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干涉测量:非球面干涉测量法推动精密透镜的制造

导读: Robert Smythe(Zygo公司) 半导体、消费电子产品以及航空航天系统都采用非球面光学元件以提高产品的性能及可用性。非球面为光学元件的设计者们提供了一个额外的“自由度”——它们可以改善系统的光学性能、降低整个系统的成本和元件数量、减轻系统重量以及提高系统的光传输效率。透镜的直径从亚毫

              Robert Smythe(Zygo公司)

半导体、消费电子产品以及航空航天系统都采用非球面光学元件以提高产品的性能及可用性。非球面为光学元件的设计者们提供了一个额外的“自由度”——它们可以改善系统的光学性能、降低整个系统的成本和元件数量、减轻系统重量以及提高系统的光传输效率。透镜的直径从亚毫米到几百毫米,精度范围从微米到亚纳米。

制约非球面广泛应用的主要因素是使其达到所需精度水平的能力。尽管计算机控制抛光、小型工具抛光、离子束抛光、钻石车削及精密成型等不同的制造方法已经广泛应用,但这些制造技术是否可行往往依赖于测量设备的性能。

非球面加工过程控制的挑战

对于适当的制造过程控制,非球面向测量技术提出了特殊的挑战。

严格的制造公差要求是现有精密非球面测量方法的主要障碍。光刻光学要求测量不确定度的均方根(rms)小于0.1nm,如此低的测量不确定度比被测元件的公差小三到五倍,这是测量面临的一个巨大障碍。此外,测量方法必须能够测量与最接近球面偏离达800祄的非球面,以适用于所制造的90%的非球面透镜。

非球面制造的一个特征是复杂的数据处理过程。为了测量非球面的形状、波纹度,以及探测非球面的表面缺陷,三维(3-D)表面数据要求对单个的x、y(位置)和h(相位)数据进行采集,采集密度超过200,000个数据点。测量栅格必须无畸变地覆盖透镜,以使需要补偿或修正的误差降到最小。非球面制造还要求总的平均周期时间(TACT)必须短于生产过程所需的时间,对于利用小型工具抛光方法制造的直径小于80mm的非球面来说,典型的制造时间为5到10分钟。 
 

图1. 独特的非球面测量系统采用标准的激光斐索干涉仪以及位移测量干涉仪以共路结构从中心向边缘扫遍整个表面,同时确保测量不确定度较低。

最后,非球面光学元件的批量生产要求光学元件的表面没有损伤,并且需要考虑对加工过程的质量控制。由于制造商经常生产大量尺寸和形状各异的不同光学元件,因此无需较大变动就可以测量多种元件的灵活测量系统就成了人们的首选。

测量系统的选择

目前常用的测量系统分为三类:接触探针系统、零位补偿器以及拼接系统。接触探针系统与光学元件的表面相接触,并像坐标测量仪一样绘制出表面图形。零位补偿器采用常规透镜或计算全息图(CGH)将激光斐索干涉仪输出的球面波变换成与被测非球面相匹配的非球面波前。拼接系统利用激光斐索干涉仪测量非球面的各个小部分并把它们拼接在一起形成完整的表面图。然而,这些系统都不能满足在线过程控制的要求。

接触探针系统非常灵活,能够测量很多类元件。然而,这种系统只能以非常缓慢的速度进行低密度的二维(2-D)线性扫描(3-D数据图需要20到60分钟),而且当探针接触光学元件的表面时还有可能造成元件损伤。

零透镜不够灵活,并且精度有限,这依赖于零透镜的质量和准直程度。零位补偿器也需要几个星期的制造时间,并且不适用于不同尺寸和结构的光学元件。

拼接系统的TACT较长,目前仅限于测量偏离最接近球面小于80祄的非球面,这只是所需求偏离程度的十分之一。当然,这些系统没有一个能满足像光刻投影透镜对非球面光学元件测量不确定度那样苛刻的要求。

一种新型非球面测量系统

在常规产品发展规划的驱动下,Zygo公司开发了一种用于非球面测量的新型非接触式激光斐索干涉仪。该测量工具结合了Zygo公司的两个核心技术:激光斐索干涉仪和位移测量干涉仪。1, 2 该方法采用了标准的干涉仪组成部件,包括斐索激光器主机、传输透镜、运动平台和一个位移测量干涉仪(DMI)——DMI对平移台沿直线位置测量的分辨率可以达到纳米量级。以上结合最终制成了一种新型的非接触式非球面测量系统。这种系统高速、精确,并能形成高数据密度的表面图形。

激光斐索干涉仪通常用于测量球面。干涉仪对形成一个光学腔的参考表面和测试表面进行比较。在腔内光线沿着从系统出射的路径(公共光路)返回到干涉仪中。在共路系统中,除了进行测量的腔以外干涉仪内的所有光程差都是零,这是低不确定度测量的关键条件。当要求高数据密度、低测量不确定度和高速测量时,干涉仪就成为球面光学测量最合适的仪器。

然而,对于非球形表面,斐索干涉仪的性能就有所折扣。测量非球面时,干涉仪只有在局部区域内是共路的,在表面的其余部分测量时不确定度会增加。由于干涉仪在其表面的大部分上是非共路的,这会引入回程误差。拼接系统必须处理这些回程误差,这限制了它的测量不确定度。在表面倾斜度较高的最坏情况下,光线甚至不会重新进入干涉仪。在倾斜度较高的条件下不可能一次测量整个非球面,更不要说获得较低的测量不确定度。但是把位移测量干涉仪与激光斐索干涉仪结合使用就有可能消除这一局限。

消除局限

Zygo公司的兴趣主要集中在轴向对称的非球面,这是产量最大的一类非球面光学元件。由于是沿着光轴方向对非球面光学元件进行扫描,产生干涉条纹的环形区域就会从中心向边缘移动(图1),于是测量不确定度较低的共路区域就会扫遍整个表面。

干涉环的径向位置与设计因素以及非球面沿干涉仪光轴的位置有着精确的关系。这种关系和属性的分析把在每个干涉环处测量的标准相移统一起来,就好像它们是在共路的条件下同时被测一样,所有的测量都得益于激光斐索干涉仪。


图2. 非球面干涉测量系统产生x、y(位置)和h(相位)坐标的高数据密度三维图形,可以在一次非接触测量中同时对形状、波纹度和缺陷进行探测。

此外,数据不是拼接起来的。在拼接系统中,被测区域之间的相位关系根据重叠区域估计得出。在拼接系统中,测量误差会轻易地从一个区域传递到另一个区域。然而,在这种系统中,在每一个x、y位置处相位数据h是已知的,它仅依赖于干涉仪测量的距离。从这种意义上讲,非球面激光斐索干涉仪是一种绝对的测量手段。

非球面测量的结果是设计的非球形表面与实际表面之间的差别,标准的激光斐索干涉仪得到的结果相同。通过非接触测量可以得到一幅干涉的、高数据密度的x、y和h图形,从中可以获得形状、波纹度以及缺陷信息(图2)。

测量不确定度主要由标准激光斐索干涉仪中人们感兴趣的相同参数决定。对于标准的测量不确定度,正常的测量环境和参考表面校准通常是可以接受的。但是对于极低的测量不确定度,例如在光刻光学系统中,必须保持严格的温度控制、低压环境以及精确的参考表面校准。对于TACT,测量的速度取决于被测非球面区域的数量,测量时间从三到十分钟不等。 
 

图3. Zygo公司推出的非球面测量系统是德国和美国的研发小组以及欧洲、美国和日本的战略合作伙伴紧密合作的结果。

Zygo公司在德国和美国的研发人员的紧密合作,以及欧洲、美国和日本的战略合作伙伴的共同努力推动了用于特定项目的非球面干涉测量系统的发展(图3)。随着时间的推移,这项新技术必将成为一种广泛的产品测量工具,并将投入商品化生产。

参考文献
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).

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