大口径超薄膜基反射镜的关键技术研究

膜基反射镜具有超轻、柔性、易折叠展开等特点，其研制是一项能够突破传统光学元件制造技术限制、实现未来超大口径超轻型空间光学系统的一条新途径。本项目针对研制大口径超薄膜基反射镜迫切需要解决的关键技术，研究其成形、面形控制、波前像差补偿和检测的新机理和新方法。以厚度10至50微米、口径0.3至1米的膜基反射镜为研究对象，基于非线性有限元方法，模拟和分析薄膜材料特性、不同边界固定/支撑条件以及不同外加载荷方式对膜基反射镜成形的影响，建立符合实际条件的影响函数和成形理论新模型。基于信息光学和自适应光学理论，研究大口径超薄膜基反射镜面形控制、波前像差补偿和检测新技术，开展面形闭环控制仿真研究。优化设计并建立大口径膜基反射镜成形、面形控制、波前像差补偿和检测原理性实验系统，实验验证理论正确性和方法可行性。为进一步探索其在空间激光通讯、空间太阳能收集以及空间光学遥感系统中的应用奠定理论和技术基础。

膜基反射镜具有超轻、柔性、易折叠展开等特点，其研制是一项能够突破传统光学元件制造技术限制、实现未来超大口径超轻型空间光学系统的一条新途径。本项目针对研制大口径超薄膜基反射镜迫切需要解决的关键技术，研究其成形、面形控制、波前检测和像差补偿的新机理和新方法。.(1)开展膜基反射镜成形和面形控制理论研究。基于Karman方程和静电场理论，采用有限元分析方法，研究在一定径向位移条件和外加载荷作用下膜基反射镜的成形和面形误差。研究静电成形控制所用电极中各子电极径向宽度分布对面形精度的影响，建立了K系数(定义为中心圆子电极径向半宽度与其余均等圆环子电极径向宽度之比）与面形精度之间的联系。对采用不同厚度、不同材料特性的聚酰亚胺薄膜形成的不同口径和F数的膜基反射镜分别进行仿真计算的结果表明，当K＝1.6时膜基反射镜面形误差可达最小。为进一步开展实验研究提供了理论依据。.(2)研究了基于正交复合条纹反射和傅立叶变换法的膜基反射镜三维面形检测方法。与一维条纹傅里叶变换法需采集四幅条纹图以及四步相移法需采集十六幅条纹图相比，该方法只需采集两幅条纹图即可重构待测反射镜三维面形，大大提高了测量便捷性。研究了基于哈特曼-夏克波前传感器的膜基反射镜波前检测方法以及利用数字全息技术进行物体微小面形变化检测的方法。.(3)研究膜基反射镜望远系统经像差校正后像差特性的定量检测和评价方法。提出了基于星点图像的光学系统小像差复原和环形光瞳快速位相复原方法。该方法以波像差的Zernike系数为优化变量，避免了常用像差复原和位相复原算法中所需的傅里叶变换和有限差分等数值运算，提高了复原算法的运算速度。.(4)开展膜基反射镜面形控制、波前像差补偿和检测的闭环系统优化设计和实验研究，包括口径300mm膜基反射镜固定和支撑装置、分块电极板和多路0-10000V可调静电高压控制器、基于模糊逻辑控制理论和技术的面形控制子系统、基于正交复合条纹反射的膜基反射镜三维面形检测和基于哈特曼-夏克波前传感器的波前检测子系统、基于液晶空间光调制器的像差补偿子系统，建立各子系统实验装置并开展初步的实验。.(5)发表学术论文10篇、硕士学位论文3篇。申请专利6项，其中2项获发明专利授权。7人次参加学术会议交流。培养研究生11人。.本项目的实施为进一步开展膜基反射镜和透射式薄膜衍射光学元件及系统的研制提供了理论和技术支持。