TWI839895B - 量測光學元件之厚度的方法、干涉量測裝置及電腦程式 - Google Patents

Abstract

本揭示內容係有關於一種量測一光學元件之一表面的方法以及一種用於量測光學元件(10)之一表面(20、30)或輪廓之干涉量測裝置(1)，其中光學元件(10)包含一第一表面(20)及相對於第一表面(20)之一第二表面(30)，所述方法包含下列步驟：於光學元件(10)之一量測表面(11)上定義至少一第一量測點(21、31)、一第二量測點(22、32)及一第三量測點(23、33)，量測表面(20、30)係為第一表面(20)及第二表面(30)之其中一者；藉由導引來自一量測頭(60)之一量測光束(61)至第一量測點(21、31)上且藉由偵測於第一量測點(21、31)處反射之一量測光束部分(62)來量測第一量測點(21、31)之一第一位置；隨後藉由導引量測光束(61)至第二量測點(22、32)上及至第三量測點(23、33)上且藉由偵測分別於第二量測點(22、32)及第三量測點(23、33)處反射之一量測光束部分(62)來至少量測第二量測點(22、32)之一第二位置及第三量測點(23、33)之一第三位置；以及 基於至少第一位置、第二位置及第三位置來確定量測表面(11)相對於一基準軸(51)之一偏心(D)及一傾斜(T)之其中至少一者。

Description

量測光學元件之厚度的方法、干涉量測裝置及電腦程式

本揭示內容係有關於一種干涉量測裝置的領域，特別是關於一種光纖實施(fiber-implemented)的干涉量測裝置，用於藉由來自物件之表面反射的電磁輻射來量測物件之表面、距離及/或輪廓。

例如鏡片之光學元件的光學表面的品質控制和精確的量測愈來愈重要，特別是對大量製造的光學元件，這可特別地應用於相當小尺寸的光學元件，例如可以使用於小型相機、成像及/或顯示系統中的光學元件。

舉例而言，專利案DE 10 2011 011 065 B4揭示一種設備，用於量測安裝於一載具上之物件的至少一表面區段。所述設備包含：一基準物件，其關於載具是可固定的；以及一固持件，其關於基準物件於至少一第一方向是可移動的。

相對於彼此以旋轉方式安裝之一基準體及一距離感測器係安置於固持件上。一距離量測裝置係配置成確定到物件之表面上之一第一點的第一距離，且確定到基準體上與物件上之第一點相對應之一第二點的第二距離。為此，距離量測裝置包含一第一距離感測器及一第二距離感測器，其中一者面向物件且另一者面向基準體。於此設備中，物件之表面可以高精確度和非接觸方式來光學探測或掃描。

為了量測厚度，特別是為了量測物件之一厚度輪廓且為了確定光 學表面之一楔面(wedge)或傾斜(tilt)，文件US 2017/0082521 A1揭示另一種設備，其利用一具有上側與下側之物件固持件，其中，物件固持件係選擇地適於在一第一定向和以一第二定向安置於一載體上。為了量測物件的厚度且為了相互分配提供於物件之相對兩側的表面輪廓，需要於物件固持件定位於第一定向的情況下量測或掃描物件之第一或上表面，隨後，必須利用物件固持件於其第二定向量測或掃描物件。

相對於距離量測裝置放置物件固持件以及將物件固持件與其上安裝之物件重新定向可能需要對各別的量測裝置進行手動調整及/或校準，這有時可能是相當複雜和費時的。

此校準及調整可特別地相關於例如當於旋轉的量測台上提供要被量測的物件及物件之各別的數量時，於掃描光學元件或物件的表面期間，物件經受旋轉。對於此量測措施，通常可能需要將要被量測的光學元件之光學軸對準於量測台的旋轉軸。

特別是於基於干涉量測法(interferometry)之表面量測或距離量測中，量測頭與要被量測的光學元件的表面之間的距離必須保持於一預定義的量測範圍內。利用基於光學干涉(optical interference-based)的量測方法，藉由量測光束的波長給出並確定量測範圍及因此之對各別的距離量測之明確的面域。例如藉由同時地使用多個不同波長的量測光束，可擴大量測範圍及因此之明確的範圍。然而，通常會應用到以下規則：增加量測的空間分辨率將伴隨著量測範圍及因此之明確範圍之各別的減小。

因此，本揭示內容之目標是提供一種量測表面的改良方法，並且提供一種改良量測裝置，例如，一干涉量測裝置，用於量測一光學元件之一表面或輪廓。量測裝置及方法應當提供相當有效且快速的量測以及干涉量測裝置的校準和調整。再者，方法及量測裝置應當提供對光學元件之至少一或相對表 面之偏心(decenter)、厚度及/或傾斜之相當精確和快速的量測，而無需修改光學元件相對於量測裝置的支承或安裝。

本揭示內容的另一目標是提供一種各別的電腦程式，以執行此量測方法並控制各別的干涉量測裝置。

於一態樣中，提供一種量測一光學元件之一表面及/或一輪廓的方法。光學元件包含一第一表面及一第二表面，第一表面及第二表面係設於光學元件之相對側上。第一表面可為光學元件之一上部表面且第二表面可為光學元件之一下部表面。光學元件可為一任意樣式的光學鏡片。

於一第一步驟中，所述方法包括於光學元件之一量測表面上定義至少一第一量測點、一第二量測點及一第三量測點，量測表面係為第一表面及第二表面之其中一者。量測點係為預定義的量測點，它們可依據各式各樣的尺度(criteria)來選擇及/或定義。於本量測光學元件之表面或輪廓之方法中，至少於量測光學元件之表面或輪廓之方法期間，各別的第一、第二及第三量測點係定義且至少事實上(virtually)保持固定於量測表面上。

通常，光學元件的形狀及/或輪廓至少對一最小程度之精確度是已知的。光學元件的表面及/或輪廓就數量上之程度是已知的。於本方法中，必須以最大程度的精確度精確地量測表面及/或輪廓，其當然高於已知之最小程度的精確度。最小程度的精確度可藉由光學元件的製造者提供，最大程度的精確度可顯露光學元件之表面或輪廓的製造公差及/或缺陷。於典型的範例中，最小程度的精確度係於微米的範圍內，而最大程度的精確度可僅於很少數之奈米內，例如小於50奈米、小於20奈米或小於10奈米。

本方法用於提供一品質控制，且因此配置為以最大程度的精確度來量測光學元件的表面及/或輪廓。

於量測表面上定義至少第一、第二及第三量測點之後，藉由導引來自一量測頭之一量測光束至第一量測點上來量測第一量測點的第一位置。偵測於第一量測點處反射(典型地係逆反射)之一量測光束部分，藉由偵測反射的量測光束部分，可以確定或計算第一量測點的位置。為了量測於量測表面上之第一量測點的第一位置，係典型地施加一不接觸的光學量測程序。量測程序可包括一運轉分析(runtime analysis)及/或一介於反射的量測光束部分與基準光束之間的相對相位分析。

典型地，量測頭係配置成導引量測光束至第一量測點上且配置成偵測於量測光束點處反射的量測光束部分。典型地，量測頭於第一量測點周圍或於第一量測點處的區域中沿著量測表面之一表面法線對準。典型地，於第一量測點處垂直地導引量測光束至量測表面上，於第一量測點處反射的量測光束部分因此重新進入量測頭。

從一表面法線至第一量測點之量測光束之定向的偏差對於量測頭之一預定義的接受角度(angle of acceptance)是可以接受的。典型地，接受角度自第一量測點的表面法線的偏差不超過15°或10°或5°。

之後，相繼地量測至少第二量測點之一第二位置及第三量測點之一第三位置。各別的第一及第二量測點的量測係以相同於如上所描述之第一量測點的量測方式來實施。於此，導引量測光束至第二量測點上且典型地藉由量測頭偵測於第二量測點處反射之各別的量測光束部分。

以相同方式，至少導引量測光束至第三量測點上，且典型地藉由量測頭偵測於第三量測點處反射之各別的量測光束部分。

基於至少第一位置、至少第二位置及至少第三位置來確定量測表面相對於一基準軸之一偏心及一傾斜之其中至少一者。

基準軸可藉由一量測裝置之一量測台來定義，於量測台上可以置 放光學元件以用於表面及/或輪廓量測。基準軸可為一旋轉軸，光學元件於表面掃瞄或輪廓掃瞄而用於確定量測表面之偏心和傾斜之其中至少一者期間可對於旋轉軸旋轉。

原則上，至少第一位置、至少第二位置及至少第三位置可以與各別的基準位置比較，於其中，如果光學元件與基準軸對準，例如具有零傾斜角及/或零偏心，則會定位至少第一、第二及第三量測點。

典型地，量測點之實際量測的第一、第二及第三位置可以數值分析且可以適配至一數學模型，所述模型以量測表面的偏心和傾斜為變數。藉由數值計算，例如藉由適配第一位置、第二位置及第三位置至各別的第一基準位置、第二基準位置及第三基準位置，可確定量測表面相對於基準軸或相對於各別的基準表面(例如藉由第一、第二及第三基準點所定義)之偏心及/或傾斜。

通常，亦可基於至少第一、第二及第三量測點來導出量測的表面或量測的輪廓。量測的表面或輪廓可相比或適配至各別的基準表面或基準輪廓之數學模型。

於此方式且簡單地藉由量測於量測表面上之第一位置、第二位置及第三位置，可以定性地(qualitatively)及/或定量地(quantitatively)確定量測表面的偏心和傾斜。

通常，係藉由量測表面的樣式來定義量測點的數量。通常，第一、第二及第三量測點不能位於一共同直線上。可通過第一量測點及第二量測點畫一條線，但是第三量測點必須被定位在此線之外。如果量測表面為一球面，可以藉由第一量測點、第二量測點及第三量測點來明確地表徵量測表面。

當量測表面為一非球面，則必須定義且量測至少五個量測點。於包含以所謂自由形式表面做為一量測表面的光學元件中，將會需要至少六個量測點，其必須被定義且隨後藉由上述方法進行量測，以便明確地確定或計算量 測表面的偏心及/或傾斜。量測點的數量取決於定義各別的量測表面所需之自由度的數量。

於典型的範例中，藉由上述方法所確定的偏心和傾斜可以直接使用於調整及/或對準光學元件，以使用一個且相同的量測裝置實施後續之高精確度的表面量測或輪廓量測。於此方式中，上述確定光學元件之量測表面的偏心和傾斜之其中至少一者的方法可以直接用於使光學元件相對於量測裝置的量測頭對準。

藉由確定偏心和傾斜之其中至少一者，所述方法可提供關於偏心之方向和程度以及傾斜之方向和程度的一定量回饋(quantitative feedback)。藉由精確地確定量測表面的偏心和傾斜之其中至少一者，甚至可以提供光學元件相對於量測頭或相對於基準軸的全來自動或半自動調節或校準，這允許減少精確地對準和校準光學元件以藉由例如干涉量測裝置之量測裝置實施高精確度的表面及/或輪廓量測之花費及精力。

依據另一範例，量測第一位置、第二位置及第三位置之其中至少一者包括將量測光束聚焦至第一量測點、第二量測點及第三量測點之其中至少一者上，且偵測分別於第一量測點、第二量測點及第三量測點之其中至少一者處逆反射之各別的量測光束部分。藉由將量測光束聚焦至第一量測點上，可以增加量測頭對反射的量測光束部分的接受角度。

再者，將量測光束聚焦至各別的量測點上係增加於各別的量測點處反射的光量。於此，可以增加用於偵測反射的量測光束部分的信噪比(signal-to-noise ratio)。

依據另一範例，光學元件之第一表面及第二表面之其中一者係面朝量測頭，第一表面及第二表面之另一者係背離量測頭，此另一表面可面朝一量測台，於其上，光學元件係被機械地支撐。於此，背離量測頭且可面朝量測 台之第二表面係為量測表面。藉由導引量測光束至位於第一表面和第二表面中之面朝量測頭的那個面上的第一目標點上來量測第一位置、第二位置及第三位置。於此，量測光束透過光學元件之介質傳播且撞擊第一量測點。量測光束至少部分地於第一量測點中或於第一量測點處反射。這典型地透過介質朝向第一目標點逆反射並自第一目標點傳播返回量測頭。

以相同方式，所述方法亦繼續地透過光學元件的介質來量測第二量測點和第三量測點的位置。為了量測第二量測點的位置，導引量測光束至位於第一表面和第二表面中之面朝量測頭的那個面上的一第二目標點上。以相同的方式且為了量測第三量測點的位置，導引量測光束至位於第一表面和第二表面中之面朝量測頭的那個面上的一第三目標點上。

第一目標點係直接地關聯於第一量測點，第二目標點係直接地關聯於第二量測點，且第三目標點係直接地關聯於第三量測點。如果提供超過三個量測點，則於與量測表面相對之表面上亦提供分別數量的目標點。

通常，量測點係提供於第一及第二表面之一共同平面上，而且，目標點係提供於光學元件之第一及第二表面之一共同表面上。目標點總是提供於和量測點被定位之表面之相對的表面上。

藉由導引量測光束至例如於第一表面上之至少一第一、一第二及一第三目標點上，可以量測且因此確定量測點於第二表面上量測點的位置。這具有以下好處：可以直接地量測提供於背離量測頭之量測表面上的量測點，而無需重新定向量測台上之光學元件，例如朝向量測頭。

本量測光學元件之表面及/或輪廓之方法可以使用於量測面朝量測頭之表面以及量測背離量測頭之表面。以此方式，可以提供透過光學元件之介質的量測。這允許隨後量測第一表面及第二表面兩者相對於基準軸之有關於它們的偏心及/或傾斜，此隨後之量測可以一共同座標或基準系統實施。第一表 面之傾斜及/或偏心可因此直接地關聯於第二表面的傾斜及/或偏心。

因此，於一第一量測程序中，可以藉由至少量測被定位於光學元件之第一表面的第一、第二及第三量測點之第一、第二及第三位置來量測光學元件之第一表面的偏心和傾斜。之後，量測表面可以切換到第二表面，而光學元件不會相對於量測台移動。於一第二量測程序期間，可以藉由隨後至少導引量測光束至位於第一表面上之第一、第二及第三目標點且藉由偵測從被定位於第二表面上之第一、第二及第三量測點之各別的反射光束部分來確定第二表面之偏心和傾斜之其中至少一者。以此方式，可確定光學元件之第二表面之偏心和傾斜之其中至少一者。

通常，可以相對於基準軸確定第一量測表面的偏心和傾斜。由於光學元件相對於量測台於隨後之第一表面及第二表面的量測程序之間不會移動，可以相對於相同的基準軸確定光學元件之第二表面的偏心和傾斜之其中至少一者。以此方式，光學元件之第一表面的偏心和傾斜之其中至少一者可以分別直接地關聯於光學元件之第二表面的偏心和傾斜之其中至少一者。

為了使第一表面的偏心及/或傾斜相對於第二表面的偏心和傾斜之其中至少一者相互映射或分配，光學元件可於量測台上保持靜止。以此方式，不需要於第一量測程序(於其中，第一表面是量測表面)與第二量測程序(於其中，第二表面是量測表面)之間重新定向光學元件。

依據另一範例，係基於以下至少一者確定於第一表面及第二表面之面朝量測頭的那個面上之第一、第二及第三目標點的位置：光學元件之介質的折射率；量測光束於第一、第二或第三目標點上之一入射角；以及第一表面及第二表面之其中至少一者於第一、第二或第三量測點之區域及/或於第一、第二或第三目標點之區域中的一局部表面輪廓。

再者，亦基於光學元件的厚度或厚度輪廓來確定第一目標點到第 一量測點的相互映射或分配，這亦可取決於第一表面和第二表面於第一量測點及第一目標點之區域中之間的距離。對於第二量測點到第二目標點的相互映射以及第三量測點到第三目標點的相互映射及分配是同樣有效的。

典型地，至少第一、第二及第三量測點係定義於量測表面上，例如與第二表面相一致，第二表面係為一面朝量測裝置之量測台的下部表面。至少對應之第一、第二及第三目標點然後被定位於相對於第二表面的第一表面上。

所述方法通常提供第一量測點之位置的量測。為此，光學元件之一般的結構及形狀以及折射率至少對於一預定義的最小程度的精確度是已知的。基於光學元件之局部輪廓及形狀，確定及/或計算第一目標點於第一表面上的位置。為了量測第一量測點的位置，需要於第一目標點處經受折射之量測光束的反射，例如於第一量測點處逆反射。

為了於第一量測點上透過光學元件的光學介質產生有效的逆反射，必須使從第一目標點朝向第一量測點傳播的量測光束的反射部分實質上垂直地撞擊第二表面，使得量測光束的反射光束部分從第一量測點傳播回到第一目標點並且與量測光束於空間上重疊。

由於光學元件之材料的折射率不同於周圍空氣的折射率，量測光束於第一目標點處的折射亦必須被考量。折射程度強烈地取決於在第一目標點之區域的表面輪廓以及取決於光學元件之介質的折射率。於一些範例中，甚至量測頭的徑向位置是預定義的及/或固定的。對於給定之量測頭相對於基準軸之徑向位置，可以總是只提供一對明確的目標點及入射角，為此，撞擊目標點的量測光束於目標點處反射，且於目標點處進入介質，透過介質朝向預定義的第一量測點傳播，並於第一量測點處逆反射。

由於光學元件的整體形狀及輪廓至少對所需要的最小程度的精確度是已知的、且由於光學元件之介質的折射率是已知的，至少對於第一、第 二及第三量測點中的每個預定義的量測點可以總是分別計算及/或確定於光學元件之相對表面上之一明確的第一、第二及第三目標點。

量測於一背離光學頭之量測表面上之至少第一、第二及第三量測點的位置亦可包括透過具有已知折射率之光學元件的介質傳播之量測光束及反射的光束部分。再者，對於位置量測，會考量到光學光束路徑，沿著光學光束路徑，量測光束及反射的光束部分將會自光學頭透過介質朝向量測點傳播且回到光學頭。

依據另一範例，於量測表面上定義一第一量測路徑及一第二量測路徑，這可應用於第一表面以及第二表面兩者，其中各別的第一及/或第二表面係被選擇做為一量測表面。第一、第二及第三量測點之其中至少二者係被定位於第一量測路徑上，第一、第二及第三量測點之其中至少一者係被定位於第二量測路徑。

藉由定義一量測路徑，可以定義位於各別的量測路徑上之許多個各別的量測點。以此方式，可以改善量測表面之偏心和傾斜之其中至少一者之確定的精確度。實際上量測的量測點越多，各別的量測表面之偏心和傾斜之其中至少一者的計算或確定就可越精確。

於一些範例中，光學元件具有一徑向對稱。光學元件可包含一光學軸。對於量測光學元件之表面及/或輪廓的方法，當至少第一、第二及第三量測點之其中至少二者被定位於距光學元件之光學軸之徑向距離彼此不同時，這是特別有益的。

因此，至少三個量測點之其中至少一者可被定位於距光學元件之光學軸或光學元件之徑向中心點一第一徑向距離。三個量測點之另一者係被定位於距光學元件之光學軸或光學中心點一第二徑向距離。以此方式，且藉由使至少二量測點被定位於距光學元件之光學軸或中心軸之不同的徑向距離，可基 於量測至少第一、第二及第三量測點之位置來確定量測表面之偏心和傾斜之其中至少一者。

依據另一範例，第一量測路徑及第二量測路徑之其中至少一者係為一封閉量測路徑。量測路徑可包含一圓形或一卵形(例如一橢圓形狀)之量測路徑。當光學元件安裝於旋轉的量測台上，且同時量測頭可以被定位於距量測台之旋轉軸一可變的徑向距離時，封閉的量測路徑是特別有益的。

於一封閉的量測路徑中，至少第一、第二及第三量測點的量測可於量測路徑之一任意的位置開始。由於光學元件與量測頭之間的相對運動，量測光束沿著量測路徑被導引，直到量測光束返回量測路徑上的初始位置。

依據另一範例，第一量測路徑及第二量測路徑對於光學元件之光學軸或對於基準軸係同心的，基準軸例如藉由量測裝置之量測台來定義。

同心的量測路徑，例如對於圓形或圓盤形狀的光學元件(例如鏡片)，可以相當容易地定義出於其上被定位有至少第一、第二及第三量測點之同心的量測環。

通常，第一及第二量測路徑之形狀的定義以及它們的相對位置可根據光學元件之特定的形狀或輪廓來選擇或計算。

依據另一範例，光學元件係附接至一安裝座。安裝座係安置於一量測台上，量測台可繞著一旋轉軸旋轉。安裝座相對於旋轉軸之徑向位置及定向之其中至少一者係可調整的，且調整至最小化藉由本方法所確定之光學元件的偏心和傾斜之其中至少一者。

於一些範例中，量測台之旋轉軸實質地相一致於基準軸或定義基準軸。於其它範例中，基準軸係在量測台的旋轉軸之外。

安裝座典型地可於相對於旋轉軸之徑向方向移動。再者，安裝座係可傾斜的或者可以至少對於一相對於旋轉軸之傾斜軸樞轉。典型地，安裝座 是可傾斜的或者對於至少兩個可傾斜的軸是可樞轉的，至少兩個可傾斜的軸例如位於垂直於旋轉軸或垂直於基準軸的平面中。

安裝座可藉由至少一電動驅動器調整，以便最小化光學元件相對於基準軸之偏心和傾斜之其中至少一者。於此範例中，所述方法提供一種用於安裝座及因此用於附接至安裝座之光學元件的自動調整。

依據另一範例，於一第一量測程序中，係確定第一表面及第二表面之其中一者之偏心和傾斜之其中至少一者，且於一第二量測程序中，係確定第一表面及第二表面之另一者之偏心和傾斜之其中至少一者。於第一量測程序與第二量測程序之間，光學元件及/或安裝座於量測台上保持固定不動。光學元件及因此用於光學元件的安裝座可相對於基準軸保持靜止不動。

以此方式，於第一量測程序期間確定之偏心及/或傾斜可以直接地關聯於及/或映射於在第二量測程序期間獲得之偏心及/或傾斜。

依據另一範例，量測光學元件之表面及/或輪廓的方法包括沿著光學元件的光學軸量測光學元件之厚度。厚度的量測包括沿著或平行於光學元件之光學軸對準量測頭、沿著或平行於光學軸導引量測光束、及沿著或平行於光學軸移動聚焦的量測光束，且最後偵測聚焦的量測光束之聚焦面域與第一表面及/或與第二表面的相一致性。

通常對於量測光學元件之厚度，係沿著被定位於第一表面之量測點的表面法線導引量測光束。量測光束之一部分係透過光學元件傳遞且於被定位於第二表面之一對應的第二量測點處反射，第二表面係相對於第一表面。於此，第二點的表面法線及第一點的表面法線係實質地平行。通常對於厚度的量測，聚焦的量測光束於縱向方向或軸向方向、且因此沿著量測光束之方向移動或掃瞄。

為此，量測頭之量測範圍可減小到實質上小於光學元件之預期厚 度的量測範圍。當聚焦的量測光束與第一表面及第二表面之其中一者相一致時，反射的量測光束部分之強度是最大的。藉由隨後移動量測光束，例如藉由沿著或平行於光學軸透過光學元件之介質掃瞄量測光束，可以偵測到進一步的最大之反射的光束強度。量測頭沿著光學軸之那些位置(於其中，可以偵測反射的光束部分之一局部的最大值)係指示聚焦的光束與沿著光學軸之第一表面及第二表面之其中一者的相一致性。

量測頭沿著或平行於光學軸的那些位置(於其中，聚焦的量測光束與第一表面相一致)係與量測光束沿著或平行於光學軸的第二位置(於其中，聚焦的量測光束與第二表面相一致)相比較。為了計算光學元件的厚度，量測頭之各別的第一及第二位置係彼此相比較或相減。於此，係進一步地考量光學元件之介質的折射率。

為了區別從光學元件的第一表面或從第二表面反射之反射的量測光束部分，量測頭的量測範圍應小於光學元件的厚度。於一干涉量測裝置中，量測光束的相干長度(coherence length)應短於或小於第一表面及第二表面沿著光學軸c之間的距離，這可以藉由使用適當的光源以及藉由於干涉量測裝置的信號光束的光學路徑及/或基準光束的光學路徑中使用光學延遲元件來獲得，例如，可以使用雷射或超輻射發光二極體(superluminescent diode)做為光源。

如上所述，即使無上述對量測表面之各別的第一、第二及第三量測點之第一、第二及第三位置的量測，也可以實施光學元件之厚度的量測。然而，當光學元件已經被適當地對準並且相關於基準軸顯示出最小的偏心或最小的傾斜時，厚度的量測是特別有益的。

因此，於另一態樣中，本揭示內容關於一種沿著一光學軸(c)量測光學元件之厚度的方法，厚度的量測包括沿著光學元件之光學軸對準量測頭、沿著或平行於光學軸導引來自量測頭的量測光束、及沿著或平行於光學軸 移動或掃瞄聚焦的量測光束。

於聚焦的量測光束移動或掃瞄期間，偵測聚焦的量測光束之聚焦面域與光學元件之第一表面及/或第二表面的相一致性。追蹤及控制量測頭沿著光學軸之位置及移動。

於量測頭之一第一位置(於其處，聚焦的量測光束之聚焦面域與第一表面相一致)與量測頭之一第二位置(於其處，聚焦的量測光束之聚焦面域與第二表面相一致)之間的距離係直接地指示光學元件沿著光學軸或於平行於光學軸的方向中之厚度。

鑑於光學元件之介質的折射率，進一步常態化(normalized)或補償第一位置與第二位置之間的距離。

可沿著光學元件之光學軸、及因此沿著光學元件之一中心軸來實施光學元件之厚度的量測。亦可沿著平行於光學軸的方向來實施光學元件之厚度的量測。於此，量測光束係平行於光學軸對準，但是從光學軸徑向地或橫向地偏離被定位，以此方式，亦可以從光學軸偏中心(off-center)的量測光學元件之厚度。通常，可以分別於第一表面上及第二表面上之許多個互相關聯或互相對應點處量測光學元件之厚度，以此方式，甚至可以獲得光學元件的厚度輪廓。

通常，即使沒有、或獨立於上述至少一第一、一第二及一第三量測點的量測，也可以實施量測厚度的方法。亦可以於不事先確定光學元件之量測表面的偏心或傾斜的情況下實施量測。

於量測光學元件之表面輪廓的方法之進一步的範例中，基於已確定的傾斜及/或偏心，光學元件係相對於干涉量測裝置調整，特別是相對於量測頭調整。以此方式，可以達到消除或至少實質上減少光學元件對於基準軸、及因此對於量測頭的傾斜及/或偏心，隨後、並且於消除或至少減小了傾斜及偏心 之其中至少一者之後，可實施量測表面之一高精確度的拓撲(topology)量測。

於一些範例中，高精確度的拓撲量測可以藉由將光學元件以基準軸為旋轉軸來旋轉同時以橫向及縱向方向移動干涉量測裝置之量測頭來實施，其中縱向方向係沿著或平行於旋轉軸延伸，且其中橫向方向係垂直於縱向方向延伸。於此，可以於量測表面上之許多個量測點處掃瞄或探測光學元件之量測表面。

此外，量測頭可以、或係朝向於光學元件之量測表面上之各別的量測點對準，使得一量測光束部分自量測表面上量測點朝向量測頭反射。典型地，於量測表面之量測點的區域中，係實質上平行於或沿著一表面法線導引量測光束。

高精確度的拓撲量測之適合的範例係更詳細地描述於專利案US 2017/0082521 A1或DE 10 2011 011 065 A1。

於本量測表面的方法中、且較佳地於確定傾斜及偏心之其中至少一者之後、且較佳地於將光學元件對於基準軸對準以消除或最小化傾斜及/或偏心之後，可以實施光學元件之一高精確度的拓撲量測。於此，經受高精確度的拓撲量測之量測表面可以是第一表面及第二表面之其中一者。

於一些實施例中，第一表面可為光學元件之一頂部表面，其面朝量測頭。於一些實施例中，第二表面可為光學元件之一底部表面，其背離量測頭。於此，可透過光學元件實施一高精確度的拓撲量測。來自量測頭發出的量測光束可撞擊於第一量測表面上之一第一目標點。量測光束之後可透過光學介質傳播且可於光學元件之第二表面上的第一量測點處反射。來自其處，典型地於第一量測點處反射之一量測光束部分係透過光學元件折返朝向第一目標點且返回朝向及/或進入量測頭。

於此，折返的量測光束部分之光學相位可以、或係關聯於一基準 光束(例如藉由量測頭或於量測頭中產生)之光學相位及/或與基準光束之光學相位相比較。以此方式，可以干涉高精確度來量測第一表面及/或第二表面之拓撲，而無需對於被配置用於固持光學元件的安裝座來重新配置、重新定向或移動光學元件。

因此，於一第一步驟中，可以確定第一表面之傾斜及偏心之其中至少一者。於一第二步驟中，透過光學元件相對於基準軸及/或相對於量測頭之各別的調整，可以實質地消除第一表面之傾斜及偏心。於進一步的步驟中，可以實施第一表面之一高精確度的拓撲量測。

之後、或以上述步驟之交替的順序，亦以至少一種方式，亦可以藉由透過光學元件之各別的量測來確定光學元件的第二表面的傾斜及偏心之其中至少一者。於此，且於進一步的步驟中，透過光學元件相對於各別的基準軸及/或相對於量測頭之各別的調整，可以實質地消除第二表面之傾斜及偏心。

於進一步的步驟中，藉由透過光學元件傳播量測光束，可以實施第二表面之一高精確度的拓撲量測。因此，可以藉由透過從第一表面掃瞄光學元件來提供光學元件之第二表面之一高精確度的量測。實際上，於不使光學元件對於量測頭重新定向的情況下，可以實施第一表面及相對設置之第二表面的高精確度的拓撲量測。

於另一態樣中，本揭示內容係關於一種量測裝置，用於量測一光學元件之一表面及/或輪廓。量測裝置可以實施為一非接觸(non-contact)光學量測裝置，其配置成掃瞄光學元件之各別的表面。於一些範例中，量測裝置係為一干涉量測裝置，其配置成導引量測光束至光學元件之表面上且偵測自光學元件之表面反射的光束部分。

量測裝置包含一光源，其配置成產生且導引一量測光束至光學元件之量測表面上。量測裝置進一步包含一安裝座以固定光學元件。量測裝置進 一步包含一量測頭，其連接至光源。量測頭係配置成導引量測光束至光學元件之量測表面上。量測頭可進一步配置成接收自量測表面反射之一量測光束部分。

量測頭進一步可相對於安裝座移動，以導引量測光束至量測表面之至少一預定義的第一量測點上、至少一預定義的第二量測點上及至少一預定義的第三量測點上。

量測裝置進一步包含一偵測器，其連接至量測頭且配置成偵測至少於第一量測點處、至少於第二量測點處及至少於第三量測點處反射之各別的量測光束部分。

量測裝置進一步包含一信號分析器，其連接至偵測器且配置成確定第一量測點之一第一位置、第二量測點之一第二位置且確定第三量測點之至少一第三位置。信號分析器係進一步配置成確定量測表面相對於一基準軸之一偏心及一傾斜之其中至少一者，所述確定係基於量測表面之各別的第一、第二及第三量測點之至少第一位置、第二位置及第三位置。

典型地，量測裝置係特別地配置成實施以上所述之量測一光學元件的一表面及/或一輪廓的方法。就此而言，以上結合所述方法描述的任何特徵、範例及效果均同樣地應用於本量測裝置，反之亦然。

為了量測或為了確定量測表面之偏心和傾斜之其中至少一者，信號分析器係配置成基於量測各別的第一、第二及第三量測點之第一、第二及第三位置來實施一數值適配程序(numerical fitting procedure)。量測的位置係與光學元件之預定義的位置相比較，而光學元件之輪廓及幾何對一最小程度的精確度是至少已知的。基於量測的第一、第二及第三位置與光學元件之預定義的基準幾何之數值適配，可確定各別的量測表面相對於基準軸之偏心和傾斜之其中至少一者。

量測表面之偏心和傾斜之其中至少一者的確定包括及/或提供相 對於基準軸之偏心及/或傾斜的程度。以此方式，藉由信號分析器所確定的偏心和傾斜之其中至少一者可以進一步地被使用於相對於基準軸適當地對準或調整光學元件。可以手動地或自動地實施此調整或校準，當手動地實施時，量測第一、第二及第三量測點以及推導各別的第一、第二及第三位置的整個程序可以重複一次或多次，以重複地獲得光學元件之量測表面之各別的偏心和傾斜。

於一些範例中，光學元件之調整及因此之光學元件之量測表面朝向基準軸的對準，例如藉由減少偏心及/或傾斜至最小，亦可以自動地及/或確定地來實施。藉由精確地量測偏心及/或傾斜之程度或大小，干涉量測裝置、例如量測裝置之一控制器、可自動地調整光學元件之安裝座的位置及/或定向，以便消除或至少減少量測表面相對於基準軸之偏心及/或傾斜。

依據一另外的範例，安裝座係安置於一可旋轉的、因此之旋轉的量測台。旋轉的量測台可定義基準軸。可調整相對於基準軸之安裝座的徑向位置及安裝座的定向之其中至少一者。可手動地執行安裝座之徑向位置的調整及/或安裝座之定向的調整。於一些範例中，旋轉的量測台及/或安裝座可提供有至少一個或數個電機致動器，藉由前述致動器，可以自動地調整安裝座相對於基準軸之徑向位置及/或定向。以此方式，可提供安裝座及因此之附接至安裝座的光學元件之更加精確與快速的對準。

依據另一範例，量測裝置包含一控制器，其基於量測表面之偏心和傾斜之其中至少一者而可操作地調整安裝座相對於基準軸之一徑向位置及安裝座相對於基準軸之一定向之其中至少一者。於此，控制器係特別地配置成且適於控制旋轉的量測台或各別的安裝座之致動器之其中至少一者的操作或致動，以便移動或定向安裝座及/或光學元件相對於基準軸進入一預定義的位置及/或定向。以此方式，可以提供光學元件相對於基準軸的準自動(quasi-automated)和基於量測(measurement-based)之偏心調整及傾斜調整。

典型地且於一另外的範例中，可以藉由量測頭監測或控制控制器於調整安裝座相對於基準軸的徑向位置及安裝座相對於基準軸的定向之其中至少一者期間的操作。因此，於調整安裝座的徑向位置及定向之其中至少一者期間，量測頭可被使用於控制安裝座及附接至安裝座之光學元件之其中至少一者的位置。以此方式，可提供一回饋迴路，以提供控制器於安裝座的調整或校準期間的進一步控制。

實際上，可提供安裝座及/或光學元件相對於基準軸之一相當精確的與快速的對準及/或定位，這對於減少依序量測多數個光學元件的表面或輪廓的週期時間(cycle time)或時鐘週期(clock cycle)是特別有益的，藉由準自動對準和安裝座的調整，可以提供光學元件之輪廓及/或表面之後續的高精確度量測。

再者，用於調整之減少的週期時間或時鐘週期對於將量測裝置用於大量製造的光學元件的品質控制是有益的。

依據另一範例，量測裝置進一步包含一量測頭控制器，量測頭控制器可操作地使量測頭相對於安裝座及/或相對於基準軸移動及/或對準。為了量測到背離量測頭之量測表面之至少第一量測點、至少第二量測點及至少第三量測點之距離，量測頭控制器係配置成確定於光學元件之相對於量測表面且面朝量測頭之一第一表面及一第二表面之其中一者上的至少一第一目標點、一第二目標點及一第三目標點。

第一、第二及第三目標點之每一者關聯於第一、第二及第三量測點之其中一者，使得於第一目標點處、於第二目標點處及於第三目標點處進入光學元件之介質的量測光束係分別於第一量測點、第二量測點及第三量測點處內部地逆反射(internally retroreflected)。

典型地，第一目標點係直接地關聯於第一量測點，第二目標點係 關聯於第二量測點，且至少第三目標點係關聯於第三量測點。於確定第一目標點、第二目標點及至少第三目標點之後，量測頭控制器係配置成以下列方式導引或定向量測頭：導引自量測頭發射之量測光束至各別的第一目標點、第二目標點及至少第三目標點上以便提供關聯的第一量測點、第二量測點及至少第三量測點之位置的量測。

於一另外的範例中，在對於基準軸對準光學元件之後，量測裝置亦配置成對光學元件的表面及/或輪廓實施一高精確度的掃描。

於掃瞄或量測光學元件之表面及/或輪廓期間，量測頭控制器係相對於光學元件移動，使得量測光束被實質地垂直導引至光學元件之量測表面上。

依據另一態樣，本揭示內容進一步關於一種電腦程式，包含多個指令，其當藉由如上所述之量測裝置之一處理器執行時，致使處理器實施如上所述之方法的步驟。就此而言，上面對於光學元件的表面及/或輪廓的量測方法所描述的所有特徵、效果及益處以及對於量測裝置所描述的所有特徵、效果及益處同樣地可應用於電腦程式，反之亦然。

電腦程式可於量測裝置之信號分析器的處理器中及/或於量測頭控制器的處理器中來實施。電腦程式可為一分散式(distributed)電腦程式。可於信號分析器的處理器中實施或部署電腦程式的一部分。可於量測頭控制器的處理器中實施或部署電腦程式的其它部分。

1:量測裝置

2:光源

3:光耦合器

4:偵測器

5:信號分析器

6:控制器

7:光纖

8:處理器

9:處理器

10:光學元件

11:量測表面

20:表面

21:第一量測點

22:第二量測點

23:第三量測點

25:量測路徑

26:目標點

27:目標點

28:目標點

29:量測路徑

30:表面

31:量測點

32:量測點

33:量測點

35:量測路徑

36:目標點

37:目標點

38:目標點

39:量測路徑

40:安裝座

41:基座

42:中間部分

43:圓頂表面

44:上部分

45:圓頂表面

46:支撐件

47:致動器

48:致動器

49:導角

50:量測台

51:基準軸

53:旋轉軸

60:量測頭

60’:量測頭

61:量測光束

61’:量測光束

62:量測光束部分

62’:量測光束部分

63:介質

66:量測頭控制器

68:聚焦面域

70:圖形

72:邊緣部分

74:量測點

75:量測點

81:基座

82:框架

83:支腳

84:橫亙件

85:背側

86:基準表面

87:基準表面

88:基準感測器

89:基準感測器

90:固持件

91:支承

92:距離量測裝置

93:距離感測器

94:距離感測器

95:基準體

96:基準表面

於下面內容中，係藉由參考隨附圖式以更詳細的方式描述量測光學元件之表面及/或輪廓之方法以及用於量測此表面或輪廓之干涉量測裝置之多個範例，於其中：圖1係概要性地例示量測光學元件之表面或輪廓以確定光學元件 相對於基準軸之偏心。

圖2係顯示依據圖1之配置之量測的距離之圖表。

圖3係顯示類似於圖1之另一範例，其中光學元件相較於基準軸是偏心的且傾斜的。

圖4係顯示依據圖3之配置之量測的距離之圖表。

圖5係顯示從側面看，量測於光學元件之量測表面上之至少一第一量測點、一第二量測點及一第三量測點之範例。

圖6係顯示圖5從上面看之範例。

圖7係例示另一範例，其中從側面看，係從光學元件的上方量測設於光學元件之底部表面上之至少三個量測點的位置。

圖8係由底部顯示圖7的範例。

圖9係顯示用於量測光學元件之厚度的方法及量測裝置之範例。

圖10係顯示對圖9之範例的信號強度相對量測頭沿著光學軸之縱向位移的圖表。

圖11係顯示圖9之範例的第一配置，其中量測光束之聚焦面域係與第一表面相一致。

圖12係顯示圖11之範例，其中聚焦的量測光束之聚焦面域係與第二表面相一致。

圖13係顯示量測裝置於第一表面之高精確度的表面或輪廓掃瞄的配置。

圖14係顯示量測於光學元件之第二表面上的至少一第一、一第二及一第三量測點，其中光學元件相較於圖5的配置已被翻轉。

圖15係顯示於圖14的配置中之第二表面之高精確度的表面量測或輪廓量測。

圖16係綱要性地例示於依據圖14及圖15之光學元件的配置中，透過第二表面量測於第一表面上之至少一第一、一第二及一第三量測點。

圖17係量測裝置的方塊圖。

圖18係顯示安置於旋轉的量測台上用於光學元件之可調整的安裝座的範例。

圖19係詳細地例示干涉量測裝置的範例。

圖20係以放大視圖顯示圖19之干涉量測裝置的一些細節。

圖21係為量測光學元件之表面或輪廓之方法的流程圖。

圖22係概要性地例示數值適配程序以獲得量測表面的偏心和傾斜。

圖23係概要性地例示於一外邊緣區域量測光學元件之厚度的另一範例。

於圖1中例示如何量測一光學元件10相對於一基準軸51之偏心D和傾斜之其中至少一者的簡要範例。設置一旋轉的量測台50，其界定基準軸51，基準軸51可與一旋轉軸53相一致。於量測台50的頂端上設置一安裝座40，其用於一光學元件10，例如鏡片。安裝座40可於量測台50上以做為一旋轉軸之基準軸51或旋轉軸53旋轉。進一步設置一光學元件10，光學元件10具有一量測表面11。僅為了簡要例示之目的，光學元件10係為一圓柱形的物件，且具有一圓柱形的側壁做為量測表面11。

光學元件10包含一光學軸c。量測裝置1包含至少一量測頭60。於量測台50設定至旋轉致使安裝座40及光學元件10一起以做為旋轉軸之基準軸51移動時，量測頭60配置成量測至量測表面11的距離。量測台50對於做為旋轉軸之基準軸51旋轉安裝座40及光學元件10。如於圖1中所例示，光學元件10之光學 軸c係相對基準軸51被定位於一徑向偏心D處。

於圖1中，量測頭60可從一上部位置移動至一下部位置60’。之後，為了量測光學元件10之傾斜T或偏心D，量測頭60於沿著光學軸c之一第一位置60處和沿著光學軸之一第二位置60’處確定到量測表面11的距離。

於圖2中，於旋轉的量測台50之旋轉角度φ上，藉由量測頭60量測至量測表面11的距離D係被例示為一圖形70，量測頭60之量測的距離係藉由圖形70’來表示。由於幾何中心且因此由於光學軸c相對基準軸51或相對旋轉軸53被定位於一徑向偏移D處，根據圖形70及圖形70’的距離於旋轉角度φ上呈現起伏。由於光學元件10的c軸或中心軸係平行於旋轉軸53、且由於量測表面11係圓柱形的並沿著光學軸c的伸長部分包含一恆定的直徑，圖形70及圖形70’的斜率和振幅係實質地相等。圖形70及圖形70’的振幅係光學軸c和基準軸51之偏心D的直接量測。

當光學元件對於基準軸51或旋轉軸53歪斜或傾斜時，情況發生變化。據此，於量測頭60之位置所量測到之圖形70之起伏的振幅不同於在量測頭60’之進一步位置所量測到之圖形70’的起伏或振幅，如圖3及圖4所例示。

由圖形70及圖形70’的振幅及/或起伏的變化，可以確定光學軸c相對於基準軸51的偏心D和傾斜角T之其中至少一者。

通常，當光學元件10的幾何至少於最小程度的精確度下是已知的、且藉由光學元件10的量測表面11上的量測點係良好地定義，則相對於基準軸51之量測表面11的傾斜以及量測表面的偏心可以經由數值分析來獲得，此可例如藉由使量測表面11上之專用的量測點的實際量測位置適配於光學元件10之已知的且預定義的基準點來獲得。

確定偏心及/或傾斜之更一般且更通常的案例係被例示於圖5及圖6。

於圖5之側視圖及圖6之俯視圖中例示出三個專用的且預定義的量測點21、22、23。量測點21、22、23相對中心軸或光學軸c、相對光學元件10之光學軸c皆具有一確切的徑向偏移。光學元件10包含一第一表面20及與其相對設置之一第二表面30。於例示的實施例中，光學元件10可包含一光學鏡片，其具有於一下部表面30上的一上部表面20。光學元件10係由對於電磁輻射透明的一光學介質63所製成。

於目前考量為一量測表面11之第一表面20上，設置三個專用的量測點21、22、23，這些量測點21、22、23係固定的，它們可實際上地定義於量測表面11上，它們可定義於光學元件10之一數學模型，它們可鑑於整體幾何來識別或定義，例如分別鑑於第一表面20及/或第二表面30之其中一者的周向邊界。

當第一表面20及因此之量測表面11係為一球面的表面，其通常足以於量測表面11上定義至少三個量測點21、22、23。然後使用量測頭60量測第一量測點21的第一位置、第二量測點22的第二位置及第三量測點23的第三位置。

藉由將來自量測頭60之一量測光束61導引至例如第一量測點21上，可獲得各別的位置量測。藉由量測頭60擷取及偵測量測光束61於第一量測點21處反射之一量測光束部分62。第一位置的量測可包括量測介於量測頭60及第一量測點21之間的距離。

當量測裝置1實施為一干涉量測裝置時，量測頭60可配置成確定反射的量測光束部分相比於一基準光束之一路徑差異。介於反射的量測光束部分與基準光束之間的相位偏移可指示出介於量測頭60與第一量測點21之間的距離。量測頭60於例如一量測裝置1之一全域座標系統的位置及/或定向係精確已知的。

量測介於量測頭60與第一量測點21之間的距離因此允許確定第一量測點21於量測裝置1之全域座標系統的位置。

以類似的方式亦可獲得第二量測點22的第二位置及第三量測點23的第三位置。為此，量測頭60經受朝向位置60’之各別的移動，如圖5所指示。此外，光學元件10可經受對於基準軸51之旋轉。

於已經量測至少第一、第二及第三量測點21、22、23之至少第一位置、第二位置及第三位置之後，可典型地透過一數值適配運算來計算及確定各別的量測表面11相對於光學元件之一基準表面的定向及位置。數值適配運算可藉由一電腦程式來實施。於此，程式以具有光學元件10的構造細節及/或幾何數據來設置。光學元件10的幾何數據可儲存於電腦程式中，做為完全地對準基準軸51之一基準光學元件。現在，藉由將以量測頭60、60’實際量測之至少第一、第二及第三位置適配到基準光學元件或基準量測表面的數值模型，可數值地確定量測表面11相比於各別的基準表面或基準軸之偏心及/或傾斜角。

於圖22中，視覺化(visualized)基於數值適配至一基準表面11’之量測表面11的偏心D及傾斜T的確定。於那裡，綱要性地例示出具有於量測表面11上之第一、第二及第三量測點21、22、23之光學元件10的軸向位置。由於至少對基於至少三個量測點21、22、23之位置量測之最少程度的精確度而言光學元件10之整體形狀及幾何係已知的，可藉由數值適配程序來特徵化及確定量測表面11之定向及位置。

進一步以虛線例示一基準光學元件10’之一基準表面11’。基準光學元件10’代表光學元件10的位置及定向，如果它對於隨後之高精確度的表面量測程序完全地對準的話。至少第一、第二及第三量測點21、22、23之第一、第二及第三位置係以偏心D和傾斜角T為變數而數值地適配於數學模型。至少第一、第二及第三量測點21、22、23之量測的位置係數值地適配至最小化基準表面11’之偏差，此導致數值確定各別的傾斜角T及各別的徑向偏心D。

於此方式中且藉由探測於光學元件10之量測表面11上之專用的 (dedicated)且預定義的第一、第二及第三量測點21、22、23之至少第一、第二及第三位置，可確定量測表面11相較於基準軸51的偏心D及/或傾斜。對於球面形狀之量測表面11，僅使用三個分離的量測點21、22、23就足夠了。如果量測表面11包含一非球形形狀，於量測表面上就需要至少五個專用的且預定義的量測點。於量測表面為自由形式(free-form)表面的案例中，需要至少六個專用的及/或預定義的量測點21、22、23。

於本範例中，可於量測表面11上設置一第一量測路徑25及一第二量測路徑29。於本例示的範例中，兩個量測路徑25、29係皆為封閉的量測路徑。第一量測路徑25可於量測表面11上包含一圓形或一橢圓形，同樣地，第二量測路徑29可包含一圓形或一橢圓形。如進一步所例示，第一及第二量測點21、22係被定位於第一量測路徑25上，僅第三量測點23係被定位於第二量測路徑29上。

藉由於量測表面11上挑選或定義至少一第一及一第二量測路徑25、29、且藉由於至少兩個量測路徑25、29上使用許多個量測點，可確定相對較大量之量測點的位置。量測頭60可沿著第一量測路徑25及/或沿著第二量測路徑29掃瞄，且可因此確定於量測表面11上之各別數量之量測點的位置。通常，獲得的量測點的位置越多，用於確定量測表面相較於基準軸51的偏心和傾斜之其中至少一者的適配程序就可越精確。

於圖7及圖8的範例中，係定義光學元件10的第二表面30為量測表面11，如例示於光學元件10之仰視圖，且亦設置量測表面11具有一第一量測點31、一第二量測點32及一第三量測點33，同樣地於此處，第一及第二量測點31、32係被定位於一第一量測路徑35，第三量測點33係被定位於一第二量測路徑39。

第一及第二量測路徑25、35、29、39於本例示的範例中係同心的，然而，它們亦可為不同心的或可相對於彼此歪斜的，甚至可理解到，量測路徑25、29、35、39彼此相交。

為了量測第一、第二及第三量測點31、32、33的位置，量測頭60仍被定位於光學元件之第一表面20的側邊。如圖7所指示，第一、第二及第三量測點31、32、33的位置量測係透過光學元件10的介質63來實施。為了精確地量測第一量測點31的第一位置、第二量測點32的第二位置及第三量測點33的第三位置，於相對側邊、及因此於光學元件10的第一表面20，定義各別的第一、第二及第三目標點26、27、28。第一目標點26係直接地關聯於第一量測點31，第二目標點27係直接地關聯於第二量測點32，且第三目標點28係直接地關聯於第三量測點33。

由於許多個量測點31、32、33的位置之量測及因此之介於量測頭60、60’對量測點31、32、33之間的距離之量測包括量測光束61透過介質63之傳播(propagation)，計算及/或確定各別的目標點26、27、28，使得導引至第一目標點26上的量測光束部分62於第一目標點折射，以致量測光束61’的折射部分於第一量測點31中於第二表面30處逆反射(retroreflected)。透過介質63傳播之逆反射的量測光束部分62’之後再次於第一表面20處經受折射，且做為反射量測光束部分62於相對於量測光束61的方向中再次進入量測頭60。

目標點26、27、28的選擇及確定係基於介質63的折射率及於各別的目標點26、27、28上之量測光束61的入射角來執行。再者，目標點的選擇及確定亦可考量到量測點31、32、33及/或目標點26、27、28之區域的斜率或表面輪廓以及光學元件10的厚度或輪廓。

於一些範例中，目標點26、27、28於第一表面、例如面向量測頭60之表面上之計算的確定亦可考量到量測頭60、60’之位置或定向之其中至少一者。

再者，為了確定介於量測頭60、60’及於光學元件10背離量測頭60、60’之表面30上的量測點31、32、33之間的光學路徑長度，考量光學路徑的 幾何以及折射率、及光束透過介質63傳播的路徑長度。

由於介質63的折射率以及光學元件10的幾何及輪廓係已知具有最小的精確度，至少對於足夠地精確確定各別的量測表面11相對於基準軸51之偏心D及/或傾斜，可以確定量測點31、32、33的位置。

於與光學元件10的第一表面相一致的量測表面11上的許多個量測點21、22、23的量測允許確定第一表面20相對於基準軸之偏心和傾斜之其中至少一者，此確定或量測可構成一第一量測程序。光學元件10之第二表面30之第一、第二及第三量測點31、32、33的量測構成一第二量測程序。當從如圖5所例示之第一量測程序切換至如圖7所例示之第二量測程序時，安裝座40及/或量測台50上之光學元件10的位置可保持不變。

就此而言，依序實行之兩個量測程序以及其中一個使用光學元件的第一表面20作為量測表面11及另一個使用光學元件10的第二表面30作為量測表面11是直接地、且因此固有地彼此關聯。藉由第一量測程序所獲得之第一表面20的偏心和傾斜可以直接地關聯且映射至透過第二量測程序所獲得之第二表面30的偏心和傾斜。不再需要為了確定光學元件10之相對地設置之表面20、30的偏心和傾斜而去翻轉或扭轉安裝座40及/或光學元件10。

因此，可獲得光學元件10之相對地設置之表面20、30的幾何資料及特性的直接映射及分配，而不需要於連續的量測程序之間重新定向或翻轉光學元件10或安裝座40。

於圖9至圖12的順序中，係綱要性地例示量測光學元件10之厚度。為此，發射量測光束61之量測頭60係沿著光學元件10的光學軸c對準，此對準可以於確定光學元件10相對於基準軸51之偏心D及傾斜T之後進行。量測光束61係沿著光學軸c聚焦。

現在，量測頭60可以隨著聚焦的量測光束61沿著光學軸移動。當 如圖11所例示聚焦的量測光束61之聚焦面域68與光學元件10之第一表面20相一致時，如圖10所例示，藉由量測頭60所偵測及/或擷取之反射光束部分的強度或信號強度將會於一最大值M1。當量測頭60於一第一量測位置z1時，獲得此最大值M1。

當量測頭60’沿著光學軸移動時，例如從如圖11所例示之位置朝向如圖12所例示之位置，量測光束61’之焦點的聚焦面域68接近光學元件的第二表面30。當聚焦面域68或焦點與第二表面30相一致時，亦即當聚焦面域68與光學軸c和第二表面30的交叉相交時，產生了擷取的及反射的量測光束的一第二最大值M2。當量測頭60’於一第二軸向位置z2時，獲得此最大值M2。

位置z1及位置z2之間的差異或距離係直接地表示光學元件10沿著光學軸c的厚度。為了精確地確定厚度，亦考量到介質63的折射率。

於圖23中，例示了量測光學元件10從光學軸或c軸偏軸(off-axis)但平行於光學軸之厚度的另一範例。於此，導引量測光束61至光學元件10的一邊緣部分72上。於此，邊緣部分72係為一例如光學鏡片之光學元件的一徑向外邊緣部分。邊緣部分72中的第一表面20和第二表面30實質上彼此平行地延伸。於此，平行於光學軸c導引量測光束61至邊緣部分72中的第一表面20上之一第一量測點74上。量測光束61的至少一部分61’透過介質63傳送，並且於邊緣部分72中的第二表面30上之相對設置的一第二量測點75處逆反射。反射的量測光束部分62’、62從那裡返回，朝向且進入量測頭60。

如以上結合圖9至圖12所描述，量測頭60的位置係沿著量測光束傳播的方向變化或移動，典型地係沿著光學軸c或平行於光學軸，以便分別偵測於第一量測點74處及/或於第二量測點75處反射之光強度的局部最大值。

於此方式中，確定或量測光學元件之厚度的方法並不限於沿著光學軸c量測，以上描述之量測可應用於光學元件的任何區域，其中於第一表面上 之一第一點的一表面法線(surface normal)係實質地平行於一相對設置之第二表面上之一第二點的一表面法線延伸。典型地，對於光學鏡片，通常於c軸之區域中滿足此要求。

於確定量測表面11相對於基準軸51、例如相對於量測台50之旋轉軸53之偏心D及/或傾斜T之後，可以藉由掃瞄量測頭60如藉由許多個位置60、60’、60”所指示橫越量測表面11來精確地量測量測表面11、例如第一表面20，如圖13所例示。此表面之量測係極度符合於量測程序，如文件US 2017/0082521 A1或DE 10 2011 011 065 A1中所描述，其整體於此併入本文中做為參考。

如於圖14中所例示之範例係於某種程度上等同於如圖5所例示之範例，不同的是光學元件10已被翻轉過來，使得第二表面30面向上朝向量測頭60。於此，量測表面11與第二表面30相一致，且以上面參考圖5所述之相同方式來量測及探測被定位於第二表面30上之第一、第二及第三量測點31、32、33。

於確定第二表面30之量測表面11的傾斜T和偏心D之其中至少一者之後，這裡亦可如上面結合圖13所描述來實行第二光學表面30的高精確度的表面掃描或輪廓掃描。

亦可能且可想到去定義第二表面30上的目標點36、37、38，如圖16所例示。於此方式中，可量測設置於第一表面20上的量測點21、22、23(其現在背離量測頭60)。因此，藉由於面向上之第二表面30上定義各別的第一、第二及第三目標點36、37、38，可以透過光學元件的介質63來量測第一表面20之第一、第二及第三量測點21、22、23的位置。於此方式中，可以增加量測的精確度。

如圖5所例示之量測程序，可以直接地確定第一表面20之偏心和傾斜之其中至少一者。於圖16之配置中，可以透過介質63且透過於相對設置之第二表面30上的目標點36、37、38的定義來量測第一表面20之偏心及/或傾斜。 藉由圖5之量測程序而獲得之第一表面20的偏心及/傾斜的確定可以相較於且關聯於藉由如圖16所例示之光學元件10配置中的量測程序所獲得之偏心及/或傾斜的量測。於此方式中，可以雙重的(twofold)且以兩不同的方式來量測第一表面20及第二表面30兩者之偏心和傾斜，因此，增加確定光學元件10之各別的表面20、30之偏心及/或傾斜的精確度。

於圖17中，量測裝置1之一範例係例示於黑色線圖中。量測裝置1包含一光源2、一光耦合器3、一偵測器4及一量測頭60。量測頭60係透過一光纖7光學地耦合至光源2。可經由光耦合器3及光纖7來導引藉由光源2所產生之量測光束61至量測頭60。當量測裝置1實施做為一干涉量測裝置時，量測光束61被分裂成導引至光學元件10的一信號光束以及一基準光束。於一些範例中，例如更詳細地描述於文件DE 10 2011 011 065 B4或US 2017/0082521 A1之其中至少一者。

基準光束可於被定位於量測頭60內部之一光纖出射面(fiber exit face)處產生。從光學元件10之表面20、30反射的量測光束部分62被量測頭60擷取，且與光纖7中的基準光束共同朝向光耦合器3傳播。於典型的範例中，光耦合器3包含一光學循環器。

從量測頭60朝向光耦合器3之光的傳播係重新導引朝向偵測器4。偵測器4包含許多個光敏元件，諸如電荷耦合裝置(CCD)之陣列或矩陣，以便藉由於光學元件10之表面20、30之其中一者上反射之基準光束及擷取的量測光束部分62的干涉來偵測一干涉圖樣(pattern)。偵測器4係連接至一信號分析器5，以便解決及/或確定於反射的信號光束與基準光束之間的一相對相位。

典型地，信號分析器5包含一處理器8，以便計算或確定相對相位、及因此之於藉由量測頭60所獲得及/或所擷取之反射的信號光束與基準光束之間的光學路徑差異。基於光學路徑差異，可確定到光學元件10之表面20、30 上選擇的點之距離。藉由進一步知悉量測頭對於量測裝置1之全域座標系統的確切位置，可以獲得於光學元件10之表面20、30上之各別的量測點的位置。

如之前所描述，例如為鏡片形式的光學元件10係被安裝於安裝座40上，安裝座40係被旋轉地支撐於一旋轉的量測台50上，量測台50定義一基準軸51，基準軸51可與藉由量測台50所定義之旋轉軸53相一致。

量測裝置1進一步包含一量測頭控制器66，量測頭控制器66包含至少一處理器9。量測頭控制器典型地係控制及管理量測頭60之位置以及定向。信號分析器5及偵測器4可實施為量測裝置1之一控制器6的一體組件。於此方式中，量測頭控制器66亦可被實施為一組件，例如為控制器6之一體組件。如此處所例示之處理器8、9亦可一體為控制器6之一個單一處理單元。

量測頭控制器66亦可實施為一分開的控制器。控制器6係配置成控制量測頭控制器66或與量測頭控制器66通訊。於此方式中，控制器6係配置成確定於光學元件10之表面20、30上要被掃瞄的量測點，且將從各別的量測點擷取的量測光束部分62分配給表面20、30上之各別的量測點。

於一些範例中，安裝座40可藉由控制器6來控制。因此，控制器6可配置成定向或移動安裝座40及因此之相對於基準軸51的光學元件10。於此方式中，控制器6可配置成自動地調整光學元件10相對於基準軸51之偏心及/或傾斜。本範例係基於圓柱座標進行描述。由於安裝座40係相對於旋轉軸53、且因此相對於基準軸51旋轉，安裝座40係相對於固定不動的量測台50於徑向方向位移。安裝座40亦可至少對於一第一傾斜軸a和對於一第二傾斜軸b是可傾斜的。傾斜軸a、b可於垂直於基準軸51或垂直於旋轉軸53之一平面中延伸。傾斜軸a、b可對於安裝座40是固定不動的。於一些範例中，傾斜軸a、b可重新配置，因此，位置及/定向可變化。

於圖18至圖20的範例中，安裝座40包含一可固定至量測台50的基 座41，於基座41之一上部表面上設置及定位有一中間部分42，於中間部分42之一上部表面43上設置有一上部分44，中間部分42稍微鬆弛地適配於基座41之一上部表面，它可與基座41的上部表面摩擦嚙合。中間部分42的一下部或底部表面可為平坦形狀且可表面接觸於基座41之一互補的平坦形狀之上部表面。

以那個方式且由於基準軸51或旋轉軸53實質地垂直延伸穿過中間部分42和基座41的平坦形狀表面，中間部分42可相對於基座41沿徑向方向r位移。中間部分42可透過一致動器47於徑向方向位移。致動器47可包含一種機械脈衝產生器或脈衝裝置，其配置成將徑向方向之力施加到中間部分42上。以此方式，中間部分42相對於基座41可發生徑向偏移。

中間部分42的圓頂(上部)表面43係為圓頂形狀(dome shaped)，上部分44的一圓頂(下部)表面45係為互補的圓頂形狀。圓頂表面43可包含一凹形，且上部分44的圓頂表面45可包含一對應的或互補形狀的凸形。中間部分42和上部分44的凸形和凹形上端下表面的作用也可以互換。典型地，圓頂表面43、45於相對於旋轉軸53的兩個橫向方向上均具有一凹凸形狀。

進一步設置另一致動器48，其配置成選擇地嚙合於上部分44。同樣地，致動器48可包含一脈衝產生器或一脈衝裝置，其配置成重複地施加一動量至上部分44之一外輪緣或一側表面上。以此方式且因為互相對應的圓頂(形狀)表面43、45，當圓頂(形狀)表面45於對應形狀的圓頂表面43中滑動時，上部分44可以相對於中間部分42傾斜。即使於重力的影響下且當相對於旋轉軸53旋轉時，圓頂(形狀)表面43、45係處於摩擦嚙合並且保持於它們之相互的定向。

一旦已確定量測表面11的偏心D及/或傾斜T，控制器6可配置成調整安裝座40相對於基準軸51的對準和定位。據此，控制器6可控制及致動致動器47、48，以便對準和定位光學元件10以用於隨後之高精確度的表面掃瞄程序，如圖13或圖15所示。於致動器47、48的操作過程中，可藉由量測頭60來監測光 學元件10的位置及/或定向。以此方式，藉由量測頭60於安裝座40的移動或對準過程中所設置之距離或位置的量測構成一回饋迴路，這對用於高精確度的表面掃描程序的安裝座之校準的高度精確和自動調整來說是可以特別有益的。

於圖20中，係例示安裝座40之一實際實施方式。如其所例示，上部分44沿著其外側及/或上側邊緣設置有一導角49。致動器48係配置成施加一動量至相關於導角49對準之上部分44上，因而實質垂直地碰撞或撞擊導角49。另一致動器47係水平地對準且因此配置成施加一徑向導引動量至中間部分42上。

於圖19中，例示量測裝置1之一範例。量測裝置1係仔細地關聯於例如於文件DE 10 2011 011 065 B4或US 2017/0082521 A1中很詳細解釋及描述細節的裝置。量測裝置1包含一固定的基座81，於基座81之相對側邊處向上延伸有指向支腳(pointing legs)83，支腳83的上端藉由一橫亙件84連接。橫亙件84及支腳83構成一框架82，其附接至基座81。旋轉的量測台50係被定位於基座81的底部分上。基座81可進一步包含一向上指向或向上延伸之背側85，於此背側85上設置有一固持件90及一距離量測裝置92，固持件90係可至少對於兩個縱向方向移動，例如沿著一水平方向(x)及一垂直方向(z)。固持件90亦可沿著相對於量測台50之一第二水平方向y方向移動。x方向及y方向可構成一徑向平面，其垂直於旋轉軸53或基準軸51。

固持件90進一步設置有一支承(bearing)91，支承91係旋轉地安裝至固持件90上。典型地，支承91可包含或定義一旋轉軸，其沿著y方向延伸。於固持件90上進一步設置有一基準體95，基準體95包含一基準表面96，其面朝距離量測裝置92。距離量測裝置92包含至少一距離感測器93，距離感測器93面朝安裝座40且因此朝向被定位於安裝座40上之光學元件10。光學元件10可定位於一支撐件46上，支撐件46可定位於安裝座40之上部分44上。於一些範例中，支撐件46包含一液壓膨脹卡盤(hydraulic expansion chuck)，其允許固定及/或 固持光學元件10。

距離量測裝置92於量測裝置1之全域座標系統中的位置可以藉由指向一第一基準表面86之至少一第一基準感測器88來精確地確定。基準表面86因此沿著z方向垂直地延伸且附接至向上的指向支腳83之其中一者。一第二基準感測器89可面朝設置於橫亙件84上之另一基準表面87，基準表面87例如沿著x方向水平地延伸。

基準感測器88、89係定位且固定於固持件90上。基準感測器88、89係配置成確定固持件90於x-z平面中的位置。兩基準感測器88、89可被實施為距離感測器。基準感測器88、89係分別配置成確定到各別的校準基準表面86、87之距離。

距離量測裝置92係旋轉地安裝至固持件90上且對於實質上沿著y方向延伸之旋轉軸可樞轉。距離量測裝置92包含一第一距離感測器93，其面朝安裝座40且因此朝向光學元件10。距離量測裝置92進一步包含一第二距離感測器94，其面朝固定至固持件90之基準體95的基準表面96。

於本例示的範例中，第一基準感測器93及第二基準感測器94在相對的方向(例如完全相對的方向(diametrically opposite directions))延伸。第二距離感測器94係配置成確定距離量測裝置92與基準表面96之間的距離。以此方式，可精確地補償及追蹤可能因為距離量測裝置92相對於固持件90的旋轉所造成之距離量測裝置92的任何位置改變。

量測裝置1的操作及量測光學元件10的表面20、30或輪廓之方法的許多個步驟係進一步描述於圖21之流程圖中。於一第一步驟100中，係定義許多個、例如至少三個量測點21、22、23於光學元件10的量測表面11上。取決於量測表面11的類型，預定義之量測點的總數量可變化。於典型的範例中，定義了相對較大數量的量測點21、22、23，其被定位於至少二量測路徑25、29上， 例如圖5及圖6所例示。

之後，於步驟102中，量測頭60相對於光學元件10移動，以沿著量測路徑25、29掃瞄。量測裝置1至少係以獲得許多個量測點21、22、23的第一、第二及第三位置之方式來操作。基於如於步驟102中所獲得之位置量測，於接下來的步驟104中，係確定量測表面11相對於基準軸51之偏心D及傾斜T之其中至少一者。

基於傾斜T及/或偏心D的確定，光學元件10於步驟106中進行調整。

對於隨後於步驟108中實行之量測表面11的高精確度的拓撲量測，精確的調整及因此消除或實質上減小了傾斜T及/或偏心D是特別有益的。光學元件10的拓撲量測或表面量測典型地藉由旋轉量測台50來旋轉光學元件10、並藉由於量測表面20、30之其中至少一者對至少一部分或橫越整體進行掃描來執行，例如，如圖13或圖15所綱要性地例示。於量測表面的高精確度的拓撲量測期間或為了量測表面進行高精確度的拓撲量測時，量測頭60和各別的量測光束61係特別地聚焦於面朝量測頭60的表面20、30上。

一旦已實行拓撲量測，例如圖13所例示，量測頭60可沿著光學元件10的光學軸c對準，如圖9所例示。之後，量測頭可沿著光學軸c移動，以於步驟110中實行厚度量測，如藉由圖9至圖12所例示。

為了實行厚度量測，量測頭的量測範圍應小於光學元件10的厚度。於一干涉量測裝置中，量測光束的相干長度(coherence length)應短於或小於沿著光學軸c介於第一表面20與第二表面30之間的距離，這可以藉由使用適當的光源2以及藉由於干涉量測裝置1的信號光束的光學路徑及/或基準光束的光學路徑中使用光學延遲元件(optical retarding element)來獲得。

10:光學元件

11:量測表面

20:表面

26:目標點

28:目標點

30:表面

31:量測點

33:量測點

51:基準軸

60:量測頭

60’:量測頭

61:量測光束

61’:量測光束

62:量測光束部分

62’:量測光束部分

63:介質

Claims (8)

1. 一種量測一光學元件(10)沿著一光學軸(c)之一厚度的方法，其中該厚度之量測包括：沿著或平行於該光學元件(10)之該光學軸(c)對準發射一量測光束(61)的一量測頭(60)；聚焦該量測光束(61)以及沿著或平行於該光學軸(c)導引該量測光束(61)；沿著或平行於該光學軸(c)移動聚焦的該量測光束(61)；偵測聚焦的該量測光束(61)之一聚焦面域(68)與該光學元件(10)之一第一表面(20)及與一第二表面(30)之間的相一致性，其中該第二表面(30)為相對該第一表面(20)；以及當聚焦的該量測光束(61)分別與該第一表面(20)及該第二表面(30)相一致時偵測反射的光束強度的一最大值。
2. 如請求項1所述之方法，其中聚焦的該量測光束(61)於縱向方向沿著該量測光束(61)之方向掃瞄。
3. 如請求項1或2所述之方法，其中沿著或平行於該光學軸(c)，在移動或掃瞄聚焦的該量測光束(61)之期間，偵測聚焦的該量測光束(61)之一聚焦面域與該光學元件(10)的第一表面(20)及/或與第二表面(30)的相一致性。
4. 如請求項1或2所述之方法，其中該光學元件(10)的厚度的計算為藉由相比較或相減該量測頭(60)沿著或平行該光學軸(c)的一第一位置，其中聚焦的該量測光束(61)與該第一表面(20)相一致，以及該量測頭(60)沿著或平行該光學軸(c)的一第二位置，其中聚焦的該量測光束(61)與該第二表面(30)相一致。
5. 如請求項1或2所述之方法，其中於該量測頭(60)沿著或平行於該光學軸(c)之一第一位置與該量測頭(60)沿著或平行於該光學軸(c)之一第二位 置之間的一距離係依據該光學元件(10)之介質的一折射率被常態化(normalized)或補償。
6. 一種干涉量測裝置(1)，用於量測一光學元件(10)之一厚度，該量測裝置包含：一光源(2)，配置成發射一量測光束(61)；一安裝座(40)，以固定該光學元件(10)；一量測頭(60)，連接至該光源(2)，該量測頭(60)係配置成：沿著或平行於該光學元件(10)之一光學軸(c)對準該量測光束(61)；聚焦該量測光束(61)以及沿著或平行於該光學軸(c)導引該量測光束(61)；沿著或平行於該光學軸(c)移動聚焦的該量測光束(61)；偵測聚焦的該量測光束(61)之一聚焦面域(68)與該光學元件(10)之一第一表面(20)及與一第二表面(30)之間的相一致性，其中該第二表面(30)為相對該第一表面(20)；以及當聚焦的該量測光束(61)分別與該第一表面(20)及該第二表面(30)相一致時偵測反射的光束強度的一最大值。
7. 如請求項6所述之量測裝置(1)，其中該量測頭(60)係配置成於縱向方向沿著該量測光束(61)之方向掃瞄該聚焦的該量測光束(61)。
8. 一種電腦程式，包含多個指令，其當藉由如請求項6所述之量測裝置(1)之一處理器(8、9)來執行時，致使該處理器(8、9)進行如請求項1至請求項5中之任一項所述之方法的步驟。

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