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非球面的檢測(cè)技術(shù)

一、前言

非球面是指中心對(duì)稱(非自由曲面)的光學(xué)器件，其表面曲率半徑沿著鏡片直徑方向發(fā)生變化。非球面鏡可以有效減少球差，以及抑制其它高階像差，因此非球面能夠減少光學(xué)系統(tǒng)中鏡片數(shù)量，提高成像質(zhì)量。球面鏡被廣泛應(yīng)用于攝像系統(tǒng)、光刻物鏡、夜視光學(xué)等領(lǐng)域。

圖1 非球面鏡片外觀圖

二、檢測(cè)方法

圖2 有初級(jí)球差的非球面波前干涉圖

（左）在近軸焦點(diǎn)，沒(méi)有傾斜（中）在最佳焦點(diǎn)，無(wú)傾斜（右）在最佳焦點(diǎn)，有較大傾斜

(1）零位檢測(cè)方法

加工中，經(jīng)常使用零位檢驗(yàn)法來(lái)檢驗(yàn)非球面鏡。所謂的零位檢驗(yàn)就是當(dāng)獲得理想波前時(shí)，產(chǎn)生無(wú)條紋區(qū)域的檢驗(yàn)。如果在待檢波前和參考波前之間加上一個(gè)傾角，并且二者的近軸曲率一樣，就可以得到相互平行的直條紋。在這些條件下，任何與直條紋的偏離就是波前變形的圖形表示。因?yàn)榭梢院苋菀椎刈R(shí)別理想波前，并且可以用很高的精度測(cè)量它，所以這是一種很理想的測(cè)量方法。但是，有時(shí)候零位檢驗(yàn)并不簡(jiǎn)單，而且可能會(huì)成為一種誤差源。

圖3 適于對(duì)平面或凹球面進(jìn)行零位檢測(cè)的光路

(2）非零位檢測(cè)方法

非零位檢測(cè)方法可以定量的檢測(cè)面形，首先用傅科（Foucault)、朗奇(Ronchi）或哈特曼（ Hartmann）方法檢測(cè)波前，然后用一定的數(shù)學(xué)方法計(jì)算表面相對(duì)于最佳球面的變形量。這種方法通常很費(fèi)時(shí);這類方法與干涉測(cè)量相比靈敏度低，如果非球面變形強(qiáng)烈，這類方法的測(cè)量精度不夠高。

(3）零位補(bǔ)償器補(bǔ)償測(cè)量法

往光學(xué)系統(tǒng)中添加一些額外的光學(xué)元件以補(bǔ)償從球面表面反射回來(lái)的波前的球差。設(shè)計(jì)一個(gè)輔助的光學(xué)系統(tǒng)，它與非球面表面一起工作，形成點(diǎn)光源斑點(diǎn)像。我們稱輔助的光學(xué)系統(tǒng)為零位校正器或零位補(bǔ)償器。

圖4 零位補(bǔ)償器補(bǔ)償測(cè)量法示意

（4）CGH (Computer-Generated Holograms) 干涉測(cè)量法

CGH可以將激光干涉儀測(cè)試波前，“轉(zhuǎn)化為”所需的非球面波前，進(jìn)行非球面測(cè)試。該方法適用于高精度非球面面形檢測(cè)，以及對(duì)于工業(yè)上定型設(shè)計(jì)的非球面批量檢測(cè)。但是其最大的缺點(diǎn)便是一個(gè)CGH只對(duì)應(yīng)于一種非球面設(shè)計(jì)，檢測(cè)成本昂貴。

（5）剪切干涉測(cè)量法

用橫向或徑向剪切干涉測(cè)量法可以測(cè)量高非球面度的鏡面，能提供一個(gè)很大的動(dòng)態(tài)范圍，但是靈敏度不高。