非球面面形檢測(cè)專利技術(shù)分析

王書倫　高新升

摘要：非球面元件的制造必須與精確的非球面檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合才能得到合格的非球面，因此非球面光學(xué)元件的檢測(cè)已經(jīng)成為光學(xué)測(cè)量技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域。文章主要以非球面面形檢測(cè)領(lǐng)域的相關(guān)專利申請(qǐng)為研究對(duì)象進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，總結(jié)了該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量變化情況及其分布狀況。

關(guān)鍵詞：非球面光學(xué)元件；面形檢測(cè)專利技術(shù)；專利申請(qǐng)量；光學(xué)測(cè)量技術(shù)；光學(xué)系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ171 文章編號(hào)：1009-2374（2015）22-0083-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.041

1 非球面面形檢測(cè)技術(shù)簡介

非球面光學(xué)元件是指面型由多項(xiàng)式高次方程決定，面型上各點(diǎn)的半徑各不相同的光學(xué)元件。其又分為兩類：軸對(duì)稱二次曲面與非軸對(duì)稱曲面（柱面）。非球面光學(xué)元件是一種非常重要的光學(xué)元件，它可以獲得球面光學(xué)元件所無可比擬的成像質(zhì)量，在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好地矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力；它能以一個(gè)或幾個(gè)非球面元件代替多個(gè)球面元件，從而簡化儀器結(jié)構(gòu)、降低成本，并有效地減輕儀器的重量；非球面光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能使計(jì)算方法大為簡化。對(duì)于任何光學(xué)表面，形貌精度的控制主要取決于測(cè)量系統(tǒng)的性能。眾所周知，檢測(cè)技術(shù)在很大意義上決定了光學(xué)表面的形貌精度，檢測(cè)過程伴隨著光學(xué)系統(tǒng)制造和裝調(diào)的始終。加工—檢測(cè)—再加工—再檢測(cè)是高精度非球面加工的必經(jīng)過程，如何準(zhǔn)確地檢測(cè)非球面是高精度非球面加工的基礎(chǔ)。隨著光學(xué)制造技術(shù)的發(fā)展，在過去的幾十年中人們提出了許多檢測(cè)方法，大致可以劃分為接觸檢測(cè)和非接觸檢測(cè)兩大類，而且又有實(shí)時(shí)在線檢測(cè)和非實(shí)時(shí)在線檢測(cè)之分。按照其獲取面型信息的原理不同，大體上又可以分為三類：利用光的直線性的幾何光線法、利用光的波動(dòng)性的干涉法、利用測(cè)頭對(duì)整個(gè)被測(cè)面進(jìn)行掃描的直接面型輪廓法。

2 主要專利申請(qǐng)情況分析

2.1 非球面面形檢測(cè)領(lǐng)域的國際專利申請(qǐng)量分析

圖1給出了在非球面面形檢測(cè)領(lǐng)域的國際專利申請(qǐng)隨著時(shí)間的變化情況。非球面在光學(xué)設(shè)計(jì)上相對(duì)于球面光學(xué)元件的優(yōu)勢(shì)在幾百年前就被人們認(rèn)識(shí)到，但由于受到制造水平的限制，非球面光學(xué)元件沒有得到廣泛應(yīng)用。直到20世紀(jì)60、70年代，非球面鏡片才開始逐漸被應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。從圖1中也可以看出，在20世紀(jì)70年代，開始出現(xiàn)關(guān)于非球面面形檢測(cè)技術(shù)方面的專利申請(qǐng)；之后進(jìn)入到80年代以后，關(guān)于該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)出現(xiàn)一個(gè)小高峰，這也預(yù)示著隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和激光干涉技術(shù)的進(jìn)步，非球面技術(shù)獲得了飛速發(fā)展；到了90年代之后，該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)持續(xù)快速上升，這主要得益于非球面光學(xué)元件與球面光學(xué)元件相比所具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，例如：在不增加獨(dú)立像差個(gè)數(shù)的前提下，增加了自變量個(gè)數(shù)，從而增加了像差校正的自由度。這一特點(diǎn)在實(shí)際工程應(yīng)用中的意義在于：合理采用非球面的光學(xué)系統(tǒng)在體積、重量方面遠(yuǎn)小于球面系統(tǒng)，而成像質(zhì)量卻優(yōu)于后者。這些特點(diǎn)使得非球面在航空、航天、國防以及高科技民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也使得非球面的檢測(cè)加工成為國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)今后該領(lǐng)域的國際專利申請(qǐng)量應(yīng)該是一個(gè)持續(xù)上升的趨勢(shì)。

2.2 非球面面形檢測(cè)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的總體分布狀況

圖2給出了已經(jīng)公開的各國涉及非球面面形檢測(cè)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)所占比例的情況，其中日本申請(qǐng)139件，占34%；中國申請(qǐng)110件，占27%；美國申請(qǐng)54件，占13%；蘇聯(lián)申請(qǐng)39件，占10%；德國申請(qǐng)23件，占6%；歐洲申請(qǐng)14件，占3%；其他國家和地區(qū)的申請(qǐng)28件，占7%。

根據(jù)對(duì)各個(gè)申請(qǐng)人的申請(qǐng)量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在非球面面形檢測(cè)領(lǐng)域的主要申請(qǐng)人如表1所示。從表1可以看出，本領(lǐng)域中申量大的申請(qǐng)人大多數(shù)來自日本，像尼康株式會(huì)社、佳能株式會(huì)社、松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社等公司研發(fā)實(shí)力雄厚，在專利申請(qǐng)上占有比較大的優(yōu)勢(shì)，并且其研發(fā)的非球面面形檢測(cè)系統(tǒng)市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

另外，美國QED技術(shù)公司、德國卡爾蔡斯SMT有限責(zé)任公司雖然申請(qǐng)量上的優(yōu)勢(shì)不明顯，但美國QED技術(shù)公司研制成功的QED公司的子孔徑拼接干涉儀工作站SSI是子孔徑拼接技術(shù)的一個(gè)里程碑；德國卡爾蔡斯SMT有限責(zé)任公司對(duì)子孔徑拼接技術(shù)和計(jì)算全息技術(shù)的研究都處于前沿水平，其非球面面形檢測(cè)精度高，應(yīng)用前景廣闊。國內(nèi)申請(qǐng)人主要是廈門大學(xué)等高校和中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所這樣的研究所，其申請(qǐng)主要涉及非球面面形檢測(cè)過程中，某一特定方法的研究或者檢測(cè)過程中減小調(diào)整誤差的研究。因此，我國在該領(lǐng)域的技術(shù)還相對(duì)薄弱，能夠面向市場(chǎng)應(yīng)用推廣的較少。

2.3 國內(nèi)非球面面形檢測(cè)專利申請(qǐng)的總體分布狀況

雖然我國在非球面面形檢測(cè)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量還有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。但是，從圖3可以看出，國內(nèi)申請(qǐng)人主要為高校和科研院所，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)在該領(lǐng)域的發(fā)明專利申請(qǐng)并不多見。

通過進(jìn)一步閱讀國內(nèi)申請(qǐng)人的專利文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，涉及子孔徑拼接測(cè)量技術(shù)研究的有中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的申請(qǐng)（CN102661719A）、北京理工大學(xué)的申請(qǐng)（CN102735187A）、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的申請(qǐng)（CN102788562A）、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的申請(qǐng)（CN102620683A、CN101709955A、CN102506750A）、哈爾濱理工大學(xué)的申請(qǐng)（CN101813454A）；涉及計(jì)算全息檢測(cè)方法的有中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的申請(qǐng)（CN102519392A）、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的申請(qǐng)（CN103196389A、CN103196390A、CN103335610A）；涉及坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或輪廓儀研究的有西安交通大學(xué)的申請(qǐng)（CN102620678A）、北京理工大學(xué)的申請(qǐng)（CN103105141A）、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的申請(qǐng)（CN102128599A）、廈門大學(xué)的申請(qǐng)（CN101464141A）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的申請(qǐng)（CN101377410A）；涉及補(bǔ)償器設(shè)計(jì)及補(bǔ)償方法研究的有蘇州大學(xué)的申請(qǐng)（CN102590988A）、西安工業(yè)大學(xué)的申請(qǐng)（CN102374851A）、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的申請(qǐng)（CN101876540A）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的申請(qǐng)（CN101666628A、CN101520320A）、浙江大學(xué)的申請(qǐng)（CN101241232A）、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的申請(qǐng)（CN103134442A）；涉及調(diào)整裝置及調(diào)整誤差研究的有浙江大學(xué)的申請(qǐng)（CN101592478A、CN101290218A）；涉及通過將實(shí)際波像差和理論波像差做差檢測(cè)非球面面形的有北京理工大學(xué)和南通大學(xué)的申請(qǐng)（CN103196391A、CN103234480A、CN103471521A、CN103471522A、CN103017681A、CN102937421A）。這些科研院校和研究所的申請(qǐng)多是對(duì)方法原理的探索，偏重實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究，面向市場(chǎng)的產(chǎn)品較少，其研究成果能轉(zhuǎn)為實(shí)際商業(yè)應(yīng)用的較少。

3 結(jié)語

由于非球面光學(xué)元件與球面光學(xué)元件相比具有諸多無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，非球面光學(xué)元件的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，特別是20世紀(jì)90年代之后，該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量持續(xù)快速上升并逐步趨于穩(wěn)定，預(yù)計(jì)今后該領(lǐng)域的國際專利申請(qǐng)量應(yīng)該是一個(gè)持續(xù)上升的趨勢(shì)。目前中國在非球面檢測(cè)加工領(lǐng)域投入了較多的研究，但專利申請(qǐng)多為高校和科研院所的申請(qǐng)，并且真正投入市場(chǎng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)的還較少；而中國在該領(lǐng)域有非常好的市場(chǎng)，中國申請(qǐng)人也應(yīng)借鑒和學(xué)習(xí)國外該領(lǐng)域的研究技術(shù)，并注重科研與市場(chǎng)生產(chǎn)相結(jié)合，早日將科研成果投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉春雨.非球面補(bǔ)償檢測(cè)的準(zhǔn)確度研究[D].中國科學(xué)院研究生院，2011.

[2] 黃大剛.非球面測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法研究[D].天津大學(xué)，2006.

作者簡介：王書倫（1985-），女，山東德州人，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心光電部計(jì)量室專利審查員，研究實(shí)習(xí)員，碩士。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）