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一、什么是光學(xué)自由曲面

 光學(xué)自由曲面一般指缺少統(tǒng)一對稱軸、具有非旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜曲面。 現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，常用的自由曲面主要包括離軸非球面、柱面、微結(jié)構(gòu)表面和衍射結(jié)構(gòu)光學(xué)表面等。

 與傳統(tǒng)的球面、非球面等光學(xué)元件相比，自由曲面的光學(xué)元件具有更靈活的設(shè)計，能夠針對性地校正光學(xué)系統(tǒng)中的像差，提升光學(xué)性能，減少鏡片使用數(shù)量，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此，隨著技術(shù)地不斷進步，自由光學(xué)曲面已被廣泛應(yīng)用于照明、投影、光刻、天文望遠鏡和空間相機等光學(xué)領(lǐng)域。

圖1 自由光學(xué)曲面應(yīng)用案例；

（a）VR眼鏡；（b）短焦投影儀；（c）單鏡顯微系統(tǒng)；（d）空間相機。

 但是，自由曲面面形難以用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達式進行描述，這種高復(fù)雜性、非旋轉(zhuǎn)對稱性等特性給其高精度檢測帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

二、光學(xué)自由曲面高精度檢測方法

  光學(xué)自由曲面沒有統(tǒng)一的對稱軸，表面形狀復(fù)雜，梯度大，給其高精度檢測帶來了諸多難題。目前，該類元件的檢測方法是在傳統(tǒng)非球面的面形檢測技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，主要分為點線式測量和面式測量兩大類。

（一）點線式測量法

 點線式測量法是一類傳統(tǒng)的面形檢測方法，主要用于自由曲面元件加工過程中的銑削和研磨階段。該類方法原理簡單，通過機械式或光學(xué)式探針在橫向上對被測件矢高進行逐點或逐線的掃描，最后通過“點云”數(shù)據(jù)的拼接擬合得到被測曲面的全部面形信息。目前典型的點線式測量方法主要有三坐標測量機法（CMM）、輪廓儀法、擺臂式輪廓掃描法等。

（二）面式測量法

 點線式測量法由于需要逐點或逐線的掃描導(dǎo)致其測量速度較慢，效率低，而面式測量則通過一次測量就能夠直接得到所有面形數(shù)據(jù)，測量效率高、速度快，受到國內(nèi)外研究機構(gòu)更多的青睞。目前得到較多研究的方法主要有夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)波前檢測法、結(jié)構(gòu)光三維測量法和干涉測量法，而干涉測量法屬于典型的面式測量法，也是目前公認的光學(xué)元件面形高精度檢測最有效的方法之一，主要包括計算全息法、部分零位補償法、子孔徑拼接法和傾斜波面法。

（1）計算全息法：利用光波的數(shù)學(xué)描述，就能得到任意形狀的波前，從而實現(xiàn)被檢光學(xué)面的零位補償測量。

（2）部分零位補償法：在干涉結(jié)構(gòu)中利用部分補償鏡補償被測件的大部分法線像差，獲取可分辨的干涉條紋，提升了系統(tǒng)的動態(tài)測量范圍。

（3）子孔徑拼接法：將被測面分割為多個局部梯度變化較小的子孔徑區(qū)域，分別檢測每個子孔徑面形，將所有子孔徑數(shù)據(jù)進行拼接從而得到全面形偏差。

（4）傾斜波面法：在干涉光路里利用微透鏡陣列引入多個軸外點源，通過點源產(chǎn)生的不同傾角的多束球面波來補償被檢面在各個局部區(qū)域的梯度，得到各局部區(qū)域?qū)?yīng)的可分辨干涉圖，再通過相位恢復(fù)算法得到完整面形。

 值得一提的是，上述所提到的面式測量的各種方法，在測量過程中都要用到干涉儀，而我司所生產(chǎn)的Hi-Marc系列斐索型干涉儀（如Hi-Marc150W型激光干涉儀，Hi-Marc300W型激光干涉儀等）均能夠用于這些測量過程中，實現(xiàn)對光學(xué)自由曲面高精度、高效率、高穩(wěn)定性檢測。

圖2 Hi-Marc150W型激光干涉儀（左）Hi-Marc150W型激光干涉儀（右）