文/Mike Zecchino

光学元件制造商要依靠于高分辨率计量。这些厂商需要评估其制造的组件的整体形状、中空间频率误差和粗糙度。大型光学元件和形状复杂的光学元件，提出了独特的计量挑战。

传统的计量仪器极易受到环境噪声和振动的影响，因此需要笨重的大型隔振结构，这也导致无法对大型或复杂零件进行经济有效的测量。现在，新的进步已带来了抗振仪器的发展，使它们可以安装在机器人或其他自动化设备上，在生产环境中进行非接触式3D高分辨率粗糙度测量（见图1）。

图1：安装在机械臂上的光学轮廓仪，可以为大型或高度弯曲的光学元件提供粗糙度测量。

测量大直径或复杂形状的光学元件

光学元件的尺寸和复杂性的不断增长，正在推动制造能力和计量的极限。例如，用于地面望远镜的大型主镜直径可能超过8m。更大的镜子是由尺寸为1m或更大的六边形分块组装而成的。在监视、研究和国防等其他应用中，可能需要大型光学元件，才能在红外功能波长下很好地成像。这些组件可以抛光至超光滑，甚至在整个通光口径上都可以达到超光滑（亚埃）的光洁度。

除了更大的尺寸外，更复杂的形状也增加了粗糙度测量系统的挑战。高度弯曲的光学元件（例如雷达或导弹圆顶）需要严格的计量以确保图像质量。非球面和自由形式的光学元件也带来了独特的挑战。为了控制抛光过程，制造商要在抛光步骤之前和之后分别测量表面质地。最常用的测量技术是光学3D轮廓分析。这种基于干涉的技术，可以对亚纳米高度变化的表面提供快速、非接触式的粗糙度测量。

像许多高分辨率测量技术一样，光学轮廓分析会受到环境噪声和振动的影响，这会降低测量质量或完全禁止测量。为了克服这一限制，传统上将光学轮廓仪安装在高刚性框架上，通常将重型花岗岩平板浮在气动隔振活塞上。这些结构充分限制了环境噪声。但是，它们也将测试组件的尺寸限制为仅几英寸或几十英寸，因此无法测量更大的光学元件。

此外，由于大多数生产环境的噪声和振动，像这样的高分辨率测量系统传统上安置在工厂隔离区域的计量实验室，以限制影响。较长的排队时间和更多的处理量，极大地增加了生产周期时间和损坏风险，尤其是对于非常大且昂贵的光学组件而言。有些组件根本不可能从生产区域转移到计量实验室。

动态测量可在生产中实现粗糙度测量

在过去的十年中，业界已经开发了抗振的“动态”光学轮廓仪，因此即使在嘈杂的环境中也可以成功地测量粗糙度。在动态系统中，相位测量所需要的所有数据都是同时获取的，而不是像传统系统中那样顺序获取。由于采集时间非常短（通常小于100µs），因此这些仪器可以有效抵抗振动和环境噪声。

动态轮廓仪的问世，实现了在生产现场就可以进行原位高分辨率计量。将计量移至生产区域，消除了与计量实验室中的设备相关的大量排队时间和材料处理。动态轮廓仪甚至可以直接安装在抛光设备中，以实现快速的抛光反馈和最短的循环时间，同时可以根据需要将毛坯保持在适当位置，以做进一步抛光（见图2）。

图2：安装在抛光站内部的光学轮廓仪，可以在抛光过程中进行快速测量。

测量大型光学元件

在大型或复杂光学元件上测量粗糙度的挑战主要在于定位。通过将测量系统放置在远离光学元件的位置（例如在塔中），可以测量大型镜片的整体形状。然而，在纳米级上测量粗糙度要求轮廓仪距表面仅几毫米，并且不会损坏可能价值数百万美元的组件的脆弱表面。

动态轮廓仪可以实现的一种选项是：将光学轮廓仪小心地直接放置在光学表面上（见图3）。但是这种安排也有局限性。在每个位置重新放置和重新聚焦仪器非常耗时，这限制了实际上可以及时进行测量的次数。

图3：防振光学轮廓仪为大型光学元件提供了方便的生产现场粗糙度计量。

其结果是必须从一组有限的数据点来推断表面质量。此外，当光学元件的直径超过半米时，操作人员可能难以将仪器安全地移动到表面上的所有位置。最后，光学元件边缘的测量可能需要额外的夹具，或者根本不可能实现。对于大的六边形镜块来说，这是一项特殊的挑战，因为它们的通光口径延伸至接近元件的边缘和顶点。

自动化方案

如果对振动不敏感，光学轮廓仪可以在安装到自动定位系统上时进行有效测量。将轮廓仪安装在机械臂上、高架龙门或其他自动化设备上，会带来许多好处：

·       非接触式测量昂贵和/或易碎的光学元件

·       覆盖大型元件的所有区域

·       能够倾斜测量头以适应曲率

·       快速测量，可以获取更多的测量点，以获得更完整的表面和抛光过程图像

·       可重复定位，可以比较抛光前后的表面

图4：安装在机械臂上的轮廓仪，几乎可以在任何方向上进行测量。

当将光学轮廓仪安装在机械臂上时（见图4），该系统的自动化功能包括工艺驱动的定位和自动聚焦，从而可以在整个表面上数十个或数百个位置进行全自动测量。电容式传感器和其他防护措施，可以确保元件、测量系统和操作人员的安全。

图5：机械臂控制允许以非接触的方式，测量复杂物体。

机械臂定位还可以测量高度弯曲的光学元件。机器人关节的倾斜和俯仰，可以使测量头在任何点垂直于表面。可以针对仪器头部周围空间编程，设置安全范围，以避狭窄地方的碰撞（见图5）。对于非常大但通常为平面的元件，龙门架系统可以为非常大的元件（例如用于平板显示器的玻璃）提供足够的定位（见图6）。

图6：自动定位能够实现大表面的非接触式测量。

其他动态轮廓仪应用

自动化的动态光学轮廓仪非常适合测量高度抛光的大型反射镜和反射镜块。其他光学应用包括X射线组件、激光放大器平板、激光陀螺仪、非球面和某些自由形式的光学元件的测量。

自动化系统还可以用于测量布置在传送带上或放在托盘上的组件，自动校正对齐以测量每个组件。在半导体工业中，轮廓仪可用于测量晶圆粗糙度和识别芯片图样。

亚埃级粗糙度测量

光学研究的一个不断成长的领域是：开发可以提供亚埃级粗糙度的超光滑加工工艺。通过快速获取并平均多个测量值，光学轮廓仪能够为这种下一代光学元件提供抛光反馈。

用光学轮廓仪获得的测量结果（见图7），显示了超光滑镜上粗糙度的假彩色图。这些测量可以使用更稳定的平台（例如表面接触式三脚架）更有效地完成，因为机器人和龙门架无法为这种级别的垂直分辨率提供足够的稳定性。

图7：超光滑镜的表面粗糙度测量。

光学轮廓分析非常适合测量大型和复杂的光学元件，提供亚埃级精度的非接触式3D粗糙度数据。加上自动化处理，光学轮廓仪可以覆盖非常大或高度弯曲表面上的所有点，从而为抛光工艺和最终零件的可接受度提供出色的反馈。