集成的波前傳感器和輪廓測定儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學計量領(lǐng)域中的使用光學測量技術(shù)的組合來測量非球面表面，且因而，具體涉及光學波前感測和單點輪廓測定法這兩者、以及通過這樣的技術(shù)進行的測量的集成。
【背景技術(shù)】
[0002]對于通?？梢员欢x為與平面、柱面和球面不同的表面的非球面表面而言，對它們進行測量比對具有更簡單形式的表面進行測量呈現(xiàn)了諸多挑戰(zhàn)。盡管對它們進行測量存在增加的難度，還是必須以與測量更簡單形式的表面的精度類似的精度來經(jīng)常對非球面表面進行測量。對非球面表面進行測量的具體的問題在于，非球面表面的局部曲率和斜率的大的變化，這可能對于捕捉以及與基準(datum)進行比較都是困難的。
[0003]在常規(guī)的表面測量技術(shù)中，光學波前感測通常提供了對測試表面的有限大小的區(qū)(即，子孔徑(子孔口，subaperture))測量的高精度。經(jīng)常需要進行多個這種子孔徑測量來測量整個測試表面。通過將子孔徑測量“縫合(接合，stitch)”在一起形成測試表面的復(fù)合測量，在鄰接的子孔徑測量之間的重疊區(qū)域內(nèi)的冗余數(shù)據(jù)可以用于補償定位不確定性以及測量之間的其他差異。
[0004]然而，通過常規(guī)的波前感測技術(shù)可以容納的表面變化的范圍是有限的。通常，以近似所針對的測試表面的預(yù)期形狀的參考形狀(諸如球面形狀)，生成測量波陣面(波前，wavefront)。在面對測試表面(例如，從測試表面反射)時，測量波陣面的形狀根據(jù)測量表面的實際形狀和測量波陣面的原始形狀之間的任何差異而產(chǎn)生像差(aberrate)。波前傳感器在返回的測量波陣面中記錄該像差。在超出了許多波前傳感器的范圍或者超出了將測量波陣面?zhèn)鬟f給傳感器的光學器件的孔徑的這種測量波陣面中，許多非球面表面的曲率和斜率變化可以產(chǎn)生像差。
[0005]延伸通過常規(guī)波前感測技術(shù)可以容納的表面變化的范圍的方法包括:減小子孔徑的大小并且調(diào)整測量波陣面的參考形狀以便更好地匹配所測試的各個子孔徑表面區(qū)的預(yù)期形狀。減少子孔徑測量的大小增加了子孔徑測量的數(shù)量，這典型地增加了所附帶的用于將子孔徑縫合在一起的處理量以及縫合后的測量的不確定性。調(diào)整測量波陣面的參考形狀增加了誤差來源和測量的模糊性，這是因為形狀調(diào)整本身必須被測量或者以其他方式確定，使得參考形狀可以用作測量波陣面中的像差可以與之比較的基準。
[0006]另一種常規(guī)的表面測量技術(shù)，單點輪廓測定法，使用探頭(例如，機械或者光學探頭)來一次測量測試表面上的一個點。盡管探頭自身通常沿著單一維度進行測量，但還必須在其他相對維度上測量探頭和測試表面之間的相對運動，以便將探頭的不同測量彼此相關(guān)聯(lián)，并且與測試表面的預(yù)期形狀進行關(guān)聯(lián)。為了測量非球面表面，具體而言利用光學探頭，通常需要沿著旋轉(zhuǎn)和平移軸線這兩者/在旋轉(zhuǎn)和平移軸線這兩者附近的運動來將探頭基本上定位在與非球面表面上的不同測試點正交。多個軸線的測量難以實現(xiàn)所需的精度，并且具有足夠分辨率的覆蓋測試表面的大量的各個點的測量是耗時的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明在其優(yōu)選實施方案中組合了光學波前感測和單點輪廓測定學二者的技術(shù)，以便測量更寬范圍的非球面表面，特別是包括通過常規(guī)生成的波陣面不容易表示的斜率或者曲率變化的這種表面。通過光學波前傳感器來測量這種非球面表面的至少一個有限區(qū)域，通過單點輪廓測定儀來測量同一非球面表面的延伸區(qū)域。通過光學波前傳感器測量的非球面表面的每個有限區(qū)域具有更有限的斜率或者曲率變化，使得可以通過常規(guī)生成的光學波陣面來容易地近似每個有限區(qū)域內(nèi)的一個或者多個重疊的子孔徑。單點輪廓測定儀測量的非球面表面的延伸區(qū)域可以包含不能被常規(guī)的光學波陣面這樣容易近似的斜率或者曲率變化。盡管延伸的區(qū)域可能涵蓋整個非球面表面，但延伸區(qū)域與光學波前傳感器測量的有限區(qū)域的至少一部分重疊并且延伸超出了有限區(qū)域以便測量至少一些剩余的非球面表面?？梢酝ㄟ^相對地調(diào)節(jié)兩種測量技術(shù)的空間參照系來最小化重疊測量之間的任何差異，以便在公共空間參照系內(nèi)產(chǎn)生兩個區(qū)域的集成的測量。
[0008]可以布置光學波前傳感器來測量有限區(qū)域內(nèi)的一個或者多個區(qū)的每一個(即，子孔徑)內(nèi)的點陣列?？梢圆贾脝吸c輪廓測定儀來測量沿著延伸區(qū)域內(nèi)的一條或者多條軌跡的每一條的相繼(連續(xù)，a success1n of)點。至少一條軌跡延伸進入有限區(qū)域，使得沿著該軌跡的一定數(shù)量的點與有限區(qū)域的一個或者多個區(qū)內(nèi)的相等數(shù)量的點重合。重合點與它們的空間參照系的操作定義一起提供了在公共空間參照系內(nèi)集成光學波前傳感器和單點輪廓測定儀的測量的基礎(chǔ)。
[0009]盡管光學波前傳感器僅僅可以測量非球面測試表面的有限區(qū)域，也可以一次測量非球面表面的整個區(qū)。盡管單點輪廓測定儀可以一次測量僅僅測量一個點，也可以測量具有更復(fù)雜形狀的非球面表面的剩余區(qū)域。光學波前傳感器和單點輪廓測定儀可以一起測量比可單獨通過光學波前傳感器容易地測量的非球面表面的更寬范圍，并且可以在比可單獨通過單點輪廓測定儀容易地測量的更多的數(shù)據(jù)點處測量非球面表面。
[0010]光學波前傳感器的有限視場使得具有簡單的球面或者平面形式的測試波陣面類似地近似非球面測試表面的有限大小的區(qū)。盡管可以形成更復(fù)雜的測試波陣面來近似非球面測試表面的更大的區(qū)或者具有更復(fù)雜形狀的區(qū)，但必須確定測量波陣面自身的形狀，這可能引入了其它誤差源和測量模糊性。由此，在可能時，更簡單形式的測量波陣面通常是優(yōu)選的。
[0011]在光學波前傳感器可以近似非球面測試表面的有限區(qū)的形狀的有限視場內(nèi)的測量波陣面的程度上，光學波前傳感器可以用于測量非球面表面的多個部分重疊的區(qū)。通常需要光學波前傳感器和非球面測試表面之間的相對運動來測量該多個區(qū)。各區(qū)之間的重疊域包含冗余數(shù)據(jù)，該冗余數(shù)據(jù)的差可以通過關(guān)于公共空間參照系的常規(guī)縫合算法來最小化。特別地，如果測量波陣面具有簡單的形式，例如球面或者平面，在重疊域內(nèi)延伸的光學波前傳感器測量的點的高密度使得能夠?qū)⒅丿B區(qū)的各個測量集合為具有高精度的公共的空間參照系。也就是說，可得到的用于縫合算法處理的大量的重合點可用于將在不同空間參照系內(nèi)進行的測量融合至高精度。
[0012]單點輪廓測定儀，如其名稱所暗示的，一次測量非球面測試表面上的一個點。通常需要單點輪廓測定儀和非球面測試表面之間的相對運動來測量非球面測試表面上的后續(xù)(相繼，succeeding)點。給定足夠的軸和相對運動的范圍，可以測量非球面表面的斜率或者曲率中的大的變化。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，單點輪廓測定儀測量的延伸區(qū)域超出了光學波前傳感器測量的一個或者多個有限區(qū)域而延伸。
[0013]可以確定的單點輪廓測定儀的這些相對運動的準確度通常依賴于軸自身的精度和可以測量的它們的運動幅度的準確度。由多個軸施加的運動特別難以以高準確度確認。針對本發(fā)明的特定目的，沿著非球面測試表面上的單獨的軌跡的后續(xù)(相繼)點之間的相對運動優(yōu)選地被限制在單個運動軸上，該軸自身優(yōu)選地展示了高精度(例如可重復(fù)性和精確性)并且優(yōu)選地可以以高準確度測量其位置。通過這種高精度軸施加的運動優(yōu)選地被限制為軸的預(yù)期方向上的運動。由此，沿著這種單獨軌跡測量的所有后續(xù)(相繼)點可以準確地參考單個空間參照系?？梢栽诜乔蛎鏈y試表面的延伸區(qū)域內(nèi)捕捉超過一條這樣的軌跡以便增加測量該延伸區(qū)域的點的數(shù)量。
[0014]優(yōu)選地，非球面表面的延伸區(qū)域內(nèi)的至少一條這樣的軌跡與通過光學波前傳感器測量的非球面表面的有限區(qū)域內(nèi)的至少一個區(qū)相交。相交線包含了關(guān)于非球面測試表面上多個點的冗余數(shù)據(jù)。相應(yīng)地，相交軌跡的空間參照系可以相對地適配到有限區(qū)域內(nèi)的相交區(qū)的空間參照系以便將組合的測量關(guān)聯(lián)到公共參照系。不與光學波前傳感器測量的有限區(qū)域相交的、由單點輪廓測定儀測量的延伸區(qū)域內(nèi)的任何剩余的軌跡優(yōu)選地彼此相交。盡管兩條軌跡之間的相交點處的冗余測量的數(shù)量可能受限，但仍可以為這兩條軌跡導出公共參照系。
[0015]最終，光學波前傳感器和單點輪廓測定儀二者利用其進行測量的所有空間參照系都適配到全局參照系。將各空間參照系適配到全局參照系的方法通常受到在不同空間參照系內(nèi)進行的測量中的冗余點數(shù)量以及已知的這些點相對確定性的影響。因為在通過光學波前傳感器測量的重疊區(qū)之間的通常更大數(shù)量的冗余點，相比于通過單點輪廓測定儀測量的相交軌跡之間的通常更少的冗余點，所述重疊區(qū)通常更為影響對于全局參照系的適配性。中間數(shù)量的冗余點通常與由單點輪廓測定儀測量的軌跡和由光學波前傳感器測量的區(qū)的相交點相關(guān)聯(lián)，并且該影響或者當適配到全局參照系時的這些中間數(shù)量的冗余點很大程度上成比例，即，小于重疊區(qū)之間的冗余點但是大于相交軌跡之間的冗余點。然而，可以基于冗余點在它們的空間參照系內(nèi)的量化不確定性以及通過其定義各自參照系的進一步的量化不確定性來制定公差(allowance)。
[0016]光學波前傳感器和單點輪廓測定儀的測量以高精度測量非球面表面針對在空間參照系內(nèi)定義的基準的相對局部高度變化。然而，空間參照系自身通常以更低的精度已知。例如，測量波陣面的曲率半徑和單點輪廓測定儀的空間位置和方位可能不是精確地已知。另外，光學波前傳感器的相對位置和方位關(guān)于單點輪廓測定儀的探頭的任一位置可能不是精確地已知。然而，通過組合兩種儀器并且處理它們的測量區(qū)域的重疊部分內(nèi)的冗余數(shù)據(jù)，可以減少每種儀器的測量模糊性并且可以以相對于公共基準的高精度來測量兩種儀器的組合測量值。
[0017]根據(jù)一優(yōu)選實施方案，光學波前傳感器和單點輪廓測定儀共用公共的光軸，并且可以將測量非球面測試表面的不同部分所需的任何相對運動施加到非球面測試表面。實際上，光學波前傳感器和單點輪廓測定儀二者可以共用相同的物鏡，用于(a)形成光學波前傳感器可能需要的匯聚或者發(fā)散測量波陣面以及(b)形成單點輪廓測定儀可能需要的非球面測試表面上的聚焦的光束。為了利用光學波前傳感器進行測量，可以將非球面測試表面沿著光軸相對定位在共焦位置上，在該共焦位置上，測量波陣面以接近正交的入射從非球面測試表面反射，用于測量作為在其他方式球面波陣面中的像差的表面變化。為了利用單點輪廓測定儀進行測量，可以將非球面表面沿著光軸相對定位在貓眼位置，用于測量非球面表面上的點關(guān)于物鏡的焦點(即球面波陣面的曲率中心)的相對位移。可以測量共焦和貓眼測量位置之間的位移來確定測量波陣面在共焦位置處的曲率半徑。尤其是如果共用公共光軸，可以一起使用光學波前傳感器和單點輪廓測定儀來解決測量模糊性(諸如測量波陣面的曲率半徑)以及將兩種儀器彼此校準和與非球面測試表面校準。
[0018]作為本發(fā)明的一個示例，一種測量非球面測試表面的裝置包括(a)光學波前傳感器，用于測量在非球面測試表面內(nèi)的有限區(qū)域內(nèi)的非球面測試表面的一個或者多個區(qū)上的表面高度變化；以及(b)單點輪廓測定儀，用于測量在非球面測試表面內(nèi)的延伸區(qū)域內(nèi)的沿著非球面測試表面的一條或者多條軌跡的表面高度變化。延伸區(qū)域包括與有限區(qū)域的至少一部分重疊的部分和不與任何有限區(qū)域重疊的部分。處理器至少部分地通過在這兩個區(qū)域內(nèi)重疊部分內(nèi)最小化波前傳感器和輪廓測定儀測量值之間的差來組合有限區(qū)域內(nèi)的波前傳感器的表面高度測量和延