薄膜光學(xué)實(shí)時成像儀的設(shè)計(jì)概念

　　DARPA正在開展的“薄膜光學(xué)實(shí)時成像儀”（MOIRE）項(xiàng)目采用了基于菲涅爾透鏡的衍射光學(xué)系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)采用的玻璃鏡面或者透鏡。這種光學(xué)系統(tǒng)采用的輕質(zhì)薄膜貼附在經(jīng)蝕刻形成的金屬瓣上，而薄膜的厚度與家用塑料膜相當(dāng)。在發(fā)射時，金屬瓣收攏成直徑約6m（20ft）狀態(tài)；一旦到達(dá)預(yù)定軌道，薄金屬瓣可展開，從而形成一個直徑約為20m（68ft）的全尺寸多透鏡光學(xué)系統(tǒng)。

　　成像衛(wèi)星對于地球的寬幅覆蓋使其對于關(guān)鍵的國家安全響應(yīng)能力（如天氣預(yù)報(bào)、偵察和災(zāi)害響應(yīng)等）不可或缺。即使衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)已經(jīng)非常先進(jìn)，但仍保留了一個自伽利略時代以來的制約因素：使用玻璃透鏡或者鏡片，也稱為光學(xué)系統(tǒng)。

　　傳統(tǒng)的高分辨率成像采用大口徑的玻璃鏡片，而這些鏡片非常厚、重、難以加工，而且昂貴。隨著高分辨率成像衛(wèi)星的發(fā)展，玻璃鏡面很快便達(dá)到瓶頸：即使對于目前最大的運(yùn)載火箭，他們也顯得太大、太重和太貴。

　　MOIRE項(xiàng)目正在尋求突破這些挑戰(zhàn)的方案。MOIRE項(xiàng)目的技術(shù)將使未來的高分辨率成像衛(wèi)星能夠從地球同步軌道（GSO）——距離地面約36000km——提供實(shí)時的視頻和圖像。目前，望遠(yuǎn)鏡的尺寸和成本制約了在GSO軌道部署大尺寸成像衛(wèi)星，因此，MOIRE項(xiàng)目正在研發(fā)的技術(shù)將使得望遠(yuǎn)鏡質(zhì)量更輕、更方便運(yùn)送和更高的性價比。

　　MOIRE項(xiàng)目目前處于第二階段（最終階段），最近成功地驗(yàn)證了一個地面樣機(jī)。該樣機(jī)集成了部分關(guān)鍵技術(shù)，如可替代玻璃鏡片的新型輕質(zhì)聚合物薄膜光學(xué)系統(tǒng)。如果應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡，傳統(tǒng)薄膜的光學(xué)效率（optics efficiency？）不高。MOIRE項(xiàng)目在近期首次成倍提高了薄膜的光學(xué)效率，從30%提高到55%。經(jīng)改進(jìn)的光學(xué)效率使MOIRE項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)采用薄膜光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行成像。

　　盡管薄膜的光學(xué)效率不如玻璃高（接近90%），但是更輕的質(zhì)量使建造更大的透鏡成為可能。這將足以彌補(bǔ)光學(xué)效率的差異。而且薄膜的固有屬性是比玻璃更加輕質(zhì)。根據(jù)原型樣機(jī)的特征，如果獲取相同的分辨率，MOIRE項(xiàng)目光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量僅為傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的1/7。作為概念驗(yàn)證，MOIRE樣機(jī)驗(yàn)證了薄膜光學(xué)系統(tǒng)用于成像衛(wèi)星的技術(shù)可行性。

　　DARPA項(xiàng)目負(fù)責(zé)人拉里·古恩（Larry Gunn）中校表示，“薄膜光學(xué)系統(tǒng)有可能使我們建造更大尺寸、更高分辨率的望遠(yuǎn)鏡，而質(zhì)量卻更輕……通過這種技術(shù)，我們正在打破傳統(tǒng)材料在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時遇到的‘玻璃頂’。我們希望開展的研究也能夠有助于大幅降低成本，并且利用更小、更便宜的運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)更加及時的部署?！?/p>