in meinem Land gelegt.

Die hochauflösende Kamera von Tianwen-1 wurde auf der Northeast Asia Expo ausgestellt

Bildquelle: China Jilin Network

Gerade aufgrund des außeraxialen Dreispiegel-Optiksystems kann die hochauflösende Kamera, die als Augen von Tianwen-1 dient, optische Bilder mit einer Auflösung von 0,5 Metern in einer Entfernung von 265 Kilometern vom Ziel erzielen. Auf den von Tianwen-1 zurückgesendeten Fotos können wir außerdem die deutlich sichtbaren charakteristischen Landformen des Mars erkennen, wie etwa Acidalia Planitia, Chryse Planitia, Meridiani Planum, den Schiaparelli-Krater und den längsten Canyon, Valles Marineris.

Die von Tianwen-1 fotografierten Marslandschaften

Bildquelle: CCTV News

Bildunterschriften: ① Acidalia Planitia; ② Chryse Planitia; ③ Meridiani Planum; ④ Schiaparelli-Krater; ⑤ Valles Marineris.

Generation für Generation werden wissenschaftliche Forscher nicht aufhören, Wissenschaft und Technologie zu erforschen. Wir freuen uns darauf, dass sie und die „Augen“ von Tianwen-1 uns weitere Weltraumlandschaften zeigen.

Quellen:

[1] Zhang Mingyu. Forschung zum Bildaufnahme- und -verarbeitungssystem mit TDI-CCD-Kamera[D]. Graduiertenschule der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Changchun-Institut für Optik, Feinmechanik und Physik), 2011.

[2] Zhang Xuemin, Song Xing, Hou Xiaohua, Li Hua. Einstellung des außeraxialen Dreispiegel-Optiksystems mit einstellbarem Fokus[J]. Optik und Feinwerktechnik, 2017, 25(06):1458-1463.

[3] Zhao Liang. Entwurf eines außeraxialen Dreifachreflexionsoptiksystems [J]. Anwendung optoelektronischer Technologie, 2014, 29(04): 1-4+29.

[4] Li Xinghua, Zhang Dong, Gao Lingyu et al. Methode zur Verbesserung der Abbildungsqualität eines außeraxialen optischen Dreispiegelsystems: CN107505694A[P]. 2017.

[5] Zhang Xuejun, Wang Xiaokun, Xue Donglin et al. Eine allgemeine Referenzerkennungs- und -verarbeitungsmethode für außeraxiale asphärische optische Systeme mit drei Spiegeln: CN106225712A[P].

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Mai (Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo