清華新聞網(wǎng)9月13日電 高性能光學(xué)成像系統(tǒng)的研制涵蓋了光學(xué)設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)和裝調(diào)等步驟。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)整個(gè)過(guò)程鏈的開(kāi)始。公差分析是設(shè)計(jì)和制造之間的關(guān)鍵橋梁，合理而精確的分配所有光學(xué)曲面的制造誤差，有助于高精度光學(xué)元件制造的實(shí)現(xiàn)。光學(xué)元件的品質(zhì)評(píng)價(jià)將對(duì)制造結(jié)果做出精確的評(píng)價(jià)，有助于進(jìn)一步提升光學(xué)元件制造的品質(zhì)。
圖1. 局域面形公差與評(píng)價(jià)
半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直被認(rèn)為最有效的公差分析方法是一種基于蒙特卡洛（Monte Carlo）的概率統(tǒng)計(jì)的分析方法。這種公差是對(duì)整個(gè)曲面面形的統(tǒng)一描述，它規(guī)定了曲面面形誤差RMS值或PV值的最大值。同時(shí)，光學(xué)元件的品質(zhì)也是用曲面面形誤差RMS值或PV值來(lái)表征。但是，光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際情況是極為復(fù)雜的，現(xiàn)有的基于蒙特卡洛的公差分析方法給出的公差，并不能給出曲面不同區(qū)域的不同公差要求。曲面面形誤差RMS值或PV值也不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)光學(xué)元件的品質(zhì)。
清華大學(xué)精密儀器系副教授朱鈞團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)七年的努力，證實(shí)了光學(xué)元件不同區(qū)域有不同的公差要求，并提出了光學(xué)曲面的局域面形公差模型。該局域公差模型能夠精準(zhǔn)得到曲面上不同區(qū)域的不同公差要求，從而曲面的不同區(qū)域可以按照不同的精度要求進(jìn)行制造。局域公差模型顛覆了近50多年的基于蒙特卡洛的統(tǒng)計(jì)概率的全局公差分析理論。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算了一個(gè)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的三鏡（圖1）和一個(gè)卡塞格林式系統(tǒng)的兩個(gè)反射鏡的局域面形（圖2）公差，并對(duì)公差進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。公差的計(jì)算結(jié)果顯示出很明顯的局域性。
圖2. 離軸三反系統(tǒng)中，三鏡的局域面形公差分布(a)(b)(c)分別是三鏡的面形上偏差分布
圖3. RC系統(tǒng)中，同時(shí)分析主鏡和次鏡的局域面形公差分布(a)(b)(c)分別是主鏡的面形上偏差分布，(d)(e)(f)分別是次鏡的面形上偏差分布
研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)提出一種與成像性能直接相關(guān)的光學(xué)元件品質(zhì)的精確評(píng)價(jià)函數(shù)RWE，替代傳統(tǒng)的RMS或PV值來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)元件的品質(zhì)，并對(duì)一系列的具有不同面形誤差的元件進(jìn)行了品質(zhì)評(píng)價(jià)（圖3）。結(jié)果表明，具有相同PV或者RMS值的元件品質(zhì)是不同的，幾何精度較低的元件可能比幾何精度較高的元件產(chǎn)生更好的成像質(zhì)量。RMS相同的光學(xué)元件也可以通過(guò)RWE區(qū)分它們成像質(zhì)量的高低。對(duì)制造檢測(cè)方而言，無(wú)需設(shè)計(jì)文件就可以獨(dú)立地對(duì)制造后的元件品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估。RWE有助于快速挑選出符合成像要求的元件，并給出不同元件之間的最佳匹配組合。
圖4. 具有相同的PV或者RMS值的元件品質(zhì)不同
該研究提出的局域公差框架將為光學(xué)系統(tǒng)的制造，特別是為光刻系統(tǒng)和太空望遠(yuǎn)鏡等高精度、大口徑的光學(xué)系統(tǒng)制造提供新的技術(shù)支撐，并將對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的理論、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生變革性的影響。
9月8日，上述成果以“光學(xué)曲面的局域面形公差和品質(zhì)評(píng)價(jià)”（Local tolerance and quality evaluation for optical surfaces）為題發(fā)表在《光學(xué)》（OPTICA）期刊上。
朱鈞為本文的通訊作者。精儀系2017級(jí)博士生鄧玉婷和2020級(jí)博士生譚益林為本文的共同第一作者，2014級(jí)已畢業(yè)碩士吳曉飛是本文的共同作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-9-1039&id=499461
供稿：精儀系
題圖設(shè)計(jì)：任左莉
編輯：李華山
審核：郭玲
