半導體、消費電子產品以及航空航天係統都（dōu）采用非球（qiú）麵（miàn）光學元件以提高產品的性能及（jí）可用性。非球麵為（wéi）光學元件的設計者（zhě）們提供了一個額外的“自由度”——它們可以改善係統的光學性能、降低整（zhěng）個係統的成本和（hé）元（yuán）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，精度範圍從微米到亞納米（mǐ）。

製約非球（qiú）麵廣泛應用的主要（yào）因（yīn）素是使其達到所需精度水平的能力。盡管計算機控製拋光（guāng）、小型工具拋（pāo）光、離子束拋光、鑽（zuàn）石車（chē）削（xuē）及精密成型（xíng）等不同（tóng）的製（zhì）造方法已經廣泛應用，但這些製造（zào）技術是（shì）否可行往往依（yī）賴於測（cè）量設備的性能。
非球（qiú）麵加工過程控製的挑戰

對於適（shì）當的製（zhì）造過程控（kòng）製，非球（qiú）麵向測量技術提出了特殊的（de）挑戰。
嚴格的製（zhì）造公差要求（qiú）是現有精密非球麵測量方法的主要障礙。光刻光學要求測量不確定度（dù）的均方根（rms）小於0.1nm，如此低的測量不確定度比（bǐ）被測（cè）元件的公差小三到五倍，這是測量麵臨的一個巨大障礙。此（cǐ）外，測量方（fāng）法必須能夠測量與最接近球麵（miàn）偏離達800祄的非球麵，以適用於所製造的90%的非球麵透鏡。

非（fēi）球（qiú）麵製造的一個特征是複雜的（de）數據處理過程。為了（le）測（cè）量非球麵的形狀、波紋度，以及探測非球麵的表麵缺（quē）陷，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（cháng）或修（xiū）正的誤差降到最小。非（fēi）球麵製造還（hái）要（yào）求總的平均周期時間（TACT）必（bì）須短於生（shēng）產過程所需的時間，對（duì）於利（lì）用小型工具拋光方（fāng）法製造的直徑小於（yú）80mm的非球麵來說，典型的製（zhì）造時間為5到10分鍾。
最後，非球麵光學（xué）元件的批量生（shēng）產（chǎn）要（yào）求光（guāng）學（xué）元（yuán）件的表麵沒有損傷，並且需要考慮對加工過程的質量控製。由於製造商經（jīng）常生產（chǎn）大量尺寸（cùn）和形狀各異的不（bú）同光學元件，因此（cǐ）無需較大變動就可以測量多種元件的靈活測量係統就成了（le）人們的（de）首選。

測量係統的選擇

目前常用的測量係統分為三類：接觸（chù）探針係統、零位補償器以及拚接係統。接觸（chù）探針係統與光學元件的表麵相接觸，並像坐標（biāo）測量儀一（yī）樣（yàng）繪製出表麵圖形。零位補償器采（cǎi）用常規透鏡或計算全息圖（CGH）將激光斐索幹涉儀輸出的球麵波變換成與被測非球麵（miàn）相匹配的非球麵波前（qián）。拚接係統利用激光斐索幹涉儀測量非球麵的各個小部分並把（bǎ）它們拚接在一起形成完整的表麵圖。然而，這些係統都不能滿足在線過程控（kòng）製的（de）要求（qiú）。

接觸探針係統非常靈活，能夠測量很多類元件。然而，這種係統隻能以非常（cháng）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（dào）60分（fèn）鍾），而且當探（tàn）針接觸光學元件的表麵時還有可能造成元件損傷。

零透（tòu）鏡不夠靈活（huó），並且精度有限，這依賴於零透（tòu）鏡（jìng）的質量（liàng）和準直（zhí）程度（dù）。零位補償器也需要幾個星期的製造時間，並且不適用（yòng）於不同尺寸（cùn）和結構的光學元（yuán）件。

拚接係統的TACT較長，目前（qián）僅限（xiàn）於（yú）測量偏（piān）離最接近球（qiú）麵小於80祄的非球麵，這隻是所（suǒ）需求偏離程度的十分之一。當然，這（zhè）些（xiē）係統沒（méi）有一個能滿足像光刻投影透鏡對非球麵光學元件測量不確定度那樣苛刻的要求（qiú）。

一種新（xīn）型非球麵測量係（xì）統

在（zài）常規產品（pǐn）發展規劃（huá）的驅動下，Zygo公司開發了一種用於非球麵測量的新型非接觸式（shì）激（jī）光（guāng）斐（fěi）索幹（gàn）涉儀。該測量（liàng）工具結合了Zygo公司的（de）兩（liǎng）個核心技術：激光斐索（suǒ）幹涉儀和位移測（cè）量幹涉儀（yí）。1, 2 該方（fāng）法采用了標準的幹涉儀組（zǔ）成部件，包括斐索（suǒ）激光器主機、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測量的分辨率可以達到納米量級。以上結（jié）合最終製成（chéng）了一種新型的非（fēi）接觸式（shì）非球麵測量係統。這種係統高速、精確，並能形成高數據密度的（de）表（biǎo）麵圖形。

激光斐索幹涉（shè）儀通常用於測量球（qiú）麵。幹涉儀（yí）對形（xíng）成（chéng）一個光學腔的參考表麵和（hé）測試表麵進行比較。在腔內光線沿著從係統出射的路徑（公共（gòng）光路）返回到幹涉儀中。在共路係統中，除了進行測（cè）量的腔以外（wài）幹涉儀（yí）內（nèi）的所有光程差都（dōu）是零，這是低不確定度測量（liàng）的關鍵條件。當要求高數據密度、低測量不（bú）確定度（dù）和高速（sù）測量時，幹涉儀就成為球麵光學測量最合適的儀器。

然而，對於非球形表麵，斐索幹涉儀的性能就有所折扣。測量非（fēi）球麵時，幹涉（shè）儀隻有在局（jú）部區域內是共路的，在表麵的其餘部分測量時不確定度會增加。由（yóu）於幹涉儀在其表麵的大（dà）部分上是非共路的，這會引入回程誤（wù）差。拚接係統必須處理這（zhè）些回程誤差，這限製了它的測量不確定度。在表麵傾斜度（dù）較（jiào）高的最壞情況下，光線甚（shèn）至不會重新進（jìn）入幹涉儀。在傾斜度（dù）較高的條件下（xià）不可能（néng）一次測量整個非球麵，更（gèng）不要說獲得較低的測（cè）量不（bú）確定（dìng）度。但（dàn）是把位移測量幹（gàn）涉儀與激（jī）光斐索幹涉（shè）儀結（jié）合使用就有可能消除這（zhè）一（yī）局限。
由於是沿著光軸方向對非球麵光學元件進行掃（sǎo）描，產生幹涉條紋的環形區域就會從中心向邊緣移動（dòng）.於是測量不確（què）定度較（jiào）低的共路區域就會掃（sǎo）遍整個表麵。
幹涉環的徑向位置與設計（jì）因素以及非球麵沿幹涉儀光軸的位置有著精確的關係。這種（zhǒng）關（guān）係和屬性的分析把在每個幹涉環處測量（liàng）的標準相移統一起來，就好像它們是在共路的條件（jiàn）下同時被測（cè）一樣，所有的測量都得益於激光斐索幹涉儀。
此（cǐ）外，數據不是拚接起來的（de）。在拚接係（xì）統中，被測（cè）區域之間的相位關係根據（jù）重疊區域估計得出。在拚接係統中（zhōng），測量誤差（chà）會輕易地從一個區域傳遞到另一個區域。然而，在這種係（xì）統（tǒng）中，在每一（yī）個x、y位置處相位數據h是（shì）已（yǐ）知的，它僅依賴於幹涉儀測量（liàng）的距離。從這種意義上講，非球麵激光斐（fěi）索幹涉儀是一種絕對的測量手段。

非球（qiú）麵測量（liàng）的結果是設計（jì）的非球形表麵與實際表麵之間的（de）差別，標準的激光斐索幹涉儀得到的結（jié）果相同。

測量不（bú）確定度主要由標準激光斐（fěi）索幹涉（shè）儀中人們感興趣的相同參數決定。對於標（biāo）準的測量不確定度，正常的測量環境和參考表麵校準通常是可以接受的。但是對（duì）於極低的測（cè）量不確定度，例如在光刻（kè）光學係統中，必須保持嚴格的溫（wēn）度控製、低壓環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球麵區域的數量，測量時（shí）間從三到十分（fèn）鍾不等。