光學精密工程·封面 | 三塊反射鏡面的“成像世界”

2024-06-30 13:27

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

▎導讀

國防科技大學熊玉朋等以“基于自由曲面光學元件的大視場光學成像系統”為題在《光學精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，《儀器儀表領域高質量科技期刊分級目錄》和《光學和光學工程領域高質量科技期刊分級目錄》“T1級”期刊）上發表封面文章，提出了新的自由曲面光學元件加工流程，實現了自由曲面光學元件的高精度制造。自由曲面光學元件的面形精度RMS值優于20nm，位置精度優于1μm，裝配集成測試得到光學系統的波像差為0.085λ（λ=632.8nm），已初步滿足大視場高分辨的場景使用要求，同時具備穩定可靠和快響制造等特點。

▎正文

鏡頭的發展歷史源遠流長，早在17世紀，隨著望遠鏡和顯微鏡的發明，鏡頭技術開始嶄露頭角。從最初的單一透鏡到現代的復合透鏡系統，鏡頭的成像質量和功能性大幅提升，并逐漸向具備大視場、高分辨、輕量化和快響制造等方向發展，鏡頭通常分為折射式、反射式和折反混合式，如圖1所示。

圖1：鏡頭分類

透射式需要考慮折射率，存在色散，且透射式鏡片通常為玻璃，屬于脆性材料，加工工藝復雜。而反射式具備無色差、溫度敏感性好、易于輕量化等優勢，更加有利于機載和星載應用場景。反射式一般分為共軸反射式和離軸反射式，比較而言，離軸三反結構能夠同時滿足大視場、長焦距和結構緊湊的特點。自由曲面在設計上具有更多的裕度和強大的像差校正能力，采用自由曲面進行光學設計優化將進一步提升光學系統性能，但自由曲面光學元件光學元件的制造和系統裝調難度都遠高于傳統光學系統，已成為制約復雜曲面光學系統從設計走向現實的重要瓶頸。

針對這一問題，本團隊提出了新的自由曲面光學元件加工流程，實現了自由曲面光學元件的高精度制造。系統裝配集成后能夠滿足大視場高分辨的場景使用要求，同時具備穩定可靠和快響制造等特點。

基于自由曲面的光學系統的設計優化：為了同時滿足大視場、長焦距和結構緊湊的特點，采用基于自由曲面的離軸三反結構。采用視場擴展的方法進行大視場自由曲面離軸反射光學系統的設計，該系統的焦距為90mm，視場角為30°×5°，全視場光學傳遞函數接近衍射極限。

為了使光學系統的結構更加緊湊，降低光學系統裝調集成的難度，本文提出了如圖2所示的光機設計思路，將主鏡、三鏡設計成共體光學元件，作為系統的后框架，后框架為主鏡組件、三鏡組件和其他結構提供安裝基準，保證位置精度；次鏡、CCD探測器共同構成光學系統的前框架，前框架為次鏡提供安裝基準；各連接面通過超精密加工的手段將相對位置精度控制在微米誤差內，從而保證三塊反射鏡的軸向間距和相對位置精度。

圖2：光機設計

基于自由曲面的光學系統的超精密加工與檢測：鋁合金材料因其優良的加工性、低密度和低成本特性而受歡迎。盡管其膨脹系數較大，但通過采用全鋁光學系統，可以顯著降低不同材料間膨脹系數不匹配帶來的熱應力和應變問題，確保光學系統在變溫環境下的長期穩定性。隨著單點金剛石車削技術的進步，鋁合金光學元件和支撐結構的制造速度得到提升，但精度仍不足以滿足可見光成像系統的要求。

為了解決這一問題，我們提出了一種新的鋁合金自由曲面光學元件加工流程，如圖3所示。加工完成后，對自由曲面光學元件和基準面同時采用CGH（計算全息圖檢測法）進行檢測，檢測結果表明自由曲面光學元件的面形精度RMS值優于20nm，位置精度優于1μm。