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清华大学:光学元件局部面形误差与质量评价新方法

高性能光学成像系统的开发涵盖了光学设计、制造、检测、组装和调整等步骤。光学系统的设计是实现光学系统整个过程链的开始。公差分析是设计和制造之间的关键桥梁。各光学面制造误差的合理准确分布,有利于实现高精度光学元件制造。光学元件的质量评价将对制造结果做出准确的评价,有助于进一步提高光学元件的制造质量。

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图 1 局部曲面形态误差及评估

考虑了半个多世纪的最有效的公差分析方法是基于蒙特卡罗概率统计。这个公差是对整个表面形状的统一描述。它指定表面形状误差的最大 RMS 值或 PV 值。同时,光学元件的质量也以表面误差的RMS值或PV值来表征。然而,光学系统的实际情况极其复杂。现有的基于蒙特卡罗的公差分析方法无法对表面的不同区域给出不同的公差要求。表面形状误差的RMS值或PV值不能准确评价光学元件的质量。

经过七年的努力,清华大学精密仪器系副教授朱军证实,不同领域的光学元件有不同的公差要求,并提出了光学表面的局部表面公差模型。局部公差模型可以准确地获得表面不同区域的不同公差要求,从而可以根据不同的精度要求制造表面的不同区域。局部容差模型颠覆了50多年来基于蒙特卡罗统计概率的全局容差分析理论。研究团队计算了一个离轴三反光学系统的三个反光镜(图1)和一个卡塞格林式系统的两个反光镜(图2)的局部表面公差,并模拟验证了公差。公差计算结果显示出明显的局部化。

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图 2 在离轴三镜系统中,三镜(a)、(b)和(c)的局部表面公差分布分别为三镜表面的偏差分布

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图 3 在 RC 系统中,同时分析主镜和副镜的局部轮廓公差分布 (a)、(b)、(c)是主镜的轮廓偏差分布,(d)、(e ) 和 (f) 分别是次镜的轮廓偏差分布

同时,课题组提出了一种与成像性能直接相关的光学元件质量的准确评价函数RWE,替代了传统的RMS或PV值来评价光学元件的质量,对光学元件的质量进行评价。一系列具有不同表面误差的元素(图 3)。结果表明,相同PV或RMS值的组件质量不同,几何精度较低的组件可能比几何精度较高的组件产生更好的成像质量。

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RMS相同的光学元件也可以通过RWE来区分它们的成像质量。对于制造检验方来说,制造后的零部件质量可以在没有设计文件的情况下独立评估。RWE有助于快速选择满足成像要求的组件,并给出不同组件之间的最佳匹配组合。图 4 相同 PV 或 RMS 值的元件质量不同

本研究提出的局部容差框架将为光学系统,特别是光刻系统、空间望远镜等高精度、大口径光学系统的制造提供新的技术支撑,将对理论、技术和标准产生革命性的影响在光学设计和制造领域。9月8日,上述成果以“Local surface error and quality evaluation foropticalsurfaces”为题发表在OPTICA期刊上。


发布时间:2022 年 11 月 1 日