波帶片衍射成像技術(shù)在對地觀測衛(wèi)星中的應(yīng)用

劉韜 周一鳴 王景泉 梁巍

（北京空間科技信息研究所，北京 100086）

1 引言

波帶片（Zone Plate）衍射成像技術(shù)是一種重要的對地觀測技術(shù)，是目前國外的研究熱點。波帶片衍射成像系統(tǒng)具有大口徑、高分辨率、結(jié)構(gòu)輕量化、空間可展開、公差要求低、易復(fù)制等特點，不但可以節(jié)約發(fā)射成本，還能夠顯著降低制造成本。波帶片衍射成像技術(shù)在衛(wèi)星應(yīng)用中具有重大潛力。［1-6］

為了滿足高軌道衛(wèi)星高分辨率對地觀測的要求，國外從20世紀(jì)末開始研發(fā)新型光學(xué)成像技術(shù)，包括空間分塊可展開技術(shù)、光學(xué)干涉合成孔徑成像技術(shù)、稀疏孔徑成像技術(shù)和波帶片衍射成像技術(shù)。空間分塊可展開技術(shù)需要主鏡輕量化、嚴(yán)格的鏡片面形控制、精確的展開結(jié)構(gòu)和波前傳感與控制，這些技術(shù)難題致使其成本高昂。光學(xué)干涉合成孔徑成像技術(shù)正是由于各子孔徑的同相位要求，使得空間機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、系統(tǒng)穩(wěn)定性和大氣擾動等因素引起的波動總效應(yīng)，需控制在光波長的數(shù)量級內(nèi)。具體地說，該技術(shù)一般是利用若干個衛(wèi)星編隊飛行，以實現(xiàn)長基線干涉，從而達(dá)到高分辨率的要求，但其衛(wèi)星編隊飛行的控制精度要求極高，工程實現(xiàn)難度大。同時，稀疏孔徑使用分離的光學(xué)系統(tǒng)，是以犧牲光通量為代價實現(xiàn)高分辨率，在技術(shù)上還存在一系列尚待解決的問題。另一方面，分塊可展開和稀疏孔徑成像系統(tǒng)自身的重量仍然會限制口徑的擴(kuò)大，因此研究進(jìn)展比較緩慢。波帶片衍射成像技術(shù)為解決高軌道高分辨率對地觀測問題提供了一種新思路，它具有可實現(xiàn)大口徑、所用材料面密度極輕、面形控制要求低和生產(chǎn)工藝相對較容易等特點。

國外在低軌道高分辨率對地觀測衛(wèi)星小型化上也進(jìn)行了一系列探索，比如使用小相對孔徑的光學(xué)系統(tǒng)和TDICCD 器件等。而波帶片衍射成像技術(shù)提供了另一種實現(xiàn)該目標(biāo)的途徑。

菲涅爾波帶片和光子篩是典型的、可用于對地觀測的衍射光學(xué)器件。本文介紹了菲涅爾波帶片技術(shù)的概念和其不足，重點闡述了光子篩成像技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)演進(jìn)，并對波帶片衍射成像技術(shù)在國外高軌和低軌衛(wèi)星中的應(yīng)用進(jìn)行了概括，可為我國未來對地觀測成像技術(shù)發(fā)展提供參考。

2 用于對地觀測的波帶片衍射技術(shù)發(fā)展

衍射成像光學(xué)系統(tǒng)一般由物鏡和目鏡系統(tǒng)組成，是將衍射光學(xué)元件與傳統(tǒng)的折／反射光學(xué)元件結(jié)合起來形成的衍／折／反射混合型光學(xué)系統(tǒng)，是具有微結(jié)構(gòu)的新一代光學(xué)系統(tǒng)。波帶片成像系統(tǒng)中的物鏡為衍射透鏡，目鏡系統(tǒng)一般包括一個中繼光學(xué)系統(tǒng)和色差校正系統(tǒng)。其工作原理是首先通過衍射透鏡匯聚光線，再由位于其焦點處的中繼光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行色差校正以增大帶寬，最后成像到焦平面上?，F(xiàn)階段國外在航天領(lǐng)域中，基于波帶片衍射原理制造成像系統(tǒng)的技術(shù)有兩種：一是菲涅爾波帶片技術(shù)，二是光子篩（Photon Sieve，PS）技術(shù)。PS技術(shù)是由菲涅爾波帶片技術(shù)發(fā)展而來，PS由大量分布在波帶片環(huán)帶上的微孔組成。PS可以在波帶片的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高分辨率，因此成為近年衍射成像技術(shù)的研究熱點。

2．1 菲涅爾波帶片技術(shù)

菲涅爾波帶片一般是由一系列透明和不透明的同心圓環(huán)組成，它能使點光源成實像，因此可以認(rèn)為它的作用和一塊會聚透鏡相當(dāng)，可以作為成像器件使用。如果作為成像器件，分辨率是一個重要的指標(biāo)。波帶片最外環(huán)的寬度決定了它的分辨率。由于制作工藝的局限性，無法無限制地減小波帶片的最外環(huán)寬度。另外，由于波帶片衍射像中的旁瓣效應(yīng)，降低了成像質(zhì)量。而PS比菲涅爾波帶片在分辨率上更具優(yōu)勢。

2．2 光子篩技術(shù)

光子篩是近10年發(fā)展起來的一種新型的衍射光學(xué)成像器件。它首先由德國Kiel大學(xué)為提高軟X 射線的聚焦能力而提出［1］。每一個微孔的衍射光在PS后的相應(yīng)位置同相相加，就像許多同相的小口徑陣列。用微孔環(huán)帶陣列替代菲涅爾波片中的透明環(huán)帶，大大提高了PS聚焦光束的尖銳性，使得光學(xué)成像質(zhì)量得到極大提高。PS是由一塊薄片組成，只需在外圍使用支撐結(jié)構(gòu)，因而使PS 的實用性大大提高。國外現(xiàn)有研究結(jié)果表明，微小孔的直徑在一定范圍內(nèi)，可以大于所在的菲涅爾環(huán)帶寬度，而成像質(zhì)量不受影響［2］，這一特點降低了對生產(chǎn)工藝的要求。

光子篩具有體積小、重量輕、光譜范圍寬、設(shè)計靈活、分辨率高、制成陣列容易等優(yōu)點。光譜范圍覆蓋了傳統(tǒng)的折射或反射光學(xué)器件難以實現(xiàn)的光譜區(qū)域（包括可見光、紅外、軟X 射線和極紫外（EUV））。在軟X 射線和EUV 波段，各種材料的折射率均接近或者等于l，這就導(dǎo)致了常規(guī)的通過折射聚焦成像的光學(xué)元件將無法正常使用［3］。極紫外線望遠(yuǎn)鏡在空間科學(xué)研究中有重要的價值，這就使PS在這一領(lǐng)域有獨特的優(yōu)勢。在成像方面，PS空間分辨率可以達(dá)到比其特征尺寸更小的超分辨水平，其輕質(zhì)的特性適合制造大口徑望遠(yuǎn)鏡，因此在航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。PS 的發(fā)展從鍍鉻石英基板PS發(fā)展到薄膜PS，原因是薄膜PS更適合于大口徑成像系統(tǒng)，并且質(zhì)量更輕。鍍鉻石英基板PS 又可分為傳統(tǒng)PS和負(fù)孔PS。

2．2．1 鍍鉻石英基板光子篩的發(fā)展

2005年，美國空軍學(xué)院（AFA）報道了利用PS制作空間望遠(yuǎn)鏡的方法，具體數(shù)據(jù)見表1［2，4-6］。該方法中，分辨率測試統(tǒng)一使用基于MIL-STD-150A標(biāo)準(zhǔn)［7］的分辨率測試靶標(biāo)，分辨率單位為lp／mm，即線對數(shù)／毫米。由于PS是衍射元件，所以帶有色散效應(yīng)、帶寬較窄。

表1 AFA鍍鉻石英基板光子篩技術(shù)發(fā)展Table 1 Technology development of chrome-coated photon sieve on Quartz substrate in AFA

AFA 最初研制的設(shè)備只有0．06nm 的帶寬，為了克服這一問題，使用了一個色散修正元件（DOE），將帶寬增大到了50nm（如圖1）。從而使整個PS系統(tǒng)工作波段為507～557nm。

圖1 光子篩系統(tǒng)成像原理圖Fig．1 Imaging theory diagram of PS system

此外，AFA 還研制了微孔直徑從10～279μm變化的PS，雖然分辨率下降到154lp／mm，但是當(dāng)工作波長擴(kuò)展到632．9nm 時，也獲得了比較理想的效果。

對于菲涅爾波帶片，每個透光波帶對于焦點處的場的貢獻(xiàn)是正的。同理，上述傳統(tǒng)PS 的微孔中心都必須集中在菲涅爾波帶片的透光環(huán)帶內(nèi)，每個處于通光環(huán)帶的透光微孔對于焦點處的場的貢獻(xiàn)也是正的。透光微孔的直徑可以增大到所在環(huán)帶寬度的1．514倍這一最優(yōu)值，這就減輕了制造的難度。2006年，AFA 制作了含有500 萬個“負(fù)孔”（Antihole）的PS。該設(shè)備工作波段為507～557nm。這些“負(fù)孔”分布在每個偶數(shù)階菲涅爾不透光波帶上，直徑大小介于18～331μm 之間，微孔的直徑為所在環(huán)帶寬度的3．514倍。這種設(shè)計打破了傳統(tǒng)光子篩的設(shè)計方法，使分辨率得到了大幅的提升?！柏?fù)孔”PS的最小微孔尺寸比傳統(tǒng)光子篩大，總孔數(shù)也下降了一半，因此進(jìn)一步降低了加工難度和成本。

與此同時，我國也開展了PS的研發(fā)工作。2006年，中科院光電技術(shù)研究所在鍍鉻石英基板上制作了微米孔陣列振幅型光子篩。口徑30 mm，焦距175mm，工作波長632．8nm，最小微孔尺寸5．6μm，衍射環(huán)數(shù)為1 000，總微孔數(shù)為1 000萬［8］。2010年，中科院微電子研究所提出了復(fù)合型光子篩的研制方法，將普通光子篩半徑的中間1／3部分改用波帶環(huán)替代，并在鍍鉻石英基板上制作了口徑17．75mm 的光子篩［3］。

2．2．2 薄膜型光子篩

2006年后，AFA開始研制薄膜型光子篩［9］，先后研制并測試了重氮基（Diazo）薄膜PS、電鍍鎳薄膜PS和CP1薄膜PS（CP1材料全稱為LaRCTM-CP1，由美國ManTech SRS技術(shù)公司研制），這三類PS都是根據(jù)“負(fù)孔”PS的理論設(shè)計的。文獻(xiàn)［9］中沒有提及孔的具體參數(shù)，只給出了Diazo薄膜PS 的分辨率為161lp／mm，對這些薄膜PS的測試結(jié)果表明，其他兩種薄膜PS的分辨率都優(yōu)于Diazo薄膜PS。

此外，CP1薄膜韌性好、可卷曲，并且質(zhì)量很輕，這種薄膜還有近零熱膨脹系數(shù)（CTE），使得CP1薄膜非常適合于航天應(yīng)用。［10］

在制備工藝上，薄膜PS具有易復(fù)制的特點，可大大提高成像系統(tǒng)裝備衛(wèi)星的速度和規(guī)模，使衛(wèi)星星座和編隊飛行的成本大大降低。本節(jié)簡要介紹AFA 制作薄膜光子篩望遠(yuǎn)鏡的流程［9］。首先制作鍍鉻石英基板光子篩模板，其次在10μm 厚的CP1薄膜上蒸鍍一層200nm 厚的鋁，然后在鋁上涂2μm厚的AZ1518型光刻膠。使用光子篩模板，并采用紫外線光刻法，制作光子篩圖形，使原光子篩圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，然后去除阻擋層，再去除鋁層，最后剝離光刻膠便制成了CP1薄膜PS。流程如圖2所示。利用一塊模板就可以批量生產(chǎn)薄膜PS，這與傳統(tǒng)的折反式主鏡研磨生產(chǎn)方式相比，縮短了研制時間。

圖2 薄膜光子篩制作工藝圖Fig．2 Fabrication technique flowchart of membrane PS

除此之外，由于采用衍射方式，可以降低反射式光學(xué)系統(tǒng)中對公差的嚴(yán)格要求，從而降低了研制難度和成本。PS薄膜不需要被拉伸成一個光學(xué)平面，它的表面變形量h的計算公式為［9］

式中：f是光子篩的焦距；D是口徑；φ是相位差。

對于透射波前相位差λ／10，一個相對口徑為f／2的光子篩薄膜，可以容許的變形量約為3λ。因此，傳統(tǒng)反射鏡要比PS的公差要求嚴(yán)格60倍。重量輕和加工要求較低是發(fā)展PS技術(shù)的主要原因。

AFA 當(dāng)前還計劃使用Nexolve 公司提供的Novastrat型聚酰亞胺薄膜制作光子篩，這種材料已經(jīng)通過了飛行測試，根據(jù)特定的需求可以通過化學(xué)的方法，任意控制該材料的熱膨脹系數(shù)。盡管表面變形的要求低于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)，但是由于光線要透過薄膜基底，所以仍然要保持薄膜厚度的高度一致性。Nexolve公司已經(jīng)證明了該材料的厚度控制可以滿足需求［9］。

天基望遠(yuǎn)鏡成像技術(shù)在鏡面面密度的控制上取得了一定進(jìn)展，比如“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡的面密度為180kg／m2，約25 年后，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）的面密度減小到25kg／m2。而薄膜PS面密度更輕，僅為0．25kg／m2。［10］

綜上所述，PS技術(shù)的優(yōu)點是：①可以使用薄膜材料，從而使光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量輕很多，大幅降低了對衛(wèi)星平臺承載能力的要求；②由于物鏡本身為輕質(zhì)、平面形狀，可以在發(fā)射時進(jìn)行折疊，入軌后再展開，可避免成像系統(tǒng)體積過大而給發(fā)射帶來困難，便于增大光學(xué)系統(tǒng)口徑；③易復(fù)制的特點使制造時間大幅縮短，制作工藝也相對簡單。

3 波帶片衍射成像技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用

3．1 在高軌衛(wèi)星中的應(yīng)用

目前，國外諸多低地球軌道（LEO）對地觀測衛(wèi)星的空間分辨率已經(jīng)達(dá)到亞米級，如“世界觀測”（Worldview）、“地球之眼”（Geoeye）、鎖眼-12（KH-12）等。盡管這些現(xiàn)役衛(wèi)星系統(tǒng)的空間分辨率已經(jīng)很高，但是，由于它們運行在LEO 上，因此存在幅寬較窄、時間分辨率低等問題。為解決這些問題，最直接的方法就是提升衛(wèi)星的軌道高度。高軌道對地觀測衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星相比，具有觀測幅寬寬、可以穩(wěn)定持續(xù)監(jiān)視等優(yōu)點，是未來對地觀測衛(wèi)星發(fā)展的一個熱點方向。但是，傳統(tǒng)折／反式光學(xué)設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足高軌道衛(wèi)星高分辨率對地觀測的要求。因為在地球靜止軌道（GEO）上實現(xiàn)高分辨率對地觀測，傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的口徑必須大幅擴(kuò)大，相應(yīng)的衛(wèi)星質(zhì)量將大大超過現(xiàn)有運載火箭的承載能力，同時，大口徑主鏡也無法裝入火箭整流罩內(nèi)。而衍射成像系統(tǒng)利用薄膜材料作主鏡，可以極大地降低發(fā)射重量，并且使用可以折疊的材料，在發(fā)射時收攏，入軌后再展開。

利用波帶片衍射成像技術(shù)可以制造大口徑望遠(yuǎn)鏡，因此該技術(shù)具有大幅度提高高軌道對地觀測衛(wèi)星分辨率的潛力。波帶片衍射成像技術(shù)在高軌衛(wèi)星中的應(yīng)用方式有兩種：一是兩衛(wèi)星編隊方式；二是單衛(wèi)星可展開方式。

3．1．1 兩衛(wèi)星編隊方式

美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）于1998年提出了一個空間衍射望遠(yuǎn)鏡計劃——“眼鏡”（Eyeglass）計劃［11］，該方案由兩個衛(wèi)星（“物鏡”衛(wèi)星和“目鏡”衛(wèi)星）一起構(gòu)成一個合作望遠(yuǎn)鏡，“物鏡”衛(wèi)星計劃由一個口徑20m 的衍射透鏡構(gòu)成，負(fù)責(zé)聚集光線并將其聚焦于與其相距很遠(yuǎn)的“目鏡”衛(wèi)星所在位置（如圖3）。

圖3 “眼鏡”計劃的衍射成像望遠(yuǎn)鏡和5m 口徑衍射望遠(yuǎn)鏡的樣機(jī)Fig．3 Schematic diagram of diffractive imaging telescope for“Eyeglass”project and 5mdiameter demonstration telescope based on diffractive optics

該衍射望遠(yuǎn)鏡的工作原理是菲涅爾波帶片原理。設(shè)計衍射望遠(yuǎn)鏡需要面臨的挑戰(zhàn)是衍射光學(xué)器件焦距反比于波長，其色散特性會把不同顏色的光會聚到不同的位置?；谶@一原因，衍射光學(xué)器件一般用于單色光成像，比如激光。為了實現(xiàn)多色光成像，LLNL使用Schupmann消色差原理［12］來克服這一問題。也就是“目鏡”衛(wèi)星帶有色差校正裝置。

該實驗室研制了口徑5m 的樣機(jī)，研究了大口徑平面薄膜衍射物鏡的折疊和展開方法。組裝成功的口徑為5m 的衍射透鏡，焦距為250m，相對孔徑為f／50，由72個被切割成精確的矩形和三角形的透鏡板組成。當(dāng)一塊透鏡板被組裝到適當(dāng)?shù)奈恢脮r，通過粘合到可折疊金屬框上的方法和相鄰的透鏡板接合。接縫的設(shè)計承受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在太空部署時所要承受的力。

樣機(jī)的主鏡所使用的材料是50μm 厚的商用薄玻璃（如圖4），材料柔韌性好，可以折疊后裝入現(xiàn)有的運載火箭內(nèi)。用這種材料制成的9m 主鏡可以裝入德爾他-3型火箭的整流罩內(nèi)，而20m 主鏡可以裝入德爾他-4型火箭的整流罩內(nèi)，并且德爾他-4型火箭可以把20m 衍射光學(xué)望遠(yuǎn)鏡運送到GEO 或者更高的地球牽引軌道（Earth Trailing Orbit）。這種望遠(yuǎn)鏡理論上可以獲得比“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡高8倍的分辨率和64倍的聚光能力。

圖4 空間衍射薄膜望遠(yuǎn)鏡主鏡材料Fig．4 Primary mirror material for space diffractive membrane telescope

3．1．2 單衛(wèi)星可展開方案

2010年10月，美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）公布了“莫爾紋”（MOIRE）項目的10-51號大范圍機(jī)構(gòu)通告（BAA）［13］。該通告要求所有參加者的設(shè)計必須具有可以達(dá)到20 m 口徑系統(tǒng)的潛力，提供連續(xù)成像服務(wù)，分辨率達(dá)到國家圖像解析度分級標(biāo)準(zhǔn)（NIIRS）［14］的3．5＋級，即分辨率優(yōu)于2．5m，成像時間快于1s，視場大于10km×10km，覆蓋大于10 000km×10 000km。

MOIRE項目的具體內(nèi)容是開發(fā)在GEO 上使用的大型衍射光學(xué)薄膜成像系統(tǒng)、相關(guān)可展開結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)。DARPA 稱衍射薄膜光學(xué)的發(fā)展具有大幅降低GEO 軌道衛(wèi)星成像成本的潛力。圖5為MOIRE項目的示意圖，從圖中推測，望遠(yuǎn)鏡物鏡是光子篩。

圖5 光子篩在DARPA MOIRE項目中的應(yīng)用示意圖Fig．5 Schematic diagram of PS applied in DARPA’s MOIRE project

MOIRE項目的設(shè)計方案需要解決以下重要的技術(shù)問題：①為GEO 軌道成像系統(tǒng)提供大口徑、低成本、輕量化、可展開的衍射薄膜光學(xué)系統(tǒng)；②具有近實時成像穩(wěn)定性和高圖像定位精度；③成像系統(tǒng)的設(shè)計需增加光譜的帶寬；④解決在GEO 軌道上大型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和動力學(xué)問題。

圖6 LLNL制造的0．8m 衍射薄膜Fig．6 0．8mdiameter diffractive membrane element fabricated by LLNL

LLNL光子科學(xué)與應(yīng)用實驗室為MOIRE 項目研發(fā)的第一個衍射薄膜光學(xué)器件（如圖6），于2011年7月25日完成。這種質(zhì)量很輕的、空間可展開的薄片型主鏡光學(xué)器件是與美國鮑爾宇航公司（Ball）和Nexsolve公司合作的。該器件的口徑為80cm，厚度為18μm，衍射效率達(dá)到了30%［15］。在隨后MOIRE項目的初期驗證階段，Ball公司將對這個器 件 進(jìn) 行 測 試。2011 年9 月2 日，DARPA 將MOIRE項目的研發(fā)合同授予了Ball公司，合同價值為3 700萬美元［16］，同年12月，該公司通過了初期設(shè)計評審。

3．2 在低軌衛(wèi)星上的應(yīng)用

美國空軍學(xué)院將于2014 年發(fā)射獵鷹衛(wèi)星-7（FalconSat-7），這顆衛(wèi)星采用立方體衛(wèi)星（3U CubeSat）平臺，3U CubeSat的尺寸約為30cm×10cm×10cm，重量不超過4kg。該星搭載口徑為0．2m、焦距為1 m 的光子篩望遠(yuǎn)鏡，工作波長為656．28nm。衛(wèi)星計劃發(fā)射到450km 高的低地球軌道，對地觀測分辨率為1．8m［10］。該衛(wèi)星的一半體積就可以裝載整個光子篩成像光學(xué)系統(tǒng)和其展開機(jī)構(gòu)。PS在空間分階段展開如圖7所示。

圖7 光子篩望遠(yuǎn)鏡分階段展開示意圖Fig．7 Deployment sequence of PS telescope

光子篩的展開系統(tǒng)分為兩個主要部件，即支撐結(jié)構(gòu)和展開結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)為薄膜提供了穩(wěn)定性和剛度的保障，同時展開結(jié)構(gòu)以可控的方式釋放支撐結(jié)構(gòu)，并且提供足夠的緊固力以保持位置精確。整個展開過程必須以不破壞PS的可控方式進(jìn)行，PS展開率為6．8∶1。

FalconSat-7有效載荷包含光子篩薄膜和6 個金剛石系索，它們連接著“立方星”平臺，形成一個展開后0．43m 長的6足型結(jié)構(gòu)。展開結(jié)構(gòu)利用帶有3個彈簧連接器的伸縮器拉伸支撐結(jié)構(gòu)，使PS從收攏狀態(tài)展開。伸縮器負(fù)責(zé)承重，使薄膜始終處于拉緊狀態(tài)。

薄膜在收攏時必須避免出現(xiàn)永久性折痕。AFA 計劃在發(fā)射FalconSat-7時，使用兩個共心的保護(hù)器，像“咖啡濾網(wǎng)”那樣折疊光子篩薄膜，并在中心留一個孔，使薄膜不在中心發(fā)生褶皺（如圖8）。

圖8 光子篩望遠(yuǎn)鏡收攏狀態(tài)示意圖Fig．8 PS in stowed state

NASA 戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC）的太陽物理實驗室和AFA 合作，共同設(shè)計了光子篩的機(jī)械展開機(jī)構(gòu)，并對PS 進(jìn)行了陸基成像驗證。NASA試驗PS的目標(biāo)是利用基于衍射的光子篩望遠(yuǎn)鏡發(fā)展空間高分辨率成像技術(shù)，驗證平面薄膜結(jié)構(gòu)是否可以順利地展開，并且展開面積大于航天器本身。據(jù)NASA 官 網(wǎng) 報 道［17］，2011年8 月，PS 望 遠(yuǎn) 鏡 完成了陸基的成像驗證工作，獲得了太陽的圖像，NASA 稱“這次試驗對以甚高分辨率（0．01″）成像為目標(biāo)的衍射光學(xué)來說是十分重要的一步”。

4 波帶片衍射成像技術(shù)的優(yōu)勢和存在的問題

波帶片衍射成像技術(shù)可以使“低軌成像衛(wèi)星小型化”和“高軌成像衛(wèi)星高分化”，前者力求在不降低高分辨率成像能力的前提下，實現(xiàn)成像組件和衛(wèi)星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，以降低大規(guī)模組網(wǎng)所需要的成本和工程難度；后者力求在不增加衛(wèi)星規(guī)模的前提下，大幅提升成像衛(wèi)星性能，實現(xiàn)利用少許幾顆衛(wèi)星持續(xù)監(jiān)視廣闊區(qū)域的能力。

2000年我國發(fā)射的質(zhì)量為50kg的清華一號小衛(wèi)星的分辨率只有40 m，2005年發(fā)射的質(zhì)量為166．4kg的北京一號小衛(wèi)星分辨率達(dá)到了4m，而質(zhì)量為4kg的美國FalconSAT-7衛(wèi)星分辨率卻可達(dá)到1．8m，這是衍射成像技術(shù)推動“低軌成像衛(wèi)星小型化”的一個實例。同時，也意味著在波帶片衍射成像技術(shù)中光子篩技術(shù)最先進(jìn)入在軌驗證階段。光子篩成像技術(shù)應(yīng)用于小衛(wèi)星具有低成本、短生產(chǎn)周期、易部署等許多優(yōu)點。

目前，世界各國都沒有地球靜止軌道高分辨率光學(xué)對地觀測衛(wèi)星，DARPA 的MOIRE 項目正是瞄準(zhǔn)這一點。從最初LLNL 的衍射薄膜透鏡的概念設(shè)計，到其支持的衍射薄膜成像系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入第二期研發(fā)階段。這說明國外波帶片衍射成像技術(shù)正在一步步地使“高軌成像衛(wèi)星高分化”的目標(biāo)得以實現(xiàn)。

波帶片衍射成像技術(shù)具有以下優(yōu)點，因此極具解決上述兩個目標(biāo)的潛力。

（1）波帶片衍射成像技術(shù)的用途廣，既可應(yīng)用在低軌小衛(wèi)星上，也可應(yīng)用在地球靜止軌道的大型衛(wèi)星上。

（2）衍射器件具有易復(fù)制的特點，可利用模板批量生產(chǎn)，避免了傳統(tǒng)鏡片先研磨后鍍膜的生產(chǎn)工藝，可極大地降低生產(chǎn)成本，并提高生產(chǎn)速度，使小衛(wèi)星組成星座的成本大大降低。

（3）大型衛(wèi)星系統(tǒng)中的物鏡雖然口徑很大，但可以基于薄膜工藝制成，有效減少成像系統(tǒng)重量，并可以通過發(fā)射時折疊、入軌后展開的工作模式，減小對運載器的容積要求。

（4）基于衍射成像原理，可以降低光學(xué)系統(tǒng)面形控制的要求。

由于光子篩薄膜材料及支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的先天局限性，利用這種技術(shù)的低軌和高軌對地觀測衛(wèi)星要取得可與目前常規(guī)折反射光學(xué)系統(tǒng)相比擬的高分辨率，還有許多難以克服的技術(shù)難題，這正是DARPA 和AFA 進(jìn)行攻關(guān)研究和試驗的主要原因。無論是在地球靜止軌道上實現(xiàn)大于20m 口徑的衍射成像主鏡，還是在低地球軌道上利用小口徑衍射光學(xué)器件實現(xiàn)高分辨率對地觀測，系統(tǒng)都面臨以下技術(shù)問題。

（1）波帶片衍射成像光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計需要增加成像系統(tǒng)的帶寬；AFA 盡管使用了色散修正元件把帶寬擴(kuò)大到了50nm，這一波段寬度仍然無法滿足寬光譜成像的需求。

（2）衍射光學(xué)薄膜的材料、設(shè)計和加工技術(shù)；衍射望遠(yuǎn)鏡的空間運行環(huán)境決定了薄膜材料的選擇，必須使用柔韌性好的能夠折疊的材料，材料需具有近零熱膨脹系數(shù)，避免變化的溫度環(huán)境造成的圖像失真問題。

（3）衍射光學(xué)薄膜的折疊展開方法問題，即薄膜在收攏時避免出現(xiàn)永久性折痕。

（4）保證在軌衍射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性。

（5）衍射光學(xué)薄膜透鏡的面形保持問題是系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵問題，但是衍射光學(xué)器件面形精度要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光學(xué)器件的要求。

5 我國發(fā)展波帶片衍射成像技術(shù)的建議

從最初LLNL的衍射薄膜透鏡的概念設(shè)計，到AFA 的FalconSat-7薄膜光子篩望遠(yuǎn)鏡在軌技術(shù)驗證，再到目前DARPA 支持的衍射薄膜成像系統(tǒng)瞄準(zhǔn)GEO 高分辨率成像，表現(xiàn)出美國對波帶片衍射成像技術(shù)的關(guān)注度和投入不斷提升。如果Falcon-Sat-7成功驗證了光子篩的空間可靠性和性能，那么波帶片衍射成像技術(shù)將首先使低軌道衛(wèi)星在保持高分辨率的前提下實現(xiàn)小型化，甚至超小型化。之后美國將使用該技術(shù)發(fā)展大口徑的高軌成像衛(wèi)星，最終實現(xiàn)天基的高分辨率持續(xù)監(jiān)視。

可以看到，在以光子篩為代表的波帶片衍射成像技術(shù)上，我國與國外研究尚有一定差距。GEO 高分辨率成像對光學(xué)系統(tǒng)及技術(shù)的創(chuàng)新有著強烈的需求，因此應(yīng)及早開展波帶片衍射成像技術(shù)及相關(guān)支撐技術(shù)的概念研究。建議我國加大波帶片衍射成像技術(shù)的研發(fā)力度，主要包括以下幾點內(nèi)容：

（1）使用新型材料研制衍射成像器件，材料在空間的折疊和展開中不能被破壞，材料熱膨脹系數(shù)需滿足空間運行環(huán)境的需求，材料還需解決在空間運行的耐用性問題。

（2）提高波帶片衍射成像系統(tǒng)的口徑、衍射效率、成像分辨率、對比度和帶寬，衍射透鏡的面形控制需滿足高分辨率成像的需求。

（3）開發(fā)波帶片衍射成像系統(tǒng)的精密展開機(jī)械結(jié)構(gòu)。

建議在完成波帶片衍射成像系統(tǒng)的地面試驗后，在小型試驗衛(wèi)星或空間實驗室上進(jìn)行飛行驗證，推動波帶片衍射成像技術(shù)的成熟和工程化，為未來我國掌握高軌高分辨率持續(xù)監(jiān)視能力和低軌高分辨率衛(wèi)星小型化提供創(chuàng)新技術(shù)保障。

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