摘要：在光学制造业中，几何量计量技术大量用于零件质量检测与控制过程，是一项核心
的技术，包含纳米结构的几何量计量及球面、平面、曲面、非球面及自由曲面的计量。本文主
要对支撑光学制造的部分计量技术进行研究，

 

　　关键词：光学制造；制造公差；几何量；计量

 

　　中图分类号：

 O43 文献标识码： A 文章编号： 

　　随着更小、更快、更高度集成的光学和电子设备的需求日益增加，存在许多具有挑战性
的问题，在制造光学零件，例如，大尺寸，高数值孔径，大型非球面零件，对表面粗糙度、
表面结构等要严格控制制造公差。三维测量不仅保证了光学产品的质量，也为制造过程的监
测

/控制提供了保障，是一项实用的技术。 

　　

1、微/纳米结构的三维测量 

　　有多种技术可用于测量微

/纳米结构，包括成像方法和非成象方法。每种方法都有其优

点一方面，但也有缺点在另一方面。光学显微镜作为最经典的方法，具有快速和容易使用的
特点。其中有些是可以执行具有高垂直分辨率的三维测量。然而，由于光的衍射性质，光学
显微镜的横向分辨率也是有限的。使用高孔径物镜和光源更短的波长是一种有效的方式，以
提高其横向分辨率。扫描电子显微镜具有很高的分辨率，在下降到

1.5 时，使用的电子能量

小于

1 千电子伏。但是，它必须在真空中进行，也缺乏三维测量能力，有时还具有破坏性。

电子光学测量系统由低电压的扫描电子显微镜中一个大的真空室和一个

300 毫米 x-y 定位

阶段控制的真空激光干涉建立起来的，早在

1998 年就已经出现。散射测量能够快速用于直

接测量，但是，它需要先进的数学建模工具和数据评估系统，以解决其存在的问题，其中
的几何形状的三维结构是必备的知识。系统的概念是可变的和通用的，所以，可以执行许多
不同类型的测量，例如，经典的散射仪，椭偏散射仪等。扫描探针显微镜技术允许直接测量
三维形状的纳米结构，既具有高的横向和垂直分辨率，也不具有非破坏性。

 

　　

1.1 计量大范围显微镜 

　　

SPM 通常有一个小的扫描范围内，一般为几十微米。这一方面极大地限制了其进一步

的应用。为了延长测量量，以及提高校准能力，计量大范围原子力显微镜的出现使测量体积
达到

25mm×25mm×5mm。将待测量的样品沿 z 轴方向放置在 2μm 的 z 压电阶段。z 压电阶段

的延伸是由嵌入的电容式传感器具有亚纳米分辨率进行测量的。机械地安装在一个三维
（

3D）机械定位阶段的运动平台的 z 压电阶段，简称为纳米测量机。NMM 的运动平台包括

三个高精度的彼此正交的平面镜和一个反射镜角。三个嵌入式零差干涉仪是用来测量运动平
台的位置相计量帧的，分辨率为

0.08 nm。自制一种新的原子力显微镜头，被机械的固定在

微晶玻璃柱上。三个干涉仪的测量光束的交点处位于悬臂尖端位置。在这种方式，测量原理
得到满足。在

NMM 的 z 压电阶段的详细描述中也介绍了其他方面。 

　　

1.2 层厚度的测量 

　　涂层是一个重要的光学部件的制造过程。光层的厚度和均匀性，需要精确地测量

/控制

中。有多种技术可用于层厚度的测量，包括光学显微镜，反射计和椭圆仪。其中，椭偏仪的
主要应用的方法之一是能够表征薄膜厚度的单层或复杂的多层。它可以实现极高的测量稳定
性。然而，它的测量不确定度大，对系统会产生一定的误差，因此该仪器的校准是一个关键
问题。

 

　　

1.3 侧壁结构的测量 

　　光学结构的侧壁特性，可能会影响光学部件的性能。例如，在光波导和菲涅尔透镜，大
型侧壁的粗糙度将导致高光散射造成的损失。侧壁结构的测量是比较困难的。尽管目前由多
种显微技术弧测量微纳米结构，但是几乎所有的技术在侧壁测量时都会遇到问题。如图

1 示

例，原子力显微镜（

AFM）和触针的探针通常有一个尖与锥体或圆锥形状，在图 1（a）中，

触针永远不会靠近侧壁。在光学显微镜和电子显微镜下，图

7（b）中由于在侧壁或侧壁之