CN104903678A - 集成的波前传感器和轮廓测定仪 - Google Patents

Abstract

一种用于测量非球面光学表面的仪器，包括：光学波前传感器和单点光学轮廓测定仪这两者。所述光学波前传感器测量在非球面测试表面的一个或者多个区上的表面高度变化。所述单点轮廓测定仪测量沿着所述非球面测试表面上的一条或者多条轨迹的表面高度变化。至少一条所述轨迹与至少一个所述区相交，并且，通过使所述区和轨迹之间的名义上的重合点之间的差值最小化，将用于所述轨迹和区的各自的空间参照系彼此相对地适配。

Description

集成的波前传感器和轮廓测定仪

技术领域

本发明涉及光学计量领域中的使用光学测量技术的组合来测量非球面表面，且因而，具体涉及光学波前感测和单点轮廓测定法这两者、以及通过这样的技术进行的测量的集成。

背景技术

对于通常可以被定义为与平面、柱面和球面不同的表面的非球面表面而言，对它们进行测量比对具有更简单形式的表面进行测量呈现了诸多挑战。尽管对它们进行测量存在增加的难度，还是必须以与测量更简单形式的表面的精度类似的精度来经常对非球面表面进行测量。对非球面表面进行测量的具体的问题在于，非球面表面的局部曲率和斜率的大的变化，这可能对于捕捉以及与基准(datum)进行比较都是困难的。

在常规的表面测量技术中，光学波前感测通常提供了对测试表面的有限大小的区(即，子孔径(子孔口，subaperture))测量的高精度。经常需要进行多个这种子孔径测量来测量整个测试表面。通过将子孔径测量“缝合(接合，stitch)”在一起形成测试表面的复合测量，在邻接的子孔径测量之间的重叠区域内的冗余数据可以用于补偿定位不确定性以及测量之间的其他差异。

然而，通过常规的波前感测技术可以容纳的表面变化的范围是有限的。通常，以近似所针对的测试表面的预期形状的参考形状(诸如球面形状)，生成测量波阵面(波前，wavefront)。在面对测试表面(例如，从测试表面反射)时，测量波阵面的形状根据测量表面的实际形状和测量波阵面的原始形状之间的任何差异而产生像差(aberrate)。波前传感器在返回的测量波阵面中记录该像差。在超出了许多波前传感器的范围或者超出了将测量波阵面传递给传感器的光学器件的孔径的这种测量波阵面中，许多非球面表面的曲率和斜率变化可以产生像差。

延伸通过常规波前感测技术可以容纳的表面变化的范围的方法包括：减小子孔径的大小并且调整测量波阵面的参考形状以便更好地匹配所测试的各个子孔径表面区的预期形状。减少子孔径测量的大小增加了子孔径测量的数量，这典型地增加了所附带的用于将子孔径缝合在一起的处理量以及缝合后的测量的不确定性。调整测量波阵面的参考形状增加了误差来源和测量的模糊性，这是因为形状调整本身必须被测量或者以其他方式确定，使得参考形状可以用作测量波阵面中的像差可以与之比较的基准。

另一种常规的表面测量技术，单点轮廓测定法，使用探头(例如，机械或者光学探头)来一次测量测试表面上的一个点。尽管探头自身通常沿着单一维度进行测量，但还必须在其他相对维度上测量探头和测试表面之间的相对运动，以便将探头的不同测量彼此相关联，并且与测试表面的预期形状进行关联。为了测量非球面表面，具体而言利用光学探头，通常需要沿着旋转和平移轴线这两者/在旋转和平移轴线这两者附近的运动来将探头基本上定位在与非球面表面上的不同测试点正交。多个轴线的测量难以实现所需的精度，并且具有足够分辨率的覆盖测试表面的大量的各个点的测量是耗时的。

发明内容

本发明在其优选实施方案中组合了光学波前感测和单点轮廓测定学二者的技术，以便测量更宽范围的非球面表面，特别是包括通过常规生成的波阵面不容易表示的斜率或者曲率变化的这种表面。通过光学波前传感器来测量这种非球面表面的至少一个有限区域，通过单点轮廓测定仪来测量同一非球面表面的延伸区域。通过光学波前传感器测量的非球面表面的每个有限区域具有更有限的斜率或者曲率变化，使得可以通过常规生成的光学波阵面来容易地近似每个有限区域内的一个或者多个重叠的子孔径。单点轮廓测定仪测量的非球面表面的延伸区域可以包含不能被常规的光学波阵面这样容易近似的斜率或者曲率变化。尽管延伸的区域可能涵盖整个非球面表面，但延伸区域与光学波前传感器测量的有限区域的至少一部分重叠并且延伸超出了有限区域以便测量至少一些剩余的非球面表面。可以通过相对地调节两种测量技术的空间参照系来最小化重叠测量之间的任何差异，以便在公共空间参照系内产生两个区域的集成的测量。

可以布置光学波前传感器来测量有限区域内的一个或者多个区的每一个(即，子孔径)内的点阵列。可以布置单点轮廓测定仪来测量沿着延伸区域内的一条或者多条轨迹的每一条的相继(连续，a succession of)点。至少一条轨迹延伸进入有限区域，使得沿着该轨迹的一定数量的点与有限区域的一个或者多个区内的相等数量的点重合。重合点与它们的空间参照系的操作定义一起提供了在公共空间参照系内集成光学波前传感器和单点轮廓测定仪的测量的基础。

尽管光学波前传感器仅仅可以测量非球面测试表面的有限区域，也可以一次测量非球面表面的整个区。尽管单点轮廓测定仪可以一次测量仅仅测量一个点，也可以测量具有更复杂形状的非球面表面的剩余区域。光学波前传感器和单点轮廓测定仪可以一起测量比可单独通过光学波前传感器容易地测量的非球面表面的更宽范围，并且可以在比可单独通过单点轮廓测定仪容易地测量的更多的数据点处测量非球面表面。

光学波前传感器的有限视场使得具有简单的球面或者平面形式的测试波阵面类似地近似非球面测试表面的有限大小的区。尽管可以形成更复杂的测试波阵面来近似非球面测试表面的更大的区或者具有更复杂形状的区，但必须确定测量波阵面自身的形状，这可能引入了其它误差源和测量模糊性。由此，在可能时，更简单形式的测量波阵面通常是优选的。

在光学波前传感器可以近似非球面测试表面的有限区的形状的有限视场内的测量波阵面的程度上，光学波前传感器可以用于测量非球面表面的多个部分重叠的区。通常需要光学波前传感器和非球面测试表面之间的相对运动来测量该多个区。各区之间的重叠域包含冗余数据，该冗余数据的差可以通过关于公共空间参照系的常规缝合算法来最小化。特别地，如果测量波阵面具有简单的形式，例如球面或者平面，在重叠域内延伸的光学波前传感器测量的点的高密度使得能够将重叠区的各个测量集合为具有高精度的公共的空间参照系。也就是说，可得到的用于缝合算法处理的大量的重合点可用于将在不同空间参照系内进行的测量融合至高精度。

单点轮廓测定仪，如其名称所暗示的，一次测量非球面测试表面上的一个点。通常需要单点轮廓测定仪和非球面测试表面之间的相对运动来测量非球面测试表面上的后续(相继，succeeding)点。给定足够的轴和相对运动的范围，可以测量非球面表面的斜率或者曲率中的大的变化。根据本发明的优选实施方案，单点轮廓测定仪测量的延伸区域超出了光学波前传感器测量的一个或者多个有限区域而延伸。

可以确定的单点轮廓测定仪的这些相对运动的准确度通常依赖于轴自身的精度和可以测量的它们的运动幅度的准确度。由多个轴施加的运动特别难以以高准确度确认。针对本发明的特定目的，沿着非球面测试表面上的单独的轨迹的后续(相继)点之间的相对运动优选地被限制在单个运动轴上，该轴自身优选地展示了高精度(例如可重复性和精确性)并且优选地可以以高准确度测量其位置。通过这种高精度轴施加的运动优选地被限制为轴的预期方向上的运动。由此，沿着这种单独轨迹测量的所有后续(相继)点可以准确地参考单个空间参照系。可以在非球面测试表面的延伸区域内捕捉超过一条这样的轨迹以便增加测量该延伸区域的点的数量。

优选地，非球面表面的延伸区域内的至少一条这样的轨迹与通过光学波前传感器测量的非球面表面的有限区域内的至少一个区相交。相交线包含了关于非球面测试表面上多个点的冗余数据。相应地，相交轨迹的空间参照系可以相对地适配到有限区域内的相交区的空间参照系以便将组合的测量关联到公共参照系。不与光学波前传感器测量的有限区域相交的、由单点轮廓测定仪测量的延伸区域内的任何剩余的轨迹优选地彼此相交。尽管两条轨迹之间的相交点处的冗余测量的数量可能受限，但仍可以为这两条轨迹导出公共参照系。

最终，光学波前传感器和单点轮廓测定仪二者利用其进行测量的所有空间参照系都适配到全局参照系。将各空间参照系适配到全局参照系的方法通常受到在不同空间参照系内进行的测量中的冗余点数量以及已知的这些点相对确定性的影响。因为在通过光学波前传感器测量的重叠区之间的通常更大数量的冗余点，相比于通过单点轮廓测定仪测量的相交轨迹之间的通常更少的冗余点，所述重叠区通常更为影响对于全局参照系的适配性。中间数量的冗余点通常与由单点轮廓测定仪测量的轨迹和由光学波前传感器测量的区的相交点相关联，并且该影响或者当适配到全局参照系时的这些中间数量的冗余点很大程度上成比例，即，小于重叠区之间的冗余点但是大于相交轨迹之间的冗余点。然而，可以基于冗余点在它们的空间参照系内的量化不确定性以及通过其定义各自参照系的进一步的量化不确定性来制定公差(allowance)。

光学波前传感器和单点轮廓测定仪的测量以高精度测量非球面表面针对在空间参照系内定义的基准的相对局部高度变化。然而，空间参照系自身通常以更低的精度已知。例如，测量波阵面的曲率半径和单点轮廓测定仪的空间位置和方位可能不是精确地已知。另外，光学波前传感器的相对位置和方位关于单点轮廓测定仪的探头的任一位置可能不是精确地已知。然而，通过组合两种仪器并且处理它们的测量区域的重叠部分内的冗余数据，可以减少每种仪器的测量模糊性并且可以以相对于公共基准的高精度来测量两种仪器的组合测量值。

根据一优选实施方案，光学波前传感器和单点轮廓测定仪共用公共的光轴，并且可以将测量非球面测试表面的不同部分所需的任何相对运动施加到非球面测试表面。实际上，光学波前传感器和单点轮廓测定仪二者可以共用相同的物镜，用于(a)形成光学波前传感器可能需要的汇聚或者发散测量波阵面以及(b)形成单点轮廓测定仪可能需要的非球面测试表面上的聚焦的光束。为了利用光学波前传感器进行测量，可以将非球面测试表面沿着光轴相对定位在共焦位置上，在该共焦位置上，测量波阵面以接近正交的入射从非球面测试表面反射，用于测量作为在其他方式球面波阵面中的像差的表面变化。为了利用单点轮廓测定仪进行测量，可以将非球面表面沿着光轴相对定位在猫眼位置，用于测量非球面表面上的点关于物镜的焦点(即球面波阵面的曲率中心)的相对位移。可以测量共焦和猫眼测量位置之间的位移来确定测量波阵面在共焦位置处的曲率半径。尤其是如果共用公共光轴，可以一起使用光学波前传感器和单点轮廓测定仪来解决测量模糊性(诸如测量波阵面的曲率半径)以及将两种仪器彼此校准和与非球面测试表面校准。

作为本发明的一个示例，一种测量非球面测试表面的装置包括(a)光学波前传感器，用于测量在非球面测试表面内的有限区域内的非球面测试表面的一个或者多个区上的表面高度变化；以及(b)单点轮廓测定仪，用于测量在非球面测试表面内的延伸区域内的沿着非球面测试表面的一条或者多条轨迹的表面高度变化。延伸区域包括与有限区域的至少一部分重叠的部分和不与任何有限区域重叠的部分。处理器至少部分地通过在这两个区域内重叠部分内最小化波前传感器和轮廓测定仪测量值之间的差来组合有限区域内的波前传感器的表面高度测量和延伸区域内的单点轮廓测定仪的表面高度测量，。由此产生的是非球面测试表面的组合区域的表面高度测量的集成阵列，该非球面测试表面的组合区域包括有限区域与延伸区域的重叠部分和延伸区域的非重叠部分。

优选地，光学波前传感器包括：波阵面整形器，用于产生一个或者多个测量波阵面，其中每一个的形状近似非球面测试表面的一个或者多个区的形状；成像系统，将非球面测试表面的一个或者多个区中的每一个成像到检测器，以便将一个或者多个测量波阵面中每一个的形状与非球面测试表面的一个或者多个区中的每一个的形状进行比较。一个或者多个运动台优选地提供将光学波前传感器和单点轮廓测定仪相对于非球面测试表面的安装夹具的相对移动，用于测量有限区域内的非球面测试表面的一个或者多个区和延伸区域内的非球面测试表面上的一条或者多条轨迹。优选地，光学波前整形器和单点轮廓测定仪共用具有公共光轴的光学系统的一个或者多个光学器件，沿着该公共光轴(a)在光学系统的共焦位置处进行光学波前传感器的测量；(b)在同一光学系统的猫眼位置处进行单点轮廓测定仪的测量。

作为本发明的另一示例，一种测量非球面测试表面的方法，包括另一波阵面整形器生成一个或者多个测量波阵面。一个或者多个测量波阵面的每一个在非球面测试表面的有限区域内具有近似于非球面测试表面的一个或者多个区中每一个的弯曲的形状。该一个或者多个测量波阵面在从非球面测试表面的一个或者多个区上反射时，被成像到检测器，并且一个或者多个成像后的测量波阵面与基准进行比较，诸如参考波阵面或者波前传感器的参考平面，以便获得在非球面测试表面的一个或者多个区中每一个上的表面高度变化的测量值。单点轮廓测定仪将光聚焦到非球面测试表面的延伸区域内的沿着非球面测试表面上一条或者多条轨迹的相继点中的每一个。延伸区域包括与有限区域的至少一部分重叠的部分和不与有限区域的任何部分重叠的部分。监视来自单点轮廓测定仪的信号以便获得沿着非球面测试表面上的一条或者多条轨迹的相继点中的表面高度变化的测量值。通过在这两个区域内重叠部分内最小化光学波前传感器和单点轮廓测定仪的表面高度测量值之间差来组合有限区域内的光学波前传感器的表面高度测量和延伸区域内的单点轮廓测定仪的表面高度测量，。产生非球面测试表面的组合区域的表面高度测量的集成阵列，该非球面测试表面的组合区域包括有限区域与延伸区域的重叠部分和延伸区域的非重叠部分。

优选地，光学波前传感器测量非球面测试表面上一个或者多个区上的点阵列，单点轮廓测定仪测量沿着非球面测试表面上一条或者多条轨迹中每一条的相继点。单点轮廓测定仪与沿着每一条轨迹进行测量的非球面测试表面之间的相对运动优选地由有限数量的运动轴施加，并且更优选地由单个运动轴施加。每个区具有每个区上测试点阵列的空间参照系，每条轨迹具有沿着每条轨迹的相继点的空间参照系。一条或者多条轨迹与一个或者多个区在非球面测试表面上的名义上的重合点(nominally coinciding point)处相交。可以通过在每个区上测量点的阵列和沿着每条轨迹的相继点的公共参照系内最小化名义上的重合点之间的差，而将每个相交的区每条相交的轨迹的空间参照系相对地适配到公共参照系。

例如，该一个或者多个区可以包括具有第一参照系的第一区，该一条或者多条轨迹可以包括具有第二参照系的第一轨迹和具有第三参照系的第二轨迹。第一和第二轨迹在非球面测试表面上的第一和第二组名义上的重合点处与第一相交。将第一、第二和第三参照系相对地适配到公共参照系，使得在第一区和第一和第二轨迹的公共参照系内最小化第一和第二组的每一个内的名义上重合点之间的差。

可替换地，该一个或者多个区可以包括具有第一参照系的第一区和具有第二参照系的第二区。该一条或者多条轨迹可以包括具有第三参照系的第一轨迹和具有第四参照系的第二轨迹。第二区在非球面测试表面上的第一阵列的名义上的重合点处与第一区的一部分重叠，第一和第二轨迹在非球面测试表面上的第一和第二组名义上的重合点处与第一和第二区的至少一个相交。通过顺序地或者一起最小化第一阵列内的以及第一和第二组中每一个内的名义上的重合点之间的差，将所有四个参照系相对地适配到公共参照系。

单点轮廓测定仪的测量轴优选地相对于非球面测试表面的安装夹具相对移动，用于测量延伸区域内的沿着非球面测试表面上的一条或者多条轨迹的相继点中的表面高度变化。光学波前传感器的测量轴也优选地相对于非球面测试表面的安装夹具相对移动，用于测量有限区域内的非球面测试表面的一个或者多个区中每一个内的点阵列中的表面高度变化。优选地通过一个或者多个公共的运动轴施加单点轮廓测定仪和光学波前传感器的测量轴的相对运动。优选地将用于测量非球面测试表面上的各条轨迹的单点轮廓测定仪的相对运动限制在沿着/围绕单个运动轴的运动。

附图说明

图1是利用光学波前传感器来进行非球面测试表面的测量的第一设置的集成光学波前传感器和单点轮廓测定仪的图。

图2是利用单点轮廓测定仪来进行非球面测试表面的测量的第二设置的相同的集成光学波前传感器和单点轮廓测定仪的图。

图3是示出向沿着非球面测试表面的圆形轨迹进行测量的单点轮廓测定仪的光轴倾斜的非球面测试表面的分离图。

图4是示出(a)参考第一空间参照系的光学波前传感器的单一测量区和参考第二空间参照系的单点轮廓测定仪的单一测量轨迹的组合的非球面测试表面的透视图，其中出于图示的目的，两个空间参照系相对位移了一夸大量。

图5A-5L是示出光学波前传感器的一个或者多个测量区与单点轮廓测定仪的一个或者多个测量轨迹的组合的非球面表面的类似的轴视图。

图6是沿着不同的但是平行的光轴操作的集成的光学波前传感器和单点轮廓测定仪的可替换布置的图，其中共用多轴台相对于两个光轴相对地定位非球面测试表面。

具体实施方式

通过图1和图2描绘了两种不同操作设置的作为集成的光学波前传感器和单点轮廓测定仪10的本发明的实施方案。在图1中，布置该集成的光学波前传感器和单点轮廓测定仪10作为光学波前传感器12进行测量。在图2中，布置该集成的光学波前传感器和单点轮廓测定仪10作为单点轮廓测定仪14进行测量。光学波前传感器12和单点轮廓测定仪10共用公共轴16以及沿着光轴16布置的用于将光从公共光源18传递到非球面测试表面20的多个光学器件。

公共光源18发射发散的测量光束22，其由光束分离器24反射以沿着光轴16传播。与常规的光学波前传感器和单点轮廓测定仪相同，光源18可以是任何已知的光源，诸如具有光束整形光学器件的激光器，以产生所需要的光束发散。优选地，相对于光学波前传感器12和单点轮廓测定仪14的空间和时间上相干性需求来优化光源18。也可以使用单独的光源来满足光学波前传感器12和单点轮廓测定仪14的独立的照射需求。

准直光学器件26将发散的测量光束22转换为具有平面波阵面的准直测量光束28。物镜30包括波阵面整形器32，其包含一个或多个光束整形光学器件用于生成具有球面测试波阵面36的汇聚的测试光束34。可以使用波阵面整形器32内的替代的或者可调节的光束整形光学器件来产生具有其他形状的测试光束。测试波阵面36的形状优选地近似其针对的非球面测试表面20的区38的预期形状。当将光学波前传感器12布置为干涉仪时，物镜30还可以包括菲索(Fizeau)参考表面40，用于回射准直测量光束28的一部分作为具有平面参考波阵面44的参考光束42.

非球面测试表面20是安装在多轴台50上的测试部分46的表面，多轴台50具有三个平移正交轴X,Y,和Z以及两个旋转正交轴α和β。在所示的设置中，旋转轴α平行于Z平移轴而延伸，旋转轴β平行于Y平移轴而延伸。尽管旋转轴α和β彼此正交，但在围绕轴α或β旋转时，围绕β旋转轴的旋转轴改变了α旋转轴与X和Z平移轴的方位。在必要时还可以提供第三正交旋转轴来提供非球面测试表面20与光学波前传感器12或单点轮廓测定仪14之间全部6个自由度。可以以其他方式来配置各个平移轴和旋转轴，来针对诸如限制用于实现期望的相对运动所需数量的运动轴之类的目的。优选地，将旋转轴α和β形成为高精度空气轴承的样式，特别是针对可重复性和最小误差运动的目的。传感器提供了监视沿着三个平移轴X,Y和Z以及围绕两个旋转轴α和Β的移动。

非球面测试表面20的区38与球面测试波阵面36的形状球面测试波阵面36的入射点处匹配的程度，测试波阵面36以其原始形式沿着其原始的路径回射返回物镜30。由此，沿着光轴16，非球面测试表面20位于光学波前传感器12的共焦位置。照射区38的形状与球面测试波阵面36的形状在球面测试波阵面36的入射点处之间的差异产生了测试光束34中的改变，其在从区38反射的像差的测试波阵面52中暂存(register)。

在透射过物镜30时，像差的测试波阵面52被转换为像差的平面测试波阵面54。在菲索参考表面40上(假设光学波前传感器12被布置为干涉仪)，像差的平面测试波阵面54与反射的平面参考波阵面44重新组合。准直光学器件26，连同另一准直光学器件56，将像差的平面测试波阵面54与平面参考波阵面44一起中继到检测器60，当被布置为用于干涉仪测量目的时，检测器60捕捉作为结果的干涉图案。物镜30与中继光学器件26和56还参与将非球面测试表面20的区38的图像中继到检测器60的检测器表面62上，以便将检测器表面62上的像素与区38内的对应点相关联。例如，可以根据常规实践来分析检测器表面62的像素所捕捉的干涉图案的所测试的各个强度，以便测量区38内对应点的阵列相对于测试波阵面36的原始球面形状的高度变化。还必须考虑球面测试波阵面36的形状与区38的预期或者理想的形状之间的任何差异，以便参考相对于区38的预期形状的测试的高度变化作为非球面测试表面20的测量误差。需要类似的转换用于由不同于球面形状的波阵面整形器32产生的测试波阵面。

尽管已经将光学波前传感器12描述为作为干涉仪操作，然而，可以使用相同的基本组件配置而将光学波前传感器12操作为波形测量仪器。在这种布置中，物镜30不包括用于回射参考波阵面44的菲索参考表面40。只是将像差的平面测试波阵面54中继到检测器60，检测器60可以被布置为测量像差的平面测试波阵面54与平面形式的变化的Shack-Hartman波前传感器。根据常规实践类似地分析检测器表面62的像素记录的局部变化，以便测量整个区38的点阵列相对于球面测试波阵面36的原始形状的高度变化。

通常，像差的测试波阵面54的测量的像差不直接对应于非球面测试表面20的形状与其预期形状或者理想形状的偏差。相反，测量像差的测试波阵面54关于测试波阵面36的原始形状的像差，测试波阵面36如果没有像差，以平面形式返回到检测器60。然而，测试波阵面36的原始形状可能仅仅近似区38的预期或者理想形状。由此，为了测量作为区38的形状的误差的高度变化，还必须确定原始测试波阵面36的形状与区38的预期或者理想形状之间的任何差异，或者这种差异以其他方式是已知的。已知各种技术用于确定测试波阵面36的原始形状和球面测试波阵面，所有剩下待确定的是球面测试波阵面在非球面测试表面20上的入射点处的曲率半径。如以下进一步描述的，集成的单点轮廓测定仪14提供了直接测量这种曲率半径。

尽管在图1中光学波前传感器12被示出以汇聚测试光束34入射在非球面测试表面20上，非球面测试表面20可以沿着多轴台50的Z轴平移通过相交点(参加图2的焦点66)，汇聚测试光束34在该相交点变成发散的测试光束，用于类似地测量具有凹形表面轮廓的非球面测试表面的区。可替换地，可以直接生成发散的测试光束。还可以施加多轴台50的一个或者多个相对运动来测量非球面测试表面20的其他区，如以下将进一步讨论的。

如图2所示，还可以布置相同的集成光学波前传感器和单点轮廓测定仪10，来作为单点轮廓测定仪14进行测量。然而，取代了将集成光学波前传感器和单点轮廓测定仪10相对放置在共焦测量位置，该集成光学波前传感器和单点轮廓测定仪10被相对地放置在汇聚测试光束34的焦点入射在非球面测试表面20上的猫眼测量位置处。最多地，如果不是这样，所有的光学器件可以与被布置用作光学波前传感器14的那些光学器件相同。然而，出于测量便利的目的，单点轮廓测定仪14利用光束分离器68将一部分返回的测量光束22转向焦点检测器70，用于测量非球面测试表面20在汇聚测试光束34的焦点66处的高度变化。焦点检测器70可以采用各种常规形式而使用各种常规技术来解读该高度变化，所述各种常规技术诸如是，强度检测、焦点变化、差分检测、散光方法、聚焦(focault)方法、共焦缩微，或者相位检测和条纹计数方法。

可以取决于为测量非球面测试表面20上的各个点的相对高度选取的焦点检测技术的类型来优化单点轮廓测定仪14。例如，可以将光源18的空间或者时间特征适配于该测量技术，这可能使得必须使用第二光源用于该单点轮廓测定仪14。可以使用类似于光束分离器24的附加光束分离器来将第二光源附加到集成光学波前传感器和单点轮廓测定仪10。

取代焦点检测器70或者除了焦点检测器70之外，使用诸如干涉测量学的相位测量和条纹计数方法之类的测量技术，还可以使用检测器60来测量焦点66处的高度变化。事实上，由角度倒置(即，反射)产生的干涉图案在焦点处的整个外观导致对于这种测量位置被命名为猫眼。

可以监视，如可能沿着多轴台50的Z轴所施加的，集成光学波前传感器和单点轮廓测定仪10沿着光学波前传感器12的共焦位置与单点轮廓测定仪14的猫眼位置之间的光轴16相对于非球面测试表面20的相对平移量，作为测试波阵面36在非球面测试表面20上的入射点处的曲率半径的测量(即，作为区域38上的局部半径)。

诸如测试波阵面36之类的球面测试波阵面，其在汇聚或者发散光束中传播时保持球面，但是球面测试波阵面的曲率半径随着光束的汇聚或者发散而变化。必须确定或者以其他方式已知原始测试波阵面36在球面测试表面20上的入射点处的曲率半径用于基准，可以针对该基准测量像差的测试波阵面52中的高度变化。由此，单点轮廓测定仪14可以连同光学波前传感器12一起使用来测量测试波阵面36的曲率半径，以便提供所需的基准，可以针对所需的基准来测量像差的测试波阵面52内体现的高度变化。光学波前传感器12和单点轮廓测定仪14不仅共用公共光轴16而且还共用多轴台50的平移轴X,Y,Z和旋转轴α，β，可以使用不同轴位置的冗余测量来进一步使得光学波前传感器12和单点轮廓测定仪14相对于彼此校准以及相对于非球面测试表面20或者已知的参考表面校准。

需要集成光学波前传感器和单点轮廓测定仪1010与非球面测试表面20之间的相对运动来测量非球面测试表面20上的附加区或者点。单点轮廓测定仪14的相对运动，同时需要收集关于该运动的附加数据，允许进行具有比利用光学波前传感器12进行测量实际上的斜率或者曲率中的更大变化的非球面表面的测量。

为了测量非球面测试表面上的相继点处的高度变化，还必须记录进行单点测量的相对位置的变化以便将所测量的高度变化与非球面表面上的位置相关联。如可以通过多轴台50施加的，焦点66在光轴16上的相对平移和旋转定义了高度变化参考的基准表面。多个运动轴易于复合定位误差和并且从可以定义测量基准的精度偏离。相应地，优选地获取单点轮廓测定仪测量作为沿着由相对运动产生的各条轨迹的非球面表面20上的相继点，所述相对运动沿着或者围绕单个平移轴X,Y或Z，或者旋转轴α或β。

在图3中，被假定为在旋转方向上对称的非球面测试表面20以固定角度β₁围绕旋转轴β倾斜，并且以围绕旋转轴α旋转，通过焦点66沿着非球面测试表面20上的圆形轨迹76移动的一系列测量位置。围绕旋转轴α的旋转运动优选地是相继的，并且优选地以给定的采样率或者集成间隔来采集一系列测量位置处的各个测量值。旋转轴β以及三个平移轴X,Y和Z对于所有的测量是固定的。运动仅仅围绕旋转轴α发生，旋转轴α优选地是高精度、可重复性和分辨率的轴。在沿着轨迹76所测量的点之间必须捕捉的唯一位置数据是围绕旋转轴α的角位置的改变。可以沿着相同的轨迹76进行重复测量以便评估测量的确定性或者改进测量的精度。可以以多轴台50的不同设置测量达到高精度的类似的轨迹以便采集关于非球面测试表面20的其他部分的信息。可以测量的沿着各条轨迹的点的高相对位置精度使得能够沿着各条轨迹的所有测量点共用公共的空间参照系。可以从在各条轨迹中固定的轴(例如X,Y,Z和β)的相对位置的测量来近似与每条轨迹相关联的空间参照系(即，轨迹的相对方位和位置)。然而，对于各条轨迹已知的空间参照系的精度通常小于所需测量的点的精度。尽管可能需要沿着/围绕不止一个运动轴来测量缺乏旋转或者平移对称性的沿着非球面表面上轨迹的相继点，但优选地将运动轴的数量最小化以便减少每条轨迹的测量点之间的误差源。

例如，如在图4所示的，光学波前传感器12获取通过有限区域84的相邻测量点81的阵列，单点轮廓测定仪14获取非球面测试表面20的延伸区域86内的沿着子午线轨迹82的相继测量点83。在该示例中，由光学波前传感器12测量的有限区域84包括其中以光学波前传感器12的单一设置获取测量点81的单一中心区80，有限区域84可以以其他方式包含多个重叠测量区。类似地，延伸的区域86包括以单点轮廓测定仪14的单一设置获取测量点83的单一子午线轨迹82，延伸的区域86可以以其他方式包含更全面地体现延伸区域86的特征的多个轨迹。

尽管子午线轨迹82呈现的延伸区域86有一些模糊，缺少假设非球面测试表面20的旋转对称性，延伸区域86明显与有限区域84重叠，同时还超出了有限区域84而延伸。由此，有限区域84提供了非球面测试表面20内的相对受限制的空间的测量，而延伸区域86提供了整个非球面测试表面20的属性的测量。

有限区域84的中心区80内的测量点81的阵列基于多轴台50的轴X、Y、Z、α和β的测量位置而参考第一空间参照系R₁，它们在光学波前传感器12获取中心区80的期间是固定的。中心区80内的所有测量点81共用相同的第一空间参照系R₁，但是它们各自的高度测量和它们在中心区80内的从检测器表面62外插的位置在第一空间参照系R₁内不同。另外，在单点轮廓测定仪14获取子午线轨迹82期间，沿着子午线轨迹82的相继测量点83基于多轴台50的固定轴X、Y、Z和α的测量位置而参考第二空间参照系R₂。沿着子午线轨迹82的所有测量点83共用相同的第二空间参照系R₂，但是它们各自的高度测量和它们围绕多轴台50的β旋转轴测量的相对位移不同。可以在笛卡尔坐标系或者选取的其他坐标系中定义空间参照系R₁和R₂。

沿着单一子午线轨迹82的测量点83的一定数目名义上与中心区80内的测量点81数量相等，这定义了一组在名义上成对的重合点85,87。基于经由坐标轴X,Y,Z，α和β的两个空间参照系R₁和R₂的测量方位，可以将测量点81和83投影到公共的全局网格以识别在名义上重合的点85，87。尽管不总是能找到中心区80的测量点85和子午线轨迹82的测量点87之间的精确的一对一关系，还是可以通过在非球面测试表面20的相继区上分散的、中心区80的测量点81之间进行内插而容易地实现所需的重合性。在本质上，沿着与一区相交的线的所有点具有与该区内的对应点。由此，可以将所测量的点认为重合，作为名义上的重合点，即便它们的测量因为不同参照系或者出于其他原因而不同，所述其他原因诸如是对点密度的限制或者测量它们的精度。

尽管可以在点85和87之间找到名义上的空间重合性，其中子午线轨迹82和中心区80重叠，所测量的重合的点85和87的相对高度在更细微的标尺上经常彼此不同。光学波前传感器12和单点轮廓测定仪14二者通常能够测量高度变化相对于它们的空间参照系R₁和R₂到非常高的精度，这比已知的它们对应的空间参照系R₁和R₂位置和方位的精度更高。通过假设所测量的高度差异能够有助于它们对应的空间参照系R₁和R₂的相对位置和方位的较小的误差，可以使用收敛的算法在其误差裕度内相对地调节(例如，通过坐标变换)两个空间参照系R₁和R₂以便一同最小化相对于公共的空间参照系(在该示例中，其可以是空间参照系R₁或R₂)的重合点85和87之间的所测量的高度差异。由于关于相同的两个原始空间参照系R₁和R₂来测量中心区80内的所有剩余点81和沿着子午线轨迹82的所有剩余点，该收敛算法将中心区80内的所有测量点81和沿着子午线轨迹82的所有测量点83相关到公共的空间参照系，作为非球面测试表面20的有限区域84和延伸区域86的复合的测量。

用于将光学波前传感器的重叠区缝合在一起的这种类型的算法是已知的。这种算法的示例可以在共有的Golini等人的美国专利NO.6,956,657，和Murphy等人的美国专利NO.7,433,057和Murphy等人的美国专利NO.8,203,719中找到，在此通过引用并入所有上述专利的内容。基于沿着子午线轨迹82的所有测量点83共用公共的空间参照系R₂的假设，这些算法类似地用于将光学波前传感器12区(例如80)与单点轮廓测定仪14的轨迹(例如82)缝合在一起。通过限制单点轮廓测定仪14的沿着轨迹(例如82)捕捉测量数据的相对运动，并且通过使用高精度轴，诸如空气轴承，来实施这些运动(诸如被限制为围绕旋转轴β的运动)，可以假设单一参照系(例如R₂)用于沿着各条轨迹(例如82)的测量点(例如83)。

可以在处理器72可访问的计算机存储器内对上述收敛算法进行编程(参见图1和图2)，所述处理器72从光学波前传感器12的检测器60和单点轮廓测定仪14的检测器70接收高度测量值(或者可以被这样解译的信息)，以及从多轴台50接收非球面测试表面20关于集成的光学波前传感器和单点轮廓测定仪10的相对位置的测量值。通常，根据在采集给定区(例如80)或者轨迹(例如82)的数据期间，固定的多轴台50的各轴的位置推导空间参照系(例如，R₁和R₂)。然而，对于光学波前传感器12和单点轮廓测定仪14不同地推导空间参照系内的测量点(例如81和83)的位置。例如，中心区80内的测量点81的位置可以基于光学波前传感器12用于将非球面测试表面20的中心区80以给定的放大率重现在检测器表面62的成像特征。沿着子午线轨迹82的测量点83的位置可以基于优选地沿着/围绕单个轴(例如β)的测量点83之间的测量的移动，这可以以高准确度进行测量。沿着各条轨迹(例如82)进行测量的轴(例如β)的高精度确保了将施加的运动限制在最终测量的期望准确度内的沿着/围绕预期的轴(例如β)的运动而不是其他的。

例如，可以通过一组波前传感器补偿器来定义一个或者多个区中每一个的空间参照系，每一个具有表示已知变量对区空间参照系的影响的幅度和函数形式。类似地，可以通过一组单点轮廓测定仪补偿器来定义一条或者多条轨迹中每一条的空间参照系，每一个具有表示已知变量对轨迹空间参照系的影响的幅度和函数形式。例如可以布置每个补偿器来定义运动轴对空间参照系的影响。可以使用附加的补偿器用于这种目的，诸如定义映射畸变、测量偏置(例如，参考波、光束垂度)、仪器转移函数，以及噪声特征。

与非球面测试表面的一个或者多个区中的至少一个重叠的一条或者多条轨迹中的至少一条定义了一组重叠的表面高度测量。处理器通过识别光学波前传感器补偿器和单点轮廓测定仪补偿器的幅度而将光学波前传感器的表面高度测量与单点轮廓测定仪的表面高度测量组合，由此，在公共参照系内将光学波前传感器和单点轮廓测定仪的重叠的表面高度测量之间的差最小化。

图5A至5L描绘了由光学波前传感器12捕捉的区域和由单点轮廓测定仪14捕捉的轨迹的各种组合，例示出可以组合光学波前传感器12和单点轮廓测定仪14的测量的不同方式，来产生非球面测试表面20的不同区域上的复合测量。

出于比较平面视图的目的，在图5A中重现了图4的单个中心区80和子午线轨迹82。尽管在图5A或示范性序列的其他图中(图5B-5J)中未示出，关于单个空间参照系(例如R₁和R₂)来测量每个区(例如80)内的点(例如83)的阵列和沿着每条轨迹(例如82)的相继点(例如83)，各个参照系通过坐标变换相对适配。区(例如80)占据的相继区被视为由光学波前传感器12测量的有限区域，其测量值可以从轨迹外插的区被视为由单点轮廓测定仪14测量的延伸区域。由单点轮廓测定仪14测量的延伸区域可以包括代表非球面测试表面20的任何部分或者全部的测量，但是总的来说，以低得多的点密度。

在图5B中，光学波前传感器12的单一中心区100与单点轮廓测定仪14的两条轨迹102和104相交，单点轮廓测定仪14的两条轨迹102和104延伸出单一中心区100而将非球面测试表面20的测量延伸超出单一中心区100。贯穿单一中心区100的高度测量具有第一空间参照系，沿着第一轨迹102的高度测量具有第二空间参照系，而沿着第二轨迹104的高度测量具有第三空间参照系。两条轨迹102和104在第一和第二组重合点105和107处与单一中心区100相交。可以使用收敛算法而将第二和第三参照系中的每一个适配到第一参照系，使得在中心区100和第一及第二轨迹102和104的公共参照系内将第一和第二组105和107的重合点之间的差最小化。

类似于前述的例子，图5C描绘了由光学波前传感器12获取的单一区110和由单点轮廓测定仪14获取的第一和第二轨迹112和114.与前述的实施方案相反，仅仅是两条轨迹112和114中的一条轨迹，即第一轨迹112沿着第一组名义上的重合点115与单一中心区110相交。然而，两条轨迹112和114在包括仅仅两对名义上的重合点117和119的第二组名义上的重合点处彼此相交。单一中心区110内的测量点阵列共用第一参照系，沿着第一和第二轨迹112和114的相继点分别共用第二和第三参照系。由处理器72执行的算法相对优选地使得第一、第二和第三参照系相对于彼此适配，使得第一组115内的名义上的重合点之间的差以及两对名义上的重合点117和119的之间的差一起在公共参照系内最小化。该适配还可以顺序地发生，诸如通过将第二和第三参照系适配到第一和第二轨迹112和114的中间参照系，并且然后将中间参照系相对地适配到第一参照系。可替换地，由处理器72执行的算法可以首先相对地将第一和第二参照系彼此进行适配以便在中间参照系内将第一组115内的名义上的重合点之间的差最小化，并且然后将中间参照系相对地适配到第三参照系以便在公共参照系内将两对名义上的重合点117和119之间的差最小化。

图5D描绘了单一中心区120和第一和第二子午线轨迹122和124的另一示例。然而，两条子午线轨迹122和124与单一中心区120相交并且在中心区120内彼此相交。第一和第二子午线轨迹122和124之间的相交点出现在单对名义上的重合点125处。然而，两条子午线轨迹122和124中每一条沿着两组名义上对应点127和129与单一中心区120相交。由于大得多的数量的点可用于将第一和第二子午线轨迹122和124的两个参照系中的每一个适配到单一中心区110的参照系，通常比使得子午线轨迹122和124的两个参照系相对地适配于彼此而言，给予更多的权重来相对地将子午线轨迹122和124的两个参照系适配到单一中心区120的参照系。然而，如果已经已知第一和第二子午线轨迹122和124的两个参照系高精确度地关联于中间参照系(诸如通过预校准)，则中间参照系可能相对地适配为单一中心区120的参照系。还可以在共同地使得三个参照系彼此适配的收敛算法内逐点基础上应用各种加权方案。

图5E描绘了其中光学波前传感器12获取的两个区130和132两者与由单点轮廓测定仪14获取的单一子午线轨迹134相交的示例。需要光学波前传感器12相对于非球面表面20的相对运动，如可以通过多轴台50施加的，来捕捉两个区130和132，使得每个区内的测量点具有不同的参照系。两个区130和132各自的参照系可以单独地相对适配于子午线轨迹134的参照系，以便最小化它们各自组的名义上的重合点135和137。然而，如果两个区135和132的参照系被彼此预校准(诸如通过单个运动轴)，则可以将两个区130和132的公共的中间参照系相对地适配到子午线轨迹134的参照系。

图5F描绘了体现分别与第一和第二轨迹144和146相交的第一和第二重叠区140和142的特征的示例。第一轨迹144的参照系可以相对地适配到第一区140的参照系以便最小化对应点145，第二轨迹146的参照系可以相对地适配到第二区142的参照系以便最小化对应点147，第一和第二区140和142的参照系可以彼此相对地适配以编最小化对应点149。可以一起或者分阶段(即，同时或者顺序地)执行各种适配。还可以使用混合方法，诸如同时缝合不同参照系数据的块，然后按对缝合。

图5G描绘了单一中心区150、多个同心轨迹152a-152f以及单一子午线轨迹154，单一子午线轨迹154沿着一组名义上的重合点153与单一中心区150相交，并且贯穿155f，157f在两个名义上的重合点155a，157a处与多个同心轨迹152a-152f中的每一个相交。另外，整个同心轨迹152a沿着一组名义上的重合点159与中心区150相交。通过在公共中间参照系内将贯穿155f,157f的名义上的重合点155a,157a之间的差最小化，可以将同心轨迹152a-152f各自的参照系相对地适配到单一子午线轨迹154的参照系，并且通过在单一中心区150、多个同心轨迹152a-152f和单一子午线轨迹154的全局参照系内将两组名义上的重合点153和159之间的差最小化，可以将中间参照系相对地适配到单一中心区150的参照系。当然，在各个参照系之间进行适配的顺序可以改变，但如果同心轨迹152和子午线轨迹154要被一起适配到单一中心区150的参照系，则优选地首先将两条轨迹152a和154的参照系彼此适配。如之前的示例，适配参照系的顺序在很大程度上呈现为是对理解相对权重的辅助，其中通过相对权重进行适配，并且这种考虑可以容易地并入将所有参照系同时适配到公共全局参照系的算法。

图5H包括类似的单一中心区160和类似的多个同心轨迹162a-162f，但还包括多个子午线轨迹164a-164d。该组名义上的重合点明显来自于重叠的点线。子午线轨迹162a-162f在单点处彼此重叠，在两点处与同心轨迹162a-162f的每一条重叠，并且沿着各组点与中心区160重叠。同心轨迹之一162a沿着与其整个圆周对应的一组点与中心区160重叠。假定中心区160和多个同心轨迹162a-162f，以及多个子午线轨迹164a-164d的参照系对于可比较的准确度是已知的，优选地根据参照系共用的名义上的重合点的数量来对参照系的彼此相对适配进行加权。

图5I包括图5H的中心区170，所有的同心轨迹172a-172f，以及所有的子午线轨迹174a-174d，还包括与中心区170重叠的一族附加区170a-170h。由此，由光学波前传感器12测量的有限区域176由中心区170和环绕的重叠区170a-170h覆盖的相继区限定。由单点轮廓测定仪14测量的延伸区域178覆盖整个非球面表面20。由于区170和170a-170h之间名义上的重合点的数量很多，通常对将各个区170和170a-170h的参照系相对地适配到全局参照系给予更多的权重。由于名义上的重合点的数量较少，通常对将同心轨迹172a-172c和子午线轨迹172a-172d的参照系适配到全局参照系给予较少量的权重。由于名义上的重合点的数量最少，通常对将仅仅与子午线轨迹174a-174f相交的剩余的同心轨迹172d-172f的参照系的适配给予最少量的权重。

图5J包括位于沿着一起与多条同心轨迹182a-182f重叠的横向的一系列区180a-180h的中心区180。所有区180和180a-180h一起定义由光学波前传感器12测量的有限区域186。由单点轮廓测定仪14测量的同心轨迹182a-182f定义与非球面表面20同延(coextensive)的延伸区域188。类似于前述的图5I的示例，通过在其它区或者轨迹内最小化名义上的重合点，由此定义所有区180以及180a-180h以及同心轨迹182a-182f的全局参照系，而使得所有区180以及180a-180h以及所有轨迹182a-182f的参照系彼此相对地适配。

图5K描绘了其中由光学波前传感器12测量的两个单独的有限区域196和197，以及由单点轮廓测定仪14测量的覆盖整个非球面表面20的延伸区域198。第一有限区域196由单一中心区190定义，第二有限区域197由圆周的一系列重叠区190a-190p定义。由光学波前传感器12测量的两个有限区域196和197由四条子午线轨迹194a-194d互连。在多个同心轨迹192a-192f中，同心轨迹192a整个位于第一有限区域196内，同心轨迹192d-192f整个位于第二有限区域197内。与区190和190a-190p以及轨迹192a-192f以及194a-194d相关联的各个参照系可以根据它们名义上的重合点彼此相对地适配。各个参照系关联的顺序或者该顺序所表示的相对权重可以根据名义上的重合点的各自数量和进行测量的相对确定性而改变。

图5L图示了由光学波前传感器12测量的五个单独的有限测量区域和由单点轮廓测定仪14测量的第六个延伸的测量区域的特征。第一有限区域对应于中心区200，第二到第五有限区域分别对应于外围区200a到200d。通过同心轨迹202a-202f和子午线轨迹204a-204b定义于非球面表面20同延的第二延伸区域。与区200和200a-200d以及轨迹202a-202f和204a-204b相关联的各个参照系可以根据它们的名义上重合点的数量总体在全局参照系内彼此相对地适配。同样，可以根据系统的准确度来改变顺序或者权重。

尽管图5A-5L的各个区和轨迹被描绘为放射状和轴对称布置并且甚至间隔开，这经常是优选地，但是各个区和轨迹可以被布置为非对称的和不均匀的间隔开，以便适应测量目的，诸如适应缺少类似对称性或者包括特定感兴趣的区域、不连续性或者不寻常特征的测试表面。光学波前传感器的测量区还可以位于由单点轮廓测定仪测量的轨迹的交叉处，使得足够数量的名义上的重合点可用于将轨迹完全关联到公共参照系。然而，在可能时，沿着单条轨迹的区或者轨迹之间的运动轴的数量优选地被最小化。另外，可以组合各个区和轨迹以便单独地或者相对于彼此地校准光学波前传感器12和单点轮廓测定仪14。

图6描绘了集成的光学波前传感器和单点轮廓测定仪210的示例，其中平行地布置光学波前传感器212和单点轮廓测定仪214。光学波前传感器212沿着第一光轴216操作，单点轮廓测定仪214沿着第二平行光轴276操作。与图1-3的多轴台50类似的公共多轴台250适配为沿着其X轴增加行程以便将测量的非球面测试表面20沿着光轴216或者276定位，用于利用光学波前传感器212或单点轮廓测定仪214来交替地测量非球面测试表面20。

光学波前传感器212的组件可以类似于已经描述的光学波前传感器12的组件。然而，还可以针对波前感测来优化各个组件。例如，优选地，关于光学波前传感器212的空间和时间相关性需求来优化光源218。准直光学器件226将光源218发射的发散的测量光束222转换为具有平面波阵面的准直测量光束228。物镜230包括波阵面整形器232，其包含一个或多个光束整形光学器件用于生成具有球面测试波阵面236的汇聚的测试光束234，其大小可以近似地匹配非球面测试表面20上的区38的曲率。为了进一步优化光学波前传感器212以便适应非球面测试表面20中的更大的变化，可以使用波阵面整形器232内的可替换的或者可调节的光束整形光学器件来生成具有其他形状的测试光束。

具有非球面测试表面20的测试部分46安装在与多轴台50类似的多轴台250上，多轴台250还包括沿着X轴延伸的行程范围，用于在光学波前传感器212或者单点轮廓测定仪214的测量位置之间平移非球面表面20。

沿着光轴216，非球面测试表面20位于光学波前传感器212的共焦位置，使得从非球面测试表面20回射的测试波阵面252中的任何改变，即，像差，对应于区38的形状和测试波阵面236的原始形状之间的差。

物镜230将返回的像差测试波阵面252转换到像差的平面测试波阵面254。准直光学器件226，连同另一成像光学器件256，将像差的平面测试波阵面254中继到检测器260。另外，物镜230与中继光学器件226和256一起，将非球面测试表面20的区38成像到检测器260的检测器表面262，以便将检测器表面262的像素关联到区238内的对应点。检测器260测量像差的平面测试波阵面254的形状与其原始平面形式的局部变化，作为非球面测试表面20的对应的局部高度变化的测量值。实际的高度变化近似是测试波阵面254中的像差的一半，这是因为原始测试波阵面236遇到了反射下的非球面测试表面20。

如到现在所描述的，检测器260可以是波前传感器，诸如比较像差的平面测试波阵面254与由波前传感器自身定义的平面或者类似基准的Shack-Hartman波前传感器。然而，光学波前传感器212还可以被布置为干涉仪，例如菲索干涉仪，诸如关于图1的实施方案所描述的，用于将像差的测试波阵面254与通过多个光学器件和像差的平面测试波阵面254一起传输的参考波阵面进行比较。总体而言，可以使被布置为干涉仪的光学波前传感器212的可比较的测试和参考波阵面测量比直接相对于参考基准进行的波阵面测量具有更高的精度，但是明确的测量值的范围要小。

尽管非球面测试表面20的单个区(即38)内测量的所有点可以共用从多轴台250的设置导出的公共空间参照系，关于光学波前传感器212的在非球面测试表面20的不同的相对位置和方位处所捕捉的不同区与不同空间参照系相关联。也在不同的空间参照系内参考不同测量位置之间的测试波阵面236的形状之间的任何差异。

单点轮廓测定仪214具有其自身的光源278，光源278可以适配为优选的测量技术，包括利用光学波前传感器212进行测量将不能奏效的光源。从光源278发散的测量光束282被光束分离器284沿着光轴276重新定向到聚焦光学器件286上，聚焦光学器件286将测量光束282汇聚到非球面测试表面20上的焦点266。尽管包括汇聚测试光束282的单独的射线根据它们各自的入射角度在从非球面测试表面20反射时被反转，但反射后的测试光束288的整个形式通过焦点266处的反射而保持不变。然而，非球面测试表面20与焦点266的任何偏移改变了所反射的测量光束288内的射线的相对方位和分布。例如，即使在由焦点266照射的非球面测试表面20的微小的区中位置或者斜率的小的变化，也在所反射的测量光束288产生了改变。聚焦光学器件286将反射的测量光束288重新汇聚到检测器270，检测器270分析所发射的测试光束288中的任何改变，作为非球面测试表面20中的局部偏移的测量值。反射的测试光束288中的改变可以被直接转换为表面高度变化的测量，或者通过将测量的非球面测试表面20的相对位移引导到达更好的聚焦位置而间接地转换为表面高度变化的测量。

类似于图1-3的用于测量非球面测试表面20上的多个点的单点轮廓测定仪14的布置，非球面测试表面20相对于单点轮廓测定仪214移动，来捕捉沿着预定义的轨迹的点。优选地，最小数量的运动轴，更优选的是单个运动轴，用于捕捉沿着各条轨迹的点。每一种这样的运动轴，优选地是高精度的轴，可以在区分非球面测试表面20上的点所需的横向分辨率内位置精确地监视其位置。沿着每一种这样的轨迹的点优选地共用公共参照系，并且每一种这样的轨迹可以具有与在整个轨迹上固定的运动轴相关联的不同的参照系。

如同集成的光学波前传感器和单点轮廓测定仪10，集成的光学波前传感器和单点轮廓测定仪210对于延伸可以高精度测量的非球面表面的范围尤其有用。通过其测量范围比单点轮廓测定仪214更受限制的光学波前传感器212来测量非球面测试表面20的有限区域。通过单点轮廓测定仪214来测量重叠的但是超出了有限范围延伸的延伸区域。这样，由单点轮廓测定仪214测量的至少一条轨迹与由光学波前传感器212测量的至少一个区重叠。区和轨迹之间的名义上的重合点之间的差可以用于将与区内的点阵列和沿着轨迹的相继点相关联的各个参照系适配到用于该区内和沿着该轨迹的所有点的公共参照系。图5A-5L图示了区和轨迹的其它组合，可以将其测量进行集成以产生非球面测试表面20的复合测量。

类似于集成的光学波前传感器和单点轮廓测定仪10，光学波前传感器212和单点轮廓测定仪214可以一起用于附加的目的，诸如将集成的光学波前传感器和单点轮廓测定仪210校准到非球面测试表面20、确定光学波前传感器212的测试波阵面的曲率半径，或者提高通过光学波前传感器212或单点轮廓测定仪214进行测量的准确度或者可靠性。

尽管光学波前传感器212的光轴216和单点轮廓测定仪214的光轴276被示出平行，两个轴216和276可以以定位在不同(非平行)方向上，只要两个测量的参照系之间的差是已知的或者可确定的。另外，尽管单点轮廓测定仪优选地包括光学探头，但单点轮廓测定仪可以替换地包括机械探头或者执行另一种逐点测量。无论其形式如何，可以以变化的程度将集成单点轮廓测定仪与光学波前传感器进行集成，以便测量更大范围的非球面表面或者以更高的精确度来测量这种表面。

除了测量包括不适合于通过光学波前传感器单独进行测量的区的非球面表面的更大范围之外，集成的光学波前传感器和单点轮廓测定仪还用于利用光学波前传感器和单点轮廓测定仪二者来测量公共区或者整个非球面表面以便以更高准确度来测量非球面表面。例如，单点轮廓测定仪的轨迹测量可能在球面像差中具有低的不确定性但是糟糕的横向分辨率，而光学波前传感器的区测量可能具有球面的高不确定性但是优异的横向分辨率。

Claims (31)

1.用于测量非球面测试表面的装置，包括：

光学波前传感器，用于测量在非球面测试表面的有限区域内的所述非球面表面的一个或者多个区上的表面高度变化，

单点轮廓测定仪，用于测量在所述非球面测试表面的延伸区域内的沿着所述非球面表面上的一条或者多条轨迹的表面高度变化，所述延伸区域与所述有限区域的至少一部分重叠并且延伸超出了所述有限区域，

与所述非球面测试表面上的所述一个或者多个区中的至少一个重叠的所述一条或者多条轨迹中的至少一条定义了一组重叠的表面高度测量；以及

处理器，通过使该组重叠的表面高度测量内的差值最小化来组合所述有限区域内的所述光学波前传感器的所述表面高度测量和所述延伸区域内的所述单点轮廓测定仪的所述表面高度测量，用于在公共参照系内产生所述有限区域和所述延伸区域的集成的测量。

2.权利要求1的装置，其中，(a)所述光学波前传感器测量所述一个或者多个区中的每一个内的点阵列，(b)所述单点轮廓测定仪测量沿着所述一条或者多条轨迹中的每一条的所述非球面测试表面上的相继点，以及(c)至少一条所述轨迹在所述非球面测试表面上的名义上的重合点处与至少一个所述区相交。

3.权利要求2的装置，其中，通过单个运动轴来施加用于沿着所述一条或者多条轨迹中的每一条进行测量的在所述单点轮廓测定仪与所述非球面测试表面之间的相对运动。

4.权利要求2的装置，其中，所述处理器执行算法，该算法将至少一条轨迹的相继测量点的空间参照系相对地适配到所述至少一个区内的测量点阵列的空间参照系，使得在所述至少一个区上的测量点阵列和沿着所述至少一条轨迹的相继测量点这两者的公共参照系内将所述名义上的重合点之间的差值最小化。

5.权利要求2的装置，其中，(a)所述一个或者多个区包括具有第一参照系的第一区，(b)所述一条或者多条轨迹包括具有第二参照系的第一轨迹和具有第三参照系的第二轨迹，(c)所述第一和第二轨迹在所述非球面测试表面上的第一和第二组名义上的重合点处与所述第一区相交，以及(d)由所述处理器执行的该算法将所述第二和第三参照系中的每一个相对地适配到第一参照系，使得在所述第一区与所述第一和第二轨迹的公共参照系内最小化所述第一和第二组中的每一个内的所述名义上的重合点之间的差值。

6.权利要求2的装置，其中，(a)所述一个或者多个区包括具有第一参照系的第一区和具有第二参照系的第二区，(b)所述一条或者多条轨迹包括具有第三参照系的第一轨迹，(c)所述第一轨迹在所述非球面测试表面上的第一和第二组名义上的重合点处与所述第一和第二区相交，(d)由所述处理器执行的该算法将所述第一和第二参照系相对地适配到所述第三参照系，使得在所述第一和第二区与所述第一轨迹的公共参照系内最小化所述第一和第二组名义上的重合点内的名义上的重合点之间的差值。

7.权利要求1的装置，其中，所述光学波前传感器包括：波阵面整形器，用于产生一个或者多个测量波阵面，其中每一个的形状近似所述非球面测试表面的所述一个或者多个区的形状；并且还包括：成像系统，用于将所述非球面测试表面的所述一个或者多个区中的每一个成像到检测器上，以便将所述一个或者多个测量波阵面中每一个的形状与所述非球面测试表面的所述一个或者多个区中的每一个的形状进行比较。

8.权利要求7的装置，其中，所述波阵面整形器形成球面测试波阵面，且所述单点轮廓测定仪将通过所述波阵面整形器的光聚焦到所述非球面测试表面上。

9.权利要求7的装置，还包括一个或者多个运动台，用于相对于所述非球面测试表面的安装夹具相对地移动所述光学波前传感器和所述单点轮廓测定仪，来测量所述有限区域内的非球面测试表面的所述一个或者多个区和所述延伸区域内的所述非球面测试表面上的所述一条或者多条轨迹这两者。

10.权利要求9的装置，其中，所述一个或者多个运动台还提供相对于所述非球面测试表面的所述安装夹具相对地移动所述单点轮廓测定仪，用于测量所述有限区域内的所述非球面测试表面上的点的表面高度变化，而且，所述处理器还提供将所述有限区域内的所述非球面测试表面上的所述点的所述表面高度测量与所述有限区域内的所述非球面测试表面的所述一个或者多个区的名义上的重合点的表面高度测量相关联。

11.权利要求10的装置，其中，所述一个或者多个运动台相对地移动所述单点轮廓测定仪来测量所述非球面测试表面上的沿着所述一条或者多条轨迹中每一条轨迹的相继点，且所述一条或者多条轨迹中的至少一条轨迹与所述非球面测试表面的所述有限区域相交。

12.权利要求11的装置，其中，所述处理器还提供：使用所述有限区域内的所述非球面测试表面的所述一个或者多个区的名义上的重合点的所述表面高度测量的测量值，将多条所述轨迹的所述表面高度测量彼此相关联。

13.权利要求7的装置，其中，所述光学波前传感器包括干涉仪。

14.权利要求7的装置，其中，所述光学波前传感器包括Shack-Hartman波前传感器。

15.权利要求7的装置，其中，一个或者多个运动台提供：将所述非球面测试表面相对于所述波阵面整形器相对地调节到第一位置，以接近正交入射将所述测量波阵面回射到所述非球面测试表面的一个或者多个区上，并且提供：将所述非球面表面相对于所述波阵面整形器相对地调节到第二位置，用于将光聚焦到非球面测试表面上的沿着所述一条或者多条轨迹中的每一条轨迹的相继点中的每一个点上。

16.权利要求15的装置，还包括用于所述光学波前传感器和所述单点轮廓测定仪的公共光源。

17.权利要求15的装置，还包括距离测量计，用于测量所述第一和第二位置之间的距离。

18.权利要求17的装置，其中，所述处理器还提供：将所述第一和第二位置之间的所述测量距离转换为所述测量波阵面的曲率半径。

19.权利要求7的装置，其中，波阵面整形器是具有参考表面的菲索干涉仪的一部分，用于将所述测量波阵面划分为从该参考表面反射的参考波阵面以及被透射的并且从所述非球面测试表面反射的测试波阵面。

20.一种测量非球面测试表面的方法，包括以下步骤：

利用波阵面整形器生成一个或者多个测量波阵面，所述一个或者多个测量波阵面的每一个在非球面测试表面的有限区域内具有近似于所述非球面测试表面的一个或者多个区中的每一个区的弯曲形状的弯曲形状；

将从所述非球面测试表面的所述一个或者多个区上反射的所述一个或者多个测量波阵面成像到检测器上；

将所述一个或者多个成像后的测量波阵面与基准进行比较，以便获得在所述非球面测试表面的所述一个或者多个区中的每一个上的表面高度变化的测量值；

利用单点轮廓测定仪将光聚焦到所述非球面测试表面的延伸区域内的沿着所述非球面测试表面上的一条或者多条轨迹的相继点中的每一个上，所述延伸区域包括与所述有限区域的至少一部分重叠的部分和不与所述有限区域的任何部分重叠的部分这两者；

监视来自所述单点轮廓测定仪的信号以便获得沿着所述非球面测试表面上的所述一条或者多条轨迹的相继点中的表面高度变化的测量值；以及

通过在所述有限区域和延伸区域重叠部分内最小化所述光学波前传感器和所述单点轮廓测定仪的所述表面高度测量值之间的差值来组合所述有限区域内的所述光学波前传感器的所述表面高度测量和所述延伸区域内的所述单点轮廓测定仪的所述表面高度测量，用于产生所述非球面测试表面的组合区域的表面高度测量的集成阵列，所述非球面测试表面的组合区域包括所述有限区域与延伸区域的所述重叠部分和所述延伸区域的所述非重叠部分这两者。

21.权利要求20的方法，其中，(a)所述光学波前传感器测量所述一个或者多个区中的每一个上的点阵列，和(b)至少一条所述轨迹在所述非球面测试表面上的名义上的重合点处与至少一个所述区相交。

22.权利要求21的方法，其中，通过单个相对运动轴沿着至少一条所述轨迹使所述单点轮廓测定仪相对于所述非球面测试表面相对地移动。

23.权利要求21的方法，其中，所述组合步骤将所述至少一个区上的所述测量点阵列的空间参照系相对地适配到沿着至少一条轨迹的所述相继测量点的空间参照系，使得在所述至少一个区上的所述测量点阵列和沿着所述至少一条轨迹的所述相继测量点这两者的公共参照系内将所述名义上的重合点之间的差值最小化。

24.权利要求21的方法，其中，(a)所述一个或者多个区包括具有第一参照系的第一区，(b)所述一条或者多条轨迹包括具有第二参照系的第一轨迹和具有第三参照系的第二轨迹，(c)所述第一和第二轨迹在所述非球面测试表面上的第一和第二组名义上的重合点处与所述第一区相交，以及(d)所述组合步骤将所述第二和第三参照系的每一个相对地适配到所述第一参照系，使得在所述第一区与所述第一和第二轨迹的公共参照系内最小化所述第一和第二组中的每一个内的所述名义上的重合点之间的差值。

25.权利要求21的方法，其中，(a)所述一个或者多个区包括具有第一参照系的第一区和具有第二参照系的第二区，(b)所述一条或者多条轨迹包括具有第三参照系的第一轨迹，(c)所述第一轨迹在所述非球面测试表面上的第一和第二组名义上的重合点处与所述第一和第二区相交，(d)所述组合步骤将所述第一和第二参照系相对地适配到所述第三参照系，使得在所述第一和第二区与所述第一轨迹的公共参照系内最小化所述第一和第二组名义上的重合点内的所述名义上的重合点之间的差值。

26.权利要求20的方法，包括如下步骤：相对于所述非球面测试表面的安装夹具相对地移动所述单点轮廓测定仪，用于测量所述延伸区域内的所述非球面测试表面上的沿着所述一条或者多条轨迹中的每一条轨迹的所述相继点中的所述表面高度变化，其中，沿着所述延伸区域内的至少一条所述轨迹的至少一些所述相继点也位于所述有限区域内。

27.权利要求26的方法，其中，所述组合步骤将所述有限区域和延伸区域这两者内的所述非球面测试表面上的沿着所述一条或者多条轨迹的所述相继点的所述表面高度测量与所述有限区域内的所述非球面测试表面的所述一个或者多个区的名义上的重合点的所述表面高度测量相关联。

28.权利要求26的方法，其中，所述相对移动的步骤包括：将所述非球面测试表面相对地调节到第一位置，用于以接近正交入射将所述测量波阵面回射到所述非球面测试表面的一个或者多个区上，并且，将所述非球面测试表面相对地调节到第二位置，用于将光聚焦到非球面测试表面上的沿着所述一条或者多条轨迹的所述相继点中的每一个点上。

29.权利要求28的方法，包括如下步骤：测量所述第一和第二位置之间的距离，并且，将所述第一和第二位置之间的所述测量距离转换为所述非球面测试表面的局部曲率半径。

30.权利要求20的方法，包括如下步骤：(a)将所述一个或者多个测量波阵面划分为从所述参考表面反射的参考波阵面以及被透射的并且从所述非球面测试表面反射的测试波阵面，以及(b)在以与所述非球面测试表面接近正交入射的位置处以近似所述非球面测试表面的所述一个或者多个区中的每一个的形状的演化形式传播所述测试波阵面。

31.用于测量非球面测试表面的装置，包括：

光学波前传感器，用于测量在非球面表面的一个或者多个区上的表面高度变化，在所述一个或者多个区中的每一个区上的所述表面高度测量具有由一组波前传感器补偿器定义的空间参照系公共区，每一个具有表示已知变量对所述空间参照系公共区的影响的函数形式和幅度；

单点轮廓测定仪，用于测量沿着所述非球面测试表面上的一条或者多条轨迹的表面高度变化，沿着所述一条或者多条轨迹中的每一条轨迹的所述表面高度测量具有由一组轮廓测定仪补偿器定义的空间参照系公共轨迹，每一个具有表示已知变量对所述空间参照系公共轨迹的影响的函数形式和幅度；

与所述非球面测试表面上的所述一个或者多个区中的至少一个重叠的所述一条或者多条轨迹中的至少一条定义了一组重叠的表面高度测量；以及

处理器，通过识别所述波前传感器补偿器和所述轮廓测定仪补偿器的幅度而将所述光学波前传感器的所述表面高度测量与所述单点轮廓测定仪的所述表面高度测量相组合，由此，将所述光学波前传感器和所述单点轮廓测定仪的重叠的表面高度测量之间的差值最小化。