作者： 时间：2024-10-09
文档来源于Photonicis光学手册。非球面透镜的优点很多，非球面透镜可以减少球面像差，并且是聚焦或准直光的理想选择，因为它们可以达到较低的ƒ数。非球面透镜还能使用更少的透镜实现相同或更好的性能，这通常意味着系统尺寸和重量的减少。
由于性能和尺寸的限制，成像中的新应用越来越需要使用非球面透镜。制造这些表面同样需要创新的计量方法。重要的是要评估用于量化非球面表面精度的最常见计量方法的优缺点，并确定选择最合适的技术来测量特定类别光学表面的标准。
非球面透镜旨在最大限度地提高高功率Nd：YAG激光应用的性能。
通常用于测量光学部件的表面精度的干涉测量法需要平面参考波来测量平面零件，或者需要球面参考波来测量球面零件。这两种方法都不适合测量非球面透镜。非球面偏离或非球面最佳拟合半径与实际非球面表面之间的距离会产生非常密集的干涉条纹，很难解决。由于与相关非球面最佳拟合半径相匹配的球面参考波并不总能提供可接受的测量结果，因此必须使用其他方法来测量非球面表面。
非球面透镜测量方法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，其记录探针在透镜表面上追踪2D路径时的位置。
-拼接干涉测量，它结合多个子孔径干涉图，以创建一个完整的，高度精确的光学地图。
-计算机生成的全息术，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，以将球面波前转换为与所需零件轮廓匹配的非球面参考波前。
-色散共聚焦传感，用白光点光源照亮表面，感应表面反射的波长，进行非接触式轮廓测量。
-多波长干涉测量法，多波长干涉测量法，利用几个不连续的波长进行距离测量，以提高表面重建的精度。
上述计量技术都能够测量与标称设计相比的光学器件的峰谷（PV）和均方根（rms）精度。在选择测量方法时，需要考虑的关键因素包括精度、测量速度、成本以及相关部件是否在特定技术能够充分表征的几何空间内。
适用于表面光学质量检测的探针法
在接触式轮廓测量中，触针被物理地拖过光学器件的表面。唱针的另一端有一个衍射光栅。使用指向光栅的激光的偏转，以2D轨迹记录触针的位移。接触式轮廓测量非适合那些反射光不足，无法用标准干涉仪测量的地面光学器件。由于触针与光学器件接触，因此在非球面偏离和拐点方面可以测量的形状几乎没有限制，尽管可能无法测量非常陡峭的斜率。
接触式轮廓测量法长期一直是测量非球面的行业标准，并且具有成本效益，但该方法有一些严重的缺点：除非透镜的误差是完全旋转对称的，否则通过透镜中心的单线无法提供准确的描述，而这种情况很少发生。这可能会导致对有关零件的错误描述。
以实际透镜的干涉图为例，如图 1 所示。图中模拟了两条轨迹：第一条轨迹水平穿过中心，第二条轨迹以45°对角线穿过中心。由于该透镜存在散光和其他非旋转对称像差，这两个值的PV不规则度差异大于2倍。rms同样不一致。虽然可以在不同方向上采集多条轨迹，但这样做很费时间，而且仍会导致大面积的未测试区域。在某些制造规程中，有必要在加工过程中获得零件表面精度的反馈信息，以便进行修正。三维数据是确定性工具定位需要去除的多余材料区域所必需的。此外，由于探针与工件有物理接触，如果压力过大，可能会损坏较软的材料或涂层。出于这些原因，探索非球面计量学是非常有利的，因为非球面计量学可以通过非接触式三维表面轮廓进行测量。
图1，带有样本2D轨迹的干涉图。（左）水平PV=0.790λ，rms=0.195λ。（右）对角线：PV=1.841λ，rms= 0.546λ。(PV=峰谷，rms=均方根）由Edmund Optics提供
拼接干涉测量法是获得透镜轮廓的常用方法。这种方法在透镜的较小截面上使用标准相移干涉测量法，然后使用软件将这些截面拼接在一起。通过收集较小截面的干涉测量数据，可以解读出光学镜片表面更高密度的干涉条纹。这是必要的，因为除了表面误差产生的条纹外，用球面波面测试的非球面也会因其几何形状偏离球面而产生条纹。
为了收集这些数据，一台机器使用重叠的圆形子孔径来形成完整的地图。其他机器则可能使用同心圆来形成总的测量结果。机器能够消除自身的系统误差，从而获得高精度的表面地图。拼接干涉测量通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坡的透镜。有些透镜可能需要100个子孔径，因此每个零件的测量时间可能需要 20 分钟以上。可能有必要购买各种不同焦距的透射元件，以适应制造部件的各种几何形状，而且基本单元的成本很高。
计算机生成全息图（CGH）可用于调整干涉仪，使其适用于非球面表面。来自干涉仪透射元件的球面波阵面会被 CGH改变，以形成与标称光学表面轮廓完全匹配的非球面波阵面。具体做法是使用计算机在基底上制作一个图案，衍射波面以产生零参考波。可测量的表面精度可能会受到干涉仪所使用的透射元件或可在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，因此这种测试方法的成本过高，除非大量生产相同的部件。对准 CGH后，只需一张干涉图，几分钟内即可完成零件测试。CGH无法测试具有拐点的零件，如果不对测试零件沿光轴进行额外的精确定位测量，则无法提供有关光学器件曲率半径的准确数据。
色散共聚焦传感使用彩色笔发出白色光来进行距离测量。由于色散，（即玻璃中折射率因波长而异）未校正的透镜的焦距将随波长而变化。这导致不同波长的光聚焦在不同的轴向距离。通常，这种色差是必须补偿的误差，但在色散共聚焦传感中，这种影响是关键的。基于在从笔到测试光学器件的回程之后聚焦到传感器上的光的波长，可以确定到光学器件的距离。色散共聚焦传感在可测量的形状范围内具有很大的灵活性。完整的半球、大的非球面偏差和拐点都不会造成问题。非球面零件的测量可能需要大约20分钟，PV精确度可能不会超过半微米。
多波长干涉测量法使用众所周知的用单一波长的光进行长度测量的做法，并添加额外的波长以增加测量的准确性。目前可用的单元在形状上具有与彩色共焦传感类似的灵活性，但可以在2到3分钟内实现整个表面到几分之一微米的精度。这种方法的灵活性，精度和速度使它具有吸引力，如果该项目证明了对机器的大量资金投资。
本文中讨论的非球面计量方法的能力比较可在附表中获得，作为根据操作的主要关注点选择机器的指南。
非球面透镜在各种应用中的使用不断增加，这些应用的要求包括像差最小化、使用较少光学元件进行高分辨率成像以及低 ƒ 数元件。长期以来，二维接触式轮廓测量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，对能提供全三维表面数据的更好的非球面测量技术的需求也在不断增长。
随着对非球面表面精度的要求越来越严格，重要的是要考虑哪种非球面计量方法最适合当前的应用。
