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上海奥麦达微 提供 CGH计算全息光学元件从设计到加工 装配测量全流程

在轻小型卫星和空间光学载荷快速发展的今天，如何让光学系统既轻又强，成了工程师们绞尽脑汁的问题。一个巧妙的思路是：把两个甚至多个镜片“合并”成一个整体——比如在同轴四反式光学系统中，将非球面主镜和四镜一体化成型制造。这样做的好处显而易见：零件数量锐减，整机重量下降，装调效率大幅提升。

但天下没有免费的午餐。一体化成型意味着两个非球面被“焊死”在了同一块基体上，无法像传统设计那样通过后期装调来补偿光轴偏差。因此，在镜面制造过程中，两面共体非球面的光轴一致性必须被精确测量和控制。如果两镜的光轴夹角超过了允许范围，整个光学系统的成像质量就会严重劣化。

那么，如何测量两个“长”在同一块镜子上的非球面之间的光轴夹角？今天这篇文章基于公开资料，详细拆解如何用两块高性能CGH（计算全息图）通过基准传递，实现角秒级光轴角度测量。

                    主四镜一体

一、问题的难点：传统方法为什么“不灵”？

对于两面共体非球面，传统的光轴一致性测量方法各有各的局限：

定心仪法：通过寻找自准直望远镜出射光经被测面反射的球心像来确定光轴。球面透镜用起来很顺手，但非球面不同环带的曲率半径差异很小，拟合出的光轴基线太短，精度低得可怜。

轮廓扫描法：用轮廓仪探针扫描镜面矢高数据，拟合出光轴。这种方法需要两次扫描（分别测两个面），而且要在不同机械基准下进行，误差传递链条长，且轮廓仪量程有限，测不了大口径。

传统干涉测量法：用干涉仪配合CGH检测非球面，将光轴引出到CGH上，再用激光跟踪仪测量CGH相对于机械基准的偏差。精度受限于机械基准加工精度和跟踪仪自身误差，且无法直接得到两个非球面光轴的相对夹角。

因此，急需一种直接、高精度、不依赖外部基准的方法，来测量一体化成型的两非球面之间的光轴偏差。

二、巧妙原理：让CGH“自己和自己比”

该方法的核心理念是：用两个CGH分别“代言”两个非球面的光轴，然后让这两个CGH“面对面”干涉，从干涉条纹中解算出它们的相对夹角。

具体分为两步（图1）：

2.1 第一步：将非球面光轴“传递”给CGH

图1(a) 测量光路示意

干涉仪1 + CGH1 测量非球面S1。在检测光路中，通过精密调整和像差控制，使得CGH1的光轴与非球面S1的光轴高度一致。

同样，干涉仪2 + CGH2 测量非球面S2，使CGH2的光轴与非球面S2的光轴一致。

两个CGH在设计上都保证其光学表面垂直于自身光轴。

这样一来，CGH1和CGH2的光轴就分别代表了非球面S1和S2的光轴。问题转化为：测量两个CGH之间的夹角。

2.2 第二步：让两个CGH“面对面”干涉

图1(b) 夹角测量光路示意

在每个CGH上，除了用于测量非球面面形的区域A和用于对准干涉仪的区域B，还特意设计了一个区域C。区域C的功能是：当干涉仪1的光束通过CGH1的区域C后，被调制成标准平面光波；这个平面波射向CGH2的区域C，被反射回来，再次通过CGH1，与参考光形成干涉条纹。

如果两个CGH完全平行，那么反射回来的波前将与参考波前完全重合，干涉条纹为零条纹（均匀亮场）。如果两者之间存在一个小的夹角，则反射波前会产生一个倾斜，在干涉图上表现为等间距的直条纹。通过解析波前倾斜量（Zernike多项式的第二、三项系数），就可以计算出夹角。

三、结语：一体化成型有了“火眼金睛”

两面共体非球面反射镜是同轴四反光学系统实现轻小型化、批量化制造的关键技术。而光轴一致性测量，则是保证一体化成型质量的核心环节。通过CGH干涉波前倾斜解算法，巧妙地将两个非球面的光轴“引出”到CGH上，再利用CGH之间的干涉条纹直接测量光轴夹角。该方法具有以下突出优点：

直观性强：干涉条纹直接反映夹角，判读简单。

精度高：实测精度达到可达1角秒（约0.00028°），满足绝大多数空间光学载荷的要求。

自基准：不依赖外部激光跟踪仪或高精度机械基准，测量结果仅与CGH自身有关。

可推广：适用于任何一体化成型的多面共体光学元件。

四、关于我们

我们专注于半导体、航天航空、民用消费等光学系统 CGH计算全息图设计、测量系统研发与构建、光学系统检测与装调、多视场波像差测量等领域，提供从元件级到系统级的完整评价方案，让测量不再受限于系统形态，让像质真正“可见”。如果你有任何测量需求，请找上海奥麦达！高精度CGH设计制造，请找上海奥麦达https://www.omedasemi.com