非球面面形检测专利技术分析
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摘要：非球面元件的制造必须与精确的非球面检测技术相结合才能得到合格的非球面，因此非球面光学元件的检测已经成为光学测量技术研究的前沿领域。文章主要以非球面面形检测领域的相关专利申请为研究对象进行了统计和分析，总结了该领域的专利申请量变化情况及其分布状况。
关键词：非球面光学元件；面形检测专利技术；专利申请量；光学测量技术；光学系统 文献标识码：A
中图分类号：TQ171 文章编号：1009-2374（2015）22-0083-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.22.041
1 非球面面形检测技术简介
非球面光学元件是指面型由多项式高次方程决定，面型上各点的半径各不相同的光学元件。其又分为两类：轴对称二次曲面与非轴对称曲面（柱面）。非球面光学元件是一种非常重要的光学元件，它可以获得球面光学元件所无可比拟的成像质量，在光学系统中能够很好地矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力；它能以一个或几个非球面元件代替多个球面元件，从而简化仪器结构、降低成本，并有效地减轻仪器的重量；非球面光学系统的设计能使计算方法大为简化。对于任何光学表面，形貌精度的控制主要取决于测量系统的性能。众所周知，检测技术在很大意义上决定了光学表面的形貌精度，检测过程伴随着光学系统制造和装调的始终。加工―检测―再加工―再检测是高精度非球面加工的必经过程，如何准确地检测非球面是高精度非球面加工的基础。随着光学制造技术的发展，在过去的几十年中人们提出了许多检测方法，大致可以划分为接触检测和非接触检测两大类，而且又有实时在线检测和非实时在线检测之分。按照其获取面型信息的原理不同，大体上又可以分为三类：利用光的直线性的几何光线法、利用光的波动性的干涉法、利用测头对整个被测面进行扫描的直接面型轮廓法。
2 主要专利申请情况分析
2.1 非球面面形检测领域的国际专利申请量分析
图1给出了在非球面面形检测领域的国际专利申请随着时间的变化情况。非球面在光学设计上相对于球面光学元件的优势在几百年前就被人们认识到，但由于受到制造水平的限制，非球面光学元件没有得到广泛应用。直到20世纪60、70年代，非球面镜片才开始逐渐被应用到实际生产中。从图1中也可以看出，在20世纪70年代，开始出现关于非球面面形检测技术方面的专利申请；之后进入到80年代以后，关于该领域的专利申请出现一个小高峰，这也预示着随着计算机的发展和激光干涉技术的进步，非球面技术获得了飞速发展；到了90年代之后，该领域的专利申请持续快速上升，这主要得益于非球面光学元件与球面光学元件相比所具有的诸多优点，例如：在不增加独立像差个数的前提下，增加了自变量个数，从而增加了像差校正的自由度。这一特点在实际工程应用中的意义在于：合理采用非球面的光学系统在体积、重量方面远小于球面系统，而成像质量却优于后者。这些特点使得非球面在航空、航天、国防以及高科技民用领域得到了广泛的应用，也使得非球面的检测加工成为国内外相关机构研究的热点。预计今后该领域的国际专利申请量应该是一个持续上升的趋势。
2.2 非球面面形检测领域专利申请的总体分布状况
图2给出了已经公开的各国涉及非球面面形检测领域的专利申请所占比例的情况，其中日本申请139件，占34%；中国申请110件，占27%；美国申请54件，占13%；苏联申请39件，占10%；德国申请23件，占6%；欧洲申请14件，占3%；其他国家和地区的申请28件，占7%。
根据对各个申请人的申请量进行分析发现，在非球面面形检测领域的主要申请人如表1所示。从表1可以看出，本领域中申量大的申请人大多数来自日本，像尼康株式会社、佳能株式会社、松下电器产业株式会社等公司研发实力雄厚，在专利申请上占有比较大的优势，并且其研发的非球面面形检测系统市场应用前景广阔。
另外，美国QED技术公司、德国卡尔蔡斯SMT有限责任公司虽然申请量上的优势不明显，但美国QED技术公司研制成功的QED公司的子孔径拼接干涉仪工作站SSI是子孔径拼接技术的一个里程碑；德国卡尔蔡斯SMT有限责任公司对子孔径拼接技术和计算全息技术的研究都处于前沿水平，其非球面面形检测精度高，应用前景广阔。国内申请人主要是厦门大学等高校和中国科学院光电技术研究所这样的研究所，其申请主要涉及非球面面形检测过程中，某一特定方法的研究或者检测过程中减小调整误差的研究。因此，我国在该领域的技术还相对薄弱，能够面向市场应用推广的较少。
2.3 国内非球面面形检测专利申请的总体分布状况
虽然我国在非球面面形检测领域的专利申请量还有比较明显的优势。但是，从图3可以看出，国内申请人主要为高校和科研院所，国内相关企业在该领域的发明专利申请并不多见。
通过进一步阅读国内申请人的专利文献可以发现，涉及子孔径拼接测量技术研究的有中国人民国防科学技术大学的申请（CN102661719A）、北京理工大学的申请（CN102735187A）、中国科学院光电技术研究所的申请（CN102788562A）、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的申请（CN102620683A、CN101709955A、CN102506750A）、哈尔滨理工大学的申请（CN101813454A）；涉及计算全息检测方法的有中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的申请（CN102519392A）、中国科学院光电技术研究所的申请（CN103196389A、CN103196390A、CN103335610A）；涉及坐标测量机或轮廓仪研究的有西安交通大学的申请（CN102620678A）、北京理工大学的申请（CN103105141A）、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的申请（CN102128599A）、厦门大学的申请（CN101464141A）、哈尔滨工业大学的申请（CN101377410A）；涉及补偿器设计及补偿方法研究的有苏州大学的申请（CN102590988A）、西安工业大学的申请（CN102374851A）、中国科学院光电技术研究所的申请（CN101876540A）、哈尔滨工业大学的申请（CN101666628A、CN101520320A）、浙江大学的申请（CN101241232A）、中国科学院上海光学精密机械研究所的申请（CN103134442A）；涉及调整装置及调整误差研究的有浙江大学的申请（CN101592478A、CN101290218A）；涉及通过将实际波像差和理论波像差做差检测非球面面形的有北京理工大学和南通大学的申请（CN103196391A、CN103234480A、CN103471521A、CN103471522A、CN103017681A、CN102937421A）。这些科研院校和研究所的申请多是对方法原理的探索，偏重实验科学研究，面向市场的产品较少，其研究成果能转为实际商业应用的较少。
3 结语
由于非球面光学元件与球面光学元件相比具有诸多无法比拟的优点，及其应用领域的不断拓展，非球面光学元件的检测技术已经成为国内外研究的重点和热点，特别是20世纪90年代之后，该领域的专利申请量持续快速上升并逐步趋于稳定，预计今后该领域的国际专利申请量应该是一个持续上升的趋势。目前中国在非球面检测加工领域投入了较多的研究，但专利申请多为高校和科研院所的申请，并且真正投入市场转化为生产的还较少；而中国在该领域有非常好的市场，中国申请人也应借鉴和学习国外该领域的研究技术，并注重科研与市场生产相结合，早日将科研成果投入实际生产应用，创造经济效益。
参考文献
[1] 刘春雨.非球面补偿检测的准确度研究[D].中国科学院研究生院，2011.
[2] 黄大刚.非球面测量技术与数据处理方法研究[D].天津大学，2006.
作者简介：王书伦（1985-），女，山东德州人，国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心光电部计量室专利审查员，研究实习员，硕士。