Il Progetto Ottico del Canale ad alta risoluzione dell’esperimento SIMBIO-SYS a bordo della missione BepiColombo per Mercurio IX Congresso Nazionale di Planetologia Amalfi (Sa) - 28 settembre < 2 ottobre 2009 G. Marra (1), L. Colangeli (1), P. Palumbo (2), E. Mazzotta Epifani (1), M.Zusi (1,2), S. Debei (4) and the SIMBIO-SYS International Team 1. INAF – Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Napoli 2. Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, Università Federico II, Napoli 3. Dipartimento di Scienze applicate, Università Parthenope,Napoli 4. CISAS – Università di Padova Abstract Il canale ad alta risoluzione HRIC dell’Esperimento SIMBIO-SYS si basa su una configurazione ottica Ritchey-Chretien catadiottrica con un rapporto di oscurazione del 41% (inclusi gli spider di supporto dello specchio secondario e i baffle interni) modificata con un correttore a tre lenti dedicato. Il canale garantisce un campo di vista corretto di 1.47° e consente di ottenere una risoluzione di 2.5” per pixel con un rivelatore ibrido Si-PIN CMOS di 2k x 2k pixel da 10 mm di lato . Lo strumento è limitato dalla diffrazione grazie al suo rapporto focale (F/8.9), e presenta un flusso radiometrico ottimizzato sul range spettrale operativo (400 - 900 nm), che garantisce un buon rapporto S/N. La qualità dell’ immagine è stata ottimizzata su tutto il campo di vista in funzione dell’ MTF e dell’EE. La camera è provvista di un filtro pancromatico (centrato a 650 nm – 500 nm di larghezza di banda) e 3 filtri di banda (centrati a 550, 750 e 880 nm rispettivamente – 40 nm di larghezza di banda). La camera ad alta risoluzione dell’esperimento SIMBIO-SYS HRIC è il canale ad alta risoluzione dello strumento SIMBIO-SYS di osservazione integrata mediante Spettrometro e camere di Imaging per l’Orbiter planetario di Mercurio (MPO), selezionato dall’ ESA per la missione Bepicolombo. Il principale obiettivo di HRIC è quello di delineare le caratteristiche della superficie di Mercurio con una risoluzione spaziale molto elevata nel visibile, utilizzando un filtro pancromatico e tre filtri di banda. Iil progetto ottico di HRIC è stato sviluppato per soddisfare requisiti di prestazioni elevate sia in termini di risoluzione che di qualità dell’immagine, ma al tempo stesso per garantire requisiti meccanici di compattezza e massa e ridotta . Per soddisifare lo stringente requisito scientifico di risoluzione a terra di 5 m/pixel a 400 km dalla superficie planetaria, è stata sviluppata una configurazione ottica Ritchey-Chretien catadiottrica con due specchi e un correttore a tre lenti. Essa fornisce una risoluzione di 2.5”/pixel per una dimensione del pixel di 10 mm con un’elevata qualità dell’immagine su tutto il campo di vista di 1.47°, coperto da un rivelatore ibrido Si-PiN di 2k x 2k pixels. Il rapporto focale dello strumento è F/8.9, per essere limitato dalla diffrazione a 400 nm e ottimizzare il flusso radiometrico e le dimensioni. La configurazione fornisce una soluzione cromaticamente corretta su tutta la banda di utilizzo, con elevata trasmissione e resistenza alla radiazione grazie all’uso del Fused Silica per le lenti. Baffle M2 Baffle M1 Piano focale Il range spettrale della camera è 400-900 nm per i quattro filtri di imaging. - un filtro panchromatico con una lunghezza centrale di 650 nm e 500 nm di larghezza di banda e tre filtri passa banda con lunghezze centrali 550, 750, 880 nm e 40 nm di larghezza di banda. I filtri sono ad elevata trasmissione e realizzati mediante strip depositate su finestre sottili, dimensionate opportunamente in base al disegno ottico e assemblate in modo da costituire un sistema unitario posto difronte al piano focale e integrato con il sensore. Il sensore è un array di 2048 x 2048 pixels di 10 µm di lato basato sulla tecnologia Si-PIN CMOS ibrida. Le sue caratteristiche di basso consumo, elevata tolleranza alla radiazione ed efficienza quantica (QE) contribuiscono a garantire le elevate prestazioni del sistema ottico integrato. Il sensore è sensibile nel range spettrale da 0.4 ad 1 µm ed è provvisto di un dispositivo di raffreddamento Peltier per controllare la temperatura durante le operazioni garantendo così un’ elevata qualità dell’immagine anche in termini di rapporto S/N. Filtro termico Un’elevata qualità dell’immagine è raggiungibile anche se si tiene conto degli effetti degli errori di lavorazione e di allineamento delle ottiche e dell’oscurazione dovuta alla meccanica di supporto e al baffle dello specchio secondario, sia in termini di EE che MTF. Disegno ottico e qualità dell’immagine CARATTERISTICHE OTTICHE Disegno Catadiottrico: Ritchey-Chretien modificato con correttore a tre lenti Tipo di camera Matrice Apertura 90 mm lunghezza Focale 800 mm Rapporto focale 8.9 l di diffrazione 400 nm Campo di vista 1.47 ° Ostruzione centrale 41 % (diametro) IFoV 12.5 mrad/pxl Range spettrale 400 – 900 nm Filtri Panchromatico (650) 550, 750, 880 nm Larghezza di banda 500 (PAN) 40 (BB) nm QUALITA’ DELL’ IMMAGINE EE in 1 pixel >67% MTF @ Nyquist >27% (system) Distorsione <0.18% SENSORE Tipo di Sensore Si-PIN CMOS Ibrido Dimensione Array 2048 x 2048 Lato pixel 10 mm Efficienza Quantica (QE) 50 % (400 -900 nm) FWC 120 ke- RISOLUZIONE Risoluzione a terra 5 m/pxl @400 km Dwell time 1.9 ms (periherm) 14 ms (apoherm) La camera, include un baffle esterno cilindrico, lavorato a setti con profilo Stavroudis, per la reiezione termica del calore proveniente da Mercurio ed un filtro termico interno per la riduzione del gradiente termico sulle ottiche del telescopio. Inoltre per minimizzare le deformazioni dovute ai forti gradienti termici previsti, i supporti delle ottiche saranno realizzati in Invar e la struttura meccanica in Titanio. La lunghezza del baffle esterno è il risultato di un compromesso che soddisfa i requisiti termici, meccanici e di reiezione della stray light. Per evitare che la radiazione indesiderata raggiunga direttamente il piano focale, la camera è dotata inoltre di baffle interni dello specchio primario e secondario, opportunamente dimensionati.