文/Mike Zecchino

光學(xué)元件制造商要依靠于高分辨率計(jì)量。這些廠商需要評(píng)估其制造的組件的整體形狀、中空間頻率誤差和粗糙度。大型光學(xué)元件和形狀復(fù)雜的光學(xué)元件，提出了獨(dú)特的計(jì)量挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的計(jì)量?jī)x器極易受到環(huán)境噪聲和振動(dòng)的影響，因此需要笨重的大型隔振結(jié)構(gòu)，這也導(dǎo)致無(wú)法對(duì)大型或復(fù)雜零件進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的測(cè)量�，F(xiàn)在，新的進(jìn)步已帶來(lái)了抗振儀器的發(fā)展，使它們可以安裝在機(jī)器人或其他自動(dòng)化設(shè)備上，在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行非接觸式3D高分辨率粗糙度測(cè)量（見圖1）。

圖1：安裝在機(jī)械臂上的光學(xué)輪廓儀，可以為大型或高度彎曲的光學(xué)元件提供粗糙度測(cè)量。

測(cè)量大直徑或復(fù)雜形狀的光學(xué)元件

光學(xué)元件的尺寸和復(fù)雜性的不斷增長(zhǎng)，正在推動(dòng)制造能力和計(jì)量的極限。例如，用于地面望遠(yuǎn)鏡的大型主鏡直徑可能超過(guò)8m。更大的鏡子是由尺寸為1m或更大的六邊形分塊組裝而成的。在監(jiān)視、研究和國(guó)防等其他應(yīng)用中，可能需要大型光學(xué)元件，才能在紅外功能波長(zhǎng)下很好地成像。這些組件可以拋光至超光滑，甚至在整個(gè)通光口徑上都可以達(dá)到超光滑（亞埃）的光潔度。

除了更大的尺寸外，更復(fù)雜的形狀也增加了粗糙度測(cè)量系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。高度彎曲的光學(xué)元件（例如雷達(dá)或?qū)�彈圓頂）需要嚴(yán)格的計(jì)量以確保圖像質(zhì)量。非球面和自由形式的光學(xué)元件也帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。為了控制拋光過(guò)程，制造商要在拋光步驟之前和之后分別測(cè)量表面質(zhì)地。最常用的測(cè)量技術(shù)是光學(xué)3D輪廓分析。這種基于干涉的技術(shù)，可以對(duì)亞納米高度變化的表面提供快速、非接觸式的粗糙度測(cè)量。

像許多高分辨率測(cè)量技術(shù)一樣，光學(xué)輪廓分析會(huì)受到環(huán)境噪聲和振動(dòng)的影響，這會(huì)降低測(cè)量質(zhì)量或完全禁止測(cè)量。為了克服這一限制，傳統(tǒng)上將光學(xué)輪廓儀安裝在高剛性框架上，通常將重型花崗巖平板浮在氣動(dòng)隔振活塞上。這些結(jié)構(gòu)充分限制了環(huán)境噪聲。但是，它們也將測(cè)試組件的尺寸限制為僅幾英寸或幾十英寸，因此無(wú)法測(cè)量更大的光學(xué)元件。

此外，由于大多數(shù)生產(chǎn)環(huán)境的噪聲和振動(dòng)，像這樣的高分辨率測(cè)量系統(tǒng)傳統(tǒng)上安置在工廠隔離區(qū)域的計(jì)量實(shí)驗(yàn)室，以限制影響。較長(zhǎng)的排隊(duì)時(shí)間和更多的處理量，極大地增加了生產(chǎn)周期時(shí)間和損壞風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對(duì)于非常大且昂貴的光學(xué)組件而言。有些組件根本不可能從生產(chǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移到計(jì)量實(shí)驗(yàn)室。

動(dòng)態(tài)測(cè)量可在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)粗糙度測(cè)量

在過(guò)去的十年中，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)了抗振的“動(dòng)態(tài)”光學(xué)輪廓儀，因此即使在嘈雜的環(huán)境中也可以成功地測(cè)量粗糙度。在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，相位測(cè)量所需要的所有數(shù)據(jù)都是同時(shí)獲取的，而不是像傳統(tǒng)系統(tǒng)中那樣順序獲取。由于采集時(shí)間非常短（通常小于100µs），因此這些儀器可以有效抵抗振動(dòng)和環(huán)境噪聲。

動(dòng)態(tài)輪廓儀的問(wèn)世，實(shí)現(xiàn)了在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)就可以進(jìn)行原位高分辨率計(jì)量。將計(jì)量移至生產(chǎn)區(qū)域，消除了與計(jì)量實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備相關(guān)的大量排隊(duì)時(shí)間和材料處理。動(dòng)態(tài)輪廓儀甚至可以直接安裝在拋光設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)快速的拋光反饋和最短的循環(huán)時(shí)間，同時(shí)可以根據(jù)需要將毛坯保持在適當(dāng)位置，以做進(jìn)一步拋光（見圖2）。

圖2：安裝在拋光站內(nèi)部的光學(xué)輪廓儀，可以在拋光過(guò)程中進(jìn)行快速測(cè)量。

測(cè)量大型光學(xué)元件

在大型或復(fù)雜光學(xué)元件上測(cè)量粗糙度的挑戰(zhàn)主要在于定位。通過(guò)將測(cè)量系統(tǒng)放置在遠(yuǎn)離光學(xué)元件的位置（例如在塔中），可以測(cè)量大型鏡片的整體形狀。然而，在納米級(jí)上測(cè)量粗糙度要求輪廓儀距表面僅幾毫米，并且不會(huì)損壞可能價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的組件的脆弱表面。

動(dòng)態(tài)輪廓儀可以實(shí)現(xiàn)的一種選項(xiàng)是：將光學(xué)輪廓儀小心地直接放置在光學(xué)表面上（見圖3）。但是這種安排也有局限性。在每個(gè)位置重新放置和重新聚焦儀器非常耗時(shí)，這限制了實(shí)際上可以及時(shí)進(jìn)行測(cè)量的次數(shù)。

圖3：防振光學(xué)輪廓儀為大型光學(xué)元件提供了方便的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)粗糙度計(jì)量。

其結(jié)果是必須從一組有限的數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)推斷表面質(zhì)量。此外，當(dāng)光學(xué)元件的直徑超過(guò)半米時(shí)，操作人員可能難以將儀器安全地移動(dòng)到表面上的所有位置。最后，光學(xué)元件邊緣的測(cè)量可能需要額外的夾具，或者根本不可能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于大的六邊形鏡塊來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)特殊的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兊耐ü饪趶窖由熘两咏�元件的邊緣和頂點(diǎn)。

自動(dòng)化方案

如果對(duì)振動(dòng)不敏感，光學(xué)輪廓儀可以在安裝到自動(dòng)定位系統(tǒng)上時(shí)進(jìn)行有效測(cè)量。將輪廓儀安裝在機(jī)械臂上、高架龍門或其他自動(dòng)化設(shè)備上，會(huì)帶來(lái)許多好處：

·       非接觸式測(cè)量昂貴和/或易碎的光學(xué)元件

·       覆蓋大型元件的所有區(qū)域

·       能夠傾斜測(cè)量頭以適應(yīng)曲率

·       快速測(cè)量，可以獲取更多的測(cè)量點(diǎn)，以獲得更完整的表面和拋光過(guò)程圖像

·       可重復(fù)定位，可以比較拋光前后的表面

圖4：安裝在機(jī)械臂上的輪廓儀，幾乎可以在任何方向上進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)將光學(xué)輪廓儀安裝在機(jī)械臂上時(shí)（見圖4），該系統(tǒng)的自動(dòng)化功能包括工藝驅(qū)動(dòng)的定位和自動(dòng)聚焦，從而可以在整個(gè)表面上數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)位置進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)量。電容式傳感器和其他防護(hù)措施，可以確保元件、測(cè)量系統(tǒng)和操作人員的安全。

圖5：機(jī)械臂控制允許以非接觸的方式，測(cè)量復(fù)雜物體。

機(jī)械臂定位還可以測(cè)量高度彎曲的光學(xué)元件。機(jī)器人關(guān)節(jié)的傾斜和俯仰，可以使測(cè)量頭在任何點(diǎn)垂直于表面�？梢葬槍�(duì)儀器頭部周圍空間編程，設(shè)置安全范圍，以避狹窄地方的碰撞（見圖5）。對(duì)于非常大但通常為平面的元件，龍門架系統(tǒng)可以為非常大的元件（例如用于平板顯示器的玻璃）提供足夠的定位（見圖6）。

圖6：自動(dòng)定位能夠?qū)崿F(xiàn)大表面的非接觸式測(cè)量。

其他動(dòng)態(tài)輪廓儀應(yīng)用

自動(dòng)化的動(dòng)態(tài)光學(xué)輪廓儀非常適合測(cè)量高度拋光的大型反射鏡和反射鏡塊。其他光學(xué)應(yīng)用包括X射線組件、激光放大器平板、激光陀螺儀、非球面和某些自由形式的光學(xué)元件的測(cè)量。

自動(dòng)化系統(tǒng)還可以用于測(cè)量布置在傳送帶上或放在托盤上的組件，自動(dòng)校正對(duì)齊以測(cè)量每個(gè)組件。在半導(dǎo)體工業(yè)中，輪廓儀可用于測(cè)量晶圓粗糙度和識(shí)別芯片圖樣。

亞埃級(jí)粗糙度測(cè)量

光學(xué)研究的一個(gè)不斷成長(zhǎng)的領(lǐng)域是：開發(fā)可以提供亞埃級(jí)粗糙度的超光滑加工工藝。通過(guò)快速獲取并平均多個(gè)測(cè)量值，光學(xué)輪廓儀能夠?yàn)檫@種下一代光學(xué)元件提供拋光反饋。

用光學(xué)輪廓儀獲得的測(cè)量結(jié)果（見圖7），顯示了超光滑鏡上粗糙度的假彩色圖。這些測(cè)量可以使用更穩(wěn)定的平臺(tái)（例如表面接觸式三腳架）更有效地完成，因?yàn)闄C(jī)器人和龍門架無(wú)法為這種級(jí)別的垂直分辨率提供足夠的穩(wěn)定性。

圖7：超光滑鏡的表面粗糙度測(cè)量。

光學(xué)輪廓分析非常適合測(cè)量大型和復(fù)雜的光學(xué)元件，提供亞埃級(jí)精度的非接觸式3D粗糙度數(shù)據(jù)。加上自動(dòng)化處理，光學(xué)輪廓儀可以覆蓋非常大或高度彎曲表面上的所有點(diǎn)，從而為拋光工藝和最終零件的可接受度提供出色的反饋。