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首个折叠式空间望远镜将打破传统光学系统的设计概念

导读: DARPA正在开展的“薄膜光学实时成像仪”(MOIRE)项目采用了基于菲涅尔透镜的衍射光学系统,而不是传统光学系统采用的玻璃镜面或者透镜。

  DARPA正在开展的“薄膜光学实时成像仪”(MOIRE)项目采用了基于菲涅尔透镜的衍射光学系统,而不是传统光学系统采用的玻璃镜面或者透镜。这种光学系统采用的轻质薄膜贴附在经蚀刻形成的金属瓣上,而薄膜的厚度与家用塑料膜相当。在发射时,金属瓣收拢成直径约6m(20ft)状态;一旦到达预定轨道,薄金属瓣可展开,从而形成一个直径约为20m(68ft)的全尺寸多透镜光学系统。

  成像卫星对于地球的宽幅覆盖使其对于关键的国家安全响应能力(如天气预报、侦察和灾害响应等)不可或缺。即使卫星望远镜的设计已经非常先进,但仍保留了一个自伽利略时代以来的制约因素:使用玻璃透镜或者镜片,也称为光学系统。

  传统的高分辨率成像采用大口径的玻璃镜片,而这些镜片非常厚、重、难以加工,而且昂贵。随着高分辨率成像卫星的发展,玻璃镜面很快便达到瓶颈:即使对于目前最大的运载火箭,他们也显得太大、太重和太贵。

  MOIRE项目正在寻求突破这些挑战的方案。MOIRE项目的技术将使未来的高分辨率成像卫星能够从地球同步轨道(GSO)——距离地面约36000km——提供实时的视频和图像。目前,望远镜的尺寸和成本制约了在GSO轨道部署大尺寸成像卫星,因此,MOIRE项目正在研发的技术将使得望远镜质量更轻、更方便运送和更高的性价比。

  MOIRE项目目前处于第二阶段(最终阶段),最近成功地验证了一个地面样机。该样机集成了部分关键技术,如可替代玻璃镜片的新型轻质聚合物薄膜光学系统。如果应用于望远镜,传统薄膜的光学效率(optics efficiency?)不高。MOIRE项目在近期首次成倍提高了薄膜的光学效率,从30%提高到55%。经改进的光学效率使MOIRE项目首次实现采用薄膜光学系统进行成像。

  尽管薄膜的光学效率不如玻璃高(接近90%),但是更轻的质量使建造更大的透镜成为可能。这将足以弥补光学效率的差异。而且薄膜的固有属性是比玻璃更加轻质。根据原型样机的特征,如果获取相同的分辨率,MOIRE项目光学系统的质量仅为传统光学系统的1/7。作为概念验证,MOIRE样机验证了薄膜光学系统用于成像卫星的技术可行性。

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