空间光学成像技术在宇宙探索、对地观测等领域发挥重要作用,各应用场景对光学系统的性能指标提出新的要求,其中分辨率作为核心的技术指标受光学系统口径限制。传统反射式和折射式系统由于固有的技术瓶颈,很难继续增大口径,限制了其在空间光学领域的新应用。下一代超大口径空间光学系统需要新原理、新技术,突破传统技术的局限,微结构成像技术就是其中一个代表。利用微纳结构对光波的振幅和相位进行调制,将微纳结构制备在大口径光学薄膜基底材料上,即可大大降低主镜重量,再将多个主镜采用拼接组合而成,便可实现更大的口径和可折叠展开功能,这一技术将成为未来空间成像光学系统的发展趋势。然而,制备满足要求的大口径光学薄膜基底材料以及在其表面制备满足要求的微纳结构并非易事,面临诸多的关键技术难题,本文将瞄准这些难题,开展聚酰亚胺薄膜透镜制备关键技术研究。本文针对大口径衍射透镜的应用需求和聚酰亚胺薄膜透镜制备面临的主要技术瓶颈展开研究,提出了全新的聚酰亚胺薄膜透镜制备工艺技术路线。基于聚酰亚胺薄膜透镜光学设计及公差分配,研究了光学级聚酰亚胺材料合成与薄膜成型工艺,突破了大口径聚酰亚胺薄膜透镜微结构加工与检测工艺,研究了聚酰亚胺薄膜透镜波相差工艺影响因素,实现了聚酰亚胺薄膜透镜成像能力的改善。主要研究工作包括:(1)介绍了聚酰亚胺薄膜衍射透镜的研究背景和意义。通过分析国内外研究现状,总结聚酰亚胺薄膜透镜的加工技术难点和现有的主要加工工艺方法,分析指出现有主流工艺路线的优点与技术瓶颈。(2)介绍了衍射光学系统的基本理论,在波动光学理论的基础上,采用Schupmann消色差模型,利用衍射次镜组消除衍射主镜的色差,利用Zemax光学仿真软件设计了系统口径为1.5m,光谱范围为0.55μm~0.65μm,视场大于0.12°,调制传递函数(MTF)在62.5lp/mm下大于0.5,系统波前RMS优于λ/5(λ=0.6μm)衍射光学系统设计与公差分配,研究了离轴边缘子镜的设计与公差分配,衍射图案的口径达352mm,透镜材料为聚酰亚胺,台阶数为4,微结构最小线宽2.1μm,线宽误差、深度误差均小于10%,套刻误差小于0.5μm,位置误差小于1.0μm,平均衍射效率大于65%,波前误差RMS小于20nm。(3)研究了光学级聚酰亚胺薄膜材料的合成与成型,采用MTOL为二胺,PMDA和BPDA为二酐,NMP为溶剂进行缩聚反应,合成聚酰胺酸,再通过涂布方法形成胶膜,60℃低温固化,380℃高温亚胺化,制成聚酰亚胺薄膜。通过调控PMDA和BPDA的比例,控制聚酰亚胺的性能。通过对其玻璃化转变温度(Tg)、热膨胀系数(CTE)、力学性能、紫外光谱等性能表征进行结构优化,获得了性能基本能够达到技术指标的聚酰亚胺薄膜。采用并在此基础上研究了薄膜成型工艺中的转速、胶液浓度等工艺参数是如何影响膜厚及膜厚均匀性的。经过工艺参数优化在大口径聚酰亚胺薄膜上实现了很好的光学均匀性。(4)研究了基于聚酰亚胺薄膜基底的衍射透镜加工方法,分析了薄膜透镜加工难点,提出了新的工艺技术路线,将薄膜成膜与衍射图案制备分离,克服透射波前耦合的问题,将薄膜支撑置于衍射图案加工前端,解决应力突变造成的图案扭曲问题。经过实验验证,由该方法制备的衍射透镜的微结构形貌误差小于10%,衍射效率大于60%,波前误差RMS小于30nm。测试结果接近理论分析,表明本文所提出的工艺技术路线具备一定可行性。(5)从三个方面研究了聚酰亚胺薄膜透镜波相差的工艺影响因素。首先薄膜基底光学均匀性出发,提出了基于反应离子刻蚀方法的薄膜光学均匀性修正技术,实现了薄膜基底透射波前RMS优于20nm。其次研究了聚酰亚胺材料的吸湿溶胀特性对薄膜透镜波相差的影响,以及改善材料尺寸稳定性的方法。最后研究了薄膜材料的光弹特性,测得了薄膜光弹系数约400nm/MPa.cm,分析总结了光延迟角与主应力比值的数学关系,建立了应力分布与光延迟量、延迟角之间的物理联系,有助于提高薄膜支撑与固定的应力均匀性。