在测量薄的平行光学元件时克服陷阱

在对越来越小的消费产品和半导体设备的需求的推动下，制造商需要用于一系列应用的薄平面光学器件。这使材料和光学制造商有责任确保玻璃是平坦的并且没有可能导致变形和影响最终使用功能的材料变形。这给需要测量和确认薄平面光学器件的均匀性，从而证明它们适合用途的计量工具带来了巨大的负担。

从本质上讲，薄平行光学表面的测量可能非常繁琐。这种光学器件的特点是它们的厚度不到几毫米，这意味着前表面和后表面非常靠近。正因为如此，标准的机械相移干涉仪（PSI）发现难以辨别表面。

更先进的解决方案是傅里叶变换相移干涉仪 (FTPSI)，它可以轻松表征薄平面平行玻璃的正面和背面、光学厚度变化和材料均匀性。 FTPSI 可以在一次测量中区分正面和背面并表征两者的质量，即使它们的厚度不到一毫米。

为什么选择 FTPSI？

要了解为什么 FTPSI 是测量薄平行光学器件的首选技术，我们需要仔细研究替代的传统测量技术，看看它们的不足之处。

如果我们考虑通过将光束通过理想的参考光学元件（称为透射平面 [TF]）传递到被测部件的 PSI，我们会发现这种技术无法区分薄平行光学元件的正面和背面.当正确对齐时，TF 和被测部件会产生干涉图案，记录为干涉图。计量软件分析了相移产生的高度变化，并重建了表面波前，它代表了TF和测试部分之间的高度差。

当一个薄的平行部件的前表面对齐时，第二次反射通常从后表面返回到干涉仪。这导致由多个重叠干涉图创建的复杂条纹图案无法使用 PSI 进行准确分析。 （图一）

可以采取一些措施来改善这种情况，但它们很耗时，并且在整个过程中增加了不必要的和潜在的破坏性步骤。这些包括在背面涂黑漆以消除其反射，用深色记号笔着色，或在表面涂抹凡士林。

FTPSI 方法不需要手动操作薄光学元件的背面来进行有意义和准确的测量。相反，FTPSI 使用来自背面的反射来在一次测量中获得有关薄光学元件的更多信息。这是可能的，因为 FTPSI 不需要测试腔内的机械运动来创建干涉图。相反，FTPSI 依赖于激光源波长的调制来实现测量。 FTPSI 采集中光路中的每个空腔都会产生一个独特的干涉频率，该频率定义了其空腔长度，从而可以清晰地描绘和准确表征表面。然后，算法可以分析两个表面并独立表征它们的形式。 （图2）

多表面 FTPSI

让我们从基础开始。如上所述，TF 与干涉仪一起使用，为表面或透射波前测量建立平面参考。参考平面 (RF) 是一种高质量的光学表面，用于引导测量光束，对整体波前的影响最小。

最简单的 FTPSI 测量是由 TF（表面 1）和测试部分（表面 2 和 3）组成的三表面配置（参见图 3）。在这种配置中，提供了一个背面结果，但它包括由于测量光束穿过测试部件的材料而导致的材料不均匀性。

对于背面的更高精度测量，可以通过在测试光学元件后面放置一个 RF（表面 4）来使用四表面配置。在这种配置中，将表面 3 的形式与已知的 RF 进行比较。这种配置在背面和 RF 之间创建了第二个测试腔，并提供了对背面的直接测量，而没有部件中材料的不确定性。

使用三面和四面型腔配置进行的单次 FTPSI 测量包括厚度偏差结果，这是整个测试部件的材料厚度的全表面图。

材料同质性

上述四表面腔配置能够表征测试部件的材料均匀性，这是 FTPSI 技术的独特特征。均匀性信息可以通过首先测量腔内的测试部件，然后将部件从腔内取出并进行“空腔”测量，从而可以对 TF 和 RF 进行比较。

与仅提供非线性分量的其他均匀性测量技术不同，FTPSI 结果保持固定腔，因此可以提供材料均匀性的非线性和线性分量。线性部分对于对光束指向敏感的应用至关重要，因为结果可用于预测光束在通过测试部件时如何偏离。

准确度

与所有干涉测试方法一样，测量不确定度取决于许多因素，包括参考光学器件的质量、测量环境的稳定性和安装技术。

对于直径小于 6 英寸 (150 mm) 的零件，参考光学峰谷表面形状可以是用于进行测量的光波长的 2.5% — λ/40。例如，如果系统具有发射波长为 633 nm 的红光的激光器，则这对应于大约 16 nm。在大多数情况下，这使得结果测量结果完全在薄玻璃应用的公差带宽内。

在测量薄光学元件时，零件如何固定在测试腔中可能是最关键的因素，更具体地说，是安装技术和安装方向。简单地夹住一个薄的光学元件会引起不必要的应力并导致光学元件弯曲。由于重力效应，方向的差异会产生非常不同的测量结果，尤其是对于薄零件。理想情况下，零件应安装在与最终用途应用相同的配置中，以避免设计意图和实际性能之间出现意外差异。 （图四）

总结

对于需要确保薄型平行光学元件质量的光学元件制造商来说，FTPSI 是一个令人信服的选择。与传统的机械 PSI 不同，FTPSI 可以在一次可重复的测量中区分正面和背面并表征其相应的表面信息。由于设备和算法的进步，FTPSI 可以表征厚度小于 1 毫米的光学器件的表面形状、厚度偏差和材料均匀性。面对对薄型平行光学器件日益增长的需求，以及精确测量这些光学器件所涉及的挑战，FTPSI 克服了以前方法的局限性。它在表征方面的优势以及易用性使其成为光学计量的理想选择。

本文由 Zygo Corporation（康涅狄格州米德尔菲尔德）战略业务发展副总裁 Dan Musinski 撰写。如需更多信息，请访问此处 .