非球面光学元件面形检测方法

　　0　前言

　　非球面光学元件是一种非常重要的光学元件，它可以获得球面光学元件所无可比拟的成像质量，在光学系统中能够很好地矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力;它能以一个或几个非球面元件代替多个球面元件，从而简化仪器结构，降低成本，并有效地减轻仪器的重量;同时非球面光学系统的设计能使计算方法大为简化。

　　鉴于以上优点，研究开发新的非球面光学元件的加工和检测技术一直是重要任务。光的反射和折射要求非球面元件的表面粗糙度 Ra应小于光波长的 1/10，面形精度 (PV 值 ) 不能大于 Ra的 10 倍值，即达到微米级、亚微级乃至纳米级的范围[3]，这对完整非球面制造技术的两部分加工和检测都有相当高的要求。目前非球面光学元件的制造技术已从传统的手工修改球形表面发展到计算机控制确定性的加工过程。不管采用何种加工技术，非球面的制造都离不开检测技术。由于非球面不同于球面，其面形各不相同，因而非球面检测方法各异。本文针对各种不同的非球面检测方法进行论述，在介绍各种检测方法原理和发展状况基础上，分析各种方法的适用范围，对比它们的优缺点，旨在为非球面检测方面工作者提供参改。

　　1　非球面度和检测方法分类

　　采用去除材料加工法加工光学非球面时，一般先加工出一个与所加工的非球面形状接近的球面，然后再去除这个球面的部分材料形成所需要的非球面，这个球面一般称为最接近球面。待加工的非球面与最接近球面的偏离量，就是所说的非球面度(asphericity)，如图1 所示，非球面与最接近球面沿后者法线方向的偏离量表示，曲线OP0A 为非球面，曲线OM0A 就是最接近球面，C 为最接近球面的球心，曲线 O'P0A' 是与最接近球面同心且与非球面相切的球面，P0M0即为最大非球面度。非球面度的最大值(即最大偏离量)是加工和检测的重要依据。在非球面元件的检测中，如何测量出非球面面形相对于最接近参考球面的偏离量，然后把设计值与最接近参考球面的差值相比较，计算出与非球面的最接近参考球面的曲率半径及各点的非球面度，是非球面检测的重要内容。

　　迄今为止，对于非球面的检测大致可以划分为接触检测和非接触检测两大类，而且又有实时在线检测和非实时在线检测之分。从原理上看，可分为三类：利用光的直线性的几何光线法，利用光的波动性的干涉法，利用测头对整个被测面进行扫描的直接面形轮廓法，具体分类如表 1 所示。目前在国内主要采用刀口阴影法、哈特曼常数法、朗奇法、样板法、补偿法等成熟的方法，但这些方法都存在着很大的局限性，适用不了种类繁多、高精度大型非球面面形检测的需要。随着科学技术的不断发展，在现代非球面检测中，出现了很多高精度的检测方法，其测量数据处理都是由计算机来完成的，这是与传统的、用目视方法来判读干涉图的一个主要区别，也是非球面检测的发展趋势。无论是传统方法还是现代方法，每一种方法都有其优点和局限性，下文分别详述。