光学计量检测

1、徐德2010/12/08光学计量检测光学计量检测现代光学检测的重要性“If you cant measure “If you cant measure it, you cant make it”it, you cant 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 ！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

2、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。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 sphereE-ELT : The European Extremely Large Telescope 主镜的直径达42米，由约1000块直径1.

3、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。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

4、上光学望远镜大视场不能同时兼备大口径的瓶颈。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 倍。NAKunKll11sin2436nm，365nm，248nm，193nm，157nm， X射线，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 Proje

5、ction Lithography）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：0.380.78mm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、康普顿散射波粒二象性波粒二象性 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气体激光器（He-Ne，CO2，Ar+，N2，准分子，金属蒸气）固体

6、激光器（Nd:YAG，钕玻璃，Nd:YVO4，Nd:YLF，钛蓝宝石等）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、激光通信等激光工作物质泵浦源谐振腔泵浦源激光工作物质M1M2谐振腔激光输出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

7、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。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 Interfer

8、ometry, 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以上典型干涉图像差分析？22longitudinal third-order spherical aberration 4AR f2sagittal coma BR lh2sagittal astigmatism2Cl2 2LDdefocusingl hEtilt about x axisl tFtilt about y axisl初级像差：典型干涉图像差分析完善透镜无倾斜或离焦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

9、 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=0paraxial focusD=0medium focusD=Amarginal focusA0, D0典型干涉图像差分析彗差yE=-3E=0E=3F=3F=0F=-3B=5(D=0)沿不同方向存在倾斜x典型干涉图像差分析像散xyE=-3E=0E=3F=3F=0F=-3C=2(D=0)沿不同方向存在倾斜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

10、。球差球差+彗差彗差(b) 球差球差+像散像散(c) 彗差彗差+像散像散(B = 5, D = 2) (d) 球差球差+彗差彗差+像散像散斐索干涉仪（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三平板绝对测量（三平板互检）calibrationABA CB Cxx132xyC (A C) (B C) (A B)2球面绝对测量 待测球面： 干涉仪自身误差：W1vW2W3定标结果分辨率=0.029nm=1/3原子直径 相当于德国范围内200mm的高度差泰曼-格林干涉仪（Twyman

11、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2混乱问题相干长度极短（微米）OPD=0点扫描（光学探头）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）n机械移相法所面临的振动困扰：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，

12、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n解决办法：减震平台恒温、噪声隔离等尝试新的移相法动态干涉仪（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。

13、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。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20205544332220202)1(11)(hAhAhAhAhARhKRhhZ非球面类型二次曲线常数曲面类型K = 0球面K -1双曲面K = -1抛物面-1 K 0扁椭球面非球面干涉测量球面测量非球面测量ZYGO Verifire Asphere (1)TSVerifire 1k InterferometerAsphereScanZYGO Verifire Asphere (2)QED: SSI系列子孔径拼接干涉仪最大测量口径约200mm不可能测太大的

14、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。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

15、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。原子力显微镜（AFM）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（ 10-810-6N ）。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。A: AFM样品B: AFM针尖C: STM针尖D: 微悬臂E: 氟橡胶其它测量仪继STM之后，相继出现了一些列新