非球面精密拋光期面形檢測技術(shù)

非球面精密拋光期面形檢測技術(shù)

1非球面光學(xué)元件的檢測非球面光學(xué)元件是表面形狀與水面無關(guān)的光學(xué)元件1，比傳統(tǒng)平面和水面光學(xué)元件具有更大的自由度和靈活性，形狀多樣2。因而能有效地校正各種像差,改善像質(zhì),并減少系統(tǒng)所需光學(xué)元件的數(shù)量,減小系統(tǒng)外形尺寸,減輕系統(tǒng)重量等［3］。隨著機(jī)械制造及計算機(jī)數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展,非球面元件的加工效率和工藝精度都得到了極大的提高。例如在紅外和深紫外光學(xué)系統(tǒng)中,高品質(zhì)紅外照相機(jī)、掃描儀和極紫外光刻物鏡等,廣泛使用非球面光學(xué)元件代替球面光學(xué)元件［4-5］,已取得了良好效果。在數(shù)碼相機(jī)、投影物鏡、航空測繪光學(xué)系統(tǒng)、導(dǎo)彈共形光學(xué)系統(tǒng)以及大型天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)［6］中,也越來越多地應(yīng)用了非球面光學(xué)元件,非球面鏡甚至成為某些系統(tǒng)里起支撐作用的關(guān)鍵性部件。盡管非球面光學(xué)元件在設(shè)計和使用性能上具有諸多優(yōu)點,但在應(yīng)用規(guī)模上遠(yuǎn)不如平面和球面光學(xué)元件。原因主要在于非球面光學(xué)元件的檢測難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平面和球面光學(xué)元件。早期應(yīng)用的非球面大多是簡單的淺度小口徑非球面,其設(shè)計、加工和檢測相對比較容易。而在過去的幾十年中,受天文觀測、空間光學(xué)、高功率激光、軍事應(yīng)用［6-9］等需求的推動,高精度、深度、大口徑(米級)非球面光學(xué)元件的設(shè)計與加工得到迅速發(fā)展［10］。目前的制造工藝已經(jīng)可以加工出面形誤差PV值低于10nm的非球面光學(xué)元件,然而相應(yīng)的面形檢測技術(shù)卻沒能發(fā)揮指導(dǎo)加工和檢驗的作用,因而非球面光學(xué)元件的面形檢測已經(jīng)成為限制非球面面形誤差進(jìn)一步減小的重要因素,是制約非球面加工技術(shù)和擴(kuò)大非球面應(yīng)用規(guī)模的關(guān)鍵所在。本文對不同加工階段非球面光學(xué)元件的檢測技術(shù)進(jìn)行了分類和歸納,分析了各種檢測方法的適用條件及優(yōu)缺點,重點對制約非球面面形精度進(jìn)一步提高的干涉檢測技術(shù)進(jìn)行介紹。針對大口徑及深度非球面面形檢測時遇到的問題和解決方案提煉出組合干涉法的概念,并簡要介紹了自由曲面的檢測技術(shù)?？偨Y(jié)了21世紀(jì)以來非球面光學(xué)元件面形檢測技術(shù)的最新進(jìn)展,分析展望了非球面面形檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。2pv值的檢測方法非球面光學(xué)元件的加工方法有很多,其中應(yīng)用最多的是適于加工高精度、大口徑、深度非球面的去除加工法［11］。非球面去除加工法的工藝過程主要分為研磨、粗拋光和精密拋光3個階段,各階段的面形加工精度依次提高,檢測方法也有所不同,如圖1所示。在研磨期,非球面與其理論面形的偏差很大,一般采用普通的接觸式輪廓儀(測量精度PV值約為1μm)［12］對其面形進(jìn)行初步檢測。在研磨后期以及粗拋光階段,非球面表面與理想面形之間仍存在較大偏差,但接觸式輪廓儀等方法由于容易劃傷元件表面,且精度受限,已無法滿足加工要求。同時,由于此時非球面元件表面的反射率較低,因此可以利用激光跟蹤儀［13］或非接觸式Shack-Hartmann波前傳感器法［14］、Ronchi光柵法［15］等對其面形進(jìn)行測量。精密拋光階段的非球面表面光滑,具有較好的反射率,其與理論面形之間的誤差較小,主要采用非接觸的干涉法進(jìn)行面形檢測［16］。2.1大口徑非球面的測量非球面面形的接觸式檢測主要應(yīng)用在非球面加工的研磨和粗拋光階段,一般可采用輪廓儀法［13，17-18］和激光跟蹤儀檢測法。特別是對于研磨階段的旋轉(zhuǎn)對稱非球面來說,輪廓儀測量是一種快捷、經(jīng)濟(jì)、有效的檢測手段［19］。輪廓儀的研究歷史較早,是較成熟的一種非球面面形檢測方法［20］。它利用高精度控制系統(tǒng)控制探針的移動,掃描整個非球面表面,獲取全口徑多個離散點的坐標(biāo)數(shù)據(jù),從而得到面形誤差。2009年,美國Arizona大學(xué)光學(xué)中心研制的擺臂式輪廓掃描儀(如圖2所示)在檢測口徑1m量級的大口徑非球面時,檢測精度高達(dá)9nmRMS［21］。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研發(fā)的接觸式三坐標(biāo)輪廓測量儀在檢測口徑1m范圍內(nèi)的非球面光學(xué)元件時,面形測量精度可達(dá)到0.2μmRMS［12］。輪廓儀法在測量非球面面形過程中無需輔助裝置和元件,操作簡單,還可以同時測得非球面頂點球的曲率半徑［22］,并且也適用于大陡度非球面,因而目前在非球面加工初期的檢測中應(yīng)用較多。然而由于其基于單點掃描,測量時間一般較長,測量精度也受到運動機(jī)構(gòu)很大的影響,同時探針的接觸也會損傷元件表面,所以要得到更高精度的檢測結(jié)果比較困難。為了快速檢測研磨和粗拋光階段以及中低準(zhǔn)確度的非球面面形,考慮到該階段非球面面形誤差大、表面光潔度不夠好的特點,2012年中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所提出利用激光跟蹤儀檢測非球面面形的方法［13］,測量裝置如圖3所示。激光跟蹤儀通過兩個旋轉(zhuǎn)角編碼器和一個激光測距系統(tǒng)來跟蹤和測量靶標(biāo)球的位置,標(biāo)靶球與被測非球面的表面進(jìn)行多點接觸,就可以測得接觸點在跟蹤儀系統(tǒng)坐標(biāo)下的坐標(biāo)值。將測量結(jié)果與事先建立的CAD被測非球面模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運算,最終得到非球面的面形分布。分析表明,將激光跟蹤儀與被測非球面之間的距離控制在2m以內(nèi)時,測量誤差可控制在3μm以下。對口徑為420mm×270mm的離軸雙曲面進(jìn)行測量實驗,其面形PV值優(yōu)于1λ。激光跟蹤儀無需其他輔助元件就可以實現(xiàn)對非球面面形的直接測量,數(shù)據(jù)處理運算相對簡單,耗時短、成本低?？偟膩碚f,由于接觸式非球面面形檢測技術(shù)采用單點掃描,效率較低,采樣點有限,檢測精度受到限制,且探針或探頭容易損傷元件表面,故只適用于研磨期非球面鏡的檢測。2.2非球面光學(xué)元件的檢測技術(shù)非球面光學(xué)元件處于拋光階段時,宜采用非接觸式的檢測方法。尤其對于精細(xì)拋光的非球面元件,其加工精度可達(dá)10nm［23］,對其進(jìn)行面形誤差測量屬于高精度面形檢測,需要采用更高精度的檢測技術(shù)。近年來各個領(lǐng)域?qū)Υ罂趶郊吧疃确乔蛎婀鈱W(xué)元件的需求不斷擴(kuò)大,如何高效、精確地檢測大口徑深度非球面元件成為光學(xué)檢測領(lǐng)域需要突破的新難題。非球面光學(xué)元件的非接觸式檢測方法可以大致歸納為幾何光線法和干涉法［13］,如圖4所示。幾何光線法是指基于幾何光學(xué)原理對非球面面形進(jìn)行檢測的技術(shù),例如刀口陰影法、光闌法、Hartmann、Shack-Hartmann波前傳感器法、Ronchi光柵法和激光掃描法等［12，24］。干涉法檢測技術(shù)又可以分為零位干涉和非零位干涉兩類,是目前精密拋光后高精度非球面面形檢測的主要方法。2.2.1非球面檢測方法1900年,德國天體物理學(xué)家JohannesHart-mann提出了哈特曼檢測方法,Shack-Hartmann波前傳感器檢測技術(shù)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來。其傳感原理如圖5所示,通過分析各微透鏡成像光斑相對參考位置的偏移來獲得待測波前的信息。該方法主要用于對研磨后期和粗拋光期的非球面元件進(jìn)行定量檢測,銜接了輪廓儀與干涉法的面形誤差測量范圍［12］。2012年,中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所采用這種方法對研磨后期和拋光后期的離軸非球面分別進(jìn)行了面形檢測［14］,PV值約為0.2λ。該方法在檢測過程中無需借助其他輔助元件,具有較大的動態(tài)測量范圍,但該技術(shù)的檢測精度直接受到微透鏡陣列制造精度的影響,面形空間分辨率受限于子透鏡的數(shù)目和分布。此外,當(dāng)被測非球面的相對口徑和非球面度較大時,測量光線將無法返回傳感器,導(dǎo)致檢測失敗。另一種典型的幾何光線法為激光掃描法［24］。該方法利用激光束對非球面進(jìn)行逐點掃描,探測器接收由被測面反射的光線,根據(jù)光斑的不同位置擬合各點數(shù)據(jù)得到表面面形。針對不同類型的非球面可選擇采用平移法、轉(zhuǎn)動法和平移轉(zhuǎn)動法進(jìn)行測量［25］,分別如圖6(a)、(b)、(c)所示。理論上該方法的通用性很強(qiáng),可以實現(xiàn)對各種非球面光學(xué)元件的絕對測量。2010年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出超精密回轉(zhuǎn)掃描檢測樣機(jī),可以對口徑為500mm的近平面非球面進(jìn)行檢測［26］。這種檢測技術(shù)的數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜,對機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制精度、空氣擾動和準(zhǔn)直激光的穩(wěn)定性等要求很高,檢測范圍受CCD接收面尺寸的限制。近十年來關(guān)于這種檢測技術(shù)的研究和報道并不多,北京理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)僅對樣板球面、近球面或近平面的非球面元件進(jìn)行了實驗性檢測。除了上述兩種幾何光線法外,陰影法,具有悠久發(fā)展和應(yīng)用歷史的刀口法、光闌法以及Ronchi光柵法等也有很多應(yīng)用［5，24］。傳統(tǒng)陰影法通過觀察陰影圖的分布,憑經(jīng)驗主觀判斷被測非球面的缺陷部位和缺陷程度。陰影法的檢測設(shè)備簡單、成本低,檢測速度快、靈敏度較高,且檢測現(xiàn)象直觀有效,適合于加工現(xiàn)場的檢測［13］。但傳統(tǒng)陰影法無法實現(xiàn)定量測量,對陰影圖的判讀也依賴于經(jīng)驗積累,主觀性很強(qiáng),不利于非球面元件的后續(xù)拋光加工,且刀口法和光闌法僅限于二次曲面的面形檢測,諸多原因?qū)е略摲椒ǖ膽?yīng)用受到很大限制。然而,隨著近十幾年計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,一些傳統(tǒng)定性檢測的陰影法也逐漸用于定量測量。2011年,南京理工大學(xué)研制了數(shù)字刀口儀,將刀口檢測技術(shù)定量化,并應(yīng)用于非球面面形檢測［27］。用該數(shù)字刀口儀對一個口徑為80mm的近球面拋物面進(jìn)行檢測,獲得了與干涉檢測技術(shù)相當(dāng)?shù)臏y量靈敏度,且不需要其他輔助元件。然而利用刀口法檢測二次曲面時,需要測量大量環(huán)帶光線的位置,既費時又面臨精確定位難等實際工程問題。Ronchi光柵檢測法具有制作簡單、使用方便的特點。其檢測光路示意圖如圖7所示,將一個Ronchi光柵放置在待測鏡曲率中心附近,光源發(fā)出的光線經(jīng)過光柵被待測鏡反射,通過分析由此產(chǎn)生的光柵像與原光柵所產(chǎn)生的莫爾條紋的形狀,即可得到被測面的面形誤差。2007年中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所提出了Ronchi光柵的定量檢測方法［15］。通過調(diào)節(jié)Ronchi光柵的頻率從而調(diào)整檢測靈敏度。當(dāng)誤差較大時使用低頻Ronchi板,并且隨著加工過程中非球面面形誤差的減小,逐漸改用高頻光柵,以對2~200μm的面形誤差進(jìn)行檢測,具有很大的動態(tài)測量范圍。通過選擇合適的光柵頻率,可以同Shack-Hartmann波前傳感器一樣用來檢測研磨后期和拋光階段的非球面光學(xué)元件,銜接了輪廓儀和干涉法的測量范圍。由于目前干涉法的檢測精度已經(jīng)很高,技術(shù)也比較成熟,多用于精密拋光期非球面光學(xué)元件的面形檢測,因此幾何光線法定量測量主要作為非球面研磨后期及粗拋光階段的面形檢測方法。2.2.2非球面面形檢測技術(shù)非球面光學(xué)元件處于加工的研磨和粗拋光期時面形誤差較大,一般在微米或亞微米量級,采用傳統(tǒng)的輪廓儀法、Shack-Hartmann波前傳感器法或Ronchi光柵法等就完全可以滿足檢測要求。隨著各領(lǐng)域?qū)Ω呔取⒋罂趶?、深度非球面的需求以及非球面超精密拋光技術(shù)的發(fā)展,以上非球面面形檢測技術(shù)已經(jīng)不能滿足檢測需要。例如離子束拋光機(jī)可以加工口徑為400mm的工件,PV值為6.9nm的精度［28］,利用美國QED技術(shù)公司生產(chǎn)的基于磁流變拋光(MRF)技術(shù)的拋光機(jī)可以將非球面面形誤差加工至PV值優(yōu)于10nm［23］。超精密拋光后的非球面光學(xué)元件面形誤差只有幾十甚至幾個納米,遠(yuǎn)小于1微米量級。針對這一類非球面元件的面形檢測需要采用具有更高精度的干涉法檢測技術(shù)。非球面光學(xué)元件的干涉法檢測能夠提供精確的全視場表面輪廓面形信息,是目前非球面高精度檢測的主要方法,有望突破高精度大口徑深度非球面的面形檢測難題。3非零位干涉檢測技術(shù)干涉法非球面面形檢測技術(shù)具有高分辨率、高準(zhǔn)確度、高靈敏度和重復(fù)性好等優(yōu)點［13］,已成為精密拋光階段面形誤差的主要檢測方法。如圖8所示,干涉法可以大致分為零位法、非零法和組合法。其中零位干涉技術(shù)需要對不同參數(shù)的非球面元件設(shè)計專門的零位補償器,常用的檢測方法有無像差點法、補償鏡法和計算全息法等。非零位干涉檢測技術(shù)的通用性更強(qiáng),包括亞奈奎斯特法(欠采樣法)、長波長干涉法、雙波長干涉法、高密度探測器法、剪切干涉法、子孔徑拼接干涉法和部分零位補償干涉法等。其中我國各研究機(jī)構(gòu)在長波長干涉、剪切干涉、子孔徑拼接干涉和部分零位補償干涉等技術(shù)的研究中取得了不錯的成果。將零位法及非零位法中的兩種或多種檢測方法相結(jié)合進(jìn)行非球面的面形測量,稱為組合干涉技術(shù),其能夠?qū)崿F(xiàn)對更大參數(shù)范圍非球面的面形測量,擁有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。3.1測量方法的確定零位干涉法的基本思想是通過設(shè)計補償器的結(jié)構(gòu)與位置來完全補償被測非球面理論形狀的法線像差,將入射平面或球面波轉(zhuǎn)化成與被測非球面理想面形一致的波前,通過分析由被測非球面反射的波前與參考波前產(chǎn)生的干涉條紋從而得到非球面的面形誤差信息。當(dāng)被測件不存在面形誤差且檢測系統(tǒng)理想裝調(diào)時,探測器得到的將是零條紋或等間隔的直條紋。零位補償干涉技術(shù)的發(fā)展歷史悠久、檢測精度高、可靠性強(qiáng),其測量結(jié)果具有權(quán)威性,一般作為非球面光學(xué)元件檢測結(jié)果的對照基準(zhǔn)。下面將重點分析零位干涉技術(shù)中常用的無像差點法、補償鏡法以及計算全息法測量非球面的面形誤差。3.1.1檢測精度無像差點法［29］利用了二次曲面光學(xué)共軛點的性質(zhì),借助平面或球面反射鏡的輔助完成對非球面面形的檢測,僅限于測量二次曲面非球面。以拋物面為例,其焦點和無窮遠(yuǎn)處互為共軛點,由拋物面焦點發(fā)出的光經(jīng)拋物面反射后成像于無窮遠(yuǎn)處。若將一中間帶孔的輔助平面反射鏡置于凹拋物面鏡的焦點附近,如圖9(a)所示,那么由焦點處點光源發(fā)出的光經(jīng)拋物面反射后成為平行光,再由輔助平面反射鏡反射后沿原路返回干涉儀,形成零位檢測。圖9(b)是利用Hindle球面反射鏡檢測凸拋物面的光路圖。同樣,對于雙曲面和橢球面來說,其兩個焦點互為共軛點,從其中一個焦點發(fā)出的光經(jīng)非球面反射后將匯聚于另一個焦點處。合理設(shè)計輔助反射鏡的尺寸及位置,就可以與待測二次曲面組成自準(zhǔn)直系統(tǒng),進(jìn)而利用干涉儀完成零位檢測。無像差點法測量方便,檢測精度也很高,是二次曲面面形檢測的一種基準(zhǔn)方法。但該方法對輔助反射鏡的面形精度和裝調(diào)精度要求很高,通用性不強(qiáng)［30］。當(dāng)被測二次曲面口徑增大時,輔助反射鏡的尺寸相應(yīng)變大,往往是被測鏡的若干倍,而大口徑平面或球面反射鏡在加工上,成本也較高［12］。此外,輔助鏡通常中間帶孔,無法一次性完成對二次曲面的全口徑檢測。3.1.2被測非球面的面形補償鏡法［29，31］是一種以補償鏡作為輔助元件,通過完全補償非球面的法線像差產(chǎn)生與理想非球面形狀一致的波前,進(jìn)而對非球面進(jìn)行面形檢測的技術(shù)。根據(jù)測量環(huán)境的不同可以選擇不同形式的干涉系統(tǒng),如泰曼-格林干涉儀或點衍射干涉系統(tǒng)［32］等。檢測時,補償鏡和被測非球面同時置于干涉儀的測量臂,入射平面波或球面波經(jīng)過補償鏡后成為與被測非球面理論形狀完全匹配的波前,即若被測面不存在面形誤差且光路精確校準(zhǔn),則入射到被測元件表面的光線經(jīng)其反射后沿原路返回,并與參考波產(chǎn)生干涉形成零條紋。對于帶有面形誤差的非球面,通過處理干涉圖的條紋信息,就可以高精度地檢測出被測非球面的面形。常用的零位補償鏡有Dall補償鏡［33］和Offner補償鏡［34-35］等。Dall補償鏡是一種平凸型透鏡,結(jié)構(gòu)簡單、加工容易,能夠?qū)χ械纫韵孪鄬讖降姆乔蛎嫣峁┳銐虻难a償,檢驗光路如圖10(a)所示。Offner補償鏡則是由兩片或多片透鏡組合而成,包含補償鏡和場鏡兩部分,應(yīng)用最廣,有反射式和折射式兩種。由于折射式在光路中更容易設(shè)計和實現(xiàn),因此一般多采用折射式結(jié)構(gòu)［12］。使用Offner補償鏡的檢測光路如圖10(b)所示,補償鏡將點光源成像到被測非球面的頂點曲率中心,場鏡再把補償鏡成像到被測面上。該透鏡組將入射波前轉(zhuǎn)換成被測非球面的理想表面形狀,通過分析干涉圖樣從而得到被測非球面的面形誤差。Offner補償鏡的結(jié)構(gòu)比Dall補償鏡復(fù)雜,加工和裝調(diào)相對困難,但它能夠很好地補償大相對孔徑非球面［35］。2010年,中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所針對深極紫外投影光刻物鏡中的非球面檢測設(shè)計了口徑在30~40mm之間改進(jìn)的3片式Offner補償鏡,測量了含有大于或等于四階系數(shù)的大非球面度高次非球面,偏離量在亞毫米量級［32］。一般來說,補償鏡法檢測凹面鏡時所用的補償鏡口徑相對被測面來說要小得多,并且補償鏡的表面形狀基本為平面和球面,容易加工至很高的精度,因此補償鏡法能夠?qū)崿F(xiàn)對大口徑凹非球面光學(xué)元件的高精度檢測,精度可達(dá)約λ/100,其測量結(jié)果常常作為非球面面形檢測的標(biāo)準(zhǔn)。但補償法仍然存在一些不足,比如補償鏡的設(shè)計難度大［36-37］,對補償鏡的加工、校準(zhǔn)以及檢測系統(tǒng)的裝調(diào)等要求都非常高,測量中存在難以去除的裝調(diào)和制造誤差。針對不同參數(shù)的非球面需要專門設(shè)計與之對應(yīng)的補償鏡,該方法不具備通用性。當(dāng)被測面為凸非球面時,補償鏡的口徑將大于被測面口徑,增加了檢測成本。3.1.3內(nèi)鏡檢測能力的分析零位干涉技術(shù)的另一種常用方法為計算全息法,這種方法利用衍射光學(xué)元件,即計算產(chǎn)生全息圖(Computer-GeneratedHolograms,CGH)將入射波的某一衍射級次轉(zhuǎn)化成與理想被測面形狀匹配的波前起到與補償鏡類似的作用,進(jìn)而完成對非球面面形誤差的零位檢測,圖11給出CGH的一種圖樣。計算全息法法最早于1971年由A.J.MacGovern和J.C.Wyant首次應(yīng)用于非球面檢測領(lǐng)域［38］。隨著計算機(jī)技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,制作高精度(優(yōu)于λ/100)、高衍射效率的計算全息圖成為現(xiàn)實,使得此項技術(shù)得到了廣泛研究與應(yīng)用。根據(jù)CGH干板在檢測系統(tǒng)中所處位置的不同,計算全息法可以有兩種光路結(jié)構(gòu),即CGH干板位于觀察空間和檢測空間［12］,分別如圖12(a)和12(b)所示,干涉系統(tǒng)可根據(jù)具體需要進(jìn)行選擇。當(dāng)CGH干板位于觀察空間時,發(fā)生干涉的為被測波前的0級衍射光和參考波前的+1級衍射光,或被測波前的-1級衍射光和參考波前的0級衍射光。由于發(fā)生干涉的兩束光只經(jīng)過CGH干板一次,所以對CGH本身玻璃基板的精度要求不高,但其難以作為整體的一部分密封到儀器中。當(dāng)CGH干板位于檢測空間時,參考波前不經(jīng)過CGH而被測波前經(jīng)過兩次,其產(chǎn)生的衍射級次可以有多種組合,通常情況下選用-1級和+1級衍射光的組合作為被測波前。采用這種光路結(jié)構(gòu)可以達(dá)到與Offner補償鏡相當(dāng)?shù)臋z測精度,但為了使一級衍射光斑與二級衍射光斑完全分離,需要在制作CGH干板時加入大于入射波前斜率最大值至少3倍的傾斜載頻,對條紋刻線的要求十分嚴(yán)格。由于被測波前兩次經(jīng)過CGH干板,因此對CGH基板的質(zhì)量要求也很高,CGH的制作難度較大。目前,美國DiffractionInternational和德國Jenoptik等公司可以提供成熟的CGH商品。美國Arizona大學(xué)在使用CGH法檢測大型天文望遠(yuǎn)鏡的研究中位于世界前列,德國斯圖加特大學(xué)以及我國中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所［39］、長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所［40］、北京理工大學(xué)［41］、南京理工大學(xué)［42］等單位都對此開展了研究。2008年成都光電所利用計算全息法對口徑為152mm的拋物面進(jìn)行了檢測,測得面形誤差PV值為0.406λ［39］;2012年,長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所利用計算全息零位補償法對一個口徑為468mm×296mm、離軸量為25.3mm的離軸碳化硅雙曲面進(jìn)行了測量,得到面形誤差PV值為0.148λ［40］。在制作計算產(chǎn)生全息圖時,并不需要有被測非球面的實體,理論上就可以得到能夠產(chǎn)生任意形狀波前與被測非球面進(jìn)行匹配的CGH干板。該方法測量速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。在測量凹非球面光學(xué)元件時,所用CGH干板的尺寸小于被測面,且可以達(dá)到與Offner補償器檢測精度相當(dāng)?shù)男Ч?。CGH干板的對準(zhǔn)通常可以通過在主全息周圍加工輔助對準(zhǔn)全息來完成,但是,當(dāng)被測面為深度、大偏離量的非球面時,全息圖的線紋頻率會非常高,其實際制作無法實現(xiàn),對大口徑和非對稱計算全息板的制作也存在困難。CGH干板與不同參數(shù)非球面之間一一對應(yīng)的補償關(guān)系使得計算全息法不具備通用性,尤其在測量大型天文望遠(yuǎn)鏡時,檢測成本較高［5］。3.2非零位干涉檢測技術(shù)零位法通過設(shè)計補償器完全補償理想非球面的法線像差來實現(xiàn)面形誤差的零位檢測,該方法測量精度很高,是目前非球面面形檢測的參照基準(zhǔn)。但是零位檢測需要針對不同參數(shù)非球面設(shè)計相應(yīng)的零位補償器,并不具有通用性,而且導(dǎo)致檢測成本增加,測量周期延長。此外,該方法對系統(tǒng)的裝調(diào)精度要求較高,補償器自身精度的檢測也是一個需要解決的問題。當(dāng)需要測量大口徑、深度非球面光學(xué)元件時,零位法還面臨著輔助反射鏡尺寸變大,成本高昂,補償鏡設(shè)計和裝調(diào)困難以及計算全息板線紋頻率過大引入中高頻誤差且難以制作等問題。針對以上零位補償干涉技術(shù)的不足,為了擴(kuò)大非球面檢測的通用性以及提高系統(tǒng)檢測大口徑、深度非球面的能力,許多單位開展了對非球面非零位干涉檢測技術(shù)的研究。非零位法在檢測非球面時不需要完全補償被測面的全部法線像差［43］,即使被測非球面不存在面形誤差且系統(tǒng)精確校準(zhǔn),干涉儀的探測器上依然不能得到零位干涉條紋［44］,檢測系統(tǒng)存在固有回程誤差［45］,干涉圖樣并不直接反映被測面的面形誤差信息。通常檢測系統(tǒng)的動態(tài)范圍取決于待檢波前的位相斜率,波前位相斜率越大,干涉條紋越密集,各種非零位干涉檢測方法基本都是圍繞如何降低待測波前位相斜率或提高系統(tǒng)動態(tài)范圍提出的。如圖8所示,非零位干涉檢測方法主要有亞奈奎斯特法［46］、長波長干涉法［47］、雙波長干涉法、高密度探測器法、剪切干涉法［48］、子孔徑拼接法以及部分補償干涉法［49］等。其中亞奈奎斯特法、長波長法、雙波長法等,都是通過采取某種手段降低檢測靈敏度來滿足分辨非球面偏離量的要求,測量精度相對較低［16］。用剪切干涉法檢測非球面時不需要標(biāo)準(zhǔn)參考波面,通過剪切發(fā)生裝置將待測波前分成帶有錯位量的兩個波前并產(chǎn)生干涉,通過處理干涉條紋得到面形誤差。剪切干涉法的檢測靈敏度可調(diào),但干涉圖并不直接體現(xiàn)波面形狀,不夠直觀,數(shù)據(jù)處理也較復(fù)雜。高密度探測器法通過增加探測器的密度來擴(kuò)大系統(tǒng)動態(tài)范圍,造價較高,響應(yīng)速度和信噪比等性能也不如普通探測器,對機(jī)械振動和空氣擾動較普通探測器更為敏感［16］,當(dāng)波前位相斜率過大時誤差增大,導(dǎo)致系統(tǒng)檢測精度降低［50］。子孔徑拼接法和部分補償法是既可以保證非球面光學(xué)元件的面形檢測精度,又能夠在一定程度上實現(xiàn)非球面檢測通用化,還可以向大口徑、深度非球面檢測領(lǐng)域延伸的兩種具有強(qiáng)大生命力的檢測技術(shù),在最近十幾年中受到了廣泛關(guān)注。3.2.1精密檢測變剛度和內(nèi)壓度的測量子孔徑拼接的概念最早于1982年由美國Ar-izona大學(xué)光學(xué)中心的C.J.Kim和J.C.Wyant提出［51］,隨后Arizona大學(xué)又提出了利用環(huán)形子孔徑拼接進(jìn)行非球面檢測的方法,并進(jìn)行了實驗驗證。盡管非球面光學(xué)元件可能會在全口徑范圍內(nèi)具有較大的非球面度,但對于局部小區(qū)域來說卻可以將非球面度大大降低。子孔徑拼接法將被測非球面劃分為若干個子孔徑,分別用不同曲率半徑的球面波進(jìn)行匹配,使每個子孔徑內(nèi)返回的波前位相斜率都處于系統(tǒng)檢測范圍之內(nèi),最后通過拼接算法從各子孔徑干涉數(shù)據(jù)中恢復(fù)出全口徑面形誤差。常用的非球面子孔徑拼接檢測技術(shù)主要有圓形子孔徑拼接和環(huán)形子孔徑拼接兩種。圓形子孔徑拼接是將被測非球面劃分為若干個圓形子區(qū)域,相鄰子區(qū)域之間包含最好超過子孔徑面積1/4的重疊區(qū)［52］,如圖13給出將全口徑非球面劃分為9個子孔徑的劃分示意圖。選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)球通過小口徑干涉儀產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)球面波匹配各子區(qū)域,調(diào)整干涉儀與被測非球面之間的相對位置,就可以得到各子孔徑內(nèi)的干涉信息,如圖14所示。拼接算法利用重疊區(qū)數(shù)據(jù)相等的特點可以將各子孔徑的數(shù)據(jù)拼接到一起,進(jìn)而恢復(fù)出被測非球面的全口徑面形。2003年,美國QED技術(shù)公司采用圓形子孔徑拼接的方法成功研制出自動拼接干涉儀(SubapertureStitchingInterferometer,SSI)［53］,它使用計算機(jī)控制的6軸精密調(diào)節(jié)平臺,可以方便地以較高精度控制被測面相對小口徑干涉儀運動,能夠?qū)趶綖?00mm以內(nèi)的平面和球面光學(xué)元件進(jìn)行面形自動拼接檢測。2006年,該公司又繼續(xù)推出升級產(chǎn)品SSIA,實現(xiàn)了對口徑為200mm以內(nèi)、與最佳球最大偏離量200λ(約120μm)的非球面高精度面形檢測,測量精度接近1/10λ,橫向分辨率較傳統(tǒng)測量提高3倍以上［54-56］。圖15(a)為SSIA的產(chǎn)品實物圖,圖15(b)表示了SSIA拼接測量被測面的檢測步驟。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所利用圓形子孔徑拼接干涉法對通光口徑最大350mm的雙曲面進(jìn)行了檢測。此外,國防科技大學(xué)［57］、哈爾濱工業(yè)大學(xué)［58］、四川大學(xué)［59］等單位也對子孔徑拼接干涉開展了深入研究。圓形子孔徑拼接干涉法拓寬了干涉儀的橫向動態(tài)范圍,投影畸變?。?0］,無需其他輔助光學(xué)元件,還可用于測量非旋轉(zhuǎn)對稱的非球面,理論上能夠?qū)Υ罂趶椒乔蛎嬖澐指嗟淖涌讖絹磉M(jìn)行拼接檢測。但實際檢測大口徑非球面時,為了使子孔徑覆蓋整個被測面且保證一定比例的重疊區(qū),子孔徑數(shù)目將達(dá)到幾十甚至上百個,導(dǎo)致測量時間長、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜,還將引起誤差傳遞和積累等問題［61］。該方法對調(diào)整機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的要求很高,需要對重疊區(qū)域做出精確擬合以保證測量精度［57，62］,尤其對相對口徑大、非球面度大的非球面來說,精確調(diào)整干涉儀與被測非球面之間的相對位置對機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)提出了更高的要求。不同于圓形子孔徑拼接時干涉儀與被測非球面之間要有相對平移和角度旋轉(zhuǎn)的調(diào)整,環(huán)形子孔徑拼接法只需二者之間產(chǎn)生軸向相對位移即可。如圖16所示,環(huán)形子孔徑將非球面分成許多不同的環(huán)帶,每次干涉儀都重新聚焦以降低某一環(huán)帶的條紋密度,使其能夠被探測器所分辨［63］。一般的拼接算法要求各環(huán)帶疊加后能夠覆蓋非球面全口徑,并且相鄰環(huán)帶間要存在一定的重疊區(qū),根據(jù)重疊區(qū)干涉數(shù)據(jù)相同的特點,利用拼接算法將各環(huán)形子孔徑的數(shù)據(jù)拼接起來,進(jìn)而獲得全口徑面形誤差。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所［60］、光電技術(shù)研究所［63］、浙江大學(xué)［20］、國防科技大學(xué)［62］和南京理工大學(xué)［9］等單位都對環(huán)形子孔徑拼接檢測非球面技術(shù)開展了大量研究,取得了較好的檢測效果。另外一種基于環(huán)形子孔徑劃分概念檢測非球面的方法采用幾何算法重建全口徑面形誤差。雖然每次測量中檢測的是環(huán)形子孔徑數(shù)據(jù),但面形重構(gòu)時并不需要以相鄰環(huán)帶重疊區(qū)域數(shù)據(jù)作為拼接基礎(chǔ),而是根據(jù)幾何關(guān)系直接計算得到被測面各點的位置坐標(biāo),從而獲得全口徑幾何面形。嚴(yán)格來說,這種方法屬于環(huán)形子孔徑掃描而非拼接。美國Zygo公司根據(jù)這一原理研制了一款環(huán)形子孔徑掃描干涉儀VerifireAsphere［64］,圖17為它的實物圖(a)和檢測結(jié)果三維圖(b)。該儀器由菲索型激光干涉儀和ZMI510位移干涉儀組成,可以對平面、球面和非球面進(jìn)行高精度測量,能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)整、自動數(shù)據(jù)采集和分析,可測量與最佳球之間的偏離最大為800μm、形狀誤差最大約為10μm的非球面［65］。環(huán)形子孔徑拼接法適于測量中心遮攔的光學(xué)元件［66］。采用該方法掃描非球面時,只存在一維相對位移,對機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的要求相對圓形子孔徑要低,拼接算法也相對容易。檢測過程中不需要借助其他輔助元件,能夠很好地應(yīng)用于淺度大口徑非球面元件的測量［67］。但是環(huán)形子孔徑拼接技術(shù)僅適用于對旋轉(zhuǎn)對稱非球面的檢測,測量時要求相鄰環(huán)帶的重疊區(qū)域完全對應(yīng),而且環(huán)帶半徑誤差和偏心誤差都會影響檢測精度［63］,所以環(huán)形子孔徑拼接法實際上對機(jī)械調(diào)整和控制的要求并不低。在檢測大口徑非球面時,位置調(diào)整則更是一個挑戰(zhàn)。當(dāng)檢測深度、大相對孔徑的非球面時環(huán)帶數(shù)量將增加,環(huán)帶寬度降低,環(huán)帶過窄會導(dǎo)致重疊區(qū)面積減小,影響拼接精度,過多的環(huán)帶亦會造成拼合困難［16］。子孔徑拼接檢測技術(shù)對口徑適中、非球面度不大的非球面具有很強(qiáng)的檢測通用性,還可以很好地應(yīng)用于離軸非球面的測量［68］。該方法在檢測過程中不需要其他輔助元件,測量成本低、速度快、精度高。然而,當(dāng)被測非球面的口徑或偏離量較大時,子孔徑數(shù)目將顯著增加,給拼接帶來困難。同時,測量過程需要依賴高精度機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng),對硬件的要求很高。在測量深度非球面時,圓形子孔徑拼接法會使干涉儀與被測面之間存在很大的相對平移和旋轉(zhuǎn),對導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)的要求比環(huán)形子孔徑拼接法更高,而采用環(huán)形子孔徑拼接法將導(dǎo)致環(huán)帶過窄、重合區(qū)過小,影響拼接算法和檢測精度。3.2.2計算機(jī)重建被測面面形誤差算法針對子孔徑拼接法檢測非球面時存在的問題,部分補償法［49，56］通過采用部分零位補償鏡并輔以計算機(jī)建模,可以實現(xiàn)對大口徑、深度非球面的高精度、通用化測量。零位補償鏡法要求補償鏡完全補償理想非球面的法線像差,對補償鏡的設(shè)計、加工和裝調(diào)要求非常高。部分補償法提出,補償鏡只需要補償被測非球面的大部分法線像差,使被測波前的位相斜率處于探測器可分辨范圍之內(nèi)即可。由于部分補償鏡并沒有完全補償非球面的法線像差,因此由被測非球面反射的光線并不能沿原路返回,檢測系統(tǒng)中存在固有回程誤差,即使系統(tǒng)良好裝調(diào)且非球面不存在面形誤差,探測器得到的也不是零位干涉條紋。利用部分補償法得到的干涉信息并不直接反映非球面的面形形狀,因此不能簡單地按照二倍關(guān)系對干涉條紋進(jìn)行處理［69-71］。為了從干涉條紋中準(zhǔn)確去除回程誤差的干擾從而獲得被測非球面的真正面形,必須借助計算機(jī)建立理論檢測模型并進(jìn)行光線追跡,得到理想非球面情況下回程誤差對干涉條紋圖樣的影響,并將理論干涉圖樣與實際圖樣進(jìn)行對比分析,利用計算機(jī)進(jìn)行逆向迭代優(yōu)化［49］或理論參考波前相減［72］等算法處理,從實際探測到的干涉信息中去除固有回程誤差,最終重建出被測面的面形。計算機(jī)重建被測面面形誤差算法是部分補償法檢測非球面非常重要的環(huán)節(jié),其中理論參考波前相減法的適用范圍有限,僅對非球面面形誤差較小的被測面有較高檢測精度。當(dāng)被測面的面形誤差過大時,這種方法將難以準(zhǔn)確重構(gòu)出面形信息,精度相對較低。逆向迭代優(yōu)化算法則是一種較通用的重建方法,一般情況下能夠很好地去除回程誤差的影響進(jìn)而重建出面形信息,對面形誤差大的被測面依然有效,精度很高,但該方法的數(shù)據(jù)處理速度相對理論參考波前相減法要慢一些?；谔┞?格林干涉系統(tǒng)的部分補償法非球面面形檢測光路圖如圖18所示。激光器發(fā)出的激光經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后得到平行光束射入檢測系統(tǒng),由半透半反的分束鏡將入射光分為反射光和透射光兩路。反射路作為參考光,經(jīng)參考平面鏡反射后仍為平面波;透射路的光波作為檢測光,經(jīng)過部分補償鏡后補償被測非球面的大部分法線像差,并入射到被測非球面的表面。由于仍存在部分像差,因此到達(dá)被測面的波前與被測面不完全匹配,其反射的光波攜帶非球面面形信息和回程誤差,將不能沿入射光原路返回。再次經(jīng)過部分補償鏡的檢測波與參考平面鏡反射的參考波在分束鏡處重合并產(chǎn)生干涉,干涉條紋經(jīng)成像系統(tǒng)成像于CCD探測器上。探測到的干涉圖與計算機(jī)建模得到的回程誤差信息經(jīng)過計算機(jī)處理,最終可以重建出待測非球面的面形誤差。部分零位補償鏡的設(shè)計和加工比零位補償鏡簡單很多,同樣可以以較小的口徑實現(xiàn)對大口徑凹非球面的測量［73］。相對子孔徑拼接法和無像差點法來說,部分補償法可以一次性完成對非球面全口徑面形的檢測。由于測量過程中不需要各元件之間有相對運動,因此對導(dǎo)軌和控制的要求比子孔徑拼接法更容易實現(xiàn)。另外,除了利用透鏡完成部分補償外,還可以采用計算全息板進(jìn)行非球面的部分補償［74］。浙江大學(xué)和北京理工大學(xué)等單位對部分零位補償技術(shù)開展了研究。北京理工大學(xué)設(shè)計了基于菲索干涉儀的部分補償檢測系統(tǒng)［75］;浙江大學(xué)對非球面面形檢測技術(shù)進(jìn)行了深入研究,著重對非球面的基本性質(zhì)和部分補償法展開探討［20，56，71，73，76］。首次詳細(xì)分析了非球面非零位檢測中的回程誤差問題［77］,創(chuàng)新性地提出了一些優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理算法［49，72］,詳細(xì)分析了檢測技術(shù)中存在的誤差,并對技術(shù)實現(xiàn)過程中的裝調(diào)問題提出了有效解決方案［78-81］。目前已經(jīng)利用部分補償法對口徑為158.4mm、相對頂點球最大偏離量為9μm以及口徑為101mm、相對頂點球最大偏離量為50μm拋物面實現(xiàn)了高精度測量［82］。部分補償干涉法簡化了補償鏡的設(shè)計、加工和校準(zhǔn)過程,每塊部分補償鏡都可以對一定參數(shù)范圍內(nèi)的非球面進(jìn)行測量,在一定程度上提高了檢測技術(shù)的通用性,擴(kuò)大了非球面檢測的動態(tài)范圍［49，73］。該方法可以用較小口徑的部分補償鏡對大口徑凹非球面進(jìn)行檢測,在深度非球面檢測方面也具有良好發(fā)展前景。但是部分補償法在檢測非球面光學(xué)元件時仍然需要設(shè)計制造輔助元件,對系統(tǒng)的裝調(diào)精度要求很高。部分補償鏡自身的制造和裝調(diào)精度直接影響到非球面面形誤差的檢測精度,并且目前部分補償鏡自身的精度檢測仍然是一個需要解決的問題。此外,部分補償法基于計算機(jī)建模和系統(tǒng)仿真,對被測面的面形重建也依賴于計算機(jī)處理,因此該方法對仿真模型和實際檢測系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)一致性要求很高,當(dāng)然另一方面,該方法有利于實現(xiàn)非球面面形檢測的自動化和數(shù)字化測量。3.3雙曲面次鏡組合檢測技術(shù)現(xiàn)代大型光學(xué)工程一直被作為國家綜合實力和科技進(jìn)步水平的標(biāo)志之一,如大型望遠(yuǎn)鏡,其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是以雙曲面為次鏡的兩鏡Cas-segrain和Ritchey-Chretien［1］光學(xué)系統(tǒng),且雙曲面次鏡的口徑達(dá)到米量級,其相對口徑也越來越大,有接近1的趨勢［83］。在其它領(lǐng)域,如紫外光刻機(jī)等系統(tǒng)中,深度非球面也成為重要的光學(xué)系統(tǒng)組成元件。大口徑、大相對口徑、大非球面度非球面光學(xué)元件的逐漸應(yīng)用向非球面檢測技術(shù)提出了更高的面形檢測要求。此處提出的非球面組合干涉技術(shù)概念,指的是合理選擇常用非球面干涉檢測方法中的兩種或多種進(jìn)行組合來完成對非球面面形誤差的測量,彌補單獨使用某項技術(shù)時的不足,以達(dá)到更好地檢測大口徑深度非球面的目的。這種組合可以是零位法與零位法、零位法與非零位法或非零位與非零位等方法之間的組合應(yīng)用,在一定程度上降低了測量過程中對輔助元件的設(shè)計和制造要求,提升了系統(tǒng)檢測大口徑、大非球面度元件的能力,擴(kuò)展了系統(tǒng)的測量范圍。例如,在測量天文望遠(yuǎn)鏡的大口徑雙曲面次鏡時,許多國家選用了零位法與子孔徑拼接相結(jié)合的檢測方案。對于大口徑雙曲面檢測的一般常用方法是無像差點法,檢測時需要用到一塊口徑約是雙曲面尺寸的兩倍甚至更大的高精度Hindle球面反射鏡［84］。然而高精度大口徑輔助Hindle球的制造困難、價格昂貴。對此,法國Reosc等提出采用球面反射鏡零位法與子孔徑拼接法相結(jié)合的技術(shù)對歐洲超大望遠(yuǎn)鏡E-ELT中的6m口徑雙曲面次鏡進(jìn)行測量［83］。該方法采用口徑為3.4和3.3m的兩塊球面鏡,通過旋轉(zhuǎn)次鏡,分別對次鏡內(nèi)外環(huán)帶的各個子孔徑進(jìn)行零位檢測,相鄰子孔徑間存在重疊區(qū)域,最后將各子孔徑數(shù)據(jù)拼接處理得到雙曲面次鏡的全口徑面形信息。美國的J.H.Burge等以及Ball公司分別針對LSST、TMT和JWST大型望遠(yuǎn)鏡中雙曲面次鏡檢測問題提出了類似的解決方案,即綜合使用Hindle球反射鏡零位干涉法和子孔徑拼接法對大型雙曲面進(jìn)行面形測量［85-86］。這一方法大大降低了制造、裝調(diào)超大口徑輔助鏡的成本和難度,提升了系統(tǒng)檢測大口徑非球面光學(xué)元件的能力,同時零位檢測法又保證了較高的檢測精度。又如,為了擴(kuò)大檢測系統(tǒng)的測量范圍、檢測大深度非球面,可以將部分補償法與亞奈奎斯特法結(jié)合使用,即兩種非零位方法進(jìn)行組合。該方法用多針孔陣列將CCD探測器的感光面轉(zhuǎn)換成稀疏陣列,通過降低干涉條紋的密度來擴(kuò)大干涉儀的測量范圍,再利用部分補償鏡或全息板來部分補償非球面的法線像差,進(jìn)一步提升系統(tǒng)測量能力。這種組合檢測技術(shù)相對傳統(tǒng)干涉儀的測量范圍擴(kuò)大了十倍,可以實現(xiàn)對深度非球面的檢測。2008年,哈爾濱理工大學(xué)采用這種方法對口徑為30mm、二次曲面系數(shù)為3.57的高次非球面進(jìn)行了面形測量,該非球面與球面的最大偏離量約為1mm。檢測結(jié)果與零位補償干涉法的檢測結(jié)果非常接近,面形PV值和RMS值的誤差分別為2.50%和1.40%［74］。部分補償法與子孔徑拼接這兩種非零位檢測方法相組合也可以實現(xiàn)更好地檢測深度非球面的目的。盡管SSIA可以測量非球面度小于約120μm的非球面,但在檢測深度更大的非球面時卻遇到子孔徑過多、檢測時間增長、拼接算法誤差積累等困難。2009年美國QED技術(shù)公司提出輔助光學(xué)補償和子孔徑拼接技術(shù)相結(jié)合的方法來進(jìn)一步提升拼接干涉儀檢測深度非球面的能力,并推出商用子孔徑拼接干涉儀ASI［55］,圖19(a)為ASI實物圖,19(b)和19(c)分別為該儀器測量某個非球面元件的檢測結(jié)果和子孔徑匹配誤差。ASI在SSI的基礎(chǔ)上集成了可變光學(xué)補償鏡(Var-iableOpticsNull,VON),用于將Fizeau干涉儀出射的球面波前轉(zhuǎn)換成與被測非球面子孔徑近似匹配的非球面波前,可測量最大非球面度為1000λ(約660μm)的非球面元件［87］。除了零位與非零位、非零位與非零位之間的組合外,零位法與零位法的組合也能夠起到擴(kuò)大測量范圍和降低輔助元件要求等作用。典型的兩種零位法相組合完成非球面檢測的方法是曲面CGH法,即補償鏡法和CGH法的組合。如前文所述,計算全息法的檢測精度高,不需要非球面實體就可以產(chǎn)生任意形狀的非球面波前,是很好的零位補償檢測方法。但CGH干板的精確對準(zhǔn)和高密度線紋難以制作等問題制約了它在深度非球面檢測中的應(yīng)用。同樣,補償鏡在零位補償深度非球面時存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝調(diào)困難等問題,限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。補償鏡法與計算全息法的組合方案通過將曲面圓形計算全息圖與補償鏡相結(jié)合,即將計算全息圖刻在補償鏡上形成組合形式的補償器,可以對大口徑或深度的凹面和凸面非球面進(jìn)行測量,檢測光路分別如圖20(a)和20(b)。在這種零位補償器中,CGH和補償鏡只分別補償部分法線像差,不僅簡化了光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)過程,還可以降低計算全息圖與補償鏡的制造難度,減少測量成本,反之相當(dāng)于提升了補償器的補償能力,能夠檢測更大口徑和更大深度的非球面光學(xué)元件。當(dāng)然,零位法與零位法相結(jié)合的組合干涉方案并不能實現(xiàn)非球面檢測的通用化測量,但其能夠以零位檢測法的較高精度去檢測口徑、深度都更大的非球面元件,是非球面檢測技術(shù)的一大進(jìn)展。1994年美國Arizona大學(xué)光學(xué)中心J.Burge等人應(yīng)用曲面CGH解決了平面CGH干板檢測中面臨的一些困難,成功檢測了口徑為380和840mm的凸非球面［88］。2004年,中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)表了利用曲面計算全息圖進(jìn)行非球面檢測的研究成果,測量了口徑為100mm的凸非球面［89］。2007年,該所又對一個口徑為950mm的凹拋物面進(jìn)行了測量,其結(jié)果PV值為0.024λ［88］。此外,2007年浙江大學(xué)提出將剪切干涉法和部分補償法相結(jié)合的檢測技術(shù)用于深度非球面的測量［71］等。非球面組合干涉技術(shù)汲取了兩種或多種干涉檢測方法的優(yōu)點,相互彌補了單種測量方法在檢測過程中的不足,能夠適應(yīng)對超大口徑、大深度、高次非球面的檢測需求,與非零位法進(jìn)行組合的檢測方案一般還都具有通用化性質(zhì),是檢測極端特性非球面面形的有效方法。當(dāng)然,組合干涉法也繼承了參與組合的幾種檢測技術(shù)的一部分不足之處。如子孔徑拼接法需要解決高精度定位和拼接算法等問題,無像差點法依然存在大口徑高精度輔助反射鏡的制造和裝調(diào)困難,部分補償法的檢測系統(tǒng)需要實現(xiàn)精確校準(zhǔn)等。所以,只有各種基本方法完善發(fā)展,組合干涉法才能更加靈活且高精度地應(yīng)用于各種非球面的測量。4自由曲面光學(xué)元件以上介紹的非球面檢測技術(shù)目前多用于測量旋轉(zhuǎn)對稱的非球面光學(xué)元件。隨著各領(lǐng)域?qū)Ψ乔蛎嬖枨蟮牟粩鄶U(kuò)大以及設(shè)計、制造業(yè)的迅速發(fā)展,除了旋轉(zhuǎn)對稱非球面外,非旋轉(zhuǎn)對稱非球面甚至自由曲面也得到越來越多的關(guān)注［90-91］。自由曲面是一種復(fù)雜無規(guī)則的非對稱非球面,具有多設(shè)計自由度,能夠有效簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高成像質(zhì)量。任意自由曲面難以進(jìn)行光線追跡,一般采用數(shù)學(xué)方法級數(shù)展開來表達(dá)［92］。2012年,美國QED技術(shù)公司的W.G.Forb