師 途，楊甬英，張 磊，劉 東

(浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027)

1 引言

非球面光學(xué)元件是表面形狀偏離球面的光學(xué)元件［1］，比傳統(tǒng)平面、球面光學(xué)元件具有更大的自由度和靈活性，且形狀多樣［2］。因而能有效地校正各種像差，改善像質(zhì)，并減少系統(tǒng)所需光學(xué)元件的數(shù)量，減小系統(tǒng)外形尺寸，減輕系統(tǒng)重量等［3］。

隨著機(jī)械制造及計(jì)算機(jī)數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展，非球面元件的加工效率和工藝精度都得到了極大的提高。例如在紅外和深紫外光學(xué)系統(tǒng)中，高品質(zhì)紅外照相機(jī)、掃描儀和極紫外光刻物鏡等，廣泛使用非球面光學(xué)元件代替球面光學(xué)元件［4-5］，已取得了良好效果。在數(shù)碼相機(jī)、投影物鏡、航空測(cè)繪光學(xué)系統(tǒng)、導(dǎo)彈共形光學(xué)系統(tǒng)以及大型天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)［6］中，也越來(lái)越多地應(yīng)用了非球面光學(xué)元件，非球面鏡甚至成為某些系統(tǒng)里起支撐作用的關(guān)鍵性部件。

盡管非球面光學(xué)元件在設(shè)計(jì)和使用性能上具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用規(guī)模上遠(yuǎn)不如平面和球面光學(xué)元件。原因主要在于非球面光學(xué)元件的檢測(cè)難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平面和球面光學(xué)元件。早期應(yīng)用的非球面大多是簡(jiǎn)單的淺度小口徑非球面，其設(shè)計(jì)、加工和檢測(cè)相對(duì)比較容易。而在過(guò)去的幾十年中，受天文觀測(cè)、空間光學(xué)、高功率激光、軍事應(yīng)用［6-9］等需求的推動(dòng)，高精度、深度、大口徑(米級(jí))非球面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)與加工得到迅速發(fā)展［10］。目前的制造工藝已經(jīng)可以加工出面形誤差PV值低于10 nm的非球面光學(xué)元件，然而相應(yīng)的面形檢測(cè)技術(shù)卻沒(méi)能發(fā)揮指導(dǎo)加工和檢驗(yàn)的作用，因而非球面光學(xué)元件的面形檢測(cè)已經(jīng)成為限制非球面面形誤差進(jìn)一步減小的重要因素，是制約非球面加工技術(shù)和擴(kuò)大非球面應(yīng)用規(guī)模的關(guān)鍵所在。

本文對(duì)不同加工階段非球面光學(xué)元件的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分類和歸納，分析了各種檢測(cè)方法的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)制約非球面面形精度進(jìn)一步提高的干涉檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行介紹。針對(duì)大口徑及深度非球面面形檢測(cè)時(shí)遇到的問(wèn)題和解決方案提煉出組合干涉法的概念，并簡(jiǎn)要介紹了自由曲面的檢測(cè)技術(shù)?？偨Y(jié)了21世紀(jì)以來(lái)非球面光學(xué)元件面形檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展，分析展望了非球面面形檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 非球面面形檢測(cè)技術(shù)

非球面光學(xué)元件的加工方法有很多，其中應(yīng)用最多的是適于加工高精度、大口徑、深度非球面的去除加工法［11］。非球面去除加工法的工藝過(guò)程主要分為研磨、粗拋光和精密拋光3個(gè)階段，各階段的面形加工精度依次提高，檢測(cè)方法也有所不同，如圖1所示。

圖1 非球面去除加工法各階段面形檢測(cè)技術(shù)Fig.1 Aspheric testing technology for every stage of the removal processing method

在研磨期，非球面與其理論面形的偏差很大，一般采用普通的接觸式輪廓儀(測(cè)量精度PV值約為1 μm)［12］對(duì)其面形進(jìn)行初步檢測(cè)。在研磨后期以及粗拋光階段，非球面表面與理想面形之間仍存在較大偏差，但接觸式輪廓儀等方法由于容易劃傷元件表面，且精度受限，已無(wú)法滿足加工要求。同時(shí)，由于此時(shí)非球面元件表面的反射率較低，因此可以利用激光跟蹤儀［13］或非接觸式Shack-Hartmann 波前傳感器法［14］、Ronchi光柵法［15］等對(duì)其面形進(jìn)行測(cè)量。精密拋光階段的非球面表面光滑，具有較好的反射率，其與理論面形之間的誤差較小，主要采用非接觸的干涉法進(jìn)行面形檢測(cè)［16］。

2.1 接觸式檢測(cè)

非球面面形的接觸式檢測(cè)主要應(yīng)用在非球面加工的研磨和粗拋光階段，一般可采用輪廓儀法［13，17-18］和激光跟蹤儀檢測(cè)法。特別是對(duì)于研磨階段的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面來(lái)說(shuō)，輪廓儀測(cè)量是一種快捷、經(jīng)濟(jì)、有效的檢測(cè)手段［19］。

輪廓儀的研究歷史較早，是較成熟的一種非球面面形檢測(cè)方法［20］。它利用高精度控制系統(tǒng)控制探針的移動(dòng)，掃描整個(gè)非球面表面，獲取全口徑多個(gè)離散點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而得到面形誤差。2009年，美國(guó)Arizona大學(xué)光學(xué)中心研制的擺臂式輪廓掃描儀(如圖2所示)在檢測(cè)口徑1 m量級(jí)的大口徑非球面時(shí)，檢測(cè)精度高達(dá)9 nm RMS［21］。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研發(fā)的接觸式三坐標(biāo)輪廓測(cè)量?jī)x在檢測(cè)口徑1 m范圍內(nèi)的非球面光學(xué)元件時(shí)，面形測(cè)量精度可達(dá)到0.2 μm RMS［12］。輪廓儀法在測(cè)量非球面面形過(guò)程中無(wú)需輔助裝置和元件，操作簡(jiǎn)單，還可以同時(shí)測(cè)得非球面頂點(diǎn)球的曲率半徑［22］，并且也適用于大陡度非球面，因而目前在非球面加工初期的檢測(cè)中應(yīng)用較多。然而由于其基于單點(diǎn)掃描，測(cè)量時(shí)間一般較長(zhǎng)，測(cè)量精度也受到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)很大的影響，同時(shí)探針的接觸也會(huì)損傷元件表面，所以要得到更高精度的檢測(cè)結(jié)果比較困難。

圖2 Arizona擺臂式輪廓儀實(shí)物圖Fig.2 Picture of swing-arm profilometer at Arizona

為了快速檢測(cè)研磨和粗拋光階段以及中低準(zhǔn)確度的非球面面形，考慮到該階段非球面面形誤差大、表面光潔度不夠好的特點(diǎn)，2012年中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所提出利用激光跟蹤儀檢測(cè)非球面面形的方法［13］，測(cè)量裝置如圖3所示。激光跟蹤儀通過(guò)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角編碼器和一個(gè)激光測(cè)距系統(tǒng)來(lái)跟蹤和測(cè)量靶標(biāo)球的位置，標(biāo)靶球與被測(cè)非球面的表面進(jìn)行多點(diǎn)接觸，就可以測(cè)得接觸點(diǎn)在跟蹤儀系統(tǒng)坐標(biāo)下的坐標(biāo)值。將測(cè)量結(jié)果與事先建立的CAD被測(cè)非球面模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，最終得到非球面的面形分布。

圖3 激光跟蹤儀檢測(cè)非球面面形實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental apparatus for the aspheric surfacetesting with a laser tracker

分析表明，將激光跟蹤儀與被測(cè)非球面之間的距離控制在2 m以內(nèi)時(shí)，測(cè)量誤差可控制在3 μm以下。對(duì)口徑為420 mm×270 mm的離軸雙曲面進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，其面形PV值優(yōu)于1λ。激光跟蹤儀無(wú)需其他輔助元件就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面面形的直接測(cè)量，數(shù)據(jù)處理運(yùn)算相對(duì)簡(jiǎn)單，耗時(shí)短、成本低。

總的來(lái)說(shuō)，由于接觸式非球面面形檢測(cè)技術(shù)采用單點(diǎn)掃描，效率較低，采樣點(diǎn)有限，檢測(cè)精度受到限制，且探針或探頭容易損傷元件表面，故只適用于研磨期非球面鏡的檢測(cè)。

2.2 非接觸式檢測(cè)

非球面光學(xué)元件處于拋光階段時(shí)，宜采用非接觸式的檢測(cè)方法。尤其對(duì)于精細(xì)拋光的非球面元件，其加工精度可達(dá)10 nm［23］，對(duì)其進(jìn)行面形誤差測(cè)量屬于高精度面形檢測(cè)，需要采用更高精度的檢測(cè)技術(shù)。近年來(lái)各個(gè)領(lǐng)域?qū)Υ罂趶郊吧疃确乔蛎婀鈱W(xué)元件的需求不斷擴(kuò)大，如何高效、精確地檢測(cè)大口徑深度非球面元件成為光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域需要突破的新難題。

非球面光學(xué)元件的非接觸式檢測(cè)方法可以大致歸納為幾何光線法和干涉法［13］，如圖4所示。

幾何光線法是指基于幾何光學(xué)原理對(duì)非球面面形進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)，例如刀口陰影法、光闌法、Hartmann、Shack-Hartmann波前傳感器法、Ronchi光柵法和激光掃描法等［12，24］。干涉法檢測(cè)技術(shù)又可以分為零位干涉和非零位干涉兩類，是目前精密拋光后高精度非球面面形檢測(cè)的主要方法。

圖4 非球面光學(xué)元件的非接觸式檢測(cè)方法Fig.4 Non-contact testing methods for optical aspheric surface

2.2.1 幾何光線法

圖5 Shack-Hartmann波前傳感器的原理示意圖Fig.5 Sensing principle of Shack-Hartmann wavefront sensor

1900年，德國(guó)天體物理學(xué)家Johannes Hartmann提出了哈特曼檢測(cè)方法，Shack-Hartmann波前傳感器檢測(cè)技術(shù)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。其傳感原理如圖5所示，通過(guò)分析各微透鏡成像光斑相對(duì)參考位置的偏移來(lái)獲得待測(cè)波前的信息。該方法主要用于對(duì)研磨后期和粗拋光期的非球面元件進(jìn)行定量檢測(cè)，銜接了輪廓儀與干涉法的面形誤差測(cè)量范圍［12］。2012年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所采用這種方法對(duì)研磨后期和拋光后期的離軸非球面分別進(jìn)行了面形檢測(cè)［14］，PV值約為0.2λ。該方法在檢測(cè)過(guò)程中無(wú)需借助其他輔助元件，具有較大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，但該技術(shù)的檢測(cè)精度直接受到微透鏡陣列制造精度的影響，面形空間分辨率受限于子透鏡的數(shù)目和分布。此外，當(dāng)被測(cè)非球面的相對(duì)口徑和非球面度較大時(shí)，測(cè)量光線將無(wú)法返回傳感器，導(dǎo)致檢測(cè)失敗。

另一種典型的幾何光線法為激光掃描法［24］。該方法利用激光束對(duì)非球面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，探測(cè)器接收由被測(cè)面反射的光線，根據(jù)光斑的不同位置擬合各點(diǎn)數(shù)據(jù)得到表面面形。針對(duì)不同類型的非球面可選擇采用平移法、轉(zhuǎn)動(dòng)法和平移轉(zhuǎn)動(dòng)法進(jìn)行測(cè)量［25］，分別如圖6(a)、(b)、(c)所示。

圖6 激光掃描法測(cè)量非球面原理圖Fig.6 Principle diagram of testing asphere with laser scanning method

理論上該方法的通用性很強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種非球面光學(xué)元件的絕對(duì)測(cè)量。2010年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出超精密回轉(zhuǎn)掃描檢測(cè)樣機(jī)，可以對(duì)口徑為500 mm的近平面非球面進(jìn)行檢測(cè)［26］。這種檢測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制精度、空氣擾動(dòng)和準(zhǔn)直激光的穩(wěn)定性等要求很高，檢測(cè)范圍受CCD接收面尺寸的限制。近十年來(lái)關(guān)于這種檢測(cè)技術(shù)的研究和報(bào)道并不多，北京理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)僅對(duì)樣板球面、近球面或近平面的非球面元件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性檢測(cè)。

除了上述兩種幾何光線法外，陰影法，具有悠久發(fā)展和應(yīng)用歷史的刀口法、光闌法以及Ronchi光柵法等也有很多應(yīng)用［5，24］。傳統(tǒng)陰影法通過(guò)觀察陰影圖的分布，憑經(jīng)驗(yàn)主觀判斷被測(cè)非球面的缺陷部位和缺陷程度。陰影法的檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，檢測(cè)速度快、靈敏度較高，且檢測(cè)現(xiàn)象直觀有效，適合于加工現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)［13］。但傳統(tǒng)陰影法無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量，對(duì)陰影圖的判讀也依賴于經(jīng)驗(yàn)積累，主觀性很強(qiáng)，不利于非球面元件的后續(xù)拋光加工，且刀口法和光闌法僅限于二次曲面的面形檢測(cè)，諸多原因?qū)е略摲椒ǖ膽?yīng)用受到很大限制。

然而，隨著近十幾年計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，一些傳統(tǒng)定性檢測(cè)的陰影法也逐漸用于定量測(cè)量。2011年，南京理工大學(xué)研制了數(shù)字刀口儀，將刀口檢測(cè)技術(shù)定量化，并應(yīng)用于非球面面形檢測(cè)［27］。用該數(shù)字刀口儀對(duì)一個(gè)口徑為80 mm的近球面拋物面進(jìn)行檢測(cè)，獲得了與干涉檢測(cè)技術(shù)相當(dāng)?shù)臏y(cè)量靈敏度，且不需要其他輔助元件。然而利用刀口法檢測(cè)二次曲面時(shí)，需要測(cè)量大量環(huán)帶光線的位置，既費(fèi)時(shí)又面臨精確定位難等實(shí)際工程問(wèn)題。

圖7 Ronchi光柵測(cè)量系統(tǒng)光路示意圖Fig.7 Light path diagram of the Ronchi grating measurement system

Ronchi光柵檢測(cè)法具有制作簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)。其檢測(cè)光路示意圖如圖7所示，將一個(gè)Ronchi光柵放置在待測(cè)鏡曲率中心附近，光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)光柵被待測(cè)鏡反射，通過(guò)分析由此產(chǎn)生的光柵像與原光柵所產(chǎn)生的莫爾條紋的形狀，即可得到被測(cè)面的面形誤差。2007年中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所提出了Ronchi光柵的定量檢測(cè)方法［15］。通過(guò)調(diào)節(jié)Ronchi光柵的頻率從而調(diào)整檢測(cè)靈敏度。當(dāng)誤差較大時(shí)使用低頻Ronchi板，并且隨著加工過(guò)程中非球面面形誤差的減小，逐漸改用高頻光柵，以對(duì)2～200 μm的面形誤差進(jìn)行檢測(cè)，具有很大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。通過(guò)選擇合適的光柵頻率，可以同Shack-Hartmann波前傳感器一樣用來(lái)檢測(cè)研磨后期和拋光階段的非球面光學(xué)元件，銜接了輪廓儀和干涉法的測(cè)量范圍。

由于目前干涉法的檢測(cè)精度已經(jīng)很高，技術(shù)也比較成熟，多用于精密拋光期非球面光學(xué)元件的面形檢測(cè)，因此幾何光線法定量測(cè)量主要作為非球面研磨后期及粗拋光階段的面形檢測(cè)方法。

2.2.2 干涉法

非球面光學(xué)元件處于加工的研磨和粗拋光期時(shí)面形誤差較大，一般在微米或亞微米量級(jí)，采用傳統(tǒng)的輪廓儀法、Shack-Hartmann波前傳感器法或Ronchi光柵法等就完全可以滿足檢測(cè)要求。隨著各領(lǐng)域?qū)Ω呔?、大口徑、深度非球面的需求以及非球面超精密拋光技術(shù)的發(fā)展，以上非球面面形檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿足檢測(cè)需要。例如離子束拋光機(jī)可以加工口徑為400 mm的工件，PV值為6.9 nm的精度［28］，利用美國(guó)QED技術(shù)公司生產(chǎn)的基于磁流變拋光(MRF)技術(shù)的拋光機(jī)可以將非球面面形誤差加工至 PV值優(yōu)于10 nm［23］。超精密拋光后的非球面光學(xué)元件面形誤差只有幾十甚至幾個(gè)納米，遠(yuǎn)小于1微米量級(jí)。針對(duì)這一類非球面元件的面形檢測(cè)需要采用具有更高精度的干涉法檢測(cè)技術(shù)。

非球面光學(xué)元件的干涉法檢測(cè)能夠提供精確的全視場(chǎng)表面輪廓面形信息，是目前非球面高精度檢測(cè)的主要方法，有望突破高精度大口徑深度非球面的面形檢測(cè)難題。

3 干涉法非球面面形檢測(cè)技術(shù)

干涉法非球面面形檢測(cè)技術(shù)具有高分辨率、高準(zhǔn)確度、高靈敏度和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)［13］，已成為精密拋光階段面形誤差的主要檢測(cè)方法。如圖8所示，干涉法可以大致分為零位法、非零法和組合法。其中零位干涉技術(shù)需要對(duì)不同參數(shù)的非球面元件設(shè)計(jì)專門的零位補(bǔ)償器，常用的檢測(cè)方法有無(wú)像差點(diǎn)法、補(bǔ)償鏡法和計(jì)算全息法等。非零位干涉檢測(cè)技術(shù)的通用性更強(qiáng)，包括亞奈奎斯特法(欠采樣法)、長(zhǎng)波長(zhǎng)干涉法、雙波長(zhǎng)干涉法、高密度探測(cè)器法、剪切干涉法、子孔徑拼接干涉法和部分零位補(bǔ)償干涉法等。其中我國(guó)各研究機(jī)構(gòu)在長(zhǎng)波長(zhǎng)干涉、剪切干涉、子孔徑拼接干涉和部分零位補(bǔ)償干涉等技術(shù)的研究中取得了不錯(cuò)的成果。將零位法及非零位法中的兩種或多種檢測(cè)方法相結(jié)合進(jìn)行非球面的面形測(cè)量，稱為組合干涉技術(shù)，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)更大參數(shù)范圍非球面的面形測(cè)量，擁有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

圖8 干涉法非球面光學(xué)元件面形檢測(cè)技術(shù)Fig.8 Technology of testing aspheric surface with interference method

3.1 零位干涉技術(shù)

零位干涉法的基本思想是通過(guò)設(shè)計(jì)補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)與位置來(lái)完全補(bǔ)償被測(cè)非球面理論形狀的法線像差，將入射平面或球面波轉(zhuǎn)化成與被測(cè)非球面理想面形一致的波前，通過(guò)分析由被測(cè)非球面反射的波前與參考波前產(chǎn)生的干涉條紋從而得到非球面的面形誤差信息。當(dāng)被測(cè)件不存在面形誤差且檢測(cè)系統(tǒng)理想裝調(diào)時(shí)，探測(cè)器得到的將是零條紋或等間隔的直條紋。零位補(bǔ)償干涉技術(shù)的發(fā)展歷史悠久、檢測(cè)精度高、可靠性強(qiáng)，其測(cè)量結(jié)果具有權(quán)威性，一般作為非球面光學(xué)元件檢測(cè)結(jié)果的對(duì)照基準(zhǔn)。下面將重點(diǎn)分析零位干涉技術(shù)中常用的無(wú)像差點(diǎn)法、補(bǔ)償鏡法以及計(jì)算全息法測(cè)量非球面的面形誤差。

3.1.1 無(wú)像差點(diǎn)法

無(wú)像差點(diǎn)法［29］利用了二次曲面光學(xué)共軛點(diǎn)的性質(zhì)，借助平面或球面反射鏡的輔助完成對(duì)非球面面形的檢測(cè)，僅限于測(cè)量二次曲面非球面。以拋物面為例，其焦點(diǎn)和無(wú)窮遠(yuǎn)處互為共軛點(diǎn)，由拋物面焦點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)拋物面反射后成像于無(wú)窮遠(yuǎn)處。若將一中間帶孔的輔助平面反射鏡置于凹拋物面鏡的焦點(diǎn)附近，如圖9(a)所示，那么由焦點(diǎn)處點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)拋物面反射后成為平行光，再由輔助平面反射鏡反射后沿原路返回干涉儀，形成零位檢測(cè)。圖9(b)是利用Hindle球面反射鏡檢測(cè)凸拋物面的光路圖。同樣，對(duì)于雙曲面和橢球面來(lái)說(shuō)，其兩個(gè)焦點(diǎn)互為共軛點(diǎn)，從其中一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)非球面反射后將匯聚于另一個(gè)焦點(diǎn)處。合理設(shè)計(jì)輔助反射鏡的尺寸及位置，就可以與待測(cè)二次曲面組成自準(zhǔn)直系統(tǒng)，進(jìn)而利用干涉儀完成零位檢測(cè)。

圖9 無(wú)像差點(diǎn)法檢測(cè)拋物面光路圖Fig.9 Hindle arrangement for testing paraboloid

無(wú)像差點(diǎn)法測(cè)量方便，檢測(cè)精度也很高，是二次曲面面形檢測(cè)的一種基準(zhǔn)方法。但該方法對(duì)輔助反射鏡的面形精度和裝調(diào)精度要求很高，通用性不強(qiáng)［30］。當(dāng)被測(cè)二次曲面口徑增大時(shí)，輔助反射鏡的尺寸相應(yīng)變大，往往是被測(cè)鏡的若干倍，而大口徑平面或球面反射鏡在加工上，成本也較高［12］。此外，輔助鏡通常中間帶孔，無(wú)法一次性完成對(duì)二次曲面的全口徑檢測(cè)。

3.1.2 補(bǔ)償鏡法

補(bǔ)償鏡法［29，31］是一種以補(bǔ)償鏡作為輔助元件，通過(guò)完全補(bǔ)償非球面的法線像差產(chǎn)生與理想非球面形狀一致的波前，進(jìn)而對(duì)非球面進(jìn)行面形檢測(cè)的技術(shù)。根據(jù)測(cè)量環(huán)境的不同可以選擇不同形式的干涉系統(tǒng)，如泰曼-格林干涉儀或點(diǎn)衍射干涉系統(tǒng)［32］等。檢測(cè)時(shí)，補(bǔ)償鏡和被測(cè)非球面同時(shí)置于干涉儀的測(cè)量臂，入射平面波或球面波經(jīng)過(guò)補(bǔ)償鏡后成為與被測(cè)非球面理論形狀完全匹配的波前，即若被測(cè)面不存在面形誤差且光路精確校準(zhǔn)，則入射到被測(cè)元件表面的光線經(jīng)其反射后沿原路返回，并與參考波產(chǎn)生干涉形成零條紋。對(duì)于帶有面形誤差的非球面，通過(guò)處理干涉圖的條紋信息，就可以高精度地檢測(cè)出被測(cè)非球面的面形。

圖10 補(bǔ)償鏡法檢測(cè)非球面光路圖Fig.10 Light path diagram of aspheric compensation null test

常用的零位補(bǔ)償鏡有 Dall補(bǔ)償鏡［33］和Offner補(bǔ)償鏡［34-35］等。Dall補(bǔ)償鏡是一種平凸型透鏡，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易，能夠?qū)χ械纫韵孪鄬?duì)孔徑的非球面提供足夠的補(bǔ)償，檢驗(yàn)光路如圖10(a)所示。Offner補(bǔ)償鏡則是由兩片或多片透鏡組合而成，包含補(bǔ)償鏡和場(chǎng)鏡兩部分，應(yīng)用最廣，有反射式和折射式兩種。由于折射式在光路中更容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，因此一般多采用折射式結(jié)構(gòu)［12］。使 用 Offner補(bǔ) 償 鏡 的 檢 測(cè) 光 路 如圖10(b)所示，補(bǔ)償鏡將點(diǎn)光源成像到被測(cè)非球面的頂點(diǎn)曲率中心，場(chǎng)鏡再把補(bǔ)償鏡成像到被測(cè)面上。該透鏡組將入射波前轉(zhuǎn)換成被測(cè)非球面的理想表面形狀，通過(guò)分析干涉圖樣從而得到被測(cè)非球面的面形誤差。Offner補(bǔ)償鏡的結(jié)構(gòu)比Dall補(bǔ)償鏡復(fù)雜，加工和裝調(diào)相對(duì)困難，但它能夠很好地補(bǔ)償大相對(duì)孔徑非球面［35］。2010年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所針對(duì)深極紫外投影光刻物鏡中的非球面檢測(cè)設(shè)計(jì)了口徑在30～40 mm之間改進(jìn)的3片式Offner補(bǔ)償鏡，測(cè)量了含有大于或等于四階系數(shù)的大非球面度高次非球面，偏離量在亞毫米量級(jí)［32］。

一般來(lái)說(shuō)，補(bǔ)償鏡法檢測(cè)凹面鏡時(shí)所用的補(bǔ)償鏡口徑相對(duì)被測(cè)面來(lái)說(shuō)要小得多，并且補(bǔ)償鏡的表面形狀基本為平面和球面，容易加工至很高的精度，因此補(bǔ)償鏡法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大口徑凹非球面光學(xué)元件的高精度檢測(cè)，精度可達(dá)約λ/100，其測(cè)量結(jié)果常常作為非球面面形檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。但補(bǔ)償法仍然存在一些不足，比如補(bǔ)償鏡的設(shè)計(jì)難度大［36-37］，對(duì)補(bǔ)償鏡的加工、校準(zhǔn)以及檢測(cè)系統(tǒng)的裝調(diào)等要求都非常高，測(cè)量中存在難以去除的裝調(diào)和制造誤差。針對(duì)不同參數(shù)的非球面需要專門設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償鏡，該方法不具備通用性。當(dāng)被測(cè)面為凸非球面時(shí)，補(bǔ)償鏡的口徑將大于被測(cè)面口徑，增加了檢測(cè)成本。

3.1.3 計(jì)算全息法

零位干涉技術(shù)的另一種常用方法為計(jì)算全息法，這種方法利用衍射光學(xué)元件，即計(jì)算產(chǎn)生全息圖(Computer-Generated Holograms，CGH)將入射波的某一衍射級(jí)次轉(zhuǎn)化成與理想被測(cè)面形狀匹配的波前起到與補(bǔ)償鏡類似的作用，進(jìn)而完成對(duì)非球面面形誤差的零位檢測(cè)，圖11給出CGH的一種圖樣。

圖11 CGH的一種圖樣Fig.11 A pattern of CGH

計(jì)算全息法法最早于 1971年由 A.J.MacGovern和J.C.Wyant首次應(yīng)用于非球面檢測(cè)領(lǐng)域［38］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，制作高精度(優(yōu)于λ/100)、高衍射效率的計(jì)算全息圖成為現(xiàn)實(shí)，使得此項(xiàng)技術(shù)得到了廣泛研究與應(yīng)用。根據(jù)CGH干板在檢測(cè)系統(tǒng)中所處位置的不同，計(jì)算全息法可以有兩種光路結(jié)構(gòu)，即CGH干板位于觀察空間和檢測(cè)空間［12］，分別如圖12(a)和12(b)所示，干涉系統(tǒng)可根據(jù)具體需要進(jìn)行選擇。

圖12 計(jì)算全息法檢測(cè)非球面光路圖Fig.12 Light path diagram for testing asphere with CGH

當(dāng)CGH干板位于觀察空間時(shí)，發(fā)生干涉的為被測(cè)波前的0級(jí)衍射光和參考波前的+1級(jí)衍射光，或被測(cè)波前的－1級(jí)衍射光和參考波前的0級(jí)衍射光。由于發(fā)生干涉的兩束光只經(jīng)過(guò)CGH干板一次，所以對(duì)CGH本身玻璃基板的精度要求不高，但其難以作為整體的一部分密封到儀器中。當(dāng)CGH干板位于檢測(cè)空間時(shí)，參考波前不經(jīng)過(guò)CGH而被測(cè)波前經(jīng)過(guò)兩次，其產(chǎn)生的衍射級(jí)次可以有多種組合，通常情況下選用－1級(jí)和+1級(jí)衍射光的組合作為被測(cè)波前。采用這種光路結(jié)構(gòu)可以達(dá)到與Offner補(bǔ)償鏡相當(dāng)?shù)臋z測(cè)精度，但為了使一級(jí)衍射光斑與二級(jí)衍射光斑完全分離，需要在制作CGH干板時(shí)加入大于入射波前斜率最大值至少3倍的傾斜載頻，對(duì)條紋刻線的要求十分嚴(yán)格。由于被測(cè)波前兩次經(jīng)過(guò)CGH干板，因此對(duì)CGH基板的質(zhì)量要求也很高，CGH的制作難度較大。目前，美國(guó) Diffraction International和德國(guó)Jenoptik等公司可以提供成熟的CGH商品。美國(guó)Arizona大學(xué)在使用CGH法檢測(cè)大型天文望遠(yuǎn)鏡的研究中位于世界前列，德國(guó)斯圖加特大學(xué)以及我國(guó)中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所［39］、長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所［40］、北京理工大學(xué)［41］、南京理工大學(xué)［42］等單位都對(duì)此開展了研究。2008年成都光電所利用計(jì)算全息法對(duì)口徑為152 mm的拋物面進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)得面形誤差 PV值為0.406λ［39］;2012 年，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所利用計(jì)算全息零位補(bǔ)償法對(duì)一個(gè)口徑為468 mm×296 mm、離軸量為25.3 mm的離軸碳化硅雙曲面進(jìn)行了測(cè)量，得到面形誤差PV值為0.148λ［40］。

在制作計(jì)算產(chǎn)生全息圖時(shí)，并不需要有被測(cè)非球面的實(shí)體，理論上就可以得到能夠產(chǎn)生任意形狀波前與被測(cè)非球面進(jìn)行匹配的CGH干板。該方法測(cè)量速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在測(cè)量凹非球面光學(xué)元件時(shí)，所用CGH干板的尺寸小于被測(cè)面，且可以達(dá)到與Offner補(bǔ)償器檢測(cè)精度相當(dāng)?shù)男Ч?。CGH干板的對(duì)準(zhǔn)通?？梢酝ㄟ^(guò)在主全息周圍加工輔助對(duì)準(zhǔn)全息來(lái)完成，但是，當(dāng)被測(cè)面為深度、大偏離量的非球面時(shí)，全息圖的線紋頻率會(huì)非常高，其實(shí)際制作無(wú)法實(shí)現(xiàn)，對(duì)大口徑和非對(duì)稱計(jì)算全息板的制作也存在困難。CGH干板與不同參數(shù)非球面之間一一對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償關(guān)系使得計(jì)算全息法不具備通用性，尤其在測(cè)量大型天文望遠(yuǎn)鏡時(shí)，檢測(cè)成本較高［5］。

3.2 非零位干涉技術(shù)

零位法通過(guò)設(shè)計(jì)補(bǔ)償器完全補(bǔ)償理想非球面的法線像差來(lái)實(shí)現(xiàn)面形誤差的零位檢測(cè)，該方法測(cè)量精度很高，是目前非球面面形檢測(cè)的參照基準(zhǔn)。但是零位檢測(cè)需要針對(duì)不同參數(shù)非球面設(shè)計(jì)相應(yīng)的零位補(bǔ)償器，并不具有通用性，而且導(dǎo)致檢測(cè)成本增加，測(cè)量周期延長(zhǎng)。此外，該方法對(duì)系統(tǒng)的裝調(diào)精度要求較高，補(bǔ)償器自身精度的檢測(cè)也是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。當(dāng)需要測(cè)量大口徑、深度非球面光學(xué)元件時(shí)，零位法還面臨著輔助反射鏡尺寸變大，成本高昂，補(bǔ)償鏡設(shè)計(jì)和裝調(diào)困難以及計(jì)算全息板線紋頻率過(guò)大引入中高頻誤差且難以制作等問(wèn)題。

針對(duì)以上零位補(bǔ)償干涉技術(shù)的不足，為了擴(kuò)大非球面檢測(cè)的通用性以及提高系統(tǒng)檢測(cè)大口徑、深度非球面的能力，許多單位開展了對(duì)非球面非零位干涉檢測(cè)技術(shù)的研究。非零位法在檢測(cè)非球面時(shí)不需要完全補(bǔ)償被測(cè)面的全部法線像差［43］，即使被測(cè)非球面不存在面形誤差且系統(tǒng)精確校準(zhǔn)，干涉儀的探測(cè)器上依然不能得到零位干涉條紋［44］，檢測(cè)系統(tǒng)存在固有回程誤差［45］，干涉圖樣并不直接反映被測(cè)面的面形誤差信息。通常檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍取決于待檢波前的位相斜率，波前位相斜率越大，干涉條紋越密集，各種非零位干涉檢測(cè)方法基本都是圍繞如何降低待測(cè)波前位相斜率或提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍提出的。

如圖8所示，非零位干涉檢測(cè)方法主要有亞奈奎斯特法［46］、長(zhǎng)波長(zhǎng)干涉法［47］、雙波長(zhǎng)干涉法、高密度探測(cè)器法、剪切干涉法［48］、子孔徑拼接法以及部分補(bǔ)償干涉法［49］等。其中亞奈奎斯特法、長(zhǎng)波長(zhǎng)法、雙波長(zhǎng)法等，都是通過(guò)采取某種手段降低檢測(cè)靈敏度來(lái)滿足分辨非球面偏離量的要求，測(cè)量精度相對(duì)較低［16］。用剪切干涉法檢測(cè)非球面時(shí)不需要標(biāo)準(zhǔn)參考波面，通過(guò)剪切發(fā)生裝置將待測(cè)波前分成帶有錯(cuò)位量的兩個(gè)波前并產(chǎn)生干涉，通過(guò)處理干涉條紋得到面形誤差。剪切干涉法的檢測(cè)靈敏度可調(diào)，但干涉圖并不直接體現(xiàn)波面形狀，不夠直觀，數(shù)據(jù)處理也較復(fù)雜。高密度探測(cè)器法通過(guò)增加探測(cè)器的密度來(lái)擴(kuò)大系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，造價(jià)較高，響應(yīng)速度和信噪比等性能也不如普通探測(cè)器，對(duì)機(jī)械振動(dòng)和空氣擾動(dòng)較普通探測(cè)器更為敏感［16］，當(dāng)波前位相斜率過(guò)大時(shí)誤差增大，導(dǎo)致系統(tǒng)檢測(cè)精度降低［50］。子孔徑拼接法和部分補(bǔ)償法是既可以保證非球面光學(xué)元件的面形檢測(cè)精度，又能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)非球面檢測(cè)通用化，還可以向大口徑、深度非球面檢測(cè)領(lǐng)域延伸的兩種具有強(qiáng)大生命力的檢測(cè)技術(shù)，在最近十幾年中受到了廣泛關(guān)注。

3.2.1 子孔徑拼接法

子孔徑拼接的概念最早于1982年由美國(guó)Arizona大學(xué)光學(xué)中心的 C.J.Kim 和 J.C.Wyant提出［51］，隨后Arizona大學(xué)又提出了利用環(huán)形子孔徑拼接進(jìn)行非球面檢測(cè)的方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。盡管非球面光學(xué)元件可能會(huì)在全口徑范圍內(nèi)具有較大的非球面度，但對(duì)于局部小區(qū)域來(lái)說(shuō)卻可以將非球面度大大降低。子孔徑拼接法將被測(cè)非球面劃分為若干個(gè)子孔徑，分別用不同曲率半徑的球面波進(jìn)行匹配，使每個(gè)子孔徑內(nèi)返回的波前位相斜率都處于系統(tǒng)檢測(cè)范圍之內(nèi)，最后通過(guò)拼接算法從各子孔徑干涉數(shù)據(jù)中恢復(fù)出全口徑面形誤差。常用的非球面子孔徑拼接檢測(cè)技術(shù)主要有圓形子孔徑拼接和環(huán)形子孔徑拼接兩種。

圓形子孔徑拼接是將被測(cè)非球面劃分為若干個(gè)圓形子區(qū)域，相鄰子區(qū)域之間包含最好超過(guò)子孔徑面積1/4的重疊區(qū)［52］，如圖13給出將全口徑非球面劃分為9個(gè)子孔徑的劃分示意圖。

圖13 圓形子孔徑劃分示意圖Fig.13 Schematic drawing of dividing the asphere with nine circular subapertures

選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)球通過(guò)小口徑干涉儀產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)球面波匹配各子區(qū)域，調(diào)整干涉儀與被測(cè)非球面之間的相對(duì)位置，就可以得到各子孔徑內(nèi)的干涉信息，如圖14所示。

圖14 圓形子孔徑拼接干涉法檢測(cè)非球面面形示意圖Fig.14 Schematic drawing of testing aspheric surface by circular subaperture stitching interferometry

拼接算法利用重疊區(qū)數(shù)據(jù)相等的特點(diǎn)可以將各子孔徑的數(shù)據(jù)拼接到一起，進(jìn)而恢復(fù)出被測(cè)非球面的全口徑面形。2003年，美國(guó)QED技術(shù)公司采用圓形子孔徑拼接的方法成功研制出自動(dòng)拼接干涉儀(Subaperture Stitching Interferometer，SSI)［53］，它使用計(jì)算機(jī)控制的6軸精密調(diào)節(jié)平臺(tái)，可以方便地以較高精度控制被測(cè)面相對(duì)小口徑干涉儀運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)趶綖?00 mm以內(nèi)的平面和球面光學(xué)元件進(jìn)行面形自動(dòng)拼接檢測(cè)。2006年，該公司又繼續(xù)推出升級(jí)產(chǎn)品SSIA，實(shí)現(xiàn)了對(duì)口徑為200 mm以內(nèi)、與最佳球最大偏離量200λ(約120 μm)的非球面高精度面形檢測(cè)，測(cè)量精度接近1/10λ，橫向分辨率較傳統(tǒng)測(cè)量提高3倍以上［54-56］。圖15(a)為 SSIA的產(chǎn)品實(shí)物圖，圖15(b)表示了SSIA拼接測(cè)量被測(cè)面的檢測(cè)步驟。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所利用圓形子孔徑拼接干涉法對(duì)通光口徑最大350 mm的雙曲面進(jìn)行了檢測(cè)。此外，國(guó)防科技大學(xué)［57］、哈爾濱工業(yè)大學(xué)［58］、四川大學(xué)［59］等單位也對(duì)子孔徑拼接干涉開展了深入研究。

圖15 QED公司的SSIA子孔徑拼接干涉儀Fig.15 SSIA of QED Technologies

圓形子孔徑拼接干涉法拓寬了干涉儀的橫向動(dòng)態(tài)范圍，投影畸變小［60］，無(wú)需其他輔助光學(xué)元件，還可用于測(cè)量非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，理論上能夠?qū)Υ罂趶椒乔蛎嬖澐指嗟淖涌讖絹?lái)進(jìn)行拼接檢測(cè)。但實(shí)際檢測(cè)大口徑非球面時(shí)，為了使子孔徑覆蓋整個(gè)被測(cè)面且保證一定比例的重疊區(qū)，子孔徑數(shù)目將達(dá)到幾十甚至上百個(gè)，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，還將引起誤差傳遞和積累等問(wèn)題［61］。該方法對(duì)調(diào)整機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的要求很高，需要對(duì)重疊區(qū)域做出精確擬合以保證測(cè)量精度［57，62］，尤其對(duì)相對(duì)口徑大、非球面度大的非球面來(lái)說(shuō)，精確調(diào)整干涉儀與被測(cè)非球面之間的相對(duì)位置對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

不同于圓形子孔徑拼接時(shí)干涉儀與被測(cè)非球面之間要有相對(duì)平移和角度旋轉(zhuǎn)的調(diào)整，環(huán)形子孔徑拼接法只需二者之間產(chǎn)生軸向相對(duì)位移即可。如圖16所示，環(huán)形子孔徑將非球面分成許多不同的環(huán)帶，每次干涉儀都重新聚焦以降低某一環(huán)帶的條紋密度，使其能夠被探測(cè)器所分辨［63］。

圖16 環(huán)形子孔徑拼接干涉法檢測(cè)非球面面形示意圖Fig.16 Schematic drawing of testing aspheric surface by annular subaperture stitching interferometry

一般的拼接算法要求各環(huán)帶疊加后能夠覆蓋非球面全口徑，并且相鄰環(huán)帶間要存在一定的重疊區(qū)，根據(jù)重疊區(qū)干涉數(shù)據(jù)相同的特點(diǎn)，利用拼接算法將各環(huán)形子孔徑的數(shù)據(jù)拼接起來(lái)，進(jìn)而獲得全口徑面形誤差。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所［60］、光電技術(shù)研究所［63］、浙江大學(xué)［20］、國(guó)防科技大學(xué)［62］和南京理工大學(xué)［9］等單位都對(duì)環(huán)形子孔徑拼接檢測(cè)非球面技術(shù)開展了大量研究，取得了較好的檢測(cè)效果。

另外一種基于環(huán)形子孔徑劃分概念檢測(cè)非球面的方法采用幾何算法重建全口徑面形誤差。雖然每次測(cè)量中檢測(cè)的是環(huán)形子孔徑數(shù)據(jù)，但面形重構(gòu)時(shí)并不需要以相鄰環(huán)帶重疊區(qū)域數(shù)據(jù)作為拼接基礎(chǔ)，而是根據(jù)幾何關(guān)系直接計(jì)算得到被測(cè)面各點(diǎn)的位置坐標(biāo)，從而獲得全口徑幾何面形。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這種方法屬于環(huán)形子孔徑掃描而非拼接。美國(guó)Zygo公司根據(jù)這一原理研制了一款環(huán)形子孔徑掃描干涉儀Verifire Asphere［64］，圖17為它的實(shí)物圖(a)和檢測(cè)結(jié)果三維圖(b)。該儀器由菲索型激光干涉儀和ZMI510位移干涉儀組成，可以對(duì)平面、球面和非球面進(jìn)行高精度測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和分析，可測(cè)量與最佳球之間的偏離最大為800 μm、形狀誤差最大約為10 μm的非球面［65］。

圖17 Zygo公司的Verifire Asphere子孔徑拼接干涉儀Fig.17 Verifire Asphere of Zygo Corporation

環(huán)形子孔徑拼接法適于測(cè)量中心遮攔的光學(xué)元件［66］。采用該方法掃描非球面時(shí)，只存在一維相對(duì)位移，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的要求相對(duì)圓形子孔徑要低，拼接算法也相對(duì)容易。檢測(cè)過(guò)程中不需要借助其他輔助元件，能夠很好地應(yīng)用于淺度大口徑非球面元件的測(cè)量［67］。但是環(huán)形子孔徑拼接技術(shù)僅適用于對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面的檢測(cè)，測(cè)量時(shí)要求相鄰環(huán)帶的重疊區(qū)域完全對(duì)應(yīng)，而且環(huán)帶半徑誤差和偏心誤差都會(huì)影響檢測(cè)精度［63］，所以環(huán)形子孔徑拼接法實(shí)際上對(duì)機(jī)械調(diào)整和控制的要求并不低。在檢測(cè)大口徑非球面時(shí)，位置調(diào)整則更是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)檢測(cè)深度、大相對(duì)孔徑的非球面時(shí)環(huán)帶數(shù)量將增加，環(huán)帶寬度降低，環(huán)帶過(guò)窄會(huì)導(dǎo)致重疊區(qū)面積減小，影響拼接精度，過(guò)多的環(huán)帶亦會(huì)造成拼合困難［16］。

子孔徑拼接檢測(cè)技術(shù)對(duì)口徑適中、非球面度不大的非球面具有很強(qiáng)的檢測(cè)通用性，還可以很好地應(yīng)用于離軸非球面的測(cè)量［68］。該方法在檢測(cè)過(guò)程中不需要其他輔助元件，測(cè)量成本低、速度快、精度高。然而，當(dāng)被測(cè)非球面的口徑或偏離量較大時(shí)，子孔徑數(shù)目將顯著增加，給拼接帶來(lái)困難。同時(shí)，測(cè)量過(guò)程需要依賴高精度機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，對(duì)硬件的要求很高。在測(cè)量深度非球面時(shí)，圓形子孔徑拼接法會(huì)使干涉儀與被測(cè)面之間存在很大的相對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)，對(duì)導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)的要求比環(huán)形子孔徑拼接法更高，而采用環(huán)形子孔徑拼接法將導(dǎo)致環(huán)帶過(guò)窄、重合區(qū)過(guò)小，影響拼接算法和檢測(cè)精度。

3.2.2 部分補(bǔ)償法

針對(duì)子孔徑拼接法檢測(cè)非球面時(shí)存在的問(wèn)題，部分補(bǔ)償法［49，56］通過(guò)采用部分零位補(bǔ)償鏡并輔以計(jì)算機(jī)建模，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑、深度非球面的高精度、通用化測(cè)量。零位補(bǔ)償鏡法要求補(bǔ)償鏡完全補(bǔ)償理想非球面的法線像差，對(duì)補(bǔ)償鏡的設(shè)計(jì)、加工和裝調(diào)要求非常高。部分補(bǔ)償法提出，補(bǔ)償鏡只需要補(bǔ)償被測(cè)非球面的大部分法線像差，使被測(cè)波前的位相斜率處于探測(cè)器可分辨范圍之內(nèi)即可。由于部分補(bǔ)償鏡并沒(méi)有完全補(bǔ)償非球面的法線像差，因此由被測(cè)非球面反射的光線并不能沿原路返回，檢測(cè)系統(tǒng)中存在固有回程誤差，即使系統(tǒng)良好裝調(diào)且非球面不存在面形誤差，探測(cè)器得到的也不是零位干涉條紋。

利用部分補(bǔ)償法得到的干涉信息并不直接反映非球面的面形形狀，因此不能簡(jiǎn)單地按照二倍關(guān)系對(duì)干涉條紋進(jìn)行處理［69-71］。為了從干涉條紋中準(zhǔn)確去除回程誤差的干擾從而獲得被測(cè)非球面的真正面形，必須借助計(jì)算機(jī)建立理論檢測(cè)模型并進(jìn)行光線追跡，得到理想非球面情況下回程誤差對(duì)干涉條紋圖樣的影響，并將理論干涉圖樣與實(shí)際圖樣進(jìn)行對(duì)比分析，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行逆向迭代優(yōu)化［49］或理論參考波前相減［72］等算法處理，從實(shí)際探測(cè)到的干涉信息中去除固有回程誤差，最終重建出被測(cè)面的面形。計(jì)算機(jī)重建被測(cè)面面形誤差算法是部分補(bǔ)償法檢測(cè)非球面非常重要的環(huán)節(jié)，其中理論參考波前相減法的適用范圍有限，僅對(duì)非球面面形誤差較小的被測(cè)面有較高檢測(cè)精度。當(dāng)被測(cè)面的面形誤差過(guò)大時(shí)，這種方法將難以準(zhǔn)確重構(gòu)出面形信息，精度相對(duì)較低。逆向迭代優(yōu)化算法則是一種較通用的重建方法，一般情況下能夠很好地去除回程誤差的影響進(jìn)而重建出面形信息，對(duì)面形誤差大的被測(cè)面依然有效，精度很高，但該方法的數(shù)據(jù)處理速度相對(duì)理論參考波前相減法要慢一些。

基于泰曼-格林干涉系統(tǒng)的部分補(bǔ)償法非球面面形檢測(cè)光路圖如圖18所示。激光器發(fā)出的激光經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后得到平行光束射入檢測(cè)系統(tǒng)，由半透半反的分束鏡將入射光分為反射光和透射光兩路。反射路作為參考光，經(jīng)參考平面鏡反射后仍為平面波;透射路的光波作為檢測(cè)光，經(jīng)過(guò)部分補(bǔ)償鏡后補(bǔ)償被測(cè)非球面的大部分法線像差，并入射到被測(cè)非球面的表面。由于仍存在部分像差，因此到達(dá)被測(cè)面的波前與被測(cè)面不完全匹配，其反射的光波攜帶非球面面形信息和回程誤差，將不能沿入射光原路返回。再次經(jīng)過(guò)部分補(bǔ)償鏡的檢測(cè)波與參考平面鏡反射的參考波在分束鏡處重合并產(chǎn)生干涉，干涉條紋經(jīng)成像系統(tǒng)成像于CCD探測(cè)器上。探測(cè)到的干涉圖與計(jì)算機(jī)建模得到的回程誤差信息經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理，最終可以重建出待測(cè)非球面的面形誤差。

圖18 基于泰曼-格林干涉系統(tǒng)的部分補(bǔ)償法檢測(cè)非球面面形光路圖Fig.18 Light path diagram of testing aspheric surface with partial compensation method based on Twyman-Green interferometer

部分零位補(bǔ)償鏡的設(shè)計(jì)和加工比零位補(bǔ)償鏡簡(jiǎn)單很多，同樣可以以較小的口徑實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑凹非球面的測(cè)量［73］。相對(duì)子孔徑拼接法和無(wú)像差點(diǎn)法來(lái)說(shuō)，部分補(bǔ)償法可以一次性完成對(duì)非球面全口徑面形的檢測(cè)。由于測(cè)量過(guò)程中不需要各元件之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)導(dǎo)軌和控制的要求比子孔徑拼接法更容易實(shí)現(xiàn)。另外，除了利用透鏡完成部分補(bǔ)償外，還可以采用計(jì)算全息板進(jìn)行非球面的部分補(bǔ)償［74］。浙江大學(xué)和北京理工大學(xué)等單位對(duì)部分零位補(bǔ)償技術(shù)開展了研究。北京理工大學(xué)設(shè)計(jì)了基于菲索干涉儀的部分補(bǔ)償檢測(cè)系統(tǒng)［75］;浙江大學(xué)對(duì)非球面面形檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，著重對(duì)非球面的基本性質(zhì)和部分補(bǔ)償法展開探討［20，56，71，73，76］。首次詳細(xì)分析了非球面非零位檢測(cè)中的回程誤差問(wèn)題［77］，創(chuàng)新性地提出了一些優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理算法［49，72］，詳細(xì)分析了檢測(cè)技術(shù)中存在的誤差，并對(duì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的裝調(diào)問(wèn)題提出了有效解決方案［78-81］。目前已經(jīng)利用部分補(bǔ)償法對(duì)口徑為158.4 mm、相對(duì)頂點(diǎn)球最大偏離量為9 μm以及口徑為101 mm、相對(duì)頂點(diǎn)球最大偏離量為50 μm拋物面實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)量［82］。

部分補(bǔ)償干涉法簡(jiǎn)化了補(bǔ)償鏡的設(shè)計(jì)、加工和校準(zhǔn)過(guò)程，每塊部分補(bǔ)償鏡都可以對(duì)一定參數(shù)范圍內(nèi)的非球面進(jìn)行測(cè)量，在一定程度上提高了檢測(cè)技術(shù)的通用性，擴(kuò)大了非球面檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍［49，73］。該方法可以用較小口徑的部分補(bǔ)償鏡對(duì)大口徑凹非球面進(jìn)行檢測(cè)，在深度非球面檢測(cè)方面也具有良好發(fā)展前景。但是部分補(bǔ)償法在檢測(cè)非球面光學(xué)元件時(shí)仍然需要設(shè)計(jì)制造輔助元件，對(duì)系統(tǒng)的裝調(diào)精度要求很高。部分補(bǔ)償鏡自身的制造和裝調(diào)精度直接影響到非球面面形誤差的檢測(cè)精度，并且目前部分補(bǔ)償鏡自身的精度檢測(cè)仍然是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。此外，部分補(bǔ)償法基于計(jì)算機(jī)建模和系統(tǒng)仿真，對(duì)被測(cè)面的面形重建也依賴于計(jì)算機(jī)處理，因此該方法對(duì)仿真模型和實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)一致性要求很高，當(dāng)然另一方面，該方法有利于實(shí)現(xiàn)非球面面形檢測(cè)的自動(dòng)化和數(shù)字化測(cè)量。

3.3 組合干涉技術(shù)

現(xiàn)代大型光學(xué)工程一直被作為國(guó)家綜合實(shí)力和科技進(jìn)步水平的標(biāo)志之一，如大型望遠(yuǎn)鏡，其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是以雙曲面為次鏡的兩鏡Cassegrain 和 Ritchey-Chretien［1］光學(xué)系統(tǒng)，且雙曲面次鏡的口徑達(dá)到米量級(jí)，其相對(duì)口徑也越來(lái)越大，有接近1的趨勢(shì)［83］。在其它領(lǐng)域，如紫外光刻機(jī)等系統(tǒng)中，深度非球面也成為重要的光學(xué)系統(tǒng)組成元件。大口徑、大相對(duì)口徑、大非球面度非球面光學(xué)元件的逐漸應(yīng)用向非球面檢測(cè)技術(shù)提出了更高的面形檢測(cè)要求。此處提出的非球面組合干涉技術(shù)概念，指的是合理選擇常用非球面干涉檢測(cè)方法中的兩種或多種進(jìn)行組合來(lái)完成對(duì)非球面面形誤差的測(cè)量，彌補(bǔ)單獨(dú)使用某項(xiàng)技術(shù)時(shí)的不足，以達(dá)到更好地檢測(cè)大口徑深度非球面的目的。這種組合可以是零位法與零位法、零位法與非零位法或非零位與非零位等方法之間的組合應(yīng)用，在一定程度上降低了測(cè)量過(guò)程中對(duì)輔助元件的設(shè)計(jì)和制造要求，提升了系統(tǒng)檢測(cè)大口徑、大非球面度元件的能力，擴(kuò)展了系統(tǒng)的測(cè)量范圍。

例如，在測(cè)量天文望遠(yuǎn)鏡的大口徑雙曲面次鏡時(shí)，許多國(guó)家選用了零位法與子孔徑拼接相結(jié)合的檢測(cè)方案。對(duì)于大口徑雙曲面檢測(cè)的一般常用方法是無(wú)像差點(diǎn)法，檢測(cè)時(shí)需要用到一塊口徑約是雙曲面尺寸的兩倍甚至更大的高精度Hindle球面反射鏡［84］。然而高精度大口徑輔助Hindle球的制造困難、價(jià)格昂貴。對(duì)此，法國(guó)Reosc等提出采用球面反射鏡零位法與子孔徑拼接法相結(jié)合的技術(shù)對(duì)歐洲超大望遠(yuǎn)鏡E-ELT中的6 m口徑雙曲面次鏡進(jìn)行測(cè)量［83］。該方法采用口徑為3.4和3.3 m的兩塊球面鏡，通過(guò)旋轉(zhuǎn)次鏡，分別對(duì)次鏡內(nèi)外環(huán)帶的各個(gè)子孔徑進(jìn)行零位檢測(cè)，相鄰子孔徑間存在重疊區(qū)域，最后將各子孔徑數(shù)據(jù)拼接處理得到雙曲面次鏡的全口徑面形信息。美國(guó)的J.H.Burge等以及Ball公司分別針對(duì)LSST、TMT和JWST大型望遠(yuǎn)鏡中雙曲面次鏡檢測(cè)問(wèn)題提出了類似的解決方案，即綜合使用Hindle球反射鏡零位干涉法和子孔徑拼接法對(duì)大型雙曲面進(jìn)行面形測(cè)量［85-86］。這一方法大大降低了制造、裝調(diào)超大口徑輔助鏡的成本和難度，提升了系統(tǒng)檢測(cè)大口徑非球面光學(xué)元件的能力，同時(shí)零位檢測(cè)法又保證了較高的檢測(cè)精度。

又如，為了擴(kuò)大檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量范圍、檢測(cè)大深度非球面，可以將部分補(bǔ)償法與亞奈奎斯特法結(jié)合使用，即兩種非零位方法進(jìn)行組合。該方法用多針孔陣列將CCD探測(cè)器的感光面轉(zhuǎn)換成稀疏陣列，通過(guò)降低干涉條紋的密度來(lái)擴(kuò)大干涉儀的測(cè)量范圍，再利用部分補(bǔ)償鏡或全息板來(lái)部分補(bǔ)償非球面的法線像差，進(jìn)一步提升系統(tǒng)測(cè)量能力。這種組合檢測(cè)技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)干涉儀的測(cè)量范圍擴(kuò)大了十倍，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)深度非球面的檢測(cè)。2008年，哈爾濱理工大學(xué)采用這種方法對(duì)口徑為30 mm、二次曲面系數(shù)為3.57的高次非球面進(jìn)行了面形測(cè)量，該非球面與球面的最大偏離量約為1 mm。檢測(cè)結(jié)果與零位補(bǔ)償干涉法的檢測(cè)結(jié)果非常接近，面形PV值和RMS值的誤差分別為2.50% 和 1.40%［74］。

部分補(bǔ)償法與子孔徑拼接這兩種非零位檢測(cè)方法相組合也可以實(shí)現(xiàn)更好地檢測(cè)深度非球面的目的。盡管SSIA可以測(cè)量非球面度小于約120 μm的非球面，但在檢測(cè)深度更大的非球面時(shí)卻遇到子孔徑過(guò)多、檢測(cè)時(shí)間增長(zhǎng)、拼接算法誤差積累等困難。2009年美國(guó)QED技術(shù)公司提出輔助光學(xué)補(bǔ)償和子孔徑拼接技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)一步提升拼接干涉儀檢測(cè)深度非球面的能力，并推出商用子孔徑拼接干涉儀 ASI［55］，圖19(a)為ASI實(shí)物圖，19(b)和19(c)分別為該儀器測(cè)量某個(gè)非球面元件的檢測(cè)結(jié)果和子孔徑匹配誤差。ASI在SSI的基礎(chǔ)上集成了可變光學(xué)補(bǔ)償鏡(Variable Optics Null，VON)，用于將 Fizeau 干涉儀出射的球面波前轉(zhuǎn)換成與被測(cè)非球面子孔徑近似匹配的非球面波前，可測(cè)量最大非球面度為1 000λ(約 660 μm)的非球面元件［87］。

圖19 QED公司的ASI子孔徑拼接干涉儀Fig.19 ASI of QED Technologies

除了零位與非零位、非零位與非零位之間的組合外，零位法與零位法的組合也能夠起到擴(kuò)大測(cè)量范圍和降低輔助元件要求等作用。典型的兩種零位法相組合完成非球面檢測(cè)的方法是曲面CGH法，即補(bǔ)償鏡法和CGH法的組合。如前文所述，計(jì)算全息法的檢測(cè)精度高，不需要非球面實(shí)體就可以產(chǎn)生任意形狀的非球面波前，是很好的零位補(bǔ)償檢測(cè)方法。但CGH干板的精確對(duì)準(zhǔn)和高密度線紋難以制作等問(wèn)題制約了它在深度非球面檢測(cè)中的應(yīng)用。同樣，補(bǔ)償鏡在零位補(bǔ)償深度非球面時(shí)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝調(diào)困難等問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。補(bǔ)償鏡法與計(jì)算全息法的組合方案通過(guò)將曲面圓形計(jì)算全息圖與補(bǔ)償鏡相結(jié)合，即將計(jì)算全息圖刻在補(bǔ)償鏡上形成組合形式的補(bǔ)償器，可以對(duì)大口徑或深度的凹面和凸面非球面進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)光路分別如圖20(a)和20(b)。在這種零位補(bǔ)償器中，CGH和補(bǔ)償鏡只分別補(bǔ)償部分法線像差，不僅簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)過(guò)程，還可以降低計(jì)算全息圖與補(bǔ)償鏡的制造難度，減少測(cè)量成本，反之相當(dāng)于提升了補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力，能夠檢測(cè)更大口徑和更大深度的非球面光學(xué)元件。當(dāng)然，零位法與零位法相結(jié)合的組合干涉方案并不能實(shí)現(xiàn)非球面檢測(cè)的通用化測(cè)量，但其能夠以零位檢測(cè)法的較高精度去檢測(cè)口徑、深度都更大的非球面元件，是非球面檢測(cè)技術(shù)的一大進(jìn)展。1994年美國(guó) Arizona大學(xué)光學(xué)中心 J.Burge等人應(yīng)用曲面CGH解決了平面CGH干板檢測(cè)中面臨的一些困難，成功檢測(cè)了口徑為380和840 mm的凸非球面［88］。2004年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)表了利用曲面計(jì)算全息圖進(jìn)行非球面檢測(cè)的研究成果，測(cè)量了口徑為100 mm的凸非球面［89］。2007年，該所又對(duì)一個(gè)口徑為950 mm的凹拋物面進(jìn)行了測(cè)量，其結(jié)果 PV 值為0.024λ［88］。

圖20 曲面CGH檢測(cè)非球面光路圖Fig.20 Light path diagram of testing asphere with CGH on the compensative lens

此外，2007年浙江大學(xué)提出將剪切干涉法和部分補(bǔ)償法相結(jié)合的檢測(cè)技術(shù)用于深度非球面的測(cè)量［71］等。非球面組合干涉技術(shù)汲取了兩種或多種干涉檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)，相互彌補(bǔ)了單種測(cè)量方法在檢測(cè)過(guò)程中的不足，能夠適應(yīng)對(duì)超大口徑、大深度、高次非球面的檢測(cè)需求，與非零位法進(jìn)行組合的檢測(cè)方案一般還都具有通用化性質(zhì)，是檢測(cè)極端特性非球面面形的有效方法。當(dāng)然，組合干涉法也繼承了參與組合的幾種檢測(cè)技術(shù)的一部分不足之處。如子孔徑拼接法需要解決高精度定位和拼接算法等問(wèn)題，無(wú)像差點(diǎn)法依然存在大口徑高精度輔助反射鏡的制造和裝調(diào)困難，部分補(bǔ)償法的檢測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)精確校準(zhǔn)等。所以，只有各種基本方法完善發(fā)展，組合干涉法才能更加靈活且高精度地應(yīng)用于各種非球面的測(cè)量。

4 自由曲面檢測(cè)

以上介紹的非球面檢測(cè)技術(shù)目前多用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面光學(xué)元件。隨著各領(lǐng)域?qū)Ψ乔蛎嬖枨蟮牟粩鄶U(kuò)大以及設(shè)計(jì)、制造業(yè)的迅速發(fā)展，除了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面外，非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面甚至自由曲面也得到越來(lái)越多的關(guān)注［90-91］。

自由曲面是一種復(fù)雜無(wú)規(guī)則的非對(duì)稱非球面，具有多設(shè)計(jì)自由度，能夠有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高成像質(zhì)量。任意自由曲面難以進(jìn)行光線追跡，一般采用數(shù)學(xué)方法級(jí)數(shù)展開來(lái)表達(dá)［92］。2012年，美國(guó)QED技術(shù)公司的W.G.Forbes教授在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面Q正交基的表示方法［2］基礎(chǔ)上，提出了自由曲面的正交基表示方法［90］，給自由曲面的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)很大方便。目前浙江大學(xué)已經(jīng)設(shè)計(jì)并制造出若干用于成像的自由曲面光學(xué)元件，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所也成功將自由曲面應(yīng)用于攝影物鏡中，極大地提高了成像質(zhì)量，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。

盡管自由曲面光學(xué)元件有突出的優(yōu)點(diǎn)，卻仍然沒(méi)有廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，問(wèn)題之一就是自由曲面失去了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，如何對(duì)其進(jìn)行精確加工、裝調(diào)和精密檢測(cè)成為一個(gè)難題，尤其是對(duì)于大口徑凸面或偏離標(biāo)準(zhǔn)面1 mm以上的自由曲面［93］。自由曲面光學(xué)元件處于加工的研磨期時(shí)，多采用輪廓儀進(jìn)行檢測(cè)，精度一般為1 μm，可以選用接觸式機(jī)械探針或非接觸式光學(xué)掃描的方式。這種方法的主要問(wèn)題是快速檢測(cè)和高精度測(cè)量不可兼得，在檢測(cè)自由曲面時(shí)這一特點(diǎn)更加突出。對(duì)于拋光期的自由曲面來(lái)說(shuō)，Shack-Hartmann可以取得較高的檢測(cè)精度，但它會(huì)丟失面形誤差的中頻信息［94］。合理設(shè)計(jì)補(bǔ)償器，利用干涉法檢測(cè)拋光自由曲面理論上應(yīng)該是一個(gè)不錯(cuò)的方法，尤其對(duì)于大口徑大偏離量的自由曲面，利用CGH干板的菲索干涉系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行很好的測(cè)量。但補(bǔ)償法對(duì)于自由曲面的檢測(cè)，除了補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)困難外，其精確裝調(diào)的難度較旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面來(lái)說(shuō)也大大增加。相對(duì)而言，子孔徑拼接干涉法非常適合檢測(cè)局部曲率變化較慢、口徑適中的自由曲面測(cè)量，然而這種方法也依舊面臨精確控制干涉儀與被測(cè)面之間的相對(duì)位移、保證重疊區(qū)對(duì)應(yīng)點(diǎn)重合等問(wèn)題。在檢測(cè)自由曲面時(shí)，以上介紹的檢測(cè)技術(shù)所需要克服的問(wèn)題都被放大，精確測(cè)量自由曲面的面形誤差成為一大困難。

5 結(jié)束語(yǔ)

非球面光學(xué)元件以其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)在民用產(chǎn)品、國(guó)防軍工及科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了廣泛認(rèn)可，對(duì)各種參數(shù)非球面的需求不斷擴(kuò)大。高精度非球面的面形檢測(cè)技術(shù)，尤其是對(duì)大口徑深度非球面的面形檢測(cè)是目前阻礙非球面面形精度提高和得到進(jìn)一步廣泛應(yīng)用的重要因素。根據(jù)非球面光學(xué)元件不同加工階段的特點(diǎn)，可以分別采用接觸式和非接觸式檢測(cè)方法對(duì)其面形進(jìn)行測(cè)量。非球面接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)的幾何光線法測(cè)量精度不能滿足精密拋光期非球面的檢測(cè)需求，因此干涉法成為高精度非球面面形檢測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。零位干涉法作為目前非球面面形檢測(cè)的基準(zhǔn)方法，具有較高的精度和可靠性，但這種方法在檢測(cè)時(shí)需要設(shè)計(jì)與被測(cè)非球面相匹配的輔助元件，不具有通用性，使得檢測(cè)成本提高、檢測(cè)周期延長(zhǎng)，尤其對(duì)大口徑凸非球面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，成本更加高昂。非零位干涉技術(shù)不需要完全補(bǔ)償被測(cè)非球面的所有法線像差，一定程度上實(shí)現(xiàn)了非球面檢測(cè)的通用化，擴(kuò)展了檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量范圍，縮短了檢測(cè)時(shí)間，測(cè)量成本也大大降低，并且在大口徑、深度非球面的檢測(cè)方面擁有良好的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)取得了不錯(cuò)的研究成果。為了進(jìn)一步適應(yīng)對(duì)大口徑深度非球面光學(xué)元件的面形檢測(cè)，可以將不同干涉方法進(jìn)行組合，即組合干涉法，來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)檢測(cè)極端參數(shù)非球面的能力。在各種基本方法的技術(shù)問(wèn)題得以良好解決的基礎(chǔ)上，組合干涉法是一種極具生命力的非球面檢測(cè)技術(shù)發(fā)展方向，能夠解決多種非球面的面形檢測(cè)問(wèn)題，目前美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)以及我國(guó)的中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、成都光電所、浙江大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位都對(duì)這種方法進(jìn)行了一些研究。最近，隨著自由曲面逐漸步入人們的視野，其設(shè)計(jì)、應(yīng)用和檢測(cè)技術(shù)也受到越來(lái)越多的關(guān)注，然而應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面的面形檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)自由曲面時(shí)會(huì)遇到更大的困難，如何精確檢測(cè)自由曲面的面形依舊是一大難題。

非球面光學(xué)元件的面形檢測(cè)技術(shù)發(fā)展至今，其檢測(cè)理論已經(jīng)較為成熟。目前尤其以計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為依托，許多檢測(cè)方法可以付諸實(shí)踐，檢測(cè)精度得到極大提升。如計(jì)算機(jī)輔助補(bǔ)償鏡設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助控制精確定位、計(jì)算機(jī)計(jì)算產(chǎn)生全息圖、計(jì)算機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理、計(jì)算機(jī)建模、系統(tǒng)仿真光線追跡等，在計(jì)算機(jī)的輔助下，這些方法取得了更高的精度，檢測(cè)時(shí)間也大大縮短，人為主觀因素越來(lái)越少，檢測(cè)結(jié)果更加客觀有效。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也成為新檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)生的一個(gè)基礎(chǔ)。非球面光學(xué)元件面形檢測(cè)技術(shù)下一步的發(fā)展方向除了技術(shù)上進(jìn)一步提升測(cè)量精度、擴(kuò)大技術(shù)通用性和降低檢測(cè)成本等以外，在計(jì)算機(jī)輔助下實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的數(shù)字化測(cè)量過(guò)程，逐步降低對(duì)機(jī)械調(diào)整和控制系統(tǒng)的硬件要求，盡可能減少人為調(diào)整和判斷等主觀因素，使檢測(cè)流程自動(dòng)化等，將成為非球面光學(xué)元件面形檢測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

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