基于边界约束改善大口径光学元件面形质量的反演研究

Surface quality of optical components is macroscopic characterization of the beam quality and optical field distribution. According to the wave front distortion introduced in the manufactory processing and the influence of the gravity, we develop the edge-restraint support theoretical model that is based on the theory of plate deformation to solve the contradiction between traditional support technology and the full aperture of optical component. The edge-restraint support method on the edge of optical component method is carried out with inversion research for the support theory of the optical component, and the goal of optimum support scheme is obtained with the constraint conditions of the minimum deformation for optical aperture. First of all, we study the relationship between the flexible torques, which is produced by the preload and edge flexible support position, and the modified surface shape of the optics; secondly, we develop the basic support method and theory with the stress distribute rule to implement the full aperture of the optical component. The correlation coefficient in the model applied to the engineering application is improved and revised with the integrated opto-mechanical finite element optimization and laboratory experiments. The theory is the breakthrough of bottleneck for large aperture optical components manufacture precision. At the same time, it can improve the surface quality of the large aperture optical component.

大口径光学元件的面形质量是影响光束质量重要因素之一。大口径光学元件由于加工中引入的和安装中重力作用产生的面形误差导致低阶波前畸变以及像散问题，传统解决办法是在整体光路中加入自适应光学系统进行校正，但大口径光学元件本身的光学面形质量是其实现的基础。本课题提出一种基于边界约束的大口径光学元件边缘挠性支撑新方法，在对大口径光学元件光学表面畸变PV值和RMS值进行校正的同时，还能满足大口径光学元件的全口径通光要求。本项目基于弹性力学平板变形理论，通过由光学元件面形推导边界约束方式的反演研究，建立大口径光学元件边界约束方式与面形变形的基本理论模型；在此基础上，对边界约束支撑条件下的局部应力扩散引起的应力破坏以及应力双折射问题进行较精细、较基础的研究；根据光机集成有限元优化以及实验平台实验结果，完善及修正理论模型。该理论能大幅度提高光学元件面形质量，同时突破大口径光学元件制造精度的瓶颈。

针对本项目申请书要求，主要研究内容包括五个方面：一，完成了边界约束条件与光学元件可控面形形式基本关系研究，获得预紧力大小与挠性支撑位置与光学元件变形关系的数学模型，为边界约束的大尺寸光学元件支撑方法提供了理论基础；二，揭示了预紧力大小、挠性支撑结构对光学元件应力破坏以及应力双折射影响的规律，获得光学元件预紧力大小与挠性支撑机构的最优解；三，建立了光机集成有限元模型，通过将有限元结构分析数据转换为光学表面形变数据的数据传输技术，完成不同边界约束条件与光学表面可控面形形式的数值模拟，获得了控制光学元件不同面形形式的边界约束支撑方式；四，建立了采用波前调制法测试面形参数的实验平台，初步验证基于边界约束的大尺寸光学元件支撑方法的技术途径可行性，实现在透射式与反射式工作模式下、多角度放置的不同结构形式光学元件实验测试，获得了光学元件通光口径内光学畸变PV值和RMS值最小情况下的实验结果数据。PV值以及RMS值分别比未施加预紧力情况下减小79.6%和58.5%。通光口径400mm内的面形质量参数PV和RMS最优值可达到0.0569λ和0.0219λ。五，完善了基于边界约束的大尺寸光学元件支撑方法的理论模型。根据数值模拟与实验验证结果，对理论模型中的相关系数进行标定，建立了适用于工程应用的理论模型。进一步的工作，需要完成大口径镜片主动支撑装置的自动闭环控制，以及优化相位调制法测量方案，以达到更精确的调控大口径镜片面形分布和提高面形质量。