非球面光学元件面型检测技术研究进展与最新应用

摘要: 非球面光学元件，特别是其中的自由曲面元件，在设计自由度上相比于球面具有很大的优势，基于非球面构建的光学系统能够以简单的光机结构实现复杂的设计目的。面型检测技术是保障光学非球面加工精度的关键，针对不同种类的非球面以及非球面加工的不同阶段对检测指标要求的多样性，现已发展出了种类繁多的检测方法。本文回顾了非球面光学元件面型检测技术的发展历程，分非干涉法与干涉法两大类整理了常用的检测技术，介绍了各自的技术指标与适用条件、研究进展与应用情况。本文重点讨论了基于干涉方法的非球面精密检测技术，举例说明了非零位与零位两条技术路线下各检测方法的基本原理、光路结构与检测能力，对比分析了各方法的优缺点与适用范围，介绍了一些配套算法以及检测光路的精密调节方法。

关键词: 非球面检测；自由曲面检测；干涉检测；零位检测；非零位检测

1.引言

非球面光学元件，顾名思义即包含无法用球面方程描述的表面的光学元件。这类元件凭借其更多的设计自由度，不仅能够更有效地校正各种像差，还可以同时满足一些理论上相互制约的设计需求。例如在成像系统的设计中，通过引入非球面元件，可以显著增大系统的拉格朗日-赫姆霍兹不变量(Lagrange-Helmholtz Invariant)，从而使得设计结果能够同时满足大视场和高分辨的要求。从另一个角度讲，针对同样的性能指标，采用非球面元件的设计往往需要的元件数量更少，因此更容易实现系统的小型化，这对于在载荷尺寸、重量方面有严苛限制的空间光学系统具有重要的意义，例如对地遥感系统常用的离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat, TMA)结构，其所包含的“一主二次”3片反射镜目前一般均采用非球面。

光学非球面的研究起步很早，最早的记载可以追溯到17世纪，然而受限于工艺水平，其真正走向实际应用则要等到20世纪后半叶。在民用领域，第一款采用非球面镜片的商业级摄影镜头是德国Leica公司在1966年推出的MOKTILX50mmF112；而在军用领域，采用非球面镜片的美军AN/PVS系列头盔夜视镜也是60年代之后才开始列装。在兴起伊始，非球面元件的成本仍然较高，其应用也局限于军用以及少数高端民品，直到20世纪90年代起光学玻璃的模压加工以及光学塑料的注塑成型工艺被广泛引入到非球面的生产中，光学非球面的价格才逐渐走向“白菜化”。与之同时，基于计算机数控技术(Computer Numerical Control,CNC)的单点金刚石车削(Single Point Diamond Turning, SPDT)、磁流变抛光(Magnetorheological Finishing, MRF)以及离子束抛光(Ion Beam Figuring, IBF)[8]等现代精密加工技术的提出，使得加工面型精度达到nm级的非球面成为了可能[5]。例如美国Thorlabs公司目前在售的“衍射极限非球面透镜”采用了美国QED公司的MRF技术，其面型均方根(Root Mean Square, RMS)值优于55 nm；国防科技大学的廖文林等人利用IBF技术加工的有效口径为380 mm抛物面[9]，面型RMS值达到了4.03 nm。

面型检测技术是保障非球面加工质量的手段，也是保障非球面光学系统能否正常工作的关键。诸如欧洲南方天文台(ESO)的新技术望远镜(New Technology Telescope, NTT)与美国航空航天局(NASA)的哈勃(Hubble)空间望远镜等资金充裕、专家云集的大科学装置，都曾因非球面镜片加工过程中面型检测的小失误，最终系统成像质量与设计目标相去甚远，只能通过后续“打补丁”来实现装置的正常工作，造成了巨大的损失。随着业界对于非球面加工精度要求的不断提高以及极大口径非球面或是不规则形状自由曲面加工需求的出现，缺乏与之匹配的面型检测技术愈发成为制约该领域进一步发展的主要瓶颈。

本文回顾了非球面光学元件面型检测技术的发展历程，分类梳理了已有的各类检测方法，分析对比了各自的技术特点与适用范围、研究进展与应用情况，并展望了各技术方案的发展趋势。

2.非球面光学元件面型检测技术分类

经过多年发展，非球面光学元件面型检测技术具备了明显的体系化特点。针对不同种类(材料、对称性、尺寸、曲率以及相对于最佳拟合球的偏离量等)的待测面型以及加工过程中不同阶段对检测精度、灵敏度、动态范围等指标的不同要求，对应有不同的检测方法。

由于光学干涉法在检测原理、流程与检测精度等方面与其他方法有明显的区别，本文以是否基于干涉原理将所有检测方法分为非干涉法与干涉法两类，各自包含的技术路线与具体技术方案如图1所示。

非干涉法主要包括：逐点扫描法、光阑检验法、条纹调制法与阴影法这4条技术路线。逐点扫描法利用轮廓仪或者三坐标机(Coordinate Measuring Machine, CMM)直接测量待测面上离散点的矢高并通过拟合得到面型数据，大多数轮廓仪或CMM采用的机械探针与待测面直接接触，因此属于有损检测；另外的部分装置采用了基于干涉原理的光学探针，可以进行非接触式测量，但应归入干涉法的范畴。光阑检验法又称哈特曼(Hartman)检验法，包括早期的Hartman光阑检验法与20世纪70年代提出的Shack-Hartman法，该方法通过探测器上光斑的横向偏移量计算出波前斜率，进而利用波前重构算法得到反映待测面型的重构波面。条纹调制法利用投影到待测面上的条纹光作为载频，通过分析待测面引入的条纹畸变求出待测面型，其又可以分为结构光法(漫反射、镜面反射)和Ronchi检验法。阴影法是一种经典的面型检测方法，包括傅科(Foucault)刀口法与由其改进而来的区域刀口法和细丝法等。

图1.光学非球面面型检测技术分类

非干涉法各具体方案之间差异较大，但亦不乏一些共同特点。相比于后续介绍的干涉法，非干涉法普遍具备较好的通用性，但检测精度相对较低，一般在μm量级(部分方法可以达到亚μm级精度)，因此多用于低精度的模压、注塑非球面或去除法加工高精度非球面过程中的研磨与粗抛光阶段。非干涉法各具体方案的原理特点、发展现状与业界应用情况见本文第3节。

干涉法是一类具备nm级检测精度的精密测试方法。采用干涉法检测非球面的关键问题在于如何解决由于非球面法线像差(由非球面与参考球面的偏离而产生)导致的干涉条纹增密问题，由此引申出两条主要的技术路线：零位检测与非零位检测。

其中零位检测利用补偿器将入射到待测面上的测试光波由球面波转化为对应待测面标称面型对应的非球面波，因而当不存在面型偏差时干涉场对应零条纹。常见的零位补偿器包括传统的折(反)射式补偿器，基于计算全息(Computer Generated Hologram, CGH)的衍射式补偿器以及基于可变形反射镜(Deformable Mirror, DM)或空间光调制器(Spatial Light Modifier, SLM)的可编程(自适应)补偿器，此外针对圆锥曲面还可以采用无像差点法进行零位检测。

非零位检测则仅采用一些手段将干涉场中的条纹增密降低到不影响干涉图解调的程度，并通过算法消除由不完全补偿法线像差引入的系统误差。实现非零位检测的方法多样，常用方法可归纳为以下4条技术路线，分别是：部分零位补偿器法、子孔径干涉法、剪切干涉法与低灵敏度法。其中，部分零位补偿器(Partial Null Compensator, PNC)法与零位检测中的补偿器法类似，只是这里的补偿器不完全补偿非球面的法线像差，故而即使待测非球面完全理想，干涉场中依然存在条纹。子孔径干涉法除环带拼接(ASSI)、圆孔径拼接(CSSI)以及不规则孔径拼接(ISSI)等子孔径拼接干涉法以外，还包括一种运用微透镜阵列进行波面分割的倾斜波前法(Tilted Wave Interferometry, TWI)以及采用光学探针的逐点扫描法。其中TWI法在检测过程中无需移动待测面，因此也无需利用相邻区域的重叠部分进行拼接；而采用光学探针的CMM或轮廓仪的每一个测量点可以视为一个很小的子孔径。子孔径干涉法的共同特点是将待测面分为多个子区域，使得子区域的干涉条纹密度降低到能够解调的程度。剪切干涉法采用自干涉的剪切干涉装置取代传统的泰曼-格林(Twyman-Green)或菲索(Fizeau)干涉装置，可以通过降低剪切率(自干涉的两个波面的偏离程度)来降低条纹密度，常用的剪切干涉法有横向剪切干涉与径向剪切干涉两种。低灵敏度法主要包括长波长法、双(多)波长法以及亚奈奎斯特(Sub-Nyquist)法(又称欠采样法)等，这类方法都是通过降低系统的灵敏度来换取动态范围的提高，从而使干涉图得以解调。

干涉法的检测精度一般高于非干涉法，且均属于非接触检测，避免了检测过程中对待测面的损伤，因此可以用于去除法加工非球面的精抛光阶段的检测，但干涉法对待测面的材料与粗糙度等方面存在限制，对测试环境的要求更高，实施起来较为困难。在干涉法中，零位检测的精度相对更高，但非球面度大或是形状特别复杂的非球面的零位检测较难实现；非零位检测的精度需要通过严格的回程误差(Retrace Error)校正来保证，因此算法复杂度更高，但其优势在于具备一定的通用性。有些情况下，多种技术组合使用可以兼取各自的优势。此外，干涉法的高精度需要建立在对检测系统的精密调节上。以上内容的详细介绍见本文第4节。

图3.Hartman法及Shack-Hartman法示意图

图4.结构光方法示意图

图7.Foucault刀口法示意图

……

5.结束语

近年来，各种各样的非球面光学元件广泛应用于各个领域，非球面的面型检测技术必然需要形成一个完善的体系以适应不同的测试场景。本文对常见的干涉方法进行了分类整理，介绍了各方法的原理、技术特点、检测能力与适用范围、相关算法以及检测光路装调等方面的内容，并对各方法的未来发展进行了展望。

总的来看，非球面检测技术的发展存在通用化与高精度两个大的方向。其中通用化要求检测系统具备一定的通用性，即不对系统做出很大调整的情况下能够检测不同种类的非球面。由于其多见于工业化检测中，因此一般还附带着快速检测与自动化的要求(包括装调的自动化与干涉图判读的自动化)。而高精度则要求尽可能地提高检测精度从而用以(加工)检测面型误差为nm或是亚nm量级的超高精度非球面，补偿器的精度以及系统误差的校正精度成为了这方面发展的关键。在这个基础上，非干涉法中基于结构光的方法以及PNC结合子孔径拼接的方法是目前两种发展前景较好的通用化检测方法。为了应对高精度检测的要求，随着待测非球面面型的愈发复杂，基于CGH的零位检测法仍将是未来一段时间最为可靠的方案。

鉴于篇幅，本文仅为节选（中国光学 第15卷 第2期）