Modellierung Eines Phasenschiebenden Interferometers
Was ist ein Phasenverschiebungsinterferometer?
Wenn Sie ein optisches System haben, das eine bestimmte Form bestimmter Oberflächen erfordert (ob flach, kugelförmig usw.), wie würdest du das testen? Wir können die Phasenverschiebungs-Interferometrie verwenden, um die Abweichung von der beabsichtigten Form zu messen, was für eine hochpräzise Fertigung entscheidend ist. Dies erfolgt durch Erzeugen mehrerer Interferenzmuster, Interferogramme genannt, gegen eine Referenzoberfläche für eine Reihe unterschiedlicher optischer Weglängen. Aus diesem Satz von Interferogrammen können wir den Oberflächendurchhang oder das Profil der Testoberfläche generieren.
Abbildung 1. Das Interferometer-Beispiel in FRED mit nur der gezeigten Optik und dem gerenderten Strahlengang.
Interferometermechanik
Das phasenschiebende Interferometer wird unter Verwendung kommerzieller Standardkomponenten (COTS) von OptoSigma gebaut. Der optische Käfig hat einige Vorteile gegenüber den Montagepfosten und optischen Schwalbenschwanzschienen: Es ist einfach einzurichten und kann direkt in die optische Bank eingesteckt werden. Es ist einfacher zu transportieren, da das gesamte System als eine Einheit geliefert wird und als einzelne CAD-Datei in FRED importiert werden kann. Der motorisierte Präzisionstisch wird verwendet, um den Referenzspiegel um λ/8 (~80 nm) zu bewegen, und der motorisierte Tisch FS-1020UPX von OptoSigma erfüllt diese Anforderung mit einer Mindestauflösung von 1 nm und einer Positionswiederholbarkeit von ±2 nm.
Abbildung 2. Optischer Käfig von OptoSigma (image link)
Abbildung 3. Der motorisierte Präzisionstisch von OptoSigma(image link)
Abbildung 4. Ein Interferometer-Beispiel in FRED mit integrierter OptoSigma-Mechanik (graue CAD-Strukturen), Optik (transparent) und mit einem gerenderten Strahlengang (in rot).
Modellierung des Phasenverschiebungs-Interferometers
TUm die oben beschriebene Analyse richtig zu modellieren, müssen wir zwei Anforderungen erfüllen: (i) eine genaue Simulation der Ausbreitung eines kohärenten Strahls und (ii) unsere Software muss ein großes optisches System in einer CAD-ähnlichen Schnittstelle handhaben.
Eine der stärksten Fähigkeiten von FRED ist der kohärente Raytracing-Algorithmus. Die verwendete Methode heißt „Complex Raytracing“. Es propagiert winzige Gaußsche Strahlen, die verwendet werden können, um die Ausbreitung von kohärenten Strahlen in einer nicht sequentiellen Weise zu simulieren. Wenn sich die Strahlen aufspalten oder auf eine Blende einer Optik treffen, wird dies von Natur aus gehandhabt. Interferenz- und Beugungseffekte sind ebenfalls in den Algorithmus integriert.
Einige optische Software würde alle Oberflächen im Modell (optisch und mechanisch) in einer langen linearen Liste auflisten, was mühsam zu verwalten wäre. FRED verwendet einen CAD-ähnlichen „Baum“, um sowohl die mechanischen als auch die optischen Teile des Modells zu verwalten. Dies ist bei Tausenden von Bauteilen und Oberflächen zwingend erforderlich. FRED verfügt über eine integrierte Bibliothek optischer OptoSigma-Teile, aber mechanische Teile können auch aus CAD-Dateien (STEP, IGES, OBJ) importiert werden.
Abbildung 5. Eines der vier im FRED-Beispiel erzeugten Interferogramme.
Abbildung 6. Schematische Darstellung des in Abbildung 1 und 2 gezeigten Aufbaus. Der Probenspiegel wird auch als Testoberfläche bezeichnet.
Oberflächeneigenschaften der Testoberfläche ändern
Im Objektbaum sind die gesamte Mechanik und die Optik in eigenen Unterbaugruppen organisiert. Wir haben unserem FRED-Beispiel eine weitere Unterbaugruppe namens „Sag Surface“ hinzugefügt, die mehrere verschiedene Oberflächenprofile enthält. Wir beginnen mit einer flachen Testoberfläche, wenn der Testspiegel unserem System zum ersten Mal hinzugefügt wird, aber wir können dann eine "Modifikator"-Oberfläche hinzufügen. Die unter „Sag Surface“ angezeigten Oberflächen können der Testspiegeloberfläche schnell hinzugefügt werden, um sie zu mutieren. Für dieses Beispiel haben wir den Flächentyp „Freiform“ verwendet. Es handelt sich um ein bikubisches Netz, bei dem eine Reihe von zufälligen Störungspunkten zufällig erzeugt und der Oberfläche hinzugefügt werden.
Abbildung 7. Der Baumzweig in FRED, der alle Oberflächen enthält, die wir testen möchten, und der Dialog zum Ändern der Oberflächeneigenschaften unserer Testoberfläche. Mit einem einzigen Klick können wir unsere „Freeform“-Fläche in eine andere von uns vordefinierte Fläche ändern.
Der Grundgedanke dabei ist, dass wir viele verschiedene Oberflächentypen definieren und diese schnell und einfach zu unserer Testoberfläche hinzufügen können, um sie zu analysieren. Es ist eine einzelne Einstellung, die wir auf der Testoberfläche ändern (siehe Abbildung 7), die auf die zu verwendende Modifikatoroberfläche hinweist.
Interferometrie-Berechnung
Der Zweck eines phasenschiebenden Interferometers besteht darin, das Oberflächenprofil des Probenspiegels, auch Testoberfläche genannt, zu analysieren (siehe Abbildung 6). Der flache Referenzspiegel wird von einem Nanotischsystem viermal in Schritten von λ/8 (Gesamtweglängenänderung von λ/4) bewegt. Dann rekombinieren wir die Strahlen und berechnen die Bestrahlungsstärke für jede Spiegelposition auf einen Bildsensor (oder eine Analysefläche in FRED). Wir können die vier generierten Interferogramme verwenden, um mit der folgenden Formel die sogenannte Wrapping-Phase der Testoberfläche zu erstellen:
wobeiΘ(x,y) die Wickelphase der Testoberfläche ist und In(x,y) jedes der Interferogramme sind, wobei n die Änderungen der Weglänge in Schritten von λ/8 (gesamt Änderung von λ/4). Aus diesen Informationen können wir den Durchhang des unbekannten Oberflächenprofils berechnen.
Abbildung 8. Die vier Interferogramme, die in jedem λ/8-Schritt vom Referenzspiegel aus diesem FRED-Beispiel mit Phasenverschiebungsinterferometer erstellt wurden. Die hier zu sehende Fläche ist vom Typ „Freiform“.
Um die Interferometrie in Software durchzuführen, gibt es zwei Hauptschritte, die wir für eine einfache Handhabung automatisieren. FRED verwendet die Skriptsprache Visual Basic, die einfach zu erlernen und leistungsstark ist.
Berechnung der Wrapped-Phase
Nachdem unser Skript ausgeführt wurde, generiert es die vier Interferogramme sowie die Wrapped Phase. Es speichert diese Ergebnisse als Analyseergebnisknoten (ARNs) in FRED. Wenn wir auf einen von ihnen unter dem Zweig Analyseergebnisse des Objektbaums doppelklicken, werden die Interferogramme der gestörten Oberfläche in Bezug auf die verschobene Entfernung geöffnet, wie in Abbildung 8 zu sehen. Die in Abbildung 9 gezeigte umwickelte Phase hat eine kreisförmige Öffnung, die den Laserstrahl-Fußabdruck darstellt, der die Testoberfläche erreicht. Betrachtet man die Blendengröße, so kann man sehen, dass der Laserstrahl ca. ± 3 mm erreicht.
Abbildung 9. Die verpackte Phase unserer Testoberfläche. Die Oberflächenprofile auf der rechten Seite der Abbildung zeigen Diskontinuitäten, die in der Wickelphase (-π bis π) vorhanden sind.
Berechnung des Oberflächendurchhangs
Wir führen ein zweites Skript aus, um die Phase zu entpacken und in Durchhangwerte in Mikrometern umzuwandeln. Ein Doppelklick auf den Oberflächendurchhang ARN liefert uns das Hauptergebnis dieser Demonstration (Abbildung 10). Der ganze Zweck dieses Interferometers besteht darin, dieses Ergebnis zu liefern. Dies ist der Oberflächendurchhang oder die Abweichung von einer ebenen Oberfläche, basierend auf dieser von uns verwendeten Störung (Freeform), in Einheiten von Mikrometern. Wir können in unserem Ergebnis sehen, dass wir zwischen 0 und einem halben Mikrometer (oder 500 nm) liegen.
Abbildung 10. Die Durchbiegung unserer Testfläche mit der Flächenzuordnung „Freiform“. Die Abweichungen von der Ebene werden in Mikrometern angegeben und reichen von nahe 0 bis fast einem halben Mikrometer (oder etwa 500 nm).
Zusammenfassung
Virtuelles Prototyping wie dieses ist unglaublich nützlich. In FRED können Sie überprüfen, ob das System, das Sie entwerfen möchten, richtig eingerichtet wurde; wenn Sie einen ausreichend großen Laser-Fußabdruck auf der Testfläche haben; und wenn es Probleme mit Fehlausrichtung oder geringfügiger Drehung in den Stufen gibt. Kontaktieren Sie uns, um eine Demo von FRED anzufordern oder Ihre Anwendungsanforderungen detaillierter zu besprechen. Für Informationen zu den OptoSigma-Teilen wenden Sie sich bitte an: Axel Haunholter a.haunholter@optosigma-europe.com