摘要：光學(xué)自由曲面顛覆了傳統(tǒng)光學(xué)曲面旋轉(zhuǎn)對稱的局限性，可以為光學(xué)設(shè)計提供更多的設(shè)計自由度，具有增大光學(xué)系統(tǒng)視場、減小光學(xué)系統(tǒng)體積、提升光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量等重大優(yōu)勢，成為未來光學(xué)設(shè)計的重要發(fā)展方向之一。然而，由于自由曲面面型復(fù)雜且非對稱，其設(shè)計、加工、檢測與裝調(diào)都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。文章系統(tǒng)闡述了一種新型全鋁全自由曲面離軸兩反可見光望遠鏡的設(shè)計、加工、檢測與裝調(diào)過程，可以為全自由曲面反射式成像光學(xué)系統(tǒng)的研制提供依據(jù)。

0 引言

自由曲面被認(rèn)為是一種革命性的光學(xué)技術(shù)，是目前國際光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點[1-3]。它打破了傳統(tǒng)光學(xué)曲面旋轉(zhuǎn)對稱性的限制，可以有效矯正非對稱光學(xué)系統(tǒng)的非對稱像差，實現(xiàn)性能優(yōu)異的大視場離軸反射式成像光學(xué)系統(tǒng)[4-6]。此外，自由曲面為光學(xué)設(shè)計提供了更多的設(shè)計自由度，可以滿足復(fù)雜的空間約束，產(chǎn)生靈活多樣的光學(xué)架構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、像質(zhì)優(yōu)異的高性能成像光學(xué)系統(tǒng)[7,8]。

隨著現(xiàn)代光學(xué)加工與檢測技術(shù)的發(fā)展[9,10]，自由曲面已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用[11-18]。其中，全金屬自由曲面成像系統(tǒng)憑借成本低廉、成型快速、易輕量化等優(yōu)勢，成為未來空間光學(xué)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一，得到了林肯實驗室[15]、羅徹斯特大學(xué)[16]、歐空局[17]、弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)與精密工程研究所[18]等的大力發(fā)展。

文章系統(tǒng)地闡述了一種新型全鋁光機全自由曲面大視場離軸兩反可見光成像系統(tǒng)的設(shè)計、加工、檢測與裝調(diào)過程及方法。利用多參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化法對光學(xué)系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，采用兩片自由曲面反射鏡實現(xiàn)了20°×15°的超大矩形視場，且全視場成像質(zhì)量接近衍射極限。兩片自由曲面反射鏡的材料為AL6061，利用超精密四軸單點金剛石車床快刀伺服系統(tǒng)進行加工，并采用基于計算全息圖（CGH）的零位補償干涉檢測方法進行檢測。系統(tǒng)采用全鋁光機架構(gòu)，結(jié)構(gòu)框CNC一體成型，并利用單點金剛石車床對反射鏡和結(jié)構(gòu)框的配合面進行超精密車削，光機部件直接裝配即可基本滿足光學(xué)系統(tǒng)的公差要求，避免了復(fù)雜的裝調(diào)過程。研制樣機，對其成像性能進行測試，成像質(zhì)量優(yōu)異。

1 自由曲面望遠鏡的設(shè)計、加工、檢測和裝調(diào)

1.1 光學(xué)設(shè)計

全自由曲面離軸兩反望遠鏡的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

全自由曲面離軸兩反望遠鏡的設(shè)計采用多參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化法。其初始結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，為Schwarzschild形式的全球面設(shè)計，并且滿足圖1(b)所示的光線無遮攔約束條件。其中，第一反射鏡M₁為凸球面鏡，第二反射鏡M₂為凹球面鏡。為了保證后續(xù)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，設(shè)計中采用的無遮攔約束條件定義為：ΔL₁> 15 mm、ΔL₂> 15 mm、ΔL₃> 20 mm。

圖1.望遠鏡的初始設(shè)計和無遮攔限制條件

將球面鏡M₁和M₂替換成自由曲面進行優(yōu)化，在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中引入系統(tǒng)裝調(diào)公差靈敏度的評價權(quán)重，即優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)包含系統(tǒng)全視場成像質(zhì)量和裝調(diào)公差靈敏度兩部分，以保證系統(tǒng)同時具有優(yōu)異的成像質(zhì)量和裝調(diào)公差性能。自由曲面采用最高為7次的XY多項式進行表征：

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