Beheersing van dunne, parallelle optica: Meetuitdagingen overwinnen met precisie

De uitdaging van het meten van dunne planparallelle optica

Gedreven door de vraag naar steeds kleinere consumentenproducten en halfgeleiderapparaten, vereisen fabrikanten dunne planparallelle optica voor een reeks toepassingen. Dit legt de verantwoordelijkheid bij materiaal- en opticafabrikanten om te waarborgen dat het glas plat is en vrij van materiaalvormafwijkingen die vervorming kunnen veroorzaken en de eindgebruikfunctionaliteit beïnvloeden. Dit legt een zware last op meetinstrumenten die de uniformiteit van dunne planparallelle optica moeten meten en bevestigen, waardoor wordt bewezen dat ze geschikt zijn voor hun doel.

Inherente is de meting van dunne parallelle optische oppervlakken extreem lastig. Dergelijke optica worden gekenmerkt doordat ze minder dan een paar millimeter dik zijn, wat betekent dat de voor- en achterkant heel dicht bij elkaar liggen. Hierdoor vindt standaard mechanische fasverschuivende interferometrie (PSI) het moeilijk om te onderscheiden tussen de oppervlakken.

FTPSI: De geavanceerde oplossing

Een geavanceerdere oplossing is Fourier-transform fasverschuivende interferometrie (FTPSI), die eenvoudige karakterisatie van het voor- en achteroppervlak, optische diktevariatie en materiaalhomogeniteit van dunne planparallelle glas mogelijk maakt. FTPSI maakt het mogelijk om te onderscheiden tussen het voor- en achteroppervlak en de kwaliteit van beide te karakteriseren in één enkele meting, zelfs als ze minder dan een millimeter dik zijn.

Waarom FTPSI?

Om te begrijpen waarom FTPSI de voorkeurstechniek is voor het meten van dunne parallelle optica, moeten we de traditionele meettechnieken nader bekijken en zien waar ze tekortschieten.

Als we PSI overwegen, dat werkt door een lichtbundel door een ideaal referentieoptica (een transmissievlak [TF] genoemd) naar het te testen deel te sturen, zien we dat deze techniek niet kan onderscheiden tussen het voor- en achteroppervlak van een dun, planparallel opticum. Wanneer correct uitgelijnd, creëren het TF en het te testen deel een interferentiepatroon, vastgelegd als een interferogram. De metrologiesoftware analyseert de hoogtevariaties geproduceerd door de fasverschuivingen en reconstrueert het oppervlaktegolfvlak, wat het hoogteverschil tussen het TF en het testdeel vertegenwoordigt.

Wanneer het vooroppervlak van een dun, planparallel deel is uitgelijnd, wordt doorgaans een tweede reflectie teruggekaatst naar de interferometer vanaf het achteroppervlak. Dit resulteert in een complex franjespatroon gecreëerd door meerdere, overlappende interferogrammen die niet nauwkeurig geanalyseerd kunnen worden met PSI. (Figuur 1)

Er zijn maatregelen die genomen kunnen worden om de situatie te verbeteren, maar ze zijn tijdrovend en voegen onnodige en potentiële schadelijke stappen toe aan het totale proces. Deze omvatten het aanbrengen van zwarte verf op het achteroppervlak om de reflectie uit te doen, kleuren met een donkere marker, of vaseline op het oppervlak aanbrengen.

De FTPSI-methode ontneemt de noodzaak om het achteroppervlak van het dunne opticum handmatig te manipuleren om zinvolle en nauwkeurige metingen te verrichten. In plaats daarvan gebruikt FTPSI de reflectie van het achteroppervlak om meer informatie over het dunne optische component in één meting te verkrijgen. Dit is mogelijk omdat FTPSI geen mechanische beweging binnen de testcaviteit vereist om de interferogrammen te creëren. In plaats daarvan steunt FTPSI op modulatie van de golflengte van de laserbron om de meting mogelijk te maken. Elke caviteit in het optische pad in een FTPSI-acquisitie produceert een unieke interferentiefrequentie die de caviteitslengte definieert, en dit stelt een duidelijke afbakening en nauwkeurige karakterisatie van het oppervlak in staat. Algoritmen kunnen vervolgens beide oppervlakken analyseren en hun vorm onafhankelijk karakteriseren. (Figuur 2)

Multi-oppervlak FTPSI

Laten we beginnen met de basis. Een TF — zoals hierboven vermeld — wordt met een interferometer gebruikt om een planreferentie te vestigen voor een oppervlakte- of getransmitteerd golfvlakmeting. Een referentievlak (RF) is een hoogwaardig optisch oppervlak dat gebruikt wordt om een meetbundel te leiden met minimaal effect op het totale golfvlak.

De eenvoudigste FTPSI-meting is een drie-oppervlak configuratie die bestaat uit het TF — oppervlak 1, en het testdeel — oppervlakken 2 en 3 (zie Figuur 3). In deze configuratie wordt een achteroppervlakresultaat geleverd, maar dit omvat materiële non-uniformiteiten door de meetbundel die door het materiaal van het testdeel gaat.

Voor hogere nauwkeurigheid metingen van het achteroppervlak kan een vier-oppervlak configuratie worden gebruikt door een RF — oppervlak 4 — achter het testopticum te plaatsen. In deze configuratie wordt de vorm van oppervlak 3 vergeleken met de bekende RF. Deze configuratie creëert een tweede testcaviteit tussen het achteroppervlak en de RF en biedt een directe meting van het achteroppervlak zonder de onzekerheid van het materiaal in het deel.

Een enkele FTPSI-meting met zowel de drie- als de vier-oppervlak caviteitsconfiguraties omvat een dikteafwijkingsresultaat, wat een volledig oppervlaktekaart is van de materiaaldikte over het testdeel.

Materiaalhomogeniteit

De hierboven beschreven vier-oppervlak caviteitsconfiguratie maakt de karakterisatie van de materiaalhomogeniteit van het testdeel mogelijk, een unieke eigenschap van de FTPSI-technologie. De homogeniteitsinformatie kan verkregen worden door eerst de caviteit met het testdeel erin te meten, vervolgens het deel uit de caviteit te halen en een "lege caviteit" meting uit te voeren, wat een vergelijking tussen de TF en de RF toelaat.

In tegenstelling tot andere homogeniteitsmeettechnieken die alleen de non-lineaire component leveren, behoudt een FTPSI-resultaat een vaste caviteit en kan daardoor zowel de non-lineaire als de lineaire componenten van de materiaalhomogeniteit leveren. Het lineaire deel is cruciaal voor toepassingen die gevoelig zijn voor bundelwijzing, aangezien het resultaat kan worden gebruikt om te voorspellen hoe een bundel afwijkt bij doorpassage door het testdeel.

Nauwkeurigheid

Zoals bij alle interferometrische testmethoden is de meetonzekerheid gebaseerd op een aantal factoren, waaronder de kwaliteit van de referentieoptica, stabiliteit van de meetomgeving en montagetechnieken.

Voor delen kleiner dan 6 inch in diameter (150 mm) kan de referentieoptica piek-tot-piek oppervlaktevorm in de orde van 2,5% van de golflengte van het licht zijn dat gebruikt wordt voor de meting — λ/40. Als het systeem bijvoorbeeld een laser heeft die rood licht uitzendt met een golflengte van 633 nm, komt dit overeen met ongeveer 16 nm. In de meeste gevallen stelt dit de resulterende meting wel binnen de tolerantiebandbreedte voor dunne glastoepassingen.

Hoe het deel in de testcaviteit wordt vastgehouden, is waarschijnlijk de meest kritieke factor bij het meten van dunne optica, meer specifiek de montagetechniek en de montageoriëntatie. Het simpelweg klemmen van een dun opticum kan ongewilde spanning induceren en het opticum laten buigen. Verschillen in oriëntatie kunnen heel verschillende meetresultaten opleveren, met name voor dunne delen, door zwaartekrachteffecten. Ideaal moet het deel gemonteerd worden in dezelfde configuratie waarin het in zijn eindgebruikstoepassing zal worden gebruikt om onverwachte verschillen tussen de ontwerpintentie en de daadwerkelijke prestaties te vermijden. (Figuur 4.)

Samenvatting

FTPSI is een overtuigende keuze voor opticafabrikanten die de kwaliteit van dunne, parallelle optica moeten waarborgen. In tegenstelling tot conventionele mechanische PSI kan FTPSI het voor- en achteroppervlak onderscheiden en hun corresponderende oppervlakte-informatie karakteriseren in één enkele, herhaalbare meting. Dankzij vooruitgang in zowel apparatuur als algoritmen kan FTPSI oppervlaktevorm, dikteafwijking en materiaalhomogeniteit van optica karakteriseren die dunner zijn dan 1 mm. Geconfronteerd met de groeiende vraag naar dunne, parallelle optica en de uitdagingen betrokken bij het nauwkeurig meten ervan, overkomt FTPSI de beperkingen van eerdere methoden. De kracht in karakterisatie samen met de gebruiksgemak maakt het een goede keuze voor optische metrologie.