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。 傳統的計量儀器極易受到環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濟有效的測量。現在，新的進步已帶來了抗振儀器的發展，使它們可以安裝在機器人或其他自動化設備上，在生產環境中進行非接觸式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的挑戰。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。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，由于大多數生產環境的噪聲和振動，像這樣的高分辨率測量系統傳統上安置在工廠隔離區域的計量實驗室，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區域轉移到計量實驗室。 動態測量可在生產中實現粗糙度測量 在過去的十年中，業界已經開發了抗振的“動態”光學輪廓儀，因此即使在嘈雜的環境中也可以成功地測量粗糙度。在動態系統中，相位測量所需要的所有數據都是同時獲取的，而不是像傳統系統中那樣順序獲取。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境噪聲。 動態輪廓儀的問世，實現了在生產現場就可以進行原位高分辨率計量。將計量移至生產區域，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。動態輪廓儀甚至可以直接安裝在拋光設備中，以實現快速的拋光反饋和最短的循環時間，同時可以根據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主要在于定位。通過將測量系統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百萬美元的組件的脆弱表面。 動態輪廓儀可以實現的一種選項是：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。
圖3：防振光學輪廓儀為大型光學元件提供了方便的生產現場粗糙度計量。 其結果是必須從一組有限的數據點來推斷表面質量。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。對于大的六邊形鏡塊來說，這是一項特殊的挑戰，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十個或數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。機器人關節的傾斜和俯仰，可以使測量頭在任何點垂直于表面。可以針對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：自動定位能夠實現大表面的非接觸式測量。 其他動態輪廓儀應用 自動化的動態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粗糙度數據。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。
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