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长春光机所离轴三反光学系统

新型空间光学系统的先行者

——记长春光机所离轴三反光学系统先进制造技术研究集体

■本报记者 沈春蕾 通讯员 李蓉

     “上世纪90年代末欧美制造商已将离轴三反光学系统制造技术列为核心关键技术,并研制出在轨性能优良的各类光学遥感卫星。”张学军在接受《中国科学报》记者采访时说,“要形成自己的核心竞争力,不受制于人,我们必须独立自主开发面向离轴三反光学系统的集成制造技术。”

        经过十余年艰苦攻关,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称长春光机所)重大创新研究团队在光学系统先进制造技术总体负责人、团队首席科学家张学军研究员的领导下,取得了以“离轴三反光学系统先进制造技术”为代表的一系列研究成果,不仅国内领先、国际先进,还填补了多项国内空白。

长焦距与大视场兼得

        21世纪全球范围内的高技术竞争主要体现为信息技术的竞争,其中空间遥感技术水平正是衡量一个国家高科技发展水平及潜力的重要标志,它直接关系到甚至决定着与国家安全、经济建设息息相关的各个领域。

       自上世纪90年代以来,随着空间光学遥感需求的快速增长,各国均对空间光学遥感器提出了更高的指标要求。张学军研究员告诉《中国科学报》记者:“高分辨率和大幅宽一直是空间对地遥感追求的目标。”

       以往空间光学遥感器一般采用同轴光学系统,在系统设计时,要么追求较高的地面分辨率,要么追求较大的地面覆盖宽度,二者不可兼得。张学军说:“如何解决高分辨率与大视场的矛盾,一直是困扰高分辨率空间光学遥感器的瓶颈。”

       “与同轴系统相比,离轴三反光学系统可同时实现长焦距与大视场, 没有中心遮拦,调制传递函数高,被认为是新一代空间光学系统的发展方向。”翁志成研究员从事复杂光学系统设计研究数十年,他表示,“早些年,欧美制造商一直将离轴三反光学系统制造列为核心关键技术,我们不能受制于人,必须独立自主开发面向离轴三反光学系统的集成制造技术。”

        然而,由于离轴三反光学系统结构复杂性和非对称性,带来很大的制造难度,迫切需要开发多项先进的加工、检测、装调技术予以支持。

        这些年来,张学军带领团队在离轴三反光学系统加工装备、工艺技术、光学检测及系统装调等领域取得技术突破,解决了长期困扰空间光学遥感器高分辨率与大视场的矛盾,大幅度提升了系统的性能,使我国成为了继美、法之后第三个独立掌握离轴三反光学系统制造技术的国家。

取得四项重大突破

        2009年,中国科学院组织的离轴三反光学系统先进制造技术院级鉴定会认为:“该项目成果完整、系统,理论成果丰富,技术创新显著,具有完全自主知识产权,并经过工程实践检验。”

        离轴三反光学系统先进制造技术为我国空间光学遥感器的跨越式发展打下了坚实的基础。目前,项目成果已经直接应用于多个国家重大型号任务,并将应用于各类新型空间光学遥感项目中。

        据张学军介绍,团队取得了大口径离轴非球面自动加工设备、大口径高精度离轴非球面加工工艺技术、离轴高精度非球面检测技术、离轴三反高精度系统装调技术为代表的四项重大突破。

       第一项突破是在国内率先研制成功具有完全自主知识产权的离轴非球面数控加工中心。该设备采用集成化设计方案,将研磨、抛光和在线轮廓测量单元合为一体,可实现离轴非球面自动加工,综合技术指标处于国际先进水平。

       第二项突破是实现了大口径高精度离轴非球面光学表面的确定性加工和面形误差的高效率收敛。团队提出高效的反卷积模型及加工轨迹自适应优化算法,系统地建立了大口径碳化硅离轴非球面数控加工方法、模型和软件,获得国际同行的充分认可。

       第三项突破是在相继突破离轴非球面光学补偿干涉检验技术、加工误差与调整误差分离的软硬件平台基础上,团队首次提出并建立了计算全息检测离轴非球面的理论模型及其设计与制作方法,综合指标处于国际领先水平。此外,团队还建立了非球面子孔径拼接的理论模型和测试装置,应用三种独立测量手段对离轴非球面进行互检,有效地保证了测量精度,提高了可靠性。

       第四项突破是团队在国际上首次提出了两代离轴三反光学系统共基准装调技术,实现离轴三反光学系统反射镜的共基准定位,装调效率和精度大幅度提高。其中,基于计算全息技术的第二代共基准装调技术,大幅度拓展了计算全息(CGH)的应用领域,属国际领先水平。

       张学军指出:“下一步,我们将瞄准国家重大战略需求牵引,突破大口径复杂光学曲面高精度组合加工和检测技术、复杂光学系统共基准装调技术。”

三代科研人员的使命

         离轴三反光学系统先进制造技术研发团队成立于2002年,发展至今已建成一支年龄、知识结构合理,经验丰富,擅于攻关的近百人的专业队伍,全面覆盖了光学系统先进制造技术的各个关键技术环节,目前从队伍年龄结构看可分为三个梯队。

        年过古稀的翁志成至今仍记得在早年的专题研讨会上,有很多专家提出:“对于离轴三反光学系统咱们可能设计不出来、即使能够设计出来也加工不出来、即使能够加工出来也完成不了系统的装调与集成……”总之,难度很大,存在一系列关键技术亟待突破。

        当年,翁志成带领团队从复杂光学系统设计入手,经过多年攻关获得了离轴光学系统设计的完备解,这标志着离轴三反光学系统设计技术在我国获得突破。

       研究员薛栋林今年36岁,2001年进入长春光机所攻读博士学位,导师是张学军,他如今已经成长为光学系统先进制造技术的研究骨干。

       薛栋林回忆道:“团队成立之初,资源和条件有限。大口径离轴非球面自动加工设备亟待研发、大口径高精度离轴非球面加工工艺技术以及离轴高精度非球面检测技术亟待验证与突破……”

      2002年,长春光机所光学技术研究中心组建,张学军研究员被推荐为实验室主任、学术带头人,带领科研团队先后突破了大口径离轴非球面加工、检测、离轴三反光学系统制造等一系列关键技术。历时五年,光学技术研究中心也成功晋升为中科院重点实验室。

       近年来,长春光机所在光学系统制造领域取得了长足的进展,已具备了1.5m量级光学系统制造能力,大型复杂光学系统研发能力达到国际先进水平,为研制高性能新型空间遥感光学系统工程奠定了坚实的基础,推动了我国新型光学遥感技术的跨越式发展。

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