自由曲面被廣泛認(rèn)為是一種革命性光學(xué)成像技術(shù),是目前國際光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),NASA將其列為“Cutting Edge Technology”,ESA將其列為“Game Changer Technology”,其顛覆了傳統(tǒng)光學(xué)曲面回轉(zhuǎn)/平移對(duì)稱的局限性,為光學(xué)設(shè)計(jì)人員提供了更多設(shè)計(jì)自由度,具備大幅提升特別是非對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)、像質(zhì)、體積等的潛力,成為未來光學(xué)設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向之一。然而,自由曲面的非對(duì)稱和多自由度特點(diǎn)也給光學(xué)設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)等環(huán)節(jié)帶來了巨大挑戰(zhàn)。
考慮到自由曲面技術(shù)各環(huán)節(jié)之間的相互關(guān)聯(lián)性,中科院西安光機(jī)所空間光子信息新技術(shù)研究室自由曲面技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)就自由曲面理論、設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)等方面開展了系統(tǒng)研究,突破了可見光波段自由曲面的多參量高效優(yōu)化設(shè)計(jì)、高精度零位補(bǔ)償干涉檢測(cè)以及超精密迭代補(bǔ)償加工等關(guān)鍵技術(shù),研制出新型“低成本、可快速響應(yīng)、全鋁光機(jī)、全自由曲面”大視場(chǎng)可見光相機(jī),鋁基自由曲面(7階以上XY多項(xiàng)式)制造精度達(dá)到國際先進(jìn)水平~RMS1/30λ@632.8nm,相機(jī)視場(chǎng)角20°×15°、實(shí)測(cè)傳函~0.4@78lp/mm,相關(guān)工作以“Optical design and fabrication of an all-aluminum unobscured two-mirror freeform imaging telescope”為題發(fā)表在Applied Optics期刊上,并獲多位匿名審稿人高度評(píng)價(jià),分別認(rèn)為本工作是“a good showcase of design and production of an optical system”、“a valuable paper for the research and fabrication community”等,該論文也成為Applied Optics和Optics Letters期刊2020年光學(xué)設(shè)計(jì)與加工領(lǐng)域十四篇下載量最多論文之一(論文鏈接)。另外,該團(tuán)隊(duì)還研制了多款全鋁光機(jī)全自由曲面大視場(chǎng)非制冷和制冷紅外相機(jī),并獲得優(yōu)異的成像質(zhì)量。
圖1 可見光自由曲面加工與檢測(cè)
圖2 全鋁全自由曲面大視場(chǎng)可見光相機(jī)實(shí)物圖
圖3 全鋁全自由曲面大視場(chǎng)可見光相機(jī)環(huán)境試驗(yàn)
隨著自由曲面技術(shù)的快速發(fā)展,未來該技術(shù)有望為光電空天領(lǐng)域等新型顛覆性光學(xué)系統(tǒng)的研制提供重要支撐。
以上研究工作得到了西安光機(jī)所基礎(chǔ)科研部自主部署項(xiàng)目、西安光機(jī)所135培育項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和中科院西部青年學(xué)者項(xiàng)目等的支持。
(空間光子信息新技術(shù)研究室 供稿)
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