大口径平面、球面、非球面镜测量设备调研报告现代光学镜面的加工制造是一种动态变化的过程模式，为保证最终面形质量必然是经历了加工-检测-加工的反复过程。因此为适应大口径元件的量产测试需求，测量设备在反复过程中的检测精度、稳定性和效率直接影响到镜面加工的最终时间和成本。DUI（Dutch United Instruments）在TNO、TU/e 和VSL 成熟的技术基础上，推出了NMF系列非接触式轮廓仪，其架构特点和测量能力可以很好的满足该测试要求；同时，在测量大口径球面元件面形时，还可以高精度测量曲率半径，得出曲率半径误差。测量口径可达350mm、600 mm、1000mm等，典型测量不确定度低于15 nm RMS，重复性精度小于2nm RMS，可快速非接触式测量大口径平面、球面、非球面甚至自由曲面等各种光学元件。 图一NMF600S
一．高精度、高重复性、高效率面形测量能力
（1）大口径元件测量时间长、轴系行程长，元件批量生产时车间环境复杂，环境扰动源多，因此设备运动系统的稳定性及抗扰动能力尤为重要。
NMF整体架构见图二，采用光谱共焦原理测头并通过多重专利技术保证系统运动精度和稳定性，一是采用碳化硅计量框架和大理石基底，在碳化硅框架上直接加工出反射参考镜，用于激光干涉仪位移定位。相比传统微晶玻璃反射参考镜，不会因为框架和反射镜热膨胀系数不同而产生系统误差；整个测量框架位于大理石基底气浮平台上，并与设备外壳隔离，可以有效的隔离环境振动，增强测量抗扰动能力。二是采用激光干涉仪对测量探头的高频伸缩进行实时检测校准和定位。三是采用专利技术PSD倾斜矫正系统，通过测量测试光斑的变形量，来计算局部的面形与设计面形的偏差，并在拟合测试面形时进行补偿。四是转
台轴跳和端跳的检测系统，由于光学元件在气浮转台上旋转会产生轴跳和端跳，尤其大口径元件受重力影响，NMF采用两组电容传感器对轴跳和端跳进行实时检测和闭环校准。NMF的多重闭环校准对运动系统进行补偿，使其拥有极高的测量精度和重复性，可以准确的反馈面形误差给加工设备，指导作业。
can总线busoff图二NMF架构图和计量框架
如图三所示，三次测量Φ240mm平面镜，不确定度RMS<15nm，重复性精度RMS<2nm。
图三1转/S，测量时间6分15秒
（2）光学元件在补偿加工循环中，面形误差还未得到很好的控制，与理论面形存在一定的偏差，因此要求设备探头具有加大的测量范围。首先，NMF具备Z轴、R轴、ψ轴（摆轴）和ϴ轴（转轴），形成圆柱形坐标系测量架构，如图五所示，轴系自由度高；同时，工件转台等效于超精密车床C轴，可由系统编程定位，对于复杂元件，可直接由编程规划扫描路径，在C轴的控制下可按不同的扫描轨迹（螺旋、往复）和转速（最大支持1转/秒）完成全面形扫描；再者，NMF具有可在其轴线方向上高频伸缩的测头(通过音圈马达驱动，速度可以达1.5m/s)，对于实际面形与理想面形偏差不超过5mm及±7°
的表面均能自动适应，自动快速伸缩测头完成测量。所以，尤其是大口径元件，由于本身重量、体积大，元件放置到转台后无需
精确对中，NMF测头具备的自适应性，可直接进行精确测量，降低了测量前的准备时间和难度，提高测量效率。
图四自适应5mm偏差及±7°倾斜
玻璃精雕机图五轴系分布和测头
NMF测头具备大测量范围，可以测量微米级RMS粗糙表面。因此可在加工过程的反复循环中尽早的介入进去，为元件提供准确的补偿加工指导，缩短工艺周期。同时元件测量时卧式放置，与多数大口径元件加工时装夹方向一致，因此无需改变元件方向等待重力影响稳定，典型测量时间＜15Min，可以快速、高效实现加工—测量—再加工的循环修正过程。
图六质量控制过程
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二．高精度曲率半径测量
对于球面元件，NMF在测量面形时，还对测量其曲率半径。而大口径球面元件，在测量拟合曲率半径
时，轴系运动路径长、范围大，极易受环境扰动的影响，当曲率半径很大时，理论面形趋近于平面，将极大的考验设备位移机构的运动精度。NMF具备碳化硅计量框架和反射镜一体化，用于激光干涉仪定位基准，校准轴系位移，大理石基底气浮平台支撑整个测量机构并与外壳隔离，转台的跳动检测补偿等多重闭环补偿系统，都极大的提高了位移系统的运动精度和稳定性，使曲率半径测量精度和重复性优于其他设备。典型测量案例如图七所示：Φ520mm凹球面镜，曲率半径-1412mm，三次测量，转速分别为0.25转/s，0.5转/s和1转/s，拟合曲率半径分别为RC fit=-1412.28371mm, -1412.28628mm, -1412.28814mm，曲率半径误差dRc分别为-283μm，-286μm，-288μm，重复性优于百万分之4。
图七曲率半径测量
二．测试案例
高可靠性。（1）蔡司Φ350mm平面标准镜溯源测试，标准镜RMS 10.078nm，NMF测量结果9.5nm，测量不确定度优于1nm；
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图九蔡司标准镜图十NMF测量结果
（2）Φ170mm平面镜，ZYGO干涉仪RMS 10.758nm（0.017wave），NMF测量结果RMS 9nm，测量不确定度优于2nm；
图十一ZYGO干涉仪测量结果图十二NMF测量结果免水冲厕所>表面耐磨涂层
高重复性。测量Φ520mm凹球面镜，曲率半径-1412mm：三次测量主轴转速分别为0.25转/s（测量时间11min），0.5转/s（测量时间8:30min)，1转/s(测量时间7min)，测试结果如图所示，RMS：43.1nm, 45nm, 45nm，RMS重复性优于2nm。
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