薄膜光子筛拼接大口径空间光学系统的关键技术

Since higher and higher resolution required by the space optical remote sensing, the size of optical aperture has to be even large. Traditional reflective/refractive system is troubled with the unbearable volume and mass when the large system deployed in space. This problem can be solved by the diffractive structure employed on a membrane. Diffractive optics can not only achieve a spatial resolution beyond the fabrication accuracy, but also call for a loose tolerance compared with the traditional ones. Photon sieves are kinds of novel diffractive optics based on zone plates. A great quantity of sieves modulate the light field and focus. Photon sieves can achieve higher resolution, better sidelobe suppression and less scattering. The optical system designed by using stitching membrane photon sieves can be lightweight ultra-large. Nevertheless, obstacles here hinder this system to be engineering available: the limitations of the image theory when the aperture gets large; applying errors when the optics are stitching, folding and expansion; narrow field of view and wavelength bandwidth of the diffraction system, etc. This project steps into these issues, and solve the problems involved in the membrane stitching photon sieves system with large aperture. This work also contributes to the theory foundation of the similar diffraction systems using stitching membranes.

空间光学遥感对于地面分辨率提出的要求越来越高，光学系统口径的增大成为必然。传统大口径折反式光学系统的体积和质量给发射带来了极大困扰。利用加工在薄膜上的衍射结构可以解决这个问题。衍射光学系统不仅可以获得突破加工尺寸的空间分辨率，同时对公差的要求仅为传统系统的一半。光子筛是一种基于波带片衍射光学结构，其上分布的大量筛孔对光场进行调制，聚焦成像。作为新兴的衍射光学结构，光子筛可以产生更高的分辨率、更理想的衍射旁瓣抑制、更少的边缘散射。利用其特点设计的光学系统可通过拼接实现轻量化的超大口径。然而，光子筛在大口径条件下的成像理论存在局限性、拼接带来的应用误差以及较窄的系统视场及光谱带宽等是目前存在的问题。本项目针对上述问题进行深入研究，以解决这些制约薄膜光子筛拼接大口径光学系统的工程应用问题，也为薄膜拼接大口径空间衍射光学系统建立此类问题的理论基础。

随着空间光学的不断发展、空间光学系统的分辨率不断提升，光学系统的口径尺寸不断增大成为必然趋势。可加工在薄膜基底上的衍射型空间光学系统成为潜在的解决方案之一。光子筛是一种类似于菲涅尔波带片的衍射光学元件，它利用伪随机分布的离散筛孔对光场进行调制并聚焦成像。相比于菲涅尔波带片，光子筛具有超越加工极限的分辨能力、更好的旁瓣及边缘散射抑制能力和更加灵活的设计自由度，在空间光学中的应用极具潜力。基于薄膜拼接结构的光子筛衍射系统通过平面或近似平面的二维结构实现光线的收集和汇聚，可以折叠展开实现收纳体积的减小，有效减小光学系统质量、降低空间应用成本，同时，具有复制加工效率高、面型误差敏感度较低的特点。为了实现光子筛光场的高效计算与分析，建立了基于不同理论的光子筛成像模型，给出了光子筛用于不同近似程度下的仿真结果，通过对模型运算结果的对比，得到了不同模型的运算效率及特点。通过成像模型的重新规划、筛孔微结构的重新设计，给出了倾斜入射光子筛的设计方法，设计加工了传统振幅型光子筛和经过优化的零阶衍射分离型光子筛，并进行了成像实验及分辨率检测，实现了对推导的模型及设计方法的验证。根据系统波前差要求，给出了薄膜光子筛误差理论计算方法，并根据特定波前差给出了薄膜拼接光子筛各部分实际公差要求；提出了离散波前仿真方法，实现了平面拼接误差和温差误差的评估。利用场镜及共轭位置的校正衍射元件，实现了大口径光子筛入瞳光学系统的色差补偿光学系统设计，将薄膜光子筛衍射成像的应用带宽扩展至200nm，具备了实际的成像应用价值。本课题的研究方法、得到的理论、实验结果和结论可做为薄膜拼接光子筛在空间光学中的应用提供科学依据和技术指导。