La misura del'onda focale ottica, o metrologia dell'onda focale, è un argomento molto importante. In questo talk tecnico ci concentreremo su due temi che potrebbero essere considerati addirittura come due dicotomie: l'interferometria a fase-shift e la rilevazione dell'onda focale secondo il metodo di Shack-Hartmann.

Con l’interferometria a fase variabile, la precisione è fondamentale e ogni nanometro è importante. Velocità e versatilità sono secondarie.

È tutto il contrario nel caso della tecnologia di rilevamento dei fronti di curvatura di Shack-Hartmann, dove versatilità, facilità d’uso e velocità sono i suoi punti di forza principali, mentre l’accuratezza, sebbene non sia affatto male, dovrà prendere il posto secondario, soprattutto se confrontata con l’interferometria a fase di spostamento. Con l’interferometria, inoltre, possiamo affrontare le proprietà di fase del sistema ottico che un sensore Shack-Hartmann sarebbe incapace di rilevare per il suo principio di progettazione.

Entrambi, tuttavia, possono rivelarsi collaboratori formidabili quando si cerca prestazioni eccezionali durante la progettazione e la costruzione di motori ottici complessi che richiedono prestazioni ottiche ben al di là dei limiti classici della diffrazione, come ad esempio i generatori di pattern, un tema di particolare interesse qui a Senslogic che è anche la ragione per cui il software WaveMe è stato sviluppato con l’obiettivo di accelerare l’interferometria a fase variabile e integrare la metrologia Shack-Hartmann nelle attività di allineamento quotidiano.

Interferometria a fase variabile: sfruttando velocità e precisione

Nel mondo delle misure a nanometrica, l’interferometria a spostamento di fase rappresenta un punto di svolta, offrendo una precisione senza precedenti grazie al miglioramento della nostra interpretazione dei pattern di interferenza. Ecco una panoramica più approfondita:

Quando un fotone viene diviso in due traiettorie e successivamente ricombinatosi e assorbito da un rivelatore, la differenza di lunghezza delle loro traiettorie reciproche può essere catturata sotto forma di un modello di interferenza. Per comprendere appieno questi modelli, l’interferometria a spostamento di fase, che modifica sistematicamente la differenza di lunghezza delle traiettorie di questi fotoni in diverse misurazioni successive, offre risposte a domande che altrimenti non sarebbero risolte semplicemente osservando un singolo modello di interferenza poiché, in un singolo interferogramma, il termine di interferenza è dato dal coseno della differenza di fase e il coseno nasconde il segno del suo argomento.

Questa tecnica richiede almeno tre immagini con una risoluzione di 120° Il passaggio di fase tra loro offre una soluzione diretta alle tre incognite (due ampiezze e una differenza di fase) in un sistema di interferenza a due fasci. Tuttavia, il punto ideale si trova chiaramente utilizzando spostamenti di fase di 90°. Perché 90°? La risposta è la soppressione degli errori. Con 90°, la soluzione elimina esplicitamente la luce di sfondo statica e la sensibilità del rivelatore. Più ovvio è che elimini anche le non linearità non lineari del rivelatore di secondo ordine e, estendendo il metodo a quattro spostamenti di 90°, catturando anche il sembratamente superfluo spostamento di fase di 360°, l’influenza della scala dell’azionatore può essere fortemente ridotta. Tutto questo contribuisce a rendere questo particolare approccio il metodo di scelta per l’interferometria ad alta precisione.

Prima di concludere questa introduzione, è importante sottolineare che l’interferometria a fase non è un metodo di analisi secondaria. Niente nella matematica descritta qui cerca di identificare una fase secondaria e di seguirla. È una soluzione di fase e ampiezza per pixel per pixel, localmente, e non per tutto il sistema. Se ci sono delle fasce regolari da qualche parte, allora la matematica le rivelerà, chiamiamolo, puramente per coincidenza. Se vogliamo, possiamo configurare un interferometro Twyman-Green (che, a proposito, fu definito inutile da A.A. Michelson e spesso confuso con l’interferometro intitolato a lui) e allinearlo affinché non appaia alcuna frange e analizzare la fase del’onda frontale con la stessa precisione che avremmo con qualsiasi altro numero di frange, e in realtà probabilmente anche meglio perché a zero frange possiamo avere i fasci combinati che attraversano lo stesso vetro prima di raggiungere il rivelatore e eliminare le variazioni di lunghezza del percorso dovute all’ottica di proiezione che spesso è necessaria in un interferometro Twyman-Green.

La necessità di velocità

Come accennato all'inizio, la fase-shift offre precisione per impostazione predefinita, ma bisogna lavorare per ottenere velocità. Se il sistema target è composto da un solo pezzo di ottica o da un solo specchio, aspettare un secondo per ottenere un'onda frontale non è certamente un problema, ma che dire di misurare 10 milioni di specchi? E dove trovare così tanti specchi?

Potrebbe essere opportuno introdurre brevemente il tema dei generatori di pattern. Il limite di risoluzione per l’illuminazione coerente tramite modulatori spaziali che possono accedere solo all’asse reale positivo è determinato dalla formazione dell’immagine a 3 raggi; non possiamo semplicemente evitare questo problema perché non possiamo rimuovere l’ordine zero con un tale modulatori. Ciò determina la distanza angolare tra i raggi interferenti in un angolo limitato dall’apertura numerica dell’ottica. Se potessimo, tuttavia, eliminare l’ordine zero, potremmo formare immagini con i raggi interferenti a +NA e -NA; combinando questo con 2xNA avremmo una risoluzione doppia, ma questo è qualcosa che possiamo fare solo con un modulatori che possa offrire (almeno) un’apertura di fase di 180°, e nel caso di un modulatori analogico, possiamo sfruttare al meglio tutti gli spostamenti di fase tra questi. Una tale fase modulante è descritta nel paragrafo successivo e, se vogliamo utilizzarla per la litografia avanzata, dobbiamo calibrare accuratamente l’azione del pistone di questo modulo e farlo rapidamente.

Il RealHolo Il progetto sta realizzando un ambizioso array di micro-pistoni a specchio da 9,6 milioni, con una larghezza di banda bus sufficientemente elevata per renderlo una componente molto interessante per un motore di generazione di pattern ad alta capacità per l’ottica litografica avanzata. Ma non sarebbe avanzato, e nemmeno l’ottica litografica: non potremmo supportarlo con precisione, che è il fondamento di ogni motore di scrittura opto-litografica, almeno non oggi. E poiché ci occupiamo di misurazioni pure di fase, abbiamo bisogno di interferometria sia a elevata risoluzione che ad alta velocità.

Tuttavia, l'interferometro MEMS ad alta risoluzione non è l'unica applicazione per un interferometro a fase variabile rapida. La caratterizzazione di uno specchio deformabile utilizzando un interferometro Twyman-Green offre un'altra applicazione interessante, in cui l'interferometria offre risultati che la metrologia Shack-Hartmann semplicemente non può raggiungere.

Spingendo i limiti con gli strumenti standard

Si potrebbe pensare che una tale precisione richiederebbe attrezzature altamente specializzate. Tuttavia, non è così. Con il supporto adeguato del software, anche le fotocamere standard possono essere utilizzate per questo complesso compito, garantendo sia la notevole precisione sia la velocità di misurazione.

In sostanza, l’interferometria a fase-shift offre una precisione all’avanguardia, fornendo decine di fronti d’onda al secondo o più, rivoluzionando il modo in cui osserviamo i pattern di interferenza. Con applicazioni nel mondo reale come il progetto RealHolo, che sottolineano l’importanza di questo metodo, è evidente come questa tecnica stia plasmando il futuro delle misure su scala nanometrica e oltre.

Traslazione di fase tramite analisi dei margini

Per offrire un’idea della fase-shift basata sull’utilizzo di un attuatore fisicamente variabile, diamo un’occhiata a un approccio alternativo in cui recuperiamo le informazioni di fase da un’unica immagine. Per farlo, dobbiamo organizzare la nostra misura con un fascio di riferimento che interferisce ad un angolo sufficientemente elevato. Ciò che significa “sufficientemente” dipende da ciò che stiamo attualmente misurando, ma generalmente, deve essere superiore alla massima frequenza spaziale del nostro oggetto. Se tentassimo di estrarre le informazioni di fase utilizzando un metodo di Fourier, la frequenza di banda sarebbe dovuta essere il doppio della massima frequenza spaziale del nostro oggetto, ma ci sono casi in cui possiamo farcela con meno, come quando misuriamo una superficie piana a sezioni come, ad esempio, TI-PLM modulatore spaziale della luce o PLV da Silicon Light Machines. In questo caso, possiamo organizzare la camera in modo che le bande di luce rilevino varie posizioni dei micro-mirrors (approssimativamente) piatti. Senza entrare nei dettagli, dovrebbe essere abbastanza evidente che il periodo della banda deve essere inferiore alla dimensione del micro-mirror per rilevare l’intensità alle varie variazioni di fase fornite dal fascio di riferimento inclinato.

In linea di massima, quando si utilizza l’estrazione di fase da un’immagine sfumata, la frequenza della sfumatura deve essere molto superiore alla frequenza spaziale più elevata dell’oggetto, altrimenti i risultati saranno poco accurati. Inoltre, bisogna considerare che le fotocamere non campiano l’immagine in un punto singolo, bensì integrano l’intensità in un singolo pixel e, quando si cerca di aumentare la densità della sfumatura per aumentare l’accuratezza, la densità dei pixel della fotocamera deve seguire perché è necessario campionare molto più ampiezza della sfumatura e, a meno che non si disponga di un dispositivo di campionamento molto speciale, la densità dei pixel della fotocamera aumenta alla quarta potenza della densità della sfumatura. Ciò limiterà la misura a piccoli oggetti o rallenterà la velocità anche se si considera che per l’utilizzo del metodo di fase shift tradizionale è necessario estrarre 4 o 5 immagini utilizzando la tradizionale tecnica di fase shift, assumendo che il metodo di fase shift sia limitato dalla velocità di interfaccia (USB o Ethernet) della fotocamera, come avviene per la toolbox WaveMe. Inoltre, non avremo più la possibilità di eliminare gli errori ottenendo campioni con quattro o cinque diversi spostamenti di fase utilizzando il metodo della campionatura. lo stesso pixel e quindi annulla le fonti di errore come l'uniformità dell'illuminazione e l'inuniformità della risposta del pixel (PRNU).

Shack-Hartmann Sensors: un cavallo da corsa della metrologia a onda frontale

Immaginate di cercare di comprendere la direzione e l’intensità di migliaia di minuscole frecce che puntano in direzioni diverse contemporaneamente. I sensori Shack-Hartmann funzionano in modo simile, decifrando la “direzione e l’intensità” delle onde frontali in punti specifici e isolati. Raccogliendo questi dettagli minuziosi, o “gradienti”, delle onde frontali, questi sensori offrono una visione più dettagliata del dinamismo delle onde frontali.

Cosa c’è di speciale nei sensori Shack-Hartmann?

Simplicità e velocità: sebbene non siano i padroni della precisione, i sensori Shack-Hartmann sono innegabilmente veloci e intuitivi da usare. Avete una fotocamera che scatta 300 fotogrammi al secondo? Questi sensori possono essere programmati per mantenere il ritmo, anche utilizzando un normale laptop.

E la precisione non è da sottovalutare. I valori tra i 10 e i 15 nm richiedono una calibrazione con un riferimento noto, ma questi valori possono essere ottenuti utilizzando la luce emessa da una fibra monomodo o da un laser a emissione di bordo.

I dettagli tecnici

Entrare dietro le quinte e utilizzare i sensori Shack-Hartmann richiede un notevole impegno di programmazione. Ripartire innumerevoli punti di un’immagine, soprattutto quando si punta a fronti d’onda in tempo reale (pensiamo a visualizzazioni in tempo reale a 60 fotogrammi al secondo), presenta le sue sfide. E sebbene non sia del tutto complicato come la scienza dei razzi – o, per usare le parole di Elon Musk, l’ingegneria dei razzi – richiede comunque un certo impegno. attenzione ai dettagli.

La piattaforma WaveMe di Senslogic: un passo avanti

Qui a Senslogic non siamo solo osservatori; siamo innovatori. WaveMe, WaveMe, la nostra piattaforma pionieristica. WaveMe non è legata a una singola tecnica. Al contrario, offre il meglio di entrambi i mondi: la precisione dell’interferometria a fase variabile e le capacità di analisi rapida della metrologia wavefront Shack-Hartmann. Da una precisione focalizzata su nanometri a un’analisi rapida di fotogramma in fotogramma, WaveMe è stata progettata per essere il tuo compagno fidato, compatibile con le normali telecamere per la visione. Offriamo una delle piattaforme di interferometria a fase variabile più veloci, se non la più veloce, e la soluzione più semplice per il rilevamento wavefront di tipo Shack-Hartmann. Come possiamo affermarlo? Beh, è possibile che tu abbia bisogno di meno di attivare il programma: è merito di WaveMe. Sensore 3D Shack-Hartmann Calibrazione.

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