自由曲面宽视场星载成像的未来

在发表在《传感器》杂志上的一项研究中，研究人员提出了一种星载成像望远镜设计，该设计使用自由曲面光学器件，在不牺牲图像质量的情况下最大化视野并最小化系统尺寸。该望远镜非常适合即将进行的旨在进行宽场成像和气候变化监测的太空任务。

自由曲面宽视场星载成像望远镜：从设计到演示。图片来源：Dima Zel/Shutterstock.com

成像望远镜在地球观测系统中的重要性

星载望远镜为地观测为天气预报、森林火灾和森林砍伐监测、海洋监测和农业生产周期提供了重要的数据来源。此外，对地观测对于观测气候变化引起的气温上升的影响至关重要。

目前的研究和评价侧重于小型化，从而使用成本效益高的小型卫星，适合在卫星星座中部署，并能够收集具有高时间覆盖率和空间分辨率的数据。

成像望远镜是地球观测系统中最重要的元素之一。反射成像望远镜通常用于空间应用，并且通常优于折射设计，因为它们在评估宽带成像设计时不会出现色差。

而反射望远镜的主要缺点是它们体积庞大，视场受限。

成像望远镜的自由曲面光学元件

在过去十年中，自由形状光学显示了在空间望远镜中的巨大潜力，它可以使光学系统能够小型化，同时提高性能和图像质量。

自由曲面表示为点云或多项式函数的组合，为设计提供了许多额外的自由度。然而，它们缺乏平移和旋转对称性。

自由曲面技术的最新发展，如设计工艺、计量能力和制造技术，使这种方法在视场（FOV）和f值方面优于传统的反射设计，同时减少了光学元件的数量。

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对流层监测仪器（TROPOMI）是欧洲航天局（ESA）哥白尼太空计划的一部分，于2017年发射，具有自由曲面镜面望远镜系统。

自由曲面组件使望远镜能够跨越宽光谱范围（紫外到短波红外波长），实现7×7km²的高分辨率和 108° 的宽视场 （FOV）,同时补偿几何像差。

使用自由曲面光学设计小型星载成像望远镜

这项研究提出的设计灵感来自推扫式非扫描宽视场星载仪器，如TROPOMI，臭氧监测仪器(OMI) ，以及即将推出的UVNS 和UVN 仪器。

这个创新的望远镜利用一对自由曲面镜。使用自由曲面光学器件，可以达到几乎衍射极限的图像质量，同时还可以减小系统的尺寸、反射镜数量和视场。

此外，该仪器的设计紧凑，适合1个立方体卫星单元。

研究的重要发现

该望远镜具有入射瞳尺寸小，空间分辨率高的特点，因此最大积分时间快，信噪比低。然而，这被更小的f值和更大的视场所抵消，从而提高了信噪比。

从大约700公里的高度进行详细的地球观测，可以获得120度的视场，这是天基望远镜有史以来获得的最大视场，空间分辨率为2.6km x2.6km，比目前最先进的望远镜还要好。

该望远镜可以与光谱仪单元一起使用，以监测污染和气候变化等环境因素。例如，通过与1100-1700 nm光谱仪的潜在集成，可以监测温室气体。

该望远镜的衍射极限设计允许探测器平面上的光斑尺寸约为30μm或更小，使其与波长超过1700nm的其他光谱仪兼容。特别是，热红外范围对于监测大气中的痕量气体非常重要，同时强调地球向外的长波辐射与温室气体之间的直接联系。

该望远镜可以在低地球轨道700公里处的一颗微型卫星上发射，这可能是CubeSat或SmallSat卫星的伴星。

这些卫星的组合有望以更低的成本更快地发展，这表明可以以与主要太空任务相同的成本部署卫星星座，从而对我们星球进行高度的时间和空间监测。