大口径多尺度微结构衍射成像系统仿真模型研究

Diffractive imaging technology offer an appealing solution for constructing next-generation, ultra-large space telescope. However, in the development stage of the prototype, designers use the phase function to describe the diffraction optical elements(DOEs), ignoring the influence of the surface microstructure and making it one of the limiting factors to improve performance. In this project, we will focus on the modulation effect of microstructure on light wave and study the propagation law of light wave in diffractive imaging system. The goal is to establish a new simulation model of diffractive imaging system, which breaks through the bottleneck that existing optical design software cannot take the microstructure into consideration. The main contents include: Based on the processing technology and testing results of microstructure, studying the fabrication errors and their effects on the profile shape; Using the sub-aperture splicing method to solve the contradiction between the calculation accuracy and speed when analysis the light wave modulation of large aperture DOEs; Establishing the simulation model by combining wave optical simulation technology, and verifying the model by experiment. It is expected to provide theoretical model and foundation for studying the influence of microstructure on system performance.

衍射成像技术为建造超大口径轻量化空间望远镜提供了潜在的可行方案。然而在原理样机研制阶段，光学设计人员使用相位函数描述衍射元件，忽略了表面微结构形貌的影响，使之成为提升系统性能的制约因素之一。本项目以微结构对光波的调制特性为主要研究对象，对光波在衍射成像系统中的传播规律进行基础科学研究，提出建立一种考虑微结构形貌的衍射成像系统仿真模型，突破常用光学设计软件无法分析微结构形貌影响的瓶颈。具体研究内容包括：综合微结构加工工艺、形貌测试结果，研究加工误差的类型及其对三维形貌的影响规律；通过子窗口拼接思路研究大口径衍射元件表面多尺度微结构对光场的调制，平衡光场计算精度与计算速度之间的矛盾；结合波动光学仿真技术建立衍射系统成像特性的仿真模型，以实验测试为手段对其进行验证。本项目旨在探索光波在衍射成像系统中的传播规律，为研究微结构形貌对系统性能的影响提供理论模型与技术基础。

衍射元件通过表面特殊微结构对光波进行调制，可制备在超薄平面基底上。利用平面化衍射元件作为超大口径光学系统的主镜，在轻量化方面极具优势。但是，一方面目前常用光学设计软件仅能使用数学函数描述衍射元件，忽略了其物理形貌对系统性能的影响；另一方面，基于严格矢量理论的光学分析软件对计算机内存与计算量消耗巨大，一般仅应用于小尺寸微结构的分析。为解决上述难题，本项目总结了微结构加工中存在的5类典型加工误差，借鉴图像处理技术中的腐蚀、膨胀，形态学开操作、闭操作，滤波、拟合等操作，将上述加工误差引入到微结构三维模型中，为微结构加工误差的准确测量与描述提供了必要手段；大量探索了衍射元件表面微结构的衍射现象，发现光场剧烈震荡只发生在微结构高度突变处。基于这一发现，提出了基于响应函数的大口径衍射元件光波调制分析方法，解决了大口径元件分析精度与计算速度难以兼顾的难题。在微结构复杂光场与光线追迹数据之间转化方面，基于空间滤波与波前复原原理，提出了基于微观形貌与宏观性能评估方法，为高精度衍射元件的误差分配、大口径衍射元件像质分析等奠定了理论基础，并建立了微观形貌对元件宏观性能影响的分析模型。此外，受微结构形貌图像表征法的启发，探索将代表不同功能的微结构二值图像进行逻辑运算，期望利用一个微结构同时实现多种功能。提出了一种基于逻辑运算的多波长共焦衍射元件设计思路，设计并研制了一块三波长共焦衍射元件，仿真分析与实验测试均表明元件聚焦性能接近衍射极限，为多波长复用衍射元件的设计提供了新思路。