反射镜面形测量与评价：从平面镜到非球面镜的干涉测量

反射镜是光学系统的"骨架"——望远镜主镜、激光腔镜、扫描振镜、投影物镜反射面，都离不开高精度反射面。与透射元件不同，反射面测量有它独特的一套逻辑与误差来源。

一、反射面测量的特殊性

反射镜面形测量与透射波前测量有本质区别：

• 光只碰一次表面：反射测量直接反映表面形貌，不存在材料折射率均匀性、内部应力等透射因素的干扰，结果更"纯粹"。

• 灵敏度翻倍：反射式测量中，面形偏差造成的波前误差是表面高度偏差的2 倍（光往返一次），因此反射面测得的 PV 值天然是面形矢高的两倍。

• 对参考镜要求更高：反射测量直接与参考面对比，参考镜质量直接决定测量下限。

这一"2 倍关系"在判读时要特别留意：

W = 2 · h

其中 W 为波前误差，h 为表面高度偏差。即反射面形测量中，一个波长的波前误差对应 λ/2 的表面矢高。

二、平面镜的面形测量

平面反射镜用斐索干涉仪配标准平面参考镜测量：参考面与被测平面镜构成空气楔，产生等厚干涉条纹，通过移相解调出面形。评价指标：

平面镜测量中，夹持应力与自重变形是最隐蔽的误差源：装夹过紧会引入面形畸变，大口径镜需竖直或对称支撑测量。

三、球面镜的面形测量

球面反射镜（凹面、凸面）用球面参考镜测量。凹球面测量时，干涉仪出射的会聚球面波其曲率中心对准被测面球心，实现"猫眼—共焦"构型：

• 猫眼位置：光束焦点在被测面顶点，用于测曲率半径定位。

• 共焦位置：光束焦点在被测面球心，用于测面形。

凹球面的面形 PV 直接读出即可；凸球面则需参考镜的 F 数足够小（数值孔径足够大），才能覆盖整个凸面。

四、非球面反射镜与补偿测量

非球面反射镜（抛物面、双曲面、自由曲面）偏离球面，直接用球面波测会产生大量离焦与球差，条纹密到无法判读。解决思路是用补偿器（CGH 或补偿镜）把球面波整形为与被测非球面匹配的波前：

• 零位补偿（Null）：补偿后条纹归零，残差即非球面度误差，精度最高。

• 非零位测量：允许一定条纹密度，由软件反演面形，适合批量检测。

大口径望远镜主镜（抛物面、双曲面）通常采用 CGH 零位补偿测量，面形精度可到 λ/50 量级。

五、反射镜测量的常见误差与对策

小结：反射镜面形测量是干涉测量的"本行"之一。理解反射测量的 2 倍灵敏度关系、正确配置平面/球面/补偿参考镜、并管控装夹与温度误差，是得到可信面形数据的前提。

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