面形偏差的基本概念及检测方法概述

摘自《现行光学元件——检测与国际标准》

第4章 光学元件面形偏差的检测

    光学元件的折射或者反射表面绝大多数是平面和球面，有时也采用非球面。为了保证平面波或球面波经过光学系统后，其波面仍然是良好的平面波或球面波，需要做好三件事：

1、光学系统设计时要获得良好的成像质量；

2、光学元件加工时要保证表面形状在允差范围内；

3、有行之有效、可靠的检测手段。

4.1 面形偏差的基本概念及检测方法概述

    光学元件表面的性能公差包括面形偏差、表面缺陷及表面粗糙度等，这些参数直接影响光学元件的使用性能，它们的检验也是费时的，易有争议的。本章主要讨论面形偏差检测的有关问题；而表面缺陷及表面粗糙度内容将在第7章专门论述。

    目前，国标规定的光学元件面形偏差有三个指标：光圈公差（N）和两个局部光圈公差（△1N、△2N），其定义如下。

1、光圈N：被检光学表面的曲率半径相对于参考光学表面曲率半径的偏差称为半径偏差，此偏差所对应的光圈也可称为平均光圈。

2、像散偏差△1N：被检光学表面与参考光学表面在两个互相垂直方向上产生的光圈不等所对应的偏差称为像散偏差。

3、局部偏差△2N：被检光学表面与参考光学表面在任一方向上产生的干涉条纹的局部不规则度称为局部偏差。

    在国内，一般的生产加工中，原始定义的光圈概念被更方便使用、也更为严格的“最大光圈”（建议标记为NG）和局部光圈（△N）所替代。

4、最大光圈：国标（GB-T2831-81）在判断方法中规定，在光圈数多的情况下，以有效检验范围内直径方向上最多条纹数的一半来度量。这就是将光圈和局部光圈的像散偏差合在一起。

5、局部光△N：将像散偏差△1N和局部偏差△2N合在一起进行判读。

    光圈公差的作用是度量表面与其检验样板的偏离，它保证了一批元件的一致性。局部光圈公差度量表面与理想表面（球面或平面）的偏差。但应该明确，球面干涉仪一般不可能给出光圈偏离的信息（除带有光栅测长尺的球面干涉仪及牛顿干涉仪外），只是给出局部光圈（像散偏差△1N和局部偏差△2N）的信息，即只提供偏离于理想表面的不规则度。

    面形偏差主要运用双光束干涉的原理来检验：样板法适合目视情况下的快速定性检验；条纹法等单幅干涉图处理方法早期常需要在拍摄后再处理，而现在则可以用计算机实时处理。在数字波面干涉仪出现后，移相法成为高精度面形测量的主要方法，并发展出了绝对检验技术。

    由于数字波面干涉仪的普遍应用，以及国际标准（ISO10110）在国内外逐渐推广，描述面形（波前）偏差的新的概念，如PV值（峰谷值）、RMS（均方根）、Power（离焦量/聚散性）、PV（稳定的峰谷值）、PSD（功率谱密度）、GRMS（梯度均方根值）等，已经常常被用户作为要求提出，这需要我们去读解、去应用。

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