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  • 清華大學提出光學元件的局域面形公差和品質評價新方法

    作者:佚名 來源:清華大學 時間:2022-09-19 18:09 閱讀:187 [投稿]
    清華大學精密儀器系副教授朱鈞團隊經過七年的努力,證實了光學元件不同區域有不同的公差要求,并提出了光學曲面的局域面形公差模型。

    高性能光學成像系統的研制涵蓋了光學設計、制造、檢測和裝調等步驟。光學系統的設計是實現光學系統整個過程鏈的開始。公差分析是設計和制造之間的關鍵橋梁,合理而精確的分配所有光學曲面的制造誤差,有助于高精度光學元件制造的實現。光學元件的品質評價將對制造結果做出精確的評價,有助于進一步提升光學元件制造的品質。


    圖1. 局域面形公差與評價

    半個多世紀以來一直被認為最有效的公差分析方法是一種基于蒙特卡洛(Monte Carlo)的概率統計的分析方法。這種公差是對整個曲面面形的統一描述,它規定了曲面面形誤差RMS值或PV值的最大值。同時,光學元件的品質也是用曲面面形誤差RMS值或PV值來表征。但是,光學系統的實際情況是極為復雜的,現有的基于蒙特卡洛的公差分析方法給出的公差,并不能給出曲面不同區域的不同公差要求。曲面面形誤差RMS值或PV值也不能準確評價光學元件的品質。

    清華大學精密儀器系副教授朱鈞團隊經過七年的努力,證實了光學元件不同區域有不同的公差要求,并提出了光學曲面的局域面形公差模型。該局域公差模型能夠精準得到曲面上不同區域的不同公差要求,從而曲面的不同區域可以按照不同的精度要求進行制造。局域公差模型顛覆了近50多年的基于蒙特卡洛的統計概率的全局公差分析理論。研究團隊計算了一個離軸三反光學系統的三鏡(圖1)和一個卡塞格林式系統的兩個反射鏡的局域面形(圖2)公差,并對公差進行了模擬驗證。公差的計算結果顯示出很明顯的局域性。


    圖2. 離軸三反系統中,三鏡的局域面形公差分布(a)(b)(c)分別是三鏡的面形上偏差分布


    圖3. RC系統中,同時分析主鏡和次鏡的局域面形公差分布(a)(b)(c)分別是主鏡的面形上偏差分布,(d)(e)(f)分別是次鏡的面形上偏差分布

    研究團隊同時提出一種與成像性能直接相關的光學元件品質的精確評價函數RWE,替代傳統的RMS或PV值來評價光學元件的品質,并對一系列的具有不同面形誤差的元件進行了品質評價(圖3)。結果表明,具有相同PV或者RMS值的元件品質是不同的,幾何精度較低的元件可能比幾何精度較高的元件產生更好的成像質量。RMS相同的光學元件也可以通過RWE區分它們成像質量的高低。對制造檢測方而言,無需設計文件就可以獨立地對制造后的元件品質進行評估。RWE有助于快速挑選出符合成像要求的元件,并給出不同元件之間的最佳匹配組合。


    圖4. 具有相同的PV或者RMS值的元件品質不同

    該研究提出的局域公差框架將為光學系統的制造,特別是為光刻系統和太空望遠鏡等高精度、大口徑的光學系統制造提供新的技術支撐,并將對光學設計和制造領域的理論、技術和標準產生變革性的影響。

    9月8日,上述成果以“光學曲面的局域面形公差和品質評價”(Local tolerance and quality evaluation for optical surfaces)為題發表在《光學》(OPTICA)期刊上。

    朱鈞為本文的通訊作者。精儀系2017級博士生鄧玉婷和2020級博士生譚益林為本文的共同第一作者,2014級已畢業碩士吳曉飛是本文的共同作者。該研究得到國家自然科學基金項目的資助。

    論文鏈接:https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-9-1039&id=499461

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    文章點評

    rags_to_rings:理論很好理解,例如成像透鏡,不論軸上視場還是邊緣視場,鏡片表面中心區域和邊緣區域對成像像差的影響或者貢獻肯定是不一樣的,中心和邊緣的公差范圍自然也就不一樣。(09-21)

    lilisrlhj:那在加工過程中如何控制不同區域的局部誤差呢?(09-21)

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