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機械工業雜誌

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鏡片波前量測及波前修正技術介紹

作者 王浩偉張奕威戴菁儀李孟錡陳韋豪

刊登日期:2025/09/01

摘要

在半導體光學鏡片製造中,波前量測與波前修正技術扮演關鍵角色。量測鏡片後相對理想參考面的波前誤差,能確認出鏡片整體性能。以顯微鏡中的管鏡 (Tube Lens) 為例,本文利用四波剪切干涉技術 (Quadriwave Lateral Shearing Interferometry, QWLSI) 進行波前量測,透過干涉條紋分析、傅立葉頻域濾波、波前梯度回推與相位積分重建等流程,重建出波前資訊。此資訊不僅可判斷出鏡片像差,更可將誤差轉換成加工移除量,導引非接觸式加工方法。展望新一代大氣電漿與離子束修整技術,借波前修正手法,將有效修整鏡片表面形貌來降低波前誤差,提升光學元件成像品質。

Abstract

In the manufacturing of semiconductor optical lenses, wavefront measurement and wavefront correction technology play a key role. Measuring the wavefront error of the lens relative to the ideal reference surface can confirm the overall performance of the lens. Taking the tube lens in the microscope as an example, this article uses Quadriwave Lateral Shearing Interferometry (QWLSI) to measure the wavefront, and reconstructs the wavefront information through interference fringe analysis, Fourier frequency domain filtering, wavefront gradient backpropagation and phase integral reconstruction. This information can not only determine the lens aberration, but also convert the error into the processing removal, guiding the non-contact processing method. Looking forward to the new generation of atmospheric plasma and ion beam trimming technology, using wavefront correction techniques, will effectively trimming the lens surface morphology to reduce wavefront errors and improve the imaging quality of optical components

前言

  光學鏡片或鏡組的光波前畸變量測,為評估光學系統品質最重要且直接的方法,因波前誤差 (wavefront error) 可直接對應到像差 (aberration),量測出鏡組存在的波前誤差,用Zernike多項式的球差、慧差、像散、場曲、畸變為基底來組合[1],可分析出各項像差權重,進而估算出波前修正量。藉由波前修正的手法,把鏡組的波前誤差去除掉,來降低鏡組的像差量,此手段已廣泛應用於曝光物鏡[2][3][4]、天文鏡頭[1]、顯微物鏡[4][5]等。因此如何量測出正確的波前至關重要,有了正確的量測值,才能計算出鏡片移除量,指引加工的進行,達到降低鏡片鏡組波前誤差的目的。本文將以顯微管鏡 (Tube Lens) 的波前量測為例,探討波前量測的方法、量測原理、量測實驗、波前修正量計算與加工修整可能方法。
 

波前量測方法

高階鏡片加工,波前量測扮演重要角色,因波前誤差為評價鏡片品質的重要參數。波前量測的方法有許多種[3],其中干涉技術如 Fizeau干涉技術,具有干涉條紋對比度高、量測精度高的特性。但需要造價高的標準參考鏡當成基準,且當加工偏差太大,將不易量測到鏡片的波前誤差。相較之下剪切干涉法 (Lateral Shearing Interferometry) 因不需要標準參考鏡當成基準,對於偏離設計的加工鏡片,仍能有效量測,且是單影像(one frame)即可計算波前誤差,抗震性強,更適合使用在線上即時量測。
剪切干涉法較常使用的方法有二,如哈特曼干涉技術 (Shack-Hartmann) [6]及四波前橫向剪切干涉術(Quadriwave Lateral Shearing Interferometry, QWLSI) [7][8]。哈特曼干涉技術是利用微透鏡陣列進行測量,如圖1,入射波前如有傾斜,微透鏡後的光點將會偏離,進而推測出入射波前形狀。但微陣列導致空間分辨率較低,且光利用率低,因而有四波前橫向剪切干涉的發展。四波前橫向剪切干涉具有高量測精度、高動態範圍特性及良好的抗環境干擾能力。在本文中,將介紹四波前橫向剪切干涉量測原理,並進行顯微系統的波前誤差量測評估。
四波前橫向剪切干涉利用0-p 相位差棋盤式的變型哈特曼光柵 (Modified Hartmann Mask, MHM) 來進行量測,如圖2。變型哈特曼光柵在x、y方向都有著相同的週期2p,光柵間隔為p,而光能夠穿透的區域邊長為w。光在穿過此2D光柵後,可形成四剪切波疊加出來的干涉圖,如圖3
 
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