▎導(dǎo)讀

國防科技大學(xué)熊玉朋等以“基于自由曲面光學(xué)元件的大視場光學(xué)成像系統(tǒng)”為題在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，《儀器儀表領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級(jí)目錄》和《光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級(jí)目錄》“T1級(jí)”期刊）上發(fā)表封面文章，提出了新的自由曲面光學(xué)元件加工流程，實(shí)現(xiàn)了自由曲面光學(xué)元件的高精度制造。自由曲面光學(xué)元件的面形精度RMS值優(yōu)于20nm，位置精度優(yōu)于1μm，裝配集成測(cè)試得到光學(xué)系統(tǒng)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(shí)具備穩(wěn)定可靠和快響制造等特點(diǎn)。

▎正文

鏡頭的發(fā)展歷史源遠(yuǎn)流長，早在17世紀(jì)，隨著望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的發(fā)明，鏡頭技術(shù)開始嶄露頭角。從最初的單一透鏡到現(xiàn)代的復(fù)合透鏡系統(tǒng)，鏡頭的成像質(zhì)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(fā)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(fù)雜。而反射式具備無色差、溫度敏感性好、易于輕量化等優(yōu)勢(shì)，更加有利于機(jī)載和星載應(yīng)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(jié)構(gòu)能夠同時(shí)滿足大視場、長焦距和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。自由曲面在設(shè)計(jì)上具有更多的裕度和強(qiáng)大的像差校正能力，采用自由曲面進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化將進(jìn)一步提升光學(xué)系統(tǒng)性能，但自由曲面光學(xué)元件光學(xué)元件的制造和系統(tǒng)裝調(diào)難度都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)，已成為制約復(fù)雜曲面光學(xué)系統(tǒng)從設(shè)計(jì)走向現(xiàn)實(shí)的重要瓶頸。

針對(duì)這一問題，本團(tuán)隊(duì)提出了新的自由曲面光學(xué)元件加工流程，實(shí)現(xiàn)了自由曲面光學(xué)元件的高精度制造。系統(tǒng)裝配集成后能夠滿足大視場高分辨的場景使用要求，同時(shí)具備穩(wěn)定可靠和快響制造等特點(diǎn)。

基于自由曲面的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化：為了同時(shí)滿足大視場、長焦距和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，采用基于自由曲面的離軸三反結(jié)構(gòu)。采用視場擴(kuò)展的方法進(jìn)行大視場自由曲面離軸反射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的焦距為90mm，視場角為30°×5°，全視場光學(xué)傳遞函數(shù)接近衍射極限。

為了使光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，降低光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)集成的難度，本文提出了如圖2所示的光機(jī)設(shè)計(jì)思路，將主鏡、三鏡設(shè)計(jì)成共體光學(xué)元件，作為系統(tǒng)的后框架，后框架為主鏡組件、三鏡組件和其他結(jié)構(gòu)提供安裝基準(zhǔn)，保證位置精度；次鏡、CCD探測(cè)器共同構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)的前框架，前框架為次鏡提供安裝基準(zhǔn)；各連接面通過超精密加工的手段將相對(duì)位置精度控制在微米誤差內(nèi)，從而保證三塊反射鏡的軸向間距和相對(duì)位置精度。

圖2：光機(jī)設(shè)計(jì)

基于自由曲面的光學(xué)系統(tǒng)的超精密加工與檢測(cè)：鋁合金材料因其優(yōu)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(shù)較大，但通過采用全鋁光學(xué)系統(tǒng)，可以顯著降低不同材料間膨脹系數(shù)不匹配帶來的熱應(yīng)力和應(yīng)變問題，確保光學(xué)系統(tǒng)在變溫環(huán)境下的長期穩(wěn)定性。隨著單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)的進(jìn)步，鋁合金光學(xué)元件和支撐結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(xué)元件加工流程，如圖3所示。加工完成后，對(duì)自由曲面光學(xué)元件和基準(zhǔn)面同時(shí)采用CGH（計(jì)算全息圖檢測(cè)法）進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明自由曲面光學(xué)元件的面形精度RMS值優(yōu)于20nm，位置精度優(yōu)于1μm。

圖3：加工流程

基于自由曲面的光學(xué)系統(tǒng)成像實(shí)驗(yàn)：在系統(tǒng)集成裝配的基礎(chǔ)上，對(duì)5km以外的目標(biāo)進(jìn)行了光學(xué)系統(tǒng)的成像實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場和成像效果如圖4所示。可以看出系統(tǒng)能在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)整體清晰成像，典型目標(biāo)局部放大后清晰度更高，達(dá)到了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期目的。

圖4：成像效果

論文信息

熊玉朋,陳適宇,黃鋮等.基于自由曲面光學(xué)元件的大視場光學(xué)成像系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程,2024,32(09):1261-1272. DOI：10.37188/OPE.20243209.1261.

https://ope.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/OPE.20243209.1261/