非球面測量技術

非球面測量技術

成都中宇光電科技發展有限公司(http://zhongyuguangdian.com/)非球面透鏡生產工廠

現在非球面領域最難以解決的就是測量設備的問題，無論是松下的UA3P還是英國的Taylor的測量一方面設備昂貴，另一方面測量速度緩慢，無法適應大批量生產的面精度檢測要求，如果有一種非球面干涉儀能解決這個瓶頸，那么模造玻璃非球面的錢景將一片光輝~~~~
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導讀： 半導體、消費電子產品以及航空航天系統都采用非球面光學元件以提高產品的性能及可用性。非球面為光學元件的設計者們提供了一個額外的“自由度”——它們可以改善系統的光學性能、降低整個系統的成本和元件數量、減輕系統重量以及提高系統的光傳輸效率。透鏡的直徑從亞毫米到幾百毫米，精度范圍從微米到亞納米。 非球面 干涉測量法 精密透鏡
作者：Robert Smythe
半導體、消費電子產品以及航空航天系統都采用非球面光學元件以提高產品的性能及可用性。非球面為光學元件的設計者們提供了一個額外的“自由度”——它們可以改善系統的光學性能、降低整個系統的成本和元件數量、減輕系統重量以及提高系統的光傳輸效率。透鏡的直徑從亞毫米到幾百毫米，精度范圍從微米到亞納米。
制約非球面廣泛應用的主要因素是使其達到所需精度水平的能力。盡管計算機控制拋光、小型工具拋光、離子束拋光、鉆石車削及精密成型等不同的制造方法已經廣泛應用，但這些制造技術是否可行往往依賴于測量設備的性能。
非球面加工過程控制的挑戰
對于適當的制造過程控制，非球面向測量技術提出了特殊的挑戰。
嚴格的制造公差要求是現有精密非球面測量方法的主要障礙。光刻光學要求測量不確定度的均方根（rms）小于0.1nm，如此低的測量不確定度比被測元件的公差小三到五倍，這是測量面臨的一個巨大障礙。此外，測量方法必須能夠測量與最接近球面偏離達800祄的非球面，以適用于所制造的90%的非球面透鏡。
非球面制造的一個特征是復雜的數據處理過程。為了測量非球面的形狀、波紋度，以及探測非球面的表面缺陷，三維（3-D）表面數據要求對單個的x、y（位置）和h（相位）數據進行采集，采集密度超過200,000個數據點。測量柵格必須無畸變地覆蓋透鏡，以使需要補償或修正的誤差降到最小。非球面制造還要求總的平均周期時間（TACT）必須短于生產過程所需的時間，對于利用小型工具拋光方法制造的直徑小于80mm的非球面來說，典型的制造時間為5到10分鐘。
圖1. 獨特的非球面測量系統采用標準的激光斐索干涉儀以及位移測量干涉儀以共路結構從中心向邊緣掃遍整個表面，同時確保測量不確定度較低。
最后，非球面光學元件的批量生產要求光學元件的表面沒有損傷，并且需要考慮對加工過程的質量控制。由于制造商經常生產大量尺寸和形狀各異的不同光學元件，因此無需較大變動就可以測量多種元件的靈活測量系統就成了人們的首選。
測量系統的選擇
目前常用的測量系統分為三類：接觸探針系統、零位補償器以及拼接系統。接觸探針系統與光學元件的表面相接觸，并像坐標測量儀一樣繪制出表面圖形。零位補償器采用常規透鏡或計算全息圖（CGH）將激光斐索干涉儀輸出的球面波變換成與被測非球面相匹配的非球面波前。拼接系統利用激光斐索干涉儀測量非球面的各個小部分并把它們拼接在一起形成完整的表面圖。然而，這些系統都不能滿足在線過程控制的要求。
接觸探針系統非常靈活，能夠測量很多類元件。然而，這種系統只能以非常緩慢的速度進行低密度的二維（2-D）線性掃描（3-D數據圖需要20到60分鐘），而且當探針接觸光學元件的表面時還有可能造成元件損傷。
零透鏡不夠靈活，并且精度有限，這依賴于零透鏡的質量和準直程度。零位補償器也需要幾個星期的制造時間，并且不適用于不同尺寸和結構的光學元件。
拼接系統的TACT較長，目前僅限于測量偏離最接近球面小于80祄的非球面，這只是所需求偏離程度的十分之一。當然，這些系統沒有一個能滿足像光刻投影透鏡對非球面光學元件測量不確定度那樣苛刻的要求。
一種新型非球面測量系統
在常規產品發展規劃的驅動下，Zygo公司開發了一種用于非球面測量的新型非接觸式激光斐索干涉儀。該測量工具結合了Zygo公司的兩個核心技術：激光斐索干涉儀和位移測量干涉儀。1, 2 該方法采用了標準的干涉儀組成部件，包括斐索激光器主機、傳輸透鏡、運動平臺和一個位移測量干涉儀（DMI）——DMI對平移臺沿直線位置測量的分辨率可以達到納米量級。以上結合最終制成了一種新型的非接觸式非球面測量系統。這種系統高速、精確，并能形成高數據密度的表面圖形。
激光斐索干涉儀通常用于測量球面。干涉儀對形成一個光學腔的參考表面和測試表面進行比較。在腔內光線沿著從系統出射的路徑（公共光路）返回到干涉儀中。在共路系統中，除了進行測量的腔以外干涉儀內的所有光程差都是零，這是低不確定度測量的關鍵條件。當要求高數據密度、低測量不確定度和高速測量時，干涉儀就成為球面光學測量最合適的儀器。
然而，對于非球形表面，斐索干涉儀的性能就有所折扣。測量非球面時，干涉儀只有在局部區域內是共路的，在表面的其余部分測量時不確定度會增加。由于干涉儀在其表面的大部分上是非共路的，這會引入回程誤差。拼接系統必須處理這些回程誤差，這限制了它的測量不確定度。在表面傾斜度較高的最壞情況下，光線甚至不會重新進入干涉儀。在傾斜度較高的條件下不可能一次測量整個非球面，更不要說獲得較低的測量不確定度。但是把位移測量干涉儀與激光斐索干涉儀結合使用就有可能消除這一局限。
消除局限
Zygo公司的興趣主要集中在軸向對稱的非球面，這是產量最大的一類非球面光學元件。由于是沿著光軸方向對非球面光學元件進行掃描，產生干涉條紋的環形區域就會從中心向邊緣移動（圖1），于是測量不確定度較低的共路區域就會掃遍整個表面。
干涉環的徑向位置與設計因素以及非球面沿干涉儀光軸的位置有著精確的關系。這種關系和屬性的分析把在每個干涉環處測量的標準相移統一起來，就好像它們是在共路的條件下同時被測一樣，所有的測量都得益于激光斐索干涉儀。


圖2. 非球面干涉測量系統產生x、y（位置）和h（相位）坐標的高數據密度三維圖形，可以在一次非接觸測量中同時對形狀、波紋度和缺陷進行探測。
此外，數據不是拼接起來的。在拼接系統中，被測區域之間的相位關系根據重疊區域估計得出。在拼接系統中，測量誤差會輕易地從一個區域傳遞到另一個區域。然而，在這種系統中，在每一個x、y位置處相位數據h是已知的，它僅依賴于干涉儀測量的距離。從這種意義上講，非球面激光斐索干涉儀是一種絕對的測量手段。
非球面測量的結果是設計的非球形表面與實際表面之間的差別，標準的激光斐索干涉儀得到的結果相同。通過非接觸測量可以得到一幅干涉的、高數據密度的x、y和h圖形，從中可以獲得形狀、波紋度以及缺陷信息（圖2）。
測量不確定度主要由標準激光斐索干涉儀中人們感興趣的相同參數決定。對于標準的測量不確定度，正常的測量環境和參考表面校準通常是可以接受的。但是對于極低的測量不確定度，例如在光刻光學系統中，必須保持嚴格的溫度控制、低壓環境以及精確的參考表面校準。對于TACT，測量的速度取決于被測非球面區域的數量，測量時間從三到十分鐘不等。
Zygo公司在德國和美國的研發人員的緊密合作，以及歐洲、美國和日本的戰略合作伙伴的共同努力推動了用于特定項目的非球面干涉測量系統的發展。隨著時間的推移，這項新技術必將成為一種廣泛的產品測量工具，并將投入商品化生產。
參考文獻
1. M. Kuechel, “Scanning interferometer for aspheric surfaces and wavefronts,” U.S. Patents 6781700, 6972849, and 6879402.
2. M. Kuechel, OSA Optical Fabrication & Testing meeting, Rochester, NY (October 2006).