为什么中频误差是制约高次非球面的技术瓶颈？

光学制造和检测领域中的低频，中频和高频误差到底是什么含义？

对于高次非球面镜片来说，其核心优势是 “简化光学系统、提升性能”。

但大非球面度 + 高次项导致加工难度陡增，而中频误差是 “性能瓶颈”。

为什么高次非球面容易产生中频误差？

高次非球面加工生产过程中，非常容易产生中频误差，这主要是受制于其加工方法的局限性。

主要影响因素重点关注下边四个部分。

小孔径加工：计算机控制光学表面成形（CCOS）、磁流变抛光（MRF）、离子束抛光（IBF）等先进技术都采用小于工件口径的工具进行“点对点”修形。

路径与驻留时间算法：CCOS，MRF，IBF这些技术依赖于复杂的路径规划和驻留时间计算来逼近目标面形。

在拟合一个高次项、大偏离量的面形时，算法本身在数学上的近似，以及机床执行过程中的动态误差（加速度、速度限制），都会在去除函数的尺度上引入周期性的残留误差，这正是中频误差的主要来源。

工具与工件的相互作用：抛光工具的尺寸（直径）直接决定了可能引入的误差特征周期。工具尺寸通常在几毫米到几十毫米，正好落入中频范围。

抛光过程中，工具的磨损、抛光液的流变特性变化等，都会在加工路径上留下“痕迹”。

面形偏离量大：如果在非球面加工过程中再遇到比较大的非球面度，意味着面形偏离量较大，需要去除大量材料。在从初始铣磨/车削面形向最终面形逼近的长过程中，中频误差容易被“复制”和“放大”。

中频误差的危害有哪些？

前面说了这么多中频误差的产生，有一种谈虎色变的感觉。

那么，到底中频误差对于高次非球镜片有哪些危害呢？

一般来说，中频误差（1~10mm 周期）的起伏幅度通常在几十到几百纳米范围，这会引发很多问题，比如：

① 衍射效应，导致光斑扩散；

② 杂散光，降低成像对比度；

③ 波前畸变，影响激光聚焦精度。

中频误差主要引起小角度散射，将能量从主光束/核心像点扩散到其周围邻近区域。这样将会降低图像对比度，产生鬼影、光晕，在极高能量系统如激光聚变中可能引发激光损伤，在极紫外光刻等系统中造成不可接受的杂散光。

总的来说，中频误差对非球面镜片性能的影响远大于低频误差（可设计补偿）和高频粗糙度（影响较小）。

那么该如何来分析与检测中频误差呢？

中频误差的表现形式主要体现为涟漪、波纹、工具痕迹，它不是平滑的像差，而是周期性或准周期性的起伏。

这是现代超精密光学制造中最受关注、也最难控制的误差带。

因为中频误差不显著降低斯特列尔比或MTF的低频值，因此传统像质评价指标可能发现不了问题。

那么，就拿它没办法了吗？如何来检测和分析中频误差呢？

别急，方法肯定是有的。

检测方法：高精度相移干涉仪。

分析工具：功率谱密度（PSD）分析是核心工具。PSD曲线能精确量化误差能量在不同空间频率上的分布。控制中频误差就是控制PSD曲线上特定频段（如1-10mm⁻¹）的积分值（RMS）。

控制目标：中频误差可以用特定空间频带内的 RMS值来评价，例如要求“1-10mm周期内RMS < 3nm”。这比单一的全口径RMS值要求严格得多。