怎么测试非球面

非球面镜的好处有很多：它们可以减少球面像差，是聚焦或准直光线的理想选择，它们可以实现低f数。非球面透镜还允许使用更少的透镜获得相同或更好的性能，这通常意味着系统中的尺寸和重量都会减少。

由于性能和尺寸的限制，成像方面的新应用越来越需要使用非球面镜。更好的制造这些非球面同样需要创新的方法，本文评估了用于量测非球面表面精度的常见方法的优势和劣势，并确定了选择最合适的技术来测量特定类别的光学表面的标准。

非球面透镜的设计是为了在高功率Nd:YAG激光应用中最大限度地提高性能。

通常用于测量光学元件表面精度的干涉测量法需要一个平面参考波来测量平面部分，或者一个球形参考波来测量球形部分。这两种方法都不是测量非球面的理想方法。非球面偏离，或者说非球面的最佳拟合半径与实际非球面之间的距离，会产生非常密集的干扰条纹，这对解决这一问题很有挑战性。由于与有关非球面的最佳拟合半径相匹配的球形参考波不能总是提供令人满意的测量，因此必须使用其他方法来测量非球面。为了比较几种非球面测量方法的性能，以及在生产环境中使用这些方法的实际情况，请考虑以下方法：

-接触式轮廓测量法 记录测探针在镜片表面的二维路径上的位置。

-缝合干涉测量法 它将多个子孔径干涉图结合起来，形成一个完整的、高度精确的光学地图。

-计算机生成全息法 通过使用计算机生成的衍射光学元件，在非球面部件上执行标准干涉测量，将球面波面转换为符合所需部件轮廓的非球面参考波面。

-色度共焦传感法 用白光点光源照亮-一个表面，并感应从表面反射的波长来进行非接触式轮廓测量。

-多波长干涉测量法 使用几个离散的波长进行距离测量，以提高表面重建的准确性。

上述计量技术都能够测量光学元件与标称设计相比的峰谷(PV)和均方根(rms)精度。在选择测量方法时，需要考虑的关键问题是精度、测量速度、成本，以及有关零件是否在某一技术可以充分表征的几何空间内。

适合地面光学的测针法：

在接触式轮廓测量中，测针被物理地拖过光学器件的表面。测针的另一端有一个衍射光栅。利用激光对光栅的偏转，测针的位移被记录在-一个二维轨迹中。接触式轮廓测量法对于那些不能充分反射光线而无法用标准干涉法测量的地面光学器件来说是理想的。由于测针与光学器件接触，在非球面偏离和拐点方面，可以测量的形状几乎没有限制，尽管非常陡峭的斜坡可能无法测量。

接触式轮廓测量法长期以来一直是测量非球面的行业标准，它具有成本效益，但该方法有一些严重的缺点。穿过镜片中心的单线不会给出准确的描述，除非镜片的误差是完全旋转对称的，但这种情况很少。这可能导致对有关部分的错误描述。

作为一个例子，图1中显示了一个实际镜头的干涉图。模拟了两条轨迹:第一条水平通过中心，第二条以45°斜线通过中心。由于这个镜头的散光和其他非旋转对称的像差，这两个数值的PV不规则性差异大于两个系数。均方根值也同样不一致。虽然可以在不同的方向上进行多次追踪，但这很耗时，而且仍然会导致大量的未测试区域。在一些制造协议中，有必要在加工过程中对零件的表面精度进行反馈，以便进行修正。三维数据对于定位需要用确定性工具去除多余材料的区域是必要的。此外，由于测针与工件有物理接触，如果压力过大，有可能会损坏较软的材料或涂层。由于这些原因，探索从非接触三维表面轮廓获得测量结果的非球面测量法是有利的。

缝合干涉测量法是一种获得透镜轮廓的常用方法。这种方法在透镜的较小部分使用标准的移相干涉测量，然后使用软件将这些部分拼接起来。通过从较小的子截面收集干涉测量数据，可以解释光学元件表面上更大密度的干涉条纹。这是必要的，因为除了表面误差产生的条纹外，用球面波前测试的非球面也会因其几何形状与球面不同而产生条纹。

为了收集这些数据，一台机器使用重叠的圆形子孔来形成一个完整的地图。其他机器可能使用同心圆来形成总的测量。机器能够消除自身的系统误差，因此可以获得高度精确的表面地图。缝合干涉测量法经常受到零件几何形状的限制，可能难以测量具有较大非球面偏离或陡峭坡度的镜片。一些镜片可能需要100个单独的子孔，所以测量时间可能需要每个零件20分钟以上。可能需要购买各种不同焦距的传输元件，以适应所制造部件的各种几何形状，而且基本单元的成本很高。

计算机生成的全息图(CGHs)可用于调整干涉仪，以适应非球面的使用。来自干涉仪传输元件的球形波前被CGH改变，以形成一个与名义光学表面轮廓完全匹配的远心波前。这是通过使用计算机在基底上制作一个图案来完成的，该图案会衍射出一个波面，以形成一个空参考波。可以测量的表面精度可能受到干涉仪使用的传输元件或可以在CGH上制造的衍射特征密度的限制。每个非球面设计都必须购买一个新的CGH,所以这是--个非常昂贵的测试方法，除非同一部件是大批量生产的。一旦CGH被对准，测试一个零件可以在几分钟内完成，因为只需要一张干涉图。CGH不能测试有拐点的部件，如果不对测试部件沿光轴进行额外的精确位置测量，就不能提供光学器件曲率半径的精确数据。

色度共焦传感使用发出白光的色度笔来进行距离测量。由于色散，也就是玻璃中基于波长的折射率的差异，未校正的镜头的焦距会因波长而变化。这导致不同波长的光在不同的轴向距离上聚焦。通常这种色差是一种必须补偿的误差,但在色差共焦传感中，这种影响是至关重要的。根据从笔到测试光学元件的回程后聚焦到传感器上的光的波长，可以确定到光学元件的距离。色度共焦传感在可测量的形状范围内有很大的灵活性。完整的半球形、大的非球面偏离和拐点都不会构成问题。非球面部分的测量可能需要20分钟左右，而PV精度可能不会比半微米好多少。多波长干涉测量法采用众所周知的用单一-波 长的光进行长度测量的做法，并增加额外的波长以提高测量的准确性。目前可用的装置在形状上具有与色度共聚焦传感类似的灵活性，但可以在2至3分钟内实现全表面到零点几微米的精度。这种方法的灵活性、精确性和速度使其具有吸引力，如果该项目值得在机器上投入大量资金。

本文讨论的非球面测量方法的能力比较见附表，可作为根据操作的主要关注点选择机器的指南。

非球面的应用不断增加，其要求包括像差最小化、用较少的光学元件进行高分辨率成像，以及低f数的元件。二维接触轮廓测量法长期以来一直是测量非球面光学元件表面形状的标准，但随着对更高精度非球面的需求不断增加，也需要更好的非球面测量法来提供完整的三维表面数据。随着对非球面精度的要求越来越严格，考虑哪种非球面测量方法最适合手头的应用是很重要的。