大口径立式光学检测中气流演化特性与误差解耦方法的研究

As the large-scale SiC materials, CCOS and MRF processing technology is gradually developing, China quickly entered the "era of giant mirror". As the every basis of all optical processing, surface testing technology is facing enormous challenges with high efficiency and high precision and high accuracy. The mirror body size increasing, flow of large diameter long path vertical detection of disturbance gradually becomes the key problem of quasi limited detection accuracy and success rate, detection. This project is based on the investigation of the development status at home and abroad, and the research foundation of large diameter vertical optical inspection. It studies the evolution characteristics and error decoupling method of air flow, and realizes the analysis, modeling, predictability, validity and compensation of detection airflow. According to the "nano-precision wavefront phase variation of flow disturbance analysis" and "error prediction theory and verification method, the error of air disturbance decoupling" of scientific problems, put forward the aberration characteristics of multi modal fluid machine vision field parameters evaluation, multiple conjugate detection technology, fluid time-varying aberration decoupling method, improve the large diameter long path vertical optical detection efficiency, precision and accuracy. The related achievements will serve as the foundation of advanced optical manufacture, and promote the application of super large-aperture telescopes in ground and space systems, and serve for optical industry and scientific exploration in China.

随着大口径SiC材料、CCOS和MRF加工技术的逐步成熟，我国快速步入“大镜时代”。作为一切光学加工的前提，面形检测技术面临高效率、高精度和高正确性的巨大挑战。镜体尺寸不断增加，大口径长光路立式检测中的气流扰动逐渐成为导致检测成功率、检测精度和准度受到限制的关键问题。本项目立足于国内外发展现状的调研和大口径立式光学检测的研究基础，研究气流演化特性与误差解耦方法，实现检测气流可分析、可建模、可预测、可验证和可补偿。针对“纳米级精度波前相位变化的气流扰动分析”、“误差影响的预测理论与验证方法”、“气流干扰的误差解耦”等科学问题，创新性地提出多模态流体像差特性评价、参数场下的机器视觉多重共轭检测技术、流体时变像差分布解耦方法，实现大口径长光路立式光学检测的效率、精度和准确度的提高。相关成果将作为先进光学制造的基础，有力促进我国超大口径望远镜在地基、空间系统中的应用，为我国光学工业、科学探索服务。

为了实现高效、高精确度的超大口径光学面形检测，针对大口径立式光学检测中气流干扰问题的特殊性，系统地研究了检测塔内部多模态流体对光学波前相位的影响特征、统计规律、像差分布、演进过程、测量形式、解耦方法、抑制手段等各项关键技术。基于统计学结构函数构建了大口径立式光学检测的气流扰动像差模型，提出了与大气湍流模型相似的幂次定律，作为对气流扰动随机性评估的重要理论依据。应用流体力学软件，建立了扁平腔体内部气流仿真模型，分析了1.5m干涉仪气流扰动的结构影响因素。提出了基于正交性假定和泽尼克谱分析方法，对光学检测误差的分布特性、检测精度估计和环境控制提供了理论依据。实验表明，所述方法对镜面面形误差和气流扰动误差具有显著的解耦能力，在⌀3m口径、10m量级光路实现了高精度的方法学验证，检测结果一致性优于±λ/700(λ=632.8nm)。项目在执行期内按照研究计划和年度研究进度内容进行研究，申请书和计划书的研究内容得以落实，取得了预期成果。获得国家发明专利授权2项，发表论文7篇，其中SCI论文3篇，EI论文4篇，会议论文3篇。参与国内外学术合作交流，做学术报告4次。研究的内容和目标等未作任何调整与变动。项目费用无预算调整情况，经费结余将用于应付未付款项支出和项目后续研究。项目成果为长光路立式检测技术提供了有力的理论指导和技术支撑，作为核心技术完成了世界上最大的碳化硅非球面反射镜（4m口径），面形精度优于15nm，检测精度优于4nm。