分享 | 光学自由曲面面形检测技术
光学自由曲面元件其表面自由度较大，可以针对性地提供或矫正不同的轴上或轴外像差，同时满足现代光学系统高性能、轻量化和微型化的要求，逐渐成为现代光学研究领域和工业及商业领域的新宠。
广义的光学自由曲面包括回转对称非球面和非回转对称非球面，狭义的光学自由曲面仅指非旋转对称非球面，其口径内各处曲率半径各不相同，很难在全口径内使用统一的数学方程描述。自由曲面一般具有不规则形状，可以提供较高的像差自由度，或者复杂的光线出射方向以及照度分布，因此对于照明，显示和成像等领域具有极大的吸引力。
自20世纪90年代起，照明和显示光学系统中已经开始采用自由曲面设计，可以根据需求合理控制光线散射角度与光强分布。在成像光学系统中，自由曲面的应用刚刚起步，并不如显示和照明系统成熟，尤其对于一些高精度成像领域，仅在一些大型研究机构中才能出现自由曲面的身影，如美国航天局（NASA）研制的三反成像系统。欧洲南方天文台超大望远镜中的光谱仪（VLT）中便采用了多块象散镜。
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目前成像光学系统中自由曲面应用主要包括离轴非球面、象散面、复曲面、柱面、Zernike曲面、微结构光学曲面等。
其中离轴非球面主要用在各种离轴三反光学系统中；复曲面是指正交子午线对称，且在子午线上存在曲面曲率半径的最大值和最小值的曲面，可以在正交方向上提供不同的像差校正；象散面主要为光学系统提供不同方向的象散，例如VLT中便采用了多块象散镜；Zernike曲面是由不同形式的Zernike多项式描述并构造的曲面，现已被应用在离轴三反和高光谱成像系统中；微结构光学曲面主要是指微透镜阵列、菲涅尔透镜、全息透镜和微型V槽上的微结构曲面。
正是由于成像领域对于光学元件面形的高精度要求限制了自由曲面的大规模应用。在过去的几十年中，非球面的设计和加工检测均获得了长足进步，而自由曲面设计加工和检测发展则相对缓慢，尤其是自由曲面的检测技术已经成为制约其应用的最重要因素。
本文针对适用于成像系统的面形连续变化自由曲面检测技术进行总结与分析，并根据其检测难点展望未来发展趋势。
精密光学自由曲面检测方法
自由曲面的检测方法主要分为接触式和非接触式，其中接触式检测法采用逐点扫描的方式进行测量，其中具有代表性的是坐标测量机法（CMM）和轮廓仪法。
目前CMM法由于测头容易造成被测光学元件表面划伤，不能一次性检测全口径面形误差，因而速度较慢，且单点数据经拼接后精度仅停留在微米量级，限制了其在成像自由曲面检测中的应用。轮廓仪法也仅能检测某一轮廓线的误差，不属于真正的自由曲面面形检测。
经过抛光之后的光学自由曲面对测量的超高精度要求以及在检测过程中必须兼顾测量精度和测量范围之间的矛盾使得传统的接触式测量已经无法满足要求。受到非球面检测方法的启发，研究人员逐渐将各种非接触式非球面检测方法应用到自由曲面检测的研究中，并取得了一定的进展。
目前受到广泛关注的光学自由曲面面形非接触式检测方法主要有微透镜阵列法、结构光三维测量法、相干层析法和干涉测量法，下面针对这几种典型检测方法进行相关介绍。
微透镜阵列法
微透镜阵列相较于传统单个透镜，可以将入射的被测波面分割为多个子波前区域，使得每个子波前区域的畸变在探测器的检测范围之内，进而重构整个被测波面。根据微透镜阵列在光学系统中不同的位置和不同的波前重构方法，目前的微透镜阵列自由曲面检测法可分为两大类：夏克-哈特曼波前探测法和倾斜波干涉仪法，其中倾斜波干涉仪法将在干涉检测的内容中详述，此处仅介绍夏克-哈特曼波前探测法。
夏克-哈特曼波前探测法是一种利用夏克-哈特曼波前传感器进行波前斜率测量的方法。
夏克-哈特曼波前传感器主要由微透镜阵列和位于微透镜焦距处的CCD相机构成，其中微透镜阵列由上百个相同尺寸和相同焦距的微透镜按一定的规律紧密排列而成，其工作原理如图1（a）所示。
在传感器中，用微透镜阵列将入射波前分割成许多子波前，平面波入射时，像面上呈现均匀排列的光斑，当入射波前存在变形，则变形部分的子波前经对应微透镜后在像面的汇聚点将偏离理想像点，在全口径像面上形成非均匀光斑排列。探测被测波前的子波前光斑相对标定光斑的偏移量就能测量各个子孔径内波前在x和y方向上的子波前斜率，根据这些斜率数据经过波前复原算法即可以重构出被测波前的相位信息。
图1（b）所示为夏克-哈特曼传感器检测自由曲面典型光路。该光学系统结构使得标准平面波前经被测自由曲面反射后，波前相位信息受到自由曲面面形调制，通过夏克哈特曼传感器重构受调制波前相位，即可反演出被测曲面面形。
图1. 夏克-哈特曼传感法检测自由曲面原理
光学自由曲面因其表面自由度较大，可以针对性地提供或矫正不同的轴上或轴外像差，同时满足现代光学系统高性能，轻量化和微型化的要求，从而逐渐开始成为现代光学工程领域的热点。虽然在设计、加工、检测等方面稳步发展，但成像领域对于光学元件面形的高精度要求却限制了自由曲面的大规模应用。尤其是自由曲面的检测技术已经成为制约其应用的最重要因素。
相比于接触式检测，非接触式检测方法由于可以实现全场无损检测而受到广泛关注。目前大多非接触式自由曲面检测方法的灵感来源于非球面检测，其中夏克哈特曼传感器法和倾斜波干涉仪虽然可以达到一个很高的测量精度但其动态范围受到微透镜尺寸限制，而且对于大偏离量的自由曲面检测能力不足。结构光三维测量法对工业自由曲面的检测能力较强，而对高精度光学自由曲面的检测精度仍然有待提高。干涉测量法作为目前精度最高的检测手段之一，已经在光学平面、球面乃至非球面的检测领域得到了一致公认。
借助于专门设计的补偿器，可以实现高精度的零位干涉检测，但是零位补偿器的设计、检测和装调都会引入误差。而对于那些非规则、非旋转对称的光学自由曲面，则根本无法通过传统的零位补偿器进行补偿，必须使用专门的CGH，而CGH元件加工的高成本，高难度和较难于调整等特性使其测量范围和测量精度均受到限制。以浙江大学为代表的研究机构提出的部分零位法可以提高检测动态范围，但仅限于梯度很小的自由曲面。以罗切斯特大学为代表的研究机构尝试将光学层析法用于自由曲面检测，但其研制的SS OCT系统较为复杂，对于自由曲面的检测精度还有待进一步验证。
基于上述难题，人们将目光转向了子孔径拼接技术，虽然CSSI和ASSI在大口径球面和中度非球面的检测中呈现出高检测精度的特点，但是由于其子孔径特征，使得其在非旋转对称的自由曲面检测中的应用依然没有实质性的突破。而非常规形状的子孔径拼接技术将是一个很好的选择，有望在未来的自由曲面检测中发挥巨大潜力。另外类似于QED公司用于补偿边缘子孔径像差的VON和国防科技大学所使用反向旋转的Zernike面板等离轴像差补偿器也有望成为自由曲面检测的一个重要选择。
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来源：武汉二元科技
