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在高端光学系统中，有一种镜片非常“特别”：它不是球面、不是简单非球面，而是凸非球面反射镜 —— 表面在多个方向上都有不同曲率，像陡坡一样“抛出去”。它的光学性能非常优越，但是 检测起来却极难。这篇文章，我们聊聊：凸非球面的典型应用？传统检测方法为什么不够用？CGH 检测如何突破极限？

一、凸非球面：高性能光学的“核心元件”

非球面光学元件由于自由度的提高，通过对其进行合理设计与使用可对像差校正，像质改善，成像系统尺寸与质量减小方面有着显著的效果，因此，非球面光学元件正越来越多的被用于空间光学、军事国防、高科技民用等领域。 尤其在空间光学领域，天文望远镜的次镜通常都是超大口径的凸非球面反射镜，例如即将代替哈勃望远镜的詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb SpaceTelescope，JWST）的次镜达到了 738 mm，一些地基天文望远镜的次镜口径更是高达几米，例如30 m望远镜（Thirty Meters Telescope，TMT）的次镜直径设计为 3.1 m；大口径巡天望远镜（ LargeSynoptic Survey Telescope，LSST） 的次镜为 3.4 m的凸非球面镜。 随着空间光学技术的不断发展，人们对凸非球面反射镜的规格和精度要求也越来越高。 这就对凸非球面的面形检测精度提出了更高的要求，因为高精度的面形检测是精密加工的前提和基础。

二、传统检测方法都有哪些？它们为什么跑不赢需求

在工业生产和科研中，常见的检测方法主要包括：

➤ 1. 三坐标测量仪（CMM）用机械探头测点、数据直观、操作成熟

局限性： 对光学曲面特别敏感，尤其是高陡度曲面，探头接触可能损伤表面，而且难以获取高精度测量结果、常规在微米量级。

➤ 2. Luphoscan 轮廓扫描仪

这是业内常用的非接触式检测设备，利用激光干涉扫描进行三维形貌重建。优势是对批量标准化生产非常友好，精度与效率兼顾。

局限性：

对旋转对称非球面、球面等表现不错、但对超过600mm口径的离轴凸非球面测量精度和稳定性还未充分验证，并且大口径的Luphoscan 轮廓扫描仪非常昂贵

➤ 3. 传统干涉测量

经典干涉仪理论上可以测量精密光学，但参考波前难以匹配凸非球面口径、复杂形状条纹极度扭曲、密集难以稳定解算出一致性面形数据当凸非球面尺寸增加，形状更复杂时，这些问题被无限放大。

三、从“量不准”到“可量化” — CGH 如何突破凸非球面测量

CGH，全称Computer Generated Hologram（计算机生成全息图），简单来说就是：一块通过计算设计的光学衍射元件，它能把标准参考波前转换成与被测曲面“匹配”的波前，从而让干涉仪形成可分析的干涉条纹。传统干涉测量遇到的问题主要是参考波前不匹配，而 CGH 的设计正是为了“把它补偿过来”。它的原理可以理解为：干涉仪发出标准球面/平面波CGH 对波前进行衍射“定制”输出与待测凸非球面一致的波前被测镜反射回来，再由 CGH 转换成可解析干涉波前干涉仪获取稳定可解算的条纹这种方式极大提高了检测稳定性和精度。

四、大口径凸非球面检测：拼接 + CGH 技术组合

当凸非球面变得更大、更陡、更深时，单一 CGH 或传统测量方式无法一次性覆盖整个光学面。这时，行业里的解决方案就是：CGH 补偿 + 子区段拼接测量这种方案已经成为大口径凸非球面高精度检测主流思路，它的关键逻辑在于：

�� CGH 用于每个小段补偿参考波前

�� 干涉仪按照多个子区域分段测量

�� 通过拼接算法将各段结果合成整体面形

优势在于：

✔ 不再受单次干涉仪口径限制

✔ 能同时保证精度和整体一致性

✔ 能处理更大尺寸、更高偏离量的复杂面形

但是局限性在于：

✔操作复杂，需要配合精密运动台

✔算法要求高、可能具有累计误差

✔对测试环境要求高

有没有不需要拼接的大口径的高精度凸非球面测试方案？当然有啦！

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