半導體、消費電子（zǐ）產品以（yǐ）及航空航天係統都采用非球麵光學元件以提高產品的性能及可用性（xìng）。非球麵為光學元件（jiàn）的設（shè）計者們提供了一個額外（wài）的“自由度”——它們（men）可以改善係統的光（guāng）學性能（néng）、降低整個係（xì）統（tǒng）的成本和元件數量（liàng）、減輕係（xì）統重量以及（jí）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（jīng）度範圍從（cóng）微米到亞納米（mǐ）。

製約非球麵廣泛應用的主要因（yīn）素是使其達到所需精度（dù）水平的能（néng）力。盡管計算機控製拋光、小型工具拋光（guāng）、離子束拋光、鑽（zuàn）石車削（xuē）及精密成（chéng）型等不同的製造方法已經廣泛應用，但這些製（zhì）造技術是否可（kě）行往往依賴於測量設備的性能。
非球麵（miàn）加工過程控製的挑戰

對（duì）於（yú）適當的製造過程控製（zhì），非球麵向測（cè）量技術提出（chū）了特殊的挑戰。
嚴格的製造公差要求是（shì）現有精密非球（qiú）麵測量方法的（de）主要障礙。光刻光學要求測量不確定度的均方根（rms）小於0.1nm，如此低的測量（liàng）不確定度（dù）比被（bèi）測元件的公差小三到五倍（bèi），這是測量麵臨的一（yī）個（gè）巨大障礙（ài）。此外，測量方法必須能夠測量與最接（jiē）近球麵偏（piān）離達800祄的非球（qiú）麵，以（yǐ）適用於所製造的90%的非（fēi）球麵透鏡（jìng）。

非球麵製造（zào）的一個特征是複雜的數據處理過程。為了測量非球麵的形狀、波紋度，以及探測非球麵的（de）表麵（miàn）缺陷，三維（3-D）表麵數據要求對單個的x、y（位（wèi）置）和h（相位）數據（jù）進（jìn）行采集，采集密度超過200,000個數據點。測量柵（shān）格（gé）必須（xū）無畸變地覆蓋透鏡（jìng），以使需要補償或修正的誤差降（jiàng）到最小。非球麵製造還要（yào）求（qiú）總（zǒng）的平均周期時間（TACT）必須短（duǎn）於生產（chǎn）過程所需的時間，對於利（lì）用（yòng）小型工具拋光方法製（zhì）造的直徑小（xiǎo）於80mm的非（fēi）球麵來說，典型的製造時間為5到10分鍾。
最後，非球麵光學元件的批量生產要求光（guāng）學元件的表麵沒有損傷，並（bìng）且需要考（kǎo）慮（lǜ）對加工過程（chéng）的質量控製。由於製（zhì）造商經常生產（chǎn）大量尺寸和形狀各異的不同光學元件，因此無需較大變動（dòng）就可以測量多種元件的靈活測量係統就成了人們的首選。

測量係統的選擇

目前（qián）常用的測量係統分為三類：接觸探針係統、零（líng）位補償器以及拚接係統。接觸探針係統與光學元件的表麵相接觸，並像坐標（biāo）測量儀一樣繪製出表（biǎo）麵圖形。零位補償器采用常規透鏡或（huò）計算全息圖（CGH）將激光斐索幹涉儀輸（shū）出的球麵波變換成與被測非球麵相匹配的非（fēi）球麵波前。拚接係（xì）統利用激光斐索幹涉儀測量非球（qiú）麵的各個小部分並（bìng）把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製的要求。

接觸（chù）探針係統非常靈活，能夠測量很多類元件。然（rán）而，這（zhè）種（zhǒng）係統隻能以非常緩慢的速度（dù）進行低密度的二維（2-D）線性掃（sǎo）描（miáo）（3-D數據圖需要20到60分鍾），而且當探針接觸光學（xué）元件的表（biǎo）麵時還有可能造成元件損傷。

零透鏡不（bú）夠（gòu）靈活，並且（qiě）精度（dù）有限，這依（yī）賴於（yú）零透鏡的質（zhì）量和準直程度。零（líng）位補償器也需（xū）要幾個星期的製造時（shí）間，並且不（bú）適用於不同尺寸和結構的（de）光學元件。

拚接係統的TACT較長，目前僅限（xiàn）於測量偏離最接近球麵小於80祄的非球麵，這隻（zhī）是所（suǒ）需求偏離程度的十（shí）分之一。當然，這些係統沒有一個能滿足像光刻投影透鏡對非球（qiú）麵光學（xué）元件測（cè）量不確定度那樣苛刻的要求。

一種新型非球麵測量係統

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

激（jī）光斐索幹涉儀通常用於測量球麵。幹涉儀對形成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（xì）統出射的（de）路徑（公（gōng）共光路）返回到幹涉儀中。在共路係（xì）統中，除了進行測量的腔以外（wài）幹涉儀內的所（suǒ）有光程差都是零，這是低不確定度測量的關鍵條件。當要求高數據密度、低測量不確定度和高速測量時，幹涉儀就成為球麵光學測量最合（hé）適（shì）的（de）儀器。

然而，對於非（fēi）球形表麵，斐索幹涉（shè）儀的性能就有所折扣。測量非球麵時，幹涉儀隻（zhī）有（yǒu）在局部區域內是共路的，在表麵的其餘部分測量時不確定度會增加。由於幹涉儀在其表麵的大部（bù）分上是非共路的，這會引入回程誤差。拚接係統必須處理這些回程誤差，這限製了（le）它的測量不確定度。在（zài）表麵傾斜度較高的最（zuì）壞情況下，光線（xiàn）甚至不會重新進入幹涉儀。在傾斜度較高的條件下（xià）不可能一次測量整個非球麵（miàn），更不要說獲得較低的測量不確定（dìng）度。但是把位移測量幹涉（shè）儀與激光斐索幹涉（shè）儀結合使（shǐ）用就有可能消除這一局限。
由於是沿著光軸方向對非球麵光（guāng）學元（yuán）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動.於是測量不確定度較低的共路區域就（jiù）會掃遍整個表麵。
幹涉環的徑（jìng）向位（wèi）置與（yǔ）設計因（yīn）素以及非球麵沿幹涉儀光軸的（de）位置有著精確的關係。這種關係和屬（shǔ）性的分析（xī）把（bǎ）在每個幹涉環處測量（liàng）的（de）標準相移（yí）統一（yī）起來，就好像（xiàng）它們是在共路的條件下同時被測一樣，所有的測量都得益於激（jī）光斐索幹涉（shè）儀。
此外（wài），數據不是拚接（jiē）起（qǐ）來的。在拚接係統（tǒng）中，被測區域之間（jiān）的相位關係根據重（chóng）疊區域估計得（dé）出。在拚接係統中，測量誤差會輕易地（dì）從一個區域傳遞到另一個區域。然而，在這種係統中，在每（měi）一個x、y位置處相位數據（jù）h是已知（zhī）的，它僅依賴於幹（gàn）涉儀測量的距離（lí）。從這種（zhǒng）意義上講，非球麵激光斐索幹涉儀是一種絕對（duì）的測量手段。

非球麵測量的結果（guǒ）是設計的（de）非（fēi）球形（xíng）表麵（miàn）與實際表麵之間的差別，標準的激（jī）光斐索幹涉（shè）儀（yí）得到的結果相（xiàng）同。

測量不確定度主要由標準激光斐索幹涉儀中人（rén）們感興趣（qù）的相（xiàng）同參數決定。對於標準的測量不確定度，正常（cháng）的測量環境和參考表麵（miàn）校準通常是可以接受的。但（dàn）是對於極低的測（cè）量不確定度，例如在光刻光學係統中，必須保持嚴格的溫度（dù）控製、低壓（yā）環（huán）境以及精確的參考表麵校準。對於TACT，測量的速（sù）度取決於被測（cè）非球麵區（qū）域的（de）數量，測量時間從三到十分鍾不等。