中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
紅外探測技術(shù)具有被動(dòng)熱輻射探測、晝夜連續工作等特點(diǎn)，可大幅降低光照等環(huán)境因素對目標探測的制約，在生態(tài)環(huán)境監測、夜視偵查、精確制導等領(lǐng)域應用廣泛。近年來(lái)，隨著(zhù)紅外探測技術(shù)的發(fā)展，特別是在航空與航天遙感領(lǐng)域，為提升紅外遙感探測的時(shí)效性，實(shí)現紅外探測系統的大規模部署，對大視場(chǎng)、高緊湊、輕量化、低成本紅外探測系統的需求越來(lái)越迫切。本文介紹了一款應用于制冷型長(cháng)波紅外探測器的離軸四反系統，其采用“全自由曲面+全鋁光機”新型架構，相比傳統離軸反射系統，可以用更緊湊的包絡(luò )實(shí)現更大的視場(chǎng)，同時(shí)還具有輕量化、低成本、無(wú)熱化等特點(diǎn)，在紅外探測領(lǐng)域具有重要應用前景。
研究背景
為滿(mǎn)足航空與航天紅外遙感對大視場(chǎng)、高緊湊、輕量化、低成本紅外探測系統的需求，一方面需要大幅提升光學(xué)系統的設計自由度，另一方面需要選擇低成本、易成型、高可靠的光機材料。為提升光學(xué)系統的設計自由度，可引入自由曲面光學(xué)技術(shù)，其打破了傳統球面以及非球面光學(xué)元件回轉/平移對稱(chēng)的局限性，可釋放更多設計自由度，有望校正特別是非回轉對稱(chēng)、大視場(chǎng)、高緊湊光學(xué)系統嚴重的非對稱(chēng)像差，提升光學(xué)系統視場(chǎng)，壓縮光學(xué)系統包絡(luò )尺寸，成為光學(xué)探測與成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為降低光學(xué)系統成本，可引入全鋁光機架構，即光學(xué)元件和機械結構都選用相對廉價(jià)且易獲取的鋁合金材料，一方面結合多軸聯(lián)動(dòng)數控加工、超精密單點(diǎn)金剛石車(chē)削、3D打印等技術(shù)可實(shí)現特別是紅外波段光機元件的低成本快速制造，另一方面光機系統還具有天然光學(xué)無(wú)熱化特點(diǎn)從而降低溫控要求。綜合以上兩種要素，全鋁自由曲面離軸反射系統在紅外探測與成像領(lǐng)域的應用日益增多。然而，目前報道的自由曲面離軸反射系統主要是三反系統，四反系統的研究相對較少。
主要內容
本文設計并研制了一款應用于長(cháng)波制冷紅外探測器的自由曲面離軸四反全鋁光機系統，設計要求如表1所示。
表1 系統設計要求
光學(xué)設計采用具有實(shí)出瞳的離軸無(wú)遮攔全反射式光路形式，并利用7次XY多項式表征各反射鏡面型。自由曲面離軸四反光學(xué)系統優(yōu)化設計過(guò)程中，輸入條件為入瞳直徑73mm、視場(chǎng)角6.25°×5°，通過(guò)約束各視場(chǎng)主光線(xiàn)位置匹配探測器尺寸，通過(guò)約束出瞳位置和出瞳直徑匹配探測器冷光闌及F數，以全視場(chǎng)RMS幾何彌散斑半徑為評價(jià)函數，以各反射鏡面型XY多項式系數以及各反射鏡位姿參數為優(yōu)化變量，采取漸進(jìn)增加視場(chǎng)和多項式次數的優(yōu)化策略，基于阻尼最小二乘優(yōu)化算法，得到最終光學(xué)系統光路。
反射鏡M1~M4的尺寸分別為Φ88mm、59mm×57mm、15mm×18mm、94mm×88mm。反射鏡M1~M4減去最佳匹配球面之后的矢高殘差分布具有明顯的像散和彗差分量，與最佳匹配球面的最大矢高偏差分別是0.55mm、0.84mm、0.21mm、4.25mm。
對光學(xué)系統全視場(chǎng)幾何彌散斑、波像差、光學(xué)傳函、畸變網(wǎng)格等進(jìn)行了分析，其中全視場(chǎng)最大RMS幾何彌散斑半徑為5.36μm、最大RMS波像差為0.037λ@8.85μm(等效RMS 0.5λ@0.6328μm)、最小光學(xué)傳函為0.48@20lp/mm、最大光學(xué)畸變?yōu)?%，證明光學(xué)系統光學(xué)性能滿(mǎn)足設計要求。
以光學(xué)系統幾何彌散斑尺寸作為判據，考慮當前工程實(shí)現水平，四片反射鏡的偏心公差為±20μm、頂點(diǎn)間距公差為±0.05mm、繞局部坐標X/Y/Z軸的傾斜公差為±1’。采用探測器軸向位置作補償，經(jīng)過(guò)蒙特卡羅隨機模擬，得到90%概率下RMS幾何彌散斑直徑為16.9μm、最大RMS幾何彌散斑直徑為19.8μm、平均RMS幾何彌散斑直徑為9.1μm，均小于像元尺寸25μm×25μm，且遠小于50μm×50μm的技術(shù)要求。
光機系統采用了全鋁光機設計，其中鋁合金自由曲面反射鏡采用三耳柔性支撐方式以減少剛性連接應力。整機(包含探測器)包絡(luò )尺寸為130.0mm(X向)×225.6mm(Y向)×251.0mm(Z向)，滿(mǎn)足技術(shù)要求。
為了驗證整機光學(xué)無(wú)熱化特點(diǎn)，對整機進(jìn)行光機熱集成分析。以工作溫度由20℃變化到30℃為例，將有限元分析計算得到的各反射鏡和焦面X、Y、Z三個(gè)方向的變形數據擬合成分段B樣條曲面并代入光學(xué)設計軟件中進(jìn)行仿真分析，得到30℃時(shí)光學(xué)系統的全視場(chǎng)最大RMS幾何彌散斑半徑5.49μm，接近基準工作溫度20℃下的全視場(chǎng)最大RMS幾何彌散斑半徑5.36μm，證明了光機系統無(wú)熱化效果較好。
自由曲面反射鏡和支撐結構件加工完成后，基于計算機輔助裝調方法，以系統波像差為判據，對自由曲面離軸四反系統進(jìn)行裝調。使用干涉儀對裝調完成后的光機系統進(jìn)行波像差測試，典型視場(chǎng)的系統波像差＜RMS 0.7λ@632.8nm，等效RMS 0.05λ@8.85μm，達到衍射極限，滿(mǎn)足設計要求。對5km處的建筑物外景進(jìn)行了拍攝，拍攝得到的紅外圖像像質(zhì)良好。
結論
本文設計并研制了一款帶有實(shí)出瞳的全自由曲面全鋁光機離軸四反紅外探測系統，采用7次XY多項式表征自由曲面完成了光學(xué)系統優(yōu)化設計，對光學(xué)系統全視場(chǎng)幾何彌散斑、波像差、光學(xué)傳函、畸變網(wǎng)格、裝調公差等進(jìn)行了分析，證明光學(xué)系統設計結果滿(mǎn)足紅外探測技術(shù)要求。光機系統采用了全鋁光機設計，對光機系統進(jìn)行了光機熱集成分析，驗證了光機系統的光學(xué)無(wú)熱化效果。完成了光機系統裝配，并對光機系統進(jìn)行了全視場(chǎng)波像差測試，全視場(chǎng)RMS波像差＜0.7λ@632.8nm，等效RMS 0.05λ@8.85μm，滿(mǎn)足長(cháng)波紅外探測技術(shù)要求。相比傳統離軸反射系統，本文介紹的離軸四反系統采用了 “全自由曲面+全鋁光機”新型架構，可實(shí)現大視場(chǎng)、緊湊化、輕量化、低成本、無(wú)熱化等，在紅外探測領(lǐng)域具有重要應用前景。
作者及團隊簡(jiǎn)介
中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所自由曲面技術(shù)團隊由毛祥龍研究員帶頭，團隊成員10余人，專(zhuān)業(yè)覆蓋光學(xué)設計、機械設計、光學(xué)加工、光學(xué)檢測等領(lǐng)域，依托瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，建立了自由曲面加工研究平臺，具備了五軸超精密單點(diǎn)金剛石車(chē)床、自由曲面輪廓儀、激光干涉儀、白光干涉儀等核心加工與檢測設備，掌握了自由曲面設計、加工、檢測以及裝調等關(guān)鍵技術(shù)，研制了多款“全鋁光機+全自由曲面”紅外與可見(jiàn)光相機，并實(shí)現了在軌演示驗證。
毛祥龍，清華大學(xué)電子工程系博士，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所空間光子信息新技術(shù)研究室副主任，研究員，博士生導師，中國科學(xué)院特聘研究崗位，曾擔任中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )會(huì )員西安光機所小組組長(cháng)，擔任《紅外與激光工程》第十七屆編輯委員會(huì )青年編委，擔任Photonix、Optics Express、Applied Optics等10余個(gè)SCI期刊審稿人。主要從事金屬自由曲面和紅外衍射光學(xué)等新體制光學(xué)成像技術(shù)研究，擔任研究所自由曲面學(xué)科帶頭人，主持航天型號項目、國家自然科學(xué)基金、中科院基礎培育基金等項目20余項，帶領(lǐng)團隊突破全鋁自由曲面光學(xué)成像和紅外平板衍射成像設計、加工、檢測與裝配等核心關(guān)鍵技術(shù)，研制出高性能全鋁自由曲面可見(jiàn)光相機和較大口徑紅外衍射相機，于2022年7月和9月分別搭載中科院首顆“空間新技術(shù)試驗衛星”和航天五院“試驗十七號衛星”實(shí)現了同類(lèi)成像技術(shù)體制的國內首次在軌演示驗證，開(kāi)啟金屬自由曲面和紅外衍射光學(xué)技術(shù)空天創(chuàng )新應用新篇章，得到央視新聞、科技日報、陜西新聞、西安新聞等數十家媒體報道。 高榮，北京郵電大學(xué)碩士，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所空間光子信息新技術(shù)研究室工程師，自2015年開(kāi)始自由曲面光學(xué)技術(shù)研究，主要從事機械設計、光機集成分析、光機裝配等方面的工作，作為核心骨干參與了航天型號項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目10余項，參與研制了多款“全鋁光機+全自由曲面”相機，在空間遙感探測等領(lǐng)域取得了重要應用，發(fā)表SCI論文多篇，申請發(fā)明專(zhuān)利多項。 李錦鵬，西北工業(yè)大學(xué)碩士，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所空間光子信息新技術(shù)研究室工程師，自2016年開(kāi)始自由曲面光學(xué)技術(shù)研究，主要從事光學(xué)加工、光學(xué)檢測等方面的工作，作為核心骨干參與了航天型號項目、國家自然科學(xué)基金、中科院基礎培育基金等項目10余項，參與研制了多款“全鋁光機+全自由曲面”相機，在空間遙感探測等領(lǐng)域取得了重要應用，發(fā)表SCI論文多篇，申請發(fā)明專(zhuān)利多項。
