自由曲面被認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)計領(lǐng)域的研究熱點，美國國家航空航天局（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)/平移對稱的局限性，為光學(xué)設(shè)計人員提供了更多設(shè)計自由度，具備大幅提升特別是非對稱光學(xué)系統(tǒng)視場、像質(zhì)、體積等的潛力，成為未來光學(xué)設(shè)計的發(fā)展方向之一。然而，自由曲面的非對稱和多自由度特點給光學(xué)設(shè)計、加工、檢測等環(huán)節(jié)帶來挑戰(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，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所空間光子信息新技術(shù)研究室自由曲面技術(shù)研究團隊，就自由曲面理論、設(shè)計、加工、檢測等方面開展了系統(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、高精度零位補償干涉檢測及超精密迭代補償加工等關(guān)鍵技術(shù)，研制出新型“低成本、可快速響應(yīng)、全鋁光機、全自由曲面”大視場可見光相機，鋁基自由曲面（7階以上XY多項式）制造精度達到國際先進水平~RMS1/30λ@632.8nm，相機視場角20°×15°、實測傳函~0.4@78lp/mm。此外，科研人員研制出多款全鋁光機全自由曲面大視場非制冷和制冷紅外相機，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 可見光自由曲面加工與檢測

圖2 全鋁全自由曲面大視場可見光相機實物圖

圖3 全鋁全自由曲面大視場可見光相機環(huán)境試驗

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價為“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所基礎(chǔ)科研部自主部署項目、西安光機所“十三五”培育項目、中科院青年創(chuàng)新促進會和中科院西部青年學(xué)者項目等的支持。

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