今天自由曲面被認(rèn)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(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，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(jì)人員提供了更多設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)給光學(xué)設(shè)計(jì)、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(jī)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(tuán)隊(duì)，就自由曲面理論、設(shè)計(jì)、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(jì)、高精度零位補(bǔ)償干涉檢測及超精密迭代補(bǔ)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(jī)、全自由曲面”大視場可見光相機(jī)，鋁基自由曲面(7階以上XY多項(xiàng)式)制造精度達(dá)到國際先進(jìn)水平~RMS1/30λ@632.8nm，相機(jī)視場角20°×15°、實(shí)測傳函~0.4@78lp/mm。此外，科研人員研制出多款全鋁光機(jī)全自由曲面大視場非制冷和制冷紅外相機(jī)，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(jī)實(shí)物圖

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(píng)價(jià)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(jì)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(jī)所基礎(chǔ)科研部自主部署項(xiàng)目、西安光機(jī)所“十三五”培育項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和中科院西部青年學(xué)者項(xiàng)目等的支持。