如何对复杂光学曲面进行高精度在位测量
【复旦大学徐敏和张祥朝课题组】

随着激光雷达、天文望远镜等重大装备光电性能的不断提高,其核心光学元件的尺寸也逐渐增大到米级,而面形精度要求达到亚微米甚至十纳米级,给精密光学制造和检测带来巨大的挑战。当前光学曲面主要采用离线测量方法,其对环境干扰非常敏感。工件在加工装备与测量仪器之间的往复搬运与装调占整个制造周期70%以上的时间,严重限制了制造效率与可靠性。光学元件的最终验收测量通常采用干涉仪,其量程一般不超过10微米。对于非球面、离轴抛物面等复杂曲面,需要设计专用补偿镜或计算全息板,并且系统装调困难,无法用于研磨与粗抛阶段的测量。因此,亟需研究出一种与加工设备兼容的在位/在线测量方法,提高精密光学制造的自动化与智能化水平。

复旦大学徐敏教授和张祥朝副研究员等人针对非球面和自由曲面等复杂光学元件的测量难题,发展了超精密光学加工的在位偏折测量方法,如图1所示。偏折术通过条纹编码和成像方法来确定被测曲面的法向,和哈特曼检验类似,具有快速稳定、抗环境干扰、动态范围大等优势,在在位测量方面具有重要的应用前景。该方法利用光线追迹分析了测量系统中各元件位置偏差对追迹偏差的影响,并通过辅助标定平面镜和加工装备自带的运动轴系提供额外的约束条件,将各元件位置的准确标定精度提高一个数量级,如图2所示。

图1 单点金刚石车床的在位偏折测量系统

图2 几何自标定的坐标系

并且,根据反向投影偏差的统计规律,该方法可以有效分离工件的面形偏差与位姿误差。如此则有效利用了工件的名义面形信息,将传统的位置-面形单向映射转变为双向映射,对所分解的高度子问题和面形子问题分别进行优化求解,如图3和图4所示。如此可以避免三坐标测量机等额外探测仪器的使用,显著提高了在位测量的灵活性与效率。

图3 高度子问题

图4 面形子问题

研究人员采用离轴抛物镜等光学曲面进行了实验验证,结果显示所提出的偏折测量方法的精度优于150 nm RMS,从而可以解决因复杂光学曲面在粗加工阶段面形偏差超出干涉量程,以至于后续工艺规划难以进行的问题。

该研究获得了国家自然科学基金等项目资助,相关成果以“面向精密制造的光学自由曲面在位偏折测量技术”为题发表在《光电工程》2020年第8期“先进光学制造”专题。

研究团队简介

徐敏教授和张祥朝副研究员所在的复旦大学上海超精密光学制造技术工程研究中心长期以来专注于自由曲面、微纳结构等高性能光学元件的精密加工、检测与集成技术研究,攻克了光刻机方镜、双模整流罩等一系列核心光学元件的卡脖子关键技术,并在自由曲面测量与评定、精密光学制造的加工检测一体化等方面取得一系列原创性成果,在Optics Letters, Light: Science and Applications, Optics Express等国际光学期刊发表论文二百余篇,荣获教育部科技进步奖等奖项。

相关论文

张祥朝, 徐敏. 面向精密制造的光学自由曲面在位偏折测量技术[J]. 光电工程, 2020, 47(8): 190581.

DOI: /10.12086/oee.2020.190581.