GBT 47243-2026 光学和光子学 光学元件 复杂曲面光学元件几何参数测试方法标准立项发展报告

光学和光子学光学元件复杂曲面光学元件几何参数测试方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:OpticsandPhotonics—OpticalElements—TestingMethodsforGeometricalParametersofComplexSurfaceOpticalElements摘要关键词：复杂曲面光学元件；光学测试；几何参数；标准化；光学和光子学；面形检测；国家标准Keywords:complexsurfaceopticalelements;opticaltesting;geometricalparameters;standardization;opticsandphotonics;surfacefiguremeasurement;nationalstandard1引言1.1研究背景近年来，以自由曲面光学元件为代表的复杂曲面光学元件正在深刻改变现代光学系统的设计理念与制造范式。在极紫外光刻（EUVL）物镜系统中，非球面反射镜的面形精度需达到纳米甚至亚纳米量级（PV值＜λ/100）；在空间光学遥感领域，大口径非球面主镜的加工精度直接影响成像分辨率；在消费级AR显示光波导中，衍射光栅和自由曲面耦合元件的几何参数控制则关系到最终的成像质量与视场角。据中国光学光电子行业协会统计，2025年我国非球面及自由曲面光学元件市场规模已突破180亿元人民币，年复合增长率超过20%。然而，复杂曲面光学元件的几何参数检测相比于传统球面与平面元件具有本质性的技术困难。其一，元件面形往往呈强烈的非旋转对称特征，不存在传统的对称轴，导致测量基准难以统一确立；其二，面形矢高变化范围大，局部曲率变化剧烈，传统干涉仪受限于动态范围与NA匹配条件而难以直接测量；其三，中心偏差、曲率半径等宏观参数与微观面形误差耦合在一起，如何有效地进行多参数分离与精度评定，是当前计量学的核心难题之一。上述因素致使行业内各企业、各研究机构长期采用各自约定俗成的内部检测规范，造成同一个元件在不同单位测得的参数结果缺乏一致性，严重制约了产业链上下游之间的协作配套与国际交流互认。1.2标准立项必要性截至本文件立项之前，我国针对球面与平面光学元件已建立了较为完善的标准体系，如GB/T2831—2009《光学零件的面形误差检验方法（菲佐干涉仪法）》、GB/T37053—2018《光学和光子学光学元件面形干涉测试方法》等。但对于非球面和自由曲面元件的通用几何参数测试方法，国内尚缺少系统、统一的专项国家标准。国际方面，ISO10110系列标准虽在光学元件图形规则中涉及非球面标注，但对具体的复杂曲面几何参数测试方法和精度评定准则亦未做出统一规范。这使得在高端光学元件的国内贸易结算、招投标技术评审以及第三方检测机构进行质量鉴定时，普遍面临“无标可依”的困境。1.3国内外相关标准现状在国际层面，ISO/TC172“光学和光子学”技术委员会已发布ISO10110《光学和光学仪器——光学元件和系统图形规则》和ISO14999《光学和光子学——干涉仪测量光学元件的相关测试》等系列标准，为光学元件的图纸标注和干涉测量提供了框架性指导。但在复杂曲面的全面几何参数测试（含非球面度、自由曲面面形、局部曲率半径分布等）方面，尚无独立的技术规范。国内层面，全国光学和光子学标准化技术委员会（SAC/TC103）归口管理的现行标准中，相关国家标准主要集中于球面、平面元件的常规测试，以及光学薄膜、光栅等特定元件的光谱性能和衍射效率测试。针对复杂曲面元件几何参数的系统测试方法，特别是针对非球面和自由曲面元件的多参数联合测试标准，处于空白状态。部分行业内部虽已有一些测试操作规程，但受限于各单位的设备条件和技术理解不同，测试方法和精度评价体系不统一，难以广泛推广应用。2编制原则与依据2.1编制原则本标准的编制遵循以下四项基本原则。（1）科学性原则。以几何光学、物理光学及精密计量学的基本理论为基础，确保测试原理的物理逻辑严谨，数学模型的推导正确，数据处理方法符合误差理论的基本规律，各项技术指标的确定具有充分的理论依据和实验支持。（2）适用性原则。充分考虑当前我国光学制造行业的技术装备水平与测量能力现状，兼顾高端研究所和骨干企业的先进测试条件与中小型企业的常规检测需求，标准规定的各项方法均具有良好的可操作性和可实施性。（3）协调性原则。在术语定义、符号表示等方面与GB/T2901《光学和光子学术语》以及ISO10110、ISO14999等国际标准保持协调一致，便于国际间的技术交流与结果互认。（4）先进性原则。标准编制过程中充分调研了国内外最新的测量技术发展动态（如计算全息法、拼接干涉法、多波长干涉法、散焦衍射法等），将已趋于成熟并得到行业内广泛认可的先进测量手段纳入标准体系，引领和促进复杂曲面光学测试技术的进步。2.2编制依据本标准的编制以下列文件和标准为依据：-GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》-GB/T2901《光学和光子学术语》-ISO10110《光学和光学仪器——光学元件和系统图形规则》-ISO14999《光学和光子学——干涉仪测量光学元件的相关测试》-《国家标准化发展纲要》（中共中央、国务院2021年10月印发）-全国光学和光子学标准化技术委员会标准制修订规划（2023—2026）3标准主要技术内容3.1标准适用范围本标准规定了复杂曲面光学元件几何参数的测试方法，适用于对非球面（含二次非球面和高次非球面）、自由曲面光学元件进行曲率半径、非球面度、面形误差、中心偏差、表面疵病及几何尺寸等参数的单参数或多参数组合测量。适用的元件类型涵盖球面和非球面透镜、自由曲面反射镜、衍射光学元件基底等光学功能表面。测量元件的工作波段不限于可见光，也可应用于红外、紫外至X射线波段元件的基底检测。对于非光学材料（如金属反射镜基底）加工成形的复杂曲面几何参数也可以参照执行。3.2术语与定义为了统一各方对有关概念的理解，标准参照GB/T2901给出了如下核心术语定义：-复杂曲面：指不具有单一旋转对称轴，或其面形无法用标准球面解析式精确描述的连续光学表面，包括但不限于非球面、自由曲面等形式。-非球面度：指实际非球面与最接近比较球面之间的法向偏差量，通常以峰谷值（PV）进行表征。-面形误差：被测光学表面相对于设计理想面形的偏差的均方根值（RMS），表达为表面法向的偏差。-中心偏差：复杂曲面元件的光学轴线与元件机械参考轴线之间的空间偏移量。-零位测试：通过专门设计的补偿器或计算全息图（CGH）使测试波前与理想面形完全匹配、在干涉图中获得零条纹或最小条纹密度的干涉测量方法。3.3测试方法与技术要求标准将测试方法划分为接触式轮廓测量法、非接触式干涉测量法及多维坐标测量法三大类，对每一类方法分别给出了测量原理示意图、典型装置构成、主要技术指标的推荐范围（如测量不确定度、空间分辨率等）及各自适用的面形复杂度和尺寸范围。针对具体的几何参数，标准规定了下述测试方法：-曲率半径测试：可采用激光跟踪仪结合激光测距模块，或采用低相干干涉法进行非接触测量。对于小口径球面基底元件，也可采用机械三坐标法辅助计算。-非球面度和面形误差测试：推荐采用计算全息图（CGH）零位干涉测试、部分补偿干涉测试或拼接干涉测试等方法。-中心偏差测试：可采用激光反射法或透射影像法进行测量。-表面疵病检测：采用显微散射暗场成像或数字全息显微方法，按疵病等级分类评定。在第5章中，标准给出了数据处理的一般流程和方法模型，主要包括：-测量原始数据的滤波与去噪处理（高斯滤波、样条滤波等）；-坐标系对准与基准拟合算法（最小二乘球面拟合法、迭代最近点ICP算法）；-各项几何参数特征值的提取与不确定度评定方法，并给出典型评定流程示例。3.4试验报告与检验规则标准要求测量报告至少记录被测元件标识、所用测量方法、测试环境条件（温度、湿度、振动等）、测量仪器及其溯源信息、数据处理的软件和算法版本、测量结果及其扩展不确定度等要素。对于出厂检验和型式检验分别给出了抽样方案和合格判定规则。4主要试验与验证情况标准编制过程中，起草组选取了国内典型光学制造企业和计量测试机构开展了比对验证试验。被测样品包括：口径100mm、F数为2.5的高次非球面透镜，口径300mm的离轴抛物面反射镜，以及口径50mm×50mm的双三次自由曲面反射镜。验证结果表明：-采用CGH零位干涉法与拼接干涉法对高次非球面透镜面形误差的测量结果RMS偏差优于λ/200（λ=632.8nm），重复性优于λ/500；-采用三坐标机与激光跟踪仪两种手段对自由曲面反射镜曲率半径进行比对测试，两者偏差在±5μm以内；-各参试单位对同一元件面形误差PV值的测量结果一致性在10%的允许范围之内，满足标准提议的精度要求。以上试验数据验证了标准中规定的主要测试方法和数据处理流程的有效性与可重复性，为标准中技术指标的确定提供了有力的数据支撑。5与国内外标准对比分析标准在编制过程中，重点参考了ISO10110系列标准中有关非球面公差标注的方法，在术语定义层面保持了与国际标准的一致性。例如，“非球面度”的标准定义在表述上与ISO10110-12保持兼容，便于进口元件图纸的理解和国内加工件的出口对标。在测试方法上，本标准大幅扩展了ISO10110系列中未涉及的具体测试内容，特别是在CGH零位干涉和拼接干涉测试、数据处理方法等实际操作层面进行了细化补充。与国内现行有关光学测试标准相比，本标准是全国范围内首次将自由曲面元件纳入面形测试的正式标准体系，填补了专项领域的空白，对其他光学测试标准形成了良性的互补关系。6主要起草单位介绍本标准由全国光学和光子学标准化技术委员会（SAC/TC103）提出并归口。主要起草单位包括中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国计量科学研究院、中国科学院光电技术研究所、同济大学、中国兵器工业标准化研究所（原）等单位。其中，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所是本标准的第一起草单位，也是本文件主编技术内容的提出和验证试验的主要承担者。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（以下简称“长春光机所”）始建于1952年，是中国科学院直属的以应用光学和先进光学制造技术为核心研究方向的大型综合性研究所。长春光机所是中国光学事业的摇篮，先后研制出中国第一台红宝石激光器、第一台大型电影经纬仪、第一台大口径非球面数控加工设备等里程碑意义的成果。在复杂曲面光学制造与检测方面，长春光机所建有“中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室”，拥有超精密金刚石车削机床、磁流变抛光设备、离子束修形设备以及大口径CGH干涉检测系统等国内领先的硬件平台。研究所在大口径非球面反射镜的“加工—检测—装调”全链路闭环方面积累了近六十年的工程经验，先后为“嫦娥”系列探月相机、“天问一号”高分辨率相机等国家重大工程提供了关键光学元件。在本标准编制过程中，长春光机所承担了标准总体框架的拟定、关键技术指标的试验验证以及测量数据比对工作的主要组织协调任务。研究所将其在大口径非球面镜零位干涉检测、自由曲面CGH补偿设计与误差分离等方面的多年理论积淀和工程实践系统性地凝练为标准技术条款，为标准的科学性与先进性提供了坚实保障。7结论与展望GB/T47243—2026《光学和光子学光学元件复杂曲面光学元件几何参数测试方法》的制定与发布，填补了我国在复杂曲面光学元件几何参数测试领域缺乏统一国家标准的重要空白。该标准系统构建了覆盖术语定义、测试方法分类、数据处理和精度评定在内的完整方法体系，对统一行业认知、规范市场行为、促进高端光学元件的产业化协作具有重要的基础性作用。随着人工智能、增强现实、自动驾驶等新兴产业的迅猛发展，复杂曲面光学元件的应用边界将进一步拓展，对其几何参数检测的精度要求、效率要求和在线检测需求将持续提升。未来，建议在以下方向持续开展标准化工作：一是加快制定面向自由曲面元件的专项公差标注标准和数字样模数据交换标准；二是逐步将计算全息、拼接干涉、散焦衍射等新方法纳入体系；三是适时开展与ISO/TC172的对标合作，积极推动将复杂曲面测试方法标准提案上升为国际标准，增强我国在光学制造测试领域的国际话语权。本标准的贯彻实施，将有力推动我国精密光学制造产业迈向更高水平，为我国从“光学制造大国”向“光学制造强国”的跨越式发展奠定坚实的质量技术基础。参考文献[1]国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会.GB/T47243—2026光学和光子学光学元件复杂曲面光学元件几何参数测试方法[S].北京:中国标准出版社,2026.[2]全国光学和光子学标准化技术委员会.GB/T2901光学和光子学术语[S].北京:中国标准出版社.[3]中共中央,国务院.国家标准化发展纲要[Z].2021-10.[4]ISO10110-12:2019Opticsandphotonics—Preparationofdrawingsforopticalelementsandsystems—Part12:Asphericsurfaces[S].Geneva:ISO,2019.[5]ISO14999-4:2015Opticsandphotonics—Interferometricmeasurementofopticalelemen