얇은 평행 광학 부품 마스터하기: 정밀 측정으로 함정 극복

얇은 평면 광학 부품 수요와 측정 과제

더 작고 작은 소비자 제품과 반도체 장치에 대한 수요로 인해 제조업체는 다양한 응용 분야에 얇은 평면 광학 부품을 필요로 합니다. 이는 유리가 평평하고 최종 사용 기능에 영향을 줄 수 있는 왜곡을 유발하는 재료 변형이 없도록 재료 및 광학 제조업체에 책임이 있습니다. 이는 얇은 평면 광학 부품의 균일성을 측정하고 확인하여 목적에 적합함을 입증해야 하는 측정 도구에 엄청난 부담을 줍니다.

기존 위상 편이 간섭계(PSI)의 한계

본질적으로 얇은 평행 광학 표면의 측정은 극도로 까다로울 수 있습니다. 이러한 광학 부품은 몇 밀리미터 미만의 두께를 특징으로 하며, 이는 전면과 후면이 매우 가깝다는 것을 의미합니다. 이로 인해 표준 기계적 위상 편이 간섭계(PSI)는 표면들을 구별하기 어렵습니다.

FTPSI: 첨단 솔루션

더 진보된 솔루션은 푸리에 변환 위상 편이 간섭계(FTPSI)로, 얇은 평행 유리의 전면 및 후면 표면, 광학 두께 변화, 재료 균질성을 쉽게 특성화할 수 있습니다. FTPSI는 전면과 후면 표면을 구별하고 두 표면의 품질을 단일 측정으로 특성화할 수 있게 하며, 두께가 1mm 미만인 경우에도 가능합니다.

기존 측정 기술의 한계 분석

PSI를 고려해 보면, 이상적인 참조 광학 부품(투과 평면[TF]이라 함)을 통해 빛 빔을 테스트 대상 부품으로 통과시키는 방식으로 작동합니다. 이 기술은 얇은 평행 광학 부품의 전면과 후면을 구별할 수 없습니다. 적절히 정렬되면 TF와 테스트 대상 부품이 간섭 무늬를 생성하며, 이는 간섭무늬로 기록됩니다. 측정 소프트웨어는 위상 편이에 의해 생성된 높이 변화를 분석하고 표면 파면을 재구성하는데, 이는 TF와 테스트 부품 사이의 높이 차이를 나타냅니다.

얇은 평행 부품의 전면이 정렬되면 일반적으로 후면에서 두 번째 반사가 간섭계로 돌아옵니다. 이로 인해 중첩된 여러 간섭무늬로 생성된 복잡한 무늬 패턴이 발생하며, 이는 PSI를 사용하여 정확하게 분석할 수 없습니다(그림 1).

기존 해결책의 문제점

상황을 개선하기 위한 조치들이 있지만, 이들은 시간 소모적이며 전체 공정에 불필요하고 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 단계를 추가합니다. 여기에는 후면에 검은 페인트를 칠해 반사를 소멸시키거나, 어두운 색 마커로 칠하거나, 바셀린을 바르는 것 등이 포함됩니다.

FTPSI의 작동 원리와 장점

FTPSI 방법은 얇은 광학 부품의 후면을 수동으로 조작하여 의미 있고 정확한 측정을 수행할 필요성을 없애줍니다. 대신 FTPSI는 후면에서의 반사를 이용해 얇은 광학 부품에 대한 더 많은 정보를 단일 측정으로 얻습니다. 이는 FTPSI가 테스트 캐비티 내 기계적 움직임을 필요로 하지 않고 간섭무늬를 생성하기 때문입니다. 대신 FTPSI는 레이저 소스의 파장 변조를 이용해 측정을 가능하게 합니다. FTPSI 획득에서 광학 경로의 각 캐비티는 고유한 간섭 주파수를 생성하여 캐비티 길이를 정의하며, 이는 표면의 명확한 구별과 정확한 특성화를 가능하게 합니다. 알고리즘은 그러면 두 표면을 분석하고 각각의 형태를 독립적으로 특성화할 수 있습니다(그림 2).

다중 표면 FTPSI 구성

기본부터 시작하겠습니다. 앞서 언급한 TF는 간섭계와 함께 사용하여 표면 또는 투과 파면 측정을 위한 평면 참조를 설정합니다. 참조 평면(RF)은 전체 파면에 최소한의 영향을 주며 측정 빔을 안내하는 데 사용되는 고품질 광학 표면입니다.

가장 간단한 FTPSI 측정은 TF(표면 1)와 테스트 부품(표면 2 및 3)으로 구성된 3표면 구성입니다(그림 3 참조). 이 구성에서는 후면 결과가 제공되지만 측정 빔이 테스트 부품의 재료를 통과하기 때문에 재료 불균일성이 포함됩니다.

후면의 더 높은 정확도 측정을 위해 테스트 광학 부품 뒤에 RF(표면 4)를 배치하여 4표면 구성을 사용할 수 있습니다. 이 구성에서 표면 3의 형태는 알려진 RF와 비교됩니다. 이 구성은 후면과 RF 사이에 두 번째 테스트 캐비티를 생성하여 부품 내 재료의 불확실성 없이 후면을 직접 측정합니다.

3표면 및 4표면 캐비티 구성 모두를 포함한 단일 FTPSI 측정에는 두께 편차 결과가 포함되며, 이는 테스트 부품 전체에 걸친 재료 두께의 전체 표면 맵입니다.

재료 균질성 특성화

위에서 설명한 4표면 캐비티 구성은 테스트 부품의 재료 균질성 특성화를 가능하게 하며, 이는 FTPSI 기술의 고유한 기능입니다. 균질성 정보는 먼저 테스트 부품을 캐비티 내에 두고 측정한 다음, 부품을 캐비티에서 제거하고 '빈 캐비티' 측정을 수행하여 TF와 RF 간의 비교를 허용함으로써 얻을 수 있습니다.

비선형 성분만 제공하는 다른 균질성 측정 기술과 달리, FTPSI 결과는 고정된 캐비티를 유지하므로 재료 균질성의 비선형 및 선형 성분 모두를 제공할 수 있습니다. 선형 부분은 빔 포인팅에 민감한 애플리케이션에 중요하며, 결과는 빔이 테스트 부품을 통과할 때 어떻게 편향되는지 예측하는 데 사용될 수 있습니다.

측정 정확도 영향 요인

모든 간섭계 테스트 방법과 마찬가지로 측정 불확실성은 참조 광학 품질, 측정 환경 안정성, 마운팅 기술 등 여러 요인에 기반합니다.

직경 6인치(150mm) 미만 부품의 경우 참조 광학 피크-투-밸리 표면 형태는 측정용 빛 파장의 약 2.5%인 λ/40 수준일 수 있습니다. 예를 들어 시스템이 633nm 파장의 적색 레이저를 방출하는 경우 이는 약 16nm에 해당합니다. 대부분의 경우 이는 얇은 유리 응용 분야의 공차 대역 내에 측정 결과를 잘 맞출 수 있게 합니다.

마운팅 기술의 중요성

테스트 캐비티에서 부품을 어떻게 고정하는가는 얇은 광학 부품 측정 시 아마도 가장 중요한 요소이며, 구체적으로 마운팅 기술과 방향입니다. 얇은 광학 부품을 단순히 클램핑하면 원치 않는 응력을 유발하고 광학 부품을 휘게 할 수 있습니다. 방향 차이는 중력 효과로 인해 얇은 부품의 경우 매우 다른 측정 결과를 낳을 수 있습니다. 이상적으로는 부품이 최종 용도 애플리케이션에서 사용될 것과 동일한 구성으로 마운트되어야 설계 의도와 실제 성능 간의 예기치 않은 차이를 피할 수 있습니다(그림 4).

요약

FTPSI는 얇은 평행 광학 부품의 품질을 보장해야 하는 광학 제조업체에게 매력적인 선택입니다. 기존 기계적 PSI와 달리 FTPSI는 전면과 후면을 구별하고 해당 표면 정보를 단일 반복 가능한 측정으로 특성화할 수 있습니다. 장비와 알고리즘의 발전 덕분에 FTPSI는 1mm 미만 두께의 광학 부품에 대해 표면 형태, 두께 편차, 재료 균질성을 특성화할 수 있습니다. 얇은 평행 광학 부품에 대한 수요 증가와 이를 정확하게 측정하는 데 따르는 과제에 직면하여 FTPSI는 이전 방법의 한계를 극복합니다. 특성화 강점과 사용 편의성은 광학 계측에 좋은 선택이 됩니다.