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超强激光科学卓越创新简报

(第三百六十八期)

2023年2月27日

上海光机所在数字化子孔径抛光混沌误差感知及自适应加工方面取得进展

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心在数字化子孔径抛光混沌误差感知及加工参数自适应决策方面取得重要进展。研究首次证明了混沌误差分布在统计学关系上是可以预测的，提出了基于统计学的混沌误差感知（SPC）模型。基于对混沌误差的精确感知，提出了全频段误差约束下的抛光参数自适应决策方法，无需人工参与，单次加工确定性优于93%。相关研究成果以“Statistical perception of the chaotic fabrication error and the self-adaptive processing decision in ultra-precision optical polishing”为题发表在Optics Express。

　　随着现代光学技术的发展，大型光学系统如大型望远镜、高功率激光等中对各类光学元件表面质量及产能有着极高的要求。然而由于数字化子孔径抛光制造过程中误差来源的复杂性，会产生很多难以使用物理方法建模、具有混沌特性的加工误差，这导致高精度光学元件加工存在确定性差、效率低、成本高等问题。

　　针对上述问题，研究基于统计学推导确认了混沌误差的随机特性（期望和方差）与抛光结果之间的耦合形式遵循近似线性关系，基于此丰富了传统卷积制造模型，开发了一种全新的混沌误差感知（SCP）模型；此外，研究人员将SCP模型与LSF/MSF（中低频误差）判定准则相结合，结合最优化理论，建立了考虑混沌误差影响的自适应抛光参数决策模型，实现了无需人工参与的最优工具和抛光参数的自主决策；研究的另一项重要意义在于：在SCP模型的指导下，对超精密面形误差的实现机制提供了全新方案——通过适当去除函数（TIF）的选择，即使使用低确定性抛光工具，在SCP模型指导下也可以稳定地逐步实现具有超高精度的光学表面。实验结果表明，仅使用机器人小磨头抛光，在没有人工参与的情况下，φ300 mm椭球镜的面形精度（RMS）收敛到0.008λ（λ=632.8nm），φ100 mm平面镜的面形精度（RMS）收敛到1.788 nm，与人工指导相比，抛光效率提高了30%以上。 该研究成果对超精密光学元件高效制造有重要的价值，为智能光学制造未来发展打下基础。

　　相关工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市启明星扬帆计划、中国科学院青年创新促进会的支持。

　　原文链接

图1 混沌误差示意图；（a1，a2）初始面形；（b1，b2）理论残余误差；（c1，c2）实际残余误差；（d1，d2）混沌误差。

图2 混沌误差感知（SCP）模型示意图。

图3 抛光参数自适应决策模型示意图。

图4（a）平面镜抛光结果；（b）椭球镜抛光结果。

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