第7卷第1期 中国光学 Chinese Optics Vo1.7 No.1 Feb.2014 2014年2月 文章编号2095—1531(2014)ol一0026—21 非球面光学元件的面形检测技术 师 途,杨甬英,张磊,刘 东 (浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州310027) 摘要:介绍了非球面各加工阶段的面形检测技术及其最新进展,重点介绍了非球面精密抛光期的面形检测技术,并对其 中的非零位子孔径拼接干涉检测法和部分补偿法进行了详细阐述,提出了适用于大口径、深度非球面面形检测的组合干 涉法的概念。概述了近年来受到关注的自由曲面非球面的发展和检测技术现状,展望了非球面检测技术的发展趋势。 关键词:非球面检测;非球面加工;组合干涉检测;自由曲面 文献标识码:A doi:10.3788/C0.20140701.0026 中图分类号:TQ171.65;TN247;TH741 Surface testing methods of aspheric optical elements SHI Tu,YANG Yong—ying,ZHANG Lei,LIU Dong (State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation,Zhejiang University,Hangzhou 3 1 0027,China) :l:Corresponding author.E—mail:liudongopt@zju.edu.cn Abstract:In this paper,several aspheric testing methods for different fabrication steps and their new research progresses are introduced.Especially,we emphasis on the testing methods for precision polishing step,in which subaperture stitching interferometric testing and non--null partial compensating testing method are de-- scribed in detail.Moreover,several combined interferometrie testing methods which perform well in measuring large and steep aspherics are introduced.In addition,we provide a general description of free—form surface testing.The further development of aspheric surface testing methods is also prospected. Key words:aspheric testing;aspheric fabrication;combined interferometric testing;free—form surfaces 收稿Et期:2013—10—17;修订日期:2013—12—14 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.11275172);高校基本科研业务费专项资金资助项目(No 2013QNA5006);现代光学仪器国家重点实验室创新基金资助项目(No.MO1201208) 28 中国光学 第7卷 加工的研磨和粗抛光阶段,一般可采用轮廓仪 法¨ … 和激光跟踪仪检测法。特别是对于研磨 阶段的旋转对称非球面来说,轮廓仪测量足一种 快捷、经济、有效的检测手段¨ 。 测量结果与事先建立的CAD被测非球面模型数 据进行处理运算,最终得到非球面的面形分布。 轮廓仪的研究历史较早,是较成熟的一种非 球面面形检测方法 J。它利用高精度控制系统 控制探针的移动,扫描整个非球面表面,获取全口 径多个离散点的坐标数据,从而得到面形误差。 2009年,美国Arizona大学光学中心研制的摆臂 式轮廓扫描仪(如图2所示)在检测口径1 m量 级的大口径非球面时,检测精度高达9 nm RMS 。中国科学院长春光学精密机械与物理 研究所研发的接触式三坐标轮廓测量仪在检测口 径1 m范围内的非球面光学元件时,面形测量精 度可达到0.2 m RMS。。 。轮廓仪法在测量非球 面面形过程中无需辅助装置和元件,操作简单,还 可以同时测得非球面顶点球的曲率半径 J,并且 也适用于大陡度非球面,因而日前在非球面加工 初期的检测中应用较多。然而由于其基于单点扫 描,测量时间一般较长,测量精度也受到运动机构 很大的影响,同时探针的接触也会损伤元件表面, 所以要得到更高精度的检测结果比较困难。 图2 Arizona摆臂式轮廓仪实物图 Fig.2 Picture of swing—arm profilometer at Arizona 为了快速检测研磨和粗抛光阶段以及中低准 确度的非球面面形,考虑到该阶段非球面面形误 差大、表面光洁度不够好的特点,2012年中国科 学院长春光学精密机械与物理研究所提出利用激 光跟踪仪检测非球面面形的方法 ,测量装置如 图3所示。激光跟踪仪通过两个旋转角编码器和 一个激光测距系统来跟踪和测量靶标球的位置, 标靶球与被测非球面的表面进行多点接触,就可 以测得接触点在跟踪仪系统坐标下的坐标值。将 计算机 激光跟踪仪 分析表明,将激光跟踪仪与被测非球面之间 的距离控制在2 nl以内时,测量误差可控制在 3 m以下。对口径为420 mm×270 illln的离轴 双fH1面进行测量实验,其面形PV值优于1入。激 光跟踪仪无需其他辅助元件就可以实现对非球面 面形的直接测量,数据处理运算相对简单,耗时 短、成本低。 总的来说,由于接触式非球面面形检测技术 采用单点扫描,效率较低,采样点有限,检测精度 受到,且探针或探头容易损伤元件表面,敝只 适用于研磨期非球面镜的检测。 2.2非接触式检测 非球面光学元件处于抛光阶段时,宜采用非 接触式的检测方法。尤其对于精细抛光的非球面 元件,其加工精度可达10 nnl_2 J,对其进行面形 误差测量属于高精度面形检测,需要采用更高精 度的检测技术。近年来各个领域对大口径及深度 非球面光学元件的需求不断扩大,如何高效、精确 地检测大口径深度非球面元件成为光学检测领域 需要突破的新难题。 非球面光学元件的非接触式检测方法可以大 致归纳为几何光线法和干涉法¨ ,如图4所示。 几何光线法是指基于几何光学原理对非球面 面形进行检测的技术,例如刀口阴影法、光阑法、 Hartmann、Shack—Hartmann波前传感器法、Ronchi 光栅法和激光扫描法等 。 。干涉法检测技术 又可以分为零位干涉和非零位干涉两类,是日前 精密抛光后高精度非球面面形检测的主要方法。 30 中国光学 第7卷 成本低,检测速度快、灵敏度较高,且检测现象直 合适的光栅频率,可以同Shack—Hartmann波前传 感器一样用来检测研磨后期和抛光阶段的非球面 观有效,适合于加工现场的检测 。但传统阴影 法无法实现定量测量,对阴影图的判读也依赖于 经验积累,主观性很强,不利于非球面元件的后续 抛光加工,且刀口法和光阑法仅限于二次曲面的 面形检测,诸多原因导致该方法的应用受到很大 。 然而,随着近十几年计算机技术的快速发展, 一些传统定性检测的阴影法也逐渐用于定量测 量。2011年,南京理工大学研制了数字刀口仪, 将刀口检测技术定量化,并应用于非球面面形检 测¨2 。用该数字刀口仪对一个El径为80 ITIIII的 近球面抛物面进行检测,获得了与干涉检测技术 相当的测量灵敏度,且不需要其他辅助元件。然 而利用刀口法检测二次曲面时,需要测量大量环 带光线的位置,既费时又面临精确定位难等实际 工程问题。 Ronchi光栅检测法具有制作简单、使用方便 的特点。其检测光路示意图如图7所示,将一个 Ronchi光栅放置在待测镜曲率中心附近,光源发 出的光线经过光栅被待测镜反射,通过分析由此 产生的光栅像与原光栅所产生的莫尔条纹的形 状,即可得到被测面的面形误差。2007年中国科 图7 Ronchi光栅测量系统光路示意图 Fig.7 Light path diagram of the Ronchi grating meas— urenlent system 学院光电技术研究所提出了Ronchi光栅的定量 检测方法¨ 。通过调节Ronchi光栅的频率从而 调整检测灵敏度。当误差较大时使用低频Ronchi 板,并且随着加工过程中非球面面形误差的减小, 逐渐改用高频光栅,以对2~200 m的面形误差 进行检测,具有很大的动态测量范围。通过选择 光学元件,衔接了轮廓仪和干涉法的测量范围。 由于目前干涉法的检测精度已经很高,技术 也比较成熟,多用于精密抛光期非球面光学元件 的面形检测,因此几何光线法定量测量主要作为 非球面研磨后期及粗抛光阶段的面形检测方法。 2.2.2干涉法 非球面光学元件处于加工的研磨和粗抛光期 时面形误差较大,一般在微米或亚微米量级,采用 传统的轮廓仪法、Shack—Hartmann波前传感器法 或Ronchi光栅法等就完全可以满足检测要求。 随着各领域对高精度、大口径、深度非球面的需求 以及非球面超精密抛光技术的发展,以上非球面 面形检测技术已经不能满足检测需要。例如离子 束抛光机可以加工口径为400 into的工件,PV值 为6.9 nm的精度 ,利用美国QED技术公司生 产的基于磁流变抛光(MRF)技术的抛光机町以 将非球面面形误差加工至PV值优于10 nlil_2 。 超精密抛光后的非球面光学元件面形误差只有几 十甚至几个纳米,远小于1微米量级。针对这一 类非球面元件的面形检测需要采用具有更高精度 的干涉法检测技术。 非球面光学元件的干涉法检测能够提供精确 的全视场表面轮廓面形信息,是目前非球面高精 度检测的主要方法,有望突破高精度大口径深度 非球面的面形检测难题。 3 干涉法非球面面形检测技术 干涉法非球面面形检测技术具有高分辨率、 高准确度、高灵敏度和重复性好等优点”,已成 为精密抛光阶段面形误差的主要检测方法 如 图8所示,干涉法可以大致分为零位法、非零法和 组合法。其中零位干涉技术需要对不同参数的非 球面元件设计专门的零位补偿器,常用的检测方 法有无像差点法、补偿镜法和计算_伞息法等..非 零位干涉检测技术的通用性更强,包括亚奈奎斯 特法(欠采样法)、长波长干涉法、双波长干涉法、 高密度探测器法、剪切干涉法、子孑L径拼接干涉法 和部分零位补偿干涉法等。其中我国各研究机构 第1期 师途,等:非球面光学元件的面形检测技术 位置的不同,计算全息法可以有两种光路结构,即 CGH干板位于观察空问和检测空间 ,分别如 图12(a)和12(I1)所示,干涉系统可根据具体需 要进行选择。 \、\ §透镜 、\ }I 待测非球面 ( -。。c)待测波前衍射级次 l n 1, ∈静参考波前衍射级次 (a)CGH位于观察空间的泰曼一格林干涉系统 (a)Twyman-Green interferometer with a CGH in the observation space 分 (b)CGH位十检测 问的菲索干涉系统 (b)Fizeau interferometer utilizing a CGH in the testing space 图1 2 计算全息法检测非球面光路图 Fig.1 2 Light path diagram for testing asphere with CGH 当CGH干板位于观察空间时,发生干涉的为 被测波前的0级衍射光和参考波前的+1级衍射 光,或被测波前的一1级衍射光和参考波前的0 级衍射光。由于发生干涉的两束光只经过CGH 干板一次,所以对CGH本身玻璃基板的精度要求 不高,但其难以作为整体的一部分密封到仪器中。 当CGH干板位于检测空间时,参考波前不经过 CGH而被测波前经过两次,其产生的衍射级次可 以有多种组合,通常情况下选用一1级和+1级衍 射光的组合作为被测波前。采用这种光路结构可 以达到与Offner补偿镜相当的检测精度,但为了 使一级衍射光斑与二级衍射光斑完全分离,需要 在制作CGH干板时加入大于入射波前斜率最大 值至少3倍的倾斜载频,对条纹刻线的要求十分 严格。由于被测波前两次经过CGH干板,因此对 CGH基板的质量要求也很高,CGH的制作难度较 大。目前,美国Difraction International和德国 Jenoptik等公司可以提供成熟的CGH商品。美国 Arizona大学在使用CGH法检测大型天文望远镜 的研究中位于世界前列,德国斯图加特大学以及 我国中国科学院光电技术研究所 ∞J、长春光学精 密机械与物理研究所 。J、北京理工大学 、南京 理工大学 等单位都对此开展了研究。2008年 成都光电所利用计算全息法对口径为152 mill的 抛物面进行了检测,测得面形误差PV值为 0.406h ;2012年,长春光学精密机械与物理研 究所利用计算全息零位补偿法对一个口径为 468 nlm×296 toni、离轴量为25.3 mm的离轴碳 化硅双曲面进行了测量,得到面形误差PV值为 0.148A 在制作计算产生全息图时,并不需要有被测 非球面的实体,理论上就可以得到能够产生任意 形状波前与被测非球面进行匹配的CGH干板。 该方法测量速度快、系统结构简单。在测量凹非 球面光学元件时,所用CGH干板的尺寸小于被测 面,且可以达到与Offner补偿器检测精度相当的 效果。CGH干板的对准通常可以通过在主全息 周围加工辅助对准全息来完成,但是,当被测面为 深度、大偏离量的非球面时,全息图的线纹频率会 非常高,其实际制作无法实现,对大口径和非对称 计算全息板的制作也存在困难。CGH干板与不 同参数非球面之间…一对应的补偿关系使得计算 全息法不具备通用性,尤其在测量大型天文望远 镜时,检测成本较高 J。 3.2非零位干涉技术 零位法通过设计补偿器完全补偿理想非球面 的法线像差来实现面形误差的零位检测,该方法 测量精度很高,是目前非球面面形检测的参照基 准。但是零位检测需要针对不同参数非球面设计 相应的零位补偿器,并不具有通用性,而且导致检 测成本增加,测量周期延长。此外,该方法对系统 的装调精度要求较高,补偿器自身精度的检测也 是一个需要解决的问题。当需要测量大口径、深 度非球面光学元件时,零位法还面临着辅助反射 镜尺寸变大,成本高昂,补偿镜设计和装调困难以 及计算全息板线纹频率过大引入中高频误差且难 第1期 师途,等:非球面光学元件的面形检测技术 39 除了零位与非零位、非零位与非零位之问的 组合外,零位法与零位法的组合也能够起到扩大 测量范围和降低辅助元件要求等作用。典型的两 种零位法相组合完成非球面检测的方法是曲面 CGH法,即补偿镜法和CGH法的组合。如前文 能够以零位检测法的较高精度去检测口径、深度 都更大的非球面元件,是非球面检测技术的一大 进展。1994年美国Arizona大学光学中心J. Burge等人应用曲面CGH解决了平面CGH干板 检测中面临的一些困难,成功检测了口径为380 所述,计算全息法的检测精度高,不需要非球面实 体就可以产生任意形状的非球面波前,是很好的 零位补偿检测方法 但CGH干板的精确对准和 和840 mlTl的凸非球面 。2004年,中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所发表了利用曲面 计算全息图进行非球面检测的研究成果,测量了 高密度线纹难以制作等问题制约了它在深度非球 面检测中的应用。同样,补偿镜在零位补偿深度 非球面时存在结构复杂、装调困难等问题,了 其进一步应用。补偿镜法与计算全息法的组合方 案通过将曲面圆形计算全息图与补偿镜相结合, 即将计算全息图刻在补偿镜上形成组合形式的补 偿器,可以对大口径或深度的凹面和凸面非球面 进行测量,检测光路分别如图20(a)和20(b)。 在这种零位补偿器中,CGH和补偿镜只分别补偿 部分法线像差,不仅简化了光学系统的装调过程, 面 ccD探测器盘成像镜 (a)曲面CGH检测凹非球面 (a)Testing ofconcave asphere with CGH on the compensative lens 激 (b)曲面CGH检测凸非球面 fb Testing ofconvex asphere with CGH on the compensative lens 图20曲面CGH检测非球面光路图 Fig.2O Light path diagram of testing asphere with CGH on the compensative lens 还可以降低计算全息图与补偿镜的制造难度,减 少测量成本,反之相当于提升了补偿器的补偿能 力,能够检测更大口径和更大深度的非球面光学 元件。当然,零位法与零位法相结合的组合干涉 方案并不能实现非球面检测的通用化测量,但其 口径为100 mlIl的凸非球面 89]。2007年,该所又 对一个口径为950 mm的凹抛物面进行了测量, 其结果PV值为0.024A 。 此外,2007年浙江大学提出将剪切干涉法和 部分补偿法相结合的检测技术用于深度非球面的 测量l7川等。非球面组合干涉技术汲取了两种或 多种干涉检测方法的优点,相互弥补了单种测量 方法在检测过程中的不足,能够适应对超大口径、 大深度、高次非球面的检测需求,与非零位法进行 组合的检测方案一般还都具有通用化性质,是检 测极端特性非球面面形的有效方法。当然,组合 干涉法也继承了参与组合的J乙种检测技术的一部 分不足之处。如子孔径拼接法需要解决高精度定 位和拼接算法等问题,无像差点法依然存在大口 径高精度辅助反射镜的制造和装调困难,部分补 偿法的检测系统需要实现精确校准等。所以,只 有各种基本方法完善发展,组合干涉法才能更加 灵活且高精度地应用于各种非球面的测量。 4 自由曲面检测 以上介绍的非球面检测技术日前多用于测量 旋转对称的非球面光学元件。随着各领域对非球 面元件需求的不断扩大以及设计、制造业的迅速 发展,除了旋转对称非球面外,非旋转对称非球面 甚至自由曲面也得到越来越多的关注 。驯』。 自由曲面是一种复杂无规则的非对称非球 面,具有多设计自由度,能够有效简化系统结构、 提高成像质量。任意自由曲面难以进行光线追 迹,一般采用数学方法级数展开来表达 。20l2 年,美国QED技术公司的W.G.Forbes教授在旋 转对称非球面Q正交基的表示方法 基础上,提 出了自由曲面的正交基表示方法 ,给自由曲面 中国光学 第7卷 的设计和制造带来很大方便。目前浙江大学已经 设计并制造出若干用于成像的自由曲面光学元 件,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 也成功将自由曲面应用于摄影物镜中,极大地提 高了成像质量,简化了结构。 尽管自由曲面光学元件有突出的优点,却仍 然没有广泛应用到现代光学系统中,问题之一就 足自由曲面失去了旋转对称性,如何对其进行精 确加工、装调和精密检测成为一个难题,尤其是对 于大口径凸面或偏离标准面1 Inin以上的自由曲 面 J。自由曲面光学元件处于加工的研磨期时, 多采用轮廓仪进行检测,精度…般为1 m,可以 选用接触式机械探针或非接触式光学扫描的方 式。这种方法的主要问题是快速检测和高精度测 量不可兼得,在检测自由曲面时这一特点更加突 出。对于抛光期的自由曲面来说,Shack—Hart nlann可以取得较高的检测精度,但它会丢失面形 误差的中频信息 J。合理设计补偿器,利用干涉 法检测抛光自由曲面理论上应该是一个不错的方 法,尤其对于大口径大偏离量的自由曲面,利用 CGH干板的菲索干涉系统可以对其进行很好的 测量。但补偿法对于自由曲面的检测,除了补偿 器的设计、制造和检测困难外,其精确装调的难度 较旋转对称非球面来说也大大增加。相对而言, 子孑L径拼接干涉法非常适合检测局部曲率变化较 慢、口径适中的自由曲面测量,然而这种方法也依 旧面临精确控制干涉仪与被测面之问的相对位 移、保证重叠区对应点重合等问题。在检测自由 曲面时,以上介绍的检测技术所需要克服的问题 都被放大,精确测量自由曲面的面形误差成为一 大困难 5 结束语 非球面光学元件以其独特的光学性质在民用 产品、国防军工及科学研究等领域得到了广泛认 可,对各种参数非球面的需求不断扩大。高精度 非球面的面形检测技术,尤其是对大口径深度非 球面的面形检测足日前阻碍非球面面形精度提高 和得到进一步广泛应用的重要因素。根据非球面 光学元件不同加工阶段的特点,可以分别采用接 触式和非接触式检测方法对其面形进行测量。非 球面接触式检测和非接触式检测的几何光线法测 量精度不能}葫足精密抛光期非球面的检测需求, 因此干涉法成为高精度非球面面形检测技术的研 究热点。零位干涉法作为目前非球面面形检测的 基准方法,具有较高的精度和可靠性,但这种方法 在检测时需要设计与被测非球面相匹配的辅助元 件,不具有通用性,使得检测成本提高、检测周期 延长,尤其对大口径凸非球面进行检测时,成本更 加高昂。非零位于涉技术不需要完全补偿被测非 球面的所有法线像差,一定程度上实现了非球面 检测的通用化,扩展了检测系统的测量范围,缩短 了检测时问,测量成本也大大降低,并且在大口 径、深度非球面的检测方面拥有良好的应用前景, 目前已经取得了不错的研究成果。为了进一步适 应对大口径深度非球面光学元件的面形检测,可 以将不同干涉方法进行组合,即组合干涉法,来进 一步提升系统检测极端参数非球面的能力。在各 种基本方法的技术问题得以良好解决的基础上, 组合干涉法是一种极具生命力的非球面检测技术 发展方向,能够解决多种非球面的面形检测问题, 日前美国、德国、法国以及我围的中国科学院长春 光学精密机械与物理研究所、成都光电所、浙江大 学和哈尔滨工业大学等单位都对这种方法进行了 一些研究。最近,随着自由曲面逐渐步入人们的 视野,其设计、应用和检测技术也受到越来越多的 关注,然而应用于旋转对称非球面的面形检测技 术在检测自由曲面时会遇到更大的困难,如何精 确检测自由曲面的面形依旧足一大难题。 非球面光学元件的面形检测技术发展至今, 其检测理论已经较为成熟。日前尤其以汁算机技 术的迅速发展为依托,许多检测方法可以付诸实 践,检测精度得到极大提升。如计算机辅助补偿 ‘算机辅助控制精确定位、计算机计算产 生全息图、计算机对采样数据进行算法处理、计算 机建模、系统仿真光线追迹等,在计算机的辅助 下,这些方法取得了更高的精度,检测时问也大大 缩短,人为主观因素越来越少,检测结果更加客观 有效。计算机的应用也成为新检测技术产生的一 个基础。非球面光学元件面形检测技术下一步的 发展方向除了技术上进一步提升测量精度、扩大 镜设计、r} l l 1. r; I2 3 4 ]J5 ] 6 ] J7 ]:8 9 师途,等:非球面光学元件的面形检测技术 4l 技术通用性和降低检测成本等以外,在计算机辅 调整和判断等主观因素,使检测流程自动化等,将 成为非球面光学元件面形检测技术的主要发展趋 势。 助下实现检测的数字化测量过程,逐步降低对机 械凋整和控制系统的硬件要求,尽可能减少人为 参考文献: 潘君骅.光学非球面的设计、加工与捡测【M].江 :苏州大学 版 ,2004. 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