拓普康为行星防撞探测器研发光学系统

2025

行星防撞探测器

Planetary Defense

TOPCON

· 国 际 倡 议 · 

Planetary Defense 是一项旨在防止流星和小行星与地球相撞的国际倡议。作为这项工作的一部分，双小行星探测飞船 Hera 于2024 年 10 月发射升空，执行调查小行星的任务。2025 年 3 月，它进入火星轨道进行重力辅助机动。

Hera 正在朝着距离地球 1000 多万公里的双小行星系统（Didymos 和 Dimorphos）前进，配备了Topcon 开发的光学透镜和光谱滤光片。2025年3 月，一台采用 Topcon 技术的红外热像仪捕捉到了火星的清晰图像，成功实现了其前往目的地的旅程中的一个重要里程碑。

*卫星或航天器通过利用行星的引力来改变其行进方向和速度。

在本次采访中，邀请到拓普康定制商品业务促进部的产品工程师林田（Masato Hayashida）先生。作为参与开发安装在 Hera 设备上光学系统的核心人员，他在采访中回顾了该光学系统的开发过程并分享了他现在的想法。

地球（蓝色）、火星（红色）和目标双小行星 Didymos-Dimorphos（白色）之间的位置关系。

01

定制商品业务促进部

该部门利用 Topcon 自成立以来开发的精密光学技术，提供眼部护理和定位业务以外的专业产品和解决方案。自 1980 年代以来，Topcon 的光学元件（例如镜头、滤光片和使用它们构建的成像系统）已用于众多人造卫星和行星探测器，尤其是与太空相关的项目。这些贡献支持了广泛的航天工业，包括解开宇宙之谜和防止全球变暖的努力。

02

关于 Hera

行星防御是指国际社会为防止陨石和小行星撞击地球而做出的努力，从而保护地球免受潜在的灾难性影响。2022 年，NASA（美国国家航空航天局）向距离地球 1000 多万公里的两颗小行星 Didymos 和 Dimorphos 发射了一艘航天器，作为 DART（双小行星重定向测试）任务的一部分。

由欧洲航天局 （ESA） 开发的 Hera 航天器将被发射到同一颗小行星上，以配合 NASA 的 DART 任务。Hera 将研究 DART 撞击引起的轨道变化以及小行星的物理和成分特征。

03

硫系玻璃 

 红外光学的必需品前往太空

Masato Hayashida

行星探测器 Hera 旨在调查“DART 项目”的结果，这是一项于 2022 年进行的演示任务，旨在通过将卫星撞向双小行星的其中一个天体来改变双小行星的轨道。由 JAXA（日本宇宙航空研究开发机构）开发的 TIRI（热红外成像仪）相机安装在 Hera 上，用于观察可见光下不可见的小行星岩石的成分。拓普康技术用于这款红外热像仪的镜头，以及位于其后面的带通滤光片（光谱滤光片）。即使在恶劣的太空环境中也能保持高性能的镜头和仅允许特定波长的光通过的带通滤光片共同用作红外热像仪的“视觉传感器”。

图中的“B”是 TIRI（图片来源：ESA）

一般来说，卫星和探测器中使用的部件必须紧凑轻便，以减少发射过程中的能耗。此外，Hera 上 TIRI 的光学系统需要高聚光性能和透射率，才能在远红外波段（8 至 14 μm 波长）获得高分辨率图像。为了满足这些要求，硫系玻璃（注 1）被用于 TIRI 光学系统。

注 1：GASIR®1;由 Umicore（比利时）制造

01

硫系玻璃的优点

・在红外波长范围内具有良好的透射率

・比重低于通常用于红外镜头的锗

02

硫系玻璃的缺点

・硫系玻璃容易碎裂和开裂，难以加工和组装。

硫系玻璃容易碎裂和开裂，长期以来一直被认为是用于太空产品最具挑战性的材料之一，因为发射到太空的物品必须承受火箭发射过程中发生的强烈振动。然而，如果硫系玻璃能够成功利用，它将扩大材料选择范围，并提供减小光学系统尺寸和重量的优势，使其在未来空间设备的发展中具有竞争优势。我们从 2016 年开始努力将硫系玻璃纳入太空应用。

04

曾经被发射到太空

但沉入了海洋深处

这实际上是第二次将使用硫系玻璃的光学系统发射到太空;第一次是 2023 年 3 月发射的先进光学卫星 （Daichi III）。该卫星是日本第一颗搭载 Topcon 开发的双波长光学系统（中红外/远红外）的卫星，该系统具有直径为 φ136 mm 的硫属化物玻璃透镜，为当时世界之最。

从 2016 年开始，该光学系统历时大约两年实现了从原型机到成品机的跨越。在开发过程中，我们改进了硫系玻璃的精密加工技术（注 2）、高精度组装的制造技术，以及将紧固镜头的结构设计专业知识，使其能够承受剧烈的振动。（该创新在2019年技术创新博览会上获得了TIF奖）

注 2：当时，处理是外包的。我们正在考虑将来在内部处理它。

光学系统经过大量的原型制作和测试后才最终完成。然而，尽管付出了所有努力，这颗卫星还是未能进入轨道并沉入海底，从未见过曙光。我通过视频流观看了发射，我仍然记得失败后新闻发布会上 JAXA 工作人员脸上阴沉的表情。

05

进入太空

 8 年梦想成为现实

尽管先进光学卫星没有实现在太空中使用硫系玻璃的目标，但 TIRI 的光学元件是在大约两年内设计和制造的，比先进光学卫星的时间要短。虽然 TIRI 光学元件的尺寸比用于先进光学卫星的镜头小一些，但这一发展仍然是一项重大成就。

组装过程中（精密镜头组装）

装配过程中（光学性能测量）

成品（使用三块硫属化物玻璃，

包括前景中的镜头）

▼

回顾发展历程，成功推出采用硫属化物玻璃的光学系统始终是过去八年的重要目标。2024 年 10 月，当 Hera 发射升空并安全进入轨道的消息传来时，这份长期付出终于收获了实质性成果。

Hera 发射（图片来源：ESA - S. Corvaja）

Hera 计划于 2026 年 12 月抵达其目标小行星。到目前为止，TIRI 红外热像仪已经捕获了地球和月球的图像。2025 年 3 月，它还发回了一张火星图像，这表明包括我们制造的镜头在内的所有设备组件都表现良好。作为一名工程师，我感到非常欣慰和自豪，因为我们的光学器件成功地从太空提供了高分辨率图像。

TIRI 从大约 40,000 公里处拍摄的火星。（左）亮温图像，（右）以暖色显示高温的图像（照片来源：ESA/JAXA）

然而，Hera 任务的真正工作才刚刚开始。我们将继续默默支持和关注它的旅程，并期望它的成功。

06

迎接更大的挑战

自1980年代以来，我们正式参与太空相关业务。起初，我们只提供单个组件如用于卫星和探头的镜头和滤光片。随着时间的推移，我们的工作范围扩大了，也承担更大的责任。就像 Hera 任务中使用的光学装置一样，我们需要交付整个光学系统。一路走来，我们遇到了很多挫折也面临诸多挑战，并承受必须按时完成任务的压力（以免延迟卫星和探测器的发射）。但我们坚定向前并从未放弃，最终赢得信任。也正是这种决心让我们取得今天的成就。

拓普康目前正在研发一种新的太空光学设备，这也是我们迎接的下一个重大挑战。这比我们以前做过的任何事情都要复杂得多，为Topcon和我们团队带了更多艰巨的困难和挑战，但也为我们带来了更强烈的目标和使命感。更重要的是，这体现了我们多年的努力赢得了信任。作为一个团队，致力于精诚合作并取得成功。

正如太空没有尽头一样，航天工业对进步的追求是无限的。这是一个需要韧性和持续创新的领域，我们在已取得成就的基础上会再接再厉——迎接新的挑战！志存高远，拓普康必将为日本及其他地区的太空探索做出更多贡献，永不止步。