光學元件的“考核面試官”

趙彥 湯樂明

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

神奇的光學元件

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

自由曲面是一類非旋轉非對稱、形狀自由的面形，就如同可以自由揮灑才能的小天才，在許多領域可以發揮極致性能。比如在照明系統中采用自由曲面，設計者可以根據需求，合理控制光線散射角度與光強分布，實現復雜光線照明，從而提高光能利用率和照明質量；在頭盔顯示（HDM）、微型投影儀等方面，自由曲面光學元件體積小、質量輕，且在較大視場內能有效校正非共軸系統像差，具有較高成像質量，大大促進了其實際應用；在要求更加嚴苛的國防、航空航天、太空遙測等高科技領域，利用自由曲面光學技術，可將光學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還比原來的更好。

光學元件檢測的“接力賽”

光學鏡的制造與檢測技術一直是制約光學元件廣泛應用的兩大難題，尤其是大口徑非球面鏡的檢測更是如此。其中光學檢測技術是保證光學自由曲面高精度制造的前提。

高精度光學鏡的制造一般都要經過成型、研磨、拋光三個階段。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，要求光學鏡的面形誤差從10微米降低至0.1微米，即下降兩個數量級，相當于由一個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加工過程的加工精度。一般來說，對應不同的加工階段要匹配相應的檢測方法，也就是說，光學鏡的檢測實際上相當于一場“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測量機。這類測量設備采用探針逐點接觸被測件表面，采集得到輪廓數據。由于屬于逐點掃描測量，這類儀器的測量速度慢，尤其是測量口徑較大元件時，非常耗時。另外，其精度通常只能達到微米或亞微米量級，不能滿足高精度測量要求。這時候激光跟蹤儀就被用于光學元件在研磨階段的面形檢測，其優勢主要是不受光學元件的口徑限制，并且可以實現在線測量。然而，激光跟蹤儀達到亞微米級別的檢測精度需要輔助技術來確保檢測精度。

進入拋光階段，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范圍，在此范圍內的檢測手段是決定光學加工過渡的關鍵。在這個階段采用的檢測手段主要為紅外干涉儀檢測、結構光檢測、波前檢測相互交叉驗證的方法。

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，因此可實現大偏離量非球面以及粗糙表面的測量。

結構光測量是以相位信息條紋為載體進行光線追跡，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行采樣，采用電荷耦合器件（CCD）對波面會聚的光斑陣列進行采集，通過分析光斑相對理想位置的偏離量來求取波前誤差，進而得到被測面形誤差。

在光學元件拋光后期，一般采用干涉測量實現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。零位干涉是通過設計補償器或者計算全息技術（CGH）來補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化為球面偏差進行測量。計算全息技術已經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用，被認為是目前最為成熟的高精度非球面檢測技術。非零位干涉策略技術即子孔徑拼接檢測技術，其對表面進行直接的分割測試，拼接過后的最終面形數據點多、分辨率高，其在自由曲面的檢測中具有更大的優勢。

在光學鏡制造的過程中，不同光學檢測方法的“接力”發揮了重要的作用，它保證了光學鏡加工中獲得準確的數據及加工方向指導，顯著影響了整個光學鏡的精度、效率，是高精度光學元件制造的核心技術之一。