CN108534669A - 一种采用三点支撑检测光学元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种采用三点支撑检测光学元件的方法。该三点支撑检测光学元件的方法包括根据光学元件尺寸及有限元分析结果，确定三个支撑点的位置及放置所述光学元件所需的基准面的位置；将所述光学元件参照所述基准面的位置放置于检测装置上；采用修正有限元分析模型的面形检测方法检测所述光学元件。该三点支撑检测光学元件的方法不仅解决了现有多点支撑检测超薄型光学元件的检测方法高成本、难操作等问题；优选地，还解决了在检测过程中由于重力及机械振动等原因而引入检测误差的问题。

Description

一种采用三点支撑检测光学元件的方法

技术领域

本发明涉及空间光学的技术领域，具体涉及一种采用三点支撑检测光学元件的方法。

背景技术

随着空间光学系统和高功率激光系统不断向大口径、轻量化的方向发展，薄型和超薄型光学元件已经被广泛应用于各类天文望远镜系统以及高功率激光系统中，从而有效地降低大口径光学元件的体积和质量。光学元件的薄厚一般采用直径与厚度的比值或者采用最长对角线与厚度的比值来进行描述。一般光学元件的径厚比小于10，薄型光学元件的径厚比一般在10到30之间，超薄型光学元件的径厚比一般超过30。在超薄型光学元件的加工过程中，由于其径厚比较大，光学元件面形在检测过程中极易受到重力以及机械振动等外界因素的影响，从而导致实际加工的收敛效率和精度降低。因此，作为加工的参考基准，超薄型光学元件对其光学检测的准确性提出了更高的要求。

在超薄型光学元件的抛光阶段，现有的检测技术均致力于为超薄镜设计专用的多点检测支撑，从而实现近零的镜面变形，以满足检测精度的需求。在检测超薄型光学元件的过程中，多点检测支撑的点数通常需要大于三点，从而导致检测装置的结构复杂、设计和制造成本较高。尤其对于激光系统中的小口径超薄型光学元件，由于激光系统的背部空间较小，因此，设计过程中很难实现多点支撑的排布，从而设计难度较大。进一步地，多点支撑对超薄型光学元件的镜面具有冗余自由度，由于制造和安装误差等因素会对镜面产生应力，从而造成超薄型光学元件的额外变形。

因此，针对现有的多点支撑检测超薄型光学元件的方法所存在的问题，急需一种只需要三点支撑检测超薄型光学元件的方法，该方法不仅所需检测装置结构简单、低成本、易操作且能实现高效率、高精度的面形收敛。

发明内容

针对现有的多点支撑检测超薄型光学元件的检测方法所存在的问题，本发明实施例提出一种采用三点支撑检测光学元件的方法。本发明实施例所提供的三点支撑检测光学元件的方法不仅解决了现有多点支撑检测超薄型光学元件的检测方法高成本、难操作等问题，还解决了在检测过程中由于重力及机械振动等原因而引入检测误差的问题，进而解决加工不确定性大、低精度的问题。

该三点支撑检测光学元件的方法的具体方案如下：一种三点支撑检测光学元件的方法，包括步骤S1：根据光学元件尺寸及有限元分析结果，确定三个支撑点的位置及放置所述光学元件所需的基准面的位置；步骤S2：将所述光学元件参照所述基准面的位置放置于检测装置上；步骤S3：采用修正有限元分析模型的面形检测方法检测所述光学元件。

优选地，所述检测装置包括由柔性材料及固化剂按预设比例混合并搅拌，并将混合物倒入根据所述光学元件尺寸制作的模具中，而获得的支撑装置。

优选地，所述柔性材料包括柔性可注塑成型的材料。

优选地，在将混合物倒入所述模具中后，用工具将混合物表面刮平并静置预定时间。

优选地，所述预定时间的范围为12小时至24小时。

优选地，所述柔性材料及固化剂的预设比例范围约为50:1。

优选地，所述检测装置包括可塑性材料制成的成型件。

优选地，所述步骤S1中通过有限元分析过程中边界条件的自动搜索，确定光学元件变形最小时，获得支撑点位置的具体分布；根据光学元件的尺寸设计，采用间隙配合设计光学元件侧面的基准面位置。

优选地，所述修正有限元分析模型的面形检测方法包括以下步骤：步骤S31：对在所述检测装置上的所述光学元件进行第一次面形检测，得到初始面形误差分布E₀，E_0＝E+D₀，其中，E为真实面形误差，D₀为所述检测装置上重力导致的变形；步骤S32：将所述检测装置旋转180度，进行第二次面形检测，得到旋转后的面形误差分布E₁，E_1＝E+D₁，其中，E为真实面形误差，D₁为旋转后的所述检测装置上重力导致的变形；步骤S33：将初始面形误差分布E₀与旋转后的面形误差分布E₁联立获得检测面形误差E_a，E_a＝E₁-E_0＝D₁-D₀；步骤S34：通过有限元分析获得第一次面形检测和第二面形检测的重力变形导致的理论面形误差分布E_t，E_t＝D_t1-D_t0；步骤S35：分别取E_t和E_a的前预定项数进行分析，获得E_az和E_tz；步骤S36：引入修正系数k对仿真偏差进行修正，k满足下式：

min[RMS(E_az-kE_tz)]；

步骤S37：将k代入E_0＝E+D₀或者E_1＝E+D₁，进而获得真实面形误差E。

优选地，步骤S35中的前预定项数为前36项。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例中所提供的采用三点支撑检测光学元件的方法，通过只采用三点支撑有效地简化了支撑装置的结构复杂度、提高了易用性。进一步地，本发明实施例中所提供的采用三点支撑检测光学元件的方法，通过采用柔性材料及固化剂制作支撑装置，从而支撑装置为柔性垫，有效地避免由机械振动引入的检测误差。进一步地，本发明实施例中所提供的采用三点支撑检测光学元件的方法，通过采用修正有限元分析模型的面形检测方法有效地考虑了在实际情况中由于材料属性以及边界条件等因素而存在的偏差，进而提高了检测精度和收敛效率。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种采用三点支撑检测光学元件的方法的流程示意图；

图2为图1所示实施例中提供的一种修正有限元分析模型的面形检测方法的流程示意图；

图3为图1所示实施例中方法流程所对应工艺实物流程的示意图；

图3(a)为一种矩形超薄型光学元件示意图；

图3(b)为检测矩形超薄型光学元件所需的支撑装置及其制作模具的示意图；

图3(c)为制作支撑装置所需的模具的示意图；

图3(d)为根据模具所制作的支撑装置的示意图；

图3(e)为矩形超薄型光学元件在支撑装置上的检测时的使用状态示意图。

附图标记说明：

1、矩形超薄型光学元件 2、支撑装置 3、模具

4、放置矩形超薄型光学元件所需要的基准面的位置

5、三个支撑点的分布位置

6、矩形超薄型光学元件在支撑装置上的检测时的使用状态

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明实施例中提供的一种采用三点支撑检测光学元件的方法的流程示意图。在该实施例中，三点支撑检测光学元件的方法包括三个步骤，每个步骤具体的内容如下所述。

步骤S1：根据光学元件尺寸及有限元分析结果，确定三个支撑点的位置及放置所述光学元件所需的基准面的位置。根据有限元分析结果，确定的三个支撑点的位置，有效地保证超薄型光学元件的变形量最小。根据光学元件的尺寸设计，采用间隙配合设计光学元件侧面的基准面位置，这样既可以保证准确的定位精度，又可以保证光学元件侧面不受额外的作用力。

步骤S2：将所述光学元件参照所述基准面的位置放置于检测装置上。在不考虑重力及机械振动时，检测装置可包括由可塑性材料制成的成型件，即检测装置直接通过可塑性的材料机械加工成预设的形状。当考虑重力及机械振动的影响时，检测装置可包括由柔性材料及固化剂按预设比例混合并搅拌，并将混合物倒入根据所述光学元件尺寸制作的模具中，而获得的支撑装置。在该优选实施例中，由于采用柔性材料和固化剂的混合物制作支撑装置，因此，支撑装置具有柔性特质，从而支撑装置可以避免由于机械振动引入的检测误差。柔性材料具体可包括硅胶等柔性可注塑成型材料，在该实施例中，柔性材料采用硅胶。具体地，柔性材料及固化剂的预设比例范围为50:1左右，如49:1，50:1，51:1等。进一步地，在将混合物倒入所述模具中后，用工具将混合物表面刮平并静置预定时间，从而使得混合物自由流动且混合物具有较为光滑的表面。工具具体可以为刀片、刮片等。预定时间的范围可根据固化剂的含量而确定。在该具体实施例中，预定时间的范围为12小时到24小时。

步骤S3：采用修正有限元分析模型的面形检测方法检测所述光学元件。在不考虑有限元分析的误差情况下，超薄型光学元件的面形即为检测面形结果减去三点支撑作用下的变形结果。但是在实际情况中，由于材料属性以及边界条件等存在一定的偏差，因此，有限元分析结果也会存在一定的误差。为保证有限元分析的精度，需要结合实际的检测过程对其材料属性及边界条件进行一定的修正。

如图2所示，本发明实施例中提供的一种修正有限元分析模型的面形检测方法的流程示意图。在该实施例中，以检测装置为支撑装置为例进行详细说明。该修正有限元分析模型的面形检测方法包括七个步骤，具体的步骤内容如下所示：

步骤S31：对在所述支撑装置上的所述光学元件进行第一次面形检测，得到初始面形误差分布E₀，初始面形误差分布E₀的具体表达式如公式1所示：

E_0＝E+D₀(公式1)

其中，E为真实面形误差，D₀为所述支撑装置上重力导致的变形。

步骤S32：将所述支撑装置旋转180度，进行第二次面形检测，得到旋转后的面形误差分布E₁，旋转后的面形误差分布E₁的具体表达式如公式2所示：

E_1＝E+D₁(公式2)

其中，E为真实面形误差，D₁为旋转后在所述支撑装置上重力导致的变形。

步骤S33：将初始面形误差分布E₀与旋转后的面形误差分布E₁联立获得检测面形误差E_a。通过有限元分析得到光学元件在上述两种情况重力作用下的理论变形分别为D_t1和D_t2，其实际变形为D_a，联立公式1和公式2可得检测面形误差E_a的具体表达式如公式3所示：

E_a＝E₁-E_0＝D₁-D₀(公式3)

步骤S34：通过有限元分析获得第一次面形检测和第二面形检测的重力变形导致的理论面形误差E_t，理论面形误差E_t的具体表达式如公式4所示：

E_t＝D_t1-D_t0(公式4)

步骤S35：分别取E_t和E_a的前预定项数进行分析，获得E_az和E_tz。优选的，取E_t和E_a的泽尼克(Zernike)前预定项数为前36项，以降低随机高频误差对结果的影响。如本领域技术人员所知，前预定项数的具体个数可根据需求自行确定，具体如前20项、前25项、前36项、前50项等。

步骤S36：引入修正系数k对仿真偏差进行修正，k满足公式4：

min[RMS(E_az-kE_tz)](公式5)

由于边界条件、材料属性等因素的影响，检测结果和仿真结果会存在一定的偏差，为此引入修正系数k来对仿真偏差进行修正。通过求解公式5可得k的具体数值。

步骤S37：将k代入E₀＝E+D₀或者E_1＝E+D₁，进而获得真实面形误差E。

如本领域技术人员所知，当检测装置为可塑性材料制成的成型件时，修正有限元分析模型的面形检测方法的流程步骤与上述流程是类似的，只需将修正有限元分析模型的面形检测方法中相应的支撑装置替换成检测装置。

在该实施例，通过只采用三点支撑有效地简化了支撑装置的结构复杂度、提高了易用性。进一步地，本发明实施例中所提供的采用三点支撑检测光学元件的方法，通过采用柔性材料及固化剂制作支撑装置，从而支撑装置为柔性垫，有效地避免由机械振动引入的检测误差。进一步地，本发明实施例中所提供的采用三点支撑检测光学元件的方法，通过采用修正有限元分析模型的面形检测方法有效地考虑了在实际情况中由于材料属性以及边界条件等因素而存在的偏差，进而提高了检测精度和收敛效率。

如图3所示，为图1所示实施例中方法流程所对应工艺实物流程的示意图。该实施例中的检测装置以支撑装置为例。其中，图3的各个子图的定义如下所示：图3(a)为一种矩形超薄型光学元件示意图；图3(b)为检测矩形超薄型光学元件所需的支撑装置及其制作模具的示意图；图3(c)为制作支撑装置所需的模具的示意图；图3(d)为根据模具所制作的支撑装置的示意图；图3(e)为矩形超薄型光学元件在支撑装置上的检测时的使用状态示意图。

在该实施例中，1为矩形超薄型平面光学元件。为制作具有柔性特质的支撑装置2，首先需要制作模具3。在该实施例中，支撑装置2采用硅胶与固化剂的混合物制作。根据矩形超薄型平面光学元件尺寸和有限元分析结果，确定三支撑点的分布位置5，以及放置矩形超薄型平面光学元件所需要的基准面的位置4。将硅胶和固化剂以一定比例配比并进行搅拌后，将其混合物倒入模具3中，并用刀片刮平表面，经过一段时间自由流动后，便可以获得用于矩形超薄型平面光学元件检测所用的支撑装置2。将矩形超薄型平面光学元件1的参照基准面4放置在支撑装置上2，按照上文所述的检测方法，便可以进行矩形超薄型平面光学元件的最终面形检测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种采用三点支撑检测光学元件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：根据光学元件尺寸及有限元分析结果，确定三个支撑点的位置及放置所述光学元件所需的基准面的位置；

步骤S2：将所述光学元件参照所述基准面的位置放置于检测装置上；

步骤S3：采用修正有限元分析模型的面形检测方法检测所述光学元件。

2.根据权利要求1所述的一种采用三点支撑检测光学元件的方法，其特征在于，所述检测装置包括由柔性材料及固化剂按预设比例混合并搅拌，并将混合物倒入根据所述光学元件尺寸制作的模具中，而获得的支撑装置。

3.根据权利要求2所述的一种采用三点支撑检测光学元件的方法，其特征在于，所述柔性材料包括柔性可注塑成型的材料。

4.根据权利要求2所述的一种采用三点支撑检测光学元件的方法，其特征在于，在将混合物倒入所述模具中后，用工具将混合物表面刮平并静置预定时间。

5.根据权利要求4所述的一种采用三点支撑检测光学元件的方法，其特征在于，所述预定时间的范围为12小时至24小时。

6.根据权利要求2所述的一种采用三点支撑检测光学元件的方法，其特征在于，所述柔性材料与固化剂的预设比例范围约为50:1。

7.根据权利要求1所述的一种采用三点支撑检测光学元件的方法，其特征在于，所述检测装置包括可塑性材料制成的成型件。

8.根据权利要求1所述的一种采用三点支撑检测光学元件的方法，其特征在于，所述步骤S1中通过有限元分析过程中边界条件的自动搜索，确定光学元件变形最小时，获得支撑点位置的具体分布；根据光学元件的尺寸设计，采用间隙配合设计光学元件侧面的基准面位置。

9.根据权利要求1所述的一种采用三点支撑检测光学元件的方法，其特征在于，所述修正有限元分析模型的面形检测方法包括以下步骤：

步骤S31：对在所述检测装置上的所述光学元件进行第一次面形检测，得到初始面形误差分布E₀，E₀＝E+D₀，其中，E为真实面形误差，D₀为所述检测装置上重力导致的变形；

步骤S32：将所述检测装置旋转180度，进行第二次面形检测，得到旋转后的面形误差分布E₁，E_1＝E+D₁，其中，E为真实面形误差，D₁为旋转后的所述检测装置上重力导致的变形；

步骤S33：将初始面形误差分布E₀与旋转后的面形误差分布E₁联立获得只与重力变形相关的实际误差分布E_a，E_a＝E₁-E_0＝D₁-D₀；

步骤S34：通过有限元分析获得与E_a相对应的理论重力变形导致的误差分布E_t，E_t＝D_t1-D_t0；

步骤S35：分别取E_t和E_a的前预定项数进行分析，获得E_az和E_tz；

步骤S36：引入修正系数k对仿真偏差进行修正，k满足下式：

min[RMS(E_az-kE_tz)]；

步骤S37：将k代入E_0＝E+D₀或者E_1＝E+D₁，进而获得真实面形误差E。

10.根据权利要求9所述的一种采用三点支撑检测光学元件的方法，其特征在于，步骤S35中的前预定项数为前36项。