光学计量检测

-1 < K < 0
K>0
椭球面
扁椭球面
非球面干涉测量
球面测量
非球面测量
ZYGO Verifire Asphere (1)
Verifire 1k Interferometer
TS
Scan
Asphere
ZYGO Verifire Asphere (2)
QED: SSI系列子孔径拼接干涉仪
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• • CCD采集速率一般30fps，四步移相需133ms 为补偿空气扰动等因素造成的随机噪声，往往需要采集更多幅干涉图， 机械振动影响更甚
•
• • •
机械振动无法通过平均法消除
减震平台 恒温、噪声隔离等 尝试新的移相法
解决办法：
动态干涉仪（2）
• 通过单次曝光同时获 得4幅干涉图，并用 同一个CCD同时进行 接收的泰曼-格林式移 相干涉测量系统 利用全息光学元件将 光束分为四束
典型干涉图像差分析
初级像差：
longitudinal third-order spherical aberration 4R2 f 2 sagittal coma B R 2lh sagittal astigmatism C 2l 2 L D 2 defocusing 2l h E tilt about x axis l t F tilt about y axis l A
电子束
•紫外光刻（Ultraviolet Lithography, UVL） •深紫外光刻（Deep Ultraviolet Lithography, DUVL）
•极紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography, EUVL）
•电子束曝光（Electron Projection Lithography）
光学计量检测
徐德 2010/12/08
现代光学检测的重要性
“If you can’t measure it, you can’t make it”
The Hubble Disaster
• 光学口径2.4米，轨 道高度600km，造 价近30亿美元，清 晰度是地面天文望 远镜的10倍以上。
• 主镜磨错了l/20 ！
？
典型干涉图像差分析—完善透镜
(a) 无倾斜或离焦 E=F=0
(b) 存在倾斜 E=5, F=0
(c) 存在离焦 D=5,E=0,F=0
(d) 存在倾斜和离焦 D = 5,E = 5,F=0
典型干涉图像差分析—球差
无倾斜 E=F=0
存在倾斜 E=5, F=0
paraxial focus D=0
medium focus D=A
E-ELT : The European Extremely Large Telescope
• 主镜的直径达42米，由约1000块直径1.4米的六边形子镜 组成 • 望远镜底部直径超过100米，高度超过80米，预计2018 年投入使用 • 这架望远镜将会像400年前的伽利略望远镜一样，给人 们对于宇宙的认识带来革命性的影响。他们希望借助 这架望远镜研究行星的诞生以及外太空是否存在外星 人。
(a) 球差+彗差
(b) 球差+像散
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(c) 彗差+像散 (B = 5, D = 2)
(d) 球差+彗差+像散
斐索干涉仪（Fizeau Interferometer）
斐索干涉仪基本结构
斐索干涉仪—光学材料非均匀性测量
斐索干涉仪—平面度或平行度测量
斐索干涉仪—凸球面测量
斐索干涉仪—凹球面测量
对于平面波：
相干条件
• 频率相同
• 振动方向相同
• 相位差恒定
• 光程差不超过光波的波列长度
空间相干性光源尺寸决定相干空间 时间相干性光谱宽度决定相干长度
光学干涉测量术（Interferometry）
• 等厚干涉：同一级干涉条 纹表示相同的光程差 （OPD） • 相邻两亮（或暗）条纹间 相差l/2光程差
GMT – Giant Magellan Telescope
• Steward Observatory, University of Arizona
• consists of seven 8.4 m segments • 25 meters across with focal ratio f /0.7 • 14.5 mm departure from the nearest fitting sphere
原子力显微镜（AFM）
A: AFM样品
B: AFM针尖 C: STM针尖
D: 微悬臂
E: 氟橡胶
•
将一个对微弱力敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，试样 相对针尖运动．当针尖接近试样时，起初针尖得到一个很小微弱拉力， 然后由针尖上最后一个原子和试样表面相对的那个原子之间的原子力而 产生一个排斥力（ 10-8~10-6N ）。由于这个力使弹性微悬臂弯曲。这个弯 曲运动由STM或用光学方法（光学杠杆）检测出来。扫描方式与STM类似 。
紫外光刻技术—摩尔定律全靠它
• 摩尔定律：Intel 公司创始人之一Gordon E. Moore预言的半导体产业 发展规律：集成电路的集成度每三年增长4倍，特征尺寸每三年缩 小 2 倍。
K1l K1l n sin u NA
•436nm，365nm，248nm，193nm，157nm， X射线，
最大测量口径约200mm 不可能测太大的元件 测量原理决定了测量精度不可能太高
扫描隧道显微镜（STM）
• 扫描隧道显微镜(STM)的基本原理是利用量子理论中的隧道效应，将 原子尺度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与Biblioteka Baidu针尖的距离非常接近时(通常小于1nm)，在外加电场的作用下，电子 会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，这种现象即隧道效应。
非球面及其测试方法
• 非球面的定义 • 二次曲面：可实现零测量 • 高次非球面 • 复合曲面 • 自由面
Z (h )
h2 R0
1 1 (K 1) h 2 R 02
A2h 2 A3h 3 A4h 4 A5h 5 A20h 20
非球面类型
二次曲线常数 K=0 K < -1 K = -1 曲面类型 球面 双曲面 抛物面
扫描隧道显微镜（STM）
• 隧道电流强度对针尖与样品表面之间的距离非常敏感，如果距离S 减小0.1nm。隧道电流将增加一个数量级。 • 利用电子反馈线路控制隧道电流恒定，并用压电陶瓷控制针尖在 样品表面扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出 了样品表面的起伏将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接记录 显示出来。这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品。 且可通过加在z向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这 是一种常用的扫描模式。 • 对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记 录隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布。这种扫描方式的 特点是扫描速度快，能够减小噪音和热漂移对信号的影响，但一 般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。 • 只能观察导体和半导体的表面结构。
用双折射材料制成的 四象限偏振掩模提供 所需的相移量 此结构只适用于单色 光源
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动态干涉仪（3）
• 核心元件：微偏振器阵列 • 每个“超级像素”实现一个 周期内的移相 • CCD对具有相同相移传递函 数的像素数据分别进行处理 • 利用1/4波片将激光器的线 偏振光变为圆偏振光，以发 生干涉 • 将半波片和1/4波片按一定 次序叠加起来得到一等效的 1/4波片，即可用于多波长 或宽光谱光源的情况。 • 特别适用于大口径、长焦距、 环境差以及人体不能靠近情 况下的测量。
• 发射前未进行整个 系统的检测。 • 一般应该用两种不 同的方法对其进行 检测，并获得一致 结果。
詹姆斯-韦伯空间望远镜
• 口径: 6.5米，由 18块六角形镜片 组成
• 轨道高度：150万 千米 • 波段: 红外线 • 预定发射时间: 2011年8月 • 詹姆斯韦伯太空 望远镜的目光将 穿过130亿年的整 个宇宙，去寻找 早期恒星的踪迹。
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半导体激光器（GaAs，CdS等）
染料激光器 自由电子激光器
应用：激光加工、激光治疗、激光武器、激光测量、激光通信等
理想光学系统
• 在任意大的空间，以任意宽的光束都成完善像的光学系统
• 共线成像理论：点对应点、直线对应直线、平面对应平面的成像 变换关系 • 波动光学解释：入射球面波（平面波为球面波的特殊情况）对应 出射球面波
marginal focus A≠0, D≠0
典型干涉图像差分析—彗差
y
B=5 (D=0)
F=3
F=0
沿不同方向存在 倾斜
F=-3
E=-3
E=0
E=3
x
典型干涉图像差分析—像散
y
C=2 (D=0)
F=3
F=0
沿不同方向存在 倾斜
F=-3
E=-3
E=0
x
E=3
综合像差
任意干涉图分析法： • 测得干涉图中一系列点的位 置坐标（x, y），以及各点 所对应的干涉级次m；利用 最小二乘法样条法进行插值。 若波面比较平滑，可利用 Zernike多项式将待测波面 W(x, y)表示出来。
泰曼-格林干涉仪（Twyman Green Interferometer）
马赫-曾德干涉仪
• 测试光只通过待测 样品一次，适于测 量具有较大波像差 的元件。 有两个分束器，自 动对光程补偿，无 须额外补偿板。
•
白光干涉仪
• • •
解决了单色光2π混乱问题 相干长度极短（~微米） OPD=0点扫描（光学探头）
•光刻机堪称现代光学工业之花，其制造难度之 大，到现在全世界也不过极少数几家公司能够制
造而已（ASML, Nikon, Cannon）
光的认识—我们身边的光学现象
光的电磁特性—电磁波谱
可见光波段： 0.38~0.78mm
光的量子性
• 普朗克 - 能量子假设 • 爱因斯坦 - 光量子假设、光电效应、康普顿散射
LAMOST -大天区面积多目标光纤光 谱天文望远镜
• 2001年9月正式开工，2008年10月落成。
• 有效通光孔径4米，视场5度，光谱覆盖范围370-900nm • 我国最大的光学望远镜、世界上最大口径的大视场望 远镜，也是世界上光谱获取率最高的望远镜，单次观 测可同时获得3000多条天体光谱。 • 采用薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学技术，以新 颖的构思和巧妙的设计突破了世界上光学望远镜大视 场不能同时兼备大口径的瓶颈。
ZYGO Newview 7300
大口径光学元件的测量
• 测量难题：
• 测量光束口径限制 • 光学元件陡度增大，超出CCD的分辨能力 • 超长焦距 • 环境影响极其严重（机械振动，空气扰动，温度波动） • 在线测量要求更为迫切（加工与检测的再现性）
动态干涉仪（1）
机械移相法所面临的振动困扰：
三平板绝对测量（三平板互检）
A B
x
A C
1 B C
2 x
C (A C) (B C) ( A B) 2
x
calibration
3 y
球面绝对测量
v
W1
^
W2
W3
• 待测球面：
• 干涉仪自身误差：
定标结果
分辨率=0.029nm=1/3原子直径
相当于德国范围内<200mm的高度差
完善成像
像差
• 球差
• 彗差
• 像散
• 场曲
• 畸变 • 色差
• 轴向色差 • 倍率色差
• 波像差
光学元件波像差
• 平面
• 球面 • 非球面 • 自由面 • 微结构
光学干涉基本原理
• 在两光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，另一些点的振动 始终减弱，形成在该区域稳定的光强强弱分布的现象，称为光的 干涉现象。
存在l/20波像 差的干涉图
牛顿干涉仪
干涉图分析方法
• 静态条纹分析法 • 须确定条纹中心或条纹弯曲程度，精度有限 • 用于分析的数据点较少，插值精度不高 • 精度局限于l/10量级 • 移相干涉术（Phase Shifting Interferometry, PSI） • 采集多幅干涉图 • 无须确定条纹中心 • 对整个待测区域内所有数据点进行分析 • 精度可达到l/1000以上
波粒二象性
物质波的应用：电子显微镜，中子显微镜，电子束曝光机等
激光—Laser（镭射）
• Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
泵浦源 激光工作物质
激光工作物质
M1
• •
谐振腔
M2
激光 输出
泵浦源
谐振腔
气体激光器（He-Ne，CO2，Ar+，N2，准分子，金属蒸气） 固体激光器（Nd:YAG，钕玻璃，Nd:YVO4，Nd:YLF，钛蓝宝石等）