CN111258058B - 柔性遥感卫星光学镜片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性遥感卫星光学镜片，包括柔性衬底和设于柔性衬底的至少一个表面上的微纳结构超表面，所述微纳结构超表面为微纳结构单元的周期性阵列，不同的微纳结构单元具有相同的高度、相同的指向角度和不同的横截面尺寸，各微纳结构单元的横截面尺寸根据所需的电磁波通过各微纳结构单元后的相位累积以及电磁波通过微纳结构单元的相位累积与微纳结构单元的横截面尺寸的对应关系相应确定。本发明还提供该遥感卫星光学镜片的制作方法。本发明的遥感卫星光学镜片不仅能实现光学聚焦功能，还能折叠运输、使用时展开，以满足遥感卫星光学镜片的大口径和轻量化需求。

Description

柔性遥感卫星光学镜片及其制作方法

技术领域

本发明属于微纳光学及光学成像领域，尤其涉及一种柔性遥感卫星光学镜片及其制作方法。

背景技术

遥感卫星是国家的重大需求，在国家的社会经济发展和国防安全领域中发挥着显著作用，广泛应用于气象、灾害监测、资源勘探、军事侦察、导弹预警、武器制导和军事测绘。遥感卫星搭载的光学系统是实现高质量遥感成像的关键。大口径且轻量化的遥感卫星光学镜片是国际前沿科技竞争的热点。

当前遥感卫星光学系统基于传统的反射式和折射式光学镜片，为了优化成像质量，同时满足光学系统的视场和像差等条件，采用了多个镜片构成的复杂镜片组，具有体积大、重量大的显著缺点。究其根源，在于传统折反式光学镜片的原理性限制。传统折射和反射成像方法建立在几何光学的基础上，光学镜片对光线传播的调制过程可用角度、方向矢量、距离等几何量来表达和计算。在这种严格的几何关系限制下，传统光学成像必须依赖光学镜片的表面形状和光学材料，导致光学镜片设计自由度低且体积大，无法满足遥感卫星光学系统轻量化的发展要求。

此外，遥感卫星的高分辨率成像要求光学镜片的口径尽可能大，但是大口径的光学镜片会加重卫星运载负荷，当前的基于传统折反式光学镜片的方案无法解决这一矛盾。

微纳结构超表面，指亚波长光学散射结构在界面上构成的二维阵列，具有特殊的电磁特性和优异的界面操控能力。微纳结构超表面是微纳光学领域前沿的研究方向，尚未被遥感卫星光学系统所利用。目前对于微纳结构超表面构造光学镜片的研究集中在可见光和近红外波段，尚未开展针对遥感卫星的工作波段(中红外波段)的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性遥感卫星光学镜片及其制作方法，以满足遥感卫星光学镜片的大口径和轻量化需求，解决当前遥感卫星光学镜片体积大、重量大、口径受限的问题，实现镜片的折叠运输。

为了实现上述目的，本发明提供一种柔性遥感卫星光学镜片，包括柔性衬底和设于所述柔性衬底的至少一个表面上的微纳结构超表面，所述微纳结构超表面为微纳结构单元的周期性阵列，不同的微纳结构单元具有相同的高度、相同的指向角度和不同的横截面尺寸，各微纳结构单元的横截面尺寸根据所需的电磁波通过各微纳结构单元后的相位累积以及电磁波通过微纳结构单元的相位累积与微纳结构单元的横截面尺寸的对应关系相应确定。

所述微纳结构单元仅仅设置于所述柔性衬底的反面，电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元后的相位累积满足相位分布：

其中，r为微纳结构单元在所述柔性遥感卫星光学镜片上的空间位置坐标，λ为工作波长，f为所述柔性遥感卫星光学镜片的焦距。

所述微纳结构单元设置于所述柔性衬底的正反两面，以形成所述柔性遥感卫星光学镜片的正面和反面，电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元后的相位累积满足相位分布：

其中，λ为工作波长，f为所述柔性遥感卫星光学镜片的焦距，R_F为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的半径，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元的空间位置坐标，N为校正项数目，b_n为反面校正系数；

且电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元后的相位累积满足如下相位分布：

其中，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元的空间位置坐标，R_A为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的半径，N为校正项数目，a_n为正面校正系数。

所述工作波长λ为3-5μm，所述柔性遥感卫星光学镜片的正面和反面的半径由其镜片口径决定，该镜片口径为1mm至10m，所述柔性遥感卫星光学镜片的焦距为1mm至10m。

所述反面和正面校正系数b_n、a_n通过遗传算法来进行优化。

所述周期性阵列的构型是正方晶格阵列或六角晶格阵列，所述微纳结构单元的构型是圆柱、方柱、矩形柱或椭圆柱。

所述柔性衬底的材料是聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺和聚萘二甲酯乙二醇酯中的一种，所述微纳结构超表面的材料为硅。

所述微纳结构单元高度为0.5λ至5λ，横截面尺寸为0.1U至0.9U，且所述周期性阵列的周期U为0.3λ至λ，U为周期，λ为工作波长。

另一方面，本发明提供一种柔性遥感卫星光学镜片的制作方法，包括：

S1：设计所述柔性遥感卫星光学镜片的柔性衬底和微纳结构超表面，该微纳结构超表面为微纳结构单元的周期性阵列，计算所需的电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积，包括：

S11：确定所述柔性遥感卫星光学镜片的工作波长、镜片口径和焦距；

S12：根据所述工作波长、镜片口径和焦距，以及柔性衬底和微纳结构单元的相对位置，得到电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积；

S2：根据电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积确定各微纳结构单元的几何参数，包括：

S21：确定微纳结构超表面的周期性阵列以及微纳结构单元的构型；

S22：通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对微纳结构单元的横截面尺寸进行参数扫描、仿真和优化，得到电磁波经过微纳结构单元后的相位累积与微纳结构单元的横截面尺寸的对应关系；

S23：根据步骤S1中的电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积以及所述步骤S22得到的电磁波经过微纳结构单元后的相位累积与微纳结构单元的横截面尺寸的对应关系来进行匹配，获得各微纳结构单元的横截面尺寸；

S3：根据所述步骤S2中的各微纳结构单元的横截面尺寸，在所述柔性衬底的表面上制作所述微纳结构超表面，得到柔性遥感卫星光学镜片。

在所述步骤S12中，若所述微纳结构单元仅仅设置于柔性衬底的反面，则电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元后的相位累积满足相位分布：

其中，r为微纳结构单元在所述柔性遥感卫星光学镜片上的空间位置坐标，λ为工作波长，f为所述柔性遥感卫星光学镜片的焦距；

若所述微纳结构单元设置于柔性衬底的正反两面，以形成所述柔性遥感卫星光学镜片的正面和反面，则电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元后的相位累积满足相位分布：

其中，λ为工作波长，f为所述柔性遥感卫星光学镜片的焦距，R_F为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的半径，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元的空间位置坐标，N为校正项数目，b_n为反面校正系数；

电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元后的相位累积满足相位分布：

其中，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元的空间位置坐标，R_A为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的半径，N为校正项数目，a_n为正面校正系数。

本发明的柔性遥感卫星光学镜片通过将微纳结构超表面与柔性衬底结合，且微纳结构超表面利用平面内分布的各微纳结构单元的衍射场的干涉来调控光场，可以通过调节微纳结构的几何参数和空间分布来校正大视场下的离轴像差和宽频段下的色差，避免了使用传统的多个镜片叠加的方案，减小了光学镜片的体积，此外，微纳结构超表面不依赖于表面形状，是平面结构，适合折叠，且展开后不影响其光学性能，使得光学镜片可折叠，从而在遥感卫星运载过程中镜片折叠、减小占用的空间，在遥感卫星到达轨道后展开成大口径镜片进行遥感成像。此外，柔性衬底的厚度仅毫米量级，微纳结构单元的厚度仅为亚波长量级，由此进一步减小了遥感卫星光学镜片的体积。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的柔性遥感卫星光学镜片的结构示意图。

图2是根据本发明的第二实施例的柔性遥感卫星光学镜片的结构示意图。

图3是本发明的柔性遥感卫星光学镜片的折叠方案示意图。

图4是本发明的微纳结构柔性遥感卫星光学镜片的俯视图。

图5是本发明的柔性遥感卫星光学镜片的单个微纳结构单元的俯视示意图。

图6是本发明的柔性遥感卫星光学镜片的单个微纳结构单元的侧视示意图。

图7是本发明的柔性遥感卫星光学镜片的电磁波通过微纳结构单元的相位与微纳结构单元的直径的对应关系的仿真结果。

图8是本发明的柔性遥感卫星光学镜片的电磁波通过微纳结构单元的透过率与微纳结构单元的直径的对应关系的仿真结果。

图9是正入射平面电磁波经本发明的柔性遥感卫星光学镜片在xoy面内的聚焦仿真结果。

图10是本发明实施例中正入射平面电磁波经本发明的柔性遥感卫星光学镜片在zox面内的聚焦仿真结果。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

如图1-图2所示为根据本发明的一个实施例的柔性遥感卫星光学镜片，其包括柔性衬底1和设于所述柔性衬底1的至少一个表面上的微纳结构超表面2。

其中，所述柔性衬底1的材料是聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PET)、聚酰亚胺(PI)和聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)中的一种，因此，包括所述柔性衬底1的所述柔性遥感卫星光学镜片柔性好、可如图3所示地弯曲折叠，在遥感卫星光学镜片工作波段吸收小、具有高透明度，且能与硅基微纳加工技术兼容。本发明通过将微纳结构超表面2制备在柔性衬底1上，来构造可折叠的光学镜片，在遥感卫星运载过程中镜片折叠、减小占用的空间，在遥感卫星到达轨道后展开成大口径镜片进行遥感成像。

所述微纳结构超表面2的材料包括硅，锗，二氧化钛或氮化硅等材料，由于硅在遥感卫星的工作波段(中红外波段)的折射率高且吸收系数小，故在本实施例中，所述微纳结构超表面2的材料为硅。柔性衬底1的厚度仅为毫米量级，微纳结构单元21的厚度仅为亚波长量级，由此进一步减小了遥感卫星光学镜片的体积。

如图4所示，所述微纳结构超表面2为微纳结构单元21的周期性阵列。所述微纳结构超表面2的周期性阵列的构型可以是正方晶格阵列或六角晶格阵列。在所述周期性阵列的周期U可取0.3λ至λ(λ为工作波长)。

在所述周期性阵列中，所述微纳结构单元21的构型可以是圆柱、方柱、矩形柱、椭圆柱或其他柱状结构，在本实施例中，如图5和图6所示，所述微纳结构单元21的构型为圆柱。

微纳结构单元21具有多种几何参数，如高度、指向角度、横截面尺寸等等。微纳结构单元21具有一个可变几何参数。不同的微纳结构单元21的可变几何参数不同，而其余几何参数均相同。各微纳结构单元的可变几何参数(即横截面尺寸)根据所需的电磁波通过各微纳结构单元21后的相位累积以及电磁波通过微纳结构单元21的相位累积与微纳结构单元21的可变几何参数的对应关系相应确定。由此，通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对具有相同高度的微纳结构单元的可变几何参数进行参数扫描，可以获得电磁波通过不同的微纳结构单元的相位累积，作为设计微纳结构超表面2的参数空间，可以使得电磁波经过各微纳结构单元21后获得不同的相位累积。

再请参见图4，在本实施例中，微纳结构单元21的可变几何参数为横截面尺寸，由此，不同的微纳结构单元21具有相同的高度、相同的指向角度和不同的横截面尺寸(例如，当微纳结构单元为圆柱时，圆的直径不同；为方柱时，方形的长和/或宽不同；或为椭圆柱时，椭圆的长轴和/或短轴不同)，高度H可取0.5λ至5λ，横截面尺寸D可取0.1U至0.9U(U为周期)。其中，各微纳结构单元的横截面尺寸根据所需的电磁波通过各微纳结构单元21后的相位累积以及电磁波通过微纳结构单元21的相位累积与微纳结构单元21的横截面尺寸的对应关系相应确定。通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对所述横截面尺寸进行参数扫描，可以获得电磁波通过微纳结构单元的相位累积与微纳结构单元的横截面尺寸的对应关系。具体的对应关系如图7所示。

再请参见图1，若所述微纳结构单元21仅仅设置于所述柔性衬底1的反面，以校正正入射的平面电磁波，进而适用于小视场的光学镜片，则所述柔性遥感卫星光学镜片的反面起到聚焦功能，则电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：

其中，r为微纳结构单元在所述柔性遥感卫星光学镜片上的空间位置坐标，即光学镜片上某点到光学镜片正中央的距离，λ为工作波长，工作波长λ为3-5μm，f为所述柔性遥感卫星光学镜片的焦距，焦距均为1mm至10m。

由此，在确定工作波长、焦距和光学镜片口径后，对于视场角为0的镜片，根据上述公式得到各微纳结构单元21需对应的相位。球差可自动获得校正，可使正入射平面电磁波发生会聚形成焦斑。

再请参见图2，若所述微纳结构单元21设置于所述柔性衬底1的正反两面，以形成所述柔性遥感卫星光学镜片的正面和反面，则其相位分布要在上述球面透镜的相位分布基础之上增加修正项，以校正斜入射平面电磁波的离轴像差，进而适用于具备大视场能力的光学镜片。

则所述柔性遥感卫星光学镜片的反面起到聚焦功能，电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：

其中，λ为工作波长，为4.3μm，f为柔性遥感卫星光学镜片的焦距，R_F为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的半径(所述柔性遥感卫星光学镜片的正面和反面的半径由遥感卫星光学镜片在展开后的镜片口径决定，该镜片口径为1mm至10m)，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元21的空间位置坐标，N为校正项数目，b_n为反面校正系数。

所述柔性遥感卫星光学镜片的正面起到校正功能，电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：

其中，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元21的空间位置坐标，R_A为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的半径，具体的，用于大视场角下的遥感卫星光学镜片的正反面半径不同，要求R_A<R_F，R_F指反面的半径，R_A指正面的半径，R_A/R_F可取0.1至0.9，根据设计的最大视场角而定，N为校正项数目，a_n为正面校正系数。

所述反面和正面校正系数b_n、a_n通过遗传算法来进行优化，由此，对于视场角不为0的镜片，得到各微纳结构单元21需对应的相位。

另一方面，本发明提供了一种柔性遥感卫星光学镜片的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：设计所述柔性遥感卫星光学镜片的柔性衬底1和微纳结构超表面2，该微纳结构超表面2为微纳结构单元21的周期性阵列，计算所需的电磁波经过各微纳结构单元21后的相位累积；

其中，柔性衬底1的材料可以是聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PET)、聚酰亚胺(PI)和聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)中的一种，这些材料柔性好、可弯曲折叠，在中红外波段吸收小、具有高透明度。本实施例中，柔性衬底1的材料为聚乙烯醇(PVA)。本实施例中，微纳结构单元21的材料为硅，以在中红外波段具有高折射率和低吸收系数。柔性衬底1的厚度仅毫米量级，微纳结构单元21的厚度仅为亚波长量级，由此进一步减小了遥感卫星光学镜片的体积。

微纳结构超表面2为微纳结构单元21的周期性阵列，所述微纳结构超表面2的周期性阵列的构型可以是正方晶格阵列或六角晶格阵列。在本实施例中，周期性阵列的构型为正方晶格。

所述步骤S1具体包括：

步骤S11：确定所述柔性遥感卫星光学镜片的工作波长、镜片口径和焦距。

遥感卫星光学镜片的工作波长为3-5μm，即位于中红外波段，本实施例以4.3μm为例作为光学镜片的工作波长。

其次，确定光学镜片的口径和焦距，本实施例以镜片口径和焦距分别为200μm作为例子，事实上本发明的方法同样适用于镜片口径和焦距均为1mm至10m的光学镜片。

步骤S12：根据所述工作波长、镜片口径和焦距，以及柔性衬底1和微纳结构单元21的相对位置，得到电磁波经过各微纳结构单元21后的相位累积。

其中，如图1所示，若所述微纳结构单元21仅仅设置于柔性衬底1的反面，则根据相位分布公式，电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：

其中，r为微纳结构单元21在柔性遥感卫星光学镜片上的空间位置坐标，取值范围为-100μm至100μm，λ为工作波长，其为4.3μm，f为柔性遥感卫星光学镜片的焦距。

由此，根据所设计的柔性衬底1和微纳结构超表面2，所得到的遥感卫星光学镜片在聚焦正入射平面电磁波时的示意图如图1所示。

如图2所示，若所述微纳结构单元21设置于柔性衬底1的正反两面，以形成所述柔性遥感卫星光学镜片的正面和反面，进而校正离轴像差，则所述柔性遥感卫星光学镜片的反面起到聚焦功能，电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：

其中，λ为工作波长，为4.3μm，f为柔性遥感卫星光学镜片的焦距，R_F为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的半径(在本实施例中，半径为100μm，为光学镜片口径200μm的一半)，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元21的空间位置坐标，在本实施例中，取值范围-100μm至100μm，N为校正项数目，校正项数目N设定为5，此外，N也可设置为2至8，根据所需达到的校正精度而定，b_n为反面校正系数。

所述柔性遥感卫星光学镜片的正面起到校正功能，电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：

其中，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元21的空间位置坐标，取值范围-50μm至50μm，R_A为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的半径，设定为50μm，N为校正项数目，设定为5，同上，N也可设置为2至8，根据所需达到的校正精度而定，a_n为正面校正系数。

所述校正系数a_n和b_n通过遗传算法来进行优化，进而计算得到对于视场角不为0的镜片，各微纳结构单元21需对应的相位。

由此，根据所设计的柔性衬底1和微纳结构超表面2，所得到的遥感卫星光学镜片在聚焦斜入射平面电磁波时的示意图如图2所示。

步骤S2：根据电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积确定各微纳结构单元21的几何参数，具体包括：

步骤S21：确定微纳结构超表面2的周期性阵列以及微纳结构单元21的构型。

微纳结构单元21的构型可以是圆柱、方柱、矩形柱、椭圆柱或其他柱状结构，如图5和图6所示，在本实施例中，微纳结构单元21的构型为圆柱。

步骤S22：选取所述微纳结构单元的横截面尺寸作为可变几何参数，通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对微纳结构单元的横截面尺寸进行参数扫描、仿真和优化，得到电磁波经过微纳结构单元21后的相位累积与微纳结构单元21的横截面尺寸的对应关系。

其中，选取单元周期U＝2.3μm，硅柱高度H＝2.5μm，硅柱直径D＝0.5μm至1.5μm，使得4.3μm波长的光经微纳结构单元的相位累积随微纳结构单元21的直径变化可覆盖0至2π，且微纳结构单元21对4.3μm波长的光具有较高的透过率。

在本实施例中，设定微纳结构单元21的硅柱直径D为0.5μm至1.5μm(直径间隔为20nm)，由此设定了横截面尺寸。通过基于时域有限差分算法的电磁仿真软件，对每种直径(即每种横截面尺寸)下电磁波经微纳结构单元的相位累积进行计算，从而对所述横截面尺寸进行参数扫描，得到电磁波通过微纳结构单元21的相位累积

和透过率与微纳结构单元21的直径的对应关系的仿真结果，分别如图7和图8所示，并由此可以得到电磁波通过微纳结构单元21的相位累积与微纳结构单元21的横截面尺寸的对应关系。图7中横坐标为微纳结构单元21的直径(单位为μm)，纵坐标为相位(单位为2π)，图8中横坐标为微纳结构单元21的直径(单位为μm)，纵坐标为透过率。

由图7和图8可知，随着硅柱直径增大，相位累积逐渐增大，在直径0.5μm至1.5μm范围内相位覆盖0至2π；不同硅柱直径下透过率大多在90％以上；其中直径1.1μm至1.3μm范围的数据剔除，不用于后续设计中。

步骤S23：根据步骤S1中的电磁波经过各微纳结构单元21后的相位累积以及所述步骤S22得到的电磁波经过微纳结构单元21后的相位累积与微纳结构单元21的横截面尺寸的对应关系来进行匹配，获得柔性遥感卫星光学镜片中各微纳结构单元21的横截面尺寸。

步骤S3：根据所述步骤S2中的各微纳结构单元21的横截面尺寸，在所述柔性衬底1的表面上制作所述微纳结构超表面2，得到柔性遥感卫星光学镜片。

在本实施例中，光学镜片的折叠方案示意图如图3所示，由于采用柔性衬底1，因此光学镜片边缘可翻折，沿光学镜片中轴可对折。也可采用其它折叠方案，比如沿距离中轴为1/4镜片口径处的折线进行折叠。在各折叠方案中，折线处均需留白(即不在折线处分布硅柱)。所得到的柔性遥感卫星光学镜片如图3所示。

仿真验证

对制作得到的柔性遥感卫星光学镜片，基于时域有限差分算法的电磁仿真手段进行验证。本实施例中正入射平面波经柔性遥感卫星光学镜片后在焦距处的xoy面内的电场分布如图9所示，该光学镜片具有很好的聚焦效果，焦斑半高宽仅为一倍波长。图9中横纵坐标为x和y方向坐标，以垂直穿过光学镜片中心的轴为光轴，在光轴上距离光学镜片为焦距(200μm)处，取平行于光学镜片的平面即为该测量面，光轴与该测量面的交点为原点，x和y方向为该平面内两个互相垂直的方向，横纵坐标单位均为μm。本实施例中正入射平面波经柔性遥感卫星光学镜片后在zox面内的电场分布如图10所示，该光学镜片具有很好的聚焦效果，焦斑中心位置位于预设的焦距200μm处，焦斑深度为八倍波长。图10中横纵坐标为x和z方向坐标，z方向是电磁波的传播方向，zox面是包含光轴的平面，横纵坐标单位均为μm。仿真计算平面波经该光学镜片后的能量以及平面波经与该光学镜片同尺寸的小孔的能量，两者相除为该光学镜片的聚焦效率。根据计算结果，本实施例的柔性遥感卫星光学镜片的聚焦效率高达85％。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种柔性遥感卫星光学镜片，其特征在于，包括柔性衬底(1)和设于所述柔性衬底(1)的至少一个表面上的微纳结构超表面(2)，所述微纳结构超表面(2)为微纳结构单元(21)的周期性阵列，不同的微纳结构单元(21)具有相同的高度、相同的指向角度和不同的横截面尺寸，各微纳结构单元的横截面尺寸根据所需的电磁波通过各微纳结构单元(21)后的相位累积以及电磁波通过微纳结构单元(21)的相位累积与微纳结构单元(21)的横截面尺寸的对应关系相应确定；

所述柔性遥感卫星光学镜片通过微纳结构超表面(2)制备在柔性衬底(1)上来构造可折叠的光学镜片；所述柔性遥感卫星光学镜片的折线处均留白；所述柔性遥感卫星光学镜片设置为在遥感卫星运载过程中折叠、减小占用的空间，在遥感卫星到达轨道后展开成大口径镜片进行遥感成像；

所述微纳结构单元(21)设置于所述柔性衬底(1)的正反两面，以形成所述柔性遥感卫星光学镜片的正面和反面，电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元(21)后的相位累积满足相位分布：

其中，λ为工作波长，f为所述柔性遥感卫星光学镜片的焦距，R_F为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的半径，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元(21)的空间位置坐标，N为校正项数目，b_n为反面校正系数；

且电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元(21)后的相位累积满足相位分布：

其中，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元(21)的空间位置坐标，R_A为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的半径，N为校正项数目，a_n为正面校正系数；

R_A/R_F取0.1至0.9。

2.根据权利要求1所述的柔性遥感卫星光学镜片，其特征在于，所述工作波长λ为3-5μm，所述柔性遥感卫星光学镜片的正面和反面的半径由其镜片口径决定，该镜片口径为1mm至10m，所述柔性遥感卫星光学镜片的焦距为1mm至10m。

3.根据权利要求1所述的柔性遥感卫星光学镜片，其特征在于，所述反面和正面校正系数b_n、a_n通过遗传算法来进行优化。

4.根据权利要求1所述的柔性遥感卫星光学镜片，其特征在于，所述周期性阵列的构型是正方晶格阵列或六角晶格阵列，所述微纳结构单元(21)的构型是椭圆柱。

5.根据权利要求1所述的柔性遥感卫星光学镜片，其特征在于，所述柔性衬底(1)的材料是聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺和聚萘二甲酯乙二醇酯中的一种，所述微纳结构超表面(2)的材料为硅。

6.根据权利要求1所述的柔性遥感卫星光学镜片，其特征在于，柔性衬底(1)的厚度为毫米量级，微纳结构单元(21)的厚度为亚波长量级，所述微纳结构单元(21)高度为0.5λ至5λ，横截面尺寸为0.1U至0.9U，且所述周期性阵列的周期U为0.3λ至λ，U为周期，λ为工作波长。

7.一种柔性遥感卫星光学镜片的制作方法，其特征在于，包括：

步骤S1：设计所述柔性遥感卫星光学镜片的柔性衬底(1)和微纳结构超表面(2)，该微纳结构超表面(2)为微纳结构单元(21)的周期性阵列，计算所需的电磁波经过各微纳结构单元(21)后的相位累积，包括：

步骤S11：确定所述柔性遥感卫星光学镜片的工作波长、镜片口径和焦距；

步骤S12：根据所述工作波长、镜片口径和焦距，以及柔性衬底(1)和微纳结构单元(21)的相对位置，得到电磁波经过各微纳结构单元(21)后的相位累积；

步骤S2：根据电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积确定各微纳结构单元(21)的几何参数，包括：

步骤S21：确定微纳结构超表面(2)的周期性阵列以及微纳结构单元(21)的构型；

步骤S22：通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对微纳结构单元(21)的横截面尺寸进行参数扫描、仿真和优化，得到电磁波经过微纳结构单元(21)后的相位累积与微纳结构单元(21)的横截面尺寸的对应关系；

步骤S23：根据步骤S1中的电磁波经过各微纳结构单元(21)后的相位累积以及所述步骤S22得到的电磁波经过微纳结构单元(21)后的相位累积与微纳结构单元(21)的横截面尺寸的对应关系来进行匹配，获得各微纳结构单元(21)的横截面尺寸；

步骤S3：根据所述步骤S2中的各微纳结构单元(21)的横截面尺寸，在所述柔性衬底(1)的表面上制作所述微纳结构超表面(2)，得到柔性遥感卫星光学镜片；

所述柔性遥感卫星光学镜片通过微纳结构超表面(2)制备在柔性衬底(1)上来构造可折叠的光学镜片；所述柔性遥感卫星光学镜片的折线处均留白；所述柔性遥感卫星光学镜片设置为在遥感卫星运载过程中折叠、减小占用的空间，在遥感卫星到达轨道后展开成大口径镜片进行遥感成像；

在所述步骤S12中，所述微纳结构单元(21)设置于柔性衬底(1)的正反两面，以形成所述柔性遥感卫星光学镜片的正面和反面，则电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元(21)后的相位累积满足相位分布：

其中，λ为工作波长，f为所述柔性遥感卫星光学镜片的焦距，R_F为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的半径，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的反面的各微纳结构单元(21)的空间位置坐标，N为校正项数目，b_n为反面校正系数；

电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元(21)后的相位累积满足相位分布：

其中，r为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的各微纳结构单元(21)的空间位置坐标，R_A为所述柔性遥感卫星光学镜片的正面的半径，N为校正项数目，a_n为正面校正系数；

R_A/R_F取0.1至0.9。

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