高曲率表面光学测量新突破：基于准直相位测量偏折术的傅里叶透镜布局优化研究

本研究针对传统相位测量偏折术(PMD)存在的高度-斜率模糊性和系统校准难题，提出改进型准直相位测量偏折术(CPMD)光学布局。通过将傅里叶变换(FT)透镜移至被测表面附近，显著提升系统斜率测量范围，同时解决成像路径准直性和鬼影反射问题。实验证实新布局在保持测量精度的同时，可实现对高曲率表面的精准测量，为光学精密测量领域提供创新解决方案。

　　

在光学精密测量领域，传统相位测量偏折术(Phase Measuring Deflectometry, PMD)长期面临两大技术瓶颈：一是系统校准对组件位置极度敏感，微米级偏差即可导致测量误差；二是存在高度-斜率模糊性(height-slope ambiguity)问题，即不同深度位置的表面可能产生相同的屏幕投影，导致斜率解算困难。这些问题严重制约了PMD技术在高曲率光学元件检测中的应用。

为解决这些难题，布鲁克海文国家实验室的研究团队在前期工作中开发了准直相位测量偏折术(Collimated PMD, CPMD)技术，通过引入远心成像和准直结构光照明，有效降低了系统对样品深度的敏感性。然而，随着被测表面曲率增大，傅里叶变换(Fourier Transform, FT)透镜成为限制系统测量范围的瓶颈。为此，Corey Austin等人在《Optics and Lasers in Engineering》发表的最新研究中，对CPMD光学布局进行关键性改进：将FT透镜从屏幕侧调整至被测表面(Surface Under Test, SUT)附近，在不增大透镜尺寸的前提下显著提升斜率测量范围。

研究采用理论建模与实验验证相结合的方法。通过光线追迹分析证明，缩短FT透镜与SUT间距可减小光线发散角，使相同尺寸透镜能捕获更大斜率范围的反射光。实验部分使用改进前后的两种光学布局测量相同镜面，通过对比测量结果验证新布局性能。关键技术包括：远心成像系统校准、结构光条纹投影分析、FT透镜位置优化设计，以及利用美国能源部NSLS-II同步辐射光源设施进行高精度验证。

【CPMD系统重新设计】部分揭示：原布局中FT透镜位于分束镜屏幕侧，而新布局将其移至分束镜与SUT之间。理论计算表明，当FT透镜与SUT距离减半时，可测量斜率范围扩大约40%。但这一改动带来两个新挑战：需保持成像路径的远心性，并消除重新定位FT透镜可能产生的鬼像。研究人员通过精确控制FT透镜与成像透镜组合的共轭关系，确保系统保持严格的远心成像特性。

【实验评估】部分显示：改进后系统对标准球面镜的测量结果与原CPMD布局精度相当，均达到亚微米级面形精度。特别值得注意的是，新系统成功测量了曲率半径小于50mm的高曲率镜面，这是原系统因FT透镜孔径限制无法实现的。实验数据证实，新布局在保持±15°基本测量范围的同时，可将极限测量斜率提升至±25°。

【讨论与结论】部分强调：该研究通过创新性光学布局优化，使CPMD技术突破高曲率表面测量的关键瓶颈。改进后的系统不仅保留原技术消除高度-斜率模糊性的优势，更通过FT透镜位置重构显著扩展测量范围。这项成果为同步辐射光学、X射线聚焦镜等需要纳米级面形精度的应用领域提供了更强大的测量工具。研究获得美国能源部(DE-SC0012704)和新加坡国家研究基金会(NRF-CRP24-2020-0001)等多项资助支持，相关技术已应用于布鲁克海文国家实验室NSLS-II光束线光学元件的在线检测。

该研究的创新价值在于：首次从光学架构层面解决CPMD系统的斜率测量范围限制问题，通过FT透镜位置这一关键参数的重新设计，在不增加系统复杂度的前提下实现性能突破。未来，该技术有望进一步应用于极端光学制造、自由曲面检测等领域，推动精密光学测量技术向更高精度、更大动态范围发展。