大口径非球面检测技术

《大口径光学非球面镜先进制造技术概述》

与光学加工一样，非球面的检测相对于平球面来说同样非常困难，特别是针对大口径非球面的光学检测更是要面临更长的检测光路。一般来说，非球面的面形检测按原理可分为坐标测量、几何光线测量和光学干涉测量。

1、坐标测量，比如三坐标测量机，测量精度有限，一般用在大口径非球面铣磨阶段(面形精度控制在10μm 左右)。激光跟踪仪和接触式轮廓测量可用在研磨阶段(面形误差控制在1μm 左右)。

2、几何光线法，比如夏克-哈特曼波前传感器、刀口法、结构光及Ronchi 光栅法一般用于初抛光阶段，这个阶段被加工面形反射率较低(面形误差控制在亚微米量级)；

3、干涉测量是当前非球面检测方法的主流，基于可见光波段的数字波面干涉仪是抛光和终检阶段(面形精度在几十纳米)的必要手段。

1 坐标测量技术

坐标测量是一种直接的非球面面形检测方法，通常分为接触式和非接触式坐标测量两类，比如常见的仪器有三坐标测量机和轮廓仪。他们的基本原理都是点-线-面的重构过程：一般是先利用高精度的位移传感器对待测非球面上的离散点进行扫描检测，以获得各点的三维坐标，然后通过数学插值重构出全口径内的三维面形。通过与非球面的理论面形比较最终获得面形误差。

1.1 摆臂式轮廓仪

1.2 激光跟踪仪

1.3 非球面轮廓测量仪LUPHOScan

2 几何光线测量技术

光学加工中，光学件的研磨到抛光的面形精度是从微米量级直接过渡到几十纳米量级，中间有两个数量级的精度跨越。也就是说，从研磨阶段所采用的传统的坐标测量过渡到抛光阶段所采用的干涉测量，必须有较大动态范围和较高测量精度的检测手段。几何光线法是最早应用于光学研抛过程的面形检测方法之一，它是一种利用几何光学原理对非球面面形进行检测的技术，在大口径非球面的研抛过程中一直都有广泛的应用。

2.1 刀口法

2.2 哈特曼光阑法及夏克-哈特曼波前探测法

2.3 结构光条纹反射技术

3 干涉测量技术

干涉测量技术是利用光本身的物理特性进行测量，其测量原理是：利用一个较高面形精度的参考镜来对被测镜进行检测，携带有参考面信息的参考光与携带有被测面信息的被测光发生干涉，生成干涉条纹并被成像探测器记录，利用相位恢复算法可以从干涉条纹中复原出被测面的面形误差。干涉测量精度高，采样点丰富，测量周期短，是光学件面形高精度检测所广泛采用的终检手段。随着激光技术、电子技术以及计算机信息技术的发展，集成有高性能相位解调算法的商业干涉仪在光学检测领域大放异彩。干涉测量甚至可以称得上高精度光学检测的代名词，现已成为光学车间检测的主流技术。

3.1 非零位干涉测量

3.1.1 子孔径拼接测量技术

3.1.2 倾斜波干涉测量技术

3.1.3 红外干涉测量技术

3.1.4 亚奈奎斯特测量技术

3.1.5 剪切干涉测量技术

3.2 零位干涉测量

3.2.1 无像差点法

3.2.2 补偿镜法

3.2.3 计算全息(CGH)

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