捕捉所有缺陷观测微光学元件.PDF

/science-lab/no-defect-goes-undetected-inspection-of-micro- optic-components/ 捕捉所有缺陷：观测微光学元件 Roger Artigas 加泰罗尼亚理工大学 (UPC)，传感器、仪器和系统研发中心 微光学元件应用于众多照明或成像产品之中。这类元件的检测必须 同时满足高精确度且不损伤元件这两项要求，因此，这些元件的质量控制极具挑 战性。Leica DCM 3D 测量显微镜完美融合了共聚焦和干涉测量技术，即便这些 元件带有经过抛光且难以检测的弯曲表面，利用该设备对这些微光学元件的测量 可达到纳米级精度及超高速的测量。 微光学元件可广泛应用于各种领域。例如，在投影仪的 LCD 显示屏前面，有一 个微透镜阵列，确保显微镜头在显示屏的每个像素前都保持激活状态，这样一来， 我们就可以使用经济实惠的灯了，包括 LED 等半导体光源。另外一个示例就是 汇聚来自强劲白光 LED 光源的菲涅耳透镜，它虽然采取小且紧凑的结构设计， 却具有高光输出、高透光率以及低功耗等的特点。因此，这些白光 LED 是数码 相机中闪光灯的理想替代品。微光学元件还有助于改善生物医学应用领域的内窥 镜成像性能，支持 LOC （芯片实验室）系统的实现，以便将组织标本或化学物质 进行比对。如今，显微透镜是汇聚微波导管光源必不可少的工具，应用于光耦合 器上 （例如，VCSEL），在微观系统中被称为 MOEM。 图 1：Borofloat^® 玻璃上的微透镜阵列拷贝件。单个镜头可用于设定曲率半径以及正确变形。 光刻、熔融或复制技术 生产微光学元件的技术取决于特定的应用领域、所要求的表面质量、可靠性以 及这些元件的最终成本。三种最常见的制造工艺包括光刻、熔融和复制。光刻 技术最初是由微电子学领域开发出来的，用于结构涂层或表面型材的制造。运 用上述方法，可以利用激光或电子光束将 3D 图形写在光刻胶膜中，显影后， 再将 3D 图形通过反应离子工艺施加到衬底上。这项光刻技术适用于波导管结 构、微光学自由空间元件以及衍射光学元件。 熔融技术适用于制造折光性元件，它能够保证产品的高品质，而且操作非常简 单。用传统的光刻方法制成小型圆筒。由于熔融过程会引起表面张力，因而能 够保证生产出具有极高品质的小型平凸透镜。光刻和熔融技术是精确度极高的 两种手段。但是，考虑到显微透镜日益增长的需求，有些生产商会采用复制技 术来提高产量。通常来说，模制工序适用于在硬质玻璃上仿制二氧化硅或环氧 树脂材质的复制品，同时还能确保高品质。 图 2 （右侧）：透镜线阵。环氧树脂材料的柱面透镜阵列复制品（离子蚀刻）。在放大倍率为50x、0.8 NA 物镜下，运用形貌拼接法进行数据记录。样品的总体视场角测量值为 0.4×3.18 mm，有几处，表面坡 度超出 30°。因此，有必要使用形貌拼接描绘整体透镜组。透镜之间的间隔为 1mm，总体高度超过 90µm。 图 3：图形发生器。平均高度为 700nm，线宽范围在 1µm 至 7µm 之间。壁体倾斜度为 50°。采用放大倍 率 100x、0.9 NA 物镜进行本次测量。 无接触、高精确度测量 用于测量微光学元件的仪器必须满足两个重要标准：无接触、高精确度测量。 接触式轮廓测量仪不是无损测量，但不论反射率和边坡陡度如何，均能够记录 完整透镜的轮廓。针对高比平均的表面或位于涂层以下的波导管，可以使用白 光干涉测量法。但是，由于干涉计的设计，其最大测量陡度受物镜的数值孔径 的限制，在较高放大倍率下，该值通常低于 0.5。 Leica DCM 3D 双核测量显微镜采用数值孔径高达 0.95 NA 和高光输出性能的 物镜，确保待测抛光表面结构的可再现性精确至 1nm，陡度达到 70°。测量完 整透镜或透镜阵列的另一替代方法是形貌拼接法。高孔径数值的物镜通常具有 高放大倍率的特征，可以将视场角降至几百微米。要放大视场角，Leica DCM 3D 软件可以全自动控制电动载物台，并测量若干不同的形貌。最后，软件能够 自动生成最终形貌图，其中视场角实现，并保持单个视场的原有性能。 图 4：带任意衍射模型的光学漫射器。利用放大倍率为 100x 的物镜进行测量。平均高度为 700nm。