大口徑光學(xué)非球面鏡先進(jìn)制造技術(shù)概述

劉鋒偉，吳永前*，陳 強(qiáng)，劉海濤，閆鋒濤，張仕楊,3，萬勇建，伍 凡

大口徑光學(xué)非球面鏡先進(jìn)制造技術(shù)概述

劉鋒偉1,2，吳永前1,2*，陳 強(qiáng)1,2，劉海濤1,2，閆鋒濤1,2，張仕楊1,2,3，萬勇建1,2，伍 凡2*

1中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所先進(jìn)光學(xué)研制中心，四川 成都 610209；2中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209；3中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

在光學(xué)系統(tǒng)中使用非球面可以有效校正像差，改善像質(zhì)，進(jìn)而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；并且增大系統(tǒng)口徑可以從根本上提高系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)，因此在基礎(chǔ)科學(xué)研究、天文學(xué)宇宙探測以及國防安全等領(lǐng)域都對(duì)大口徑非球面鏡有著迫切需求。大口徑非球面的制造在現(xiàn)代光學(xué)制造工程中扮演著重要的角色。本文以大口徑非球面鏡的先進(jìn)制造為主題，對(duì)大口徑非球面鏡的光學(xué)加工技術(shù)，特別是研磨拋光技術(shù)及其過程中所采用的面形檢測方法進(jìn)行了綜述，特別總結(jié)了新一代先進(jìn)光學(xué)制造的技術(shù)特征，展望了未來大口徑非球面鏡的制造策略。

大口徑非球面；光學(xué)加工；光學(xué)測試

1 引 言

在光學(xué)成像系統(tǒng)里面，非球面鏡片在不增加獨(dú)立像差個(gè)數(shù)的前提下能有效矯正傳統(tǒng)球面鏡帶來的球差。因此，光學(xué)系統(tǒng)采用非球面設(shè)計(jì)不僅可以矯正像差，改善像質(zhì)，提供更加出色的成像銳度和更高的分辨率，還可以大大減少鏡片數(shù)量使得系統(tǒng)更加緊湊[1]。光學(xué)非球面已經(jīng)在國防及高科技民用技術(shù)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。比如，在國防安全領(lǐng)域，美國陸軍的光學(xué)設(shè)備在上世紀(jì)80年代所采用的非球面元件就多達(dá)23.46萬件，僅次于球面元件[2]；在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，百年來，天文望遠(yuǎn)鏡主鏡幾乎全部采用非球面設(shè)計(jì)，比如圖1所示詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡(JWST)[3]，并且相對(duì)口徑越來越大，以便在提高成像的銳度和照度同時(shí)減輕系統(tǒng)重量[4]；在民用消費(fèi)領(lǐng)域，飛行顯示系統(tǒng)、高品質(zhì)相機(jī)鏡頭以及醫(yī)用內(nèi)窺鏡和激光手術(shù)刀等都廣泛采用非球面元件[5]。

圖1 詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡[3]

另外一方面，受瑞利判據(jù)限制，光學(xué)成像系統(tǒng)想要獲得更高的分辨本領(lǐng)，增大系統(tǒng)的有效口徑是基本途徑。因此，無論是在國防軍工、天文觀測、基礎(chǔ)研究還是在一般的民用通訊領(lǐng)域都對(duì)大口徑的光學(xué)非球面提出了越來越旺盛的需求：

1) 空間對(duì)地觀察(如圖2所示[6])。在軌衛(wèi)星在幾百公里的空間高度利用高空對(duì)地相機(jī)拍攝地面目標(biāo)。假如衛(wèi)星在600 km高度，要求實(shí)現(xiàn)地面0.1 m細(xì)節(jié)的分辨本領(lǐng)，那么光學(xué)鏡頭口徑就應(yīng)在5 m左右[7]，并且反射式的非球面設(shè)計(jì)是提高光學(xué)成像銳度和系統(tǒng)緊湊化的必要選擇。

圖2 高空對(duì)地相機(jī)[6]

2) 天文觀測領(lǐng)域。探索宇宙起源、揭示天體演化是人類面臨的三大基本科學(xué)問題之一。天空中恒星數(shù)目隨星等增加急劇增加，星等數(shù)每增加1，對(duì)地面照度就會(huì)弱2.512倍。多觀測一個(gè)星等，望遠(yuǎn)鏡口徑就要增加1.58倍[7]。因此，為了看清更遠(yuǎn)、更暗的星體，天文望遠(yuǎn)鏡的口徑越來越大。20世紀(jì)50年代，世界上最大望遠(yuǎn)鏡口徑是5 m，到90年代為10 m?，F(xiàn)在已建成和計(jì)劃建設(shè)中的極大型天文望遠(yuǎn)鏡有：美國TMT望遠(yuǎn)鏡主鏡口徑為30 m(如圖3所示[8])，歐洲E-ELT望遠(yuǎn)鏡主鏡口徑為39 m。瑞士、西班牙、芬蘭、愛爾蘭的EURO主鏡為50 m，LAMA計(jì)劃的OWL主鏡直徑為100 m[9]?，F(xiàn)階段，世界上口徑最大的光學(xué)鏡面全部都用在天文望遠(yuǎn)鏡上，可以說天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷程就是一部大口徑望遠(yuǎn)鏡主鏡的光學(xué)制造史[10]。

圖3 美國TMT望遠(yuǎn)鏡[8]

3) 慣性約束核聚變(如圖4所示[11])。受控?zé)岷朔磻?yīng)是科學(xué)家長期追求的偉大目標(biāo)，是解決未來人類能源問題的重要研究方向。目前，國際上主要通過強(qiáng)磁場約束托卡馬克聚變裝置和激光慣性約束聚變裝置這兩種約束方式達(dá)到核聚變反應(yīng)所要求的高溫、高壓和強(qiáng)密度，也稱勞森判據(jù)，即：核聚變反應(yīng)燃料的密度、溫度和約束時(shí)間的乘積必須大于一個(gè)很大值。

激光慣性約束聚變的原理，簡單來說，是在一個(gè)很短的時(shí)間尺度內(nèi)將高功率的脈沖激光準(zhǔn)確聚焦到裝有核反應(yīng)燃料且半徑小于1 mm的靶球，靶面物質(zhì)融化噴射而產(chǎn)生的反沖力使得靶內(nèi)燃料壓縮至高密度和熱核燃燒所需要的高溫，并維持一定的約束時(shí)間，從而發(fā)生熱核反應(yīng)釋放聚變能[12]。打到靶球上的激光是由幾百路激光束經(jīng)過多級(jí)功率放大濾波后聚焦的。每束激光光路所需大口徑光學(xué)元件多達(dá)百余件，并且面形精度要求極高。比如，美國的“國家點(diǎn)火裝置”中的光學(xué)系統(tǒng)需要7360件大口徑的高精度光學(xué)件，涉及幾乎當(dāng)代所有的先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)[13]。

4) 投影光刻物鏡。信息技術(shù)是新時(shí)代國家重大戰(zhàn)略技術(shù)，而微電子制造技術(shù)直接影響信息技術(shù)的發(fā)展。光刻技術(shù)是微電子制造的核心，大規(guī)模集成電路芯片的制造能力與光刻技術(shù)息息相關(guān)[14]。光刻技術(shù)不斷進(jìn)步是近40年來電子信息行業(yè)內(nèi)摩爾定律(Moore’s Law)被證實(shí)一直有效的關(guān)鍵所在。

光刻技術(shù)于上世紀(jì)80年代初進(jìn)入亞微米時(shí)代，后面193 nm步進(jìn)光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)70 nm的分辨“極限”。進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著荷蘭ASML公司EUV光刻機(jī)的成功研制(如圖5所示[15])，光刻技術(shù)迅速進(jìn)入納米時(shí)代。據(jù)新聞媒體報(bào)道，國際著名芯片代工廠商臺(tái)積電將在2020年大規(guī)模量產(chǎn)5 nm芯片[16]。光刻系統(tǒng)的分辨率直接決定了芯片的集成度，而通過增大數(shù)值孔徑和減少光波長是提高光刻物鏡(圖5(b))分辨率的根本途徑。一般來說，在進(jìn)行光刻物鏡設(shè)計(jì)時(shí)可以通過增大光學(xué)零件口徑來提高非球面零件的非球面度，進(jìn)而提高其數(shù)值孔徑。無論是增大數(shù)值孔徑還是減少波長都會(huì)極大地增加光刻物鏡的制造難度。以德國卡爾蔡司公司設(shè)計(jì)的一款=0.9的193 nm光刻物鏡為例，光學(xué)零件一共30多個(gè)，其中有10個(gè)為非球面零件，最大口徑的33號(hào)件達(dá)354.8 mm[14]。這些光學(xué)零件面形精度的峰谷值(PV)達(dá)到了1 nm，均方根值(RMS)為0.3 nm。如此極限的加工精度要求，對(duì)光學(xué)制造技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)：光學(xué)零件表面材料去除精度應(yīng)在原子尺度水平，這也代表了當(dāng)今超精密制造技術(shù)的最高水平[10]。

圖4 激光慣性約束聚變裝置及相關(guān)大口徑光學(xué)元件[11]

圖5 (a) ASML EUV光刻機(jī)；(b) 投影物鏡系統(tǒng)[15]

以上例子說明：大口徑光學(xué)非球面鏡無論是在國防、大科學(xué)裝置還是民用高科技領(lǐng)域，都扮演極為重要的角色，并且需求迫切。其制造精度要求越來越高，特別是進(jìn)入新世紀(jì)以來，國際光學(xué)工業(yè)市場競爭愈加劇烈，對(duì)非球面光學(xué)零件的相對(duì)孔徑、制造精度、輕量化程度、加工效率等方面均提出了更高的要求[9]。因此，發(fā)展大口徑光學(xué)非球面鏡的先進(jìn)制造技術(shù)迫在眉睫。

制造業(yè)既是國民經(jīng)濟(jì)的主體也是科技創(chuàng)新的主戰(zhàn)場[17]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是激光技術(shù)的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的爆炸式發(fā)展，光學(xué)制造業(yè)也邁進(jìn)了全新的階段。先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的概念應(yīng)運(yùn)而生，接下來將以大口徑光學(xué)非球面鏡的制造為依托，分別概述：1) 大口徑光學(xué)非球面鏡的加工技術(shù)進(jìn)展；2) 大口徑光學(xué)非球面鏡的檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢?？偨Y(jié)先進(jìn)光學(xué)加工技術(shù)的特征并分析未來先進(jìn)光學(xué)制造的發(fā)展方向。

2 大口徑光學(xué)非球面制造技術(shù)概述

相對(duì)于平球面來說，非球面無論是加工還是檢測都相對(duì)困難，原因在于：1) 非球面只有一個(gè)對(duì)稱軸，無法采用對(duì)研的方式來完成研磨。2) 非球面各點(diǎn)曲率半徑不同，面形不易修正；3) 非球面無法用光學(xué)樣板法檢驗(yàn)光圈，其檢驗(yàn)方法非常復(fù)雜[9]。對(duì)大口徑的光學(xué)非球面鏡的制造則具有更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。一般來說，大口徑光學(xué)非球面鏡的制造是一個(gè)復(fù)雜并且漫長的過程，周期較長。其工藝流程主要包括：銑磨成型，非球面研磨，粗拋光，精拋光，鍍膜等。每一個(gè)工藝過程必須配備對(duì)應(yīng)的一種或多種檢測手段來保證工藝流程的高效運(yùn)行。大口徑非球面光學(xué)元件加工的關(guān)鍵是研磨和拋光階段[9]，因此本文將著重介紹大口徑非球面鏡的研磨拋光技術(shù)及其過程中對(duì)應(yīng)的檢測技術(shù)。

2.1 大口徑非球面研拋技術(shù)

2.1.1 經(jīng)典(傳統(tǒng))研拋技術(shù)

經(jīng)典研拋技術(shù)是光學(xué)冷加工的基本手段，迄今發(fā)展了近200年。非球面的經(jīng)典研拋技術(shù)是在傳統(tǒng)平球面研拋技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其原理是采用與工件口徑相當(dāng)(0.8~1倍)的磨盤對(duì)工件進(jìn)行全域研磨(如圖6所示[18])。過程包括：1) 先利用單/多軸機(jī)研拋出與非球面最接近的球面；2) 根據(jù)工件邊緣和中間應(yīng)該去除的量設(shè)計(jì)研拋模的形狀(比如梅花、三角狀)和溝槽帶寬；3) 對(duì)于局部高點(diǎn)利用手工進(jìn)行研拋修形。從研拋過程不難看出，經(jīng)典的研拋技術(shù)完全依賴人工經(jīng)驗(yàn)，有較大的盲目性，并且效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，無法保證加工的穩(wěn)定性。經(jīng)典研拋技術(shù)主要應(yīng)用于中小口徑非球面加工，對(duì)大型非球面鏡的加工效率很低。比如，上世紀(jì)二十年代美國2.5 m胡克望遠(yuǎn)鏡采用傳統(tǒng)研拋手段，加工時(shí)間是6年；50年代帕洛瑪5 m望遠(yuǎn)鏡主鏡耗時(shí)更是長達(dá)14年；我國在上世紀(jì)八十年代完成的2.16 m望遠(yuǎn)鏡主鏡也費(fèi)時(shí)7年。一般來說，采用經(jīng)典研拋手段，加工一塊1 m F/2~F/3.5 左右的主鏡費(fèi)時(shí)1~2年[18]，這已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代極大口徑天文望遠(yuǎn)鏡主鏡的加工周期要求。

2.1.2 計(jì)算機(jī)控制小磨頭加工技術(shù)

美國ITEK公司的Rupp[19]等人在20世紀(jì)60年代最早提出計(jì)算機(jī)控制表面成型技術(shù)。計(jì)算機(jī)控制表面成形技術(shù)也稱計(jì)算機(jī)控制小磨頭加工(computer controlled optical surfacing, CCOS)。它指的是在多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床上，根據(jù)確定的初始面形數(shù)據(jù)來控制一個(gè)小磨頭(磨盤直徑一般是工件的1/8~1/15)[20]的公自轉(zhuǎn)、壓力和駐留時(shí)間來控制材料的去除量，反復(fù)的檢測和加工保證最終的面形精度。相對(duì)于經(jīng)典研拋技術(shù)，CCOS屬于一種確定性的加工手段：首先，它的材料去除方式是準(zhǔn)確定量的；其次，小磨頭在整個(gè)非球面工件的研拋路徑也是依據(jù)精確的數(shù)學(xué)模型由計(jì)算機(jī)來實(shí)時(shí)控制的。美國Tinsley實(shí)驗(yàn)室研究CCOS技術(shù)已經(jīng)有三十多年。在2006年，Tinsley實(shí)驗(yàn)室利用CCOS研磨僅僅用三個(gè)多月時(shí)間便將JWST主鏡的一塊子鏡面形的RMS從49.1mm加工到1.46mm[21]。CCOS技術(shù)的成功應(yīng)用，對(duì)光學(xué)加工向確定性方向發(fā)展具有重要意義。值得注意的是，對(duì)于大口徑非球面鏡的研拋CCOS同樣存在加工效率低的問題，并且小磨頭會(huì)造成工件表面中高頻誤差的增大；另外，由于磨損等原因造成的研拋盤改變，導(dǎo)致去除函數(shù)無法保持長期穩(wěn)定。CCOS技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)、精密測量、新工藝新材料技術(shù)的發(fā)展不斷自我完善。進(jìn)入21世紀(jì)，CCOS技術(shù)向高效、低耗和非專家可操控方向發(fā)展。總體上來說，目前基于小磨頭的CCOS技術(shù)發(fā)展已日趨完善，現(xiàn)已逐步替代傳統(tǒng)研拋技術(shù)成為我國非球面鏡加工的主流技術(shù)，圖7為中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所(簡稱為中科院光電所)研制的最大加工口徑為1.8 m的CCOS加工設(shè)備[22]。

圖6 傳統(tǒng)機(jī)械式研拋機(jī)床與花瓣拋光盤[18]

2.1.3 可控柔體光學(xué)制造技術(shù)

如果把經(jīng)典研拋技術(shù)當(dāng)成第一代光學(xué)加工技術(shù)的話，那么基于小磨頭的CCOS確定性拋光技術(shù)就可以看作第二代光學(xué)加工技術(shù)。近三十年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、控制技術(shù)等新型科技的發(fā)展而創(chuàng)新性提出的應(yīng)力盤拋光、氣囊拋光、磁流變拋光、射流拋光、離子束修形等則可以認(rèn)為是在CCOS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一系列可控柔體拋光技術(shù)[9]。它們的技術(shù)共同點(diǎn)在于：通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制研拋工具或支撐工裝的柔度，從而強(qiáng)化非球面曲率變化的自適應(yīng)能力或達(dá)到保持去除函數(shù)長期穩(wěn)定的目標(biāo)。這種可控柔體光學(xué)制造技術(shù)也被國防科技大學(xué)相關(guān)學(xué)者稱為第三代拋光技術(shù)[9]。

2.1.3.1 應(yīng)力工件變形加工技術(shù)

應(yīng)力加工技術(shù)基于彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論，始于1932年Schmidt提出的一種加工Schmidt矯正板的方案，即：對(duì)工件施加應(yīng)力使之形變，加工成球面后釋放應(yīng)力得到非球面的方法。1980年，美國加利福尼亞大學(xué)的Nelson明確提出了非球面的應(yīng)力加工方法[23]，并成功加工了一塊口徑為360 mm，離軸量為350 mm，徑厚比14:1的拋物面鏡，最終精度為RMS 30 nm。Keck望遠(yuǎn)鏡主鏡的離軸非球面子鏡的加工也采用了這種應(yīng)力加工技術(shù)[24]。應(yīng)力工件變形技術(shù)也可稱為主(能)動(dòng)光學(xué)制造技術(shù)，它特別適用于大型輕薄主鏡的加工。德國和法國對(duì)這種以主動(dòng)支撐為主體的制造技術(shù)研究較為深入。法國Reosc基于主動(dòng)支撐彈性變形理論，采用150個(gè)氣壓促動(dòng)器對(duì)徑厚比為47:1口徑為8.4 m的大型薄鏡能動(dòng)支撐，以主動(dòng)光學(xué)輔助拋光，最終完成了VLT超大望遠(yuǎn)鏡4個(gè)8.4 m主鏡的研制[25]。主動(dòng)支撐光學(xué)加工技術(shù)大大降低了大型非球面鏡的加工難度，對(duì)于鏡面的低頻誤差(如像散)可直接采用主動(dòng)變形來抵消，因此能極大地縮短加工周期，另外采用主動(dòng)支撐的光學(xué)系統(tǒng)具備極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。主動(dòng)支撐輔助光學(xué)加工技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大型非球面反射鏡的制造，如圖8所示為應(yīng)力加工技術(shù)被用于TMT子鏡的加工[22]。

2.1.3.2 應(yīng)力盤加工技術(shù)

應(yīng)力盤拋光技術(shù)是20世紀(jì)90年代初美國亞利桑那大學(xué)斯迪瓦天文臺(tái)大鏡實(shí)驗(yàn)室(SOML)的Martin等人在彈性變形理論基礎(chǔ)上提出來的[26]。與應(yīng)力工件變形加工不同的是，應(yīng)力盤直接對(duì)研拋盤進(jìn)行能動(dòng)變形。它利用主動(dòng)變形技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)控制使拋光盤(直徑一般為加工主鏡直徑的1/3~1/5)利用主動(dòng)變形技術(shù)對(duì)研拋盤進(jìn)行主動(dòng)變形。其基本原理是：在應(yīng)力盤徑向平移和旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)研磨拋光過程中，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制應(yīng)力盤，使其盤面產(chǎn)生動(dòng)態(tài)形變以與被加工非球面的理論面形吻合。相較于基于小磨頭的CCOS技術(shù)，應(yīng)力盤非常適合大口徑光學(xué)非球面的加工，它具有很高的收斂效率，并且較大的拋光盤面能很好地平滑加工過程中的中高頻誤差。但應(yīng)力盤拋光技術(shù)同樣存在加工過程中邊緣效應(yīng)以及磨盤損壞的問題。基于應(yīng)力盤拋光技術(shù)，美國SOML先后加工了1.2 m到8.4 m直徑的多個(gè)大型非球面反射鏡[27]。比如，1996年底為墨西哥制造了一塊直徑8.3 m的非球面主鏡，面形精度達(dá)到了1/6波長(PV)?，F(xiàn)在，GMT主鏡6塊8.4 m的離軸子鏡也使用該技術(shù)進(jìn)行研拋。中科院光電所以及中國科學(xué)院國家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所(簡稱中科院南京天光所)是國內(nèi)較早開始能動(dòng)磨盤(應(yīng)力盤)研究工作的兩家單位，都始于在20世紀(jì)末。其中中科院光電所在2002年研制成功有效口徑為420 mm的應(yīng)力盤并完成了口徑1.2 m F/1.5和1.8 m F/1.7的非球面主鏡加工[22,28]。2014年該單位又研制出口徑為1000 mm的應(yīng)力盤[28]，實(shí)際應(yīng)用于4 m口徑大型非球面主鏡的加工，如圖9所示。中科院南京天光所成功研制了口徑300 mm應(yīng)力盤，并完成了口徑0.91 m F/2的拋物面加工，最終實(shí)現(xiàn)了RMS 32 nm的加工精度[29]。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所(簡稱中科院長春光機(jī)所)也研制出有效拋光口徑320 mm的應(yīng)力盤并成功應(yīng)用于F1450 mm的SiC離軸非球面鏡加工中[30]。

圖7 中科院光電所自制的1.8 m CCOS加工系統(tǒng)[22]

圖8 應(yīng)力加工技術(shù)應(yīng)用于TMT子鏡加工[22]

2.1.3.3 氣囊拋光技術(shù)

氣囊拋光技術(shù)是英國Zeeko公司和倫敦大學(xué)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Walker等人在2000年左右提出的[31]。圖10所示為Zeeko公司氣囊拋光機(jī)床。其基本原理是利用多層材料(一般采用橡膠或性編織物的混合材料)壓制形成球形的氣囊基底，然后在氣囊表面粘附一層聚氨酯拋光墊，通過拋光頭的自轉(zhuǎn)和主軸的公轉(zhuǎn)，獲得近高斯形的去除函數(shù)。氣囊拋光的優(yōu)勢在于：1) 氣囊內(nèi)部壓力可控且可與工件表面緊密貼合，是一種可控的柔性加工方法。2) 研拋過程中，氣囊自轉(zhuǎn)軸與工件局部表面法線成一夾角，并繞該法線做類似陀螺運(yùn)動(dòng)的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，接觸區(qū)域內(nèi)速度輪廓平均，被加工表面紋理均勻且無序，有利于形成很好的表面質(zhì)量。3) 氣囊與工件表面接觸面積連續(xù)可控，因此不需要更換不同直徑的研拋工具就能實(shí)現(xiàn)拋光的全過程加工，提高加工效率。目前，在光刻物鏡的加工中，氣囊拋光技術(shù)已經(jīng)作為離子束拋光前期的主流加工技術(shù)。但是，單獨(dú)應(yīng)用于米級(jí)口徑以上大型光學(xué)非球面的加工的報(bào)道較少[32]，主要原因在于氣囊拋光的拋光斑尺寸小、材料去除率小，在加工大口徑非球面時(shí)所需的加工時(shí)間很長，并且容易產(chǎn)生中高頻誤差。因此，氣囊拋光應(yīng)用于更大口徑非球面研拋需要進(jìn)一步提高加工效率、抑制中高頻誤差同時(shí)解決好邊緣效應(yīng)問題[33]。

圖9 (a) 中科院光電所自行研制的1.0 m應(yīng)力盤結(jié)構(gòu)示意圖[22]；(b) F1.0 m應(yīng)力盤應(yīng)用于4 m口徑非球面加工[29]

圖10 (a) 氣囊拋光原理示意圖；(b) Zeeko IRP400氣囊拋光機(jī)[32]

2.1.3.4 磁流變拋光技術(shù)

磁流變拋光技術(shù)(Magnetorheological finishing，MRF)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代初，是一種融合了電磁學(xué)、分析化學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等理論的新型加工技術(shù)[34]。磁流變拋光實(shí)際上也是一種基于小磨頭的CCOS技術(shù)，只不過這個(gè)小磨頭是一種在梯度磁場中發(fā)生流變而形成的具有粘塑特性的柔性磨具，它的形狀和硬度均可由磁場實(shí)時(shí)控制。通過對(duì)工件各個(gè)帶區(qū)在拋光過程中的駐留時(shí)間來控制去除量進(jìn)行修形。磁流變液是一種均勻混合了磁性顆粒、基液、表面活性劑和拋光粉的拋光液。在可控磁場中，其鏈化結(jié)構(gòu)發(fā)生改變形成能夠與工件表面緊密貼合的“柔性拋光模”，其可以在工件表面產(chǎn)生較大的剪切力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被加工材料的快速去除。圖11所示為磁流變拋光技術(shù)的原理圖[34]。MRF技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：1) 其剪切力的去除方式不易產(chǎn)生表面或亞表面損傷；2) 拋光輪的旋轉(zhuǎn)使“拋光頭”不存在磨損，去除函數(shù)穩(wěn)定；3) 加工中對(duì)工件表面的物理加載小，不會(huì)產(chǎn)生邊緣效應(yīng)。MRF技術(shù)只適用于任意曲率半徑的凸曲面，對(duì)于凹曲面，其曲率半徑要大于拋光輪的半徑。目前美國QED公司，已經(jīng)研制出了2 m~4 m加工口徑的磁流變拋光設(shè)備，并已用于大口徑天文光學(xué)非球面鏡的高精度加工[35]。國內(nèi)的國防科技大學(xué)和中國工程物理研究院研制的磁流變拋光設(shè)備，如圖12所示，也已經(jīng)在全國各大科研院所廣泛使用。

圖11 MRF技術(shù)加工原理示意圖[34]

圖12 國防科大研發(fā)的磁流變拋光設(shè)備(a)及工作圖(b)

2.1.3.5 射流拋光技術(shù)

射流拋光是在磨料射流技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的一種針對(duì)復(fù)雜光學(xué)曲面加工的集流體力學(xué)、光學(xué)制造、表面技術(shù)于一體的先進(jìn)加工工藝。1998年荷蘭Delft大學(xué)的F?hnle和Brug等人最早提出將射流拋光技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)表面的拋光中[36]。它的原理如圖13所示，由噴嘴噴射出混有磨料粒子的高速拋光液作用于鏡子表面，粒子間的高速碰撞和剪切可使得材料快速去除。磁射流拋光技術(shù)是一種結(jié)合磁流變技術(shù)和射流拋光技術(shù)的新型復(fù)雜表面拋光方法。美國QED公司率先開展了磁射流拋光技術(shù)研究。

圖13 射流拋光原理圖[36]

圖14表明普通的液體可控性較差，磁射流液在磁場作用下具有較好的穩(wěn)定性[22]。磁射流拋光在可控磁場下噴射一束準(zhǔn)直的硬化磁流變液到一定位置處的工件表面，借助磨粒間的高速碰撞剪切實(shí)現(xiàn)可控的面形拋光修正。這種技術(shù)可以從原理上解決以往拋光方法存在的邊緣效應(yīng)和亞表面損傷，在大型非球面的二次修形中有很大的應(yīng)用空間。

2.1.3.6 離子束修形技術(shù)

離子束修形是現(xiàn)代光學(xué)加工技術(shù)中最先進(jìn)的加工技術(shù)之一，是一種在原子量級(jí)上無應(yīng)力、非接觸式的拋光工藝[37]。與以往的加工技術(shù)相比，離子束加工技術(shù)可以說是一種革命性的變化。其原理是，在真空狀態(tài)下利用離子源發(fā)出具有一定能量的離子束來轟擊光學(xué)表面，光學(xué)表面的原子在獲得足夠大的能量后將擺脫表面束縛，發(fā)生物理濺射效應(yīng)。因此，可以實(shí)現(xiàn)原子量級(jí)的材料去除。離子束修形具有高確定性和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，同時(shí)加工中不存在邊緣效應(yīng)以及表面和亞表面損傷的問題，但是作為一種原子量級(jí)的去除，去除效率較低。美國Kodak公司的2.5 m離子束拋光機(jī)(如圖15所示)是國際上比較有代表性的離子束拋光設(shè)備，它成功用于Keck望遠(yuǎn)鏡10 m口徑主鏡的子鏡修形；近幾年，在國內(nèi)，如國防科技大學(xué)等單位研制的離子束拋光機(jī)(如圖16所示)也得到了廣泛的應(yīng)用。在加工能力上，非球面中等面形精度RMS為10 nm的加工已經(jīng)不是一件困難的工作，在光刻物鏡非球面制造中，其面形精度RMS達(dá)到1 nm也已經(jīng)成為可能，這些都得益于高精度的離子束拋光技術(shù)。

圖14 (a) 普通液體；(b) 磁射流液；(c) 磁場下的磁射流液；(d) 射流加工裝置[22]

圖15 Kodak 2.5 m離子束拋光機(jī)[22]

圖16 國防科技大學(xué)研發(fā)的離子束拋光機(jī)

可控柔體加工技術(shù)代表當(dāng)今世界上最先進(jìn)的光學(xué)加工工藝[9]。其中，基于彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論的應(yīng)力工件變形拋光技術(shù)、應(yīng)力盤拋光技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)非球面鏡高效率研拋的主要手段。而基于多能場的磁流變拋光技術(shù)、離子束拋光技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)大口徑非球面最終高精度面形要求的必要手段。因此，大口徑光學(xué)非球面的實(shí)際加工一定是多種加工技術(shù)的組合，從而保證現(xiàn)代光學(xué)制造高效率和高精度的要求[38]。從先進(jìn)光學(xué)加工的發(fā)展趨勢來說，以能流束拋光技術(shù)(如磁流變拋光、離子束、射流體)為代表的第三代可控柔體加工技術(shù)是未來大型非球面鏡高精度光學(xué)加工的發(fā)展方向。

先進(jìn)光學(xué)加工已經(jīng)從單純的加工技術(shù)演變?yōu)橐婚T多學(xué)科方向(光學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)、分析化學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù))相互交叉融合的先進(jìn)科學(xué)。只有廣泛吸納各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的高技術(shù)發(fā)展成果，才能適應(yīng)現(xiàn)代光學(xué)制造的發(fā)展要求。

2.2 大口徑非球面檢測技術(shù)

任何制造過程都存在誤差，被加工表面實(shí)際形狀和設(shè)計(jì)的理想面形之間的偏差稱為面形誤差。面形誤差在全口徑范圍內(nèi)又可細(xì)分為低頻、中頻和高頻。在不同的光學(xué)工程中，對(duì)低中高頻的定義有所不同。以美國國家點(diǎn)火工程(慣性約束核聚變裝置)為例，認(rèn)為低頻誤差是指空間周期長度大于33 mm的誤差；中頻的誤差的空間周期長度大于0.12 mm，小于33 mm；而高頻的誤差空間周期長度則小于0.12 mm[39]。一般來說，對(duì)于成像系統(tǒng)，低頻誤差會(huì)影響系統(tǒng)的聚焦能力，引入波像差從而降低系統(tǒng)分辨率；中頻誤差會(huì)引入小角度的散射，在降低峰值強(qiáng)度的同時(shí)還會(huì)顯著增大光斑尺寸，降低圖像核清晰度。高頻誤差則會(huì)使系統(tǒng)信噪比降低，導(dǎo)致像質(zhì)惡化。因此，大口徑光學(xué)系統(tǒng)對(duì)面形誤差提出了極為嚴(yán)苛的要求。面形檢測作為一種加工過程中面形誤差的有效反饋和評(píng)價(jià)手段，對(duì)保證大口徑非球面光學(xué)鏡的制造質(zhì)量至關(guān)重要，也只有精確的檢測結(jié)果才能夠指導(dǎo)光學(xué)加工達(dá)到最終的理想值。

與光學(xué)加工一樣，非球面的檢測相對(duì)于平球面來說同樣非常困難，特別是針對(duì)大口徑非球面的光學(xué)檢測更是要面臨更長的檢測光路。一般來說，非球面的面形檢測按原理可分為坐標(biāo)測量、幾何光線測量和光學(xué)干涉測量[40]。坐標(biāo)測量，比如三坐標(biāo)測量機(jī)，測量精度有限，一般用在大口徑非球面銑磨階段(面形精度控制在10mm左右)。激光跟蹤儀和接觸式輪廓測量可用在研磨階段(面形誤差控制在1mm左右)。幾何光線法，比如夏克-哈特曼波前傳感器、刀口法、結(jié)構(gòu)光及Ronchi光柵法一般用于初拋光階段，這個(gè)階段被加工面形反射率較低(面形誤差控制在亞微米量級(jí))；干涉測量是當(dāng)前非球面檢測方法的主流，基于可見光波段的數(shù)字波面干涉儀是拋光和終檢階段(面形精度在幾十納米)的必要手段。下面將針對(duì)大口徑非球面在研拋過程中不同階段所需的代表性檢測方法進(jìn)行闡述。

2.2.1 坐標(biāo)測量技術(shù)

坐標(biāo)測量是一種直接的非球面面形檢測方法，通常分為接觸式和非接觸式坐標(biāo)測量兩類，比如常見的儀器有三坐標(biāo)測量機(jī)和輪廓儀。他們的基本原理都是點(diǎn)-線-面的重構(gòu)過程：一般是先利用高精度的位移傳感器對(duì)待測非球面上的離散點(diǎn)進(jìn)行掃描檢測，以獲得各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后通過數(shù)學(xué)插值重構(gòu)出全口徑內(nèi)的三維面形。通過與非球面的理論面形比較最終獲得面形誤差。

理論上，坐標(biāo)測量可以得到被測非球面的所有幾何參數(shù)，通用性極強(qiáng)。坐標(biāo)測量是光學(xué)制造中實(shí)現(xiàn)在位測量的重要方法，在位測量的好處是保證加工坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系一致，并且避免大型非球面工件的搬運(yùn)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。因此，它對(duì)于大口徑非球面研拋效率的提升具有重要意義。傳統(tǒng)的接觸式坐標(biāo)測量存在劃傷表面的風(fēng)險(xiǎn)，并且其測量精度受限于位移傳感器和測頭的定位精度。因此，傳統(tǒng)的坐標(biāo)測量，比如三坐標(biāo)測量機(jī)、輪廓儀以及激光跟蹤儀，常見于光學(xué)研磨階段的面形檢測。但是，值得提出的是，隨著精密測量技術(shù)的發(fā)展，高靈敏度的非接觸式光學(xué)探針的發(fā)明使得坐標(biāo)測量的表面劃傷問題得以解決，并且測量精度不斷提高，已經(jīng)達(dá)到了幾十納米的測量精度，基本與基于CGH的干涉測量精度相當(dāng)。比如，英國Taylor-Hobson公司研發(fā)的基于多波長干涉測距光學(xué)探針的非球面輪廓測量儀LUPHOScan，在非球面檢測精度上已經(jīng)達(dá)到十納米量級(jí)，其檢測結(jié)果可直接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相移干涉測量[41]。再如，荷蘭TNO和埃因霍芬理工大學(xué)聯(lián)合研制的Nanomefeos輪廓測量系統(tǒng)在非球面檢測上最高可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的精度，目前最大測量口徑支持600 mm[42]，并且可定制。雖然超高精度的坐標(biāo)式輪廓測量受限于測量口徑，但是隨著精密運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展及標(biāo)定手段的進(jìn)步，這種通用性極強(qiáng)的非接觸式、超高精度輪廓測量儀器在大口徑光學(xué)非球面研拋過程的面形測量中應(yīng)用前景巨大。

2.2.1.1 擺臂式輪廓儀

美國Arizona大學(xué)光學(xué)中心Anderson在1995年報(bào)道了用擺臂式輪廓掃描來測量非球面的方法[43]，被認(rèn)為是擺臂式輪廓儀在非球面上的最早應(yīng)用[44]，如圖17所示[43]。

圖17 (a) 擺臂式輪廓儀測量原理示意圖；(b) Arizona大學(xué)研制的擺臂式輪廓儀[43]

擺臂式輪廓儀由一個(gè)高精度轉(zhuǎn)臺(tái)和安裝在該轉(zhuǎn)臺(tái)懸臂末端的高精度位移傳感器組成。在測量時(shí)，測頭的零位始終處于被測非球面的最接近球上，有效降低了傳感器的行程，保證了較高的檢測精度。有報(bào)道稱[45]：利用超高精度測頭，對(duì)1 m口徑的非球面擺臂式輪廓儀檢測精度可達(dá)到9 nm RMS。與一般的坐標(biāo)測量相比，擺臂式輪廓儀可以實(shí)現(xiàn)在位測量，無需來回搬動(dòng)待測非球面鏡，減少了搬運(yùn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)大口徑光學(xué)元件的加工非常重要。另外，通過更換不同行程的位移傳感器，擺臂式輪廓儀可以實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)范圍。比如，高精度的干涉?zhèn)鞲刑筋^適合于鏡面的拋光階段檢測，對(duì)于研磨階段的檢測可配備經(jīng)精密標(biāo)定后的其它測量頭，比如激光三角傳感器。國防科技大學(xué)、中科院光電所、中科院長春光機(jī)所是國內(nèi)最早開始擺臂式輪廓測量研究的幾家單位，微米至亞微米級(jí)(RMS)的面形檢測精度使得擺臂式輪廓儀能成功應(yīng)用于非球面的研磨和拋光初期階段的面形檢測。

2.2.1.2 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀是一種便攜式的大尺寸三維坐標(biāo)測量儀器。世界上第一臺(tái)商用激光跟蹤儀SMART310于1990年上市，由瑞士Leica公司研發(fā)[46]。由于其優(yōu)秀的坐標(biāo)測量表現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界精密制造、設(shè)備裝調(diào)等大型三維坐標(biāo)測量領(lǐng)域。其測量原理如圖18所示。通過跟蹤儀內(nèi)部雙頻激光干涉測量系統(tǒng)精確測量靶球到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，然后利用測角碼盤來實(shí)現(xiàn)靶球相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的方位角和俯仰角的測量，最終由坐標(biāo)計(jì)算公式獲得靶球的三維坐標(biāo)?；陔p頻激光干涉的距離測量精度和基于測角碼盤的俯仰角度測量精度決定了三維坐標(biāo)的精度，另外測量環(huán)境也會(huì)對(duì)測量結(jié)果造成影響。

圖18 激光跟蹤儀測量原理圖[46]

美國Arizona大學(xué)的Burge等人最早應(yīng)用激光跟蹤儀來檢測研磨階段的大口徑光學(xué)非球面的面形[47]。一般來說，經(jīng)過系統(tǒng)誤差補(bǔ)償后的激光跟蹤儀應(yīng)用于大口徑非球面的面形檢測可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的測量精度。相對(duì)于擺臂輪廓儀，激光跟蹤儀更適合超大口徑非球面鏡的在位檢測。目前，激光跟蹤儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大口徑非球面加工中的精磨、初拋光階段的面形和曲率半徑等精密測量。圖19所示為中科院光電所利用激光跟蹤儀對(duì)精磨階段的Ф1.3 m主鏡進(jìn)行面形檢測現(xiàn)場，其測量結(jié)果，如圖20(a)所示。與三坐標(biāo)測量結(jié)果(圖20(b))的差異為0.5 μm RMS，如圖20(c)所示。

圖19 中科院光電所1.3 m主鏡精磨階段激光跟蹤儀面形檢測

圖20 (a) 激光跟蹤儀檢測結(jié)果；(b) 三坐標(biāo)測量結(jié)果；(c) 二者面形之差

2.2.1.3 非球面輪廓測量儀LUPHOScan

LUPHOScan是Taylor-Hubson公司專門針對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱超精密鏡面(包括各種球面、非球面、自由曲面)研發(fā)的一種非接觸式三維形貌測量儀，開創(chuàng)了光學(xué)表面超精密測量的新領(lǐng)域。LUPHOScan基于MWLI(多波長干涉)技術(shù)，利用MWLI點(diǎn)傳感器連續(xù)測量傳感器到被測件的距離。被測件放置在一個(gè)可360°旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，兩個(gè)正交方向的線性平臺(tái)被用來控制MWLI點(diǎn)傳感器。傳感器垂直于被測表面，同時(shí)沿著被測件的理想輪廓移動(dòng)完成面形掃描，得到的點(diǎn)狀云圖即顯示了被測件的面形偏差。通過參考傳感器以及獨(dú)特的補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)測量傳感器的高精度連續(xù)定位，并補(bǔ)償了運(yùn)動(dòng)軸的機(jī)械誤差。配合超高精度的MWLI傳感技術(shù)，LUPHOScan系統(tǒng)可保證全域面形的絕對(duì)測試精度優(yōu)于50 nm[41]。另外，對(duì)于凸非球面的測量一直是光學(xué)檢測領(lǐng)域的一個(gè)難題，傳統(tǒng)的干涉測量必須設(shè)計(jì)比被測凸面還要大的補(bǔ)償器件來進(jìn)行檢測，LUPHOScan可在不使用補(bǔ)償器的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的面形檢測。圖21為LUPHOScan用于凸面的檢測[41]。通用化的測量手段是未來光學(xué)面形干涉測量的發(fā)展趨勢。因此，以LUPHOScan為代表的非接觸式坐標(biāo)測量儀器在中大口徑超精密非球面制造中的成功應(yīng)用將推動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)進(jìn)入嶄新階段。

圖21 Taylor-Hobson公司研制的LUPHOScan260 HD[41]

2.2.2 幾何光線測量技術(shù)

光學(xué)加工中，光學(xué)件的研磨到拋光的面形精度是從微米量級(jí)直接過渡到幾十納米量級(jí)，中間有兩個(gè)數(shù)量級(jí)的精度跨越。也就是說，從研磨階段所采用的傳統(tǒng)的坐標(biāo)測量過渡到拋光階段所采用的干涉測量，必須有較大動(dòng)態(tài)范圍和較高測量精度的檢測手段。幾何光線法是最早應(yīng)用于光學(xué)研拋過程的面形檢測方法之一，它是一種利用幾何光學(xué)原理對(duì)非球面面形進(jìn)行檢測的技術(shù)，在大口徑非球面的研拋過程中一直都有廣泛的應(yīng)用。

2.2.2.1 刀口法

1858年提出的傅科刀口法[48]是數(shù)字波面干涉儀發(fā)明之前在光學(xué)車間所普遍使用的一種測量方法。刀口法原理示意圖如圖22(a)所示[49]，將一個(gè)針孔光源放置在凹面鏡曲率中心一側(cè)，該光源的像位于曲率中心另外一側(cè)，插入刀口切割成像照明光，在未被光源照明的鏡面上能觀察到陰影圖。陰影圖的分布則能定性反應(yīng)被測非球面的面形缺陷部位和缺陷程度。作為一種重要的光學(xué)車間檢測方法，刀口法檢測設(shè)備簡單、成本低，并且具有較快的檢測速度和較高的靈敏度。但是刀口法主觀性很強(qiáng)，根本無法實(shí)現(xiàn)定量測量，不利于非球面元件的后續(xù)拋光加工，特別是現(xiàn)代先進(jìn)加工技術(shù)對(duì)前面加工手段的數(shù)據(jù)需求。然而，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)刀口儀的數(shù)字化嘗試使得刀口法也可以對(duì)非球面進(jìn)行定量檢測[50]。

2.2.2.2 哈特曼光闌法及夏克-哈特曼波前探測法

1900年，德國天體物理學(xué)家Hartmann提出，利用一個(gè)具有許多小孔且不透明的擋板放置在被測非球面鏡表面，在被檢光學(xué)面的焦點(diǎn)附近對(duì)返回的光束進(jìn)行成像，通過計(jì)算采集到的光斑位置坐標(biāo)與理想位置偏差值來確定非球面面形偏差的方法[51]。圖23是哈特曼檢測的原理圖及典型的徑向哈特曼光闌[49]。哈特曼法的一個(gè)主要缺點(diǎn)是光能利用率低，且焦點(diǎn)前后光斑口徑較大導(dǎo)致光斑坐標(biāo)計(jì)算精度不高。

夏克-哈特曼波前傳感器檢測是在哈特曼波前檢測方法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。采用微透鏡陣列代替哈特曼光闌，可提高能量利用率，提升光斑位置探測精度。對(duì)處于研磨后期和粗拋光期的大口徑非球面鏡可以直接采用夏克-哈特曼傳感器進(jìn)行定量檢測。夏克-哈特曼傳感器相對(duì)于干涉測量具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，相對(duì)于坐標(biāo)測量又具有較大的檢測精度[52]。但要提出的是，微透鏡焦距及口徑限定了該方法的動(dòng)態(tài)范圍，并且微透鏡的制造精度也會(huì)影響測量精度。此外，所測得面形數(shù)據(jù)的空間分辨率嚴(yán)格受限于子透鏡的個(gè)數(shù)。當(dāng)被測非球面的相對(duì)口徑和非球面度較大時(shí)，測量光線將無法返回傳感器，導(dǎo)致檢測失敗。這時(shí)也應(yīng)借助補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)被測非球面的零位檢測，比如韓國標(biāo)準(zhǔn)科研所的Yang利用哈特曼傳感器對(duì)口徑為0.9 m非球面鏡進(jìn)行了零位檢測[53-54]。

圖22 (a) 刀口法檢測原理示意圖；(b) 刀口儀[49]

圖23 (a) 哈特曼檢測原理示意圖；(b) 徑向哈特曼光闌[49]

國內(nèi)中科院光電所對(duì)夏克-哈特曼波前傳感器的研究主要集中在自適應(yīng)光學(xué)的波前校正方面，比如眼科診斷[55]，光束整形[56]。中科院長春光機(jī)所利用哈特曼傳感器實(shí)現(xiàn)了一塊離軸非球面鏡從精磨到拋光后期的非零位檢測[57]，測量結(jié)果證明了哈特曼波前傳感法能夠有效實(shí)現(xiàn)研磨階段輪廓測量到拋光階段可見光干涉測量之間的精度銜接，如圖24所示[58]。

2.2.2.3 結(jié)構(gòu)光條紋反射技術(shù)

結(jié)構(gòu)光也稱編碼光，廣泛應(yīng)用于散射物體的表面測量。其中利用投影儀作為光源，以散射表面為測量對(duì)象的稱為結(jié)構(gòu)光投影術(shù)，它是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，比如實(shí)體建模和逆向工程等所廣泛采用的三維測量手段，但是應(yīng)用于精密光學(xué)測量領(lǐng)域時(shí)精度較低。利用液晶屏作為光源，對(duì)反射鏡面進(jìn)行測量的稱為結(jié)構(gòu)光條紋反射術(shù)。它將編碼后的條紋投射到被檢鏡面，經(jīng)待測鏡面調(diào)制后反射進(jìn)入相機(jī)，被檢鏡面的面形誤差最后可以通過計(jì)算實(shí)際成像光線與理想成像光線的偏差得到，因此也稱相位偏折術(shù)。條紋反射法結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)范圍較大、測量精度也比較高，無需其它輔助元件便可實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑非球面鏡的面形測量[58]。美國亞利桑那大學(xué)Su等人[59]在2009年提出的SCOTS (software configurable optical test system)正是基于條紋反射技術(shù)，其原理如圖25(a)所示，屏幕調(diào)整的亮斑條紋經(jīng)待檢鏡面反射進(jìn)入針孔相機(jī)，反射條紋圖即包含了被測鏡面的面形信息。SCOTS成功用于8.4 m口徑GMT主鏡面形檢測，最終檢測精度為0.4mm RMS[59]。中科院光電所也成功研制了條紋反射式的結(jié)構(gòu)光測試系統(tǒng)，圖25(b)所示為對(duì)口徑為1.3 m的非球面主鏡采用結(jié)構(gòu)光測試。結(jié)構(gòu)光測試結(jié)果如圖26(a)，與干涉儀測試結(jié)果(如圖26(b))對(duì)比可以看出結(jié)構(gòu)光測試不僅測試動(dòng)態(tài)范圍大，而其精度與干涉儀測試精度相當(dāng)。中科院光電所也成功將結(jié)構(gòu)光條紋反射技術(shù)應(yīng)用于口徑為4 m非球面主鏡的面形檢驗(yàn)。

圖24 (a) 夏克-哈特曼檢測精磨離軸拋物面；(b) 檢測結(jié)果與干涉儀對(duì)比[57]

圖25 (a) SCOTS條紋反射術(shù)原理示意圖[59]；(b) 中科院光電所結(jié)構(gòu)光測試系統(tǒng)現(xiàn)場

圖26 (a) 結(jié)構(gòu)光測試結(jié)果；(b) Zygo干涉儀測試結(jié)果

2.2.3 干涉測量技術(shù)

干涉測量技術(shù)是利用光本身的物理特性進(jìn)行測量，其測量原理是：利用一個(gè)較高面形精度的參考鏡來對(duì)被測鏡進(jìn)行檢測，攜帶有參考面信息的參考光與攜帶有被測面信息的被測光發(fā)生干涉，生成干涉條紋并被成像探測器記錄，利用相位恢復(fù)算法可以從干涉條紋中復(fù)原出被測面的面形誤差。干涉測量精度高，采樣點(diǎn)豐富，測量周期短，是光學(xué)件面形高精度檢測所廣泛采用的終檢手段。隨著激光技術(shù)、電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，集成有高性能相位解調(diào)算法的商業(yè)干涉儀在光學(xué)檢測領(lǐng)域大放異彩。干涉測量甚至可以稱得上高精度光學(xué)檢測的代名詞，現(xiàn)已成為光學(xué)車間檢測的主流技術(shù)。

對(duì)于大口徑非球面來說，干涉測量主要面臨兩方面的技術(shù)難題：1) 一般數(shù)字波面干涉儀只能生成平、球面參考波前，因此，無法直接用于非球面的零位干涉測量；2) 干涉測量一般對(duì)測量環(huán)境有較高的要求，大口徑非球面的干涉測量檢測光路通常很長，一般無法通過物理隔振的方式實(shí)現(xiàn)，如何解決這兩個(gè)問題是現(xiàn)代光學(xué)干涉測量所重點(diǎn)研究的方向。各種零位補(bǔ)償技術(shù)，比如補(bǔ)償器設(shè)計(jì)、CGH設(shè)計(jì)，以及非零位測試技術(shù)，比如子孔徑拼接、傾斜波面干涉、自適應(yīng)像差補(bǔ)償干涉、長波長檢測等，在大口徑非球面的檢測上得到了長足的發(fā)展和應(yīng)用。針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的瞬態(tài)干涉儀的出現(xiàn)，比如美國ESDI公司(現(xiàn)Mahr)推出的Intellium H2000系列和4D公司推出的PhaseCam系列抗振動(dòng)干涉儀(如圖27)[60-61]為大口徑非球面的干涉測量提供了極大的技術(shù)支撐。

2.2.3.1 非零位干涉測量

根據(jù)光的反射定律，幾何光線沿著法線方向入射到曲面時(shí)，將按原路返回?，F(xiàn)有商業(yè)干涉儀只能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)平面參考波或者球面參考波，所以在對(duì)非球面直接進(jìn)行檢測時(shí)無法處處都沿著法線方向入射。利用普通的波面干涉儀對(duì)非球面直接進(jìn)行無補(bǔ)償測量的方式為非零位干涉測量。與零位測量不同，非零位條件下得到干涉條紋非常密從而導(dǎo)致CCD不能解析，非零位測量需要應(yīng)用特殊技術(shù)解決這一問題。

2.2.3.1.1 子孔徑拼接測量技術(shù)

大型非球面的子孔徑拼接基于“以小拼大”的思想，將被測光學(xué)元件在全口徑范圍內(nèi)劃分成若干小口徑的子孔徑，并保證所有子孔徑能覆蓋整個(gè)元件。這里，子孔徑可以是環(huán)形，也可以是圓形甚至可以是任意形狀[62]。在進(jìn)行非零位測量時(shí)，要保證每孔徑內(nèi)的干涉條紋是可解析的，這樣依據(jù)子孔徑拼接算法可把每個(gè)子孔徑的面形測量數(shù)據(jù)拼接成全口徑的面形結(jié)果。子孔徑拼接算法主要是通過相鄰子孔徑間的重疊區(qū)域來計(jì)算干涉儀或者工件運(yùn)動(dòng)過程中的位置偏差，進(jìn)而抑制補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)誤差來保證全部子孔徑拼接結(jié)果的正確性。美國QED公司基于Zygo干涉儀主機(jī)和6自由度精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)開發(fā)了子孔徑拼接干涉儀工作站，如圖28所示[43]，可以快速實(shí)現(xiàn)200 mm口徑以內(nèi)非球面的高精度檢測。2006年，QED實(shí)現(xiàn)對(duì)一口徑為200 mm與最佳球最大偏離120mm的非球面的檢測，檢測精度為1/10波長，橫向分辨率相對(duì)傳統(tǒng)測量提高了3倍，這是子孔徑拼接技術(shù)的一個(gè)成功應(yīng)用。子孔徑拼接技術(shù)的每次子孔徑測量利用了全像素分辨率，因此在提高垂直測量范圍的同時(shí)大大提高了橫向分辨率，有效解決了大視場和高分辨率的矛盾[63]。另外，子孔徑拼接技術(shù)特別適用于大口徑凸面非球面檢測，避免了無像差零位測量所需的更大口徑的補(bǔ)償器。子孔徑拼接法既保證非球面光學(xué)元件的面形檢測精度，又具備一定程度的通用化水平，還可以實(shí)現(xiàn)深度非球面和自由曲面的檢測，因此在最近十幾年中受到了廣泛的關(guān)注[64]。

圖27 (a) ESDI H2000動(dòng)態(tài)干涉儀[60]；(b) 4D動(dòng)態(tài)PhaseCam 6000動(dòng)態(tài)干涉儀[61]

2.2.3.1.2 傾斜波干涉測量技術(shù)

傾斜波面干涉測量最早由德國斯圖加特大學(xué)Osten教授團(tuán)隊(duì)在2008年提出[65]。其檢測思路是在干涉系統(tǒng)中引入軸外點(diǎn)光源陣列，通過多個(gè)軸外點(diǎn)光源生成不同傾斜角度的球面波來與被測非球面波前的不同區(qū)域干涉，這樣可得到可分辨的干涉條紋，系統(tǒng)光路如圖29(a)所示[65]。該方法雖然也是通過子孔徑劃分來降低條紋密度，但是與傳統(tǒng)的子孔徑拼接測量不同的是，測量時(shí)無需改變被測件和干涉儀的相對(duì)位置，這樣就避免了機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差及定位誤差，所以具備較高的測量效率和檢測精度。相關(guān)報(bào)告指出，該干涉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非球面度為900mm的非球面檢測，且測量精度PV值達(dá)到82 nm[66]?；谠擁?xiàng)技術(shù)，德國Mahr公司近年推出了基于傾斜波干涉測量的商用干涉儀產(chǎn)品，如圖30所示[67]。2014年國內(nèi)南京理工大學(xué)也對(duì)傾斜波干涉儀做了深入研究，成功實(shí)現(xiàn)了口徑為60 mm漸進(jìn)式眼鏡片的測量，測量精度PV達(dá)到60 nm[68]。2018年又提出利用光纖陣列來代替透鏡陣列的思路，可進(jìn)一步提高傾斜波干涉系統(tǒng)的靈活性和通用性。傾斜波干涉測量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)非球面的非零位測量，具備較強(qiáng)通用性，但是該系統(tǒng)的難點(diǎn)在于軸外點(diǎn)光源引入的系統(tǒng)誤差標(biāo)定及非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面特別是自由曲面在無補(bǔ)償下的回程誤差計(jì)算。另外，無論是微透鏡陣列還是光纖陣列，都大大增加了該系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

圖28 (a) QED 子孔徑拼接干涉儀；(b) 子孔徑劃分示意圖[43]

圖29 (a) 傾斜波干涉儀光路示意圖；(b) 典型干涉圖[65]

圖30 Mahr推出的傾斜波干涉儀MarOpto TWI 60[67]

2.2.3.1.3 紅外干涉測量技術(shù)

對(duì)于非球面的非零位干涉檢測，通過擴(kuò)大光源波長則能直接減少干涉圖的條紋密度。因此，利用CO2激光器發(fā)出的長波紅外激光就能實(shí)現(xiàn)非球面的非零位檢測。另外，紅外激光對(duì)待測表面反射率沒有要求，可以直接對(duì)粗糙表面進(jìn)行檢測。所以，基于紅外光源的干涉儀對(duì)非球面研磨后期的檢測意義重大。相對(duì)于坐標(biāo)測量，紅外干涉儀優(yōu)點(diǎn)突出，在國外已得到了成功的運(yùn)用。如美國口徑為6.5 m，相對(duì)孔徑為F 1.25的麥哲侖望遠(yuǎn)鏡主鏡八個(gè)月就完成了精磨與拋光，其中約三天就可以完成一次“精磨—檢測”周期，這樣的效率在國內(nèi)目前是無法實(shí)現(xiàn)的。其中，用紅外干涉儀進(jìn)行高精度、快速的檢測是其重要的原因。國內(nèi)中科院光電所在21世紀(jì)初期就研制成功了紅外干涉測量系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于多塊的大口徑非球面主鏡的精磨后期和初拋光階段的面形[69-70]。圖31所示為中科院光電所利用紅外干涉儀檢測某塊非球面主鏡的現(xiàn)場圖以及最終檢測結(jié)果?？梢姡鄬?duì)于可見光干涉儀，紅外干涉儀檢測數(shù)據(jù)更全。且相對(duì)偏差僅為PV=1/70，RMS=1/212(=10.6 μm為紅外波長)。

2.2.3.1.4 亞奈奎斯特測量技術(shù)

亞奈奎斯特測量方法是假設(shè)被測波面的一階導(dǎo)和二階導(dǎo)均連續(xù)，從而突破奈奎斯特采樣定理要求的每條條紋至少兩個(gè)像素的條件[71]。1987年，Greivenkamp提出奈奎斯特測量方法，之后對(duì)高陡度的保形光學(xué)透射波前進(jìn)行了非零位測量。亞奈奎斯特(欠采樣)條紋的產(chǎn)生是由于參考光和被測非球面光之間非常大的偏差(非球面度)造成的。因此，非共光路帶來的回程誤差就包含在欠采樣條紋中，必須對(duì)干涉儀的光學(xué)模型精確建模通過光線追跡得到非球面度帶來的誤差。正是解決了回程誤差補(bǔ)償?shù)膯栴}，美國ESDI公司在2007年推出的商業(yè)化的Intellium Asphere實(shí)現(xiàn)了球面度高達(dá)80mm的非球面的直接測量[72]，其過程如圖32[72]。

圖31 (a) 中科院光電所研制的紅外干涉儀檢測現(xiàn)場圖；(b) 紅外檢測最終結(jié)果

2.2.3.1.5 剪切干涉測量技術(shù)

剪切干涉一般分為橫向剪切和徑向剪切兩種，如圖33所示。所謂剪切，指的是探測波前與原始波前發(fā)生橫向/徑向錯(cuò)位后自我形成干涉。相對(duì)于傳統(tǒng)干涉儀而言，剪切干涉不需要高精度的參考波面就能直接測量大陡度的非曲面，并且靈敏度可通過剪切量進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，采用共光路系統(tǒng)可有效抵抗振動(dòng)影響，并且對(duì)光源的相干性要求較低。但是，其主要缺點(diǎn)在于：1) 剪切量大小和方向決定了測量精度，需要準(zhǔn)確標(biāo)定。2) 剪切干涉條紋不能直接反應(yīng)被測相位，其定量判讀需要經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。3) 剪切干涉本身會(huì)丟失信息，因?yàn)榧羟?差分)本身不可逆，無法從波面差唯一重構(gòu)該波面，這是限制剪切干涉儀在高精度定量檢測中廣泛應(yīng)用的根本原因[9]。

2.2.3.2 零位干涉測量

零位干涉測量是大口徑非球面光學(xué)拋光階段廣泛采用的測量手段。通過對(duì)被測非球面的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行分析，可計(jì)算出非球面上各帶的法線與光軸焦點(diǎn)的位置和角度，即法線像差。通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的補(bǔ)償器件可保證干涉儀出射的標(biāo)準(zhǔn)球面波經(jīng)過補(bǔ)償器后變成非球面波，并恰好沿著被測非球面的法線入射且能原路返回，實(shí)現(xiàn)非球面像差的補(bǔ)償從而實(shí)現(xiàn)零位測量。理論上，零位干涉圖可以是全明或者全暗的零條紋狀態(tài)，不存在非共光路引入的回程誤差。因此，零位干涉測量是高精度干涉檢測必須考慮的測試方法。

2.2.3.2.1 無像差點(diǎn)法

對(duì)于特殊的二次曲面，比如拋物面、橢球面和雙曲面，可利用其共軛點(diǎn)的性質(zhì)借助平面和球面實(shí)現(xiàn)非球面的零位測試。共軛點(diǎn)是一對(duì)無像差點(diǎn)，它們滿足點(diǎn)物成點(diǎn)像的光學(xué)共軛條件，即從一個(gè)共軛點(diǎn)發(fā)出的球面波經(jīng)過特殊二次曲面反射后，會(huì)無誤差地匯聚到另外一個(gè)共軛點(diǎn)位置。比如二次拋物面的平面自準(zhǔn)直檢測就是利用了拋物面的焦點(diǎn)和無窮遠(yuǎn)點(diǎn)是一對(duì)共軛點(diǎn)的無像差原理。另外，橢球面/雙曲面的兩個(gè)焦點(diǎn)也是共軛點(diǎn)，當(dāng)干涉儀出射參考球面波的焦點(diǎn)與二次曲面的一個(gè)焦點(diǎn)重合時(shí)，借助一個(gè)曲率中心與另外一個(gè)共軛點(diǎn)重合平面或者球面反射鏡便組成了二次曲面的無像差零位測試光路，如圖34所示[73]。無像差檢測遇到的問題是，在對(duì)二次曲面進(jìn)行測量時(shí)，被檢測反射鏡一般存在中心遮攔并且檢測光路會(huì)很長。另一個(gè)值得注意的是無像差點(diǎn)法零位測試，測試光束在被測鏡上會(huì)發(fā)生兩次反射，因此，相對(duì)于一般反射式檢測光路來說，其面形誤差引入的光程差就會(huì)增加了一倍，檢測的靈敏度就提高了一倍。

圖32 亞奈奎斯特技術(shù)測量非球面[68]。(a) 非球面非零位干涉圖；(b) 計(jì)算生成參考相位；(c) 組合莫爾條紋；(d) 回程誤差補(bǔ)償后包裹相位

圖33 (a) 橫向剪切干涉結(jié)構(gòu)示意圖[57]；(b) 與徑向剪切干涉結(jié)構(gòu)示意圖[57]

圖34 二次非球面及其幾何焦點(diǎn)[73]。(a) 橢球面；(b) 拋物面；(c) 雙曲面

2.2.3.2.2 補(bǔ)償鏡法

補(bǔ)償鏡是用來將球面參考波前調(diào)制成與被測非球面匹配的非球面波前，并能把被測非球面反射回的非球面波變回球面波的光學(xué)樣板。作為輔助性元件，補(bǔ)償鏡本身應(yīng)該是易于制造的，比如球面元件，這樣比較容易保證非球面的高精度面形檢測要求。

反射式和折射式補(bǔ)償鏡應(yīng)用較為廣泛，發(fā)展也相對(duì)成熟，比如Dall和Offner補(bǔ)償器。Dall補(bǔ)償鏡是一個(gè)平凸單透鏡[74]。一般來說，相對(duì)口徑小于1:5，二次常數(shù)小于0的二次曲面鏡可以用一個(gè)Dall透鏡置于鏡面曲率中心之前進(jìn)行零位補(bǔ)償檢測。Offner補(bǔ)償鏡由一塊單透鏡和一塊場鏡組成，補(bǔ)償鏡補(bǔ)償非球面產(chǎn)生的球差，場鏡則負(fù)責(zé)把補(bǔ)償鏡成像到非球面，這樣能有效減少補(bǔ)償鏡的口徑[75]。對(duì)于相對(duì)口徑較大的二次曲面，可以采用折射式Offner零位干涉檢驗(yàn)，如圖35所示[76]，將補(bǔ)償鏡置于被測非球面鏡曲率中心之后并將場鏡置于曲率中心附近，可以大大降低剩余像差，這也是大口徑非球面檢測所最為廣泛采用的一種零位補(bǔ)償檢測方案。補(bǔ)償鏡光學(xué)件的加工精度與組裝精度決定了補(bǔ)償器的檢測精度。加工裝調(diào)好的補(bǔ)償器性能穩(wěn)定可靠，基于補(bǔ)償鏡的零位檢測是非球面拋光階段高精度檢測必不可少的檢驗(yàn)手段之一。圖36[77]是中科院光電所使用經(jīng)過標(biāo)定的Offner補(bǔ)償器對(duì)某1.3 m口徑的非球面主鏡進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示面形精度的RMS達(dá)到了13.3 nm。

2.2.3.2.3 計(jì)算全息(CGH)

利用計(jì)算全息來檢測非球面的方法最早是由美國亞利桑那大學(xué)光學(xué)中心的Wyant等在1971年提出[78]。計(jì)算機(jī)生成全息圖(computer-generated hologram，CGH)是一種二元衍射光學(xué)元件，利用光的衍射效應(yīng)生成任意形狀的理想波前，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測非球面像差的補(bǔ)償，其檢測光路示意圖見圖37。因此，零位補(bǔ)償器就可以被CGH替代來充當(dāng)“非球面樣板”用于大口徑非球面的檢測。與零位補(bǔ)償鏡相比，CGH制作簡單，裝調(diào)方便，可以實(shí)現(xiàn)各種類型像差的補(bǔ)償。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微納光刻計(jì)算的發(fā)展，更高精度和衍射效率的計(jì)算全息圖制備成為現(xiàn)實(shí)，因此此項(xiàng)技術(shù)得到了更為廣泛研究與應(yīng)用。近幾年，CGH對(duì)我國完成90 nm投影光刻物鏡的非球面加工也起到了關(guān)鍵作用，其CGH制造誤差的RMS水平已經(jīng)達(dá)到亞納米級(jí)，是非球面面形精度達(dá)到1 nm RMS的根本保證，如圖38所示為中科院光電所利用CGH零位檢測實(shí)現(xiàn)0.926 nm RMS非球面的加工。雖然CGH在大口徑非球面的零位檢測上得到了成功應(yīng)用，也成為高精度面形檢測的保障，但是針對(duì)一些特殊的大型非球面鏡，目前CGH的制作會(huì)非常困難。比如，針對(duì)大深度的非球面，其對(duì)應(yīng)的全息圖的線紋頻率非常高，現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)際制作。針對(duì)大口徑凸非球面，其對(duì)應(yīng)的CGH基板口徑更大，目前大口徑CGH的加工精度與裝卡水平都很難滿足大口徑凸非球面的檢測。另外，CGH是根據(jù)待測非球面參數(shù)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的，所以不具備通用性。

圖35 Offner補(bǔ)償器零位檢測非球面示意圖[76]

從大口徑非球面制造過程考慮：基于坐標(biāo)測量的三坐標(biāo)測量機(jī)和激光跟蹤儀是實(shí)現(xiàn)大口徑非球面研磨階段面形檢測的主要工具。因此，對(duì)相關(guān)測量儀器測量精度提升的研究，對(duì)于指導(dǎo)非球面工件順利進(jìn)入粗拋光階段意義重大。基于幾何光線原理的傅科刀口儀、夏克-哈特曼波前探測儀以及結(jié)構(gòu)光反射條紋測量，一般具有動(dòng)態(tài)范圍大且測量精度比較高的特點(diǎn)。因此，發(fā)展幾何光線測量技術(shù)，特別是同時(shí)兼具大動(dòng)態(tài)范圍、高精度和高分辨率的面形檢測技術(shù)對(duì)有效銜接大口徑非球面研磨和拋光階段誤差非常必要；光干涉測量技術(shù)作為拋光階段采用的主流測量技術(shù)是高精度非球面制造的保障，特別是基于補(bǔ)償器件的零位干涉測量是現(xiàn)階段大口徑非球面高精度檢測必不可少的技術(shù)。同時(shí)，由于極強(qiáng)的通用性優(yōu)勢，發(fā)展高精度的非零位干涉測量技術(shù)(雙波長干涉儀，傾斜波干涉儀)或者部分補(bǔ)償干涉測量技術(shù)(自適應(yīng)補(bǔ)償干涉儀[79-80])將會(huì)是未來大口徑非球面檢測所研究的熱點(diǎn)方向?，F(xiàn)階段，還沒有一種檢測手段可覆蓋大口徑非球面研拋全過程的檢測，大口徑非球面的組合檢測是由各個(gè)檢測方法的檢測特點(diǎn)決定的。

圖36 利用Offner補(bǔ)償器檢測1.3 m口徑非球面主鏡現(xiàn)場圖(a)及檢測結(jié)果(b)

圖37 CGH零位檢測非球面光路示意圖及CGH實(shí)物圖

圖38 CGH零位檢測非球面干涉條紋(a)及面形結(jié)果(b)

2.3 大口徑非球面先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)與趨勢

以上概述了大口徑非球面制造過程中具有代表性的研拋技術(shù)以及不同研拋階段所采用的代表性檢測方法。從中我們不難發(fā)現(xiàn)，大口徑非球面的制造已經(jīng)發(fā)展成了一個(gè)學(xué)科融合更廣，工程技術(shù)交叉更多以及門類細(xì)化更精的現(xiàn)代化光學(xué)制造工程?，F(xiàn)代光學(xué)制造工程本質(zhì)上是一系列先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的系統(tǒng)集成。它們的技術(shù)特點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn)[10,13]

1) 先進(jìn)性。即所謂的先進(jìn)制造技術(shù)是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)方式，代表著先進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展方向。

2) 總體性。先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)則覆蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)管理、維修保養(yǎng)等全過程的制造流程。

3) 動(dòng)態(tài)性。先進(jìn)制造技術(shù)針對(duì)一定的應(yīng)用目標(biāo)，不斷吸收、融合各種高科技成果、不斷發(fā)展、更新、完善一系列技術(shù)群，因而具有典型的動(dòng)態(tài)性。

4) 集成性。先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)集成了機(jī)械、電子、光學(xué)、信息、材料甚至管理技術(shù)為一體。

5) 系統(tǒng)性。先進(jìn)制造技術(shù)隨著電子信息技術(shù)的引入，逐漸成為駕馭生產(chǎn)全過程的物質(zhì)流、能量流和信息流的系統(tǒng)過程。

從制造目標(biāo)來說，先進(jìn)制造技術(shù)將向極限化和特殊化發(fā)展。它將是在極端條件下采用特殊材料制造極端尺度(極大或極小)或極端功率的特殊結(jié)構(gòu)器件或系統(tǒng)。特別地，在光學(xué)制造領(lǐng)域來說，就包括歐南臺(tái)口徑39 m的極大型天文望遠(yuǎn)鏡和極紫外光刻(EUV)系統(tǒng)光學(xué)元件的極小面形誤差(精度0.1 nm)，以及空間相機(jī)中特殊材料的自由曲面光學(xué)成像系統(tǒng)的制造等。從制造本身特點(diǎn)來說，先進(jìn)制造技術(shù)將向智能化發(fā)展。21世紀(jì)是信息時(shí)代，數(shù)字化信息將會(huì)是新時(shí)期先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的核心。特別是隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展以及其對(duì)傳統(tǒng)領(lǐng)域賦能，人工智能將是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的終極目標(biāo)——智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從制造過程來說，綠色制造則是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的必要趨勢。

3 結(jié)束語

大口徑光學(xué)非球面在現(xiàn)代大型光學(xué)系統(tǒng)工程中占據(jù)舉足輕重的地位，發(fā)展大口徑光學(xué)非球面制造技術(shù)對(duì)國防軍事、天文探測、基礎(chǔ)科學(xué)研究等至關(guān)重要。本文以大口徑非球面的研拋技術(shù)和研拋階段面形檢測技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)大口徑非球面的制造技術(shù)進(jìn)行了概述，主要介紹了經(jīng)典研拋技術(shù)、基于小磨頭的CCOS加工技術(shù)和可控柔體加工技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理及技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了大口徑非球面組合加工技術(shù)的現(xiàn)狀。對(duì)大口徑非球面的檢測技術(shù)進(jìn)行了綜述，并簡要分析了大口徑非球面光學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。最后，介紹了現(xiàn)代光學(xué)制造的技術(shù)特點(diǎn)，分析了先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的發(fā)展方向。

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Overview of advanced manufacturing technology of large-aperture aspheric mirror

Liu Fengwei1,2, Wu Yongqian1,2*, Chen Qiang1,2, Liu Haitao1,2, Yan Fengtao1,2,Zhang Shiyang1,2,3, Wan Yongjian1,2, Wu Fan2*

1Advanced Manufacturing Center of Optics, Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Science, Chengdu, Sichuan 610209, China;2Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Science, Chengdu, Sichuan 610209, China;3University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China

The diagram of null test ofF1.3 m aspheric surface using Offner corrector

Overview:In optical imaging system, the aspheric surfaces possess outstanding aberration correction capability comparing to traditional spherical surfaces. Using asphere in optic design can simplify the optical system dramatically, which is especially beneficial to many space-based optical systems. Therefore, aspheric optics are playing an increasingly important role in modern optical system. It is known to us the system aperture determines the system’s resolution based on Rayleigh criterion, therefore, the system aperture is getting larger and larger to obtain a keener resolution. In this paper we first introduced the rushing needs of large-aperture aspheric mirrors in modern optical engineering, e.g. high-resolution earth observation camera, high-power laser weapon, large ground- or space-based telescope, inertial confinement fusion (ICF), and also modern EUV lithography machine. There’s no doubt that the manufacturing of large-aperture aspheric mirror is of great interest in modern optical engineering. Over the past century, lots of manufacturing techniques are developed, and we summarized the optical manufacturing and optical testing techniques of large-aperture aspheric mirror based on our practical optical manufacturing experience in our institute. In optical manufacturing, the grinding and polishing process are of critical importance, therefore we mainly focus on the representative polishing and testing techniques. For optical polishing, we classified the techniques into three generations, the first generation is traditional mechanical polishing which is an indeterministic processing tool; the second generation is computer controlled optical surfacing (CCOS) which is deterministic and already widely used for large-aperture mirror manufacturing in our country; the third generation is called controllable adaptive polishing, e.g. stressed/active lap polishing, bonnet polishing, magnetorheological finishing (MRF) polishing, ion beam figuring (IBF), et al. The controllable adaptive polishing techniques are advanced and are necessary for high accuracy large-aperture aspheric mirrors. Optical testing techniques are also reviewed. They are classified by different principles, e.g. coordinate measurement techniques, geometric light methods and physical optics methods (interferometry). Different methods can serve for different procedures during the grinding and polishing process. Generally speaking, large dynamic range, high accuracy, and also more adaptive testing techniques is the trend of optical testing. But one should bear in mind that the manufacture of large-aperture aspheric mirror is a complex and long process, no testing methods can cover the whole process, typically more than three testing methods are needed to ensure the optical manufacturing. In the third part we summarized the technical characteristics of advanced (new generation) optical manufacturing, and looked forward to the future manufacturing strategy of large-diameter aspheric mirrors.

Citation: Liu F W, Wu Y Q, Chen Q,Overview of advanced manufacturing technology of large-aperture aspheric mirror[J]., 2020, 47(10): 200203

Overview of advanced manufacturing technology of large-aperture aspheric mirror

Liu Fengwei1,2, Wu Yongqian1,2*, Chen Qiang1,2, Liu Haitao1,2, Yan Fengtao1,2,Zhang Shiyang1,2,3, Wan Yongjian1,2, Wu Fan2*

1Advanced Manufacturing Center of Optics, Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Science, Chengdu, Sichuan 610209, China;2Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Science, Chengdu, Sichuan 610209, China;3University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China

The aspheric surface can correct the system aberration and improve the image quality in the optical imaging system, in addition to that it can simplify the system structure significantly; On the other hand, the resolution of imaging system can be increased by improving the system aperture. Therefore, in the domain of basic scientific research, astronomical cosmological exploration and military defense security the large-aperture aspheric mirrors are all highly required. The manufacturing of large-aperture aspheric mirrors plays a critical role in modern optical engineering. This paper focuses on the advanced manufacturing techniques of large-aperture aspheric mirrors. The optical manufacturing technologies, especially the grinding and polishing techniques of large-aperture aspheric mirrors in the past half century and the surface shape testing methods during the grinding and polishing process, are reviewed. In particular, it summarizes the technical characteristics of advanced (new generation) optical manufacturing, and looks forward to the future manufacturing strategy of large-diameter aspheric mirrors.

large-aperture aspheric mirror; optical manufacturing; optical testing

O435；TH74

A

劉鋒偉，吳永前，陳強(qiáng)，等. 大口徑光學(xué)非球面鏡先進(jìn)制造技術(shù)概述[J]. 光電工程，2020，47(10): 200203

10.12086/oee.2020.200203

: Liu F W, Wu Y Q, Chen Q,Overview of advanced manufacturing technology of large-aperture aspheric mirror[J]., 2020, 47(10): 200203

2020-06-03；

2020-09-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61905255)

劉鋒偉(1989-)，男，博士，助理研究員，主要從事高精度光學(xué)干涉測量及非球面檢測的研究。E-mail：fengweiliu@126.com

吳永前(1977-)，男，博士，副研究員，主要從事先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的研究。E-mail：wyq95111@sina.com

伍凡(1957-)，男，博士，研究員，主要從事先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的研究。E-mail：wufan@ioe.ac.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China (61905255)

* E-mail: wyq95111@sina.com; wufan@ioe.ac.cn