非球面光學(xué)元件—面形測量方法
在本篇中，我們詳細介紹冷加工法在各個(gè)工序下的面形測量方法。
1 非球面銑磨階段的面形測量
A、輪廓儀法對于旋轉對稱(chēng)的非球面元件，采用接觸式輪廓儀做測試，可以獲得亞微米量級的面形測試精度，其中，以英國Taylor Hobson公司生產(chǎn)的輪廓儀應用最為廣泛。設備圖片如下圖所示：
該設備采用接觸式探針來(lái)測試非球面的矢高輪廓，通過(guò)將實(shí)測結果與理論非球面曲線(xiàn)做對比，可以獲得單根線(xiàn)的面形輪廓誤差曲線(xiàn)。測量結果可以直接導入到加工機床中，從而指導元件的下一輪加工。
B、三坐標測量法（CMM）
從面世至今，三坐標測量機已經(jīng)在各個(gè)測量領(lǐng)域獲得應用，當前的三坐標測量軟件，普遍支持CAD數模導入，因此，通過(guò)將被測非球面的數模導入到軟件中，并開(kāi)展自動(dòng)測試，可以獲得被測非球面的面形誤差分布，常見(jiàn)的Zeiss三坐標機如下圖所示：
當前來(lái)講，高精度的三坐標測量精度已經(jīng)達到了0.5μm以?xún)?，所以利用三坐標機來(lái)測試非球面元件的面形，也可以獲得微米量級的PV值，對于離軸非球面、自由曲面的測試是非常有幫助的。
2 非球面在精磨&粗拋階段的面形測量
在精磨和粗拋階段，非球面的面形PV值在微米和亞微米量級，此時(shí)，結合商用的檢測設備，可以實(shí)現元件的準確測試。常用的檢測設備有Taylor Hobson公司生產(chǎn)的Luphoscan系列設備，荷蘭DUI公司生產(chǎn)的Nanomefos設備和日本松下公司生產(chǎn)的UA3P設備等。
Luphoscan 設備基于激光多波長(cháng)干涉技術(shù)（MWLI），可以利用非接觸的方法測試非球面的矢高變化，從而評估整個(gè)非球面的面形誤差分布，面形測量精度約±50nm（PV）。該系列設備包含Luphoscan 260 HD、Luphoscan 420 HD以及定制化的大口徑機型，分別對應最大可測的口徑為260mm、420mm以及更大尺寸。
Nanomefos設備，配備有集成差動(dòng)共焦和雙頻激光干涉儀的光譜共焦測頭，通過(guò)測試元件在法線(xiàn)方向上的矢高變化量，從而獲得非球面的三維光學(xué)形貌分布。該設備測量旋轉對稱(chēng)非球面時(shí)，宣稱(chēng)有小于5nm RMS的測量精度，設備圖片如下：
UA3P設備，可以看做是高精度的三坐標測量機，是依賴(lài)接觸式測試來(lái)實(shí)現元件表面的測試。常規的三坐標機都是用光柵尺來(lái)計量三個(gè)軸的位置坐標值，而UA3P則是采用三路激光測長(cháng)裝置，來(lái)實(shí)現坐標的精確定位，測試精度PV值約為±50nm。
對于大口徑的非球面元件，比如口徑超過(guò)1m的非球面反射鏡，因為測量口徑的限制，上述的商業(yè)化設備已經(jīng)不再適用，科學(xué)家們發(fā)明了擺臂輪廓儀，通過(guò)使用旋轉的測量臂，來(lái)測試得到大口徑非球面的面形誤差分布，其原理如下圖所示：
3 非球面在精拋光階段的面形測量
A、適用于二次非球面的無(wú)像差法測試二次非球面，以其特殊的曲面形式，可以借助輔助鏡面實(shí)現無(wú)像差法的測試。例如，對于拋物面，它的焦點(diǎn)與無(wú)窮遠互成共軛，因此，可以利用平面鏡或反射球實(shí)現測試，常見(jiàn)的測試光路如下所示：
在上圖中，一種是對于入射到被測凹拋物面上的平行光，在焦點(diǎn)位置放置反射小球，可以將光束原路反射，實(shí)現自準直測試。另一種是借助帶中孔的平面反射鏡，將光束反射回焦點(diǎn)處，實(shí)現測試。對于橢球面，它的前后兩焦點(diǎn)互成共軛，從一個(gè)焦點(diǎn)位置發(fā)出的球面波，經(jīng)過(guò)橢球面反射后，會(huì )匯聚到另一個(gè)焦點(diǎn)處，形成理想球面波，因此，也可以構成無(wú)像差法測試，光路如下所示：
對于雙曲面非球面，它有分布在兩側的兩個(gè)焦點(diǎn)，因此，通常借助球面反射鏡，可以實(shí)現雙曲面的無(wú)像差法測試，常見(jiàn)的Hindle球法測試雙曲面的光路如下所示：
B、零位補償法
對于口徑較大的非球面，或者高次非球面，利用無(wú)像差法測試是不方便的，因此，人們發(fā)明了零位補償法來(lái)測試非球面的面形。零位補償法，就是借助一個(gè)可以補償球差的補償器，來(lái)實(shí)現將干涉儀發(fā)出的平面波或球面波，轉化為與被測非球面相吻合的非球面波前，從而實(shí)現零位測試。常用的補償器通常有2種，一種是通過(guò)2片或3片球面透鏡組成的透鏡組來(lái)實(shí)現，組裝成補償鏡頭，稱(chēng)為Null lens，另一種則是利用計算全息板，簡(jiǎn)稱(chēng)CGH（Computer Generated Holograms），CGH是一種衍射元件，利用衍射的原理，通過(guò)將干涉儀發(fā)出的+1級光做調制，實(shí)現波前的轉換，常見(jiàn)的零位補償光路如下圖所示：
另外，美國QED公司開(kāi)發(fā)了ASI（Asphere Stitching Interferometer）干涉測量設備，通過(guò)子孔徑拼接的方法，可以實(shí)現淺度非球面的面形拼接測試，Zygo公司開(kāi)發(fā)了VFA(Verifire Asphere)干涉測量設備，通過(guò)環(huán)帶拼接的方法，可以實(shí)現軸對稱(chēng)非球面的面形拼接測試，并給出拼接后的面形分布，拼接法用于非球面的面形測量，也是一種有價(jià)值的開(kāi)拓。
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