CN109708590B - 一种反射镜绝对加工面形的计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算方法及系统，将检测时干涉仪的Zernike像差检测结果与该状态下经有限元方法计算并进行Zernike像差拟合后的结果进行消减，从而获得镜面绝对加工面形，本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算方法及系统，能够将镜面检测面形结果中由支撑导致的面形误差分离，从而更好地评价镜面加工面形和镜面支撑面形；此外，采用本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算方法及系统，提取的镜面绝对加工面形便于对复杂工况下反射镜面形精确计算。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种反射镜绝对加工面形的计算方法及系统。
背景技术
光学反射镜的镜面面形是光学加工和镜面支撑的重要指标之一。由于无法摆脱重力对反射镜面形的影响，我们实际检测出的反射镜面形准确来说是反射镜在某种特定的自由度约束条件下重力载荷面形与绝对光学加工面形的叠加。
光学加工：大多数加工者将上述检测出的叠加面形视为光学加工面形，而忽略了反射镜在不同检测工装下重力载荷对镜面面形的影响。小口径反射镜在排除较大安装应力的情况下，单纯重力载荷对镜面的影响非常小，是可以忽略的；但对于大口径反射镜(米级或更大口径)，自由度约束类型及其重力载荷下的镜面变形是不能忽略的，换而言之，同一反射镜在同一姿态、不同形式检测工装下的面形检测结果相差较大。
镜面支撑：反射镜加工完成后安装到最终镜面支撑结构上并随光学观测设备运行发生姿态变化。为保证光学系统成像质量，需要获取各个姿态下的反射镜支撑面形数据，但多数情况下无法搭建这样的检测光路。更多的是设计人员通过结构有限元分析方法，在理想镜面的基础上计算反射镜在不同姿态下的重力变形结果，但我们往往发现，计算出的面形结果要远小于加工检测出的面形数据，原因就在于我们无法以绝对加工面形作为计算分析的初始面形，因此计算结果也仅能定性地评价反射镜的支撑面形。
综上所述，从光学检测面形中提取镜面绝对加工面形作为光学加工的评价标准并作为大口径反射镜的镜面支撑分析的初始输入面形有重要的研究和应用价值，但目前还没有相应成熟的计算方法。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种可以精确计算反射镜绝对加工面形的计算方法及系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种反射镜绝对加工面形的计算方法，包括下述步骤：
利用干涉仪对所述反射镜进行面形检测并从所述干涉仪中提取前36项Zernike像差面形结果，并记为Wopt＝a1·Z1+a2·Z2+a3·Z3+…+a36·Z36，式中，Wopt为干涉仪检测面形，Zi为第i项Zernike多项式，ai为干涉仪提取的Zernike系数；
利用三维结构建模软件UG对所述反射镜进行结构建模；
对上述结构模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值；
对所述反射镜镜面节点变形位移值利用36项Zernike多项式进行镜面变形最小二乘拟合并计算对应Zernike像差面形，并记为Wfem＝b1·Z1+b2·Z2+b3·Z3+…+b36·Z36，式中，Wfem为经有限元计算的镜面面形，Zi为第i项Zernike多项式，bi为经最小二乘拟合后提取的Zernike系数；
将所述干涉仪提取的Zernike系数与所述经最小二乘拟合后提取的Zernike系数进行相减，求出对应的36项Zernike像差绝对加工面形，并记为Wabs＝(a1-b1)·Z1+(a2-b2)·Z2+(a3-b3)·Z3+…+(a36-b36)·Z36，所述Wabs为所述反射镜绝对加工面形。
在一些较佳的实施例中，在对上述结构模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值的步骤中，具体为：
利用有限元分析软件对模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值。
在一些较佳的实施例中，所述反射镜为大口径反射镜。
另外，本发明还提供了一种反射镜绝对加工面形的计算系统，包括：
第一系数提取单元，利用干涉仪对所述反射镜进行面形检测并从所述干涉仪中提取前36项Zernike像差面形结果，并记为Wopt＝a1·Z1+a2·Z2+a3·Z3+…+a36·Z36，式中，Wopt为干涉仪检测面形，Zi为第i项Zernike多项式，ai为干涉仪提取的Zernike系数；
建模单元，用于利用三维结构建模软件UG对所述反射镜进行结构建模；
分析与提起单元，用于对上述结构模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值；
第二系数提取单元，用于对所述反射镜镜面节点变形位移值利用36项Zernike多项式进行镜面变形最小二乘拟合并计算对应Zernike像差面形，并记为Wfem＝b1·Z1+b2·Z2+b3·Z3+…+b36·Z36，式中，Wfem为经有限元计算的镜面面形，Zi为第i项Zernike多项式，bi为经最小二乘拟合后提取的Zernike系数；
计算单元，用于将所述干涉仪提取的Zernike系数与所述经最小二乘拟合后提取的Zernike系数进行相减，求出对应的36项Zernike像差绝对加工面形，并记为Wabs＝(a1-b1)·Z1+(a2-b2)·Z2+(a3-b3)·Z3+…+(a36-b36)·Z36，所述Wabs为所述反射镜绝对加工面形。
在一些较佳的实施例中，所述建模单元利用有限元分析软件对模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值。
在一些较佳的实施例中，所述反射镜为大口径反射镜。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算方法及系统，将检测时干涉仪的Zernike像差检测结果与该状态下经有限元方法计算并进行Zernike像差拟合后的结果进行消减，从而获得镜面绝对加工面形，本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算方法及系统，能够将镜面检测面形结果中由支撑导致的面形误差分离，从而更好地评价镜面加工面形和镜面支撑面形；此外，采用本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算方法及系统，提取的镜面绝对加工面形便于对复杂工况下反射镜面形精确计算。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供实施例1提供的反射镜绝对加工面形的计算方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例2提供的所述大口径望远镜主镜的计算系统的结构示意图。
具体实施方式
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，为本发明提供了一种反射镜绝对加工面形的计算方法步骤流程图，包括下述步骤：
步骤S110：利用干涉仪对所述反射镜进行面形检测并从所述干涉仪中提取前36项Zernike像差面形结果，并记为Wopt＝a1·Z1+a2·Z2+a3·Z3+…+a36·Z36，式中，Wopt为干涉仪检测面形，Zi为第i项Zernike多项式，ai为干涉仪提取的Zernike系数。
可以理解，反射镜镜面面形均可以利用Zernike像差表达，通过将待检测反射镜放置在检测工装上，搭建光学检测光路，利用干涉仪进行面形检测并从干涉仪中提取前36项Zernike像差面形结果。
在一些较佳的实施例中，所述反射镜为大口径反射镜。
可以理解，在实际中，所述反射镜并不局限于大口径反射镜。
步骤S120：利用三维结构建模软件UG对所述反射镜进行结构建模。
步骤S130：对上述结构模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值；
在一些较佳的实施例中，在对上述结构模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值的步骤中，具体为：
利用有限元分析软件对模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值。
步骤S140：对所述反射镜镜面节点变形位移值利用36项Zernike多项式进行镜面变形最小二乘拟合并计算对应Zernike像差面形，并记为Wfem＝b1·Z1+b2·Z2+b3·Z3+…+b36·Z36，式中，Wfem为经有限元计算的镜面面形，Zi为第i项Zernike多项式，bi为经最小二乘拟合后提取的Zernike系数；
步骤S150：将所述干涉仪提取的Zernike系数与所述经最小二乘拟合后提取的Zernike系数进行相减，求出对应的36项Zernike像差绝对加工面形，并记为Wabs＝(a1-b1)·Z1+(a2-b2)·Z2+(a3-b3)·Z3+…+(a36-b36)·Z36，所述Wabs为所述反射镜绝对加工面形。
本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算方法，将检测时干涉仪的Zernike像差检测结果与该状态下经有限元方法计算并进行Zernike像差拟合后的结果进行消减，从而获得镜面绝对加工面形，本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算方法及系统，能够将镜面检测面形结果中由支撑导致的面形误差分离，从而更好地评价镜面加工面形和镜面支撑面形；此外，采用本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算方法及系统，提取的镜面绝对加工面形便于对复杂工况下反射镜面形的精确计算。
实施例2
请参阅图2，为本发明提供了一种反射镜绝对加工面形的计算系统的结构示意图，包括：
第一系数提取单元110：利用干涉仪对所述反射镜进行面形检测并从所述干涉仪中提取前36项Zernike像差面形结果，并记为Wopt＝a1·Z1+a2·Z2+a3·Z3+…+a36·Z36，式中，Wopt为干涉仪检测面形，Zi为第i项Zernike多项式，ai为干涉仪提取的Zernike系数。
可以理解，反射镜镜面面形均可以利用Zernike像差表达，通过将待检测反射镜放置在检测工装上，搭建光学检测光路，利用干涉仪进行面形检测并从干涉仪中提取前36项Zernike像差面形结果。
在一些较佳的实施例中，所述反射镜为大口径反射镜。
可以理解，在实际中，所述反射镜并不局限于大口径反射镜。
建模单元120：利用三维结构建模软件UG对所述反射镜进行结构建模。
分析与提起单元130：对上述结构模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值；
在一些较佳的实施例中，分析与提起单元130利用有限元分析软件对模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值。
第二系数提取单元140：对所述反射镜镜面节点变形位移值利用36项Zernike多项式进行镜面变形最小二乘拟合并计算对应Zernike像差面形，并记为Wfem＝b1·Z1+b2·Z2+b3·Z3+…+b36·Z36，式中，Wfem为经有限元计算的镜面面形，Zi为第i项Zernike多项式，bi为经最小二乘拟合后提取的Zernike系数；
计算单元150：将所述干涉仪提取的Zernike系数与所述经最小二乘拟合后提取的Zernike系数进行相减，求出对应的36项Zernike像差绝对加工面形，并记为Wabs＝(a1-b1)·Z1+(a2-b2)·Z2+(a3-b3)·Z3+…+(a36-b36)·Z36，所述Wabs为所述反射镜绝对加工面形。
本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算系统，将检测时干涉仪的Zernike像差检测结果与该状态下经有限元方法计算并进行Zernike像差拟合后的结果进行消减，从而获得镜面绝对加工面形，本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算方法及系统，能够将镜面检测面形结果中由加工和支撑导致的面形误差分离，从而更好地评价镜面加工面形和镜面支撑面形；此外，采用本发明提供的反射镜绝对加工面形的计算方法及系统，提取的镜面绝对加工面形便于对复杂工况下反射镜面形的精确计算。
当然本发明的反射镜绝对加工面形的计算方法还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
Claims (6)
1.一种反射镜绝对加工面形的计算方法，其特征在于，包括下述步骤：
利用干涉仪对所述反射镜进行面形检测并从所述干涉仪中提取前36项Zernike像差面形结果，并记为Wopt＝a1·Z1+a2·Z2+a3·Z3+…+a36·Z36，式中，Wopt为干涉仪检测面形，Zi为第i项Zernike多项式，ai为干涉仪提取的Zernike系数；
利用三维结构建模软件UG对所述反射镜进行结构建模；
对上述结构模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值；
对所述反射镜镜面节点变形位移值利用36项Zernike多项式进行镜面变形最小二乘拟合并计算对应Zernike像差面形，并记为Wfem＝b1·Z1+b2·Z2+b3·Z3+…+b36·Z36，式中，Wfem为经有限元计算的镜面面形，Zi为第i项Zernike多项式，bi为经最小二乘拟合后提取的Zernike系数；
将所述干涉仪提取的Zernike系数与所述经最小二乘拟合后提取的Zernike系数进行相减，求出对应的36项Zernike像差绝对加工面形，并记为Wabs＝(a1-b1)·Z1+(a2-b2)·Z2+(a3-b3)·Z3+…+(a36-b36)·Z36，所述Wabs为所述反射镜绝对加工面形。
2.如权利要求1所述的反射镜绝对加工面形的计算方法，其特征在于，在对上述结构模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值的步骤中，具体为：
利用有限元分析软件对模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值。
3.如权利要求1所述的反射镜绝对加工面形的计算方法，其特征在于，所述反射镜为大口径反射镜。
4.一种反射镜绝对加工面形的计算系统，其特征在于，包括：
第一系数提取单元，利用干涉仪对所述反射镜进行面形检测并从所述干涉仪中提取前36项Zernike像差面形结果，并记为Wopt＝a1·Z1+a2·Z2+a3·Z3+…+a36·Z36，式中，Wopt为干涉仪检测面形，Zi为第i项Zernike多项式，ai为干涉仪提取的Zernike系数；
建模单元，用于利用三维结构建模软件UG对所述反射镜进行结构建模；
分析与提起单元，用于对上述结构模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值；
第二系数提取单元，用于对所述反射镜镜面节点变形位移值利用36项Zernike多项式进行镜面变形最小二乘拟合并计算对应Zernike像差面形，并记为Wfem＝b1·Z1+b2·Z2+b3·Z3+…+b36·Z36，式中，Wfem为经有限元计算的镜面面形，Zi为第i项Zernike多项式，bi为经最小二乘拟合后提取的Zernike系数；
计算单元，用于将所述干涉仪提取的Zernike系数与所述经最小二乘拟合后提取的Zernike系数进行相减，求出对应的36项Zernike像差绝对加工面形，并记为Wabs＝(a1-b1)·Z1+(a2-b2)·Z2+(a3-b3)·Z3+…+(a36-b36)·Z36，所述Wabs为所述反射镜绝对加工面形。
5.如权利要求4所述的反射镜绝对加工面形的计算系统，其特征在于，所述建模单元利用有限元分析软件对模型进行静力学重力作用分析，提取反射镜镜面节点变形位移值。
6.如权利要求4所述的反射镜绝对加工面形的计算系统，其特征在于，所述反射镜为大口径反射镜。
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