大口径离轴高次非球面加工和检测基础研究

大口径离轴非球面是高分辨率空间对地观测、深空探测和天文观测系统的核心元件，其制造技术水平对一个国家的国防安全、国民经济建设、基础科研能力和防灾减灾具有重要意义，也是衡量一个国家高性能光学系统的研制水平的重要标志。. 长春光学精密机械与物理研究所自90年代起便开展了大口径离轴非球面研制技术研究，研制成功FSGJ系列非球面制造设备、为开展大口径离轴非球面研制奠定了坚实的基础。. 本项目将深入研究离轴高次非球面加工和检测基础研究，提高我国光学系统研制技术水平，为我国重大战略需求提供强有力的技术支撑，打破国外技术的垄断地位，填补多项国内空白。 通过大离轴量非球面曲面基准轴高精度光学检测、大口径高次离轴非球面快速制造技术、高精度几何参量测量方法、超高精度离轴非球面加工检测等课题研究解决大口径离轴非球面高效率加工高精度加工、高精度面形检测、离轴高次非球面几何参量检测与标定等国际性难题。

离轴高次非球面广泛用于天文观测仪器、空间对地观测系统中，大幅度提高了光学系统的性能指标，同时制造难度也大大增加。本项目重点研究的科学难点问题有：1.大尺度精度比条件下，离轴高次非球面非原位几何量测量及误差传递问题；2.超高精度离轴高次非球面多手段综合测量及精度校验的基本原理、实现方法；3. 离轴高次非球面的面形误差生成机理及宽空间频段表面误差形貌重构的表征方法；4.纳米量级面形误差全频段一致收敛机理及快速组合制造技术。.通过研究，项目取得的成果简述如下：. 1. 在离轴高次非球面几何参量测量方面，提出了空间几何基准重构模型，采用激光跟踪仪对离轴高次非球面几何参量进行测量，相对误差小于0.2‰；解决了离轴高次非球面制造过程基准控制问题。相关研究成果获得2013年度国家技术发明二等奖（张学军排名第3）。 . 2.完成了超高精度折/衍射补偿检测方法研究，解决了大口径离轴高次非球面的纳米级面形测量，检测精度达到RMS λ/100（λ= 632.8nm）。相关成果及应用获得2014年吉林省科技进步一等奖（张学军排名第1，郑立功排名第5）。. 3. 建立了离轴高次非球面面形的空间频段误差表征模型，通过研究光学加工各工艺过程中的材料去除机理，揭示了各频段误差的形成规律，建立了全频段误差加工预测与评价方法。. 4.对多模式组合加工中的去除函数频率特征及组合策略进行了优化，实现了大口径离轴高次非球面的纳米精度表面误差的全频段一致收敛，形成了高效稳定的优化组合加工工艺。完成了1.2m口径离轴高次非球面的制造，最终全口径面形精度达到RMS λ/60，有效通光孔径达到RMS λ/100（λ= 632.8nm）。 .本项目实施过程中，项目组在在光学学报等国内光学领域重点期刊上发表论文47篇，在OPTICS EXPRESS,APPLIED OPTICS等国际SCI期刊发表论文4篇，在SPIE、OSA等国际主流会议上发表论文12篇，其中国际学术会议大会报告1篇、特邀报告4篇。培养博士12名，硕士3名。申请国家发明专利32项，已获授权9项。项目组通过积极参与相关领域主流国际会议、邀请国外专家访问等方式，与国外同行进行了深入的学术交流与合作。与美国加州理工学院、亚利桑那大学、白俄罗斯国家科学院就大口径离轴非球面制造技术建立了长期合作交流机制。