光学自由曲面面形检测方法进展与展望【《光学学报》创刊40周年庆】

光学自由曲面一般指缺少统一对称轴、具有非旋转对称结构的复杂曲面。现代光学系统中常用的自由曲面主要包括离轴非球面、柱面、XY多项式曲面、Zernike多项式曲面、Q-type多项式曲面、径向基函数自由曲面、NURBS自由曲面、微结构表面和衍射结构光学表面等。

但是由于自由曲面面形本身的高度“自由”，梯度变化大、缺少统一的对称轴，这给其面形的高精度、高效率、高通用性检测带来了巨大的挑战。精密检测技术已经成为制约光学自由曲面高精度制造和大量应用的主要瓶颈之一，是当今测试领域的研究热点。

2.1 点线式测量法

图2 点线式测量仪器.（a）CMM；（b）轮廓仪

2.2 面式测量法

部分零位补偿法利用部分零位镜补偿被测件的大部分法线像差，获取可分辨的干涉条纹，提升了系统的动态测量范围。为了进一步提升该方法的灵活性和测量范围，研究人员将补偿镜与变形镜相结合，实现灵活补偿（如图4）。部分零位补偿法不能满足零位条件，所以产生了一定的回程误差，针对该问题，研究人员分别提出了逆向优化重构技术、虚拟干涉仪校准技术，消除了回程误差的影响。目前，部分零位补偿法主要应用于旋转对称非球面、离轴非球面和小口径双圆锥面等面形检测。

子孔径拼接法将被测面分割为多个局部梯度变化较小的子孔径区域，分别检测每个子孔径面形，将所有子孔径数据拼接得到全面形偏差。目前常用的子孔拼接技术包括环形子孔拼接术和圆形子孔拼接术。环形子孔拼接术的工作原理基于被测面的旋转对称性，因此主要用来测量旋转对称的面形。圆形子孔拼接术（如图5所示）在自由曲面面形检测中应用较多，基于该方法的商用自动拼接干涉仪可测非球面度为1000λ的自由曲面，测量精度优于λ/30（RMS）。子孔拼接法的测量精度和效率受子孔数量的影响较大，需要在保证检测精度的前提下，提高测量效率，研究人员主要从拼接算法和子孔划分方式两方面展开了研究。

倾斜波面法利用透镜阵列产生多束不同倾角的球面波补偿被测件的各个局部区域的梯度，得到各局部区域对应的可分辨干涉图（如图6所示），再通过相位恢复算法得到完整面形。该方法的动态测量范围仅次于子孔拼接法，但测量时无需调整被测件和干涉仪的相对位置，测量效率优于子孔拼接法。研究者又分别用光纤阵列和偏摆镜代替透镜阵列，大大提高了系统的灵活性和通用性；同时，为了消除泰曼格林型干涉结构引入的大量系统误差，提出了共光路型的倾斜波面系统，大大降低了系统误差。

图6 TWI测量原理.（a）TWI光路示意图；（b）TWI得到的干涉图阵列