作者｜专业光学测试服务团队，前进口品牌仪器厂商销售工程师，长期从事镜片PV和RMS测试服务摘要：目的  在镜片PV和RMS测试服务中，光学镜片的面形质量直接决定透过或反射波前的畸变水平，进而影响成像清晰度、对比度与激光光束质量。干涉测量在输出面形结果时通常同时给出峰谷（peak-to-valley, PV）与均方根（root mean square, RMS）两项指标，工程实践中常存在以其中一项替代另一项的倾向。方法  本文从两项指标的定义出发，分别分析 PV 对局部极值缺陷的捕捉能力及其受孤立噪声干扰的局限，以及 RMS 对全域面形误差的统计表征能力及其对局部深坑平均掩盖的局限；进而从光学系统波前误差分配、加工质量检验与工艺诊断三个层面，论证两项指标必须同时测量的工程依据，并结合激光谐振腔、干涉标准镜与成像镜头三类典型场景说明指标控制要求。结果  分析表明，PV 反映孔径内最不利点的偏差幅度，RMS 反映全孔径面形误差的统计水平，二者表征对象与敏感频段不同，行业内不存在可在任意面形上通用的固定换算公式，不能相互替代。结论  面形评价应将 RMS 作为成像与聚焦能力的主评价指标，将 PV 作为局部致命缺陷的上限控制指标，二者协同测量、互为补充，这也是镜片PV和RMS测试服务中两项指标必须同时出具、联合判定的根本原因。

1  引言

光学元件是激光系统、干涉测量装置与成像镜头的基础组成，其表面面形（surface figure）的优劣直接影响元件所透过或反射波前的平整程度。面形偏差会使波前产生局部畸变或全域起伏，进而表现为成像发糊、对比度下降、能量集中度降低、散射损耗增大，在高功率激光场合还可能诱发局部损伤与光束质量劣化。因此，在镜片PV和RMS测试服务以及各类光学元件加工、检验与验收环节，面形误差的定量评价都是不可缺少的内容。

在镜片PV和RMS测试服务中，以激光干涉仪为代表的面形测量设备，在一次测量后通常同时输出峰谷（PV）与均方根（RMS）两项评价结果。在实际工程交流与检验报告中，容易出现只关注其中一项指标、或以一项指标的合格推断另一项也合格的做法。事实上，PV 与 RMS 由面形误差场按不同方式统计得到，二者的物理含义、敏感对象与评价用途并不相同：前者刻画孔径内偏差的最大跨度，后者刻画全孔径偏差的统计水平，单独使用任一项都可能遗漏另一类面形问题。

本文结合镜片PV和RMS测试服务的工程实践，围绕光学元件面形评价中 PV 与 RMS 两项指标展开，依次辨析其定义、表征特性与固有局限，说明二者在设计误差分配、加工质检与工艺诊断中的互补关系，结合典型应用场景归纳指标控制要求，并给出干涉实测案例，论证面形检测中两项指标必须同时测量、协同使用的必要性，为镜片PV测试、镜片RMS测试及光学元件的面形验收与工艺改进提供参考。

2  面形误差与评价指标基础

2.1  面形误差与干涉测量输出

面形误差是指元件实际表面相对于理想参考表面的偏差分布。在干涉测量中，被测表面与参考表面之间的光程差被转换为干涉条纹，经相位解算后得到测量孔径内各采样点的面形偏差分布；去除倾斜、离焦等低阶刚体或曲率项后，即可在评价孔径上提取若干面形评价参数。除 PV、RMS 外，测量结果中还常包含 POWER（曲率偏差）、TTV（厚度总偏差）以及孔径尺寸等辅助信息，共同构成一份完整的镜片PV和RMS测试服务测量报告。

2.2  峰谷与均方根指标概述

在同一面形偏差场之上，PV 与 RMS 采用不同的统计方式形成两项标量指标。PV 只取孔径内偏差的最大值与最小值之差，属于极值型指标；RMS 则对孔径内全部采样点的偏差取统计均方根，属于全域统计型指标。两项指标从不同角度描述同一面形，互为补充，后续两章分别讨论其物理含义、作用与局限。

3  PV（峰谷）指标的物理含义与表征特性

3.1  定义

PV（Peak-to-Valley，峰谷）定义为评价孔径内面形偏差最大值与最小值之差，即孔径内最高凸起点与最低凹陷点之间的偏差跨度。它刻画的是整个孔径内最不利位置的偏差幅度，属于典型的最坏情况（worst case）指标。

3.2  对局部致命缺陷的识别作用

在镜片PV测试环节，PV 指标对孔径内的局部极值最为敏感，能够直接捕捉单点凸起、深坑、局部塌边与抛光斑等局部致命缺陷。即使全孔径其余区域面形良好，只要存在一个超标高点或低点，PV 数值即会明显上升并被直接反映出来。

这类局部缺陷在光学系统中往往对应局部强散射、鬼斑、激光打斑等风险；在激光谐振腔等高灵敏度场合，局部突变还可能引起谐振腔失稳。因此，PV 是防止局部灾难性缺陷流入后续装配与使用的重要控制指标。

3.3  固有局限

PV 只依赖孔径内两个极值点，容易被孤立噪点、灰尘或个别毛刺拉高，因而不能代表整面面形的整体水平。典型情形是：元件上仅存在一个小坑，其余区域均很平整，此时 PV 数值较差，而 RMS 仍然较好。仅凭 PV 无法判断其余区域的整体质量，也无法区分极值是真实面形缺陷还是测量噪声或表面附着物造成的瞬时尖峰。

4  RMS（均方根）指标的物理含义与表征特性

4.1  定义

RMS（Root Mean Square，均方根）定义为评价孔径内所有采样点面形偏差的统计均方根，计算过程对孔径内每一处面形误差均加以统计加权。与 PV 只取两个极值点不同，RMS 反映的是全孔径面形偏差的整体统计水平。

4.2  与光学性能的对应关系

在镜片RMS测试评价中，RMS 与光学系统的实际性能联系更为直接，工程上常以其估算斯特列尔比（Strehl Ratio）、能量集中度、对比度、分辨率与散射损耗，并作为波前误差预算（wavefront error budget）分配与核算的主要依据。对于覆盖全孔径的均匀中频波纹与全域起伏，RMS 能够给出较为灵敏的反映。

4.3  固有局限

由于采用全域平均统计，RMS 会使局部单点深坑被大面积良好区域所平均掩盖：RMS 数值合格，并不代表元件上不存在致命坏点。另一类典型情形是整片面呈现细密的搓衣板式波纹、并无特别深的坑，此时 PV 可能合格，但 RMS 较差，实际成像表现为发糊、对比度明显下降。因此，仅依据 RMS 无法排除局部极值缺陷，也无法单独完成局部突变风险的控制。

5  PV 与 RMS 的互补关系及协同测量必要性

5.1  设计端波前误差分配

在光学系统设计阶段进行误差分配时，波前预算一般同时标注 PV 与 RMS 两项指标。其中 RMS 用于评估系统最终成像与聚焦能力，是评价整体光学性能的主指标；PV 用于卡死单点缺陷的上限，防止局部灾难性问题在系统中被放大。两项指标分别承担整体性能评价与局部风险控制的职责，设计指标需要同时给出，缺一不可。

5.2  加工质检的双重判据

在镜片PV和RMS测试服务的加工与出厂质检环节，干涉仪报告通常同时包含 PV 与 RMS，二者构成相互补充的双重判据。若检验只卡 RMS，容易放过孤立深坑、麻点与局部光圈突变，元件上机后可能出现鬼像或烧点；若检验只卡 PV，则容易放过均匀的中频波纹（抛光纹、中频涟漪），此时 PV 看似合格，但成像对比度与斯特列尔比偏低，激光光束质量变差。

5.3  面向工艺诊断的指标指向

当测量结果出现指标超限时，PV 与 RMS 的超标方向可分别指向不同的工艺问题，为工艺诊断提供线索。PV 超标时，应优先排查局部缺陷、抛光塌边、夹渣与掉点等局部问题；RMS 超标时，则应优先检查全域抛光波纹、研磨纹路、夹具应力变形以及球差、像散等均匀低阶像差。两类诊断方向对应不同的加工与装夹环节，需要结合两项指标的变化综合判断。

5.4  两项指标不可相互换算

需要指出，行业内并不存在适用于任意面形的固定 PV/RMS 换算公式。对于光滑、以低阶偏差为主的面形，工程上常见的经验区间为 RMS 约为 PV 的 1/3～1/5，但该比例随面形误差的空间分布与频段构成而变化，只能作为粗略参考，不能用于两项指标之间的相互换算，更不能以完成其中一项测试来替代另一项测试。

6  典型应用场景的指标控制要求

6.1  激光谐振腔与高功率聚焦镜

在激光谐振腔与高功率聚焦镜中，PV 用于严格控制局部缺陷，防止单点凸起或深坑在高功率条件下造成局部损伤；RMS 用于控制光束的整体质量，保障 M² 光束质量指标。局部安全与整体光束性能需要由两项指标分别约束。

6.2  干涉标准平晶与参考镜

在干涉标准平晶与白光干涉仪参考镜中，RMS 决定参考基准本身的测量精度，是保证后续测量结果可信的基础；PV 则用于保证参考表面不存在局部突变误差，避免局部缺陷被带入测量结果。

6.3  成像镜头镜片

在成像镜头镜片中，RMS 决定系统的分辨率与对比度，直接对应成像质量；PV 用于避免局部面形缺陷形成伪影与杂散光，防止局部问题在画面中表现为可观察的异常。这也是镜片PV和RMS测试服务面向成像镜片时需要同时考核两项指标的原因。

7  干涉实测案例

7.1  测量条件

本文镜片PV和RMS测试服务案例采用激光干涉仪完成面形测量。以图 2 所示软件界面为例，测量仪器为 Fiz-60 干涉仪，测试方式为 QPSI，测试波长 635 nm，移除项为 PST、TILT，测试分辨率 1K×1K，测量孔径约 25.0 mm；界面同时给出 PV、RMS、POWER、TTV 等测量结果。界面内的具体数值以软件实测显示为准，本文不另行推算或补录。

7.2  结果与解读

图 1 给出两组面形测量结果的干涉云图与对应 PV、RMS 数据对比，是镜片PV和RMS测试服务中常见的两类面形并列样本，可见不同面形在极值跨度与整体统计水平上呈现出不同组合：局部极值与全域偏差并不一致，单一指标无法同时反映两类特征。

图 1  两组光学元件干涉面形云图及 PV、RMS 测量结果对比

图 2 为干涉仪软件实测界面，界面包含二维形貌云图、实时条纹图、三维形貌图与截面曲线，右侧测量结果区域同时列出 PV 与 RMS，正是镜片PV和RMS测试服务报告的标准输出形式。该结果再次说明：一次干涉测量中两项指标同步给出，分别对应局部最不利点偏差与全孔径统计水平，检验与评价时应同时读取、联合判断。

图 2  激光干涉仪面形测量软件界面（二维云图、条纹、三维形貌与截面结果）

8  结论

（1）PV 与 RMS 是同一面形偏差场之上两种不同统计方式得到的指标：PV 反映孔径内最大偏差与最小偏差之差，属于极值型最坏情况指标，对局部凸起、深坑、塌边、抛光斑等致命缺陷敏感；RMS 反映全孔径偏差的统计均方根，与斯特列尔比、能量集中度、对比度、分辨率等整体光学性能直接对应。

（2）两项指标各有盲区：PV 会被孤立噪点、灰尘与毛刺拉高，不能代表整体面形；RMS 会将单点深坑平均掩盖，也不能排除局部坏点。只卡 RMS 会放过局部突变，只卡 PV会放过均匀中频波纹，二者在设计误差分配、加工质检与工艺诊断中必须配合使用。

（3）PV 与 RMS 之间不存在通用固定换算公式，光滑低阶面 RMS≈PV/3～PV/5 仅为经验参考，不能相互替代测试。面形评价应以 RMS 主评成像与聚焦能力、以 PV 卡死单点缺陷上限，协同测量、互为补充，方可兼顾整体光学性能与局部缺陷安全。

本文面形测量与评价工作由睿克光学（Recrom）光学测试服务团队完成。团队长期提供镜片PV和RMS测试服务，覆盖镜片PV测试、镜片RMS测试与 PV、RMS 协同测量，实验室配备干涉测量、显微成像与三维轮廓测量等设备，可面向激光元件、标准参考镜与成像镜片等对象提供 PV、RMS 等面形指标的协同测试服务。

图 3  光学测试服务实验室设备与测量条件总览

参考文献

[1] ISO 10110-14:2018  Optics and photonics — Preparation of drawings for optical elements and systems — Part 14: Wavefront deformation tolerance[S]. Geneva: International Organization for Standardization, 2018.

[2] ISO 10110-8:2010  Optics and photonics — Preparation of drawings for optical elements and systems — Part 8: Surface texture; roughness and waviness[S]. Geneva: International Organization for Standardization, 2010.

[3] 【待补充】光学设计、干涉测量与面形误差评价相关真实教材与期刊文献，按 GB/T 7714 著录，补充前不应作为正式投稿稿使用。