第10卷第3期中国光学Vol.10 No.32017年6月Chinese OpticsJun.2017文章编号2095-1531(2017)030283-17光学自由曲面面形检测技术张磊*，刘东2，师途2，杨甬英2，李劲松”，俞本立(1.安徽大学光电信息获取与控制教育部重点实验室，安徽合肥230601：2.浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江杭州310027)摘要：光学自由曲面因其表面自由度较大，可以针对性地提供或矫正不同的轴上或轴外像差，同时满足现代光学系统高性能、轻量化和微型化的要求，逐渐成为现代光学工程领域的热点。自由曲面的检测技术已经成为制约其应用的最重要因素，而目前精密光学自由曲面的检测手段仍然沿用非球面检测方法。本文回顾了近年来的自由曲面检测发展历程，对目前主流的非接触式检测方法（微透镜阵列法，结构光三维检测法，相干层析术，干涉检测法）进行了重点介绍：总结了非球面检测方法运用到自由曲面检测中的技术难点，同时结合这些技术难点，展望了自由曲面检测的未来发展新趋势，主要集中在非旋转对称像差的动态补偿、分区域像差的回程误差校准及子孔径拼接技术。关键词：自由曲面检测：干涉检测法：子孔径拼接：非旋转对称像差补偿中图分类号：TQ171.65;TN247:TH741文献标识码：Adoi:10.3788/C0.2017100B.0283Optical free-form surfaces testing technologiesZHANG Lei',LIU Dong',SHI Tu2,YANG Yong-ying?,LI Jing-song',YU Ben-li'(1.Key Laboratory of Opto-electronic information Acquisition and ManipulationMinistry of Education,Anhui University,Hefei 230601,China;2.State Key Lab of Modem Optical Instrumentation,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)Corresponding author,E-mail:optzl@ahu.edu.cnAbstract:With great degrees of freedom,optical free form surfaces would provide the axial aberrations and offaxis ones.Meanwhile,they meet requirements of modem optical systems in high-performance,light weightand micromation,and gradually becomes the hot topic in modern optical engineering.However,their applica-tions have been limited by testing technology of optical free form surface.Most testing methods are still follow收稿日期：2017-01-24：修订日期：201703-01基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.61675005,No.61440010):安徽省自然科学基金资助项目(N0.1508085MF118):安徽省科技攻关项目(No.1501041136):国家重点研发专项(No.2016YC0302202):安徽大学博士科研启动项目(No.J01003208)Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61675005,No.61440010);Anhui Natural Sci-ence Foundation No.1508085MF118 )Science and Technology Key Project of Anhui Province No.1501041136);National Key Research and Development Projects(No.2016 YFC0302202);The Doctoral Start-up Foundation of Anhui University(No.J01003208)284中国光学第10卷those of aspheric surfaces yet.In this paper,we introduce the mathematic description,fabrication and testingof free-form surfaces,especially focusing on several non-contact metrology,such as micro-lenses methods,3Dtest with structured light,coherence tomography and interferometry.The technique difficult and developmenttendency stressing on flexible compensation for rotationally asymmetric aberration and subaperture stitchingbased on retrace error correction of the regional aberration are introduced as well.Key words:free-form surface testing;interferometry;subaperture stitching;rotationally asymmetric aberrationcompensation造的曲面，现已被应用在离轴三反和高光谱成像引言系统中；微结构光学曲面主要是指微透镜阵列、菲涅尔透镜、全息透镜和微型V槽上的微结构曲光学自由曲面元件其表面自由度较大，可以面。针对性地提供或矫正不同的轴上或轴外像差，同正是由于成像领域对于光学元件面形的高精时满足现代光学系统高性能、轻量化和微型化的度要求限制了自由曲面的大规模应用。在过去的要求，逐渐成为现代光学研究领域和工业及商业几十年中，非球面的设计和加工检测均获得了长领域的新宠。广义的光学自由曲面包括回转对称足进步，而自由曲面设计加工和检测发展则相对非球面和非回转对称非球面，狭义的光学自由曲缓慢，尤其是自由曲面的检测技术已经成为制约面仅指非旋转对称非球面，其口径内各处曲率半其应用的最重要因素。本文针对适用于成像系统径各不相同，很难在全口径内使用统一的数学方的面形连续变化自由曲面检测技术进行总结与分程描述。自由曲面一般具有不规则形状，可以析，并根据其检测难点展望未来发展趋势。提供较高的像差自由度，或者复杂的光线出射方向以及照度分布，因此对于照明，显示和成像等领2精密光学自由曲面检测方法域具有极大的吸引力。自20世纪90年代起，照明和显示光学系统中已经开始采用自由曲面设自由曲面的检测方法主要分为接触式和非接计2)]，可以根据需求合理控制光线散射角度与光触式[)，其中接触式检测法采用逐点扫描的方式强分布。在成像光学系统中，自由曲面的应用刚进行测量，其中具有代表性的是坐标测量机法刚起步，并不如显示和照明系统成熟，尤其对于一(Coordinate Measurement Machine,CMM)和轮廓些高精度成像领域，仅在一些大型研究机构中才仪法[)。目前CMM法由于测头容易造成被测光能出现自由曲面的身影，如美国航天局(NASA)学元件表面划伤，不能一次性检测全口径面形误研制的三反成像系统。欧洲南方天文台超大差，因而速度较慢，且单点数据经拼接后精度仅停望远镜中的光谱仪(VLT)中便采用了多块象散留在微米量级，限制了其在成像自由曲面检测中镜。的应用。轮廓仪法也仅能检测某一轮廓线的误目前成像光学系统中自由曲面应用主要包括差，不属于真正的自由曲面面形检测。经过抛光离轴非球面、象散面、复曲面、柱面、Zernike曲面、之后的光学自由曲面对测量的超高精度要求以及微结构光学曲面等。其中离轴非球面主要用在各在检测过程中必须兼顾测量精度和测量范围之间种离轴三反光学系统中：复曲面是指正交子午线的矛盾使得传统的接触式测量已经无法满足要对称，且在子午线上存在曲面曲率半径的最大值求。受到非球面检测方法的启发，研究人员逐渐和最小值的曲面，可以在正交方向上提供不同的将各种非接触式非球面检测方法应用到自由曲面像差校正；象散面主要为光学系统提供不同方向检测的研究中，并取得了一定的进展。目前受到的象散，例如VLT中便采用了多块象散镜：Zemi-广泛关注的光学自由曲面面形非接触式检测方法ke曲面是由不同形式的Zernike多项式描述并构主要有微透镜阵列法、结构光三维测量法、相干层第3期张磊，等：光学自由曲面面形检测技术285析法和干涉测量法，下面针对这几种典型检测方光斑，当人射波前存在变形，则变形部分的子波前法进行相关介绍。经对应微透镜后在像面的汇聚点将偏离理想像2.1微透镜阵列法点，在全口径像面上形成非均匀光斑排列。探测微透镜阵列相较于传统单个透镜，可以将入被测波前的子波前光斑相对标定光斑的偏移量就射的被测波面分割为多个子波前区域，使得每个能测量各个子孔径内波前在x和y方向上的子波子波前区域的畸变在探测器的检测范围之内，进前斜率，根据这些斜率数据经过波前复原算法即而重构整个被测波面。根据微透镜阵列在光学系可以重构出被测波前的相位信息。图1(b)所示统中不同的位置和不同的波前重构方法，目前的为夏克-哈特曼传感器检测自由曲面典型光路。微透镜阵列自由曲面检测法可分为两大类：夏克-该光学系统结构使得标准平面波前经被测自由曲哈特曼波前探测法和倾斜波干涉仪法，其中倾斜面反射后，波前相位信息受到自由曲面面形调制，波干涉仪法将在干涉检测的内容中详述，此处仅通过夏克哈特曼传感器重构受调制波前相位，即介绍夏克-哈特曼波前探测法。可反演出被测曲面面形。夏克哈特曼波前探测法是一种利用夏克-哈20世纪末，桑迪亚国家实验室率先将夏克哈特曼波前传感器进行波前斜率测量的方法。夏克特曼探测器用来测量光学元件的面形误差)；哈特曼波前传感器主要由微透镜阵列和位于微透镜焦距处的CCD相机构成，其中微透镜阵列由探测器对微透镜阵列进行了面形测量；2005年，上百个相同尺寸和相同焦距的微透镜按一定的规美国罗彻斯特大学将夏克哈特曼探测器用于薄透律紧密排列而成，其工作原理如图1(a)所示。在镜和隐形眼镜等光学元件的测量[)；2012年新传感器中，用微透镜阵列将人射波前分割成许多加坡W.Guo等人[)提出一种自适应光斑中心判子波前，平面波人射时，像面上呈现均匀排列的定法，使得夏克哈特曼波前探测法在自由曲面面形检测中的精度达到了27nms。国内天津大理想波前学[4]利用夏克哈特曼波前探测法检测口径2mm微透镜的立方相位板，检测结果与Veeco白光干涉仪比对精度达到0.2%。然而，夏克哈特曼波前探测法由于探测器接焦平面收面积有限，受到其微透镜阵列个数的限制，因采样率低获得的波前斜率数据有限，如图2所示，导致其横向分辨率不高：另外，其动态范围也受到微(a夏克-哈特曼传感器原理透镜尺寸限制，在对大曲率半径表面检测时像面(a)Principle diagram of Shark-Hartmann wavefront sensor光斑偏离过大，可能相互混叠，甚至会超出CCD反射镜大畸变被前被测面夏克-哈特曼传感器心)检测自由曲面光路图(b)Light path diagram of surface testing system图1夏克-哈特曼传感法检测自由曲面原理图2夏克-哈特曼传感的检测限制Fig.I Principle of Shark-Hartmann wavefront sensor inFig.2 Testing limitation of Shark-Hartmann wavefrontfree-form surface testsensor