微納薄膜成像光學系統為何能得到高軌航空設備青睞？

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大勢所趨

「傳統的反射式光學系統本身的限制，不能再適應高軌道航空設備；而具有易於複製、周期短、成本低、重量輕等優點, 微納薄膜成像光學系統成為了首選，備受各國追捧和研究。」

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背景追溯

超大口徑空間望遠鏡勢在必行

進入21世紀以來，各國都在注重航空科學技術的的發展，太空望遠鏡、航天探測器更是層出不窮。近年來，各國又開始加快了研製和布局光學遙感衛星的步伐。

就其大致部署來說，高軌道設備主要形成對熱點區域的普查，低軌道設備進行局部詳查。目前要實現高軌道對地高分辨力觀察體系，其困難主要集中在超大口徑空間望遠鏡上。

傳統的反射式光學系統無法適應新形勢

隨著口徑增大,傳統的反射式光學系統加工難度急劇增加,不僅如此加工周期長; 反射主鏡質量隨口徑平方線性增加, 以至於系統體型龐大、笨重，大大超出現有的運載發射能力。

詹姆斯· 韋伯望遠鏡, 系統主鏡口徑6.5 m, 雖然採用了輕量化的金屬鈹作為主鏡的鏡坯材料, 面密度低於30 kg/m2, 但重量仍有6.2× 103 kg, 按比例計算, 口徑10 m的光學系統質量將超過15× 103 kg

Hubble太空望遠鏡首次採用了蜂窩輕量化技術, 其主鏡面密度下降到約240 kg/m2

在軌自組裝技術治標不治本

在以後的發展過程中，人們提出了在軌自組裝技術，其是基於解決大口徑反射式望遠鏡的重量、尺寸與運載設備包絡限制之間矛盾，該技術將望遠鏡系統分割成多個獨立單元進行裝載發射, 甚至可以將同一望遠鏡分成多次發射入軌, 利用交會對接、拼接精確對準、鏡面共相校正和面形能動校正等技術實現大口徑望遠鏡的在軌組裝。

與摺疊發射、在軌展開方案大不相同，但是，此項技術不是非常完美，雖然能使空間望遠鏡的口徑與規模擺脫運載設備包裝的限制, 但並沒有從根本上解決傳統反射式望遠鏡的重量問題, 在軌自組裝複雜程度高, 可控性較低，而且分批次發射成本昂貴。

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異軍突起

微結構薄膜光學成像技術是通過現代微納加工技術，利用在薄膜基底材料上製作特定的微細圖形的方法對光波進行調製，可以實現相同F數時達到與傳統光學系統解析度相當的光學高分辨成像。

由於主鏡可採用微米級薄膜材料作為基底,，重量極輕 (面密度小於1 kg/m2) ，從而易於摺疊； 另外採用現代微細加工技術,，具有易於複製、周期短、成本低的優點,，另外，薄膜光學系統具有重量輕（僅是反射式系統的1/6~1/50）、對航天運載器的容積要求小（其可以摺疊）、面型公差小等特點，能夠突破傳統光學系統存在的技術瓶頸。

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現狀及前景

▲哈佛大學消像差納米天線透鏡

美國從上世紀90年代起開展了薄膜成像理論和關鍵技術的研究, 到2010年開始將理論和關鍵技術轉變成工程實現, 並計劃在2025年左右將Φ 10 m、Φ 20 m薄膜成像光學系統發射到同步軌道。

法國也在2005年至今開展薄膜成像光學系統理論和地面樣機研製工作, 並計劃於2025年完成Φ 4 m薄膜成像光學系統的研製。

中科院光電技術研究所在理論研究和地面工程樣機研製及突破關鍵技術方面, 為國內研製大口徑薄膜成像光學系統奠定了堅實的技術基礎。國內其他相關科研單位在薄膜成像理論研究和小口徑薄膜透鏡製備上也積累了一定的經驗。現階段中科院光電技術研究所在科技部地球觀測與導航專項--「靜止軌道高解析度輕型成像相機系統技術」支持下, 薄膜成像光學系統現階段正從原理樣機研製到工程樣機研製過渡。

總體來說

目前, 各國的研究機構正在積極籌備研製Φ 10 m級甚至Φ 20 m級的薄膜成像光學系統, 主力微結構形式為光子篩或位相型菲涅爾。

光子篩能降低加工難度抑制一定旁瓣的雜散光, 但衍射效率低, 可以用於空間亮目標探測, 不適合對地觀測; 位相型菲涅爾透鏡作為現階段對地觀測成像系統的主選微結構形式, 採用多台階或連續結構可以將衍射效率提高到90%以上, 可滿足空間對地觀測的對比度要求。

現階段微結構主鏡大口徑加工工程化水平仍在突破光子篩或多台階位相型菲涅爾, 它色散大決定了系統光譜範圍窄、視場相對較小。因此進一步拓寬系統成像光譜範圍, 需要繼續研究亞波長微結構薄膜主鏡, 比如納米陣列超級鏡頭。

新的薄膜主鏡結構需要更小的線寬和更複雜的微納結構, 也給微納加工提出了更高的要求和挑戰, 未來微納結構加工能力將直接影響薄膜望遠鏡研製水平。

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