非球面測量技術(shù)

非球面測量技術(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量設(shè)備的問題，無論是松下的UA3P還是英國的Taylor的測量一方面設(shè)備昂貴，另一方面測量速度緩慢，無法適應(yīng)大批量生產(chǎn)的面精度檢測要求，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量設(shè)備的性能。
非球面加工過程控制的挑戰(zhàn)
對于適當(dāng)?shù)闹圃爝^程控制，非球面向測量技術(shù)提出了特殊的挑戰(zhàn)。
嚴(yán)格的制造公差要求是現(xiàn)有精密非球面測量方法的主要障礙。光刻光學(xué)要求測量不確定度的均方根（rms）小于0.1nm，如此低的測量不確定度比被測元件的公差小三到五倍，這是測量面臨的一個(gè)巨大障礙。此外，測量方法必須能夠測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。為了測量非球面的形狀、波紋度，以及探測非球面的表面缺陷，三維（3-D）表面數(shù)據(jù)要求對單個(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)特的非球面測量系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的激光斐索干涉儀以及位移測量干涉儀以共路結(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)就可以測量多種元件的靈活測量系統(tǒng)就成了人們的首選。
測量系統(tǒng)的選擇
目前常用的測量系統(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)測量儀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，目前僅限于測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非球面光學(xué)元件測量不確定度那樣苛刻的要求。
一種新型非球面測量系統(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量的新型非接觸式激光斐索干涉儀。該測量工具結(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)平臺和一個(gè)位移測量干涉儀（DMI）——DMI對平移臺沿直線位置測量的分辨率可以達(dá)到納米量級。以上結(jié)合最終制成了一種新型的非接觸式非球面測量系統(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量球面。干涉儀對形成一個(gè)光學(xué)腔的參考表面和測試表面進(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，這是低不確定度測量的關(guān)鍵條件。當(dāng)要求高數(shù)據(jù)密度、低測量不確定度和高速測量時(shí)，干涉儀就成為球面光學(xué)測量最合適的儀器。
然而，對于非球形表面，斐索干涉儀的性能就有所折扣。測量非球面時(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量時(shí)不確定度會增加。由于干涉儀在其表面的大部分上是非共路的，這會引入回程誤差。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，光線甚至不會重新進(jìn)入干涉儀。在傾斜度較高的條件下不可能一次測量整個(gè)非球面，更不要說獲得較低的測量不確定度。但是把位移測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)域就會從中心向邊緣移動(dòng)（圖1），于是測量不確定度較低的共路區(qū)域就會掃遍整個(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)被測一樣，所有的測量都得益于激光斐索干涉儀。


圖2. 非球面干涉測量系統(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量中同時(shí)對形狀、波紋度和缺陷進(jìn)行探測。
此外，數(shù)據(jù)不是拼接起來的。在拼接系統(tǒng)中，被測區(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，測量誤差會輕易地從一個(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的測量手段。
非球面測量的結(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。對于標(biāo)準(zhǔn)的測量不確定度，正常的測量環(huán)境和參考表面校準(zhǔn)通常是可以接受的。但是對于極低的測量不確定度，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)。對于TACT，測量的速度取決于被測非球面區(qū)域的數(shù)量，測量時(shí)間從三到十分鐘不等。
Zygo公司在德國和美國的研發(fā)人員的緊密合作，以及歐洲、美國和日本的戰(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).