В рамках проекта Rainbow («Радуга») исследователи из Института прикладной оптики и точного машиностроения Общества Фраунгофера (IOF) разработали телескоп для наблюдения за Землей, который можно использовать для демонстрации концепции спектрометра на чипе. Компактная технология позволяет проводить точный анализ состояния растений и почвы из космоса.
Новая система предназначена для мелкосерийного производства и обеспечивает пространственное разрешение менее 20 метров в спектральном диапазоне от 400 до 1700 нм. Несмотря на миниатюрность, качество изображения остаётся неизменно высоким.
Центральным технологическим подходом является концепция спектрометра на кристалле. Требуемые спектральные полосы отображаются в соотношении 1:1 на градиентном фильтре, интегрированном непосредственно перед детектором. По сравнению с другими концепциями, данная конструкция обеспечивает эффективную адаптацию спектральных каналов, необходимых для конкретного применения, благодаря селективно применяемым фильтрам.
«Эта концепция позволяет нам объединить все основные функции спектрометра на одном кристалле. Вместо сложных оптомеханических компонентов оптические фильтры выбирают необходимые длины волн. Это позволяет создать компактную, лёгкую и экономичную систему со стабильным качеством измерений», — объясняет Лукас Цеттлитцер, научный сотрудник отдела прецизионных оптических компонентов и систем и руководитель проекта Rainbow в Институте оптики Фраунгофера.
В основе системы лежит телескоп Ричи-Кретьена, который обеспечивает исключительно точные изображения благодаря двум асферическим зеркалам. «Основываясь на оптической конструкции, разработанной Airbus, мы взялись за разработку и внедрение телескопа. Вместе с коллегами из института мы разработали концепцию интеграции, спроектировали телескоп и внедрили все производственные процессы», — объясняет Цеттлитцер.
Специально адаптированный градиентный фильтр был изготовлен в Институте поверхностной инженерии и тонких плёнок Фраунгофера (IST) на основе разработанной там технологии EOSS. Эта технология позволяет точно настраивать оптические свойства фильтра, обеспечивая точное детектирование различных длин волн.
Исследователи уделили особое внимание компактной конструкции и минимальным требованиям к настройке — двум предпосылкам для экономичного производства и миниатюризации. В частности, система была основана на металлооптических элементах, изготовленных в институте. Таким образом, система подходит для использования в малых спутниках и допускает гибкое и масштабируемое применение в будущих космических миссиях.
Спектрометр разлагает входящий свет на узкие диапазоны длин волн и регистрирует интенсивность отражения различных спектральных диапазонов растениями и почвой. Это позволяет выявить даже минимальные различия в растительности и структуре почвы, которые не могут обнаружить обычные камеры.
Собранные данные затем можно преобразовать в цифровые карты, которые показывают, например, влажность, содержание питательных веществ или признаки заболеваний растений. Это позволяет точно и эффективно управлять сельскохозяйственными угодьями.
Помимо преимуществ для сельского хозяйства, обеспечение устойчивого развития космоса само по себе также является задачей, над решением которой работают исследователи Фраунгофера. «С нашими металлооптическими системами для космоса, такими как в проекте Rainbow, мы поддерживаем усилия Европейского союза и Европейского космического агентства по предотвращению образования дополнительного космического мусора. Наша оптика полностью сгорает при входе в атмосферу, не оставляя следов на орбите», — говорит Лукас Цеттлитцер.
Источник: Институт Фраунгофера по оптике и механике IOF. Автор: Сина Зайденштюкер.
На фото: интеграция испытательной системы для телескопа «Радуга». Источник: Fraunhofer IOF.
