自由曲面被認(rèn)為是一種革命性光學(xué)成像技術(shù)，是目前國(guó)際光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）將其列為“Cutting Edge Technology”，歐洲航天局（ESA）將其列為“Game Changer Technology”，其打破了傳統(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(lái)光學(xué)設(shè)計(jì)的發(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)給光學(xué)設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)等環(huán)節(jié)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

由于自由曲面技術(shù)各環(huán)節(jié)之間的相互關(guān)聯(lián)性，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究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(kāi)展了系統(tǒng)研究，突破了可見(jiàn)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)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(jiàn)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(guó)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。此外，科研人員研制出多款全鋁光機(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。隨著自由曲面技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)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。

圖1 可見(jiàn)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(jiàn)光相機(jī)實(shí)物圖

圖3 全鋁全自由曲面大視場(chǎng)可見(jiàn)光相機(jī)環(huán)境試驗(yàn)

相關(guān)研究成果以O(shè)ptical design and fabrication of an all-aluminum unobscured two-mirror freeform imaging telescope為題，發(fā)表在Applied Optics上，并獲多位匿名審稿人評(píng)價(jià)為“a good showcase of design and production of an optical system”、“a valuable paper for the research and fabrication community”等，該論文成為Applied Optics和Optics Letters2020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。研究工作得到西安光機(jī)所基礎(chǔ)科研部自主部署項(xiàng)目、西安光機(jī)所“十三五”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。

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