[发明专利]弱刚性非球面光学元件支撑刚度检测系统及变形补偿方法

说明书

本发明公开了弱刚性非球面光学元件支撑刚度检测系统及变形补偿方法，其中系统包括：施压子系统、力传输子系统、数据采集子系统和数据分析子系统；施压子系统，用于产生目标压力；力传输子系统，用于将目标压力施加到轻量化非球面元件的表面；数据采集子系统，用于采集目标压力的大小，以及采集轻量化非球面元件在目标压力的作用下的形变量；数据分析子系统，用于根据目标压力的大小和形变量，计算轻量化非球面元件的支撑刚度。该系统的硬件部分结构紧凑、操作方便，可以高效高精度测量元件表面不同点位处的支撑刚度。

技术领域

本发明属于大口径非球面光学元件超精密加工技术领域，特别是弱刚性非球面光学元件支撑刚度检测系统及变形补偿方法。

背景技术

非球面光学元件能够消除球面元件在光束传递过程中产生的球差、慧差、像差等不利影响，在光束聚焦时能减少光能损失，提高聚焦和校准精度，在现代大型光学系统中获得了广泛的应用。采用超精密磨削加工的方法，实现非球面光学元件的精密成形，具有材料去除速率快、便于实现自动化等优点，目前已被国内外多项大型光学系统作为非球面光学元件制造的主工艺使用。磨削加工利用高精度的机床，精确控制砂轮与元件直接的相对空间位置，并通过砂轮的高速旋转切削材料去除，获得高精度的被加工表面。在加工过程中，砂轮和元件接触后，砂轮会对元件产生切削力，在该切削力的作用下元件会产生弹性变形，当砂轮离开元件后元件又恢复原来的形状，导致元件表面该处的材料去除量比预设的去除量少，最终影响元件的整体加工精度。对于背面存在复杂结构、镜面超薄的轻量化非球面光学元件，因加工受力变形而影响元件最终加工精度的现象尤为严重。并且，因轻量化非球面元件背部结构不同、支撑方式不同等因素，在同样磨削力的作用下，元件表面不同位置处的受力变形也不一样，这就导致了超精密成形加工的误差收敛控制的不确定性。

专利CN201510032284.7公开了一种微动台刚度测量装置及其刚度测量方法，包括隔震固定平台、与隔震固定平台和静态框架均固定连接的滑轮支架、安装于滑轮支架的定滑轮、有间隙地穿过静态框架预留的通孔并连接于微动平台的平行于微动平台的运动方向的牵引轴、与牵引轴尾端连接并绕过定滑轮的悬空牵引组件，微动平台设有移动标，微动台刚度测量装置还包括可探测移动标的位移采集器。专利CN202111396130.8公开了一种机械臂的刚度测量方法和刚度测量系统，在待测关节的末端施加与测量方向同向的压力时，分别获取待测关节的末端及其之前的所有关节的末端在测量方向上的末端累积形变量；基于待测关节的末端累积形变量与之前的所有关节的末端累积形变量，确定待测关节的单关节形变量，并基于待测关节的前一关节的末端累积形变量，以及待测关节和待测关节的前一关节之间的三角几何学关系，确定待测关节的形变修正量；基于形变修正量对单关节形变量进行修正，得到待测关节的实际形变量。专利CN202110063141.8公开了一种用于汽车边窗玻璃板的刚度测量装置及测量方法，通过对汽车边窗玻璃板上的测定点施加垂直于汽车边窗玻璃板表面的作用力，并在汽车边窗玻璃板产生破裂前，获取测定点在作用力方向上的多个位移和该多个位移下的多个作用力的大小并输出数据，绘制一条或多条作用力随位移变化的刚度曲线。

针对弱刚性非球面光学元件背部支撑结构复杂、表面形貌为非球面、光学表面易破损等特点，上述已公开的专利难以高精度、高效获得元件整个口径范围内不同点处受不同磨削力的变形分布形态，并且不能实现加工受力变形的确定性补偿控制而提高元件的加工精度。

因此，如何高效高精度测量元件表面不同点位处的支撑刚度，并且结合受力变形误差原位补偿控制方法，实现弱刚性光学元件的超精密成形加工，成为当前研究的关键问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的弱刚性非球面光学元件支撑刚度检测系统及变形补偿方法，该系统的硬件部分结构紧凑、操作方便，可以高效高精度测量元件表面不同点位处的支撑刚度；且结合受力变形误差原位补偿控制方法，可以实现弱刚性光学元件的超精密成形加工，加工精度达到微米级别。

一方面，本发明实施例提供了弱刚性非球面光学元件支撑刚度检测系统，包括：施压子系统、力传输子系统、数据采集子系统和数据分析子系统；