非球面面形檢測專利技術分析

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技術相結合才能得到合格的非球面，因此非球面光學元件的檢測已經成為光學測量技術研究的前沿領域。文章主要以非球面面形檢測領域的相關專利申請為研究對象進行了統計和分析，總結了該領域的專利申請量變化情況及其分布狀況。

關鍵詞：非球面光學元件；面形檢測專利技術；專利申請量；光學測量技術；光學系統 文獻標識碼：A

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

1 非球面面形檢測技術簡介

非球面光學元件是指面型由多項式高次方程決定，面型上各點的半徑各不相同的光學元件。其又分為兩類：軸對稱二次曲面與非軸對稱曲面（柱面）。非球面光學元件是一種非常重要的光學元件，它可以獲得球面光學元件所無可比擬的成像質量，在光學系統中能夠很好地矯正多種像差，改善成像質量，提高系統鑒別能力；它能以一個或幾個非球面元件代替多個球面元件，從而簡化儀器結構、降低成本，并有效地減輕儀器的重量；非球面光學系統的設計能使計算方法大為簡化。對于任何光學表面，形貌精度的控制主要取決于測量系統的性能。眾所周知，檢測技術在很大意義上決定了光學表面的形貌精度，檢測過程伴隨著光學系統制造和裝調的始終。加工—檢測—再加工—再檢測是高精度非球面加工的必經過程，如何準確地檢測非球面是高精度非球面加工的基礎。隨著光學制造技術的發展，在過去的幾十年中人們提出了許多檢測方法，大致可以劃分為接觸檢測和非接觸檢測兩大類，而且又有實時在線檢測和非實時在線檢測之分。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、利用光的波動性的干涉法、利用測頭對整個被測面進行掃描的直接面型輪廓法。

2 主要專利申請情況分析

2.1 非球面面形檢測領域的國際專利申請量分析

圖1給出了在非球面面形檢測領域的國際專利申請隨著時間的變化情況。非球面在光學設計上相對于球面光學元件的優勢在幾百年前就被人們認識到，但由于受到制造水平的限制，非球面光學元件沒有得到廣泛應用。直到20世紀60、70年代，非球面鏡片才開始逐漸被應用到實際生產中。從圖1中也可以看出，在20世紀70年代，開始出現關于非球面面形檢測技術方面的專利申請；之后進入到80年代以后，關于該領域的專利申請出現一個小高峰，這也預示著隨著計算機的發展和激光干涉技術的進步，非球面技術獲得了飛速發展；到了90年代之后，該領域的專利申請持續快速上升，這主要得益于非球面光學元件與球面光學元件相比所具有的諸多優點，例如：在不增加獨立像差個數的前提下，增加了自變量個數，從而增加了像差校正的自由度。這一特點在實際工程應用中的意義在于：合理采用非球面的光學系統在體積、重量方面遠小于球面系統，而成像質量卻優于后者。這些特點使得非球面在航空、航天、國防以及高科技民用領域得到了廣泛的應用，也使得非球面的檢測加工成為國內外相關機構研究的熱點。預計今后該領域的國際專利申請量應該是一個持續上升的趨勢。

2.2 非球面面形檢測領域專利申請的總體分布狀況

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

根據對各個申請人的申請量進行分析發現，在非球面面形檢測領域的主要申請人如表1所示。從表1可以看出，本領域中申量大的申請人大多數來自日本，像尼康株式會社、佳能株式會社、松下電器產業株式會社等公司研發實力雄厚，在專利申請上占有比較大的優勢，并且其研發的非球面面形檢測系統市場應用前景廣闊。

另外，美國QED技術公司、德國卡爾蔡斯SMT有限責任公司雖然申請量上的優勢不明顯，但美國QED技術公司研制成功的QED公司的子孔徑拼接干涉儀工作站SSI是子孔徑拼接技術的一個里程碑；德國卡爾蔡斯SMT有限責任公司對子孔徑拼接技術和計算全息技術的研究都處于前沿水平，其非球面面形檢測精度高，應用前景廣闊。國內申請人主要是廈門大學等高校和中國科學院光電技術研究所這樣的研究所，其申請主要涉及非球面面形檢測過程中，某一特定方法的研究或者檢測過程中減小調整誤差的研究。因此，我國在該領域的技術還相對薄弱，能夠面向市場應用推廣的較少。

2.3 國內非球面面形檢測專利申請的總體分布狀況

雖然我國在非球面面形檢測領域的專利申請量還有比較明顯的優勢。但是，從圖3可以看出，國內申請人主要為高校和科研院所，國內相關企業在該領域的發明專利申請并不多見。

通過進一步閱讀國內申請人的專利文獻可以發現，涉及子孔徑拼接測量技術研究的有中國人民解放軍國防科學技術大學的申請（CN102661719A）、北京理工大學的申請（CN102735187A）、中國科學院光電技術研究所的申請（CN102788562A）、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的申請（CN102620683A、CN101709955A、CN102506750A）、哈爾濱理工大學的申請（CN101813454A）；涉及計算全息檢測方法的有中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的申請（CN102519392A）、中國科學院光電技術研究所的申請（CN103196389A、CN103196390A、CN103335610A）；涉及坐標測量機或輪廓儀研究的有西安交通大學的申請（CN102620678A）、北京理工大學的申請（CN103105141A）、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的申請（CN102128599A）、廈門大學的申請（CN101464141A）、哈爾濱工業大學的申請（CN101377410A）；涉及補償器設計及補償方法研究的有蘇州大學的申請（CN102590988A）、西安工業大學的申請（CN102374851A）、中國科學院光電技術研究所的申請（CN101876540A）、哈爾濱工業大學的申請（CN101666628A、CN101520320A）、浙江大學的申請（CN101241232A）、中國科學院上海光學精密機械研究所的申請（CN103134442A）；涉及調整裝置及調整誤差研究的有浙江大學的申請（CN101592478A、CN101290218A）；涉及通過將實際波像差和理論波像差做差檢測非球面面形的有北京理工大學和南通大學的申請（CN103196391A、CN103234480A、CN103471521A、CN103471522A、CN103017681A、CN102937421A）。這些科研院校和研究所的申請多是對方法原理的探索，偏重實驗科學研究，面向市場的產品較少，其研究成果能轉為實際商業應用的較少。

3 結語

由于非球面光學元件與球面光學元件相比具有諸多無法比擬的優點，及其應用領域的不斷拓展，非球面光學元件的檢測技術已經成為國內外研究的重點和熱點，特別是20世紀90年代之后，該領域的專利申請量持續快速上升并逐步趨于穩定，預計今后該領域的國際專利申請量應該是一個持續上升的趨勢。目前中國在非球面檢測加工領域投入了較多的研究，但專利申請多為高校和科研院所的申請，并且真正投入市場轉化為生產的還較少；而中國在該領域有非常好的市場，中國申請人也應借鑒和學習國外該領域的研究技術，并注重科研與市場生產相結合，早日將科研成果投入實際生產應用，創造經濟效益。

參考文獻

[1] 劉春雨.非球面補償檢測的準確度研究[D].中國科學院研究生院，2011.

[2] 黃大剛.非球面測量技術與數據處理方法研究[D].天津大學，2006.

作者簡介：王書倫（1985-），女，山東德州人，國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心光電部計量室專利審查員，研究實習員，碩士。

（責任編輯：秦遜玉）