非球面測(cè)量技術(shù)

非球面測(cè)量技術(shù)

成都中宇光電科技發(fā)展有限公司(http://zhongyuguangdian.com/)非球面透鏡生產(chǎn)工廠

現(xiàn)在非球面領(lǐng)域最難以解決的就是測(cè)量設(shè)備的問題，無論是松下的UA3P還是英國(guó)的Taylor的測(cè)量一方面設(shè)備昂貴，另一方面測(cè)量速度緩慢，無法適應(yīng)大批量生產(chǎn)的面精度檢測(cè)要求，如果有一種非球面干涉儀能解決這個(gè)瓶頸，那么模造玻璃非球面的錢景將一片光輝~~~~
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導(dǎo)讀： 半導(dǎo)體、消費(fèi)電子產(chǎn)品以及航空航天系統(tǒng)都采用非球面光學(xué)元件以提高產(chǎn)品的性能及可用性。非球面為光學(xué)元件的設(shè)計(jì)者們提供了一個(gè)額外的“自由度”——它們可以改善系統(tǒng)的光學(xué)性能、降低整個(gè)系統(tǒng)的成本和元件數(shù)量、減輕系統(tǒng)重量以及提高系統(tǒng)的光傳輸效率。透鏡的直徑從亞毫米到幾百毫米，精度范圍從微米到亞納米。 非球面 干涉測(cè)量法 精密透鏡
作者：Robert Smythe
半導(dǎo)體、消費(fèi)電子產(chǎn)品以及航空航天系統(tǒng)都采用非球面光學(xué)元件以提高產(chǎn)品的性能及可用性。非球面為光學(xué)元件的設(shè)計(jì)者們提供了一個(gè)額外的“自由度”——它們可以改善系統(tǒng)的光學(xué)性能、降低整個(gè)系統(tǒng)的成本和元件數(shù)量、減輕系統(tǒng)重量以及提高系統(tǒng)的光傳輸效率。透鏡的直徑從亞毫米到幾百毫米，精度范圍從微米到亞納米。
制約非球面廣泛應(yīng)用的主要因素是使其達(dá)到所需精度水平的能力。盡管計(jì)算機(jī)控制拋光、小型工具拋光、離子束拋光、鉆石車削及精密成型等不同的制造方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但這些制造技術(shù)是否可行往往依賴于測(cè)量設(shè)備的性能。
非球面加工過程控制的挑戰(zhàn)
對(duì)于適當(dāng)?shù)闹圃爝^程控制，非球面向測(cè)量技術(shù)提出了特殊的挑戰(zhàn)。
嚴(yán)格的制造公差要求是現(xiàn)有精密非球面測(cè)量方法的主要障礙。光刻光學(xué)要求測(cè)量不確定度的均方根（rms）小于0.1nm，如此低的測(cè)量不確定度比被測(cè)元件的公差小三到五倍，這是測(cè)量面臨的一個(gè)巨大障礙。此外，測(cè)量方法必須能夠測(cè)量與最接近球面偏離達(dá)800祄的非球面，以適用于所制造的90%的非球面透鏡。
非球面制造的一個(gè)特征是復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過程。為了測(cè)量非球面的形狀、波紋度，以及探測(cè)非球面的表面缺陷，三維（3-D）表面數(shù)據(jù)要求對(duì)單個(gè)的x、y（位置）和h（相位）數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集密度超過200,000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。測(cè)量柵格必須無畸變地覆蓋透鏡，以使需要補(bǔ)償或修正的誤差降到最小。非球面制造還要求總的平均周期時(shí)間（TACT）必須短于生產(chǎn)過程所需的時(shí)間，對(duì)于利用小型工具拋光方法制造的直徑小于80mm的非球面來說，典型的制造時(shí)間為5到10分鐘。
圖1. 獨(dú)特的非球面測(cè)量系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的激光斐索干涉儀以及位移測(cè)量干涉儀以共路結(jié)構(gòu)從中心向邊緣掃遍整個(gè)表面，同時(shí)確保測(cè)量不確定度較低。
最后，非球面光學(xué)元件的批量生產(chǎn)要求光學(xué)元件的表面沒有損傷，并且需要考慮對(duì)加工過程的質(zhì)量控制。由于制造商經(jīng)常生產(chǎn)大量尺寸和形狀各異的不同光學(xué)元件，因此無需較大變動(dòng)就可以測(cè)量多種元件的靈活測(cè)量系統(tǒng)就成了人們的首選。
測(cè)量系統(tǒng)的選擇
目前常用的測(cè)量系統(tǒng)分為三類：接觸探針系統(tǒng)、零位補(bǔ)償器以及拼接系統(tǒng)。接觸探針系統(tǒng)與光學(xué)元件的表面相接觸，并像坐標(biāo)測(cè)量?jī)x一樣繪制出表面圖形。零位補(bǔ)償器采用常規(guī)透鏡或計(jì)算全息圖（CGH）將激光斐索干涉儀輸出的球面波變換成與被測(cè)非球面相匹配的非球面波前。拼接系統(tǒng)利用激光斐索干涉儀測(cè)量非球面的各個(gè)小部分并把它們拼接在一起形成完整的表面圖。然而，這些系統(tǒng)都不能滿足在線過程控制的要求。
接觸探針系統(tǒng)非常靈活，能夠測(cè)量很多類元件。然而，這種系統(tǒng)只能以非常緩慢的速度進(jìn)行低密度的二維（2-D）線性掃描（3-D數(shù)據(jù)圖需要20到60分鐘），而且當(dāng)探針接觸光學(xué)元件的表面時(shí)還有可能造成元件損傷。
零透鏡不夠靈活，并且精度有限，這依賴于零透鏡的質(zhì)量和準(zhǔn)直程度。零位補(bǔ)償器也需要幾個(gè)星期的制造時(shí)間，并且不適用于不同尺寸和結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件。
拼接系統(tǒng)的TACT較長(zhǎng)，目前僅限于測(cè)量偏離最接近球面小于80祄的非球面，這只是所需求偏離程度的十分之一。當(dāng)然，這些系統(tǒng)沒有一個(gè)能滿足像光刻投影透鏡對(duì)非球面光學(xué)元件測(cè)量不確定度那樣苛刻的要求。
一種新型非球面測(cè)量系統(tǒng)
在常規(guī)產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃的驅(qū)動(dòng)下，Zygo公司開發(fā)了一種用于非球面測(cè)量的新型非接觸式激光斐索干涉儀。該測(cè)量工具結(jié)合了Zygo公司的兩個(gè)核心技術(shù)：激光斐索干涉儀和位移測(cè)量干涉儀。1, 2 該方法采用了標(biāo)準(zhǔn)的干涉儀組成部件，包括斐索激光器主機(jī)、傳輸透鏡、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和一個(gè)位移測(cè)量干涉儀（DMI）——DMI對(duì)平移臺(tái)沿直線位置測(cè)量的分辨率可以達(dá)到納米量級(jí)。以上結(jié)合最終制成了一種新型的非接觸式非球面測(cè)量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)高速、精確，并能形成高數(shù)據(jù)密度的表面圖形。
激光斐索干涉儀通常用于測(cè)量球面。干涉儀對(duì)形成一個(gè)光學(xué)腔的參考表面和測(cè)試表面進(jìn)行比較。在腔內(nèi)光線沿著從系統(tǒng)出射的路徑（公共光路）返回到干涉儀中。在共路系統(tǒng)中，除了進(jìn)行測(cè)量的腔以外干涉儀內(nèi)的所有光程差都是零，這是低不確定度測(cè)量的關(guān)鍵條件。當(dāng)要求高數(shù)據(jù)密度、低測(cè)量不確定度和高速測(cè)量時(shí)，干涉儀就成為球面光學(xué)測(cè)量最合適的儀器。
然而，對(duì)于非球形表面，斐索干涉儀的性能就有所折扣。測(cè)量非球面時(shí)，干涉儀只有在局部區(qū)域內(nèi)是共路的，在表面的其余部分測(cè)量時(shí)不確定度會(huì)增加。由于干涉儀在其表面的大部分上是非共路的，這會(huì)引入回程誤差。拼接系統(tǒng)必須處理這些回程誤差，這限制了它的測(cè)量不確定度。在表面傾斜度較高的最壞情況下，光線甚至不會(huì)重新進(jìn)入干涉儀。在傾斜度較高的條件下不可能一次測(cè)量整個(gè)非球面，更不要說獲得較低的測(cè)量不確定度。但是把位移測(cè)量干涉儀與激光斐索干涉儀結(jié)合使用就有可能消除這一局限。
消除局限
Zygo公司的興趣主要集中在軸向?qū)ΨQ的非球面，這是產(chǎn)量最大的一類非球面光學(xué)元件。由于是沿著光軸方向?qū)Ψ乔蛎婀鈱W(xué)元件進(jìn)行掃描，產(chǎn)生干涉條紋的環(huán)形區(qū)域就會(huì)從中心向邊緣移動(dòng)（圖1），于是測(cè)量不確定度較低的共路區(qū)域就會(huì)掃遍整個(gè)表面。
干涉環(huán)的徑向位置與設(shè)計(jì)因素以及非球面沿干涉儀光軸的位置有著精確的關(guān)系。這種關(guān)系和屬性的分析把在每個(gè)干涉環(huán)處測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)相移統(tǒng)一起來，就好像它們是在共路的條件下同時(shí)被測(cè)一樣，所有的測(cè)量都得益于激光斐索干涉儀。


圖2. 非球面干涉測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生x、y（位置）和h（相位）坐標(biāo)的高數(shù)據(jù)密度三維圖形，可以在一次非接觸測(cè)量中同時(shí)對(duì)形狀、波紋度和缺陷進(jìn)行探測(cè)。
此外，數(shù)據(jù)不是拼接起來的。在拼接系統(tǒng)中，被測(cè)區(qū)域之間的相位關(guān)系根據(jù)重疊區(qū)域估計(jì)得出。在拼接系統(tǒng)中，測(cè)量誤差會(huì)輕易地從一個(gè)區(qū)域傳遞到另一個(gè)區(qū)域。然而，在這種系統(tǒng)中，在每一個(gè)x、y位置處相位數(shù)據(jù)h是已知的，它僅依賴于干涉儀測(cè)量的距離。從這種意義上講，非球面激光斐索干涉儀是一種絕對(duì)的測(cè)量手段。
非球面測(cè)量的結(jié)果是設(shè)計(jì)的非球形表面與實(shí)際表面之間的差別，標(biāo)準(zhǔn)的激光斐索干涉儀得到的結(jié)果相同。通過非接觸測(cè)量可以得到一幅干涉的、高數(shù)據(jù)密度的x、y和h圖形，從中可以獲得形狀、波紋度以及缺陷信息（圖2）。
測(cè)量不確定度主要由標(biāo)準(zhǔn)激光斐索干涉儀中人們感興趣的相同參數(shù)決定。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量不確定度，正常的測(cè)量環(huán)境和參考表面校準(zhǔn)通常是可以接受的。但是對(duì)于極低的測(cè)量不確定度，例如在光刻光學(xué)系統(tǒng)中，必須保持嚴(yán)格的溫度控制、低壓環(huán)境以及精確的參考表面校準(zhǔn)。對(duì)于TACT，測(cè)量的速度取決于被測(cè)非球面區(qū)域的數(shù)量，測(cè)量時(shí)間從三到十分鐘不等。
Zygo公司在德國(guó)和美國(guó)的研發(fā)人員的緊密合作，以及歐洲、美國(guó)和日本的戰(zhàn)略合作伙伴的共同努力推動(dòng)了用于特定項(xiàng)目的非球面干涉測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展。隨著時(shí)間的推移，這項(xiàng)新技術(shù)必將成為一種廣泛的產(chǎn)品測(cè)量工具，并將投入商品化生產(chǎn)。
參考文獻(xiàn)
1. M. Kuechel, “Scanning interferometer for aspheric surfaces and wavefronts,” U.S. Patents 6781700, 6972849, and 6879402.
2. M. Kuechel, OSA Optical Fabrication & Testing meeting, Rochester, NY (October 2006).