【摘要】：薄膜衍射成像技術(shù)是未來構(gòu)建大口徑太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵技術(shù),薄膜衍射器件解決了傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡主鏡的大重量和高面形精度問題,為實(shí)現(xiàn)大口徑甚至超大口徑望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)建提供了新的技術(shù)途徑。本論文主要研究了目前大口徑衍射望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)中存在的若干關(guān)鍵問題,包括大特征尺寸菲涅爾校正板的設(shè)計(jì)、可見光范圍內(nèi)的光子篩望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及大口徑衍射望遠(yuǎn)鏡的中心遮攔分析和頻譜改進(jìn)設(shè)計(jì),具體研究工作如下:1.提出了兩種大特征尺寸校正板設(shè)計(jì)方案,分別為混合調(diào)制透鏡和諧衍射透鏡,目的是通過增大校正板的特征尺寸,降低校正板的加工難度。仿真實(shí)驗(yàn)表明,混合調(diào)制透鏡和諧衍射透鏡均能作為校正板消除寬光譜衍射成像系統(tǒng)中衍射主鏡引入的色差,但兩個校正板有各自不同的光學(xué)和加工特性�；旌险{(diào)制透鏡不僅可以增加校正板的特征結(jié)構(gòu)寬度,還可以減小其微結(jié)構(gòu)的坡度,而諧衍射透鏡只能增加校正板的特征結(jié)構(gòu)寬度,不改變其微結(jié)構(gòu)的坡度,因此,混合調(diào)制透鏡比諧衍射透鏡更容易加工;然而,混合調(diào)制透鏡的易加工性是以犧牲衍射效率為代價(jià),其衍射成像系統(tǒng)的效率僅約為10%,相比之下,諧衍射透鏡可以較好的保證衍射成像系統(tǒng)的衍射效率(95%)。2.提出了兩種RGB三通道光子篩望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)方案,分別為基于徑向分區(qū)光子篩的RGB三通道望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)方案和基于隨機(jī)分區(qū)光子篩的RGB三通道望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)方案,目的是將光子篩望遠(yuǎn)鏡的成像頻譜范圍從幾十個nm覆蓋至可見光范圍。仿真結(jié)果表明,隨機(jī)分區(qū)三通道設(shè)計(jì)可以更好的消除R、G、B三個通道的色差,并且具有更好的聚焦特性,但隨機(jī)分區(qū)設(shè)計(jì)的三個中心波長受到諧衍射透鏡諧波長的制約,以至于三個通道的頻段不能任意選擇;相比之下,徑向分區(qū)三通道設(shè)計(jì)的三段頻譜相互獨(dú)立,具有更高的設(shè)計(jì)自由度,但該設(shè)計(jì)的外通道像點(diǎn)具有較高的旁瓣,且不同通道像點(diǎn)的分辨率不同,因此徑向分區(qū)三通道設(shè)計(jì)的成像質(zhì)量較低。3.提出了一種基于柔性對稱分布鋼圈的薄膜支撐機(jī)構(gòu),用以支撐光子篩薄膜,并加工了用于支持100mm口徑光子篩的薄膜支撐機(jī)構(gòu)。分析表明,該支撐機(jī)構(gòu)具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、便于折疊和展開和自穩(wěn)定特性等優(yōu)點(diǎn),非常有利于實(shí)現(xiàn)大口徑衍射薄膜在太空中的高精度支撐和展開。4.分析了大口衍射望遠(yuǎn)鏡中的中心遮攔問題,并根據(jù)分析結(jié)果提出了一種頻譜平移設(shè)計(jì)方法,有效的減小了大口徑望遠(yuǎn)鏡中的頻譜遮擋。另外,設(shè)計(jì)了靜止軌道一米分辨率的衍射望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng),用以評估我們的方法在避免頻譜遮擋上的有效性。仿真實(shí)驗(yàn)證明,我們的設(shè)計(jì)不僅避免了對設(shè)計(jì)頻譜的遮擋,并且改善了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的MTF曲線,提高了望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量。
【圖文】：

衍射元件帶來的色差，發(fā)揮薄膜衍射元件在大口徑太空的望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建上的優(yōu)勢，逡逑Ｒ．邋Ｈｙｄｅ在１９９９年提出的一種基于Ｓｃｈｕｐｍａｒｍ系統(tǒng)的衍射望遠(yuǎn)鏡光路設(shè)計(jì)方案逡逑（如圖１．２），，成功的解決了衍射望遠(yuǎn)鏡中的色差問題。該望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)通過在特逡逑定的位置引入另外一個與衍射主鏡具有相反光焦度和相同色散能力的衍射元件逡逑（菲涅爾校正板）來補(bǔ)償衍射主鏡的色差，根據(jù)該望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，當(dāng)菲逡逑涅爾校正板和衍射主鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)滿足消色差條件時，該方案可以完全消除衍射逡逑主鏡引入的色差。隨著衍射元件色散問題的解決，國內(nèi)外陸續(xù)開始了關(guān)于大口徑逡逑衍射望遠(yuǎn)鏡的研宄，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了衍射元件在寬光譜成像中的可行性。目前，衍射逡逑成像技術(shù)已成為未來光學(xué)遙感衛(wèi)星成像技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是未來光學(xué)衛(wèi)星遙感逡逑成像必不可少的技術(shù)。逡逑２逡逑

圖１．３邋ＬＬＮＬ相關(guān)研宄成果逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH743

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2709644