中科院上海光機所在數(shù)字化子孔徑拋光混沌誤差感知及自適應(yīng)加工方面取得進展

作者： 中科院上海光機所發(fā)布時間：2023-03-03

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所精密光學(xué)制造與檢測中心在數(shù)字化子孔徑拋光混沌誤差感知及加工參數(shù)自適應(yīng)決策方面取得重要進展。研究首次證明了混沌誤差分布在統(tǒng)計學(xué)關(guān)系上是可以預(yù)測的，提出了基于統(tǒng)計學(xué)的混沌誤差感知（spc）模型?；趯煦缯`差的精確感知，提出了全頻段誤差約束下的拋光參數(shù)自適應(yīng)決策方法，無需人工參與，單次加工確定性優(yōu)于93%。相關(guān)研究成果以“statistical perception of the chaotic fabrication error and the self-adaptive processing decision in ultra-precision optical polishing”為題發(fā)表在optics express。

隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大型光學(xué)系統(tǒng)如大型望遠鏡、高功率激光等中對各類光學(xué)元件表面質(zhì)量及產(chǎn)能有著極高的要求。然而由于數(shù)字化子孔徑拋光制造過程中誤差來源的復(fù)雜性，會產(chǎn)生很多難以使用物理方法建模、具有混沌特性的加工誤差，這導(dǎo)致高精度光學(xué)元件加工存在確定性差、效率低、成本高等問題。

圖1混沌誤差示意圖；（a1，a2）初始面形；（b1，b2）理論殘余誤差；（c1，c2）實際殘余誤差；（d1，d2）混沌誤差。

圖2混沌誤差感知（scp）模型示意圖。

針對上述問題，研究基于統(tǒng)計學(xué)推導(dǎo)確認了混沌誤差的隨機特性（期望和方差）與拋光結(jié)果之間的耦合形式遵循近似線性關(guān)系，基于此豐富了傳統(tǒng)卷積制造模型，開發(fā)了一種全新的混沌誤差感知（scp）模型；此外，研究人員將scp模型與lsf/msf（中低頻誤差）判定準(zhǔn)則相結(jié)合，結(jié)合最優(yōu)化理論，建立了考慮混沌誤差影響的自適應(yīng)拋光參數(shù)決策模型，實現(xiàn)了無需人工參與的最優(yōu)工具和拋光參數(shù)的自主決策；研究的另一項重要意義在于：在scp模型的指導(dǎo)下，對超精密面形誤差的實現(xiàn)機制提供了全新方案——通過適當(dāng)去除函數(shù)（tif）的選擇，即使使用低確定性拋光工具，在scp模型指導(dǎo)下也可以穩(wěn)定地逐步實現(xiàn)具有超高精度的光學(xué)表面。實驗結(jié)果表明，僅使用機器人小磨頭拋光，在沒有人工參與的情況下，φ300 mm橢球鏡的面形精度（rms）收斂到0.008λ（λ=632.8nm），φ100 mm平面鏡的面形精度（rms）收斂到1.788 nm，與人工指導(dǎo)相比，拋光效率提高了30%以上。該研究成果對超精密光學(xué)元件高效制造有重要的價值，為智能光學(xué)制造未來發(fā)展打下基礎(chǔ)。

圖3拋光參數(shù)自適應(yīng)決策模型示意圖。

圖4（a）平面鏡拋光結(jié)果；（b）橢球鏡拋光結(jié)果