自由曲面被廣泛認為是一種革命性光學成像技術，是目前國際光學設計領域的研究熱點，NASA將其列為“Cutting Edge Technology”，ESA將其列為“Game Changer Technology”，其顛覆了傳統(tǒng)光學曲面回轉/平移對稱的局限性，為光學設計人員提供了更多設計自由度，具備大幅提升特別是非對稱光學系統(tǒng)視場、像質、體積等的潛力，成為未來光學設計的重要發(fā)展方向之一。然而，自由曲面的非對稱和多自由度特點也給光學設計、加工、檢測等環(huán)節(jié)帶來了巨大挑戰(zhàn)。  

考慮到自由曲面技術各環(huán)節(jié)之間的相互關聯(lián)性，西安光機所空間光子信息新技術研究室自由曲面技術研究團隊就自由曲面理論、設計、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)化設計、高精度零位補償干涉檢測以及超精密迭代補償加工等關鍵技術，研制出新型“低成本、可快速響應、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，相關工作以“Optical design and fabrication of an all-aluminum unobscured two-mirror freeform imaging telescope”為題發(fā)表在Applied Optics期刊上，并獲多位匿名審稿人高度評價，分別認為本工作是“a good showcase of design and production of an optical system”、“a valuable paper for the research and fabrication community”等，該論文也成為Applied Optics和Optics Letters期刊2020年光學設計與加工領域十四篇下載量最多論文之一。另外，該團隊還研制了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)異的成像質量。

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 

隨著自由曲面技術的快速發(fā)展，未來該技術有望為光電空天領域等新型顛覆性光學系統(tǒng)的研制提供重要支撐。 

以上研究工作得到了西安光機所基礎科研部自主部署項目、西安光機所135培育項目、中科院青年創(chuàng)新促進會和中科院西部青年學者項目等的支持。

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