中科院上海光機所在數字化子孔徑拋光混沌誤差感知及自適應加工方面取得進展

作者： 中科院上海光機所發布時間：2023-03-03

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所精密光學制造與檢測中心在數字化子孔徑拋光混沌誤差感知及加工參數自適應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計學關系上是可以預測的，提出了基于統計學的混沌誤差感知（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自適應決策方法，無需人工參與，單次加工確定性優于93%。相關研究成果以“statistical perception of the chaotic fabrication error and the self-adaptive processing decision in ultra-precision optical polishing”為題發表在optics express。

隨著現代光學技術的發展，大型光學系統如大型望遠鏡、高功率激光等中對各類光學元件表面質量及產能有著極高的要求。然而由于數字化子孔徑拋光制造過程中誤差來源的復雜性，會產生很多難以使用物理方法建模、具有混沌特性的加工誤差，這導致高精度光學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，研究基于統計學推導確認了混沌誤差的隨機特性（期望和方差）與拋光結果之間的耦合形式遵循近似線性關系，基于此豐富了傳統卷積制造模型，開發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）判定準則相結合，結合最優化理論，建立了考慮混沌誤差影響的自適應拋光參數決策模型，實現了無需人工參與的最優工具和拋光參數的自主決策；研究的另一項重要意義在于：在scp模型的指導下，對超精密面形誤差的實現機制提供了全新方案——通過適當去除函數（tif）的選擇，即使使用低確定性拋光工具，在scp模型指導下也可以穩定地逐步實現具有超高精度的光學表面。實驗結果表明，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，與人工指導相比，拋光效率提高了30%以上。該研究成果對超精密光學元件高效制造有重要的價值，為智能光學制造未來發展打下基礎。

圖3拋光參數自適應決策模型示意圖。

圖4（a）平面鏡拋光結果；（b）橢球鏡拋光結果