大口徑超薄膜基反射鏡的關鍵技術研究

《大口徑超薄膜基反射鏡的關鍵技術研究》是依託蘇州大學，由唐敏學擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大口徑超薄膜基反射鏡的關鍵技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：唐敏學
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

膜基反射鏡具有超輕、柔性、易摺疊展開等特點，其研製是一項能夠突破傳統光學元件製造技術限制、實現未來超大口徑超輕型空間光學系統的一條新途徑。本項目針對研製大口徑超薄膜基反射鏡迫切需要解決的關鍵技術，研究其成形、面形控制、波前像差補償和檢測的新機理和新方法。以厚度10至50微米、口徑0.3至1米的膜基反射鏡為研究對象，基於非線性有限元方法，模擬和分析薄膜材料特性、不同邊界固定/支撐條件以及不同外載入荷方式對膜基反射鏡成形的影響，建立符合實際條件的影響函式和成形理論新模型。基於信息光學和自適應光學理論，研究大口徑超薄膜基反射鏡面形控制、波前像差補償和檢測新技術，開展面形閉環控制仿真研究。最佳化設計並建立大口徑膜基反射鏡成形、面形控制、波前像差補償和檢測原理性實驗系統，實驗驗證理論正確性和方法可行性。為進一步探索其在空間雷射通訊、空間太陽能收集以及空間光學遙感系統中的套用奠定理論和技術基礎。

結題摘要

膜基反射鏡具有超輕、柔性、易摺疊展開等特點，其研製是一項能夠突破傳統光學元件製造技術限制、實現未來超大口徑超輕型空間光學系統的一條新途徑。本項目針對研製大口徑超薄膜基反射鏡迫切需要解決的關鍵技術，研究其成形、面形控制、波前檢測和像差補償的新機理和新方法。 (1)開展膜基反射鏡成形和面形控制理論研究。基於Karman方程和靜電場理論，採用有限元分析方法，研究在一定徑向位移條件和外載入荷作用下膜基反射鏡的成形和面形誤差。研究靜電成形控制所用電極中各子電極徑向寬度分布對面形精度的影響，建立了K係數（定義為中心圓子電極徑向半寬度與其餘均等圓環子電極徑向寬度之比）與面形精度之間的聯繫。對採用不同厚度、不同材料特性的聚醯亞胺薄膜形成的不同口徑和F數的膜基反射鏡分別進行仿真計算的結果表明，當K＝1.6時膜基反射鏡面形誤差可達最小。為進一步開展實驗研究提供了理論依據。 (2)研究了基於正交複合條紋反射和傅立葉變換法的膜基反射鏡三維面形檢測方法。與一維條紋傅立葉變換法需採集四幅條紋圖以及四步相移法需採集十六幅條紋圖相比，該方法只需採集兩幅條紋圖即可重構待測反射鏡三維面形，大大提高了測量便捷性。研究了基於哈特曼-夏克波前感測器的膜基反射鏡波前檢測方法以及利用數字全息技術進行物體微小面形變化檢測的方法。 (3)研究膜基反射鏡望遠系統經像差校正後像差特性的定量檢測和評價方法。提出了基於星點圖像的光學系統小像差復原和環形光瞳快速位相復原方法。該方法以波像差的Zernike係數為最佳化變數，避免了常用像差復原和位相復原算法中所需的傅立葉變換和有限差分等數值運算，提高了復原算法的運算速度。 (4)開展膜基反射鏡面形控制、波前像差補償和檢測的閉環系統最佳化設計和實驗研究，包括口徑300mm膜基反射鏡固定和支撐裝置、分塊電極板和多路0-10000V可調靜電高壓控制器、基於模糊邏輯控制理論和技術的面形控制子系統、基於正交複合條紋反射的膜基反射鏡三維面形檢測和基於哈特曼-夏克波前感測器的波前檢測子系統、基於液晶空間光調製器的像差補償子系統，建立各子系統實驗裝置並開展初步的實驗。 (5)發表學術論文10篇、碩士學位論文3篇。申請專利6項，其中2項獲發明專利授權。7人次參加學術會議交流。培養研究生11人。 本項目的實施為進一步開展膜基反射鏡和透射式薄膜衍射光學元件及系統的研製提供了理論和技術支持。