波带片衍射成像技术在对地观测卫星中的应用

刘韬 周一鸣 王景泉 梁巍

（北京空间科技信息研究所，北京 100086）

1 引言

波带片（Zone Plate）衍射成像技术是一种重要的对地观测技术，是目前国外的研究热点。波带片衍射成像系统具有大口径、高分辨率、结构轻量化、空间可展开、公差要求低、易复制等特点，不但可以节约发射成本，还能够显著降低制造成本。波带片衍射成像技术在卫星应用中具有重大潜力。［1-6］

为了满足高轨道卫星高分辨率对地观测的要求，国外从20世纪末开始研发新型光学成像技术，包括空间分块可展开技术、光学干涉合成孔径成像技术、稀疏孔径成像技术和波带片衍射成像技术。空间分块可展开技术需要主镜轻量化、严格的镜片面形控制、精确的展开结构和波前传感与控制，这些技术难题致使其成本高昂。光学干涉合成孔径成像技术正是由于各子孔径的同相位要求，使得空间机械结构调整、系统稳定性和大气扰动等因素引起的波动总效应，需控制在光波长的数量级内。具体地说，该技术一般是利用若干个卫星编队飞行，以实现长基线干涉，从而达到高分辨率的要求，但其卫星编队飞行的控制精度要求极高，工程实现难度大。同时，稀疏孔径使用分离的光学系统，是以牺牲光通量为代价实现高分辨率，在技术上还存在一系列尚待解决的问题。另一方面，分块可展开和稀疏孔径成像系统自身的重量仍然会限制口径的扩大，因此研究进展比较缓慢。波带片衍射成像技术为解决高轨道高分辨率对地观测问题提供了一种新思路，它具有可实现大口径、所用材料面密度极轻、面形控制要求低和生产工艺相对较容易等特点。

国外在低轨道高分辨率对地观测卫星小型化上也进行了一系列探索，比如使用小相对孔径的光学系统和TDICCD 器件等。而波带片衍射成像技术提供了另一种实现该目标的途径。

菲涅尔波带片和光子筛是典型的、可用于对地观测的衍射光学器件。本文介绍了菲涅尔波带片技术的概念和其不足，重点阐述了光子筛成像技术的发展和技术演进，并对波带片衍射成像技术在国外高轨和低轨卫星中的应用进行了概括，可为我国未来对地观测成像技术发展提供参考。

2 用于对地观测的波带片衍射技术发展

衍射成像光学系统一般由物镜和目镜系统组成，是将衍射光学元件与传统的折／反射光学元件结合起来形成的衍／折／反射混合型光学系统，是具有微结构的新一代光学系统。波带片成像系统中的物镜为衍射透镜，目镜系统一般包括一个中继光学系统和色差校正系统。其工作原理是首先通过衍射透镜汇聚光线，再由位于其焦点处的中继光学系统进行色差校正以增大带宽，最后成像到焦平面上。现阶段国外在航天领域中，基于波带片衍射原理制造成像系统的技术有两种：一是菲涅尔波带片技术，二是光子筛（Photon Sieve，PS）技术。PS技术是由菲涅尔波带片技术发展而来，PS由大量分布在波带片环带上的微孔组成。PS可以在波带片的基础上进一步提高分辨率，因此成为近年衍射成像技术的研究热点。

2．1 菲涅尔波带片技术

菲涅尔波带片一般是由一系列透明和不透明的同心圆环组成，它能使点光源成实像，因此可以认为它的作用和一块会聚透镜相当，可以作为成像器件使用。如果作为成像器件，分辨率是一个重要的指标。波带片最外环的宽度决定了它的分辨率。由于制作工艺的局限性，无法无限制地减小波带片的最外环宽度。另外，由于波带片衍射像中的旁瓣效应，降低了成像质量。而PS比菲涅尔波带片在分辨率上更具优势。

2．2 光子筛技术

光子筛是近10年发展起来的一种新型的衍射光学成像器件。它首先由德国Kiel大学为提高软X 射线的聚焦能力而提出［1］。每一个微孔的衍射光在PS后的相应位置同相相加，就像许多同相的小口径阵列。用微孔环带阵列替代菲涅尔波片中的透明环带，大大提高了PS聚焦光束的尖锐性，使得光学成像质量得到极大提高。PS是由一块薄片组成，只需在外围使用支撑结构，因而使PS 的实用性大大提高。国外现有研究结果表明，微小孔的直径在一定范围内，可以大于所在的菲涅尔环带宽度，而成像质量不受影响［2］，这一特点降低了对生产工艺的要求。

光子筛具有体积小、重量轻、光谱范围宽、设计灵活、分辨率高、制成阵列容易等优点。光谱范围覆盖了传统的折射或反射光学器件难以实现的光谱区域（包括可见光、红外、软X 射线和极紫外（EUV））。在软X 射线和EUV 波段，各种材料的折射率均接近或者等于l，这就导致了常规的通过折射聚焦成像的光学元件将无法正常使用［3］。极紫外线望远镜在空间科学研究中有重要的价值，这就使PS在这一领域有独特的优势。在成像方面，PS空间分辨率可以达到比其特征尺寸更小的超分辨水平，其轻质的特性适合制造大口径望远镜，因此在航天领域有着广泛的应用前景。PS 的发展从镀铬石英基板PS发展到薄膜PS，原因是薄膜PS更适合于大口径成像系统，并且质量更轻。镀铬石英基板PS 又可分为传统PS和负孔PS。

2．2．1 镀铬石英基板光子筛的发展

2005年，美国空军学院（AFA）报道了利用PS制作空间望远镜的方法，具体数据见表1［2，4-6］。该方法中，分辨率测试统一使用基于MIL-STD-150A标准［7］的分辨率测试靶标，分辨率单位为lp／mm，即线对数／毫米。由于PS是衍射元件，所以带有色散效应、带宽较窄。

表1 AFA镀铬石英基板光子筛技术发展Table 1 Technology development of chrome-coated photon sieve on Quartz substrate in AFA

AFA 最初研制的设备只有0．06nm 的带宽，为了克服这一问题，使用了一个色散修正元件（DOE），将带宽增大到了50nm（如图1）。从而使整个PS系统工作波段为507～557nm。

图1 光子筛系统成像原理图Fig．1 Imaging theory diagram of PS system

此外，AFA 还研制了微孔直径从10～279μm变化的PS，虽然分辨率下降到154lp／mm，但是当工作波长扩展到632．9nm 时，也获得了比较理想的效果。

对于菲涅尔波带片，每个透光波带对于焦点处的场的贡献是正的。同理，上述传统PS 的微孔中心都必须集中在菲涅尔波带片的透光环带内，每个处于通光环带的透光微孔对于焦点处的场的贡献也是正的。透光微孔的直径可以增大到所在环带宽度的1．514倍这一最优值，这就减轻了制造的难度。2006年，AFA 制作了含有500 万个“负孔”（Antihole）的PS。该设备工作波段为507～557nm。这些“负孔”分布在每个偶数阶菲涅尔不透光波带上，直径大小介于18～331μm 之间，微孔的直径为所在环带宽度的3．514倍。这种设计打破了传统光子筛的设计方法，使分辨率得到了大幅的提升。“负孔”PS的最小微孔尺寸比传统光子筛大，总孔数也下降了一半，因此进一步降低了加工难度和成本。

与此同时，我国也开展了PS的研发工作。2006年，中科院光电技术研究所在镀铬石英基板上制作了微米孔阵列振幅型光子筛。口径30 mm，焦距175mm，工作波长632．8nm，最小微孔尺寸5．6μm，衍射环数为1 000，总微孔数为1 000万［8］。2010年，中科院微电子研究所提出了复合型光子筛的研制方法，将普通光子筛半径的中间1／3部分改用波带环替代，并在镀铬石英基板上制作了口径17．75mm 的光子筛［3］。

2．2．2 薄膜型光子筛

2006年后，AFA开始研制薄膜型光子筛［9］，先后研制并测试了重氮基（Diazo）薄膜PS、电镀镍薄膜PS和CP1薄膜PS（CP1材料全称为LaRCTM-CP1，由美国ManTech SRS技术公司研制），这三类PS都是根据“负孔”PS的理论设计的。文献［9］中没有提及孔的具体参数，只给出了Diazo薄膜PS 的分辨率为161lp／mm，对这些薄膜PS的测试结果表明，其他两种薄膜PS的分辨率都优于Diazo薄膜PS。

此外，CP1薄膜韧性好、可卷曲，并且质量很轻，这种薄膜还有近零热膨胀系数（CTE），使得CP1薄膜非常适合于航天应用。［10］

在制备工艺上，薄膜PS具有易复制的特点，可大大提高成像系统装备卫星的速度和规模，使卫星星座和编队飞行的成本大大降低。本节简要介绍AFA 制作薄膜光子筛望远镜的流程［9］。首先制作镀铬石英基板光子筛模板，其次在10μm 厚的CP1薄膜上蒸镀一层200nm 厚的铝，然后在铝上涂2μm厚的AZ1518型光刻胶。使用光子筛模板，并采用紫外线光刻法，制作光子筛图形，使原光子筛图形转移到光刻胶上，然后去除阻挡层，再去除铝层，最后剥离光刻胶便制成了CP1薄膜PS。流程如图2所示。利用一块模板就可以批量生产薄膜PS，这与传统的折反式主镜研磨生产方式相比，缩短了研制时间。

图2 薄膜光子筛制作工艺图Fig．2 Fabrication technique flowchart of membrane PS

除此之外，由于采用衍射方式，可以降低反射式光学系统中对公差的严格要求，从而降低了研制难度和成本。PS薄膜不需要被拉伸成一个光学平面，它的表面变形量h的计算公式为［9］

式中：f是光子筛的焦距；D是口径；φ是相位差。

对于透射波前相位差λ／10，一个相对口径为f／2的光子筛薄膜，可以容许的变形量约为3λ。因此，传统反射镜要比PS的公差要求严格60倍。重量轻和加工要求较低是发展PS技术的主要原因。

AFA 当前还计划使用Nexolve 公司提供的Novastrat型聚酰亚胺薄膜制作光子筛，这种材料已经通过了飞行测试，根据特定的需求可以通过化学的方法，任意控制该材料的热膨胀系数。尽管表面变形的要求低于传统光学系统，但是由于光线要透过薄膜基底，所以仍然要保持薄膜厚度的高度一致性。Nexolve公司已经证明了该材料的厚度控制可以满足需求［9］。

天基望远镜成像技术在镜面面密度的控制上取得了一定进展，比如“哈勃”空间望远镜的面密度为180kg／m2，约25 年后，詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的面密度减小到25kg／m2。而薄膜PS面密度更轻，仅为0．25kg／m2。［10］

综上所述，PS技术的优点是：①可以使用薄膜材料，从而使光学系统质量轻很多，大幅降低了对卫星平台承载能力的要求；②由于物镜本身为轻质、平面形状，可以在发射时进行折叠，入轨后再展开，可避免成像系统体积过大而给发射带来困难，便于增大光学系统口径；③易复制的特点使制造时间大幅缩短，制作工艺也相对简单。

3 波带片衍射成像技术在卫星中的应用

3．1 在高轨卫星中的应用

目前，国外诸多低地球轨道（LEO）对地观测卫星的空间分辨率已经达到亚米级，如“世界观测”（Worldview）、“地球之眼”（Geoeye）、锁眼-12（KH-12）等。尽管这些现役卫星系统的空间分辨率已经很高，但是，由于它们运行在LEO 上，因此存在幅宽较窄、时间分辨率低等问题。为解决这些问题，最直接的方法就是提升卫星的轨道高度。高轨道对地观测卫星与LEO卫星相比，具有观测幅宽宽、可以稳定持续监视等优点，是未来对地观测卫星发展的一个热点方向。但是，传统折／反式光学设计方法已经不能满足高轨道卫星高分辨率对地观测的要求。因为在地球静止轨道（GEO）上实现高分辨率对地观测，传统光学系统的口径必须大幅扩大，相应的卫星质量将大大超过现有运载火箭的承载能力，同时，大口径主镜也无法装入火箭整流罩内。而衍射成像系统利用薄膜材料作主镜，可以极大地降低发射重量，并且使用可以折叠的材料，在发射时收拢，入轨后再展开。

利用波带片衍射成像技术可以制造大口径望远镜，因此该技术具有大幅度提高高轨道对地观测卫星分辨率的潜力。波带片衍射成像技术在高轨卫星中的应用方式有两种：一是两卫星编队方式；二是单卫星可展开方式。

3．1．1 两卫星编队方式

美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）于1998年提出了一个空间衍射望远镜计划——“眼镜”（Eyeglass）计划［11］，该方案由两个卫星（“物镜”卫星和“目镜”卫星）一起构成一个合作望远镜，“物镜”卫星计划由一个口径20m 的衍射透镜构成，负责聚集光线并将其聚焦于与其相距很远的“目镜”卫星所在位置（如图3）。

图3 “眼镜”计划的衍射成像望远镜和5m 口径衍射望远镜的样机Fig．3 Schematic diagram of diffractive imaging telescope for“Eyeglass”project and 5mdiameter demonstration telescope based on diffractive optics

该衍射望远镜的工作原理是菲涅尔波带片原理。设计衍射望远镜需要面临的挑战是衍射光学器件焦距反比于波长，其色散特性会把不同颜色的光会聚到不同的位置。基于这一原因，衍射光学器件一般用于单色光成像，比如激光。为了实现多色光成像，LLNL使用Schupmann消色差原理［12］来克服这一问题。也就是“目镜”卫星带有色差校正装置。

该实验室研制了口径5m 的样机，研究了大口径平面薄膜衍射物镜的折叠和展开方法。组装成功的口径为5m 的衍射透镜，焦距为250m，相对孔径为f／50，由72个被切割成精确的矩形和三角形的透镜板组成。当一块透镜板被组装到适当的位置时，通过粘合到可折叠金属框上的方法和相邻的透镜板接合。接缝的设计承受力远远大于在太空部署时所要承受的力。

样机的主镜所使用的材料是50μm 厚的商用薄玻璃（如图4），材料柔韧性好，可以折叠后装入现有的运载火箭内。用这种材料制成的9m 主镜可以装入德尔他-3型火箭的整流罩内，而20m 主镜可以装入德尔他-4型火箭的整流罩内，并且德尔他-4型火箭可以把20m 衍射光学望远镜运送到GEO 或者更高的地球牵引轨道（Earth Trailing Orbit）。这种望远镜理论上可以获得比“哈勃”空间望远镜高8倍的分辨率和64倍的聚光能力。

图4 空间衍射薄膜望远镜主镜材料Fig．4 Primary mirror material for space diffractive membrane telescope

3．1．2 单卫星可展开方案

2010年10月，美国国防预先研究计划局（DARPA）公布了“莫尔纹”（MOIRE）项目的10-51号大范围机构通告（BAA）［13］。该通告要求所有参加者的设计必须具有可以达到20 m 口径系统的潜力，提供连续成像服务，分辨率达到国家图像解析度分级标准（NIIRS）［14］的3．5＋级，即分辨率优于2．5m，成像时间快于1s，视场大于10km×10km，覆盖大于10 000km×10 000km。

MOIRE项目的具体内容是开发在GEO 上使用的大型衍射光学薄膜成像系统、相关可展开结构和支撑结构。DARPA 称衍射薄膜光学的发展具有大幅降低GEO 轨道卫星成像成本的潜力。图5为MOIRE项目的示意图，从图中推测，望远镜物镜是光子筛。

图5 光子筛在DARPA MOIRE项目中的应用示意图Fig．5 Schematic diagram of PS applied in DARPA’s MOIRE project

MOIRE项目的设计方案需要解决以下重要的技术问题：①为GEO 轨道成像系统提供大口径、低成本、轻量化、可展开的衍射薄膜光学系统；②具有近实时成像稳定性和高图像定位精度；③成像系统的设计需增加光谱的带宽；④解决在GEO 轨道上大型结构的稳定性和动力学问题。

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

LLNL光子科学与应用实验室为MOIRE 项目研发的第一个衍射薄膜光学器件（如图6），于2011年7月25日完成。这种质量很轻的、空间可展开的薄片型主镜光学器件是与美国鲍尔宇航公司（Ball）和Nexsolve公司合作的。该器件的口径为80cm，厚度为18μm，衍射效率达到了30%［15］。在随后MOIRE项目的初期验证阶段，Ball公司将对这个器 件 进 行 测 试。2011 年9 月2 日，DARPA 将MOIRE项目的研发合同授予了Ball公司，合同价值为3 700万美元［16］，同年12月，该公司通过了初期设计评审。

3．2 在低轨卫星上的应用

美国空军学院将于2014 年发射猎鹰卫星-7（FalconSat-7），这颗卫星采用立方体卫星（3U CubeSat）平台，3U CubeSat的尺寸约为30cm×10cm×10cm，重量不超过4kg。该星搭载口径为0．2m、焦距为1 m 的光子筛望远镜，工作波长为656．28nm。卫星计划发射到450km 高的低地球轨道，对地观测分辨率为1．8m［10］。该卫星的一半体积就可以装载整个光子筛成像光学系统和其展开机构。PS在空间分阶段展开如图7所示。

图7 光子筛望远镜分阶段展开示意图Fig．7 Deployment sequence of PS telescope

光子筛的展开系统分为两个主要部件，即支撑结构和展开结构。支撑结构为薄膜提供了稳定性和刚度的保障，同时展开结构以可控的方式释放支撑结构，并且提供足够的紧固力以保持位置精确。整个展开过程必须以不破坏PS的可控方式进行，PS展开率为6．8∶1。

FalconSat-7有效载荷包含光子筛薄膜和6 个金刚石系索，它们连接着“立方星”平台，形成一个展开后0．43m 长的6足型结构。展开结构利用带有3个弹簧连接器的伸缩器拉伸支撑结构，使PS从收拢状态展开。伸缩器负责承重，使薄膜始终处于拉紧状态。

薄膜在收拢时必须避免出现永久性折痕。AFA 计划在发射FalconSat-7时，使用两个共心的保护器，像“咖啡滤网”那样折叠光子筛薄膜，并在中心留一个孔，使薄膜不在中心发生褶皱（如图8）。

图8 光子筛望远镜收拢状态示意图Fig．8 PS in stowed state

NASA 戈达德航天飞行中心（GSFC）的太阳物理实验室和AFA 合作，共同设计了光子筛的机械展开机构，并对PS 进行了陆基成像验证。NASA试验PS的目标是利用基于衍射的光子筛望远镜发展空间高分辨率成像技术，验证平面薄膜结构是否可以顺利地展开，并且展开面积大于航天器本身。据NASA 官 网 报 道［17］，2011年8 月，PS 望 远 镜 完成了陆基的成像验证工作，获得了太阳的图像，NASA 称“这次试验对以甚高分辨率（0．01″）成像为目标的衍射光学来说是十分重要的一步”。

4 波带片衍射成像技术的优势和存在的问题

波带片衍射成像技术可以使“低轨成像卫星小型化”和“高轨成像卫星高分化”，前者力求在不降低高分辨率成像能力的前提下，实现成像组件和卫星系统的结构简化，以降低大规模组网所需要的成本和工程难度；后者力求在不增加卫星规模的前提下，大幅提升成像卫星性能，实现利用少许几颗卫星持续监视广阔区域的能力。

2000年我国发射的质量为50kg的清华一号小卫星的分辨率只有40 m，2005年发射的质量为166．4kg的北京一号小卫星分辨率达到了4m，而质量为4kg的美国FalconSAT-7卫星分辨率却可达到1．8m，这是衍射成像技术推动“低轨成像卫星小型化”的一个实例。同时，也意味着在波带片衍射成像技术中光子筛技术最先进入在轨验证阶段。光子筛成像技术应用于小卫星具有低成本、短生产周期、易部署等许多优点。

目前，世界各国都没有地球静止轨道高分辨率光学对地观测卫星，DARPA 的MOIRE 项目正是瞄准这一点。从最初LLNL 的衍射薄膜透镜的概念设计，到其支持的衍射薄膜成像系统已经进入第二期研发阶段。这说明国外波带片衍射成像技术正在一步步地使“高轨成像卫星高分化”的目标得以实现。

波带片衍射成像技术具有以下优点，因此极具解决上述两个目标的潜力。

（1）波带片衍射成像技术的用途广，既可应用在低轨小卫星上，也可应用在地球静止轨道的大型卫星上。

（2）衍射器件具有易复制的特点，可利用模板批量生产，避免了传统镜片先研磨后镀膜的生产工艺，可极大地降低生产成本，并提高生产速度，使小卫星组成星座的成本大大降低。

（3）大型卫星系统中的物镜虽然口径很大，但可以基于薄膜工艺制成，有效减少成像系统重量，并可以通过发射时折叠、入轨后展开的工作模式，减小对运载器的容积要求。

（4）基于衍射成像原理，可以降低光学系统面形控制的要求。

由于光子筛薄膜材料及支撑结构稳定性的先天局限性，利用这种技术的低轨和高轨对地观测卫星要取得可与目前常规折反射光学系统相比拟的高分辨率，还有许多难以克服的技术难题，这正是DARPA 和AFA 进行攻关研究和试验的主要原因。无论是在地球静止轨道上实现大于20m 口径的衍射成像主镜，还是在低地球轨道上利用小口径衍射光学器件实现高分辨率对地观测，系统都面临以下技术问题。

（1）波带片衍射成像光学系统的设计需要增加成像系统的带宽；AFA 尽管使用了色散修正元件把带宽扩大到了50nm，这一波段宽度仍然无法满足宽光谱成像的需求。

（2）衍射光学薄膜的材料、设计和加工技术；衍射望远镜的空间运行环境决定了薄膜材料的选择，必须使用柔韧性好的能够折叠的材料，材料需具有近零热膨胀系数，避免变化的温度环境造成的图像失真问题。

（3）衍射光学薄膜的折叠展开方法问题，即薄膜在收拢时避免出现永久性折痕。

（4）保证在轨衍射望远镜系统结构的高稳定性。

（5）衍射光学薄膜透镜的面形保持问题是系统面临的关键问题，但是衍射光学器件面形精度要求要远远低于传统光学器件的要求。

5 我国发展波带片衍射成像技术的建议

从最初LLNL的衍射薄膜透镜的概念设计，到AFA 的FalconSat-7薄膜光子筛望远镜在轨技术验证，再到目前DARPA 支持的衍射薄膜成像系统瞄准GEO 高分辨率成像，表现出美国对波带片衍射成像技术的关注度和投入不断提升。如果Falcon-Sat-7成功验证了光子筛的空间可靠性和性能，那么波带片衍射成像技术将首先使低轨道卫星在保持高分辨率的前提下实现小型化，甚至超小型化。之后美国将使用该技术发展大口径的高轨成像卫星，最终实现天基的高分辨率持续监视。

可以看到，在以光子筛为代表的波带片衍射成像技术上，我国与国外研究尚有一定差距。GEO 高分辨率成像对光学系统及技术的创新有着强烈的需求，因此应及早开展波带片衍射成像技术及相关支撑技术的概念研究。建议我国加大波带片衍射成像技术的研发力度，主要包括以下几点内容：

（1）使用新型材料研制衍射成像器件，材料在空间的折叠和展开中不能被破坏，材料热膨胀系数需满足空间运行环境的需求，材料还需解决在空间运行的耐用性问题。

（2）提高波带片衍射成像系统的口径、衍射效率、成像分辨率、对比度和带宽，衍射透镜的面形控制需满足高分辨率成像的需求。

（3）开发波带片衍射成像系统的精密展开机械结构。

建议在完成波带片衍射成像系统的地面试验后，在小型试验卫星或空间实验室上进行飞行验证，推动波带片衍射成像技术的成熟和工程化，为未来我国掌握高轨高分辨率持续监视能力和低轨高分辨率卫星小型化提供创新技术保障。

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