張克 李都寧 毛力奮 蔣光南
摘? 要:在光機(jī)熱耦合過程中,核心思想是如何把變形或光程差轉(zhuǎn)化新的光學(xué)面型,一般習(xí)慣上用多項(xiàng)式的形式。文章提出一種算法可以使計算RMS達(dá)到10-13,計算精度可以達(dá)到10-16,實(shí)際案例中最大位移誤差可以減少2個量級,從而最大位移量由116nm,下降到1nm左右。
關(guān)鍵詞:光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計;光機(jī)熱耦合分析;曲率擬合;因子迭代算法
中圖分類號:TN202 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ?文章編號:2095-2945(2019)14-0037-02
Abstract: In the process of optical-mechanical-thermal coupling, the core idea is how to transform the deformation or optical path difference into a new optical surface, which is usually in the form of polynomials. In this paper, an algorithm is proposed to calculate RMS up to 10-13, and the calculation accuracy can reach 10-16. In practical cases, the maximum displacement error can be reduced by two orders of magnitude, so that the maximum displacement can be reduced from 116 nm to about 1nm.
Keywords: optical system design, optical-mechanical thermal coupling analysis, curvature fitting, factor iterative algorithm
1 概述
多項(xiàng)式擬合一般利用最小二乘法[1,2],除多項(xiàng)式擬合之外,擬合成剛體運(yùn)動和曲率變化是對工程更有用的一種方法,根據(jù)剛體運(yùn)動和曲率變化,進(jìn)行實(shí)際工況下的變形進(jìn)行光學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,也可以在后期加工過程中反向推導(dǎo)面型以及自適應(yīng)。
對于熱載荷以及重力載荷可以通過有限元的計算得到鏡面位移量[3]。位移量一般通過單元或節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承載。一個點(diǎn)擁有的3個平移量和3個轉(zhuǎn)動量,3個平移量一般用于光機(jī)耦合的初始值。
為了使等參非線性求解更好的適用于光機(jī)熱耦合分析過程中,本文提出一種因子迭代算法進(jìn)行曲率擬合,迭代次數(shù)超過5次,計算RMS可以達(dá)到10-12,曲率和偏移量計算精度可以達(dá)到10-16。
2 因子迭代算法
3 算法實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
3.1 算法準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
面型為99mm的圓形鏡面,經(jīng)過一定的工況計算,面型正好變成半徑為100mm的圓形鏡面,即c為0.01,偏移量為10-5。
算法設(shè)計中一般選擇原始面型的參數(shù)作為初始點(diǎn),即迭代初始點(diǎn)c=1/99,bz=0。迭代4次,曲率誤差和軸向位移誤差在10-16量級。
3.2 算法收斂性實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
綜上,在迭代5次就可以收斂RMS在10-13,曲率c和bz誤差在10-16,上述測試了算法的準(zhǔn)確性和收斂性,但實(shí)際過程中,變形后的并不為理想面型,接下來我們將進(jìn)行實(shí)際案例的計算,看一下工程中比較關(guān)心的最大位移量的變化。
3.3 算法工程案例與結(jié)果
為了更好的說明算法的實(shí)際應(yīng)用,本文利用此算法計算筒式望遠(yuǎn)鏡案例。案例的基本工況:鏡頭結(jié)構(gòu)受到一定壓力載荷和自身重力作用。
用有限元軟件計算的變形結(jié)果,最大誤差在166nm左右。
經(jīng)過本文提出的因子迭代算法曲率擬合之后,可以看出其擬合之后的最大誤差在1nm的精度。
4 結(jié)論
本文提出一種因子迭代算法,可以進(jìn)行光機(jī)熱耦合過程中的曲率求解,在有已知解的算法實(shí)驗(yàn)中,可以看出算法準(zhǔn)確性在迭代4次可以達(dá)到10-16;算法收斂性在10000組隨機(jī)初始值和一定截止條件下,迭代5次便可以全部收斂。在工程案例中最大位移誤差可以減少2個量級,從而最大位移量由116nm,下降到1nm左右,已經(jīng)在制造的精度之上。未來曲率擬合在制造和實(shí)際過程中可以通過更改因子β達(dá)到更優(yōu)的效果。
參考文獻(xiàn):
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[2]Genberg V, Michels G. Novel applications of active mirror analysis[C]//Optomechanical Engineering 2015. International Society for Optics and Photonics, 2015,9573: 95730I.
[3]Coronato PA, Juergens RC. Transferring FEA results to optics codes with Zernikes:review of techniques[J]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2003,5176:1-8.