《Optics & Laser Technology》：Coherence scanning interferometric measurement of advanced optics: A review
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摘要先进光学元件在诸多领域都有广泛应用，包括摄影、增强现实与虚拟现实设备、深空探索以及极紫外光刻技术。随着这些元件的设计与制造技术不断进步，对其测量方法的要求也在不断提升。然而，由于光学元件设计复杂，需要实现全空间频率和全口径的测量，同时工业界还要求能够进行现场测量并实时反馈，这
摘要
先进光学元件在诸多领域都有广泛应用，包括摄影、增强现实与虚拟现实设备、深空探索以及极紫外光刻技术。随着这些元件的设计与制造技术不断进步，对其测量方法的要求也在不断提升。然而，由于光学元件设计复杂，需要实现全空间频率和全口径的测量，同时工业界还要求能够进行现场测量并实时反馈，这就给其测量工作带来了巨大挑战。相干扫描干涉术是一种非接触式、高精度且能处理大尺寸样品的无损测量方法，已被广泛用于光学元件的测量。随着宽场相干扫描干涉术、微球辅助相干扫描干涉术、子口径拼接技术、抗振动技术以及并行计算技术等的出现与发展，相干扫描干涉术在先进光学元件测量领域的应用范围得到了极大扩展。但目前尚缺乏针对这些创新方法的潜在应用进行全面探讨的研究。因此，本综述首先根据空间频率对不同先进光学元件的测量需求进行分类，并分析它们给测量方法带来的挑战；接着，分别研究用于测量中高空间频率及低空间频率先进光学元件的各种相干扫描干涉术技术，同时阐述各自的优缺点；最后，本综述指出了相干扫描干涉术的发展趋势，强调了它正从实验室仪器向微型化、工业级传感器的转变，并进一步提出了基于相干扫描干涉术的传感器发展的未来路线图，旨在解决如何将高精度测量技术有效整合到稳定可靠的工业生产环境中的问题。
引言
光学元件的设计、制造与应用正在经历前所未有的变革。自由曲面光学技术通过复杂的表面设计提升了光学系统的性能，而金属透镜则依靠纳米级的波长结构来操控光线。近年来，这两种技术的融合催生了超曲面光学这一概念，为宏观、微观乃至纳米尺度上的光学系统发展带来了突破性进展。然而，如何准确测量这些先进光学元件的表面形貌与功能特性，依然是其制造与表征过程中的核心难题。
光学元件的制造过程需要对多种参数进行表征。目前，低空间频率误差通常用坐标测量机以及菲佐干涉仪等仪器来测量，而中高空间频率误差则多借助共聚焦显微镜和相干扫描干涉术等光学仪器进行检测。原子力显微镜和扫描电子显微镜则能够检测传统光学仪器无法识别的、处于衍射极限以下的结构。不过，接触式测量方法（如机械探针）可能会损坏样品，且分辨率有限。尽管扫描电子显微镜和原子力显微镜具备纳米级分辨率，但它们的测量速度较慢，且测量范围也较为有限。传统的未经补偿的菲佐干涉仪在测量非球面和自由曲面时面临很大困难，因为当表面与参考波前偏差较大时，会产生大量干涉条纹，增加了测量的复杂性。
相比之下，相干扫描干涉术因其非接触、高精度以及较大的测量范围等优点，被广泛用于先进光学元件的无损测量。该技术通过微型光学系统获取干涉图案，再根据相干峰的位置精确计算表面形貌，其垂直方向的测量精度可达到亚纳米级别。此外，相干扫描干涉术还会使用宽带光源，以避免激光干涉术中出现的相位模糊问题，从而进一步提升垂直方向的测量范围。振幅-波长空间是一种用于描述该仪器适用性能参数的有效方法。其中“振幅”特指测量系统的垂直动态范围，即从仪器的均方根噪声底值（最小可检测高度）到其最大垂直扫描范围之间的区间。图1展示了不同技术手段在振幅-波长空间中的位置关系，相干扫描干涉术通过与其他先进技术的结合，正在不断扩大自己在这一空间中的地位。
尽管如此，相干扫描干涉术在测量新兴的先进光学元件时仍面临一些挑战。尤其是那些具有高曲率表面的复杂光学元件，比如自由曲面，其干涉信号的捕获难度非常大。针对这类自由曲面的测量方法既需要高精度，也需要较大的动态范围。而对于金属透镜和光栅这类小型、高空间频率的光学元件，相干扫描干涉术则需要克服衍射极限对横向分辨率的限制。此外，工业界对现场测量和实时反馈的需求也在不断上升。因此，迫切需要运用新技术来全面提升相干扫描干涉术系统的性能与适应性。未来，相干扫描干涉术有望与超分辨率技术相结合，实现亚衍射极限级别的测量；同时它还可能与精密轴系、机械臂以及其他位移机构相集成。此外，人们还设想将其与拼接技术结合，用于实现全口径、低空间频率表面的测量。就这样，用于先进光学元件的全口径及全空间频率测量的技术框架正在逐步形成，尽管多尺度数据整合方面仍存在诸多挑战，但这一技术方向为全面开展这些元件的表征工作提供了希望。
近年来，已有不少文章从应用角度对相干扫描干涉术进行了综述，涉及表面形貌、薄膜以及厚度测量等相关主题。然而，专门针对先进光学元件测量方面的系统性总结与前瞻性分析仍然相对匮乏。本文旨在梳理相干扫描干涉术的最新进展，重点探讨其在自由曲面和金属透镜等先进光学元件测量中的应用情况。文章系统分析了该技术在评估不同空间频率信息时的能力与面临的挑战。本文的目标是全面总结当前该领域的研发现状，并为未来的研究方向提供指导。第二章详细介绍了相干扫描干涉术在评估先进光学元件空间频率信息方面的最新进展，系统分析了测量自由曲面和金属透镜等结构时所面临的各类挑战。第三章则阐述了相干扫描干涉术的发展历程，重点介绍了它向现场测量、全口径及全空间频率测量以及高效测量方向发展的趋势。最后，第四章对全文内容进行总结并展望未来，希望能为相关研究工作提供参考。
章节要点
相干扫描干涉术在先进光学元件测量中的应用
在先进光学元件领域，不同元件对不同空间频率的测量需求差异极大。自由曲面为光学设计师提供了更大的创新空间与灵活性，同时也拓展了可制造表面的范围。除了表面粗糙度与微观形貌之外，低频形态的测量也面临着诸多挑战。而金属透镜则具备完成那些超出传统光学元件能力的任务的能力。
相干扫描干涉术在先进光学元件测量中的发展趋势
在传统光学元件的测量中，相干扫描干涉术已经能够满足多种测量需求。但随着光学设计与制造技术的发展，测量工作又面临着许多新的挑战。为此，相干扫描干涉术也出现了新的发展趋势，以保持自身技术的竞争力。在传统认知中，相干扫描干涉术被认为是一种需要固定在测量台上的仪器，
讨论与结论
由于具有非接触、高精度以及快速响应等优点，相干扫描干涉术早已被广泛用于传统光学元件的三维形貌测量。近年来，随着新型元件、软件算法以及系统设计的不断进步，相干扫描干涉术在测量分辨率与精度、系统稳定性与可靠性、测量效率以及动态范围等方面都取得了进一步提升。它的应用范围也在不断拓展，展现出越来越强大的实用价值。
作者贡献说明
吕国远：论文撰写——综述与编辑、论文撰写——初稿撰写、可视化处理、项目管理、数据收集、正式分析、概念构思。刘倩：论文撰写——综述与编辑、概念构思。李泽晓：论文撰写——综述与编辑、研究指导、项目管理、正式分析、概念构思。程伟生：数据收集、正式分析、概念构思。徐俊格：数据收集、概念构思。张晓东：研究指导、项目管理、资金支持。
资助情况
本研究得到了中国国家自然科学基金项目（项目编号：J0017-2326-QT）以及中国国家自然科学基金（项目编号：62373274、52405508）的资助。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
吕国远|刘倩|李泽晓|程伟生|徐俊格|张晓东
