大口径非球面检测技术

前面分享了第一部分：大口径非球面研抛技术，今天继续分享第二部分：大口径非球面检测技术。这两篇都仅是摘录，知识产权归原文作者。

（一开始用deepseek来提炼了一篇，但这样非小编初衷，还是要手写或手动摘录，也算学习过程。昨天用deepseek写的那篇仅是尝试。）

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与光学加工一样，非球面的检测相对于平球面来说同样非常困难，特别是针对大口径非球面的光学检测更是要面临更长的检测光路。一般来说，非球面的面形检测按原理可分为坐标测量、几何光线测量和光学干涉测量。

1. 坐标测量，比如三坐标测量机，测量精度有限，一般用在大口径非球面铣磨阶段(面形精度控制在10μm 左右)。激光跟踪仪和接触式轮廓测量可用在研磨阶段(面形误差控制在1μm 左右)。

2. 几何光线法，比如夏克-哈特曼波前传感器、刀口法、结构光及Ronchi 光栅法一般用于初抛光阶段，这个阶段被加工面形反射率较低(面形误差控制在亚微米量级)；

3. 干涉测量是当前非球面检测方法的主流，基于可见光波段的数字波面干涉仪是抛光和终检阶段(面形精度在几十纳米)的必要手段。

1 坐标测量技术

坐标测量是一种直接的非球面面形检测方法，通常分为接触式和非接触式坐标测量两类，比如常见的仪器有三坐标测量机和轮廓仪。他们的基本原理都是点-线-面的重构过程：一般是先利用高精度的位移传感器对待测非球面上的离散点进行扫描检测，以获得各点的三维坐标，然后通过数学插值重构出全口径内的三维面形。通过与非球面的理论面形比较最终获得面形误差。

传统的坐标测量，比如三坐标测量机、轮廓仪以及激光跟踪仪，常见于光学研磨阶段的面形检测。但是，值得提出的是，随着精密测量技术的发展，高灵敏度的非接触式光学探针的发明使得坐标测量的表面划伤问题得以解决，并且测量精度不断提高，已经达到了几十纳米的测量精度，基本与基于CGH 的干涉测量精度相当。

 

1.1 摆臂式轮廓仪

美国Arizona 大学光学中心Anderson 在1995 年报道了用摆臂式轮廓扫描来测量非球面的方法，被认为是摆臂式轮廓仪在非球面上的最早应用，如图17 所示。

图17 (a) 摆臂式轮廓仪测量原理示意图；(b) Arizona 大学研制的摆臂式轮廓仪

2.2.1.2 激光跟踪仪

激光跟踪仪是一种便携式的大尺寸三维坐标测量仪器。世界上第一台商用激光跟踪仪SMART310 于1990 年上市，由瑞士Leica 公司研发。由于其优秀的坐标测量表现，广泛应用于工业界精密制造、设备装调等大型三维坐标测量领域。其测量原理如图18所示。图19 所示为中科院光电所利用激光跟踪仪对精磨阶段的Ф1.3 m 主镜进行面形检测现场。

 

图18 激光跟踪仪测量原理图

图19 中科院光电所1.3m 主镜精磨阶段激光跟踪仪面形检测

1.3 非球面轮廓测量仪LUPHOScan

LUPHOScan 是Taylor-Hubson 公司专门针对旋转对称超精密镜面(包括各种球面、非球面、自由曲面)研发的一种非接触式三维形貌测量仪，开创了光学表面超精密测量的新领域。LUPHOScan 基于MWLI(多波长干涉)技术，利用MWLI 点传感器连续测量传感器到被测件的距离。被测件放置在一个可360°旋转的平台上，两个正交方向的线性平台被用来控制MWLI点传感器。传感器垂直于被测表面，同时沿着被测件的理想轮廓移动完成面形扫描，得到的点状云图即显示了被测件的面形偏差。图21 为LUPHOScan 用于凸面的检测。

图21 Taylor-Hobson 公司研制的LUPHOScan260 HD

 

2 几何光线测量技术

光学加工中，光学件的研磨到抛光的面形精度是从微米量级直接过渡到几十纳米量级，中间有两个数量级的精度跨越。也就是说，从研磨阶段所采用的传统的坐标测量过渡到抛光阶段所采用的干涉测量，必须有较大动态范围和较高测量精度的检测手段。几何光线法是最早应用于光学研抛过程的面形检测方法之一，它是一种利用几何光学原理对非球面面形进行检测的技术，在大口径非球面的研抛过程中一直都有广泛的应用。

2.1 刀口法

1858年提出的傅科刀口法是数字波面干涉仪发明之前在光学车间所普遍使用的一种测量方法。刀口法原理示意图如图22(a)所示，将一个针孔光源放置在凹面镜曲率中心一侧，该光源的像位于曲率中心另外一侧，插入刀口切割成像照明光，在未被光源照明的镜面上能观察到阴影图。阴影图的分布则能定性反映被测非球面的面形缺陷部位和缺陷程度。作为一种重要的光学车间检测方法，刀口法检测设备简单、成本低，并且具有较快的检测速度和较高的灵敏度。但是刀口法主观性很强，根本无法实现定量测量，不利于非球面元件的后续抛光加工，特别是现代先进加工技术对前面加工手段的数据需求。

图22 (a) 刀口法检测原理示意图；(b) 刀口仪

2.2 哈特曼光阑法及夏克-哈特曼波前探测法

1900 年，德国天体物理学家Hartmann 提出，利用一个具有许多小孔且不透明的挡板放置在被测非球面镜表面，在被检光学面的焦点附近对返回的光束进行成像，通过计算采集到的光斑位置坐标与理想位置偏差值来确定非球面面形偏差的方法。图23是哈特曼检测的原理图及典型的径向哈特曼光阑。哈特曼法的一个主要缺点是光能利用率低，且焦点前后光斑口径较大导致光斑坐标计算精度不高。

图23 (a) 哈特曼检测原理示意图；(b) 径向哈特曼光阑

2.3 结构光条纹反射技术

结构光也称编码光，广泛应用于散射物体的表面测量。其中利用投影仪作为光源，以散射表面为测量对象的称为结构光投影术，它是现代工业生产中，比如实体建模和逆向工程等所广泛采用的三维测量手段，但是应用于精密光学测量领域时精度较低。利用液晶屏作为光源，对反射镜面进行测量的称为结构光条纹反射术。它将编码后的条纹投射到被检镜面，经待测镜面调制后反射进入相机，被检镜面的面形误差最后可以通过计算实际成像光线与理想成像光线的偏差得到，因此也称相位偏折术。条纹反射法结构简单、动态范围较大、测量精度也比较高，无需其它辅助元件便可实现对大口径非球面镜的面形测量。

图25 (a) SCOTS 条纹反射术原理示意图；(b) 中科院光电所结构光测试系统现场

3 干涉测量技术

干涉测量技术是利用光本身的物理特性进行测量，其测量原理是：利用一个较高面形精度的参考镜来对被测镜进行检测，携带有参考面信息的参考光与携带有被测面信息的被测光发生干涉，生成干涉条纹并被成像探测器记录，利用相位恢复算法可以从干涉条纹中复原出被测面的面形误差。干涉测量精度高，采样点丰富，测量周期短，是光学件面形高精度检测所广泛采用的终检手段。随着激光技术、电子技术以及计算机信息技术的发展，集成有高性能相位解调算法的商业干涉仪在光学检测领域大放异彩。干涉测量甚至可以称得上高精度光学检测的代名词，现已成为光学车间检测的主流技术。

对于大口径非球面来说，干涉测量主要面临两方面的技术难题：1) 一般数字波面干涉仪只能生成平、球面参考波前，因此，无法直接用于非球面的零位干涉测量；2) 干涉测量一般对测量环境有较高的要求，大口径非球面的干涉测量检测光路通常很长，一般无法通过物理隔振的方式实现，如何解决这两个问题是现代光学干涉测量所重点研究的方向。各种零位补偿技术，比如补偿器设计、CGH 设计，以及非零位测试技术，比如子孔径拼接、倾斜波面干涉、自适应像差补偿干涉、长波长检测等，在大口径非球面的检测上得到了长足的发展和应用。

3.1 非零位干涉测量

根据光的反射定律，几何光线沿着法线方向入射到曲面时，将按原路返回。现有商业干涉仪只能产生标准平面参考波或者球面参考波，所以在对非球面直接进行检测时无法处处都沿着法线方向入射。利用普通的波面干涉仪对非球面直接进行无补偿测量的方式为非零位干涉测量。与零位测量不同，非零位条件下得到干涉条纹非常密从而导致CCD 不能解析，非零位测量需要应用特殊技术解决这一问题。

3.1.1 子孔径拼接测量技术

大型非球面的子孔径拼接基于“以小拼大”的思想，将被测光学元件在全口径范围内划分成若干小口径的子孔径，并保证所有子孔径能覆盖整个元件。

图28 (a) QED 子孔径拼接干涉仪；(b) 子孔径划分示意图

3.1.2 倾斜波干涉测量技术

倾斜波面干涉测量最早由德国斯图加特大学Osten 教授团队在2008 年提出。其检测思路是在干涉系统中引入轴外点光源阵列，通过多个轴外点光源生成不同倾斜角度的球面波来与被测非球面波前的不同区域干涉，这样可得到可分辨的干涉条纹，系统光路如图29(a)所示。

图29 (a) 倾斜波干涉仪光路示意图；(b) 典型干涉图

3.1.3 红外干涉测量技术

对于非球面的非零位干涉检测，通过扩大光源波长则能直接减少干涉图的条纹密度。因此，利用CO2激光器发出的长波红外激光就能实现非球面的非零位检测。另外，红外激光对待测表面反射率没有要求，可以直接对粗糙表面进行检测。所以，基于红外光源的干涉仪对非球面研磨后期的检测意义重大。相对于坐标测量，红外干涉仪优点突出，在国外已得到了成功的运用。

图31 (a) 中科院光电所研制的红外干涉仪检测现场图；(b) 红外检测最终结果

2.2.3.1.4 亚奈奎斯特测量技术

亚奈奎斯特测量方法是假设被测波面的一阶导和二阶导均连续，从而突破奈奎斯特采样定理要求的每条条纹至少两个像素的条件。1987 年，Greivenkamp提出奈奎斯特测量方法，之后对高陡度的保形光学透射波前进行了非零位测量。亚奈奎斯特(欠采样)条纹的产生是由于参考光和被测非球面光之间非常大的偏差(非球面度)造成的。因此，非共光路带来的回程误差就包含在欠采样条纹中，必须对干涉仪的光学模型精确建模通过光线追迹得到非球面度带来的误差。正是解决了回程误差补偿的问题，美国ESDI 公司在2007年推出的商业化的Intellium Asphere 实现了球面度高达80 μm 的非球面的直接测量，其过程如图32。

图32 亚奈奎斯特技术测量非球面。(a) 非球面非零位干涉图；(b) 计算生成参考相位；(c) 组合莫尔条纹；(d) 回程误差补偿后包裹相位

 

3.1.5 剪切干涉测量技术

剪切干涉一般分为横向剪切和径向剪切两种，如图33 所示。所谓剪切，指的是探测波前与原始波前发生横向/径向错位后自我形成干涉。

图33 (a) 横向剪切干涉结构示意图；(b) 与径向剪切干涉结构示意图

3.2 零位干涉测量

零位干涉测量是大口径非球面光学抛光阶段广泛采用的测量手段。通过对被测非球面的数学表达式进行分析，可计算出非球面上各带的法线与光轴焦点的位置和角度，即法线像差。通过设计相应的补偿器件可保证干涉仪出射的标准球面波经过补偿器后变成非球面波，并恰好沿着被测非球面的法线入射且能原路返回，实现非球面像差的补偿从而实现零位测量。理论上，零位干涉图可以是全明或者全暗的零条纹状态，不存在非共光路引入的回程误差。因此，零位干涉测量是高精度干涉检测必须考虑的测试方法。

3.2.1 无像差点法

对于特殊的二次曲面，比如抛物面、椭球面和双曲面，可利用其共轭点的性质借助平面和球面实现非球面的零位测试。共轭点是一对无像差点，它们满足点物成点像的光学共轭条件，即从一个共轭点发出的球面波经过特殊二次曲面反射后，会无误差地汇聚到另外一个共轭点位置。

图34 二次非球面及其几何焦点[73]。(a) 椭球面；(b) 抛物面；(c) 双曲面

3.2.2 补偿镜法

补偿镜是用来将球面参考波前调制成与被测非球面匹配的非球面波前，并能把被测非球面反射回的非球面波变回球面波的光学样板。作为辅助性元件，补偿镜本身应该是易于制造的，比如球面元件，这样比较容易保证非球面的高精度面形检测要求。

反射式和折射式补偿镜应用较为广泛，发展也相对成熟，比如Dall 和Offner 补偿器。

 

图35 Offner 补偿器零位检测非球面示意图

3.2.3 计算全息(CGH)

利用计算全息来检测非球面的方法最早是由美国亚利桑那大学光学中心的Wyant 等在1971 年提出。计算机生成全息图(computer-generated hologram，CGH)是一种二元衍射光学元件，利用光的衍射效应生成任意形状的理想波前，从而实现对被测非球面像差的补偿，其检测光路示意图见图37。

图37 CGH 零位检测非球面光路示意图及CGH 实物图

原文：大口径光学非球面镜先进制造技术概述，刘锋伟等。