技术动态
自由曲面离轴四反全铝光机红外探测系统
红外探测技术具有被动热辐射探测、昼夜连续工作等特点，可大幅降低光照等环境因素对目标探测的制约，在生态环境监测、夜视侦查、精确制导等领域应用广泛。近年来，随着红外探测技术的发展，特别是在航空与航天遥感领域，为提升红外遥感探测的时效性，实现红外探测系统的大规模部署，对大视场、高紧凑、轻量化、低成本红外探测系统的需求越来越迫切。本文介绍了一款应用于制冷型长波红外探测器的离轴四反系统，其采用“全自由曲面+全铝光机”新型架构，相比传统离轴反射系统，可以用更紧凑的包络实现更大的视场，同时还具有轻量化、低成本、无热化等特点，在红外探测领域具有重要应用前景。
图1 “全自由曲面+全铝光机”离轴四反红外探测系统设计形式
研究背景
为满足航空与航天红外遥感对大视场、高紧凑、轻量化、低成本红外探测系统的需求，一方面需要大幅提升光学系统的设计自由度，另一方面需要选择低成本、易成型、高可靠的光机材料。为提升光学系统的设计自由度，可引入自由曲面光学技术，其打破了传统球面以及非球面光学元件回转/平移对称的局限性，可释放更多设计自由度，有望校正特别是非回转对称、大视场、高紧凑光学系统严重的非对称像差，提升光学系统视场，压缩光学系统包络尺寸，成为光学探测与成像领域的研究热点。为降低光学系统成本，可引入全铝光机架构，即光学元件和机械结构都选用相对廉价且易获取的铝合金材料，一方面结合多轴联动数控加工、超精密单点金刚石车削、3D打印等技术可实现特别是红外波段光机元件的低成本快速制造，另一方面光机系统还具有天然光学无热化特点从而降低温控要求。综合以上两种要素，全铝自由曲面离轴反射系统在红外探测与成像领域的应用日益增多。然而，目前报道的自由曲面离轴反射系统主要是三反系统，四反系统的研究相对较少。
图2 团队前期研制的两款全铝自由曲面离轴三反红外成像系统及拍摄的红外为彩色图像
主要内容
本文设计并研制了一款应用于长波制冷红外探测器的自由曲面离轴四反全铝光机系统，设计要求如表1所示。
表1 系统设计要求
光学设计采用具有实出瞳的离轴无遮拦全反射式光路形式，并利用7次XY多项式表征各反射镜面型。自由曲面离轴四反光学系统优化设计过程中，输入条件为入瞳直径73mm、视场角6.25°×5°，通过约束各视场主光线位置匹配探测器尺寸，通过约束出瞳位置和出瞳直径匹配探测器冷光阑及F数，以全视场RMS几何弥散斑半径为评价函数，以各反射镜面型XY多项式系数以及各反射镜位姿参数为优化变量，采取渐进增加视场和多项式次数的优化策略，基于阻尼最小二乘优化算法，得到最终光学系统光路。
图3 光学系统光路结构
反射镜M1~M4的尺寸分别为Φ88mm、59mm×57mm、15mm×18mm、94mm×88mm。反射镜M1~M4减去最佳匹配球面之后的矢高残差分布具有明显的像散和彗差分量，与最佳匹配球面的最大矢高偏差分别是0.55mm、0.84mm、0.21mm、4.25mm。
图4 反射镜M1~M4(由左至右)减去最佳匹配球面后的矢高残差分布图
对光学系统全视场几何弥散斑、波像差、光学传函、畸变网格等进行了分析，其中全视场最大RMS几何弥散斑半径为5.36μm、最大RMS波像差为0.037λ@8.85μm(等效RMS 0.5λ@0.6328μm)、最小光学传函为0.48@20lp/mm、最大光学畸变为3%，证明光学系统光学性能满足设计要求。
图5 光学系统光学性能分析。(a) 全视场RMS几何弥散斑半径分布；(b) 全视场RMS波像差分布；(c) 光学传函曲线；(d) 畸变网格
以光学系统几何弥散斑尺寸作为判据，考虑当前工程实现水平，四片反射镜的偏心公差为±20μm、顶点间距公差为±0.05mm、绕局部坐标X/Y/Z轴的倾斜公差为±1’。采用探测器轴向位置作补偿，经过蒙特卡罗随机模拟，得到90%概率下RMS几何弥散斑直径为16.9μm、最大RMS几何弥散斑直径为19.8μm、平均RMS几何弥散斑直径为9.1μm，均小于像元尺寸25μm×25μm，且远小于50μm×50μm的技术要求。
光机系统采用了全铝光机设计，其中铝合金自由曲面反射镜采用三耳柔性支撑方式以减少刚性连接应力。整机(包含探测器)包络尺寸为130.0mm(X向)×225.6mm(Y向)×251.0mm(Z向)，满足技术要求。
图6 光机结构
为了验证整机光学无热化特点，对整机进行光机热集成分析。以工作温度由20℃变化到30℃为例，将有限元分析计算得到的各反射镜和焦面X、Y、Z三个方向的变形数据拟合成分段B样条曲面并代入光学设计软件中进行仿真分析，得到30℃时光学系统的全视场最大RMS几何弥散斑半径5.49μm，接近基准工作温度20℃下的全视场最大RMS几何弥散斑半径5.36μm，证明了光机系统无热化效果较好。
图7 整机光机热集成分析
自由曲面反射镜和支撑结构件加工完成后，基于计算机辅助装调方法，以系统波像差为判据，对自由曲面离轴四反系统进行装调。使用干涉仪对装调完成后的光机系统进行波像差测试，典型视场的系统波像差＜RMS 0.7λ@632.8nm，等效RMS 0.05λ@8.85μm，达到衍射极限，满足设计要求。对5km处的建筑物外景进行了拍摄，拍摄得到的红外图像像质良好。
图8 系统波前测试与外景图像拍摄
结论
本文设计并研制了一款带有实出瞳的全自由曲面全铝光机离轴四反红外探测系统，采用7次XY多项式表征自由曲面完成了光学系统优化设计，对光学系统全视场几何弥散斑、波像差、光学传函、畸变网格、装调公差等进行了分析，证明光学系统设计结果满足红外探测技术要求。光机系统采用了全铝光机设计，对光机系统进行了光机热集成分析，验证了光机系统的光学无热化效果。完成了光机系统装配，并对光机系统进行了全视场波像差测试，全视场RMS波像差＜0.7λ@632.8nm，等效RMS 0.05λ@8.85μm，满足长波红外探测技术要求。相比传统离轴反射系统，本文介绍的离轴四反系统采用了 “全自由曲面+全铝光机”新型架构，可实现大视场、紧凑化、轻量化、低成本、无热化等，在红外探测领域具有重要应用前景。
作者及团队简介
中国科学院西安光学精密机械研究所自由曲面技术团队由毛祥龙研究员带头，团队成员10余人，专业覆盖光学设计、机械设计、光学加工、光学检测等领域，依托瞬态光学与光子技术国家重点实验室，建立了自由曲面加工研究平台，具备了五轴超精密单点金刚石车床、自由曲面轮廓仪、激光干涉仪、白光干涉仪等核心加工与检测设备，掌握了自由曲面设计、加工、检测以及装调等关键技术，研制了多款“全铝光机+全自由曲面”红外与可见光相机，并实现了在轨演示验证。
毛祥龙，清华大学电子工程系博士，中国科学院西安光学精密机械研究所空间光子信息新技术研究室副主任，研究员，博士生导师，中国科学院特聘研究岗位，曾担任中国科学院青年创新促进会会员西安光机所小组组长，担任《红外与激光工程》第十七届编辑委员会青年编委，担任Photonix、Optics Express、Applied Optics等10余个SCI期刊审稿人。主要从事金属自由曲面和红外衍射光学等新体制光学成像技术研究，担任研究所自由曲面学科带头人，主持航天型号项目、国家自然科学基金、中科院基础培育基金等项目20余项，带领团队突破全铝自由曲面光学成像和红外平板衍射成像设计、加工、检测与装配等核心关键技术，研制出高性能全铝自由曲面可见光相机和较大口径红外衍射相机，于2022年7月和9月分别搭载中科院首颗“空间新技术试验卫星”和航天五院“试验十七号卫星”实现了同类成像技术体制的国内首次在轨演示验证，开启金属自由曲面和红外衍射光学技术空天创新应用新篇章，得到央视新闻、科技日报、陕西新闻、西安新闻等数十家媒体报道。
高荣，北京邮电大学硕士，中国科学院西安光学精密机械研究所空间光子信息新技术研究室工程师，自2015年开始自由曲面光学技术研究，主要从事机械设计、光机集成分析、光机装配等方面的工作，作为核心骨干参与了航天型号项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目10余项，参与研制了多款“全铝光机+全自由曲面”相机，在空间遥感探测等领域取得了重要应用，发表SCI论文多篇，申请发明专利多项。
李锦鹏，西北工业大学硕士，中国科学院西安光学精密机械研究所空间光子信息新技术研究室工程师，自2016年开始自由曲面光学技术研究，主要从事光学加工、光学检测等方面的工作，作为核心骨干参与了航天型号项目、国家自然科学基金、中科院基础培育基金等项目10余项，参与研制了多款“全铝光机+全自由曲面”相机，在空间遥感探测等领域取得了重要应用，发表SCI论文多篇，申请发明专利多项。
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研究背景
为满足航空与航天红外遥感对大视场、高紧凑、轻量化、低成本红外探测系统的需求，一方面需要大幅提升光学系统的设计自由度，另一方面需要选择低成本、易成型、高可靠的光机材料。为提升光学系统的设计自由度，可引入自由曲面光学技术，其打破了传统球面以及非球面光学元件回转/平移对称的局限性，可释放更多设计自由度，有望校正特别是非回转对称、大视场、高紧凑光学系统严重的非对称像差，提升光学系统视场，压缩光学系统包络尺寸，成为光学探测与成像领域的研究热点。为降低光学系统成本，可引入全铝光机架构，即光学元件和机械结构都选用相对廉价且易获取的铝合金材料，一方面结合多轴联动数控加工、超精密单点金刚石车削、3D打印等技术可实现特别是红外波段光机元件的低成本快速制造，另一方面光机系统还具有天然光学无热化特点从而降低温控要求。综合以上两种要素，全铝自由曲面离轴反射系统在红外探测与成像领域的应用日益增多。然而，目前报道的自由曲面离轴反射系统主要是三反系统，四反系统的研究相对较少。
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毛祥龙，清华大学电子工程系博士，中国科学院西安光学精密机械研究所空间光子信息新技术研究室副主任，研究员，博士生导师，中国科学院特聘研究岗位，曾担任中国科学院青年创新促进会会员西安光机所小组组长，担任《红外与激光工程》第十七届编辑委员会青年编委，担任Photonix、Optics Express、Applied Optics等10余个SCI期刊审稿人。主要从事金属自由曲面和红外衍射光学等新体制光学成像技术研究，担任研究所自由曲面学科带头人，主持航天型号项目、国家自然科学基金、中科院基础培育基金等项目20余项，带领团队突破全铝自由曲面光学成像和红外平板衍射成像设计、加工、检测与装配等核心关键技术，研制出高性能全铝自由曲面可见光相机和较大口径红外衍射相机，于2022年7月和9月分别搭载中科院首颗“空间新技术试验卫星”和航天五院“试验十七号卫星”实现了同类成像技术体制的国内首次在轨演示验证，开启金属自由曲面和红外衍射光学技术空天创新应用新篇章，得到央视新闻、科技日报、陕西新闻、西安新闻等数十家媒体报道。 高荣，北京邮电大学硕士，中国科学院西安光学精密机械研究所空间光子信息新技术研究室工程师，自2015年开始自由曲面光学技术研究，主要从事机械设计、光机集成分析、光机装配等方面的工作，作为核心骨干参与了航天型号项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目10余项，参与研制了多款“全铝光机+全自由曲面”相机，在空间遥感探测等领域取得了重要应用，发表SCI论文多篇，申请发明专利多项。 李锦鹏，西北工业大学硕士，中国科学院西安光学精密机械研究所空间光子信息新技术研究室工程师，自2016年开始自由曲面光学技术研究，主要从事光学加工、光学检测等方面的工作，作为核心骨干参与了航天型号项目、国家自然科学基金、中科院基础培育基金等项目10余项，参与研制了多款“全铝光机+全自由曲面”相机，在空间遥感探测等领域取得了重要应用，发表SCI论文多篇，申请发明专利多项。
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