攻克薄平行光学件测量难题：FTPSI技术实现精准表征

薄平行光学件测量的行业痛点

受消费电子和半导体器件小型化需求驱动，制造商需要薄平面光学元件用于各类应用。这要求材料和光学制造商确保玻璃平整、无材料变形导致畸变影响最终功能。这给测量工具带来巨大压力：必须测量并确认薄平行光学件的均匀性，证明其适用性。

薄平行光学表面测量固有难度极大。此类光学件厚度不足几毫米，意味着前后表面极其接近。因此，标准机械相移干涉测量（PSI）难以区分两个表面。

更先进的解决方案是傅里叶变换相移干涉测量（FTPSI），可轻松表征前后表面、光学厚度变化和薄平行玻璃的材料均匀性。即使厚度不足1毫米，FTPSI也能在单次测量中区分前后表面并独立表征其质量。

为何选择FTPSI？

理解FTPSI为何成为薄平行光学首选测量技术，需审视传统测量技术的短板。

以PSI为例：光束穿过理想参考光学件（透射平晶TF）到达被测件。对齐后，TF与被测件形成干涉条纹，记录为干涉图。测量软件分析相移产生的高度变化，重构表面波前，即TF与被测件高度差。

当薄平行件前表面对齐时，后表面通常也会反射光回干涉仪。这产生多重重叠干涉图的复杂条纹图案，PSI无法准确分析（图1）。

虽可采取措施改善，但耗时且增加不必要、潜在损伤步骤：如在后表面涂黑漆熄灭反射、用深色记号笔着色、涂抹凡士林等。

FTPSI方法消除了手动操作薄光学件后表面进行有意义精准测量的必要。相反，FTPSI利用后表面反射在单次测量中获取更多薄光学元件信息。这得益于FTPSI不需要测量腔内机械运动产生干涉图，而是依赖激光源波长调制实现测量。FTPSI采集中光路每个腔产生唯一干涉频率定义其腔长，从而清晰分离并准确表征表面。算法可独立分析两表面并表征其形状（图2）。

多表面FTPSI配置

基础概念：透射平晶（TF）配合干涉仪建立表面或透射波前测量的平面基准。参考平晶（RF）是高质量光学表面，用于以最小影响整体波前的方式引导测量光束。

最简单的FTPSI测量是三表面配置：TF——表面1，被测件——表面2和3（见图3）。此配置提供后表面结果，但包含测量光束穿过被测件材料导致的材料非均匀性。

为更高精度测量后表面，可采用四表面配置：在被测光学件后放置RF——表面4。此配置下，表面3形状与已知RF对比。这在后表面和RF间形成第二测量腔，直接测量后表面，消除件内材料不确定性。

同时包含三表面和四表面腔配置的单次FTPSI测量，包含厚度偏差结果——即被测件全表面材料厚度图谱。

材料均匀性表征

上述四表面腔配置实现被测件材料均匀性表征，这是FTPSI技术独有特性。均匀性信息获取方式：先测量含被测件的腔，再移除被测件进行"空腔"测量，允许TF与RF对比。

与其他仅提供非线性分量的均匀性测量技术不同，FTPSI结果保持固定腔，因此可同时提供材料均匀性的非线性和线性分量。线性部分对光束指向敏感应用至关重要，结果可预测光束穿过被测件时的偏折。

测量精度

同所有干涉测试方法一样，测量不确定度基于多因素：参考光学件质量、测量环境稳定性、安装技术等。

直径小于6英寸（150毫米）零件，参考光学件峰谷面型可达测量光波长的2.5%——λ/40。例如系统使用633纳米红光激光，对应约16纳米。多数情况下这使测量结果远在薄玻璃应用公差带内。

零件在测试腔中的固定方式可能是测量薄光学件最关键因素，具体指安装技术和安装方向。简单夹持薄光学件会诱导应力导致弯曲。方向差异导致测量结果差异巨大，特别是薄件受重力影响。理想情况下，应按最终应用中的相同配置安装，避免设计意图与实际性能的意外差异（图4）。

总结

FTPSI是光学制造商确保薄平行光学件质量的有力选择。区别于传统机械PSI，FTPSI能在单次可重复测量中区分前后表面并表征对应表面信息。得益于设备和算法进步，FTPSI可表征厚度不足1毫米光学件的表面形状、厚度偏差和材料均匀性。面对薄平行光学件需求增长及精准测量挑战，FTPSI克服了前代方法局限。其表征优势与易用性使其成为光学计量的优选。

本文由Zygo公司战略业务发展副总裁Dan Musinski撰写（康涅狄格州米德尔菲尔德）。更多信息请访问 .