Métrologie du front d'onde

La métrologie du front d'onde optique est un vaste sujet. Dans cette présentation technique, nous nous concentrerons sur deux sujets qui pourraient même être considérés comme des dichotomies, l'interférométrie à déphasage et la métrologie du front d'onde de Shack-Hartmann.

Avec l'interférométrie à déphasage, la précision est essentielle et chaque nanomètre est important. La vitesse et la polyvalence viennent en second lieu.

Il en va tout autrement pour la métrologie du front d'onde de Shack-Hartmann, dont la polyvalence, la facilité d'utilisation et la rapidité sont les principaux atouts, tandis que la précision, même si elle n'est pas mauvaise du tout, devra être reléguée au second plan, surtout si on la compare à l'interférométrie à déphasage. Avec l'interférométrie, nous pouvons également prendre en compte les propriétés de phase du système optique auxquelles le capteur de Shack-Hartmann est aveugle de par son principe de conception.

Cependant, les deux peuvent être des alliés redoutables lorsqu'il s'agit de rechercher des performances maximales lors de la conception et de la construction de moteurs optiques complexes qui nécessitent des performances optiques bien au-delà de la limite de diffraction classique, comme par exemple les générateurs de motifs, un sujet d'intérêt particulier ici à Senslogic qui est également la raison pour laquelle le logiciel WaveMe a été développé avec son accent sur l'accélération de l'interférométrie à déphasage et l'intégration de la métrologie Shack-Hartmann dans les tâches d'alignement au jour le jour.

Interférométrie à déphasage : Exploiter la vitesse et la précision

Dans le monde des mesures à l'échelle nanométrique, l'interférométrie à déphasage change la donne : elle offre une précision inégalée en améliorant notre interprétation des schémas d'interférence. Voici un aperçu plus approfondi :

Lorsqu'un photon est divisé en deux trajectoires, puis recombiné et absorbé par un détecteur, leur différence de longueur de trajectoire mutuelle peut être capturée sous la forme d'une figure d'interférence. Pour bien comprendre ces figures, l'interférométrie à déphasage, qui modifie systématiquement la différence de longueur de trajet entre ces photons au cours de plusieurs mesures successives, permet de répondre à des questions qui ne peuvent être résolues par la simple observation d'une figure d'interférence unique, car dans un interférogramme unique, le terme d'interférence est fourni par le cosinus de la différence de phase et le cosinus dissimule le signe de son argument.

Cette technique, qui nécessite au moins trois images à 120° entre elles, offre une solution directe aux trois inconnues (deux amplitudes et une différence de phase) dans une configuration d'interférence à deux faisceaux. Cependant, le point idéal est clairement trouvé en utilisant des déphasages de 90°. Pourquoi 90° ? La réponse est la suppression des erreurs. Avec 90°, la solution élimine explicitement la lumière de fond statique et la sensibilité du détecteur. Il est moins évident qu'elle supprime également les non-linéarités de second ordre du détecteur et, en étendant la méthode à quatre déphasages de 90°, en capturant également le déphasage de 360° apparemment redondant, l'influence de l'échelle de l'actionneur peut être fortement réduite. Tout cela contribue à faire de cette approche particulière la méthode de référence pour l'interférométrie de haute précision.

Avant de quitter cette introduction, il convient de préciser que l'interférométrie à déphasage n'est pas une méthode d'analyse des franges. Nulle part dans les mathématiques on ne trouvera une tentative d'identifier une frange et d'essayer de la suivre. Il s'agit entièrement d'une analyse de phase locale, pixel de détecteur par pixel de détecteur. S'il existe des franges régulières quelque part, les mathématiques les révèleront, disons, par pure coïncidence. Si nous le souhaitons, nous pouvons installer un interféromètre Twyman-Green (qui, soit dit en passant, a été qualifié d'inutile par A.A. Michelson et est souvent confondu avec l'interféromètre qui porte son nom), l'aligner pour qu'il n'affiche aucune frange et analyser la phase du front d'onde avec la même précision que celle que nous aurions avec n'importe quelle autre quantité de franges, et même probablement mieux, car à zéro frange, les faisceaux combinés traversent le même verre avant d'atteindre le détecteur et éliminent les contributions à l'erreur de phase de l'optique de projection qui est souvent nécessaire dans un interféromètre de Twyman-Green.

Le besoin de vitesse

Comme mentionné dans l'introduction, le déphasage offre une précision de par sa conception, mais la vitesse, elle, doit être travaillée. Si le système cible est un simple morceau d'optique ou un seul miroir, attendre une seconde pour obtenir un front d'onde n'est évidemment pas un problème, mais qu'en est-il de la mesure de 10 millions de miroirs ? Et où trouver autant de miroirs ?

Une brève analyse des générateurs de modèles s'impose peut-être ici. La limite de résolution pour un éclairage cohérent utilisant des modulateurs spatiaux de lumière qui ne peuvent accéder qu'à l'axe réel positif est fixée par la formation d'images à trois faisceaux, ce que nous ne pouvons tout simplement pas éviter parce que nous ne pouvons pas supprimer le 0e ordre avec un tel modulateur. Cela fixe la distance angulaire entre les faisceaux interférents à un angle limité par l'ouverture numérique de l'optique. Si nous pouvions toutefois supprimer l'ordre 0, nous pourrions former des images en faisant interférer des faisceaux à +NA et -NA, ce qui signifierait 2xNA et donnerait deux fois la résolution, mais c'est quelque chose que nous ne pouvons faire qu'avec un modulateur qui peut offrir (au moins) un déphasage de 180°, et dans le cas d'un modulateur analogique, nous pouvons faire bon usage de tous les déphasages entre les deux. Une fois qu'un tel modulateur de phase est décrit dans le paragraphe suivant et si nous voulons l'utiliser pour la lithographie avancée, nous devons calibrer avec précision les propriétés électro-optiques de ce modulateur, et nous devons le faire rapidement.

Le projet RealHolo élabore un ambitieux réseau de pistons à micro-miroirs de 9,6 millions d'unités, dont la largeur de bande de bus est suffisamment élevée pour en faire un composant très intéressant pour un moteur de génération de motifs à haute capacité pour la lithographie avancée. Mais il ne s'agirait pas de lithographie avancée si nous ne pouvions pas la prendre en charge avec la précision qui est la pierre angulaire de tout moteur d'écriture opto-lithographique, du moins pas aujourd'hui. Et comme il s'agit de mesures de phase pure, nous avons besoin d'interférométrie à la fois à haute résolution et à grande vitesse.

Cependant, les MEMS à haute résolution ne sont pas la seule application d'un interféromètre à déphasage rapide. La caractérisation d'un miroir déformable à l'aide d'un interféromètre Twyman-Green est une autre application convaincante où l'interférométrie offre des résultats que la métrologie Shack-Hartmann ne peut tout simplement pas atteindre.

Repousser les limites avec des outils standard

On pourrait penser qu'une telle précision nécessite un équipement hautement spécialisé. Mais ce n'est pas le cas. Avec un logiciel approprié, même des caméras standard peuvent être utilisées pour cette tâche complexe, permettant ainsi d'obtenir une précision et une vitesse de mesure remarquables.

Par essence, l'interférométrie à déphasage offre une précision de pointe, fournissant des dizaines de fronts d'onde par seconde, voire plus, pour révolutionner la façon dont nous considérons les schémas d'interférence. Avec des applications concrètes telles que le projet RealHolo, qui soulignent l'importance de la méthode, il est évident que cette technique façonne l'avenir des mesures à l'échelle nanométrique et au-delà.

Déphasage à l'aide de l'analyse des franges

Pour donner un aperçu du déphasage basé sur l'utilisation d'un actionneur physique à phase alternée, examinons une autre approche qui consiste à récupérer des informations sur la phase à partir d'une seule image. Pour ce faire, nous devons organiser notre mesure avec un faisceau de référence interférant à un angle suffisamment élevé. Ce que signifie "suffisamment" dépend de ce que nous mesurons actuellement, mais en règle générale, cet angle doit être supérieur à la fréquence spatiale la plus élevée de notre objet. Si nous essayons d'extraire des informations de phase à l'aide d'une méthode de Fourier, la fréquence des franges doit être deux fois supérieure à la fréquence spatiale la plus élevée de notre objet, mais dans certains cas, nous pouvons nous en sortir avec moins, par exemple lorsque nous mesurons une surface plane par morceaux, comme par exemple un modulateur spatial de lumière TI-PLM ou le PLV de Silicon Light Machines. Dans ce cas, nous pouvons disposer la caméra de manière à ce que les franges échantillonnent différentes positions des micro-miroirs (approximativement) plats. Sans entrer dans les détails, il est évident que la période des franges doit être inférieure à la taille du micro-miroir afin d'échantillonner l'intensité aux différents déphasages fournis par le faisceau de référence incliné.

D'une manière générale, lorsque l'on utilise l'extraction de phase à partir d'une image de frange, la fréquence de frange doit être beaucoup plus élevée que la fréquence spatiale la plus élevée de l'objet si l'on veut obtenir des résultats relativement précis. En outre, il faut tenir compte du fait que les caméras n'échantillonnent pas l'image en un point, mais intègrent l'intensité sur un pixel. Lorsque nous essayons d'augmenter la densité des franges afin d'accroître la précision, la densité des pixels de la caméra doit suivre, car nous devons suréchantillonner l'image des franges de manière substantielle et, à moins de disposer d'un dispositif d'échantillonnage de zone très spécial, le nombre de pixels de la caméra augmente en fonction du carré de la densité des franges. La mesure sera donc limitée aux petits objets ou lente, même si l'on considère que nous devons extraire 4 ou 5 images en utilisant le déphasage traditionnel, en supposant que notre méthode de déphasage fonctionne à une limite fixée par la vitesse de l'interface (USB ou Ethernet) de la caméra, ce qui est vrai pour la boîte à outils WaveMe. De plus, nous n'aurons plus la suppression d'erreur fournie par l'échantillonnage des quatre ou cinq déphasages différents en utilisant le même pixel et donc en annulant les sources d'erreur telles que l'uniformité de l'illumination et la non-uniformité de la réponse du pixel (PRNU).

Capteurs Shack-Hartmann : Un cheval de bataille de la métrologie du front d'onde

Imaginez que vous essayiez de comprendre la direction et l'intensité de milliers de petites flèches pointant dans des directions différentes en même temps. Les capteurs Shack-Hartmann fonctionnent de la même manière, en déchiffrant la "direction et l'intensité" des fronts d'onde en des points isolés spécifiques. En capturant ces détails minutieux, ou "gradients", du front d'onde, ces capteurs offrent un aperçu nuancé du front d'onde dynamique.

Quelle est la particularité des capteurs Shack-Hartmann ?

Simplicité et rapidité : s'ils ne sont pas les rois de la précision, les capteurs Shack-Hartmann sont indéniablement rapides et conviviaux. Vous avez un appareil photo qui prend 300 images par seconde ? Ces capteurs peuvent être conçus pour suivre le rythme, parfois même en utilisant un ordinateur portable ordinaire.

Et la précision n'est pas à dédaigner. Une mesure à 10-15 nm nécessite un étalonnage par rapport à une référence connue, mais ces étalonnages peuvent être réalisés en utilisant la lumière émergeant d'une fibre monomode ou d'une diode laser émettant sur le bord de l'écran.

Les détails techniques

En s'aventurant dans les coulisses, le déploiement des capteurs Shack-Hartmann demande un effort de programmation considérable. La décomposition d'innombrables points sur une image, en particulier lorsqu'il s'agit de fronts d'onde en temps réel (pensez à des vues en direct à 60 images par seconde), présente des défis. Et même si ce n'est pas aussi complexe que la science des fusées - ou, pour reprendre les termes d'Elon Musk, l'ingénierie des fusées -, il faut tout de même prêter attention aux détails.

La plateforme WaveMe de Senslogic : Un pas en avant

Chez Senslogic, nous ne nous contentons pas d'observer, nous innovons. Voici WaveMe, notre plateforme pionnière. WaveMe n'est pas liée à une seule technique. Au contraire, elle offre le meilleur des deux mondes, la précision de l'interférométrie à déphasage et les capacités de tir rapide de la métrologie du front d'onde de Shack-Hartmann. De la précision au nanomètre à l'analyse rapide image par image, WaveMe est conçu pour être votre compagnon de confiance, compatible avec les caméras de vision ordinaires. Nous offrons l'une des plateformes d'interférométrie à déphasage les plus rapides, si ce n'est la plus rapide, ainsi que la solution de détection de front d'onde la plus simple de Shack-Hartmann. Comment pouvons-nous dire cela ? Eh bien, pouvez-vous exiger moins que d'activer le programme ? C'est possible grâce à la calibration 3D du capteur Shack-Hartmann de WaveMe.

Intrigué ? Restez en contact avec les projets novateurs de Senslogic. Rendez-vous sur notre page de contact et abonnez-vous pour recevoir les dernières mises à jour et annonces. Senslogic proposera le logiciel Shack-Hartmann avec une caméra et nous sommes toujours ouverts aux clients OEM pour adapter les logiciels de déphasage et Shack-Hartmann à leurs besoins spécifiques.