白光干涉仪可解决亚埃表面粗糙度

具有亚埃表面粗糙度的超抛光表面在尖端的光学系统中已变得至关重要,而如此高的精度要求专门的计量学。

图1.通过对被测表面[1]进行傅立叶变换来创建功率谱密度(PSD)。
图1.通过对被测表面[1]进行傅立叶变换来创建功率谱密度(PSD)。

对高效光学器件的需求是由对功能更强大,灵敏度更高的仪器的需求所驱动的。这种仪器通常需要极低的表面散射,非常接近100%的透射率或反射率以及较高的体彩排列3开奖结果损伤阈值。因此,亚埃表面粗糙度已成为尖端光学系统的关键方面。

本文将解释测量亚埃粗糙度的正确方法,并概述用于此类应用的常用仪器。具体来说,本文将重点介绍白光干涉仪的功能,并说明将此测量系统推向正确分析亚埃表面粗糙度所需性能水平的必要步骤。

亚埃表面推动了表面形貌仪器的极限,这就是为什么精确测量它们很棘手的原因。本文将重点讨论用于此目的的两种测量系统,即白光干涉仪(WLI)和原子力显微镜(AFM),但要全面了解亚埃表面粗糙度计量,必须首先了解功率谱密度(PSD)及其与常用粗糙度值,均方根(RMS)的关系。 

本质上,RMS是一种用于从数据主体确定单个值的简单算法,而PSD以图的形式说明了该数据主体。收集原始数据后,将对其进行傅立叶变换,该变换会将数据分为各自的空间频率分量。换句话说,此过程会将数据从空间域转换到频域,并使用一系列称为空间频率的正弦函数来描述表面。这个过程提供了一种非常优雅的方法来分析表面特性(见图1)。

功率谱密度

PSD曲线(参见图2)提供了每个粗糙度分量的相对强度作为空间频率的函数,由于多种原因,它非常有用。首先,如果表面具有任何结构,则该结构将在PSD图中显示为数据尖峰,这表明表面上与特定空间频率相关的重复图案。对于亚埃表面,应该看不到任何结构或图案,并且PSD图应该或多或少是光滑的。图2.必须很好地理解仪器传递函数(ITF)和PSD,并且必须将正确的空间频率带宽应用于数据。 图2.必须很好地理解仪器传递函数(ITF)和PSD,并且必须将正确的空间频率带宽应用于数据。

其次,PSD以空间频率表示仪器的测量范围。例如,图2中的图形显示了每毫米约400个循环开始的急剧下降。这是仪器解析细节的能力大大减弱的地方。超过此点的空间频率不应该包括在内,因为数据主要由信号噪声和系统误差组成。 

第三,测得的空间频率带宽定义了表面粗糙度值。如图2的等式所示,对空间频率带宽进行积分并取平方根可得出RMS值。如果空间频率带宽未知,则粗糙度值将不确定并且在很大程度上没有意义。

第四,空间频率带宽准确显示要评估的表面特征,这有助于信息的正确传输,并为所有参与方提供重复测量所需的知识。例如,图2中的浅蓝色区域显示了用于创建被评估表面的RMS值的空间频率带宽-0.304Å。此带宽是独立实验室确认测量所需的所有信息。

空间频率带宽

我们数据中包含的大多数误差都位于最右边和最左边的空间频率(浅蓝色区域之外)。结果,这些频率已从测量值中排除。要进一步解释这些错误,需要了解仪器传递函数(ITF),这实际上是对仪器在空间频率方面的能力的评估。但是,计算这是一个相当复杂的问题,是另一个讨论的主题。

通过基于仪器传递函数定义有意义的空间频率带宽,数据变得更加可靠。如果不排除这些外在的空间频率,则几乎不可能将仪器误差与实际数据区分开。采取这些步骤将提高仪器的保真度,产生可靠的数据,将本底噪声降低得尽可能低,并确保所生成的RMS值准确且可验证。

通过正确了解如何创建和定义粗糙度值,可以实现亚埃表面粗糙度计量。 WLI和AFM都能够评估与表面粗糙度相关的空间频率,其本底噪声足以测量亚埃表面,并会产生有意义的数据。但是,它们在功能或形式上都不完全相同,并且在空间频率范围方面也大不相同。该表显示了每种仪器功能的合理范围,并说明了它们的可配置性。2007 Lfw Nel T

WLI可与多种干涉物镜一起使用,这将改变横向分辨率和视野。从本质上讲,这使用户可以移动仪器的空间频率范围。 AFM的配置方式完全不同。手写笔跟踪表面时,仪器会收集有限数量的数据点。这些数据点之间的间距可以增加或减小,以更改图像的分辨率,并因此更改仪器的空间频率范围。 

空间频率范围

这些功能在整体功能方面增加了很大的灵活性,但是单个测量的空间频率范围将比仪器的总容量窄得多。用户将不得不选择一个有意义的空间频率范围进行评估,如果需要更大范围或更大的空间频率带宽,则必须进行数据关联。

请注意,两种仪器的功能都有重叠。这允许WLI和AFM之间的数据关联。完全有可能使用两种仪器来扩展PSD图,如果需要的话,将允许评估更大的空间频率带宽。如果对于特定应用至关重要的空间频率范围落在两种仪器之间,则可以选择执行此操作。

通过关联来自不同仪器配置的测量值,同一台仪器也可以实现此目的。例如,通过将以50倍和100倍物镜拍摄的数据进行关联,我们可以创建25至1800圈/毫米的空间频率带宽。这将允许检查更大数量的数据,并且可以在某些应用程序中提供更好的性能预测。

哪种仪器更好,取决于需要评估的空间频率范围。公认的是,在可见光范围内的应用不需要分析超过2000个周期/毫米,这使得WLI非常适合此目的。对于紫外线应用,AFM具有更高的空间频率能力更为重要。 AFM还可以对较低的空间频率进行成像(如表所示),但是在为特定应用选择最佳仪器时必须考虑其他因素。

例如,AFM需要更长的测量时间,这使其对温度波动和振动等环境误差更加敏感。因此,AFM更适合测试实验室而不是工厂车间的受控环境。而且,AFM使用的触控笔需要定期更换,而WLI作为光学测量,没有可丢弃的零件,并且维护强度较低。

评估亚埃表面

为了成功地测量亚埃表面,必须了解这些仪器的相对深奥的知识。仅按测量按钮很可能不会产生有意义的数据。请记住,评估亚埃表面会突破WLI和AFM的极限,因此,必须采取步骤以确保仪器的最佳性能。

必须充分理解ITF和PSD,并且必须对数据应用正确的空间频率带宽(图2中的PSD图所示)。如果粗糙度值需要客户或第三方实验室的验证,则必须说明产生粗糙度值的空间频率带宽;没有这些信息,就无法正确地重复进行测量。这种透明性使所有相关方都能对所测量的内容有一个完整的了解,并且通常是好的光学系统和好的光学系统之间的唯一区别。

参考

1.请参阅 //bit.ly/EdmundRef1.

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