天基光学的革命

太空是一个极端的环境，将光学器件放在那里有很大的挑战。光学和光机械组件需要足够坚固，以承受火箭发射的力，同时还要尽可能轻巧紧凑，以降低成本。通常，整个光机械组件需要“折叠”才能发射，然后可靠地部署在太空中的对齐配置中。辐射效应、真空操作以及大热位移的可能性也需要考虑。材料、光学制造/测试以及主动补偿方面的技术进步使重量更轻、性能更高性能的仪器能够以更紧凑（更低成本）的体积实现。未来的传感器进步带来了更多的希望。

坚固但轻质的材料是空间系统的关键使能技术。十年前，美国宇航局花费了大约10，000美元将一磅（0.45公斤）的设备送入轨道。今天，太空运载火箭的商业供应商之一已将其降低到每磅约2，500美元。惊人的进步，但仍然昂贵！

用于结构的蜂窝铝、金刚石研磨的玻璃陶瓷以及用于光学反射镜的碳化硅或铍等轻质材料已经使用多年。目前对纳米复合材料（如碳纳米管）的研究可以具有“设计师”特性制造，为进一步减轻重量提供了很大的希望。

更紧凑的太空光学器件的一大革命是使用自由曲面。我们将自由曲面定义为非旋转对称的，并且其轮廓比简单的圆柱体或环形线圈更复杂。虽然软件多年来一直能够处理自由形状的设计，但基于制造和计量学的进步，它们的使用已经变得实用。Synopsys 是自由曲面光学中心 （CeFO） 的成员，该中心正在推进我们对理论设计考虑因素的理解，以使自由曲面的使用变得高效，并推进自由曲面的制造和计量方法。自由曲面将搭载下一代红外大气探测干涉仪（IASI-NG）以及其他系统。

基于间隔的光学器件的另一个里程碑是将自适应光学校正用于大气层上方的光学系统，这些光学系统正在向太空中观察。这项技术的好处将被美国宇航局的宽视场红外巡天望远镜（WFIRST）使用，该望远镜被命名为南希格雷斯罗马太空望远镜。罗马太空望远镜的任务是直接对系外行星进行成像。为此，它采用了带有专用衍射掩模的冠状图，使来自主星的光通过破坏性“抵消”。由于组装望远镜中的残余误差而导致的小残余波前误差，以及由于机械和热应力引起的望远镜光学元件的变化，由两个可变形的镜子补偿。

天基光学的另一个潜在革命是曲面探测器的出现。如果允许图像聚焦在曲面而不是平面上，则成像光学系统可以大大简化。曲面传感器可以允许更宽视场的光学系统，而光学组件比目前所需的更少。虽然不是天基仪器，但由麻省理工学院林肯实验室设计的DARPA空间监视望远镜（SST）是一种使用弯曲CCD的非常宽视野，非常快（f / 1）的系统。这允许三镜系统避免额外的光学器件来校正系统中的自然场曲率（Petzval）。

太空光学具有挑战性，但技术的进步使人取得了巨大的进步。

审核编辑：郭婷