半導體、消費電子產品以及航空航天係統都（dōu）采用（yòng）非球麵光（guāng）學元件以提高產品的性能及可用性。非球（qiú）麵（miàn）為光學元件的設（shè）計者們提供了一個額外的“自（zì）由（yóu）度”——它們可以改善係統的光學性能、降低（dī）整（zhěng）個係統的成本和（hé）元件數量、減輕係統重量以及提高係統的光傳輸效率。透鏡的直徑從亞毫米到幾百毫米，精度範圍從微（wēi）米到亞納（nà）米。

製約非球麵廣泛應用的主要因素是（shì）使其達到所需精度（dù）水平的能力。盡管計算機控製拋光、小型工具拋光、離子束拋光、鑽（zuàn）石車削及精（jīng）密成型（xíng）等不同的製造方法已經（jīng）廣泛應用，但這些製造技術是否可（kě）行往往依賴於測量設（shè）備的性能。
非球麵加工過程控製的挑戰

對於（yú）適當的製造過程控製，非球麵向（xiàng）測量技術提出了特（tè）殊（shū）的挑戰。
嚴格的製造公差要求是現有精密非球麵測量（liàng）方法的主要障（zhàng）礙。光刻光學要求測量不確定（dìng）度的均方根（rms）小（xiǎo）於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，這是測量麵臨的一個（gè）巨大障（zhàng）礙。此外，測量方法必（bì）須能夠測量與最接近球麵偏離達800祄的非（fēi）球麵（miàn），以適用於所製造的90%的非球麵透鏡。

非球麵製（zhì）造的一個特征是複（fù）雜的數據處理過程。為了測量非球（qiú）麵的（de）形狀、波紋度，以及探測非球麵的表麵缺陷（xiàn），三維（3-D）表麵數據要求對單個的x、y（位置）和h（相位）數據進（jìn）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。非球麵製造還要求總的平均周期時間（TACT）必須短於生產過程所需的時間，對於利用（yòng）小型工具拋（pāo）光方法製造的直徑小於（yú）80mm的非球麵來說（shuō），典（diǎn）型的製造時間為5到10分鍾。
最後，非球麵光學元件的批量生產要求光學元件的表麵沒（méi）有（yǒu）損傷，並且需要考慮對加工過程的質量控（kòng）製。由於製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（huó）測量（liàng）係統就成了人（rén）們的（de）首選（xuǎn）。

測量係統的選擇

目前常用（yòng）的測（cè）量係統分為（wéi）三類：接觸探針（zhēn）係統、零位補償器以及拚接（jiē）係統（tǒng）。接觸探針係（xì）統與光學元件（jiàn）的表麵（miàn）相接觸，並像坐標測量儀一（yī）樣繪製出表麵圖形。零位補償器采用常（cháng）規透鏡或計算全息圖（CGH）將激光斐索幹（gàn）涉儀輸出的球麵波變換成（chéng）與被測非球麵相匹配的非球麵波前。拚接係統利用激光斐索幹涉儀測量非球麵的（de）各個小部分並（bìng）把（bǎ）它們拚接在一起形成完整的表麵圖。然而，這些係統（tǒng）都不（bú）能滿足在線過程控製的要求。

接觸探針係統（tǒng）非常靈活，能夠測量很多類元件。然而（ér），這種（zhǒng）係統隻能以非常緩慢的速（sù）度（dù）進行低密度的二維（wéi）（2-D）線性掃描（3-D數據圖需要20到60分鍾），而且當探針接觸光學元件的表麵時還有可能造成（chéng）元件（jiàn）損傷（shāng）。

零透鏡不夠靈活，並且精度（dù）有限，這依賴於（yú）零透鏡（jìng）的質量和準（zhǔn）直程度。零位補償器（qì）也需要（yào）幾個星期的製造時間，並且不適用於不同尺寸和結構的光學元件。

拚（pīn）接係統的TACT較長，目（mù）前僅限於測量偏離最接近球麵小（xiǎo）於80祄的非球麵，這隻是所需求偏離程度的十分之一。當然，這些係統沒有一個能滿足（zú）像（xiàng）光刻投影透鏡對非球（qiú）麵光學（xué）元（yuán）件（jiàn）測量不確定度那樣（yàng）苛刻的要求。

一種新型非球麵測量係統

在常規產品發展規劃的驅動下，Zygo公司開發了一種用於非（fēi）球麵測量的新型非接觸式激光斐索幹涉儀。該測量工具結合了Zygo公司的兩個核心技術：激（jī）光斐索幹（gàn）涉儀和位移測量幹涉儀。1, 2 該方（fāng）法采用了標準的幹涉儀組成部件，包括斐索激（jī）光器主機、傳輸透鏡、運動平台和一個位移測量幹涉儀（yí）（DMI）——DMI對平移台沿直線位置（zhì）測量的分辨率（lǜ）可以達到納米量級。以上結合最終製成（chéng）了（le）一種新型的非接觸（chù）式非球麵測量係（xì）統（tǒng）。這種係統高速、精確，並能形成高數據密度的表麵圖形。

激光斐索幹涉儀通（tōng）常用於測量球（qiú）麵。幹涉儀對形成一個光學腔的（de）參考表（biǎo）麵（miàn）和測試表麵進行比較。在腔內光線沿著從係統（tǒng）出射的路徑（公共光路）返（fǎn）回到幹涉（shè）儀中。在共路係統中，除（chú）了（le）進行測量的腔以外幹涉儀內（nèi）的所有光程差都是零（líng），這是低不確定度測量的關鍵條件。當要求高數據密度、低（dī）測量（liàng）不確定度和高速測量時，幹涉（shè）儀就成為球麵光學測量最合適的儀器（qì）。

然而，對（duì）於非球形表麵，斐（fěi）索幹涉儀的（de）性能就有所折扣（kòu）。測量非（fēi）球（qiú）麵時，幹涉儀隻有在局部區域（yù）內（nèi）是共路的，在表麵的其餘部分測量時不確定度會增加。由於幹涉儀在其表麵（miàn）的（de）大部分上是非共路的，這會引入回程誤差。拚（pīn）接係統必須處理這些回程誤（wù）差，這限（xiàn）製了它的測量不確定度。在表麵傾斜度較高的最（zuì）壞（huài）情況下，光（guāng）線甚（shèn）至不會重新進入幹涉儀。在傾斜度較高的條件下不可能（néng）一次測量整個非球麵，更不要說獲得較低的測量不確定（dìng）度。但是（shì）把位（wèi）移測量幹（gàn）涉儀與激光斐索幹涉儀結合（hé）使用就（jiù）有可能消除這一局限。
由於（yú）是沿著光軸方向對非球麵光（guāng）學元件進行掃描，產生幹涉條（tiáo）紋的環形區域就會從中心向邊緣移（yí）動.於是測量不確定度較低的（de）共路區域就會掃遍整個表麵。
幹涉環的徑向位置與設計因素（sù）以及（jí）非球麵沿幹涉儀光（guāng）軸的（de）位置有著精確（què）的關係。這種關（guān）係和屬性的分析把在每個幹（gàn）涉環處測量的標準相移統一起來（lái），就好像它們（men）是在共路的條件下同時被測一樣，所有的測量都得益於激光斐索幹涉（shè）儀。
此外，數據不是拚接起來的。在拚（pīn）接係統中，被（bèi）測區域之間的（de）相位關係根據重疊區（qū）域估計得出（chū）。在拚接（jiē）係統中，測（cè）量誤差會（huì）輕（qīng）易地從一個區域傳遞到另一個區域。然而，在這種係統中（zhōng），在每一個x、y位置處相位數據h是（shì）已知的，它僅依賴於幹（gàn）涉儀測量的距離。從（cóng）這種意義（yì）上講，非球麵激光斐索（suǒ）幹涉儀是一種絕對的測量手段。

非（fēi）球麵（miàn）測量的結果是設（shè）計的非（fēi）球形表麵與（yǔ）實際表麵之間的差別，標準的激光斐索幹涉（shè）儀得到的結果相同。

測量（liàng）不確定度主要由標準激光斐索幹涉儀中人們感（gǎn）興趣的相（xiàng）同參數決定。對於標準的（de）測（cè）量不（bú）確定度，正（zhèng）常的測量環（huán）境和參考表麵校準（zhǔn）通常是可以接受的。但是對於極低的測（cè）量不確定度，例如（rú）在光刻光學係統中，必須（xū）保持嚴格的溫度控製、低壓環（huán）境以及精確的參考表麵校準。對於TACT，測量的速度取決於被測非（fēi）球麵區域的數量，測量時間從（cóng）三到十分鍾不等。