1、徐德 2010/12/08,光學(xué)計量檢測,現(xiàn)代光學(xué)檢測的重要性,“If you cant measure it, you cant make it”,The Hubble Disaster,光學(xué)口徑2.4米，軌道高度600km，造價近30億美元，清晰度是地面天文望遠(yuǎn)鏡的10倍以上。 主鏡磨錯了l/20 ！ 發(fā)射前未進(jìn)行整個系統(tǒng)的檢測。 一般應(yīng)該用兩種不同的方法對其進(jìn)行檢測，并獲得一致結(jié)果。,詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡,口徑: 6.5米，由18塊六角形鏡片組成 軌道高度：150萬千米 波段: 紅外線 預(yù)定發(fā)射時間: 2011年8月 詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的目光將穿過130億年的整個宇宙，去尋找早期恒星

2、的蹤跡。,GMT Giant magellan telescope,Steward Observatory, University of Arizona consists of seven 8.4 m segments 25 meters across with focal ratio f /0.7 14.5 mm departure from the nearest fitting sphere,E-ELT : The European Extremely Large Telescope,主鏡的直徑達(dá)42米，由約1000塊直徑1.4米的六邊形子鏡組成 望遠(yuǎn)鏡底部直徑超過100米，高度超過80

3、米，預(yù)計2018年投入使用 這架望遠(yuǎn)鏡將會像400年前的伽利略望遠(yuǎn)鏡一樣，給人們對于宇宙的認(rèn)識帶來革命性的影響。他們希望借助這架望遠(yuǎn)鏡研究行星的誕生以及外太空是否存在外星人。,LAMOST -大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡,2001年9月正式開工，2008年10月落成。 有效通光孔徑4米，視場5度，光譜覆蓋范圍370-900nm 我國最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、世界上最大口徑的大視場望遠(yuǎn)鏡，也是世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡，單次觀測可同時獲得3000多條天體光譜。 采用薄鏡面主動光學(xué)和拼接鏡面主動光學(xué)技術(shù)，以新穎的構(gòu)思和巧妙的設(shè)計突破了世界上光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大視場不能同時兼?zhèn)浯罂趶降钠款i。,紫外光刻技術(shù)摩

4、爾定律全靠它,摩爾定律：Intel 公司創(chuàng)始人之一Gordon E. Moore預(yù)言的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律：集成電路的集成度每三年增長4倍，特征尺寸每三年縮小 倍。,436nm，365nm，248nm，193nm，157nm， X射線，電子束 紫外光刻（Ultraviolet Lithography, UVL） 深紫外光刻（Deep Ultraviolet Lithography, DUVL） 極紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography, EUVL） 電子束曝光（Electron Projection Lithography） 光刻機(jī)堪稱現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花，其制造難

5、度之大，到現(xiàn)在全世界也不過極少數(shù)幾家公司能夠制造而已（ASML, Nikon, Cannon）,光的認(rèn)識我們身邊的光學(xué)現(xiàn)象,光的電磁特性電磁波譜,可見光波段：0.380.78mm,光的量子性,普朗克 - 能量子假設(shè) 愛因斯坦 - 光量子假設(shè)、光電效應(yīng)、康普頓散射,波粒二象性,物質(zhì)波的應(yīng)用：電子顯微鏡，中子顯微鏡，電子束曝光機(jī)等,激光Laser（鐳射）,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,氣體激光器（He-Ne，CO2，Ar+，N2，準(zhǔn)分子，金屬蒸氣） 固體激光器（Nd:YAG，釹玻璃，Nd:YVO4，Nd:YLF，鈦藍(lán)

6、寶石等） 半導(dǎo)體激光器（GaAs，CdS等） 染料激光器 自由電子激光器,應(yīng)用：激光加工、激光治療、激光武器、激光測量、激光通信等,理想光學(xué)系統(tǒng),在任意大的空間，以任意寬的光束都成完善像的光學(xué)系統(tǒng) 共線成像理論：點對應(yīng)點、直線對應(yīng)直線、平面對應(yīng)平面的成像變換關(guān)系 波動光學(xué)解釋：入射球面波（平面波為球面波的特殊情況）對應(yīng)出射球面波,完善成像,像差,球差 彗差 像散 場曲 畸變 色差 軸向色差 倍率色差 波像差,光學(xué)元件波像差,平面 球面 非球面 自由面 微結(jié)構(gòu),光學(xué)干涉基本原理,在兩光波疊加的區(qū)域，某些點的振動始終加強(qiáng)，另一些點的振動始終減弱，形成在該區(qū)域穩(wěn)定的光強(qiáng)強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象，稱為光的干涉現(xiàn)

7、象。,對于平面波：,相干條件,頻率相同 振動方向相同 相位差恒定 光程差不超過光波的波列長度,空間相干性光源尺寸決定相干空間 時間相干性光譜寬度決定相干長度,光學(xué)干涉測量術(shù)（Interferometry）,等厚干涉：同一級干涉條紋表示相同的光程差（OPD） 相鄰兩亮（或暗）條紋間相差l/2光程差,存在l/20波像差的干涉圖,牛頓干涉儀,干涉圖分析方法,靜態(tài)條紋分析法 須確定條紋中心或條紋彎曲程度，精度有限 用于分析的數(shù)據(jù)點較少，插值精度不高 精度局限于l/10量級 移相干涉術(shù)（Phase Shifting Interferometry, PSI） 采集多幅干涉圖 無須確定條紋中心 對整個待測區(qū)

8、域內(nèi)所有數(shù)據(jù)點進(jìn)行分析 精度可達(dá)到l/1000以上,典型干涉圖像差分析,？,初級像差：,典型干涉圖像差分析完善透鏡,無傾斜或離焦 E=F=0,(b) 存在傾斜 E=5, F=0,(c) 存在離焦 D=5,E=0,F=0,(d) 存在傾斜和離焦 D = 5,E = 5,F=0,典型干涉圖像差分析球差,無傾斜 E=F=0,存在傾斜 E=5, F=0,paraxial focus D=0,medium focus D=A,marginal focus A0, D0,典型干涉圖像差分析彗差,B=5 (D=0),沿不同方向存在傾斜,x,典型干涉圖像差分析像散,C=2 (D=0),沿不同方向存在傾斜,綜合

9、像差,任意干涉圖分析法： 測得干涉圖中一系列點的位置坐標(biāo)（x, y），以及各點所對應(yīng)的干涉級次m；利用最小二乘法樣條法進(jìn)行插值。 若波面比較平滑，可利用Zernike多項式將待測波面W(x, y)表示出來。,球差+彗差,(b) 球差+像散,(c) 彗差+像散 (B = 5, D = 2),(d) 球差+彗差+像散,斐索干涉儀（Fizeau interferometer）,斐索干涉儀基本結(jié)構(gòu),斐索干涉儀光學(xué)材料非均勻性測量,斐索干涉儀平面度或平行度測量,斐索干涉儀凸球面測量,斐索干涉儀凹球面測量,三平板絕對測量（三平板互檢）,calibration,AB,A C,B C,x,x,1,3,2,x,

10、y,球面絕對測量,待測球面： 干涉儀自身誤差：,定標(biāo)結(jié)果,分辨率=0.029nm=1/3原子直徑 相當(dāng)于德國范圍內(nèi)200mm的高度差,泰曼-格林干涉儀（Twyman Green Interferometer）,馬赫-曾德干涉儀,測試光只通過待測樣品一次，適于測量具有較大波像差的元件。 有兩個分束器，自動對光程補(bǔ)償，無須額外補(bǔ)償板。,白光干涉儀,解決了單色光2混亂問題 相干長度極短（微米） OPD=0點掃描（光學(xué)探頭）,Zygo Newview 7300,大口徑光學(xué)元件的測量,測量難題： 測量光束口徑限制 光學(xué)元件陡度增大，超出CCD的分辨能力 超長焦距 環(huán)境影響極其嚴(yán)重（機(jī)械振動，空氣擾動，溫

11、度波動） 在線測量要求更為迫切（加工與檢測的再現(xiàn)性）,動態(tài)干涉儀（1）,機(jī)械移相法所面臨的振動困擾： CCD采集速率一般30fps，四步移相需133ms 為補(bǔ)償空氣擾動等因素造成的隨機(jī)噪聲，往往需要采集更多幅干涉圖，機(jī)械振動影響更甚 機(jī)械振動無法通過平均法消除 解決辦法： 減震平臺 恒溫、噪聲隔離等 嘗試新的移相法,動態(tài)干涉儀（2）,通過單次曝光同時獲得4幅干涉圖，并用同一個CCD同時進(jìn)行接收的泰曼-格林式移相干涉測量系統(tǒng) 利用全息光學(xué)元件將光束分為四束 用雙折射材料制成的四象限偏振掩模提供所需的相移量 此結(jié)構(gòu)只適用于單色光源,動態(tài)干涉儀（3）,核心元件：微偏振器陣列 每個“超級像素”實現(xiàn)一個

12、周期內(nèi)的移相 CCD對具有相同相移傳遞函數(shù)的像素數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理 利用1/4波片將激光器的線偏振光變?yōu)閳A偏振光，以發(fā)生干涉 將半波片和1/4波片按一定次序疊加起來得到一等效的1/4波片，即可用于多波長或?qū)捁庾V光源的情況。 特別適用于大口徑、長焦距、環(huán)境差以及人體不能靠近情況下的測量。,非球面及其測試方法,非球面的定義 二次曲面：可實現(xiàn)零測量 高次非球面 復(fù)合曲面 自由面,非球面類型,非球面干涉測量,球面測量,非球面測量,Zygo Verifire Asphere (1),Verifire 1k Interferometer,Asphere,Scan,Zygo Verifire Asphere

13、(2),QED: ssi系列子孔徑拼接干涉儀,最大測量口徑約200mm 不可能測太大的元件 測量原理決定了測量精度不可能太高,掃描隧道顯微鏡（STM）,掃描隧道顯微鏡(STM)的基本原理是利用量子理論中的隧道效應(yīng)，將原子尺度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(通常小于1nm)，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極，這種現(xiàn)象即隧道效應(yīng)。,掃描隧道顯微鏡（STM）,隧道電流強(qiáng)度對針尖與樣品表面之間的距離非常敏感，如果距離S減小0.1nm。隧道電流將增加一個數(shù)量級。 利用電子反饋線路控制隧道電流恒定，并用壓電陶瓷控制針尖在樣品表面掃描，則探

14、針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏將針尖在樣品表面掃描時運動的軌跡直接記錄顯示出來。這種掃描方式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品。且可通過加在z向驅(qū)動器上的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值，這是一種常用的掃描模式。 對于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過記錄隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布。這種掃描方式的特點是掃描速度快，能夠減小噪音和熱漂移對信號的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品。 只能觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。,原子力顯微鏡（AFM）,將一個對微弱力敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，試樣相對針尖運動當(dāng)針尖接近試樣時，起初針尖得到一個很小微弱拉力，然后由針尖上最后一個原子和試樣表面相對的那個原子之間的原子力而產(chǎn)生一個排斥力（ 10-810-6N ）。由于這個力使彈性微懸臂彎曲。這個彎曲運動由STM或用光學(xué)方法（光學(xué)杠桿）檢測出來。掃描方式與STM類似。,A: AFM樣品 B: AFM針尖 C: STM針尖 D: 微懸臂 E: 氟橡膠,其它測量儀,繼STM之后，相繼出現(xiàn)了一些列新型顯微鏡：原子力顯微鏡(AFM)、激光力顯微