文章来源：澎湃新闻·澎湃号【中国光学】

导读

国防科技大学熊玉朋团队在《光学 精密工程》期刊上发表封面文章，提出了基于自由曲面光学元件的大视场光学成像系统的新加工流程，实现了高精度制造。该成果的面形精度RMS值优于20nm，位置精度优于1μm，光学系统波像差为0.085λ，已初步满足大视场高分辨场景使用要求，同时具备稳定可靠和快响制造等特点。

正文

镜头的发展历史源远流长，早在17世纪，随着望远镜和显微镜的发明，镜头技术开始崭露头角。从最初的单一透镜到现代的复合透镜系统，镜头的成像质量和功能性大幅提升，并逐渐向具备大视场、高分辨、轻量化和快响制造等方向发展，镜头通常分为折射式、反射式和折反混合式，如图1所示。

图1：镜头分类

透射式需要考虑折射率，存在色散，且透射式镜片通常为玻璃，属于脆性材料，加工工艺复杂。而反射式具备无色差、温度敏感性好、易于轻量化等优势，更加有利于机载和星载应用场景。反射式一般分为共轴反射式和离轴反射式，比较而言，离轴三反结构能够同时满足大视场、长焦距和结构紧凑的特点。自由曲面在设计上具有更多的裕度和强大的像差校正能力，采用自由曲面进行光学设计优化将进一步提升光学系统性能，但自由曲面光学元件光学元件的制造和系统装调难度都远高于传统光学系统，已成为制约复杂曲面光学系统从设计走向现实的重要瓶颈。

针对这一问题，本团队提出了新的自由曲面光学元件加工流程，实现了自由曲面光学元件的高精度制造。系统装配集成后能够满足大视场高分辨的场景使用要求，同时具备稳定可靠和快响制造等特点。

基于自由曲面的光学系统的设计优化：为了同时满足大视场、长焦距和结构紧凑的特点，采用基于自由曲面的离轴三反结构。采用视场扩展的方法进行大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计，该系统的焦距为90mm，视场角为30°×5°，全视场光学传递函数接近衍射极限。

为了使光学系统的结构更加紧凑，降低光学系统装调集成的难度，本文提出了如图2所示的光机设计思路，将主镜、三镜设计成共体光学元件，作为系统的后框架，后框架为主镜组件、三镜组件和其他结构提供安装基准，保证位置精度；次镜、CCD探测器共同构成光学系统的前框架，前框架为次镜提供安装基准；各连接面通过超精密加工的手段将相对位置精度控制在微米误差内，从而保证三块反射镜的轴向间距和相对位置精度。

图2：光机设计

基于自由曲面的光学系统的超精密加工与检测：铝合金材料因其优良的加工性、低密度和低成本特性而受欢迎。尽管其膨胀系数较大，但通过采用全铝光学系统，可以显著降低不同材料间膨胀系数不匹配带来的热应力和应变问题，确保光学系统在变温环境下的长期稳定性。随着单点金刚石车削技术的进步，铝合金光学元件和支撑结构的制造速度得到提升，但精度仍不足以满足可见光成像系统的要求。

为了解决这一问题，我们提出了一种新的铝合金自由曲面光学元件加工流程，如图3所示。加工完成后，对自由曲面光学元件和基准面同时采用CGH（计算全息图检测法）进行检测，检测结果表明自由曲面光学元件的面形精度RMS值优于20nm，位置精度优于1μm。

图3：加工流程

基于自由曲面的光学系统成像实验：在系统集成装配的基础上，对5km以外的目标进行了光学系统的成像实验，实验现场和成像效果如图4所示。可以看出系统能在较大的范围内实现整体清晰成像，典型目标局部放大后清晰度更高，达到了光学系统设计的预期目的。

图4：成像效果

论文信息

熊玉朋,陈适宇,黄铖等.基于自由曲面光学元件的大视场光学成像系统[J].光学精密工程,2024,32(09):1261-1272. DOI：10.37188/OPE.20243209.1261.