全铝全自由曲面离轴两反望远镜的设计与制造

摘要：光学自由曲面颠覆了传统光学曲面旋转对称的局限性，可以为光学设计提供更多的设计自由度，具有增大光学系统视场、减小光学系统体积、提升光学系统成像质量等重大优势，成为未来光学设计的重要发展方向之一。然而，由于自由曲面面型复杂且非对称，其设计、加工、检测与装调都面临着巨大的挑战。文章系统阐述了一种新型全铝全自由曲面离轴两反可见光望远镜的设计、加工、检测与装调过程，可以为全自由曲面反射式成像光学系统的研制提供依据。

0 引言

自由曲面被认为是一种革命性的光学技术，是目前国际光学领域的研究热点[1-3]。它打破了传统光学曲面旋转对称性的限制，可以有效矫正非对称光学系统的非对称像差，实现性能优异的大视场离轴反射式成像光学系统[4-6]。此外，自由曲面为光学设计提供了更多的设计自由度，可以满足复杂的空间约束，产生灵活多样的光学架构，实现结构紧凑、体积小巧、像质优异的高性能成像光学系统[7,8]。

随着现代光学加工与检测技术的发展[9,10]，自由曲面已经在多个领域得到应用[11-18]。其中，全金属自由曲面成像系统凭借成本低廉、成型快速、易轻量化等优势，成为未来空间光学领域的重要发展方向之一，得到了林肯实验室[15]、罗彻斯特大学[16]、欧空局[17]、弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所[18]等的大力发展。

文章系统地阐述了一种新型全铝光机全自由曲面大视场离轴两反可见光成像系统的设计、加工、检测与装调过程及方法。利用多参数联合优化法对光学系统进行了优化设计，采用两片自由曲面反射镜实现了20°×15°的超大矩形视场，且全视场成像质量接近衍射极限。两片自由曲面反射镜的材料为AL6061，利用超精密四轴单点金刚石车床快刀伺服系统进行加工，并采用基于计算全息图（CGH）的零位补偿干涉检测方法进行检测。系统采用全铝光机架构，结构框CNC一体成型，并利用单点金刚石车床对反射镜和结构框的配合面进行超精密车削，光机部件直接装配即可基本满足光学系统的公差要求，避免了复杂的装调过程。研制样机，对其成像性能进行测试，成像质量优异。

1 自由曲面望远镜的设计、加工、检测和装调

1.1 光学设计

全自由曲面离轴两反望远镜的设计参数如表1所示。

全自由曲面离轴两反望远镜的设计采用多参数联合优化法。其初始结构如图1(a)所示，为Schwarzschild形式的全球面设计，并且满足图1(b)所示的光线无遮拦约束条件。其中，第一反射镜M₁为凸球面镜，第二反射镜M₂为凹球面镜。为了保证后续机械结构设计的可行性，设计中采用的无遮拦约束条件定义为：ΔL₁> 15 mm、ΔL₂> 15 mm、ΔL₃> 20 mm。

图1.望远镜的初始设计和无遮拦限制条件

将球面镜M₁和M₂替换成自由曲面进行优化，在优化目标函数中引入系统装调公差灵敏度的评价权重，即优化目标函数包含系统全视场成像质量和装调公差灵敏度两部分，以保证系统同时具有优异的成像质量和装调公差性能。自由曲面采用最高为7次的XY多项式进行表征：

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