科学家首次报道自由曲面自适应精密测试技术

中国科学院光电技术研究所先进光学研制中心副研究员赵文川、清华大学精密仪器系副教授黄磊研究组，与美国亚利桑那大学光学加工中心教授Daewook课题组，在高精度自由曲面光学检测技术领域开展合作，近日在Optics Letter和Optics Communications上发表两篇学术论文，首次报道了自由曲面自适应精密测试技术，解决了自由曲面精密加工过程中难以实时高精密测试的固有难题，创建了复杂自由曲面的适配和搜索算法，提高了精密测试效率，为建立普适性复杂自由曲面精密测试提供了新颖可行的技术途径。目前国内外未见相关论文报道。

由于自由曲面的表面面形自由度更大，梯度更大，超出了传统干涉测量的动态范围，很难实现面形的高精度检测，这给光学自由曲面的制造带来困难，限制了光学自由曲面的发展与应用。光电所与清华大学组成的研究团队提出了全新的自由曲面检测技术，采用大行程变形镜作为面形补偿元件，使用条纹反射测量技术，实现高精度变形镜的实时动态监测与闭环控制，建立复杂自由曲面的面形自适应搜索模型，研究高精度的系统误差标定技术，使自由曲面能够实时快速检测，基本原理如图1所示。图2为检测实验现场图，图3为变形镜产生第四项和第九项zernike面形时，DS得到的变形条纹图和对变形镜面形变化的检测结果。实验中被测件为一带有像散的未知曲面，如图4（a），其面形误差超过了干涉仪的测量动态范围，因此干涉仪无法获得条纹而无法完成测量。基于该研究提出的测试装置及SPGD自适应搜索模型，在200秒左右可获得待测自由曲面的清晰条纹，如图4（d）所示。根据检测硬件建立系统检测模型，结合干涉检测结果和条纹反射测量结果，通过面形匹配与系统误差标定技术，得到被测面的面形误差，检测结果如图5所示。

此项技术对待测对象没有特殊要求，所提出的测试装置结构简单、成本低廉，具有较好的普适性。该研究工作对光学自由曲面检测技术的发展具有重要意义。

图1.基于变形镜补偿的自由曲面检测原理 （DS：条纹反射测量装置，DM变形镜）

图2.检测实验现场图

图3.变形镜产生第四项和第九项zernike面形时条纹反射系统测量结果

　　图4.干涉仪条纹图(a)未迭代搜索前条纹，（b）（c）迭代搜索1、2次后的条纹，（d）搜索完成后的条纹

　　图5.检测结果（a）直接采用干涉仪的面形数据，（b）DM变形补偿后的干涉仪面形数据，（c）DS检测变形镜的结果，（d）系统误差标定后的最终结果