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  1. NMF：实现自由曲面光学元件测量

人们只能制造可以测量的东西，因此非球面和自由光学元件的检测是释放这些复杂表面潜力的关键因素。NMF产品是基于TNO的NANOMEFOS技术开发的，该技术将通用性、大口径、非接触式、快速和高精度的特点结合到一台机器中。运动和校准系统的设计以及非接触式光学探头实现了快速、高精度的3D形貌测量。

基本原理

一种圆柱坐标测量架构

这种“大型cd播放器”的架构实现了NMF产品的一个关键特征，即通用性。它可以测量各种光学元件（从平面到非球面和自由曲面，从凸面到凹面等）。待测产品安装在气浮主轴上，主轴可按1转/秒的速度连续旋转。非接触式共焦探头安装在旋转轴（Ψ轴）上，该旋转轴将测头垂直于待测表面；对于自由曲面，测头将与最佳拟合回转对称表面垂直。测头可以分别通过R轴和Z轴在径向（R）和垂直方向（Z）上移动。

Fig. 1 Coordinate measurement machine (CMM) concept

非接触式测头

光学测头基于共焦原理。其高NA与特殊的双级设计相结合，可快速测量任何旋转对称元件，如球面、非球面以及非回转对称自由曲面。当需要纳米级分辨率时，光学探头通常只有几微米的焦深。若通过移动R轴和Z轴来保持测头聚焦，这些重型平台需要很大的加速度，从而导致不理想的动态性能。为了避免这种情况，采用了如图2所示的双级伺服测头。这时，R/Z轴可以保持静止，从而将动态移动质量从数十千克的R/Z轴减少到仅约50克的测头物镜。这改善了系统的动态性能，并有效地将光学测头的范围从几微米增加到几毫米。此外，物镜的高NA捕获了与最佳拟合非球面的局部斜率偏差。因此，它能够高速测量自由曲面的表面轮廓，例如，如图3所示，自由曲面偏离最佳拟合非球面+/-2.5 mm，局部斜率偏差在+/-7度以内。

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Fig. 2 高NA物镜的双级伺服探头，可快速测量自由光学元件

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Fig. 3 与最佳拟合非球面的局部斜率、全局斜率、自由曲面偏离度的图示

具有稳定的HeNe激光干涉仪和碳化硅参考框架的独立校准系统

运动系统将测头定位到元件上。通过干涉仪直接测量探头相对于校准框架的位置，获得了测头在运动平面内的短校准回路。机械和热模拟结果表明，碳化硅是该校准框架的首选材料。主轴的运动误差是通过电容传感器相对于该框架进行测量的。因此，该系统可以校正运动和振动误差，并使重复性低于1nm RMS，测量精度可溯源。