一、什么是光学自由曲面

 光学自由曲面一般指缺少统一对称轴、具有非旋转对称结构的复杂曲面。 现代光学系统中，常用的自由曲面主要包括离轴非球面、柱面、微结构表面和衍射结构光学表面等。

 与传统的球面、非球面等光学元件相比，自由曲面的光学元件具有更灵活的设计，能够针对性地校正光学系统中的像差，提升光学性能，减少镜片使用数量，优化系统结构。因此，随着技术地不断进步，自由光学曲面已被广泛应用于照明、投影、光刻、天文望远镜和空间相机等光学领域。

图1 自由光学曲面应用案例；

（a）VR眼镜；（b）短焦投影仪；（c）单镜显微系统；（d）空间相机。

 但是，自由曲面面形难以用统一的数学表达式进行描述，这种高复杂性、非旋转对称性等特性给其高精度检测带来了巨大的挑战。

二、光学自由曲面高精度检测方法

  光学自由曲面没有统一的对称轴，表面形状复杂，梯度大，给其高精度检测带来了诸多难题。目前，该类元件的检测方法是在传统非球面的面形检测技术基础上发展而来的，主要分为点线式测量和面式测量两大类。

（一）点线式测量法

 点线式测量法是一类传统的面形检测方法，主要用于自由曲面元件加工过程中的铣削和研磨阶段。该类方法原理简单，通过机械式或光学式探针在横向上对被测件矢高进行逐点或逐线的扫描，最后通过“点云”数据的拼接拟合得到被测曲面的全部面形信息。目前典型的点线式测量方法主要有三坐标测量机法（CMM）、轮廓仪法、摆臂式轮廓扫描法等。

（二）面式测量法

 点线式测量法由于需要逐点或逐线的扫描导致其测量速度较慢，效率低，而面式测量则通过一次测量就能够直接得到所有面形数据，测量效率高、速度快，受到国内外研究机构更多的青睐。目前得到较多研究的方法主要有夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)波前检测法、结构光三维测量法和干涉测量法，而干涉测量法属于典型的面式测量法，也是目前公认的光学元件面形高精度检测最有效的方法之一，主要包括计算全息法、部分零位补偿法、子孔径拼接法和倾斜波面法。

（1）计算全息法：利用光波的数学描述，就能得到任意形状的波前，从而实现被检光学面的零位补偿测量。

（2）部分零位补偿法：在干涉结构中利用部分补偿镜补偿被测件的大部分法线像差，获取可分辨的干涉条纹，提升了系统的动态测量范围。

（3）子孔径拼接法：将被测面分割为多个局部梯度变化较小的子孔径区域，分别检测每个子孔径面形，将所有子孔径数据进行拼接从而得到全面形偏差。

（4）倾斜波面法：在干涉光路里利用微透镜阵列引入多个轴外点源，通过点源产生的不同倾角的多束球面波来补偿被检面在各个局部区域的梯度，得到各局部区域对应的可分辨干涉图，再通过相位恢复算法得到完整面形。

 值得一提的是，上述所提到的面式测量的各种方法，在测量过程中都要用到干涉仪，而我司所生产的Hi-Marc系列斐索型干涉仪（如Hi-Marc150W型激光干涉仪，Hi-Marc300W型激光干涉仪等）均能够用于这些测量过程中，实现对光学自由曲面高精度、高效率、高稳定性检测。

图2 Hi-Marc150W型激光干涉仪（左）Hi-Marc150W型激光干涉仪（右）