Metrología de frente de onda

La medición óptica del frente de onda, o metrología del frente de onda, es un tema muy amplio. En esta charla técnica, nos centraremos en dos temas que incluso podrían considerarse dicotómicos: la interferometría de desplazamiento de fase y la detección de frente de onda de Shack-Hartmann.

Con la interferometría de cambio de fase, la precisión es clave y cada nanómetro es significativo. La velocidad y la versatilidad pasan a un segundo plano.

Todo lo contrario puede decirse del sensor de frente de onda de Shack-Hartmann, en el que la versatilidad, la facilidad de uso y la velocidad son sus principales puntos fuertes, mientras que la precisión, aunque no está nada mal, tendrá que pasar a un segundo plano, especialmente si se compara con la interferometría de desplazamiento de fase. Con la interferometría, también podemos abordar las propiedades de fase del sistema óptico a las que un sensor Shack-Hartmann será ciego por su principio de diseño.

Sin embargo, ambos pueden ser aliados formidables a la hora de buscar el máximo rendimiento al diseñar y construir complejos motores ópticos que requieren un rendimiento óptico muy superior al límite de difracción clásico, como por ejemplo los generadores de patrones, un tema de especial interés aquí en Senslogic que es también la razón por la que se desarrolló el software WaveMe, centrado en acelerar la interferometría de desplazamiento de fase e integrar la metrología Shack-Hartmann en las tareas de alineación cotidianas.

Interferometría de cambio de fase: Velocidad y precisión

En el mundo de las mediciones a nanoescala, la interferometría de cambio de fase supone un cambio radical, ya que ofrece una precisión inigualable al mejorar nuestra interpretación de los patrones de interferencia. He aquí un análisis más detallado:

Cuando un fotón se divide en dos trayectorias y posteriormente se recombina y es absorbido por un detector, su diferencia de longitud de trayectoria mutua puede captarse en forma de patrón de interferencia. Para comprender realmente estos patrones, la interferometría de desplazamiento de fase, que modifica sistemáticamente la diferencia de longitud de trayectoria entre estos fotones en varias mediciones sucesivas, ofrece respuestas a preguntas que de otro modo no podrían resolverse simplemente observando un único patrón de interferencia, ya que en un único interferograma, el término de interferencia lo proporciona el coseno de la diferencia de fase y el coseno oculta el signo de su argumento.

Esta técnica, que requiere al menos tres imágenes con 120° ofrece una solución directa a las tres incógnitas (dos amplitudes y una diferencia de fase) en una configuración de interferencia de dos haces. Sin embargo, el punto dulce se encuentra claramente utilizando desplazamientos de fase de 90°. ¿Por qué 90°? La respuesta es la supresión de errores. Con 90°, la solución elimina explícitamente la luz de fondo estática y la sensibilidad del detector. Menos obvio es que también suprime las no linealidades de segundo orden del detector y, al ampliar el método a cuatro desplazamientos de 90°, capturando también el desplazamiento de fase aparentemente redundante de 360°, se puede reducir fuertemente la influencia de la escala del actuador. Todo ello contribuye a hacer de este enfoque concreto el método de referencia para la interferometría de alta precisión.

Antes de dejar esta introducción, hay que mencionar que la interferometría de desplazamiento de fase no es un método de análisis de franjas. En ninguna parte de las matemáticas se encuentra un intento de identificar una franja y tratar de seguirla. Se trata de una solución de fase y amplitud local, píxel por píxel del detector. Si hay franjas regulares en alguna parte, entonces las matemáticas las revelarán, llamémoslo así, por pura coincidencia. Si queremos, podemos montar un interferómetro Twyman-Green (que por cierto fue calificado de inútil por A.A. Michelson y a menudo se confunde con el interferómetro que lleva su nombre) y alinearlo para que no muestre franjas y analizar la fase del frente de onda con la misma precisión que tendríamos con cualquier otra cantidad de franjas, y en realidad probablemente incluso mejor porque con cero franjas, podemos hacer que los haces combinados pasen por el mismo cristal antes de llegar al detector y eliminar las contribuciones de diferencia de longitud de trayectoria de la óptica de proyección que a menudo se necesita en un interferómetro Twyman-Green.

Necesidad de velocidad

Como se ha mencionado en la introducción, el desplazamiento de fase ofrece precisión por diseño, pero hay que trabajar para conseguir velocidad. Si el sistema objetivo es una sola pieza óptica o un solo espejo, esperar un segundo para obtener un frente de onda no es un problema, pero ¿qué pasa con la medición de 10 millones de espejos? ¿Y dónde podemos encontrar tantos espejos?

Tal vez convenga hacer una breve referencia a los generadores de patrones. El límite de resolución para la iluminación coherente mediante moduladores espaciales de luz que sólo pueden acceder al eje real positivo lo establece la formación de imágenes de 3 haces, algo que sencillamente no podemos evitar porque no podemos eliminar el orden 0 con un modulador de este tipo. Esto fija la distancia angular entre los haces que interfieren en un ángulo limitado por la apertura numérica de la óptica. Si pudiéramos, sin embargo, extinguir el orden 0, entonces podríamos formar imágenes interfiriendo haces a +NA y -NA, combinados que significarían 2xNA dando el doble de resolución, pero esto es algo que sólo podemos hacer con un modulador que pueda ofrecer (al menos) 180° de desplazamiento de fase, y en el caso de un modulador analógico, podemos hacer un buen uso de todos los desplazamientos de fase intermedios. Una vez descrito el modulador de fase en el siguiente párrafo, si queremos utilizarlo para litografía avanzada, tenemos que calibrar con precisión la acción del pistón de este modulador, y tenemos que hacerlo rápidamente.

En RealHolo está elaborando una ambiciosa matriz de pistones de 9,6 millones de microespejos que tiene un ancho de banda de bus lo suficientemente elevado como para convertirla en un componente muy interesante para un motor de generación de patrones de alta capacidad para litografía avanzada. Pero no sería avanzada, ni litografía es que no pudiéramos soportarla con la precisión que es la piedra angular de todo motor de escritura opto-litográfica, al menos no hoy en día. Y puesto que estamos tratando con mediciones de fase puras, necesitamos interferometría tanto a alta resolución como a alta velocidad.

Sin embargo, los MEMS de alta resolución no son la única aplicación para un interferómetro de cambio de fase rápido. La caracterización de un espejo deformable con un interferómetro Twyman-Green ofrece otra aplicación atractiva en la que la interferometría ofrece resultados que la metrología Shack-Hartmann simplemente no puede tocar.

Superar los límites con herramientas estándar

Se podría suponer que tal precisión requeriría equipos muy especializados. Pero no es así. Con el soporte de software adecuado, incluso las cámaras estándar pueden utilizarse para esta complicada tarea, consiguiendo una precisión y una velocidad de medición extraordinarias.

In essence, phase-shifting interferometry offers cutting edge accuracy, providing 10’s of wavefronts per second, or more, to revolutionize the way we look at interference patterns. With real-world applications like the RealHolo project underscoring the method’s importance, it’s evident how this technique is shaping the future of nanoscale measurements and beyond.

Cambio de fase mediante el análisis de franjas

Para ofrecer una perspectiva sobre el desplazamiento de fase basado en el uso de un actuador físico de fase alterna, echemos un vistazo a un enfoque alternativo en el que recuperamos la información de fase a partir de una sola imagen. Para ello, tenemos que organizar nuestra medición con un haz de referencia que interfiera en un ángulo suficientemente alto. Lo que significa "suficientemente" depende de lo que estemos midiendo, pero en términos generales, tiene que ser superior a la frecuencia espacial más alta de nuestro objeto. Si intentáramos extraer la información de fase utilizando un método de Fourier, la frecuencia de franja tendría que ser el doble de la frecuencia espacial más alta de nuestro objeto, pero hay casos en los que podemos conseguir menos, como cuando medimos una superficie plana a trozos como, por ejemplo, un TI-PLM modulador espacial de luz o el PLV de Silicon Light Machines. En este caso, podemos disponer la cámara de modo que las franjas muestren varias posiciones de los microespejos (aproximadamente) planos. Sin entrar en demasiados detalles, debería ser bastante obvio que el periodo de las franjas debe ser menor que el tamaño de los microespejos para muestrear la intensidad en los distintos desplazamientos de fase proporcionados por el haz de referencia inclinado.

En general, cuando se utiliza la extracción de fase a partir de una imagen de franja, la frecuencia de franja debe ser mucho mayor que la frecuencia espacial más alta del objeto si queremos obtener resultados algo precisos. Además, hay que tener en cuenta que las cámaras no muestrean la imagen en un punto, sino que integran la intensidad en un píxel y, cuando intentamos aumentar la densidad de las franjas para aumentar la precisión, la densidad de píxeles de la cámara debe seguir el mismo camino, ya que debemos sobremuestrear la imagen de las franjas de forma considerable y, a menos que dispongamos de un dispositivo de muestreo de área muy especial, el número de píxeles de la cámara aumenta con el cuadrado de la densidad de las franjas. Esto hará que la medición se limite a objetos pequeños o que sea lenta, incluso si tenemos en cuenta que tenemos que extraer 4 o 5 imágenes utilizando el desplazamiento de fase tradicional, suponiendo que nuestro método de desplazamiento de fase funcione a un límite fijado por la velocidad de la interfaz (USB o Ethernet) de la cámara, lo que es cierto para la caja de herramientas WaveMe. Además, ya no dispondremos de la supresión de errores proporcionada por el muestreo de los cuatro o cinco desplazamientos de fase diferentes mediante la función mismo píxel y cancelar así fuentes de error como la uniformidad de la iluminación y la no uniformidad de la respuesta del píxel (PRNU).

Sensores Shack-Hartmann: El caballo de batalla de la metrología de frente de onda

Imagine trying to understand the direction and intensity of thousands of tiny arrows pointing in different directions all at once. Shack-Hartmann sensors work similarly, deciphering the “direction and intensity” of wavefronts at specific isolated points. By capturing these minute details, or “gradients,” of the wavefront, these sensors offer a nuanced insights into dynamic wavefront.

¿Qué tienen de especial los sensores Shack-Hartmann?

Sencillez y rapidez: aunque no sean los reyes de la precisión, los sensores Shack-Hartmann son innegablemente rápidos y fáciles de usar. ¿Tiene una cámara que toma 300 imágenes por segundo? Estos sensores pueden mantener el ritmo, a veces incluso utilizando un ordenador portátil normal.

Y la precisión no es nada desdeñable. 10-15 nm requiere una calibración con una referencia conocida, pero puede hacerse con la luz que emerge de una fibra monomodo o un diodo láser emisor de bordes.

Detalles técnicos

Venturing behind the scenes, deploying Shack-Hartmann sensors does call for considerable programming effort. Breaking down countless spots on an image, especially when aiming for real-time wavefronts (think 60 frames per second live views), presents its challenges. And while it’s not quite as intricate as rocket science—or, in Elon Musk’s words, rocket engineering—it still demands some atención a los detalles.

Senslogic’s WaveMe Platform: A Step Ahead

Here at Senslogic, we’re not just observing; we’re innovating. Meet WaveMe, our pioneering platform. WaveMe isn’t tethered to a single technique. Instead, it offers the best of both worlds, the accuracy of phase-shifting interferometry and the rapid-fire capabilities of Shack-Hartmann wavefront metrology. From nanometer-focused precision to rapid frame-by-frame analysis, WaveMe is crafted to be your trusted companion, compatible with regular vision cameras. We offer one of the, if not the fastest, phase-shifting interferometry platform and the simplest shack-hartmann wavefront sensing solution. How can we say that? Well, can you require less than turning the program on? It’s made possible by WaveMe’s Sensor 3D Shack-Hartmann calibración.

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