光学自由曲面面形检测方法进展与展望【《光学学报》创刊40周年庆】
 

《光学学报》40周年庆约稿| 朱日宏,孙越,沈华. 光学自由曲面面形检测方法进展与展望[J]. 光学学报, 2021, 41(1): 0112001

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编者按

2021年是《光学学报》创刊40周年，编辑部特邀南京理工大学朱日宏教授课题组撰写《光学自由曲面面形检测方法进展与展望》综述论文。自由曲面面形由于梯度变化大、缺少统一对称轴，这给其面形的高精度、高效率、高通用性检测带来了巨大的挑战，文章概述了两类传统的光学自由曲面高精度检测方法，并展望了光学自由曲面检测技术的未来发展重点。本文将在《光学学报》2021年第1期刊出，全文链接如下： http://www.opticsjournal.net/Articles/abstract?aid=OJ19b33cfd3298bf0e ">http://www.opticsjournal.net/Articles/HPAbstract?manu_number=g200864

1、背景介绍

光学自由曲面一般指缺少统一对称轴、具有非旋转对称结构的复杂曲面。现代光学系统中常用的自由曲面主要包括离轴非球面、柱面、XY多项式曲面、Zernike多项式曲面、Q-type多项式曲面、径向基函数自由曲面、NURBS自由曲面、微结构表面和衍射结构光学表面等。

与传统的球面、非球面光学元件相比，自由曲面光学元件具有更多的设计“自由度”，能够针对性地矫正光学系统的各类像差，提升系统的光学性能，同时大幅减少系统镜片使用数量，优化系统的结构。因此，自由曲面元件已逐渐成为照明、投影、显示、光刻、天文望远、空间相机等系统中的关键器件。

图1自由曲面光学元件应用案例.（a）AR/VR眼镜；（b）超短焦投影仪；（c）单镜显微系统；（d）空间相机.

但是由于自由曲面面形本身的高度“自由”，梯度变化大、缺少统一的对称轴，这给其面形的高精度、高效率、高通用性检测带来了巨大的挑战。精密检测技术已经成为制约光学自由曲面高精度制造和大量应用的主要瓶颈之一，是当今测试领域的研究热点。
2、光学自由曲面高精度检测方法

目前，光学自由曲面元件的检测方法主要是在传统非球面的面形检测技术基础上发展而来，主要分为点线式测量和面式测量两大类。
2.1 点线式测量法

点线式测量法是一类传统的面形检测方法，主要适用于自由曲面元件加工过程中的铣削、研磨与粗抛光阶段。该类方法原理相对简单，通过探针在横向上对被测件矢高进行逐点或逐线的扫描，最后通过“点云”数据的拼接拟合得到被测曲面的全面形信息。目前典型的点线式测量方法主要有三坐标测量机法（CMM）、轮廓仪法、摆臂式轮廓扫描法等。

CMM法测量范围广、通用性强，可以测量任意面形的自由曲面元件，但其测量效率较低，且受拼接精度影响，目前最高测量精度为0.3μm～0.5μm。CMM未来主要向智能工业化方向发展，即与现今的人工智能技术、大数据技术相结合，使CMM方法更为灵活、高效率，及智能化。

轮廓仪法主要用于离轴非球面和小梯度变化自由曲面的测量，测量口径可达500mm，测量不确定度达到30nm；摆臂式轮廓仪法的测量口径可突破1m，测量精度为亚微米量级，主要用于大口径非球面和离轴非球面的测量。

图2点线式测量仪器.（a）CMM；（b）轮廓仪.

2.2 面式测量法

相比于点线式测量法，面式测量方法可以直接得到面形数据，测量效率高、速度快，受到国内外众多研究机构的青睐。干涉测量法是典型的面式测量法，也是目前公认的光学元件面形高精度检测最有效的方法之一，主要包括计算全息法、部分零位补偿法、子孔径拼接法和倾斜波面法。

计算全息法测量精度极高，优于15nm（RMS），对于离轴非球面这类中小梯度自由曲面，其测量口径可达1m以上。但该方法属于一对一的补偿测量模式（即每个被测自由曲面需要设计与之一一对应的CGH器件，测量原理如图3），测量通用性较差，检测成本较高，难以大规模推广。针对这个问题，国内外学者分别尝试利用高分辨率空间光调制器和基于偶氮液晶材料的光控技术，动态生成与不同被测件对应的计算全息图，提高了测量通用性。

图3计算全息法测量原理图.

部分零位补偿法利用部分零位镜补偿被测件的大部分法线像差，获取可分辨的干涉条纹，提升了系统的动态测量范围。为了进一步提升该方法的灵活性和测量范围，研究人员将补偿镜与变形镜相结合，实现灵活补偿（如图4）。部分零位补偿法不能满足零位条件，所以产生了一定的回程误差，针对该问题，研究人员分别提出了逆向优化重构技术、虚拟干涉仪校准技术，消除了回程误差的影响。目前，部分零位补偿法主要应用于旋转对称非球面、离轴非球面和小口径双圆锥面等面形检测。

图4 MANI（Model-based adaptive non-null interferometry）系统原理图

子孔径拼接法将被测面分割为多个局部梯度变化较小的子孔径区域，分别检测每个子孔径面形，将所有子孔径数据拼接得到全面形偏差。目前常用的子孔拼接技术包括环形子孔拼接术和圆形子孔拼接术。环形子孔拼接术的工作原理基于被测面的旋转对称性，因此主要用来测量旋转对称的面形。圆形子孔拼接术（如图5所示）在自由曲面面形检测中应用较多，基于该方法的商用自动拼接干涉仪可测非球面度为1000λ的自由曲面，测量精度优于λ/30（RMS）。子孔拼接法的测量精度和效率受子孔数量的影响较大，需要在保证检测精度的前提下，提高测量效率，研究人员主要从拼接算法和子孔划分方式两方面展开了研究。

图5 圆形子孔拼接干涉术原理示意图.

倾斜波面法利用透镜阵列产生多束不同倾角的球面波补偿被测件的各个局部区域的梯度，得到各局部区域对应的可分辨干涉图（如图6所示），再通过相位恢复算法得到完整面形。该方法的动态测量范围仅次于子孔拼接法，但测量时无需调整被测件和干涉仪的相对位置，测量效率优于子孔拼接法。研究者又分别用光纤阵列和偏摆镜代替透镜阵列，大大提高了系统的灵活性和通用性；同时，为了消除泰曼格林型干涉结构引入的大量系统误差，提出了共光路型的倾斜波面系统，大大降低了系统误差。

图6 TWI测量原理.（a）TWI光路示意图；（b）TWI得到的干涉图阵列

总结与展望

过去十年，光学自由曲面得到了快速发展，但是与设计和加工技术相比，自由曲面的高精度测量技术相对滞后，这已成为限制其大量应用的瓶颈之一。无论是基于轮廓仪思想发展起来的点线式测量方法，还是基于波面重构思想发展起来的面式测量方法，虽然在自由曲面测量方面都取得了长足的进步，但都面临着“三高”问题。即检测精度、检测效率、检测通用性如何进一步提高，来满足应用领域对光学自由曲面提出的高性能、低成本的要求。因此高精度、高效率、高通用性是光学自由曲面检测技术未来发展的总体趋势，也是光学自由曲面发挥更大作用的一个关键。结合新材料、新方法、新技术，如具有特殊光场效能的超表面元件、新型调制器件与方法、基于深度学习的智能算法等，从波前补偿、测量路径规划、相位计算处理等方面对现有测量技术进行改进，将是光学自由曲面检测技术未来发展的重点。

课题组简介

南京理工大学朱日宏教授领衔的研究团队目前有教师20余人、研究生100余人，依托先进固体激光工业和信息化部重点实验室，长期致力于光电一体化仪器研究与设计、光学计量测试理论、人工智能/深度学习在传统光学领域的应用等，研制了多种融硬、软件于一体的智能化光学仪器。在光机设计与调试技术、电子控制技术、移相干涉技术、标准透镜的设计与装调技术、干涉相位提取技术、高精度波面复原技术、基于人工智能/深度学习的数字图像处理技术、计算全息理论、点衍射干涉理论与技术、倾斜波面干涉理论与技术、空间同步偏振移相干涉理论与技术等方面具有雄厚的学术和技术基础。团队先后主持国家高层次科研项目30多项，研究成果获得国家科学技术进步二等奖两次、国防技术发明二等奖三次、教育部技术发明二等奖一次。

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