文/Mike Zecchino

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

傳統(tǒng)的計量儀器極易受到環(huán)境噪聲和振動的影響，因此需要笨重的大型隔振結構，這也導致無法對大型或復雜零件進行經(jīng)濟有效的測量�，F(xiàn)在，新的進步已帶來了抗振儀器的發(fā)展，使它們可以安裝在機器人或其他自動化設備上，在生產(chǎn)環(huán)境中進行非接觸式3D高分辨率粗糙度測量（見圖1）。

圖1：安裝在機械臂上的光學輪廓儀，可以為大型或高度彎曲的光學元件提供粗糙度測量。

測量大直徑或復雜形狀的光學元件

光學元件的尺寸和復雜性的不斷增長，正在推動制造能力和計量的極限。例如，用于地面望遠鏡的大型主鏡直徑可能超過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、研究和國防等其他應用中，可能需要大型光學元件，才能在紅外功能波長下很好地成像。這些組件可以拋光至超光滑，甚至在整個通光口徑上都可以達到超光滑（亞埃）的光潔度。

除了更大的尺寸外，更復雜的形狀也增加了粗糙度測量系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。高度彎曲的光學元件（例如雷達或導彈圓頂）需要嚴格的計量以確保圖像質量。非球面和自由形式的光學元件也帶來了獨特的挑戰(zhàn)。為了控制拋光過程，制造商要在拋光步驟之前和之后分別測量表面質地。最常用的測量技術是光學3D輪廓分析。這種基于干涉的技術，可以對亞納米高度變化的表面提供快速、非接觸式的粗糙度測量。

像許多高分辨率測量技術一樣，光學輪廓分析會受到環(huán)境噪聲和振動的影響，這會降低測量質量或完全禁止測量。為了克服這一限制，傳統(tǒng)上將光學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隔振活塞上。這些結構充分限制了環(huán)境噪聲。但是，它們也將測試組件的尺寸限制為僅幾英寸或幾十英寸，因此無法測量更大的光學元件。

此外，由于大多數(shù)生產(chǎn)環(huán)境的噪聲和振動，像這樣的高分辨率測量系統(tǒng)傳統(tǒng)上安置在工廠隔離區(qū)域的計量實驗室，以限制影響。較長的排隊時間和更多的處理量，極大地增加了生產(chǎn)周期時間和損壞風險，尤其是對于非常大且昂貴的光學組件而言。有些組件根本不可能從生產(chǎn)區(qū)域轉移到計量實驗室。

動態(tài)測量可在生產(chǎn)中實現(xiàn)粗糙度測量

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

動態(tài)輪廓儀的問世，實現(xiàn)了在生產(chǎn)現(xiàn)場就可以進行原位高分辨率計量。將計量移至生產(chǎn)區(qū)域，消除了與計量實驗室中的設備相關的大量排隊時間和材料處理。動態(tài)輪廓儀甚至可以直接安裝在拋光設備中，以實現(xiàn)快速的拋光反饋和最短的循環(huán)時間，同時可以根據(jù)需要將毛坯保持在適當位置，以做進一步拋光（見圖2）。

圖2：安裝在拋光站內部的光學輪廓儀，可以在拋光過程中進行快速測量。

測量大型光學元件

在大型或復雜光學元件上測量粗糙度的挑戰(zhàn)主要在于定位。通過將測量系統(tǒng)放置在遠離光學元件的位置（例如在塔中），可以測量大型鏡片的整體形狀。然而，在納米級上測量粗糙度要求輪廓儀距表面僅幾毫米，并且不會損壞可能價值數(shù)百萬美元的組件的脆弱表面。

動態(tài)輪廓儀可以實現(xiàn)的一種選項是：將光學輪廓儀小心地直接放置在光學表面上（見圖3）。但是這種安排也有局限性。在每個位置重新放置和重新聚焦儀器非常耗時，這限制了實際上可以及時進行測量的次數(shù)。

圖3：防振光學輪廓儀為大型光學元件提供了方便的生產(chǎn)現(xiàn)場粗糙度計量。

其結果是必須從一組有限的數(shù)據(jù)點來推斷表面質量。此外，當光學元件的直徑超過半米時，操作人員可能難以將儀器安全地移動到表面上的所有位置。最后，光學元件邊緣的測量可能需要額外的夾具，或者根本不可能實現(xiàn)。對于大的六邊形鏡塊來說，這是一項特殊的挑戰(zhàn)，因為它們的通光口徑延伸至接近元件的邊緣和頂點。

自動化方案

如果對振動不敏感，光學輪廓儀可以在安裝到自動定位系統(tǒng)上時進行有效測量。將輪廓儀安裝在機械臂上、高架龍門或其他自動化設備上，會帶來許多好處：

·       非接觸式測量昂貴和/或易碎的光學元件

·       覆蓋大型元件的所有區(qū)域

·       能夠傾斜測量頭以適應曲率

·       快速測量，可以獲取更多的測量點，以獲得更完整的表面和拋光過程圖像

·       可重復定位，可以比較拋光前后的表面

圖4：安裝在機械臂上的輪廓儀，幾乎可以在任何方向上進行測量。

當將光學輪廓儀安裝在機械臂上時（見圖4），該系統(tǒng)的自動化功能包括工藝驅動的定位和自動聚焦，從而可以在整個表面上數(shù)十個或數(shù)百個位置進行全自動測量。電容式傳感器和其他防護措施，可以確保元件、測量系統(tǒng)和操作人員的安全。

圖5：機械臂控制允許以非接觸的方式，測量復雜物體。

機械臂定位還可以測量高度彎曲的光學元件。機器人關節(jié)的傾斜和俯仰，可以使測量頭在任何點垂直于表面�？梢葬槍�儀器頭部周圍空間編程，設置安全范圍，以避狹窄地方的碰撞（見圖5）。對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：自動定位能夠實現(xiàn)大表面的非接觸式測量。

其他動態(tài)輪廓儀應用

自動化的動態(tài)光學輪廓儀非常適合測量高度拋光的大型反射鏡和反射鏡塊。其他光學應用包括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元件的測量。

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

亞埃級粗糙度測量

光學研究的一個不斷成長的領域是：開發(fā)可以提供亞埃級粗糙度的超光滑加工工藝。通過快速獲取并平均多個測量值，光學輪廓儀能夠為這種下一代光學元件提供拋光反饋。

用光學輪廓儀獲得的測量結果（見圖7），顯示了超光滑鏡上粗糙度的假彩色圖。這些測量可以使用更穩(wěn)定的平臺（例如表面接觸式三腳架）更有效地完成，因為機器人和龍門架無法為這種級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量。

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