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(yuǎn)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(jī)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(jìn)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(jìn)行加工，并采用基于計算全息圖（CGH）的零位補(bǔ)償干涉檢測方法進(jìn)行檢測。系統(tǒng)采用全鋁光機(jī)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(jìn)行超精密車削，光機(jī)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(jī)，對其成像性能進(jìn)行測試，成像質(zhì)量優(yōu)異。

1 自由曲面望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

全自由曲面離軸兩反望遠(yuǎn)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(jī)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行表征：

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