얇은 평행 광학계 측정 시의 함정 극복

점점 더 작아지는 소비자 제품과 반도체 장치에 대한 수요로 인해 제조업체는 다양한 응용 분야에 얇은 평면 광학 장치가 필요합니다. 이는 유리가 평평하고 왜곡을 유발하고 최종 사용 기능에 영향을 줄 수 있는 재료 변형이 없는지 확인하는 책임을 재료 및 광학 제조업체에 부여합니다. 이는 얇은 평면 광학계의 균일성을 측정하고 확인해야 하는 계측 도구에 큰 부담을 주어 목적에 맞는지 증명합니다.

본질적으로 얇고 평행한 광학 표면의 측정은 극도로 부담이 될 수 있습니다. 이러한 광학 장치는 두께가 몇 밀리미터 미만인 것이 특징이며 이는 앞면과 뒷면이 서로 매우 가깝다는 것을 의미합니다. 이 때문에 표준 기계적 위상 이동 간섭계(PSI)는 표면을 구별하기 어렵습니다.

보다 발전된 솔루션은 전면 및 후면 표면, 광학 두께 변화, 얇은 평면 평행 유리의 재료 균질성을 쉽게 특성화할 수 있는 푸리에 변환 위상 편이 간섭계(FTPSI)입니다. FTPSI를 사용하면 전면과 후면을 구별하고 두께가 밀리미터 미만인 경우에도 한 번의 측정으로 둘 모두의 품질을 특성화할 수 있습니다.

왜 FTPSI인가?

FTPSI가 얇은 병렬 광학 측정에 선호되는 기술인 이유를 이해하려면 대체 기존 측정 기술을 자세히 살펴보고 부족한 부분을 확인해야 합니다.

광빔을 이상적인 기준 광학계(TF(Transmission Flat)라고 함)를 통해 테스트 대상 부품으로 통과시켜 작동하는 PSI를 고려하면 이 기술이 얇은 평행 광학계의 전면과 후면을 구별할 수 없음을 알 수 있습니다. . 적절하게 정렬되면 TF와 테스트 대상 부품이 간섭 패턴을 생성하고 간섭 무늬로 기록됩니다. 계측 소프트웨어는 위상 변이에 의해 생성된 높이 변화를 분석하고 TF와 테스트 부품 사이의 높이 차이를 나타내는 표면 파면을 재구성합니다.

얇고 평행한 부품의 전면이 정렬되면 일반적으로 후면에서 두 번째 반사가 간섭계로 반환됩니다. 그 결과 PSI를 사용하여 정확하게 분석할 수 없는 여러 중첩 간섭계에 의해 생성된 복잡한 프린지 패턴이 생성됩니다. ( 그림 1)

상황을 개선하기 위해 취할 수 있는 조치가 있지만 시간이 많이 걸리고 전체 프로세스에 불필요하고 잠재적으로 해로운 단계를 추가합니다. 여기에는 반사를 없애기 위해 뒷면에 검은색 페인트를 바르거나 어두운 색 마커로 색칠하거나 표면에 바셀린을 바르는 것이 포함됩니다.

FTPSI 방법은 의미 있고 정확한 측정을 수행하기 위해 얇은 광학 장치의 후면을 수동으로 조작할 필요가 없습니다. 대신 FTPSI는 후면의 반사를 사용하여 단일 측정에서 얇은 광학 부품에 대한 더 많은 정보를 얻습니다. 이것은 FTPSI가 인터페로그램을 생성하기 위해 테스트 공동 내에서 기계적 움직임을 필요로 하지 않기 때문에 가능합니다. 대신 FTPSI는 측정을 가능하게 하기 위해 레이저 소스의 파장 변조에 의존합니다. FTPSI 획득에서 광학 경로의 각 캐비티는 캐비티 길이를 정의하는 고유한 간섭 주파수를 생성하고 이를 통해 표면의 명확한 묘사와 정확한 특성화를 가능하게 합니다. 그런 다음 알고리즘은 두 표면을 모두 분석하고 해당 형태를 독립적으로 특성화할 수 있습니다. (그림 2)

다중 표면 FTPSI

기본부터 시작하겠습니다. 위에서 언급한 바와 같이 TF는 간섭계와 함께 사용되어 표면 또는 전송된 파면 측정을 위한 평면 기준을 설정합니다. 참조 평면(RF)은 전체 파면에 미치는 영향을 최소화하면서 측정 빔을 유도하는 데 사용되는 고품질 광학 표면입니다.

가장 간단한 FTPSI 측정은 TF(표면 1)와 테스트 부품(표면 2 및 3)으로 구성된 3면 구성입니다(그림 3 참조). 이 구성에서는 후면 결과가 제공되지만 테스트 부품의 재료를 통과하는 측정 빔으로 인한 재료 불균일을 포함합니다.

후면의 더 높은 정확도 측정을 위해 테스트 옵틱 뒤에 RF(표면 4)를 배치하여 4면 구성을 사용할 수 있습니다. 이 구성에서 표면 3의 형태는 알려진 RF와 비교됩니다. 이 구성은 후면과 RF 사이에 두 번째 테스트 공동을 생성하고 부품의 재료에 대한 불확실성 없이 후면을 직접 측정합니다.

3면 및 4면 캐비티 구성이 모두 포함된 단일 FTPSI 측정에는 두께 편차 결과가 포함되며, 이는 테스트 부품 전체의 재료 두께에 대한 전체 표면 맵입니다.

재료 균질성

위에서 설명한 4면 캐비티 구성을 통해 FTPSI 기술의 고유한 기능인 테스트 부품의 재료 균질성을 특성화할 수 있습니다. 균질성 정보는 먼저 테스트 부품이 내부에 있는 캐비티를 측정한 다음 캐비티에서 부품을 제거하고 "빈 캐비티" 측정을 수행하여 TF와 RF를 비교함으로써 얻을 수 있습니다.

비선형 구성 요소만 제공하는 다른 균질성 측정 기술과 달리 FTPSI 결과는 고정된 캐비티를 유지하므로 재료 균질성의 비선형 및 선형 구성 요소를 모두 제공할 수 있습니다. 선형 부분은 빔 포인팅에 민감한 애플리케이션에 매우 중요합니다. 그 결과 테스트 부품을 통과할 때 빔이 어떻게 벗어나는지 예측하는 데 사용할 수 있기 때문입니다.

정확도

모든 간섭계 테스트 방법과 마찬가지로 측정 불확실성은 기준 광학 장치의 품질, 측정 환경의 안정성 및 장착 기술을 비롯한 여러 요인을 기반으로 합니다.

직경이 6인치(150mm) 미만인 부품의 경우 기준 광학 피크-밸리 표면 형태는 측정에 사용된 빛 파장의 2.5% 정도(λ/40)가 될 수 있습니다. 예를 들어 시스템에 633nm의 파장에서 적색광을 방출하는 레이저가 있는 경우 이는 약 16nm에 해당합니다. 대부분의 경우 이렇게 하면 결과 측정이 얇은 유리 응용 분야에 대한 허용 범위 내에서 충분히 가능합니다.

부품이 테스트 캐비티에 고정되는 방식은 얇은 광학계, 보다 구체적으로 마운팅 기술과 마운팅 방향을 측정할 때 가장 중요한 요소일 것입니다. 얇은 옵틱을 클램핑하기만 하면 원치 않는 응력이 유발되어 옵틱이 구부러질 수 있습니다. 방향의 차이는 중력 효과로 인해 특히 얇은 부품의 경우 매우 다른 측정 결과를 생성할 수 있습니다. 이상적으로는 설계 의도와 실제 성능 사이의 예기치 않은 차이를 피하기 위해 최종 사용 애플리케이션에서 사용할 동일한 구성으로 부품을 장착해야 합니다. (그림 4.)

요약

FTPSI는 얇은 병렬 광학 장치의 품질을 보장해야 하는 광학 장치 제조업체에게 탁월한 선택입니다. 기존의 기계적 PSI와 달리 FTPSI는 전면과 후면을 구별하고 반복 가능한 단일 측정으로 해당 표면 정보를 특성화할 수 있습니다. 장비와 알고리즘의 발전 덕분에 FTPSI는 두께가 1mm 미만인 광학 장치의 표면 형태, 두께 편차 및 재료 균질성을 특성화할 수 있습니다. 얇고 평행한 광학 장치에 대한 수요가 증가하고 광학 장치를 정확하게 측정하는 것과 관련된 문제에 직면하여 FTPSI는 이전 방법의 한계를 극복합니다. 특성 분석의 강점과 사용 용이성으로 인해 광학 계측에 적합합니다.

이 기사는 Zygo Corporation(Middlefield, CT)의 전략적 사업 개발 담당 부사장인 Dan Musinski가 작성했습니다. 자세한 내용은 여기를 방문하십시오. .