CN1950669A - 光学精密测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种元件的光学精密测量的装置和方法。在该方法中，光探针设置在相对于元件的一个位置(120)且源束被定向到元件(122)。偏移(124)被检测并被存储在元件特征数据集中(126)。移动光源到相对于元件的其他位置(128)并采集附加的数据(130)。该装置包括提供源束(38)的光探针(24)，可操作地围绕θ轴旋转光探针(24)的探针台(22)，可操作地围绕φ轴旋转元件(28)的元件台(26)，和位置灵敏探测器。探针台(22)定向源束(38)到元件(28)，源束(38)从元件(28)产生结果束，且位置灵敏探测器检测该结果束。

Description

光学精密测量装置和方法
本发明通常涉及精密测量，并更具体地涉及光学精密测量。
制造的元件中增长的精度要求测量中增长的精度。用于制造元件的工具和模具必须精确地制成来生产精密元件。完成的元件必须被测量以确保它们满足精确的公差。要求精密测量的工业的例子包括光学，眼科，和高精密加工工业。精密测量用于测量透镜、眼镜镜片、隐形眼镜、反射器、反射镜、透镜系统，和在制造这些零件中使用的精密模具。精密测量还用于监视工艺例如注射法，复制，和数控抛光。
光学元件的精密测量要求光学元件外形的测量，即元件的形态和形状。光透射通过元件的光学元件，例如透镜，也要求波前质量的测量。目前，通过三种方法来执行光学元件的精密测量：探针接触(stylusprobe contact)感测，干涉测量法，或波前感测。这些方法中的每一个都存在自己的局限和问题。
探针触点感测包括与被测试表面上的点接触式地放置探针并对表面形状进行绘图。探针触点感测限于测量表面外形并且不能测量波前质量。因为探针与被测试的表面进行物理接触，探针触点感测不能在易损或弹性的表面上使用。在测试中，在测量速度和为获得准确测量所需的探针触点压力之间有一个折衷。另外，将点数据组合成三维外形是复杂且耗时的。
干涉测量法包括使用两束光之间的干涉的测量并能使用运用相移的相步进方法。干涉测量法对于球面的或近似球面的表面和波前有用，但对严重非球面的(steep aspheric)，复曲面的，或自由形状的表面和波前没有用。非球面的表面和波前要求在干涉仪内部有参考生成，例如计算机生成的全息图。计算机生成的全息图专门用于特定的设计因此是昂贵的且要求生产前准备时间。因此计算机生成的全息图仅仅用于专业或大的系列应用。干涉测量法的基本问题包括来自典型使用的电荷耦合器件(CCD)传感器的有限横向分辨率，有限的高度或非球面的范围，和有限的局部斜率和局部功率范围。干涉测量法的另一个局限是物理测试装置。单个测试装置不能既用于反射测试又用于透射测试。另外，单个测试装置不能用于小的元件，例如移动电话照相机透镜，和不能用于大的元件，例如眼镜镜片。
波前感测(WFS)，例如使用Shack Hartmann传感器进行测试，包括横过图像的孔或小透镜的阵列的斜率感测。横向分辨率受光圈或小透镜组的数量和尺寸限制。由于横向分辨率和斜面距离分辨率之间的折衷，限制了局部功率范围。
希望有一种克服上述缺陷的光学精密测量装置和方法。
本发明的一个方面提供一种元件的光学精密测量方法。光探针设置在相对于元件的第一位置并且定向源束从光探针到元件上的像素。检测来自像素的结果束的偏移并存储在元件特征数据集中。移动光源到相对于元件的其他位置。对该其他位置重复进行定向、检测，和存储。
本发明的另一方面提供一种元件的光学精密测量系统，该系统包括位于相对于元件的第一位置的光探针，定向源束从光探针到元件上像素的装置，检测来自像素的结果束的偏移的装置，将该偏移存储在元件特征数据集中的装置，移动光源到相对于元件的其他位置的装置，和对该其他位置重复进行定向、检测，和存储的装置。
本发明的另一个方面提供一种对元件进行光学测量的装置，该装置包括提供源束的光探针，可操作来围绕θ轴旋转光探针的探针台，可操作来围绕轴旋转元件的元件台，和位置灵敏探测器。探针台定向源束到元件，源束从元件产生结果束，并且位置灵敏传感器检测该结果束。
结合附图阅读，从现有优选实施例的下述详细说明，本发明的上述和其他特征和优点将变得明显。该详细说明和附图仅仅是说明本发明而不是限制由所附权利要求及其等同物定义的本发明的范围。
图1和2分别是根据本发明制成的光学精密测量装置的正视图和侧视图；
图3是用于根据本发明制成的光学精密测量装置的光探针的示意图；
图4是用于根据本发明制成的光学精密测量装置的位置敏感装置的示意图；
图5和6分别是根据本发明制成的光学精密测量装置的可替换实施例的正视图和侧视图；
图7是根据本发明制成的光学精密测量装置的另一个可替换实施例的正视图；
图8是根据本发明的光学精密测量方法的流程图；
图9是结合根据本发明的光学精密测量方法的机械控制的框图；
图10是包括根据本发明制成的光学精密测量装置的车床的透视图；
图11和12分别是根据本发明制成的光学精密测量装置的探针台支撑的可替换实施例的透视图和截面图。
图1和2分别是根据本发明制成的光学精密测量装置的正视图和侧视图，其中相同部件使用相同附图标记。光学测量装置20包括支撑光探针24的探针台22和支撑元件28的元件台26。在一个实施例中，光学测量装置20包括安装在远离光探针24的元件28的后方的透射位置敏感装置(PSD)30。探针台22和元件台26控制光探针24相对于元件28的移动。在反射模式中，光探针24发射源束38入射到元件28的像素上。源束38被元件28反射和/或衍射，其产生反射束(未示出)回到光探针24用于检测和分析。在透射模式中，入射到元件28的像素上的源束38被元件28透射，折射，和/或衍射，其产生在透射位置敏感装置30检测用于分析的透射束21。在反射模式和透射模式中的测试可以根据需要单独、并行、或同时执行。检测源束和来自像素的结果束之间的偏移：该结果束在反射模式中为反射束且在透射模式中为透射束。
光探针24使用窄束激光器来生成源束，并在反射模式中使用反射位置敏感装置(PSD)来检测反射束。结合下面的图3和4来描述光探针24和它的操作。
参考图1和2，被测试的元件28是期望进行外形和/或透射测量的任何元件。例如元件28可以是光学元件，例如透镜，反射镜，或球面的，近似球面的，或具有更复杂设计例如复曲面的，严重非球面的，变焦的，或自由形状的其他光学元件。作为元件测试的典型透镜是希望供波前或射线场修正使用的任何装置，例如CD播放器透镜，眼镜，隐形眼镜，照相机透镜，光刻透镜，Schmidt校正器，衍射光学元件，和全息图。透镜能被测试外形和光学特征。在另一个示例中，其外形将被测量的元件28，例如透镜制造工具或在制造隐形眼镜中使用的透镜衬垫(lens insert)，由例如金属或半导体的不透明材料制成。元件28的表面反射源束回到光探针用于外形测量，所以该表面需要是光滑的，即比散射更能反射。该表面可以是天然光滑的，例如通常出现在光学材料或金属中，或者可以通过处理使它光滑，例如通过给表面金属化。
探针台22和元件台26控制光探针24和元件28的相对运动。在一个实施例中，探针台22包括x台32，z台34，和θ台36。x台32和z台34分别在x和z方向上提供线性运动。θ台36提供光探针24围绕θ轴的旋转，其与x-z平面正交。元件台26可以围绕轴旋转元件28，其平行于x-z平面并且当投影到x-z平面上时垂直于x轴。元件台26也能够保持元件28固定不旋转。在一个实施例中，探针台22还包括提供光探针24到θ轴的径向移动的任选径向台37。径向台37允许源束38在元件28上的聚焦。在可替换实施例中，省略了径向台37。
根据被测试的具体元件28，探针台22支撑光探针24距离元件28从纳米到米的距离。例如，当元件28是隐形眼镜或隐形眼镜衬垫(insert)时，探针台22支撑光探针24离元件28约20mm的距离。在可替换实施例中，探针台22支撑光探针24离元件28大的距离以使用例如车床，磨床，或抛光器的工具来加工元件28。探针台22和元件台28包括轴承、马达、和对本领域技术人员已知的位置编码器。平台运动的重复性和测量的精确性对于使用对具体应用所需的斜率和倾斜的准确控制来定向源束到像素或一部分像素是典型足够的。因此，光学测量装置20不需要探针台22和元件台26控制运动到纳米就能在纳米范围内测量形状。
本领域技术人员应理解θ台36和元件台26的众多运动组合能被用于生成光探针24和元件28之间所希望的相对运动。在可替换实施例中，支撑光探针24的θ台36被定位在固定的x-z位置并且支撑元件28的元件台26提供x和z方向上的运动。在另一个可替换实施例中，θ台36和元件台26都提供在x和z方向上的运动。在又一个另外的可替换实施例中，通过在与x-z平面正交的y方向上移动光探针24和元件28中任一个或者移动二者来提供附加的自由度。
透射位置敏感装置(PSD)30是能够检测透射束并生成透射数据信号23的光敏探测器，该透射数据信号用于在数据采集系统中收集并存储在元件特征数据集中用于分析。透射PSD30表示出透射束离源束38的路径的偏移。适合的装置包括，但不限于，模拟装置，例如模拟横向效应光电二极管，以及数字装置，例如电荷耦合装置(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。典型的装置在美国专利No.5,136,192，发明人Kooijman，标题为“利用对数变换的高速测量装置”，和美国专利No.5,252,864，发明人Kooijman，标题为“测量装置的归一化电路”中进行了描述，在这里合并用作参考。在一个实施例中，透射PSD30在两个方向上测量透射束的位置，因此能在两个方向上计算元件28对源束38的偏移。在另一个实施例中，透射PSD30包括多个紧密地间隔足以直接或通过插值确定形状的光感测元件。
透射PSD30的具体性能要求依赖于将要被测的光学特征。当将要测量元件28对源束38的吸收时，透射PSD30检测透射束的强度。当将要测量元件28对源束38的折射时，透射PSD30在一维或二维上检测透射束的偏移。当将要测量元件28的局部特征时，透射PSD30检测透射束的形状。
图3是用于根据本发明制成的光学精密测量装置的光探针的示意图，其中与图1和2的相同部件使用相同附图标记。光探针24包括提供窄的源束38的激光器66，该源束穿过束分离器54和透镜56到达元件28的表面58。在反射模式中，元件28的表面58转换源束38为反射束60，其穿过透镜56并被束分离器54反射到反射位置敏感装置(PSD)62。表面58足够的光滑来反射源束38为反射束60。为了减少假的反射，抗反射涂层典型地施加到每个光学界面，例如束分离器64，透镜56，和反射PSD62的表面。
在图3的示例中，表面58被倾斜与源束38呈α倾角。反射束60被反射与源束38呈角度2α。随着倾角α的增大，反射束60与反射PSD62相交的位置向激光器66移动。在表面58上源束38与表面58接触并变成反射束60的点被称为像素64。反射PSD62表示出反射束60离源束38的路径的偏移。反射束60在反射PSD62上的位置是表面58在像素64处斜率的函数，反射束60在反射PSD62上的强度是像素64处反射率的函数，反射束60在反射PSD62上的形状是像素64处的局部曲率和圆柱度的函数。
反射PSD62是能够检测反射束并生成用于分析的反射数据信号63的光敏探测器。适合的装置包括，但不限于，模拟装置，例如模拟横向效应光电二极管，以及数字装置，例如电荷耦合装置(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。典型的装置在美国专利No.5,136,192，发明人Kooijman，标题为“利用对数变换的高速测量装置”，和美国专利No.5,252,864，发明人Kooijman，标题为“测量装置的归一化电路”中进行了描述，在这里合并用作参考。在一个实施例中，反射PSD62在两个方向上测量透射束的位置，因此能在两个方向上计算表面58的斜率。在另一个实施例中，反射PSD62包括多个紧密地间隔足以直接或通过插值确定形状的光感测元件。
反射PSD62的具体性能要求依赖于将执行的测量。当将要测量表面58的反射率时，反射PSD62检测反射束60的强度。当将要测量表面58的斜率时，反射PSD62在一维或二维上检测反射束的偏移。当将要测量表面58的局部特征时，反射PSD62检测反射束在反射PSD62上的形状。测量形状，例如尺寸和椭圆率，需要确定局部特征，例如局部曲率和圆柱度。
束分离器54是用于偏转反射束的任何装置，例如相叠分离器(cube splitter)，平板分离器(plate splliter)，棱镜分离器(prism splitter)，或薄膜束分离器(pellicle beam splitter)。在一个实施例中，束分离器54是在最接近元件28的束分离器54的表面上设有1/4波片的偏振束分离立方体。1/4波片帮助减少假反射的潜在出现，该假反射能使点的质心从PSD上的结果束发生漂移。假反射还能通过对于PSD的具体类型的具体技术来进行限制。被用于高速应用的模拟横向效应光电二极管中的假反射可以通过适当的校准来减少。CCD和CMOS传感器中的假反射在分析期间通过软件处理可以被去除。假反射的减少增加了测量准确度和分辨率。
图4是用于根据本发明制成的光学精密测量装置的位置敏感装置(PSD)的示意图。对于反射模式和透射模式中不同的元件条件给出了其示出了来自PSD上的结果束的点的示例。
在反射模式中，PSD40是反射PSD并且PSD40上的点来自反射束。校准点42定位在当元件表面垂直于源束时反射束与PSD相交的位置。第一偏转点44沿着第一轴但不沿着第二轴从校准点42偏转，表示表面相对于源束在一个方向上是倾斜的。第二偏移点46沿着第一轴和第二轴从校准点42偏转，表示该表面相对于源束在两个方向上是倾斜的。根据将要执行的分析，测量沿着一个或两个轴的偏转量。偏转点的强度能被测量来确定表面的反射率。在一个示例中，沿着第一轴的偏转表示θ斜率，即垂直于θ轴的元件表面坡度并且沿着第二轴的偏转表示斜率，即垂直于轴的元件表面坡度。
展开点48比第一偏转点44或第二偏转点46更宽且强度更小，表示反射更少且散射更多的表面。展开点48也从校准点42偏转，表示表面坡度。从直接由PSD40确定或由后面的分析确定的展开点48的质心可以计算该偏转量。成形点50显示出非圆形的形状，表示该表面的局部曲率和圆柱度。成形点(shaped dot)50的尺寸和椭圆率能被测量作为形状的表示，其可以通过后面的分析确定。如同展开点48一样，成形点50的偏转能从成形点50的质心计算得出。
在透射模式中，PSD40是透射PSD并且PSD40上的点来自透射束。在透射模式中的点特征与反射模式中的点特征相似，除了在源束中的变化是来自通过元件的透射，而不是被元件的反射。第一偏转点44和第二偏转点46表示元件对源束的折射。偏转点的强度可被测量来表示元件对源束的吸收和/或在元件中源束的反射损失。从点到点的强度变化可被测量来表示从像素到像素的元件的局部特征。展开点48表示元件对源束的折射和散射。成形点50表示元件的局部特征，例如强度、束偏移、功率不对称、或功率的圆柱度并且也表示相差(aberration)、瑕疵，或划痕。
在一个示例中，光学精密测量装置被用来测量在制造隐形眼镜中使用的隐形眼镜衬垫，其典型地具有约8mm的平均曲率半径。具有35μm半最大值全宽度(FWHM)的点直径的源束聚焦在隐形眼镜衬垫的表面上或附近。光探针的透镜具有25mm的焦距且反射PSD具有10mm×10mm的尺寸。这个装置提供了横跨反射PSD 400毫弧度(mradian)的光学峰到峰的测量范围，其对应于在相对于源束的任何方向上约100毫弧度的表面垂直倾斜范围。
可以从等式：位移＝2×表面倾斜×透镜焦距估计出表面倾斜。实际的表面倾斜分析包括考虑实际条件例如光探针透镜失真和对准的校准校正。当使用插值的模拟PSD或CMOS传感器被用于反射PSD时，10-4分辨率或更好的测量范围是可能的。在这个分辨率，可以测量20微弧度(uradian)或更好的校准校正表面倾斜。在积分后，这对应于20nm/mm。
不同尺寸的点直径的源束用于不同尺寸的元件。如上面的讨论，在测量隐形眼镜衬垫的示例中使用具有35μmFWHM的点直径的源束。在另一个示例中，具有300μmFWHM的点直径的源束被用于测量眼镜镜片或眼镜镜片衬垫。在又一个另外的示例中，具有20μmFWHM的点直径的源束被用于测量移动电话照相机透镜。
图5和6分别是根据本发明制成的光学精密测量装置的可替换实施例的正视图和侧视图，其中相同的部件使用相同的附图标记。这个可替换实施例的操作类似于图1和2的实施例的操作，但对探针和元件台使用了不同的安排。
光学测量装置70包括支撑光探讨74的探针台72和支撑元件78的元件台76。在一个实施例中，光学测量装置70包括安装在远离光探针74的元件78后面的透射位置敏感装置(PSD)80。探针台72和元件台76控制光探针74相对于元件78的移动。在反射模式中，光探针74发射源束88在像素处入射到元件78上，其产生反射束(未示出)回到光探针74用于检测和分析。在透射模式中，在像素处入射到元件78的源束88被元件78透射和折射，其产生被透射位置敏感装置80检测用于分析的透射束71。在反射模式和透射模式中的测试可以根据需要单独，并行，或同时执行。
光探针74使用窄束激光器来生成源束，并在反射模式中使用反射位置敏感装置(PSD)来检测反射束。结合上面的图3和4来描述光探针74和它的操作。
参考图5和6，探针台72和元件台76控制光探针74和元件78的相对运动。探针台72包括轴82，轴承83，摆臂84，和头86。头86支撑光探针74。轴82被轴承83支撑并围绕θ轴旋转，因此头86围绕元件78在x-z平面内作圆弧运动。在一个实施例中，头86还包括提供光探针74到θ轴的径向移动的任选径向台87。该径向台87允许在元件78上聚焦源束88。在替换性实施例中，省略了径向台87。
元件台76包括旋转的台90，x台92，和z台94。台90围绕轴旋转元件78。x台92和z台94分别沿着x和z轴移动元件78。本领域技术人员应理解探针台72和元件台76的众多运动组合能被用于生成光探针74和元件78之间所希望的相对运动。
探针台72和元件台78包括轴承、马达、和对本领域技术人员已知的位置编码器。平台运动的重复性和测量的精确性对于使用对具体应用所需的斜率和倾斜的准确控制来定向源束到像素或一部分像素是典型足够的。因此，光学测量装置70不需要探针台72和元件台76控制运动到纳米就能在纳米范围内测量形状。
根据被测试的具体元件78，探针台72支撑光探针74距离元件78从纳米到米的距离。例如，当元件78是隐形眼镜时，探针台72支撑光探针74离元件78约20mm的距离。在可替换实施例中，探针台72支撑光探针74离元件78大的距离以允许使用例如车床，磨床，或抛光器的工具来加工元件78。
图7是根据本发明制成的光学精密测量装置的另一个可替换实施例的正视图。这个可替换实施例的操作类似于图5和6的实施例的操作，但对于元件台使用不同的安排。
光学测量装置100包括支撑光探针104的探针台102和支撑元件108的元件台106。探针台102和元件台106控制光探针104相对于元件108的移动。在反射模式中，光探针104发射源束110入射到元件108的像素上，其产生反射束(未示出)回到光探针104用于检测和分析。光探针104使用窄束激光器来生成源束，并在反射模式中使用反射位置敏感装置(PSD)来检测反射束。结合上面的图3和4来描述光探针104和它的操作。
参考图7，探针台102和元件台106控制光探针104和元件108的相对运动。探针台102包括支撑光探针104的摆臂112。摆臂112可围绕θ轴旋转，因此光探针104围绕元件108作圆弧运动。元件台106包括轴114。元件108安装在轴114更靠近光探针104的末端。轴114可围绕轴旋转。在一个实施例中，轴114沿着z轴可移动来相对于光探针104定位元件108。在一个实施例中，轴和θ轴有共同的相交点且它们的轴相互垂直。元件108的表面的平均曲率中心位于或靠近θ轴和轴共同的相交点。本领域技术人员应理解探针台102和元件台106的众多运动组合能被用于生成光探针104和元件108之间所希望的相对运动。
在可替换实施例中，元件台106适于在透射模式中操作。元件108安装在元件台106上来为元件108后面的透射位置敏感装置(PSD)提供空间，例如在元件108后面的轴114内提供空洞。源束110穿过元件108并作为透射束在透射PSD被检测。在反射模式和透射模式中的测试可以根据需要单独，并行，或同时执行。
图8是根据本发明的光学精密测量方法的流程图。该方法包括在相对于元件120的第一位置提供光探针120，定向源束从光探针到元件上的像素122，检测来自像素的结果束的偏移124，在元件特征数据集中存储该偏移126，移动光源到相对于元件的其他位置128，并对于该其他位置重复定向、检测、和存储130。
该方法可在反射，透射，或反射/透射模式中进行操作，因此该结果束分别是反射束，透射束，或既是反射束又是透射束。在反射模式中，源束从被测试元件的表面反射。在透射模式中，源束穿过元件。在反射/透射模式中，源束既被元件的表面反射又穿过元件。同时或顺序地执行反射和透射测量。检测源束和结果束之间的偏移。
反射模式可以检测例如透镜的光学元件，和例如半导体元件的不透明元件的表面外形和表面特征。检测源束和反射束之间的偏移。
透射模式可以检测光学元件，例如单个透镜或透镜系统的光学特征。该结果与从计算机射线跟踪程序得出的结果相类似，该结果仅仅基于实际透射测量而不是理论的元件属性和几何学。当元件是已知设计的透镜或透镜系统时，计算机射线跟踪程序用来预测被设计元件的模拟光学特征。在透射模式中测量实际元件的实际光学特征。模拟光学特征和实际光学特征之间的差别被转化为波前误差曲线。检测源束和透射束之间的偏移。
反射/透射模式利用了反射模式的表面测量能力和透射模式的光学特征测量能力。在使用反射/透射模式的示例中，通过首先在反射模式中测量前表面的外形，紧跟在透射模式中测量光学特征，来获得未知透镜的设计数据。
首先，在反射模式中确定前表面的倾斜和偏心。典型地进行有限数量的测量，而不是测量整个前表面。在一个实施例中，沿着第一纬度测量一圈数据并沿着第二纬度测量第二圈数据。每圈数据点的数量可以低到3到4个。从该测量确定前表面的倾斜和偏心。在可替换实施例中，在前表面可能表现出倾斜和偏心的选定图案上进行测量。选定的图案可以是规则的，例如轮毂和辐条图案，或者可以是不规则的，其具体地用于自由形状的表面。
第二，通过在透射模式测量前调整透镜的定位来机械地施加或在分析透射模式测量时在软件上实际地施加倾斜和偏心的校正。在一个实施例中，对于在反射模式和透射模式中的测量，透射PSD位于不同的z位置或者光探针在离透镜表面不同的距离扫描。
最后，执行透射模式测量来确定透镜的光学特征和被测未知透镜的设计数据。
实施反射/透射模式的另一个示例是对于复制或注模成型光学装置，例如双面非球面的移动电话照相机透镜，前后表面之间的偏心测量。使用反射模式，扫描整个前表面来确定相对于轴的透镜偏心和倾斜。在可替换实施例中，在前表面的有限部分上，例如在有限数目的像素上或像素圈上，执行该扫描。通过定位光探针以使得反射PSD在后表面反射的范围之外，来设计该扫描以避免从来自透镜后表面的源束的反射采集数据。通过调整透镜的定位来机械地施加或在分析透射模式测量时在软件上实际地施加倾斜和偏心的校正。使用透射模式，确定透镜的光学特征。源束被具体地定向到标称的透镜设计预测最大透射束偏转的透镜的那些位置，该透射束偏转是后表面相对于前表面偏心的函数。
除检测来自像素124的结果束的偏移之外，可替换实施例包括检测一个或多个从强度和形状选择的附加特征。联合上面的图4给出了由结果束在PSD上的点表示的结果束的特征。被检测的结果束的特征被提供给数据采集系统，在那里它们以数字的形式存储作为元件特征数据集的一部分。使用通用计算机运行分析程序来典型地分析该元件特征数据集。为了确定表面外形，元件特征数据集至少包括对于每个像素在θ轴方向的表面坡度。对更复杂的表面分析，元件特征数据集也可以包括对于每个像素在轴方向的表面坡度和/或强度。
参考图8，在多个运动模式例如球面模式，远心模式，和自由形式模式之一中，执行光源到相对于元件128的其他位置的移动。
在球面模式中，元件围绕轴旋转且光源围绕θ轴旋转。典型地，元件绕轴的旋转比光源围绕θ轴的旋转具有更高的速度。围绕θ轴的旋转可以是连续的或分步的。也可以连续地或分步地执行结果束的偏移检测。在一个示例中，元件围绕轴连续地旋转且在旋转的每1°采样结果束的特征。围绕θ轴旋转的方式确定元件特征数据集的大小和性质。当围绕θ轴旋转的方式为步进式的，元件特征数据集在如在球上(ona globe)观察的球坐标系中是规则网格。当围绕θ轴旋转的方式是连续的，元件特征数据集是螺旋形的。可以假设该螺旋形与球坐标系中的规则网格是相同的，或在元件特征数据集的分析期间可以允许并将该螺旋形转换为球座标系中的规则网格。在一个示例中，在每围绕轴旋转1°或0.5°时进行围绕θ轴的旋转，或以连续或分步的方式进行。光源围绕θ轴的行进典型地位于0°～45°之间，但可根据需要高到60°或90°的最大θ角。
在远心模式中，光源相对于元件在0°～90°之间保持恒定的θ角。通过探针台和/或元件台的移动，光源相对于元件在x轴方向上纯平移的移动。元件也可以在z轴方向上移动和/或围绕轴旋转。目标点基本上位于具有零视场角(θ＝0)或有限视场角(θ≠0)的无限远处。
在自由形式模式中，光源和元件的任何相对运动都是可能的，其适于复杂的元件形状。编程光源和元件的相对运动来沿着x轴和z轴移动，并围绕θ轴和轴旋转，以任何组合来获得希望的运动。例如在反射模式中测量环形(torroidal)表面的外形，编程相对运动来保持源束与表面垂直并保持光源离表面固定距离以维持源束在表面上聚焦。例如在透射模式中测量光学特征，编程相对运动来模拟不同的波前：球形收敛或发散，轴上的或轴外的，真实的或虚拟的，或远心的。还可以模拟复杂的被校正波前(abberated wave front)。
根据执行测量的类型来分析元件特征数据集。例如当在反射模式中运行测量时，分析元件特征数据集包括确定元件的外形。在另一个示例中，当在透射模式中运行测量时，分析元件特征数据集包括确定元件的光学特征。
在扫描期间，每个点的被检测特征作为数据信号从PSD提供给数据采集系统，在这里它们典型地以数字形式存储作为用于在运行分析程序的通用计算机上进行分析的元件特征数据集。可以实时地或脱机执行该分析。
在反射模式中，可以从定义为θ倾斜角(θ-slope)的垂直于轴的表面坡度或定义为倾斜角的垂直于轴(并垂直于θ倾斜角)的表面坡度来计算表面形状。元件特征数据集包括表面坡度，其为表面形状的梯度因此表面坡度被积分来重构表面外形。
例如从θ斜率值来计算表面外形，通过如下围绕每个纬度(＝常数)积分来计算相对非球面性，即非球面性比半径R0的球面：
R θ R 0 = exp ( ∫ 0 θ S θ dθ )
其中
在以θ轴和轴的交点为坐标中心的极坐标中进行描述，Rθ是沿着θ积分路径元件的实际表面轮廓；
在使用相同坐标中心的相同坐标系中描述，R0是参考球体，与位于积分开始点，典型地位于θ＝0且＝0的元件的实际表面轮廓相一致；
Sθ是位于角增量的θ倾斜角；且
dθ是角增量。
当元件是正球体时，Sθ的值为零且Rθ/R0的比值为1。非球面性定义为实际表面与参考表面之间的差别。在这种情况下，非球面性是Rθ与R0之间的差别且参考表面为参考球面。注意，相对非球面性是一个相对值且与被测试元件的大小无关。围绕每个纬度(＝常数)的绝对非球面性由下计算得出：
R0的值典型地从元件的设计得知。当R0的值是未知时，它可由附加的测量来确定。在一个实施例中，通过通常利用干涉测量法或波前感测进行的以位于第二z位置的元件获得第二元件特征数据集，并从这两个元件特征数据集计算R0来确定R0。在获得第一元件特征数据集后，元件沿着z轴移位一已知量。这提供了不同的第二参考球体，具有相对于该元件的第二原点的新的极坐标系，和R0的第二值。在这两个元件特征数据集中，R0的两个值之间的差别从元件的移位得知并且元件的外形是相同的，因此能确定R0的两个值。
在可替换实施例中，通过测量元件的物理参数，例如元件直径，并使用测得的物理参数来换算元件特征数据集，来确定R0。在每个纬度计算绝对非球面性来表征表面外形。在一个实施例中，对表面的各个部分计算表面外形并将该各个部分缝合在一起来表征整个表面。
通过如下以类似的方法从倾斜角值围绕每个纬度(＝常数)来确定表面外形：
Figure A20058001484800171
其中
在以θ轴和轴的交点为坐标中心的极坐标中进行描述，R是沿着积分路径元件的实际表面轮廓；
在使用相同坐标中心的相同坐标系中描述，R0是参考球体，与位于积分开始点，典型地位于θ＝0且＝0的元件的实际表面轮廓相一致；
S是位于角增量的倾斜角；且
d是角增量。
为了从斜率值计算表面形状，需要附加的信息。在一个实施例中，单个Rθ扫描(＝常数)能被用于连接围绕每个经度(θ＝常数)的斜率值。
本领域技术人员应理解元件特征数据集中的数据可以很多方式进行运用，除了上面给出的重构元件形状和外形的示例。当除了θ斜率之外的更多数据例如垂直于轴的倾斜角(倾斜角)，强度，或形状被收集在元件特征数据集中时，可以确定表面外形且执行附加的计算。例如，2003年12月24日提交专利申请PCT/IB2003/0062，发明人W.Potze，皇家飞利浦电子股份有限公司参考号No.PHNL030022，在这里合并作为参考，披露了当使用二维PSD且收集了θ斜率和斜率时，对于表面积分最佳利用多余斜率数据的算法。强度数据可被用于识别具有由灰尘或划痕引起的斜率值的像素。形状和局部曲率可被用于检查测得的斜率值是否正确。在另一个实施例中，可以用可替代的方式例如通常在眼科(ophthalmics)领域使用的功率地图(power maps)或附加地图(add-on maps)，或通常在光学领域使用的Zernike多项式系数拟合来分析元件和元件表面。元件和元件表面可在球坐标系，笛卡儿坐标系，或其他方便的坐标系中描述。
从分析元件特征数据集获得的外形或其他结果可在加工元件，例如研磨，抛光，或装配元件中使用。光探针和PSD可以远离元件，以便于它们不会妨碍加工元件的工具，例如车床或抛光器。外形或其他结果可与设计参数进行比较来产生用于控制工具的误差信号。使用透射模式，在装配期间可以监视多元件透镜系统的光学特征。在每个透镜元件加到透镜系统之后可以进行测量，确保装配是正确的并且透镜系统按照设计工作。
在一个实施例中，检测来自点124的结果束的偏移包括使用PSD检测偏移并校准PSD。校准PSD包括为提供准确测量校准光学测量装置的任何部分。为了校准在反射模式中操作的PSD，使用例如摇摆式校准，平面镜校准，或球面校准的校准方法。通过调整硬件的偏移或对准，例如PSD，光探针，和/或平台的物理对准，或通过当对具体被测试的元件分析元件特征数据集时调整软件的数据，来执行PSD校准。通过线性拟合或复杂的校准表校准数据可被应用于测得的数据。
为了执行摇摆式校准方法，设置平面镜作为元件相对于轴有小的倾斜。在一个实施例中，平面镜由与校准后将被测试的元件相同的材料制成并具有相同的光学属性，例如反射率和表面粗糙度。源束被定向到平面镜并且该镜围绕轴旋转。结果束描述了一个具有与该镜倾斜的小角度相等的半角的锥形。结果束在PSD上形成痕迹。典型地，该痕迹是近似圆形的。基于与圆形的痕迹偏差来校准θ方向和方向的灵敏度。通过在θ方向和方向非圆形的校正来校准PSD。
通过使用不同镜子倾斜和/或不同源束角度重复该校准处理以使得结果束在PSD上描出不同大小的痕迹，可以获得对于摇摆式校准方法在PSD的更大区域上的校准。这提供了对于元件相对于θ轴和轴所有可能的倾斜角度PSD的校准。根据校准数据的拟合，例如平均拟合，圆周拟合(circle fit)，或Fourier拟合，校准数据也可以用于在方向上直接定位PSD的零点。
通过给台附着具有靶子的临时夹具作为元件，可以测量PSD在θ方向上的零点。该靶子是一个标记，例如针孔，点或十字形，或传感器，例如PSD或照相机，被用于定位源束在临时夹具上的位置。临时夹具首先定位靶子在轴上距离光探针第一距离。临时夹具围绕轴旋转且调整靶子在台上的位置直到靶子围绕轴的运动没有离心率(eccentricity)。临时夹具沿着z轴移动到离轴上的光探针的第二距离，并且在第二距离的离心率都归零(zero out)了。然后临时夹具在第一距离和第二距离之间移动并进行调整，直到当临时夹具围绕轴旋转时源束在第一距离和第二距离都射到靶子的中心。
为执行平面镜校准方法，设置平面镜作为元件相对于轴有小的倾斜。在一个实施例中，平面镜与校准后被测试元件由相同的材料制成并具有相同的光学属性，例如反射率和表面粗糙度。源束被定向到平面镜并执行θ扫描，即光探针围绕θ轴旋转同时该镜相对于轴静止。典型地，该镜靠近θ轴，因此在θ扫描期间源束在镜子上保持接近单点。这减少了对于镜子平面度的校准的灵敏度。从PSD上的结果束收集关于在θ方向和方向上的偏转的数据。元件围绕轴旋转一个校准角度增量，例如30°或60°。重复该θ扫描并旋转该元件。在每一个校准角度增量围绕轴执行另外的θ扫描直到元件被旋转360°。从在θ方向偏转作为轴位置的函数的线性度可以校准θ方向上的灵敏度。从方向偏转的平均可以校准方向上的灵敏度。通过在θ方向的非线性的校正和来自方向平均的偏移的校正来校准PSD。
为执行球体校准方法，设置球体作为元件。在一个实施例中，球体是抛光的金属球。在可替换实施例中，球体与校准后待测试元件由相同的材料制成并具有相同的光学属性，例如反射率和表面粗糙度。源束被定向到球体沿着θ轴和轴的零度位置。从PSD上的结果束收集关于在θ方向和方向上的偏转的数据。源束在θ方向上移动小的经度增量，例如0.5°或1°。通过在方向上旋转球体来收集一圈数据并且在小的纬度增量上，例如1°或2°，进行数据收集。重复这个处理直到数据圈已经在球体的期望位置例如从θ值在约0°到45°之间，或0°到90°或更大之间进行了收集。因为元件为球形，在θ方向和方向上的偏转应该为零，即表面坡度应该为零，并应该没有非球面性。根据数圈数据来重构球体表面并与抛光金属球体的期望球体表面相比较。通过任何未对准的物理校正，例如校正PSD、光探针、和/或平台对准，或通过在分析具体的被测试元件的元件特征数据集的同时调整软件中的数据，来校准PSD。
图9是结合根据本发明的光学精密测量方法的机械控制的框图。光学测量装置200发送源束202到表面204的像素，其返回结果束206。光学测量装置200典型地远离表面204以避免妨碍工具208。根据希望的应用，结果束206可以是反射束或透射束。表面204被工具208加工，例如被在车床上加工，被抛光，或被打磨。在表面204被工具208加工的同时，表面204被光学测量装置200测量。随着工具208的停止表面204也可以被光学测量装置200测量，但同时表面204要保持被安装在加工机械，即车床、抛光器、磨床上。对于使用水喷射或磨料的工具，光学测量装置被保护在窗口后面，窗口在进行表面测量时打开。
光学测量装置200从结果束206产生表面204的特征的测量信号210。在比较器216，测量信号210与来自设计存储器214的设计信号212相比较。存储在设计存储器214中的表面204的理想设计可以是预置式设计或随着表面204加工的实际过程变化的交互式设计。比较器216从测量信号210和设计信号212的比较产生差信号218。机械控制220接收差信号218并产生控制工具208加工表面204的控制信号222。
图10是包括根据本发明制成的光学精密测量装置的车床的透视图。控制工具的移动来加工表面的相同部件也控制光学测量装置的光探针的移动。该光学精密测量的动作类似于图1和2中描述的动作。
参考图10，车床230包括支撑车床托板234的床体232，车床托板又支撑工具刀架236。切割工具238由工具刀架236保持。旋转头240保持元件242并围绕轴旋转元件242，因此能够在车床230上使用切割工具238加工元件242。车床托板234在床体232上沿着z轴移动且工具刀架236在车床托板234上沿着x轴移动。切割工具238相对于元件242的移动允许元件242的精密加工。
为提供光学精密测量，θ台244可操作地连接到工具刀架236且光探针246附着到θ台244。光探针246定向源束248到元件242。在这个示例中，光探针246检测其为用于确定元件242的表面外形的反射束的结果束(未示出)。车床托板234、工具刀架236，和θ台244用作探针台，控制光探针246在x和z方向上以及围绕θ轴的运动。旋转头240用作元件台，控制元件围绕轴的运动。用于测量的运动由用于控制元件242的加工的相同控制器来控制。
光学精密测量与元件242的加工相互配合。在一个实施例中，光学精密测量与元件242的加工同时执行。在可替换实施例中，当元件242不被加工时，根据希望的测量旋转或静止元件来执行光学精密测量。本领域技术人员应理解描述用于车床的光学精密测量装置可用于很多其他的设备，例如抛光器和磨床。
图11和12分别是根据本发明制成的光学精密测量装置的探针台支撑的可替换实施例的透视图和截面图，其中与图5和6中相同的部件使用相同的附图标记。该支撑提供附加的自由度和现有自由度的更大移动范围。
参考图11作为探针台的一个可替换支撑，万向(cardanic)环150，也称作万向悬架环，支撑摆臂84。万向环150包括内环152，外环154，第一轴82，和第二轴156。第一轴82在外环154上支撑内环152，并提供内环152围绕θ轴的旋转。第二轴156支撑外环154并提供外环154围绕ψ轴的旋转。θ轴和ψ轴典型地相互垂直。摆臂84附着在内环152上。光探针(未示出)由连接到内环152上的摆臂84支撑且随着内环152围绕θ轴旋转。元件台76定位在内环152内。在一个实施例中，元件台76在x，y和z方向上移动元件78并提供围绕轴的旋转。万向环150包括轴承、马达、和对于本领域技术人员已知的用于驱动和监测的位置编码器(未示出)。
参考图12作为探针台的另一可替换支撑，滑动台170支撑其可旋转地支撑轴82的轴承83。轴82可围绕θ轴旋转。附着在轴82上的摆臂84支撑用于定向源束到安装在元件台76上的元件78的光探针(未示出)。滑动台170包括第一轴承环172和第二轴承环174。第一轴承环172和第二轴承环174的全曲面176，178被成形的因此第一轴承环172能围绕被置于滑动台170上和上方中心的点180旋转。在一个实施例中，点180位于或靠近光探针的焦点。本领域技术人员应理解在可替换实施例中全曲面176，178的斜率从朝向图示的滑动台170的中心到朝向滑动台170的外侧是反向的，因此点180位于滑动台170的下方。滑动台170包括轴承、马达、和对于本领域技术人员已知的用于驱动和监测的位置编码器(未示出)。
光学测量装置也能提供y方向上在光探针和元件之间的移动。在一个实施例中，滑动台170被支撑在提供光探针在y方向上移动的y台182上。在可替换实施例中，元件台76提供元件在y方向上的移动。y台182包括轴承、马达、和对于本领域技术人员已知的用于驱动和监测的位置编码器(未示出)。
虽然这里披露的本发明的实施例目前认为是优选的，但在不背离本发明范围的情况下可以进行各种改变和改进。本发明的范围在附加的权利要求中表明，落在等效物的含义和范围内的改变意味着被包含在内。

Claims (20)

1、元件的光学精密测量方法，包括：
在相对于元件的第一位置提供光探针120；
定向源束从光探针到元件上的像素122；
检测来自像素的结果束的偏移124；
在元件特征数据集中存储该偏移126；
移动光源到相对于元件的其他位置128；并
对于该其他位置重复定向、检测、和存储130。
2、根据权利要求1的方法，其中该结果束选择自由反射束60，透射束21，和既有反射束60又有透射束21组成的组。
3、根据权利要求1的方法，还包括检测结果束的附加特征，该附加特征选择自由强度和形状组成的组。
4、根据权利要求1的方法，其中移动光源到相对于元件128的其他位置包括围绕轴旋转元件。
5、根据权利要求3的方法，其中移动光源到相对于元件128的其他位置还包括围绕θ轴移动光源。
6、根据权利要求1的方法，其中移动光源到相对于元件128的其他位置包括以选择自由球面模式，远心模式，和自由形式模式组成的组的模式相对于元件移动光源。
7、根据权利要求1的方法，还包括分析元件特征数据集。
8、根据权利要求6的方法，其中结果束是来自元件表面的反射束且分析元件特征数据集包括分析表面的选择自由外形属性、功率地图(power maps)，附加地图(add-on maps)，和Zernike多项式系数拟合组成的组的属性。
9、根据权利要求6的方法，其中结果束是透射束且分析元件特征数据集包括确定元件的光学特征。
10、根据权利要求6的方法，还包括响应于分析元件特征数据集的结果来加工该元件。
11、根据权利要求1的方法，其中检测来自像素124的结果束的偏移包括使用位置灵敏探测器(PSD)来检测来自像素124的结果束的偏移，并且还包括校准该PSD。
12、根据权利要求10的方法，其中校准该PSD包括：
提供平面镜，相对于轴有倾斜；
定向源束到平面镜上；
围绕轴旋转该平面镜；
检测PSD上的痕迹；且
从该痕迹确定PSD的灵敏度。
13、根据权利要求10的方法，其中校准PSD包括使用选择自由摇摆式校准，平面镜校准，和球面校准组成的组的方法来校准PSD。
14、用于元件的光学精密测量的系统，包括：
位于相对于元件28的第一位置的光探针24；
定向源束从光探针到元件22上的像素的装置；
检测来自像素30的结果束的偏移的装置；
在元件特征数据集中存储该偏移的装置；
移动光源到相对于元件26的其他位置的装置；
对该其他位置重复定向、检测、和存储的装置。
15、根据权利要求13的系统，还包括用于分析元件特征数据集的装置。
16、根据权利要求13的系统，还包括用于校准该检测装置的装置。
17、对元件进行光学测量的装置，包括：
光探针24，该光探针24提供源束38；
探针台22，该探针台22可操作地围绕θ轴旋转光探针24；
元件台26，该元件台26可操作地围绕轴旋转该元件28；
位置灵敏探测器；
其中探针台22定向源束38到元件28，源束38从元件28产生结果束，且位置灵敏探测器检测该结果束。
18、根据权利要求16的装置，其中探针台22和元件台26的相对运动可操作地沿着x轴和z轴相对于元件28移动光探针24。
19、根据权利要求16的装置，其中该结果束选择自由反射束60、透射束21，和既有反射束60又有透射束21组成的组。
20、根据权利要求16的装置，其中该位置灵敏探测器选择自由模拟横向效应光电二极管，电荷耦合装置(CCD)传感器，和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器组成的组。
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