導(dǎo)語：上一篇文章我們講到：面型檢測(cè)技術(shù)是保障光學(xué)非球面加工精度的關(guān)鍵。那么今天我們就來具體看看非球面光學(xué)元件面型檢測(cè)技術(shù)。

目前，非球面光學(xué)元件面型檢測(cè)技術(shù)具備了明顯的體系化特點(diǎn)，針對(duì)不同種類(材料、對(duì)稱性、尺寸、曲率以及相對(duì)于最佳擬合球的偏離量等)的待測(cè)面型以及加工過程中不同階段對(duì)檢測(cè)精度、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)的不同要求，對(duì)應(yīng)有不同的檢測(cè)方法。

按照檢測(cè)原理、流程與檢測(cè)精度等方面是否基于干涉原理，將所有檢測(cè)方法分為非干涉法與干涉法兩類，各自包含的技術(shù)路線與具體技術(shù)方案如下圖所示。

-光學(xué)非球面面型檢測(cè)技術(shù)分類-

一、非干涉法

非干涉法主要包括：逐點(diǎn)掃描法、光闌檢驗(yàn)法、條紋調(diào)制法與陰影法這4條技術(shù)路線。

1、逐點(diǎn)掃描法利用輪廓儀或者三坐標(biāo)機(jī)(Coordinate Measuring Machine, CMM)直接測(cè)量待測(cè)面上離散點(diǎn)的矢高并通過擬合得到面型數(shù)據(jù)，大多數(shù)輪廓儀或CMM采用的機(jī)械探針與待測(cè)面直接接觸，因此屬于有損檢測(cè)；另外的部分裝置采用了基于干涉原理的光學(xué)探針，可以進(jìn)行非接觸式測(cè)量，但應(yīng)歸入干涉法的范疇。

2、光闌檢驗(yàn)法又稱哈特曼(Hartman)檢驗(yàn)法，包括早期的Hartman光闌檢驗(yàn)法與20世紀(jì)70年代提出的Shack-Hartman法，該方法通過探測(cè)器上光斑的橫向偏移量計(jì)算出波前斜率，進(jìn)而利用波前重構(gòu)算法得到反映待測(cè)面型的重構(gòu)波面。

3、條紋調(diào)制法利用投影到待測(cè)面上的條紋光作為載頻，通過分析待測(cè)面引入的條紋畸變求出待測(cè)面型，其又可以分為結(jié)構(gòu)光法(漫反射、鏡面反射)和Ronchi檢驗(yàn)法。

4、陰影法是一種經(jīng)典的面型檢測(cè)方法，包括傅科(Foucault)刀口法與由其改進(jìn)而來的區(qū)域刀口法和細(xì)絲法等。

非干涉法各具體方案之間差異較大，但亦不乏一些共同特點(diǎn)。非干涉法普遍具備較好的通用性，但檢測(cè)精度相對(duì)較低，一般在微米量級(jí)(部分方法可以達(dá)到亞微米級(jí)精度)，因此多用于低精度的模壓、注塑非球面或去除法加工高精度非球面過程中的研磨與粗拋光階段。

二、干涉法

干涉法是一類具備納米級(jí)檢測(cè)精度的精密測(cè)試方法，采用干涉法檢測(cè)非球面的關(guān)鍵問題在于如何解決由于非球面法線像差(由非球面與參考球面的偏離而產(chǎn)生)導(dǎo)致的干涉條紋增密問題，由此引申出兩條主要的技術(shù)路線：零位檢測(cè)與非零位檢測(cè)。

1、零位檢測(cè)利用補(bǔ)償器將入射到待測(cè)面上的測(cè)試光波由球面波轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)待測(cè)面標(biāo)稱面型對(duì)應(yīng)的非球面波，因而當(dāng)不存在面型偏差時(shí)干涉場(chǎng)對(duì)應(yīng)零條紋。常見的零位補(bǔ)償器包括傳統(tǒng)的折(反)射式補(bǔ)償器，基于計(jì)算全息(Computer Generated Hologram, CGH)的衍射式補(bǔ)償器以及基于可變形反射鏡(Deformable Mirror, DM)或空間光調(diào)制器(Spatial Light Modifier, SLM)的可編程(自適應(yīng))補(bǔ)償器，此外針對(duì)圓錐曲面還可以采用無像差點(diǎn)法進(jìn)行零位檢測(cè)。

2、非零位檢測(cè)則僅采用一些手段將干涉場(chǎng)中的條紋增密降低到不影響干涉圖解調(diào)的程度，并通過算法消除由不完全補(bǔ)償法線像差引入的系統(tǒng)誤差。實(shí)現(xiàn)非零位檢測(cè)的方法多樣，常用方法可歸納為以下4條技術(shù)路線，分別是：部分零位補(bǔ)償器法、子孔徑干涉法、剪切干涉法與低靈敏度法。我們分別來看：

部分零位補(bǔ)償器(Partial Null Compensator, PNC)法與零位檢測(cè)中的補(bǔ)償器法類似，只是這里的補(bǔ)償器不完全補(bǔ)償非球面的法線像差，故而即使待測(cè)非球面完全理想，干涉場(chǎng)中依然存在條紋。

子孔徑干涉法除環(huán)帶拼接(ASSI)、圓孔徑拼接(CSSI)以及不規(guī)則孔徑拼接(ISSI)等子孔徑拼接干涉法以外，還包括一種運(yùn)用微透鏡陣列進(jìn)行波面分割的傾斜波前法(Tilted Wave Interferometry, TWI)以及采用光學(xué)探針的逐點(diǎn)掃描法。其中TWI法在檢測(cè)過程中無需移動(dòng)待測(cè)面，因此也無需利用相鄰區(qū)域的重疊部分進(jìn)行拼接；而采用光學(xué)探針的CMM或輪廓儀的每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)可以視為一個(gè)很小的子孔徑。子孔徑干涉法的共同特點(diǎn)是將待測(cè)面分為多個(gè)子區(qū)域，使得子區(qū)域的干涉條紋密度降低到能夠解調(diào)的程度。

剪切干涉法采用自干涉的剪切干涉裝置取代傳統(tǒng)的泰曼-格林(Twyman-Green)或菲索(Fizeau)干涉裝置，可以通過降低剪切率(自干涉的兩個(gè)波面的偏離程度)來降低條紋密度，常用的剪切干涉法有橫向剪切干涉與徑向剪切干涉兩種。

低靈敏度法主要包括長(zhǎng)波長(zhǎng)法、雙(多)波長(zhǎng)法以及亞奈奎斯特(Sub-Nyquist)法(又稱欠采樣法)等，這類方法都是通過降低系統(tǒng)的靈敏度來換取動(dòng)態(tài)范圍的提高，從而使干涉圖得以解調(diào)。

三、兩者的對(duì)比與區(qū)別

干涉法的檢測(cè)精度一般高于非干涉法，且均屬于非接觸檢測(cè)，避免了檢測(cè)過程中對(duì)待測(cè)面的損傷，因此可以用于去除法加工非球面的精拋光階段的檢測(cè)，但干涉法對(duì)待測(cè)面的材料與粗糙度等方面存在限制，對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求更高，實(shí)施起來較為困難。

在干涉法中，零位檢測(cè)的精度相對(duì)更高，但非球面度大或是形狀特別復(fù)雜的非球面的零位檢測(cè)較難實(shí)現(xiàn)；非零位檢測(cè)的精度需要通過嚴(yán)格的回程誤差(Retrace Error)校正來保證，因此算法復(fù)雜度更高，但其優(yōu)勢(shì)在于具備一定的通用性。有些情況下，多種技術(shù)組合使用可以兼取各自的優(yōu)勢(shì)。此外，干涉法的高精度需要建立在對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的精密調(diào)節(jié)上。

四、總結(jié)

非球面檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展存在通用化與高精度兩個(gè)大的方向。其中通用化要求檢測(cè)系統(tǒng)具備一定的通用性，即不對(duì)系統(tǒng)做出很大調(diào)整的情況下能夠檢測(cè)不同種類的非球面。由于其多見于工業(yè)化檢測(cè)中，因此一般還附帶著快速檢測(cè)與自動(dòng)化的要求(包括裝調(diào)的自動(dòng)化與干涉圖判讀的自動(dòng)化)。而高精度則要求盡可能地提高檢測(cè)精度從而用以(加工)檢測(cè)面型誤差為納米或是亞納米量級(jí)的超高精度非球面，補(bǔ)償器的精度以及系統(tǒng)誤差的校正精度成為了這方面發(fā)展的關(guān)鍵。

在這個(gè)基礎(chǔ)上，非干涉法中基于結(jié)構(gòu)光的方法以及PNC結(jié)合子孔徑拼接的方法是目前兩種發(fā)展前景較好的通用化檢測(cè)方法。為了應(yīng)對(duì)高精度檢測(cè)的要求，隨著待測(cè)非球面面型的愈發(fā)復(fù)雜，基于CGH的零位檢測(cè)法仍將是未來一段時(shí)間最為可靠的方案。

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