科技前沿：DARPA与NASA联合研制新型轻质光学望远镜

风轻扬 · 发表于 2016-2-2 15:03:53

DARPA和NASA正在联合投资研制一个轻型光学系统，并分别希望应用在战场情报、空间探测等任务上。该系统将在硅材料上通过极精确的激光烧录而成，形成上千个望远镜阵列。
该系统被称为“蜘蛛”（Segmented Planar Imaging Detector for Electro-optical Reconnaissance，Spider，即分块式平面光电侦察成像探测器），如果取得成功，将能够上百倍地降低成像望远镜的尺寸、质量和功耗。
NASA可能利用该技术提升在研的木卫二“欧罗巴”（原文指“欧罗巴”是土星卫星，有误）多次飞越探测器性能，获取欧罗巴表面的高分辨率图像，探索该卫星海洋下面是否存在地外生命。DARPA战术技术办公室可能利用远程巡航太阳能动力无人机对移动目标进行连续数天的持续监视。
加州大学戴维斯分校和洛克希德•马丁公司先进技术中心正在利用新的技术途径将干涉阵列微缩在一个芯片上。这种干涉阵列目前用于天文观测，如佐治亚大学的高角分辨率天文中心（Chara）。

Chara中心安装在山顶的干涉望远镜由6个1米口径望远镜组成，并将采集的光线通过真空管集中在中央波束合成装置。通过光束结合，Chara中心形成一个的1/5英里口径（1英里约为1609米）的望远镜，其角分辨率200微角秒（micro-arcseconds），“相当于从10000英里外能够看清一个五美分硬币。”
“蜘蛛”系统的原理是将上千个望远镜集成在一个芯片上，相连的是与硅基底融合的微型通道（替代沉重的真空管）以及许多可控的激光波束。S.J. Ben Yoo牵头的加州大学（戴维斯）研究团队已经研制了一个光子集成电路（PIC）阵列，为“蜘蛛”应用奠定基础。
尽管PIC电路利用光子替代了标准集成电路中的电子，达到节省功耗的目的，“蜘蛛”系统仍面临采集光线的难题，这是通过数百万个干涉通道形成图像所必须的。Chara中心的6个望远镜需要数小时才能采集到足够的光子，形成一幅高分辨率图像。
一旦PIC能够达到足以制造轻型干涉成像阵列的密度，这个过程将得到加速。标准的“光桶”望远镜测量到达的光子强度，而“蜘蛛”系统的PIC测量它们的振幅和相位，形成的“干涉条纹”能够通过傅立叶变换转变成为一幅图像。
采用PIC电路可通过欧罗巴或者地球等天体表面的反射光线生成高分辨率图像。另外还有其他优势，如大型望远镜如2.4米口径“哈勃”望远镜，需要数年时间进行建造，一部分原因是需要打磨和抛光主镜。更先进的设备如在建的6.5米口径“詹姆斯•韦伯”望远镜需要极其精确的控制，以使反射光线的分块子镜焦点重合。而“蜘蛛”的优势是可快速制造（约一周），在制造过程中完成所需的全部校正，成品可直接集成在传感器上。
DARPA为“蜘蛛”项目投入300万美元，NASA“创新先进概念计划”（Innovative Advanced Concepts Program）已启动60万美元用于研究欧罗巴探测器的应用可行性。“蜘蛛”项目的技术成熟度（TRL）目前约为3级，希望从DARPA和美国国防部其它部门获得更多投资，继续提高技术成熟度。目前的技术挑战是芯片材料内部波导通道的密度，尤其是深度。以目前工艺水平制造的成像传感器性能十分有限，致使“蜘蛛”望远镜的视场非常小。

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