本文選題：大口徑　切入點(diǎn)：衍射成像系統(tǒng)　出處：《中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：高分辨率空間對(duì)地光學(xué)遙感相機(jī)是目前世界上空間光學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。地球靜止軌道對(duì)地觀測(cè)相機(jī)是航天遙感領(lǐng)域中獲取空間信息的重要工具之一,具有極高時(shí)間分辨率和超大觀測(cè)幅寬的特點(diǎn)。靜止軌道光學(xué)遙感能夠?qū)崿F(xiàn)星下點(diǎn)對(duì)地球表面三分之一區(qū)域的連續(xù)觀測(cè),但是實(shí)現(xiàn)大范圍觀測(cè)的同時(shí),地面像元分辨率會(huì)降低。增長焦距、增大口徑是提高空間相機(jī)分辨率的最有效方法。若希望在地球靜止軌道實(shí)現(xiàn)1 m像元分辨能力,相機(jī)的口徑要達(dá)到20 m。隨著口徑的增大,傳統(tǒng)形式的反射式空間望遠(yuǎn)系統(tǒng)不管是制造技術(shù),還是發(fā)射能力以及空間展開、調(diào)整技術(shù)等方面,實(shí)現(xiàn)起來已經(jīng)越來越困難�？紤]到必需的支撐和控制結(jié)構(gòu),光學(xué)系統(tǒng)的重量與口徑的平方成正比例關(guān)系。隨著口徑的增大,控制越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在硬件、軟件、系統(tǒng)集成和測(cè)試等各方面的成本急劇增大。與反射式光學(xué)系統(tǒng)相比,以薄膜材料作為系統(tǒng)物鏡的衍射成像系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)大口徑、結(jié)構(gòu)輕量化、可折疊展開、公差寬松、易復(fù)制等特點(diǎn),能夠顯著節(jié)省制造與發(fā)射成本,在靜止軌道高分辨率成像領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文針對(duì)基于薄膜材料的衍射成像系統(tǒng),從設(shè)計(jì)到元件加工進(jìn)行了深入的研究,其主要內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面:1、使用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,設(shè)計(jì)并優(yōu)化衍射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),基于Schupmann消色差原理,設(shè)計(jì)校正鏡組平衡衍射物鏡的色差,展寬系統(tǒng)使用波段。完成5 m口徑的衍射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì),系統(tǒng)成像性能接近衍射極限。同時(shí),設(shè)計(jì)一個(gè)300 mm口徑的衍射望遠(yuǎn)鏡樣機(jī),用以驗(yàn)證基于衍射成像技術(shù)的系統(tǒng)成像性能。對(duì)衍射成像系統(tǒng)中的加工公差,位置公差及拼接公差進(jìn)行分析,以驗(yàn)證衍射元件應(yīng)用在大口徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)上的可行性。2、搭建了基于聚酰亞胺薄膜材料,可用于大口徑薄膜衍射元件制造的加工平臺(tái)。建立并優(yōu)化了輕質(zhì)、高衍射效率位相型薄膜衍射元件加工工藝流程。探究了基于激光直寫與Ar離子束物理刻蝕的組合工藝,實(shí)現(xiàn)熔石英玻璃基底的復(fù)制模板的制作。選取透明有機(jī)材料聚酰亞胺作為薄膜基底材料,采用模板復(fù)制方法,將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)通過模板轉(zhuǎn)移至聚酰亞胺薄膜表面。根據(jù)所探究的工藝流程,分別完成了兩塊不同基底材料的300 mm有效口徑的衍射物鏡的制作。3、完善了多臺(tái)階薄膜衍射元件加工全過程中的制作誤差分析,將制作誤差分為復(fù)制基板加工過程中引入的制作誤差與薄膜轉(zhuǎn)移過程引入的制作誤差。復(fù)制基板誤差主要包括刻蝕深度誤差、套刻誤差、線寬誤差。薄膜轉(zhuǎn)移過程中引入的制作誤差主要分為線寬轉(zhuǎn)移誤差與深度轉(zhuǎn)移誤差。對(duì)制作誤差進(jìn)行解析分析,利用Matlab軟件進(jìn)行仿真,分析制作誤差與薄膜衍射元件衍射效率之間的關(guān)系。4、對(duì)實(shí)驗(yàn)制作的兩塊不同材質(zhì)的衍射元件進(jìn)行測(cè)試,以評(píng)估其性能。設(shè)計(jì)并搭建檢測(cè)光路,測(cè)試衍射元件的衍射效率,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各類制作誤差,驗(yàn)證了制作誤差與衍射效率關(guān)系的分析模型有效性。搭建衍射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)成像光路,分別通過星點(diǎn)像與分辨率板,測(cè)試系統(tǒng)的成像性能。論文的研究工作表明基于薄膜材料的衍射式成像系統(tǒng)為未來實(shí)現(xiàn)大口徑靜止軌道高分辨成像提供了一個(gè)新思路。通過模板復(fù)制方法制作的薄膜具有輕量化、性能穩(wěn)定、光學(xué)性能優(yōu)異、衍射效率高的特點(diǎn)。本文的工作為未來空間超大口徑薄膜衍射成像系統(tǒng)的研究提供了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。
[Abstract]:High spatial resolution is currently a hot research field in the world of space optical remote sensing camera. The geostationary orbit is one of the important tools to obtain spatial information in the field of aerospace remote sensing of earth observation camera with high time resolution and ultra width characteristics. Observation of geostationary orbit optical remote sensing can achieve continuous observation of 1/3 of the earth's surface area the ground, but to achieve a wide range of observations at the same time, the ground pixel resolution will reduce growth. The focal length, increasing the diameter is the most effective way to improve the resolution of the space camera. If you want the ability to distinguish in geostationary orbit to achieve 1 m pixel camera, the aperture to reach 20 m. with the diameter increasing, reflecting the traditional form of space telescope system whether manufacturing technology, or ability to launch and space expansion, adjustment of technology, it has been more and more Difficult. Considering the support and control structure is required, the weight and the diameter of the optical system is proportional to the square. With the diameter increasing, the control is more and more complicated, the traditional optical system in hardware and software, and the system integration and testing cost increases rapidly. Compared with the reflective optical system with thin film material as the diffraction imaging system can realize the objective system with large diameter, lightweight structure, folding, tolerance, easy to copy, can significantly reduce manufacturing costs and emission, and has broad application prospects in the geostationary orbit high resolution imaging field. According to the diffraction imaging system based on thin film materials, from the design the processing element is studied, the main contents are as follows: 1, using the Zemax optical design software, design and optimization of diffractive telescope system based on Schupma NN the achromatic principle, design color correction lens balance lens system using diffraction, broadening band. To complete the design of 5 m aperture diffractive telescope system, imaging system performance is close to the diffraction limit. At the same time, the design of a 300 mm aperture diffractive telescope prototype to verify based on diffraction imaging system for imaging performance. Tolerance diffraction imaging system, position tolerance and tolerance are analyzed to verify the connection, diffractive element is used in large aperture telescope system on the feasibility of.2, build a polyimide film material can be used for processing platform based on large aperture optical diffraction element manufacturing. To establish and optimize the lightweight, high diffraction efficiency of phase type thin film diffraction element process. To explore the combination of laser direct writing technique and Ar ion beam etching based on physical realization, copy the template of fused quartz glass substrate production. Select Transparent organic polyimide material as the film base material, using the template replication method, the design of structure by template transfer to the polyimide film surface. According to the process of inquiry, were completed in.3 making two pieces of different base materials the effective aperture of 300 mm diffraction lens, improve the whole process of fabrication error of multi step thin film diffraction element processing in the analysis, the error is divided into making errors in the process of copying substrate and film transfer process is introduced. The fabrication errors of replication error mainly includes substrate etching depth error, alignment error, line width error. Making errors in the process of the transfer film is divided into linewidth error and depth error. Transfer transfer analysis analysis of fabrication errors, simulated using Matlab software and analysis of relationship between.4 production error and the diffraction efficiency of thin film diffraction element To test, two different materials produced by diffraction element experiment, to evaluate its performance. Designed and built the detection optical path, the diffraction efficiency of diffractive element test, combined with the experimental measured all kinds of fabrication errors, verified the model validity analysis of relationship between the manufacturing error and the diffraction efficiency of optical diffraction imaging structures. The telescope system, respectively and resolution through the star like plate, the imaging performance of the test system. The research work of this paper shows that the diffractive imaging system based on thin film materials for the future implementation of large caliber geostationary orbit high resolution imaging provides a new idea. Through the method of making film template replication has light weight, stable performance, excellent optical performance the characteristics, high diffraction efficiency. To provide theoretical and technical basis for the future research work space of large diameter thin film diffraction imaging system.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：V443.5

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本文編號(hào)：1616550