专题亮点 | 从非球面到自由曲面：空间光学系统先进制造技术
《光学学报》于2023年43卷第08期推出“现代光学设计与制造”专题，其中，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所张学军研究员特邀综述“空间光学系统先进制造技术进展——从非球面到自由曲面”被选为本期亮点文章。
《光学学报》2023年第08期亮点文章 | 张学军; 空间光学系统先进制造技术进展——从非球面到自由曲面[J].光学学报, 2023, 43 (08):0822009.
导读
本文总结了我国近十几年来在光学反射镜材料，非球面光学系统设计、加工与检测，空间相机集成与测试等方面取得的最新进展，结合典型在轨应用实例，展现技术进步带来的优势，同时也展望了光学系统先进制造技术的发展趋势。
1.前言
近十几年来，我国空间光学系统的性能取得了长足进步。中国空间站望远镜(CSST)，分辨率与哈勃空间望远镜相当，但视场面积是哈勃空间望远镜的近300倍；火星高分辨率相机的分辨率和幅宽也达到了国际同行的同等水平。这些成果，得益于光学材料、系统设计、元件加工与检测，系统集成测试等方面技术人员的共同努力。
中国空间站望远镜（图片来源于网络）
本文系统总结了我国近十几年来在反射镜材料、空间光学系统设计及构型演变、确定性数控光学加工技术、复杂光学曲面数字化检测和计算机辅助装调等方面取得的最新进展，结合典型在轨应用实例展现技术进步带来的优势，同时展望了光学系统先进制造技术的发展趋势。
2.反射镜材料方面
常用的高精度非球面空间反射镜材料主要有超低膨胀石英玻璃（ULE）、微晶玻璃和SiC等。中国科学院光电技术研究所主要从事ULE反射镜镜坯制造技术研究，通过材料焊接／熔接的方式制备大口径反射镜镜坯，已成功研制出4 m口径的地基望远镜主镜。中国科学院上海硅酸盐研究所自2003年开始从事SiC光学镜坯研制工作，在中国科学院的支持下研制出1. 5 m量级SiC反射镜制造装备，目前该所利用常压烧结工艺研制的1.45 m单体S-SiC反射镜镜坯及多块中小尺寸反射镜已在多个航天项目中得到了应用。
空间光学系统对载荷的体积、质量、环境适应性有严格的要求，反射镜材料要具有高的比刚度和抗热变形能力，此外还应具有优良的可加工性、稳定性和安全性。与传统的金属和玻璃材料相比，SiC陶瓷具有比刚度大、热稳定性好等优良特性。中国科学院长春光机所提出了水溶性室温消失模技术、SiC陶瓷素坯液体干燥技术，发明了SiC素坯黏结剂及连接工艺，解决了背部半封闭超轻量化素坯成型、无宏观裂纹干燥、同质微观结构连结等方面存在的技术难题，完成了1～4 m量级系列碳化硅反射镜坯制备，如图1所示。
图1长春光机所大口径SiC反射镜研制历程
3.空间光学系统设计及构型演变
20世纪后期，大口径空间望远镜常用两镜系统，如哈勃空间望远镜，为Ritchey-Chretien（RC）系统，如图2所示，RC系统的最大优点是结构紧凑，但为进一步校正像散、像面弯曲和畸变等轴外像差，还要增加透射校正镜组，这就引入了额外的色差和杂散光。20世纪以来，Korsh提出的三反消像散结构得到了广泛的应用，如图3所示，该系统以增加一个非球面为代价同时消除了球差、彗差和像散。但两者都属于同轴系统，均存在由次镜及其支撑结构造成中心遮拦和Spider遮拦，星点像呈现明显的衍射花样，难以同时实现长焦距与大视场等缺点。
图2 RC系统结构示意图
图3三反消像散系统结构示意图
为解决长焦距与大视场的矛盾，国内外相继出现了一批基于离轴三反消像散结构的设计，图4显示了我国空间站巡天望远镜的光学结构，它是中国最大的天基光学有效载荷，与中国空间站在同一轨道上进行天文观测。它采用离轴三反消像散结构，第三镜使用自由曲面，使其面视场扩大至1.1°×1.1°，具有高角分辨率、大天区覆盖面积等优势，其面视场是哈勃空间望远镜的近300倍。
图4 我国空间站巡天望远镜的光学结构
4.确定性数控光学加工技术
确定性数控光学加工技术主要包括数控研磨抛光（CCOS）技术、应力盘抛光（SLP）技术、气囊抛光（BP）技术、磁流变抛光（MRF）技术、离子束修形（IBF）技术等。
中国科学院光电技术研究所率先开展了大型反射镜应力盘技术的研究工作，制造的最大口径非球面反射镜达到4 m量级。国防科技大学主要从事非球面光学加工机理、加工设备等方面的技术研究，在李圣怡教授的带领下于2000年左右开展了磁流变抛光技术的研究，先后推出不同型号的KDMRF型磁流变抛光机床。长春光机所经过近30年的发展，在FSGJ-1的基础上，先后成功研制出FSGJ-2~4系列光学加工中心，FSGJ-4加工中心能够实现对4 m以内口径的同轴、离轴非球面甚至自由曲面等复杂光学曲面的加工。建立了具有自主知识产权的4 m量级大口径非球面全链路集成制造系统，如图5所示。
图5 长春光机所的4 m量级大口径复杂曲面全链路集成制造系。(a) 镜坯制备系统；(b) 非球面加工系统；(c) 非球面检测系统；(d) 非球面镀膜系统
5.非球面数字化检测和计算机辅助装调
非球面的检测方法分为零位检测和非零位检测两种。零位检测方法利用补偿器将干涉仪发出的球面波转化为对应待测面的非球面波。常见的零位补偿器包括传统的折（反）射式补偿器、基于计算全息（CGH）的衍射式补偿器。此外，对于标准二次曲面还可以采用无像差点进行零位检测。非零位检测方法通常采用一些手段将干涉图的条纹密度降低至干涉仪能够探测的动态范围内，并通过算法进行处理，以消除不完全补偿法线像差引入的系统误差。
针对某离轴非球面凹镜，长春光机所采用计算全息法和折射式补偿器两种零位补偿检测手段进行复核，图6所示为折射式补偿器和计算全息法的检测结果，可以看出，二者具有较好的一致性。
图6 离轴非球面凹镜检测结果。(a) 折射式补偿器检测结果；(b) 计算全息法检测结果
此外，离轴三反消像散系统和自由曲面系统的自由度高，装调难度大。长春光机所提出了基于计算全息法的共基准装调技术，实现了离轴三反系统主、三镜的共基准装调，其方案如图7所示。
图7采用计算全息法实现离轴三反系统主、三镜的共基准装调方案
6.展望
未来，面向自由曲面光学元件，光学智能制造通过工艺、算法、机器人设备等光学制造要素与大数据、云计算、机器学习等方法有机结合，形成“信息感知、智能决策、控制输出、协同制造”智能制造体系，为我国光学制造业革命性变化提供新理论和新途径，引领光学制造行业向标准化无人车间发展，打造自由曲面光学元件自动化、数字化、智能化绿色柔性制造新形态，实现我国“光学制造”向“光学质造”和“光学智造”的跨越式发展。
7.团队简介
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所大口径碳化硅反射镜高精度制造团队已建成具有自主知识产权的世界最大口径碳化硅制造平台，核心关键技术、原材料、软件和设备完全自主可控，达到国际领先水平。团队以满足国家重大需求为导向，瞄准国际前沿，致力于国际领先的光学制造基地建设，产品应用于火星探测、载人航天、中国空间站、高分系列、快舟系列、天绘系列、地基天文观测等20余个国家重点型号任务，为国家航空航天事业和天文观测的发展提供重要支撑。团队先后荣获了国家科技进步二等奖3项、国家技术发明二等奖2项、吉林省科学技术一等奖3项、中科院杰出科技成就奖2项、军队科技进步一等奖2项等国家、省部级奖项20余项；并荣获全国“青年文明号”、中科院青年五四奖章集体、中科院“四强”标兵党支部、吉林省“黄大年式科研团队”、吉林省省直机关先进基层党组织等集体荣誉称号10余项。
科学校对 | 王孝坤；张学军
编辑 | 李瑞娟
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