一、检测指标

 

由于存在加工误差等，光学元件表面与理想表面之间将会产生偏差，从而影响光学系统的成像质量。面形误差和参数误差是典型的描述面形偏差的指标。

 

1、面形误差

 

面形误差是指实际非球面表面形状与理想非球面表面形状之间的逐点差别，由峰谷值(光学加工表面相对理想参考表面各点偏差的峰值和谷值之差)和均方根值(光学加工表面相对于理想参考表面各点偏差的均方根值)表征。

 

2、参数误差

 

参数误差是指非球面表达式中的参数存在误差，如非球面透镜标准公式中的圆锥常数k。因此，面形误差和参数误差对非球面的光学特性有着显著的影响。

 

二、检测方法

 

按照是否接触被测面，非球面面形的主要检测方法可以分为接触式测量法和非接触式测量法。

 

1、接触式测量法

 

首先，对被测非球面进行坐标逐点测量。其次，对测量结果进行曲面拟合，获得顶点曲率半径和二次曲面常数的测量值。最后，计算标称值和测量值的差值，即非球面参数误差；将拟合曲面和实测曲面点对点相减得到随机偏差分布，即非球面面形误差。

 

2、非接触式测量法

 

非接触式测量法的测量精度相对于接触式测量法的高，不会造成被测面的损伤，但是测量的难度更大。非接触式测量法分为几何检测法和干涉检测法两大类。

 

（1）几何检测法

 

主要包括刀口检测法、朗奇检测法、哈特曼波前检测法等。

 

①刀口检测法

 

刀口检测法检测透镜的原理如图1所示，其原理是基于被测表面的变形使得光线偏离原有的轨迹，通过遮拦这些偏离的光线来测定光线的横向位移。

图1 刀口检测法检测透镜的原理图

 

②朗奇检测法

 

朗奇检测法的原理如图2所示，其原理是将低频光栅置于被测非球面镜曲率中心时，光栅的像又落回光栅，产生莫尔条纹，这些条纹的形状携带着被检反射镜的面形误差的信息。

图2 朗奇检测法的原理图

 

③  哈特曼波前检测法

 

传统哈特曼波前检测法的原理3如图所示。测量面形时，通过瞳面附近的哈特曼光阑对光线采样，在焦平面附近用探测器对光线形成的光斑进行探测，由光线在哈特曼光阑和探测面上的位置得到所探测光线的斜率矩阵复原出被测镜的面形。

图3 传统哈特曼波前检测法的原理

 

夏克-哈特曼(SH)波前传感器是在经典哈特曼波前检测法的基础上，结合微透镜阵列、电荷耦合器件(CCD)图像采集以及处理技术发展而来的现代波像差传感仪器，可以用SH波前传感器检测非球面的面形，夏克-哈特曼检测的原理如4图所示。

图4 夏克-哈特曼检测的原理

 

（2）干涉检测法

 

干涉检测法通过对入射激光进行分光，一束由参考镜反射，一束由待测镜反射，两束激光在像面发生干涉。通过干涉图的光强分布，可以推导出像面波前的分布，从而得到被测面的面形误差。根据测量波前与被测面之间的关系，干涉检测法可以分为零位干涉检测法和非零位干涉检测法两大类。

 

1、零位干涉检测法

 

零位干涉检测法借助补偿器作为辅助光学元件，把平面波或者球面波转换为与被测面理论形状一致的波前，即通过补偿器来完全补偿被测面的法线像差。此时补偿器出射波前的法线与理论被测面的法线处处重合，从而干涉仪系统测得的波前像差完全由被测面面形误差导致，可实现对被测面的高精度测量。

零位干涉检测法可分为工艺面检测法、无像差检测法、零位补偿法、计算全息法和自适应零位干涉检测法。本文主要介绍零位补偿法、计算全息法和自适应零位干涉检测法。

 

（1）零位补偿法

 

零位补偿法的原理图如图5所示，检测光束由干涉仪出射到补偿器，光束经过补偿器在被测非球面反射，然后经过补偿器回到干涉仪。此时含有被测非球面面形误差信息的检测光与参考光相互干涉形成干涉条纹，对干涉条纹进行分析和处理可以得到非球面的面形误差。

图5 零位补偿法的原理图

 

（2）计算全息法

 

计算全息法利用计算机、绘图仪和照相技术合成全息图。采用该方法检测非球面，首先需要利用上述设备和相关工艺制得一个与被测非球面相应的计算全息图(CGH)；然后将该CGH 放在干涉仪检测装置中适当的位置，同时将被测非球面元件放入干涉仪检验臂中，通过波前再现和空间滤波，获得由参考波面与检测波面相干涉而形成的干涉图，根据此干涉图确定被测非球面的面形误差。

图6 泰曼-格林非球面检测光路图

 

（3）自适应零位干涉检测法

 

自适应零位干涉检测法利用空间光调制器(SLM)和可变形镜(DM)在像差校正中的灵活性和准确性，实现对不同面形被测面的测量。

 

2、非零位干涉检测法

 

非零位干涉检测法不需要通过补偿器后的光线完全补偿被测面的法线像差，会有部分像差余量。为了提高非零位干涉检测法的测量精度，需要经过特殊的算法，例如逆向迭代优化算法。