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LAM | 參數測量提效非球面加工

2023-09-01 11:42

来源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

非球面是對偏離球面的曲面的總稱。非球面包括回轉對稱非球面，離軸非球面以及自由曲面等。

相比球面只有曲率半徑和口徑兩個自由度，非球面具有更高的自由度，從而實現更多的功能。一方面，非球面可以實現高階像差的修正，進而獲得更高的成像質量；另一方面，一片非球面可以達到多片球面鏡才能實現的效果，有利于減小光學系統的體積與重量。這在需要兼顧系統載荷與成像質量的現代光學系統中顯得尤為重要。

非球面參數的高精度測量是非球面制造的基礎。近期，來自北京理工大學光電學院的郝群、胡搖教授課題組，以“Measurement techniques for aspheric surface parameters”為題在Light: Advanced Manufacturing發表了綜述文章。

這篇文章分析了非球面參數測量與傳統面形誤差測量的不同，揭示了參數測量的內在本質，對現有的非球面參數測量技術的分類提出了新的觀點，并概述了可能的未來趨勢與挑戰。

圖1 光學元件對光束的調制作用
圖源：veer

▍為什么測參數？

非球面的測量技術主要分為兩種，面形測量與參數測量。面形是指待測面在空域中的三維分布。面形的測量結果通常用表面高度來表示，表面高度是一個以長度為單位的（x，y）坐標的函數。非球面參數是定義明確的，可以從面形導出的物理量。面形和參數的測量都可以用來評估非球面的質量。

面形測量可以獲取被測面與理想模型在空域上的偏差，從而可以有效的指導光學加工，在光學制造中有著廣泛的運用。理論上，只要系統中每個表面的面形誤差都足夠小，光學系統就可以滿足要求。然而，在實際的系統中，很少給每個表面都分配極小的面形誤差，因為這將會顯著的增加成本。如何準確分配光學系統中每個表面的加工指標，是光學加工中的重要課題。

參數測量可以獲取被測面與理想模型在對光束調制功能上的偏差，從而可以有效的評估待測面是否可以在光學系統中發揮預期作用。對系統中各非球面的各項參數進行測量以后，將測量結果代入光學設計軟件，即可通過光線追跡判定待測面是否滿足系統要求。

簡而言之，面形測量為加工提供了方向，參數測量則為加工提供了一個合適的終點。一個成熟的、經濟的、高效的測量方案，需要對兩種測量方法進行合理運用與組合。

▍參數測量方法分類

作者根據對測量數據的處理方法，將參數測量方法分為兩類：廣義擬合法與曲率中心法。

1. 廣義擬合法

將儀器中獲取的數據，直接用于擬合參數。作者將這種方法定義為廣義擬合法。廣義擬合法可以實現對所有非球面參數的高精度測量，在非球面參數測量中有著廣泛的應用。根據測量數據的類型，可以將廣義擬合法分為三種類型：直接擬合法（絕對面形），干涉法（波前像差），以及幾何法（表面梯度）。

1）直接擬合法

在精確獲取非球面絕對面形以后，對其直接進行擬合，即可獲取非球面參數。由于非球面面形測量技術的逐漸成熟，這種方法得到了廣泛應用。然而，非球面絕對面形的精確測量成本普遍較高，效率較低。

2）干涉法

干涉法是一種高精度的光學測量方法，測試結果有著很好的溯源性。作者課題組在非球面干涉法測量領域進行了多年研究，可以同時實現面形與參數的高精度測量。不過其測試裝置較為復雜，成本較高，測量范圍相對較小。