光学非球面面形的检测

题记：“计量方法应符合零件的性质并满足检验约束的条件”。

干涉测量法通常用于测量光学元件的面形精度，用平面参考波测量平面零件面形，或者用球面参考波测量球面零件面形。非球面与其非球面表面的最佳拟合半径之间的差距，会产生非常密集的干涉条纹，球面参考波与最佳拟合半径不能总是提供可接受的测量值，它不是测量非球面面形的理想方法。

在非球面加工与检测过程中，通常采用方法有接触式轮廓测量法、子孔径干涉拼接测量法、计算机全息测量法、白光共聚焦测量法、多波长干涉法。这些测量方法均能给出加工完成的非球面与理想设计的偏离值，用PV值和RMS值体现。在选择测量方法时，需要考虑不同测量方法的测量精度、测量速度、成本，以及所测试范围能否充分表征的所加工非球面的全貌。

接触式轮廓测量法

这个方法有一个缺点，对于旋转对称的非球面，加工过程中产生的不可能是旋转对称的误差，通过一条透镜中心的二维轨迹并不能精确描述非球面的全貌。另外，对于它对一些陡峭的非球面的测量精度有一定的局限性。

上图为实际透镜的干涉图，考察两个轨迹：第一个水平穿过中心，第二个沿对角线45°穿过中心。由于非旋转对称像差存在在该透镜中，这两个轨迹的PV与RMS值差异很大。尽管在测量过程中可以在不同的方向上进行多次测量，这非常耗时不说，仍然会存在大范围的未测试区域。在制造过程中，有必要在加工过程中对零件的表面精度进行反馈，以便进行修正，所以三维数据是必要的。此外，由于探针与零件是物理接触的，如果施加过大的压力，会在零件表面留下划痕或损坏光学膜层。所以，利用非接触式三维表面轮廓来进行非球面测量是非常有必要的。

子孔径干涉拼接测量法

对非球面表面采用标准的移相干涉测量法进行小范围分区测量，然后使用软件将不同测量区域的干涉测量数据进行整合，形成非球面面形全貌。采用子孔径干涉拼接测量非球面的仪器使用圆形子孔径（测量过程中，不同子孔径需要部分重叠）来进行非球面的全貌测量。

源自：王孝坤等，“子孔径拼接检测大口径非球面技术的研究”

《应用光学》Vol 30(2)，2009

计算机全息测量法

计算机生成全息图(CGHs)让干涉仪使用于非球面面形的测量。干涉仪测量镜头的球面波前被CGH改变，形成一个精确匹配所设计非球面轮廓的象散波前。CGH通过使用计算机在基片上制作特定的图案来实现，基片衍射波前产生零参考波。所测量的非球面面形精度会受到干涉仪使用的测量镜头或可在CGH上制造的衍射特性精度的限制。

一旦CGH对准，采用计算机全息图测量法的测试过程与使用普通干涉仪测量过程没有区别，测量只需一张干涉图，测试一个零件可以在短时间内内完成。CGHs无法测试具有拐点的零件，如果不沿着光轴对测试非球面进行精确位置对准，就无法提供非球面曲率半径的准确数据。

CGH检测凸非球面的光路原理图

白光共聚焦测量法

白光共聚焦传感使用白光光源来测量距离。由于色散，未校正色差透镜的焦距将随波长而变化，不同波长的光在不同的轴向距离聚焦。白光共聚焦测量法在可测量的形状范围内具有很大的灵活性，完整的半球，非球面度大的表面，存在拐点的表面均可测量。此种方法测量非球面的时间较长，精度不是太高（PV值在0.5微米左右）。

多波长干涉测量法

该方法使用单一波长的光进行长度测量，并增加额外的波长，以增加测量的准确性，与白光共聚焦测量法很类似，但测量速度优于白光共聚焦测量法。

不同测量非球面方法的简要比较

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