光學(xué)元件的“考核面試官”

趙彥 湯樂明

生活中如架在耳朵上的眼鏡、智能手機(jī)的攝像頭、單反相機(jī)等，人們無時(shí)無刻不看到光學(xué)元件的影子。但是你知道嗎？這些光學(xué)元件“上崗”之前，必須要經(jīng)過嚴(yán)格的光學(xué)檢測，可以說，光學(xué)檢測是這些光學(xué)元件的“考核面試官”。

神奇的光學(xué)元件

光學(xué)元件作為光學(xué)系統(tǒng)的基本組成單元，很大程度上決定了光學(xué)系統(tǒng)的性能。光學(xué)元件從球面發(fā)展到非球面，能極大提升光學(xué)系統(tǒng)的性能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對光學(xué)系統(tǒng)的性能要求越來越高。因此，非球面，特別是自由曲面的光學(xué)元件，在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。

自由曲面是一類非旋轉(zhuǎn)非對稱、形狀自由的面形，就如同可以自由揮灑才能的小天才，在許多領(lǐng)域可以發(fā)揮極致性能。比如在照明系統(tǒng)中采用自由曲面，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需求，合理控制光線散射角度與光強(qiáng)分布，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光線照明，從而提高光能利用率和照明質(zhì)量；在頭盔顯示（HDM）、微型投影儀等方面，自由曲面光學(xué)元件體積小、質(zhì)量輕，且在較大視場內(nèi)能有效校正非共軸系統(tǒng)像差，具有較高成像質(zhì)量，大大促進(jìn)了其實(shí)際應(yīng)用；在要求更加嚴(yán)苛的國防、航空航天、太空遙測等高科技領(lǐng)域，利用自由曲面光學(xué)技術(shù)，可將光學(xué)儀器的體積縮減為原來的五分之一左右，而且所獲得的影像品質(zhì)還比原來的更好。

光學(xué)元件檢測的“接力賽”

光學(xué)鏡的制造與檢測技術(shù)一直是制約光學(xué)元件廣泛應(yīng)用的兩大難題，尤其是大口徑非球面鏡的檢測更是如此。其中光學(xué)檢測技術(shù)是保證光學(xué)自由曲面高精度制造的前提。

高精度光學(xué)鏡的制造一般都要經(jīng)過成型、研磨、拋光三個(gè)階段。研究表明，各階段對加工精度的要求各不相同，從成型到拋光，要求光學(xué)鏡的面形誤差從10微米降低至0.1微米，即下降兩個(gè)數(shù)量級，相當(dāng)于由一個(gè)籃球的大小下降到一粒米的大小。對于如此大的精度跨度，很難用一種檢測儀器或者檢測方法來保證整個(gè)加工過程的加工精度。一般來說，對應(yīng)不同的加工階段要匹配相應(yīng)的檢測方法，也就是說，光學(xué)鏡的檢測實(shí)際上相當(dāng)于一場“接力賽”。

在成型及研磨階段多采用輪廓測量法及激光跟蹤儀方法。其中，輪廓測量法的儀器有輪廓儀和三坐標(biāo)測量機(jī)。這類測量設(shè)備采用探針逐點(diǎn)接觸被測件表面，采集得到輪廓數(shù)據(jù)。由于屬于逐點(diǎn)掃描測量，這類儀器的測量速度慢，尤其是測量口徑較大元件時(shí)，非常耗時(shí)。另外，其精度通常只能達(dá)到微米或亞微米量級，不能滿足高精度測量要求。這時(shí)候激光跟蹤儀就被用于光學(xué)元件在研磨階段的面形檢測，其優(yōu)勢主要是不受光學(xué)元件的口徑限制，并且可以實(shí)現(xiàn)在線測量。然而，激光跟蹤儀達(dá)到亞微米級別的檢測精度需要輔助技術(shù)來確保檢測精度。

進(jìn)入拋光階段，面形誤差下降至亞微米量級。拋光又分初拋光和后期拋光，不同拋光階段對應(yīng)的檢測方法不同。在初拋光階段，面形誤差仍然超出可見光干涉測量的動態(tài)范圍，在此范圍內(nèi)的檢測手段是決定光學(xué)加工過渡的關(guān)鍵。在這個(gè)階段采用的檢測手段主要為紅外干涉儀檢測、結(jié)構(gòu)光檢測、波前檢測相互交叉驗(yàn)證的方法。

紅外干涉儀的光源波長為10.6微米，長波長相干光可以在粗糙表面形成有效反射，因此可實(shí)現(xiàn)大偏離量非球面以及粗糙表面的測量。

結(jié)構(gòu)光測量是以相位信息條紋為載體進(jìn)行光線追跡，利用光線反射定律得到法線向量，對其斜率積分得到面形分布。

基于夏克哈特曼波前傳感技術(shù)的面形檢測方法是另外一種具有較高檢測精度的非球面檢測方法。該方法從原理上屬于幾何光線法，它采用微透鏡陣列對被測波前進(jìn)行采樣，采用電荷耦合器件（CCD）對波面會聚的光斑陣列進(jìn)行采集，通過分析光斑相對理想位置的偏離量來求取波前誤差，進(jìn)而得到被測面形誤差。

在光學(xué)元件拋光后期，一般采用干涉測量實(shí)現(xiàn)面形的高精度最終檢測。針對非球面及自由曲面的面形檢測，一般分為零位干涉和非零位干涉。零位干涉是通過設(shè)計(jì)補(bǔ)償器或者計(jì)算全息技術(shù)（CGH）來補(bǔ)償被測非球面和自由曲面與最接近球面的偏差，即將非球面的偏差轉(zhuǎn)化為球面偏差進(jìn)行測量。計(jì)算全息技術(shù)已經(jīng)在非球面以及離軸非球面的檢測中得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是目前最為成熟的高精度非球面檢測技術(shù)。非零位干涉策略技術(shù)即子孔徑拼接檢測技術(shù)，其對表面進(jìn)行直接的分割測試，拼接過后的最終面形數(shù)據(jù)點(diǎn)多、分辨率高，其在自由曲面的檢測中具有更大的優(yōu)勢。

在光學(xué)鏡制造的過程中，不同光學(xué)檢測方法的“接力”發(fā)揮了重要的作用，它保證了光學(xué)鏡加工中獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)及加工方向指導(dǎo)，顯著影響了整個(gè)光學(xué)鏡的精度、效率，是高精度光學(xué)元件制造的核心技術(shù)之一。