空間光學

自上世紀90年代以來，空間光學遙感器在國防、國民經濟領域的需求快速增長，離軸三反光學系統可以同時實現長焦距與大視場，且沒有中心遮攔，調製傳遞函式高，被公認為新一代空間光學系統的發展方向。

蘇聯發射了第一顆人造衛星

空間光學是在高層大氣中和大氣外層空間利用光學設備對空間和地球進行觀測與研究的一個套用學科分支（對地觀測見光學遙感）。 人們從地面對空間觀測過渡到從空間對地和對天體觀測，從而擺脫大氣帶來的種種限制，是科學上的一大進展。對空間(天體)觀測和研究，主要是利用不同波段及不同類型的光學設備，接收來自天體的可見光、紅外線、紫外線和軟X射線，探測它們的存在，測定它們的位置，研究它們的結構，探索它們的運動和演化規律。空間光學系統的發展在於追求必要的精度和光譜、時間、空間解析度，這與新技術、新器件以及信息傳輸與處理技術密切相關。

發展簡史

天弓飛彈改為探空火箭升空

空間光學的歷史如果從20世紀40年代發射探空火箭和傳送氣球算起，不過幾十多年，然而它的發展是十分引人注目的。在1946年利用V-2火箭發射攝譜儀探測來自空間的紫外線；1957年蘇聯發射了第一顆人造衛星。人造衛星的發射標誌著空間時代的到來。自此，空間光學開始了蓬勃發展的時期。60年代以後，美國相繼發射持續對整個太陽觀測的軌道太陽觀測台 (OSO)系列，蘇聯發射了一系列天文衛星（主要有“預報號”衛星系列），歐洲空間局也發射了特德－1A(TD-1A)衛星。

不過它們所帶有的光學設備大都工作在紫外和X 射線波段。從60年代中期到70年代初，美國共發射了3個軌道天文台(OAO)，其中OAO-3上裝有一架口徑91厘米的卡塞格倫式紫外望遠鏡，工作波段為1000～4000埃，空間解析度為5角秒。1973年美國發射了載人天空實驗室，上面的阿波羅望遠鏡裝置是一組觀測太陽的光學設備，它的發射使從空間對太陽的觀測發展到一個新的階段。美國1978年發射的第二顆高能天文台(HEAO)，它裝有一架大型掠射X 射線望遠鏡，口徑為0.6米，焦距為3.4米，解析度為1～2角秒。還有四種可更換的探測器：高解析度成像器、晶體分光計、成像正比計數器、固體分光計。1983年1月26日世界上第一顆紅外天文衛星發射成功，這顆衛星是由荷蘭、美國和英國聯合研製的，它裝有一架口徑為60厘米的紅外望遠鏡，其靈敏度比至今所使用的同類儀器高得多。

研究對象

對太陽觀測主要是研究太陽的結構、動力學過程、化學成分及太陽活動的長期變化和快速變化

具體來說，對地球觀測，主要是利用儀器通過可見光和紅外大氣視窗探測並記錄雲層、大氣、陸地和海洋的一些物理特徵，從而研究它們的狀況和變化規律。在民用上解決資源勘查（包括礦藏、農業、林業和漁業等）、氣象、地理、測繪、地質的科學問題，在軍事上為偵察、空間防禦等服務；對空間(天體)觀測和研究，主要是利用不同波段及不同類型的光學設備，接收來自天體的可見光、紅外線、紫外線和軟X射線，探測它們的存在，測定它們的位置，研究它們的結構，探索它們的運動和演化規律。例如，對太陽觀測主要是研究太陽的結構、動力學過程、化學成分及太陽活動的長期變化和快速變化；對太陽系內的行星、彗星以及對銀河系的恆星等天體的紫外線譜、反照率和散射的觀測，確定它們的大氣組成，從而建立其大氣模型。

人們從地面對空間觀測過渡到從空間對地和對天體觀測，從而擺脫大氣帶來的種種限制，是科學上的一大進展。眾所周知，地球周圍存在著稠密的大氣層，恰恰是這層大氣，多年來限制著人們從地面和低空間對天空的觀測和研究。太陽是強大的輻射體，它的輻射度最大值處於波長為0.47微米處 ，而輻射能的46％在0.40～0.70微米可見光譜段。當太陽光經過大氣層時，由於大氣的種種作用，使它的能量衰減，投射到地面的太陽光的短波部分被截止在0.3微米處，X射線和γ射線就更難到達地面，在紅外波段上，波長越長吸收越強。同時，即使在大氣視窗可見光3000～7000埃和近紅外幾個波段的太陽光也還要受到大氣的折射和湍流的影響，致使光學儀器的空間解析度大大下降。

在空間對空觀測和研究超越了大氣層這個屏障，實現了可見光、紅外線、紫外線、X射線和γ射線全電磁波段探測，提高了測量精度。例如，據估計美空間望遠鏡只有2.4米的口徑，其解析度比地面5米口徑的海爾(Haier)望遠鏡高十倍；此外，還可進行全天時的巡天觀測。

測量儀器

示意圖

總的看來，在紅外波段使用的空間光學系統主要是紅外望遠鏡。如上述第一顆紅外天文衛星裝的紅外望遠鏡，它採用的是一個相當緊湊的雙反射鏡式的卡塞格倫光學系統，反射鏡及支架採用重量輕、強度高的鈹合金製造。主鏡口徑為60厘米，焦比為f/10，次鏡由主鏡的遮光板的環支撐，探測器為焦平面組件。整個系統（包括遮光罩、防反射板及內部熱屏）都置於一個致冷的真空系統中。冷卻系統對不同的部件採用不同冷卻溫度，對探測器和它的前置放大器、場鏡及濾光片致冷到3K，對光學系統致冷到10K，對遮光板冷到16K。據稱，其靈敏度比至今所使用的同類儀器高100倍。

在紫外波段使用的空間觀測設備主要有太陽遠紫外掠射望遠鏡、遠紫外太陽單色光照相儀，遠紫外分光計──太陽單色光分光計、紫外線譜儀、紫外寬頻光度計等。它們所用的探測器與可見光觀測儀器類似，有照相乳膠、光電倍增管和像增強器。還可以使用氣態電離室和正比計數器。

在X射線波段上使用的儀器主要有各種X射線望遠鏡、太陽X 射線分光計、太陽X 射線單色光照相儀以及各種類型的X 射線探測器。美國天空實驗室上裝的S-056X射線望遠鏡，全長為253.7厘米，直徑為40.3厘米，重量為104.3千克，主望遠鏡結構由兩維波管構成。前管安裝石英掠入射X 射線反射鏡組件，後管安裝照相機機構和膠片暗盒。光學系統按X射線掠入射的全反射原理設計，由一個凹面掠入射拋物面和後面緊接著一個凹面雙曲面所組成。焦距為190.3厘米，集光面積為14.8平方厘米，掠入射角為 0.916度。在兩反射鏡相交處的反射鏡內徑為24.4厘米，有效視場為38角分，有效焦比為f/44。該望遠鏡工作波段在6埃以上所有X 射線波長範圍內，具有很高的靈敏度和空間、時間解析度。

設備

空間光調製器是一類能將信息載入於一維或兩維的光學數據場上，以便有效的利用光的固有速度、並行性和互連能力的器件。

這類器件可在隨時間變化的電驅動信號或其他信號的控制下，改變空間上光分布的振幅或強度、相位、偏振態以及波長，或者把非相干光轉化成相干光。由於它的這種性質，可作為實時光學信息處理、光計算和光學神經網路等系統中構造單元或關鍵的器件。

空間光調製器一般按照讀出光的讀出方式不同，可以分為反射式和透射式；而按照輸入控制信號的方式不同又可分為光定址(oa-slm)和電定址(ea-slm)。

套用

中國科學院空間光學研究室

空間雷射通信是指用雷射束作為信息載體進行空間包括大氣空間、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、太空間通信。雷射空間通信與微波空間通信相比，波長比微波波長明顯短，具有高度的相干性和空間定向性，這決定了空間雷射通信具有通信容量大、重量輕、功耗和體積小、保密性高、建造和維護經費低等優點。

1、大通信容量：雷射的頻率比微波高3-4個數量級(其相應光頻率在1013-1017 Hz)作為通信的載波有更大的利用頻帶。光纖通信技術可以移植到空間通信中來，光纖通信每束波束光波的數據率可達20Gb／s以上，並且可採用波分復用技術使通信容量上升幾十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的優勢。

2、低功耗：雷射的發散角很小，能量高度集中，落在接收機望遠鏡天線上的功率密度高，發射機的發射功率可大大降低，功耗相對較低。這對應於能源成本高昂的空間通信來說，是十分適用的。

3、體積小、重量輕：由於空間雷射通信的能量利用率高，使得發射機及其供電系統的重量減輕；由於雷射的波長短，在同樣的發散角和接收視場角要求下，發射和接收望遠鏡的口徑都可以減小。擺脫了微波系統巨大的碟形天線，重量減輕，體積減小。

4、高度的保密性雷射具有高度的定向性，發射波束纖細，雷射的發散角通常在毫弧度，這使雷射通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干擾、防竊聽的能力。

5、雷射空間通信具有較低的建造經費和維護經費。

展望

空間光學系統的發展在於追求必要的精度和光譜、時間、空間解析度，這與新技術、新器件以及信息傳輸與處理技術密切相關。發展的趨勢是發展多元線陣 CCD成像器件和大型二維陣列焦平面探測器的自描大型成像系統、發展數據控制技術、改善星上和地面的數據處理，縮短處理時間和降低成本；使用X射線天文物理設備擴大高能天文觀測能力；利用太陽地球觀測台更詳細地研究太陽—地球環境。

相關學科

光學、幾何光學、波動光學、大氣光學、海洋光學、量子光學、光譜學、生理光學、 電子光學、集成光學、空間光學、物理學、力學、熱學、光學、聲學、電磁學、核物理學、固體物理學。

物理學

力學	靜力學 | 動力學 | 流體力學 |分析力學 | 運動學 | 固體力學 | 材料力學 | 複合材料力學 | 流變學 | 結構力學 | 彈性力學 | 塑性力學 |爆炸力學 | 磁流體力學 |空氣動力學 | 理性力學 | 物理力學 | 天體力學 | 生物力學 | 計算力學
熱學	熱力學
光學	幾何光學 | 波動光學 | 大氣光學 | 海洋光學 | 量子光學 | 光譜學 | 生理光學 | 電子光學 | 集成光學 | 空間光學
聲學	次聲學 | 超聲學 | 電聲學 | 大氣聲學 | 音樂聲學 | 語言聲學 | 建築聲學 | 生理聲學 | 生物聲學 | 水聲學
電磁學	磁學 | 電學 | 電動力學
量子物理學	量子力學 | 核物理學 | 高能物理學 | 原子物理學 | 分子物理學
固體物理學	高壓物理學 |金屬物理學 | 表面物理學