NL1029044C2 - Niet-destructieve evaluatie van beschadigingen onder het oppervlak in optische elementen. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Niet-destructieve evaluatie van beschadigingen onder het oppervlak in optische elementen.

ACHTERGROND

5 [0001] Optische elementen bevatten vaak beschadigingen onder het oppervlak zoals scheuren, holten of verontreinigende deeltjes. Deze beschadigingen onder het oppervlak kunnen inherent zijn aan het type of de kwaliteit van het, in het optische element gebruikte materiaal of kunnen tijdens fabricageprocessen zoals zagen, slijpen en polijsten zijn 10 ontstaan. Ongeacht de bron, dient de mate van beschadiging onder het oppervlak in optische precisie-elementen vaak te worden geëvalueerd omdat de beschadigingen onder het oppervlak de prestaties van het optische element kunnen beïnvloeden. In het bijzonder kunnen beschadigingen onder het oppervlak in een optisch pad van een optisch element lichtabsorptie 15 en verstrooiing veroorzaken, hetgeen kan leiden tot warmte-opwekking of een optisch signaal van slechte kwaliteit.

[0002] Niet-destructieve technieken die het oppervlakte-profiel van optische elementen meten zijn bekend maar verschaffen in het algemeen onvoldoende informatie omtrent de beschadiging onder het 20 oppervlak.

[0003] Een techniek voor het evalueren van de beschadiging onder het oppervlak in een optisch element is het mathematisch modelleren van het optische element op basis van kennis van de materialen en toegepaste fabricageprocessen. Met een accuraat model kan de verwachte 25 beschadiging in een betreffend ontwerp worden bepaald. Deze modellen zijn echter onnauwkeurig wanneer het model op onnauwkeurige eigenschappen van het materiaal of het fabricageproces is gebaseerd of wanneer invloeden die niet in het model zijn voorondersteld een beschadiging veroorzaken.

Zelfs wanneer het model nauwkeurig is, is het niveau van beschadiging 30 onder het oppervlak in afzonderlijke optische elementen voorts in het algemeen onderhevig aan variaties en kan een specifiek optische element 1029044 !___ _ 2 meer of minder beschadiging onder het oppervlak hebben dan verwacht.

[0004] Er zijn een aantal destructieve evaluatietechnieken j beschikbaar voor het meten van beschadiging onder het oppervlak. Een j puntslijpproces kan bijvoorbeeld een ontwerp van een optisch element in 5 monsters snijden om de beschadiging onder het oppervlak voor evaluatie bloot te leggen. Als alternatief kan de beschadiging in een optisch oppervlak worden vergroot of blootgelegd middels een zuuretsing. De zuurets heeft in het algemeen een grotere invloed op scheuren, waardoor oppervlakte-inspectie mogelijk wordt met een hoogvermogen microscoop om 10 de vergrote of blootgelegde scheuren of defecten te detecteren. Deze destructieve technieken vermijden de noodzaak voor het nauwkeurig modelleren van materialen of de gebruikte fabricageprocessen in een optisch ontwerp. Elk op deze wijze geëvalueerd optisch element wordt echter in het algemeen vernietigd of onbruikbaar gemaakt, hetgeen in hoge 15 mate ongewenst is voor dure systemen of elementen. Ook meten destructieve evaluaties alleen het soort beschadiging onder het oppervlak voor een bepaald ontwerp. Het probleem van variaties in optische elementen die niet direct worden geëvalueerd laat een onzekerheid in de mate van beschadiging onder het oppervlak in de bruikbare optische elementen. De 20 resultaten van een destructieve evaluatie kunnen voorts typisch verschillende dagen op zich laten wachten.

[0005] Akoestische meettechnieken, die bijvoorbeeld Hertzian

Acoustic Emission Indentation (HAEI) en een Line Focus Acoustic

Microscope (LFAM) combineren, kunnen de oppervlaktetoestand en 25 fractuursterkte van een optisch element onderzoeken. Deze technieken geven echter problemen bij het detecteren van defecten groter dan ongeveer 10 pm en vereisen ook dure apparatuur welke een significante mate van kennis, training en ondersteuning tijdens het bedrijf vereist.

[0006] Bijgevolg is er behoefte aan efficiënte technieken 30 voor niet-destructieve evaluatie van beschadigingen onder het oppervlak in optische elementen.

1029044 i 3

SAMENVATTING

[0007] Overeenkomstig een aspect van de uitvinding, kan apparatuur zoals een lasermicroscoop welke gebruikelijk wordt toegepast voor oppervlakteweergave kan beschadigingen onder het oppervlak in een 5 optisch element niet-destructief evalueren. In een uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt een meetinrichting welke normaliter gebruik maakt van licht dat reflecteert aan de lucht-oppervlakte-interface van een optisch element voor het lokaliseren van oppervlakte-elevaties, worden toegepast om te focusseren op een reeks van punten die zich in het te testen 10 optische element uitstrekt. Een toename of piek in het gereflecteerde licht dat voor een focuspunt in het optische element wordt gemeten, geeft verstrooiing of reflectie aan van een defect of beschadiging in de component. Het gebied waarover het defect zich uitstrekt en de intensiteit van het licht verschaffen indicaties van de ernst van de 15 beschadiging onder het oppervlak. Conversiefactoren, tabellen of functionele relaties tussen de gemeten intensiteit van het verstrooide licht en de eigenschappen van defecten onder het oppervlak kunnen voor specifieke meetapparatuur en meetmaterialen worden ontwikkeld.

[0008] Een specifieke uitvoeringsvorm van de uitvinding is 20 een proces voor het evalueren van beschadiging onder het oppervlak in een optisch element. Dit proces omvat het belichten van het optische element; focusseren van een meetinrichting zoals een microscoop op een meetpunt dat zich in de optische inrichting bevindt en het meten van de intensiteit van door de meetinrichting verzameld verstrooid licht indien 25 gefocusseerd op het momentane punt. Het gemeten punt kan worden veranderd (bijvoorbeeld door over het oppervlak van het optische element af te tasten) en de meting van verstrooid licht vanuit het optische element kan worden herhaald.

[0009] Een verdere specifieke uitvoeringsvorm van een proces 30 voor het evalueren van beschadigingen onder het oppervlak in een optisch element omvat het: aftasten van een brandpunt van een lasermicroscoop 1029044 4 neerwaarts naar een doel diepte in het optische element; meten van de intensiteit van verstrooid licht verzameld tijdens aftasting van de focus in het optische element; en bepalen van een locatie van een beschadiging onder het oppervlak in het optische element uit de intensiteit van het 5 verstrooide licht.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGEN

[0010] Fig. 1 toont een lasermicroscoop geschikt voor het meten van beschadigingen onder het oppervlak.

[0011] Fig. 2 is een stroomschema van een proces 10 overeenkomstig een uitvoeringsvorm van de uitvinding voor niet- destructieve meting van beschadigingen onder het oppervlak in een optisch element.

[0012] Fign. 3, 4 en 5 tonen verschillende configuraties van een lasermicroscoop tijdens een meetproces onder het oppervlak in 15 overeenstemming met een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

[0013] Het gebruik van dezelfde verwijzingssymbolen in verschillende figuren geeft soortgelijke of identieke onderdelen aan.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING

[0014] Overeenkomstig een uitvoeringsvorm van de uitvinding, 20 wordt een meetsysteem zoals een lasermicroscoop geschikt voor aftasting van een optisch oppervlak gebruikt voor het aftasten van het inwendige van een optisch element. Tijdens de aftasting in het optische element, wordt de intensiteit van gereflecteerd of verstrooid licht in het optische element gemeten en verschaffen analyses van de gemeten 25 intensiteitsdata een indicatie van de beschadiging onder het oppervlak in het optische element.

[0015] Fig. 1 toont schematisch een lasermicroscoop 100 in een gebruikelijk configuratie voor het meten van de elevatie van een punt op een oppervlak van een optisch element 190. De lasermicroscoop 100 30 omvat een laser 110, een microscoop 120, een sensor 130 en een precisietrap 140. De microscoop 120 focusseert een bundel van de laser 1029044 5 110 op één van zijn brandpunten en de sensor 130 meet het gereflecteerde licht dat de microscoop 120 verzamelt. In een betreffende uitvoeringsvorm van de uitvinding, kan de 1 asermicroscoop 100 een VL200 Blue Laser Microscope zijn, welke in de handel verkrijgbaar is van Lasertec 5 Corporation te Yokohama, Japan. Voor evaluatie van beschadigingen onder het oppervlak (zoals scheuren, holten en verontreinigende deeltjes, die typisch afmetingen hebben van ongeveer 2 tot 3 micron of groter voor een ongepolijst oppervlak, kan echter een laser met een grotere lasergolflengte (bijvoorbeeld een rode laserdiode) beter zijn voor het 10 detecteren van beschadigingen onder het oppervlak.

[0016] Een gebruikelijke toepassing van de 1asermicroscoop 100 kan de elevatie van een punt op het oppervlak van een inrichting zoals een optisch element 190 meten. Voor het meten van oppervlakte-elevatie wordt een punt op het optische element 190 onder de microscoop 15 120 geplaatst en verplaatst de trap 140 het optische element 190 in de z- richting (dat wil zeggen voor het sturen van de scheiding tussen de microscoop 120 en het optische element 190) zoals noodzakelijk om de intensiteit welke de sensor 130 meet te maximaliseren. De maximale intensiteit correspondeert met de in fig. IA geïllustreerde configuratie, 20 waarin het brandpunt van de microscoop 120 zich op het oppervlak van het optische element 190 bevindt. De z-coördinaatinstel 1 ing van de trap 140 (en x- en y-instellingen) wanneer de sensor 130 de maximale intensiteit meet kunnen worden uitgelezen om de elevatie (en locatie) van het punt op het oppervlak van het optische element 190 aan te geven. De trap 140 kan 25 dan het optische element 190 in horizontale richting aftasten (bijvoorbeeld de x-richting) terwijl de focussen'ngsbewerking voor het meten van de elevaties op een reeks van punten op het optische element 190 wordt herhaald. Een 1asermicroscoop zoals gebruikelijk toegepast kan dus het oppervlakteprofiel of de oppervlakteruwheid van het optische 30 element 190 meten.

[0017] Fig. 2 illustreert een stroomschema voor een proces 1029044 6 200 dat een optisch element aftast om beschadigingen of defecten onder het oppervlak te detecteren. Het proces 200 kan in het algemeen worden gebruikt voor het evalueren van een optisch element dat een afzonderlijke inrichting is of dat een geïntegreerd deel is van een systeem zoals een 5 elektro-optische component. In een voorbeelduitvoeringsvorm maakt het proces 200 gebruik van een lasermicroscoop van het boven beschreven type, echter kan eveneens elk ander type meetinrichting geschikt voor het meten van gereflecteerd licht voor een bereik van diepten in een optisch element kan eveneens worden gebruikt. Voor illustratieve doeleinden 10 beschrijft het navolgende het voorbeeld van het gebruik van de lasermicroscoop 100 van de figuren 1, 3, 4 en 5 in een evaluatie van beschadigingen onder het oppervlak.

[0018] Het proces 200 begint in stap 210 door de meetapparatuur (bijvoorbeeld de lasermicroscoop 100) te configureren voor 15 meting onder het oppervlak. Een dergelijke configuratie kan het selecteren van een optische golflengte voor een laser 110, het aantal horizontale aftastlijnen, de lengte van elke aftastlijn en de scheiding tussen de aftastlijnen omvatten. De configuratiestap 210 kan derhalve het gebied selecteren van het optische element 190 dat zal worden afgetast.

20 [0019] De te testen component (bijvoorbeeld het optische element 190) wordt in stap 220 in de meetapparatuur gemonteerd. In het bijzonder kan de component op een testtafel of precisietrap worden geplaatst waarmee gestuurde verplaatsing van de component (bijvoorbeeld ten opzichte van de microscoop 120) mogelijk is. Door verplaatsing van de 25 component kan derhalve een meetpunt worden geselecteerd. Als alternatief kan verplaatsing van de meetapparatuur (bijvoorbeeld verplaatsing van de microscoop 120) of verplaatsing van een aftastbundel de locatie van een meting sturen.

[0020] Stap 230 bewerkstelligt of stelt een referentievlak 30 in, dat bij voorkeur nabij het oppervlak van de te evalueren component ligt en stap 240 stelt verticale aftastgrenzen in ten opzichte van het f 029044 7 referentievlak. De aftastgrenzen worden bij voorkeur zodanig gekozen dat een bovenste grens ten minste zo hoog is als het oppervlak van de te evalueren component en de onderste grens zich in de component uitstrekt tot ten minste een gewenste diepte voor evaluatie van beschadigingen 5 onder het oppervlak.

[0021] Fig. 3 illustreert de locatie van een bovenste grens 21 en een onderste grens Z2 voor een verticale aftasting van het optische element 190. De gewenste diepte van de aftasting in het optische element 190 zal in het algemeen afhangen van het type te testen optisch element 10 190. Bij wijze van voorbeeld kan een diepte van ongeveer 1 tot 100 pm typisch zijn voor een optisch precisie-element gemaakt van een optische glaskwaliteit zoals BK-7, waarbij de te evalueren beschadigingen onder het oppervlak het gevolg zijn van machinale bewerkingen zoals slijpen, diamantboren, polijsten of andere materiaalverwijderingstechnieken.

15 [0022] Stap 270 tast het optische element 190 verticaal ten opzichte van de microscoop 120 af, zodat het brandpunt van de microscoop 120 zich verplaatst tussen de bovenste grens Z1 en de onderste grens Z2. De figuren 3 en 4 illustreren respectievelijk configuraties waarbij het brandpunt van de microscoop 120 ligt op de bovenste en onderste grenzen 20 Z1 en 12 van een verticale aftasting. Tijdens verplaatsing van de configuratie van fig. 3 naar de configuratie van fig. 4, meet de sensor 140 de intensiteit van naar de microscoop 120 gereflecteerd licht en kunnen de intensiteitsmetingen voor een reeks van verticale posities van het brandpunt van de microscoop 120 in een analysesysteem 150 worden 25 opgeslagen. De intensiteitsmetingen nemen in het algemeen toe wanneer het brandpunt van de microscoop 120 het oppervlak van het optische element 190 nadert, maar nemen af wanneer het brandpunt weg van het oppervlak beweegt. Wanneer het optische element 190 vrij van beschadigingen over het bereik van de verticale aftasting is, zullen de intensiteitsmetingen 30 slechts één piek hebben en deze piek correspondeert daarmee dat het brandpunt van de microscoop 120 op het oppervlak van het optische element 1029044 8 190 ligt.

[0023] Stap 260 verplaatst het optische element 190 horizontaal ten opzichte van de rest van het systeem voor het hierdoor veranderen van het meetpunt. Wanneer de beslissingsstap 270 bepaalt dat 5 de aftasting nog niet voltooid is, springt het proces 200 van stap 270 terug naar stap 250 en voert een verticale aftasting in het optische element 190 uit.

[0024] Fig. 5 illustreert een configuratie van een lasermicroscoop 100 wanneer een horizontale verplaatsing in stap 270 de 10 microscoop 120 boven een defect 192 in het optische element 190 plaatst en wanneer de verticale aftasting in stap 260 het brandpunt van de microscoop 120 naar het defect 192 brengt. De sensor 130 detecteert het defect 192 als een toename in het gereflecteerde licht dat de microscoop 120 verzamelt wanneer het brandpunt het defect 192 nadert en/of een 15 daling in de gemeten intensiteit wanneer het brandpunt voorbij het defect 192 beweegt. Bijgevolg registreert een verticale aftasting corresponderend met de in fig. 5 getoonde horizontale positie intensiteitsdata met een eerste piek wanneer het brandpunt op het oppervlak van het optische element 190 ligt en een tweede piek wanneer 20 het brandpunt zich in het defect 192 bevindt. De sterkte van een intensiteitspiek kan afhangen van het soort materiaal in het optische element 190, de ernst van het defect 192 en de diepte van het defect 192. Hetzelfde defect 192 kan worden gevonden in verschillende herhalingen van de verticale aftastingsstap 250 en het aantal verticale aftastingen dat 25 de beschadiging detecteert is een aanwijzing voor de afmetingen of het gebied van het defect 192. Een scheur 194 kan zich bijvoorbeeld over een relatief groot gebied van het optische element 190 uitstrekken.

[0025] Wanneer de beslissingsstap 270 bepaalt dat de aftasting is voltooid, springt het proces 200 van fig. 2 vanaf stap 270 30 naar stap 280 en analyseert de geregistreerde intensiteitsdata om de beschadiging onder het oppervlak in het afgetaste gebied van de component 1029044 9 te evalueren. Zoals boven besproken, kan de analyse de mate of locatie van de beschadigingen identificeren door de locaties voor verticale aftastingen te identificeren die de beschadiging detecteren en kan de ernst van de beschadigingen uit de gemeten intensiteiten op verschillende 5 diepten bepalen.

[0026] In een uitvoeringsvorm omvatten de data voor analyse een driedimensionale groepering van intensiteitsmetingen, welke worden geïndexeerd door de verticale en horizontale coördinaten van de meetpunten. Het data-analysesysteem 190, dat kan worden geïmplementeerd 10 in software of firmware welke in een alleenstaande computer of in een in de meetapparatuur ingebouwd verwerkingssysteem kan worden uitgevoerd, kan de data verwerken om een oppervlakteprofiel en de mate, ernst en locatie van een beschadiging onder het oppervlak te bepalen. Tijdens de analyse kan een factor- of opzoektabel worden toegepast om invloeden te 15 corrigeren die het materiaal van het optische element op de locatie van het brandpunt of de intensiteit van het door de microscoop verzamelde licht heeft. In het bijzonder kunnen de verticale afmetingen van een gemeten defect compensatie vereisen als gevolg van de verschillende invloeden van de brekingsindex. Op basis van actuele metingen kan elk in 20 een vervaardigingsproces vervaardigd optisch element worden geïdentificeerd als zijnde werkzaam of defect of kan dit worden ingedeeld naar de aard van de beschadiging onder het oppervlak. De evaluatie kan verder in een relatief korte tijd worden uitgevoerd, vaak zo kort als enkele minuten, onder toepassing van apparatuur zoals een 1asermicroscoop 25 welke in de handel verkrijgbaar en relatief goedkoop is.

[0027] Hoewel de uitvinding is beschreven onder verwijzing naar speciale uitvoeringsvormen, is de beschrijving slechts een voorbeeld van de toepassing van de uitvinding en dient niet als beperking te worden opgevat. Verschillende aanpassingen en combinaties van eigenschappen van 30 de geopenbaarde uitvoeringsvormen liggen binnen de omvang van de uitvinding zoals gedefinieerd door de navolgende conclusies.

1029044 10

Li.ist met verwi.izinqsci.ifers 110 Laser 120 Microscoop 130 Trap 5 140 Sensor 150 Data-analyse 210 Configureren meetapparaat 220 Plaats component op testtafel 230 Instellen referentievlak 10 240 Instellen verticale grenzen van brandpunt voor aftasting 250 Verticale aftasting 260 Horizontale stap 270 Einde aftasting? 280 Analyseer aftastdata voor het identificeren van de locatie en ernst 15 van beschadigingen | i 1029044

Claims (11)

1. Proces voor het evalueren van beschadigingen onder het oppervlak in een optisch element, omvattende het: 5 belichten van het optische element; focusseren van een meetinrichting op een meetpunt dat zich in de optische inrichting bevindt; meten van de intensiteit van door de meetinrichting verzameld verstrooid licht indien gefocusseerd op het momentane punt; 10 verandering van het meetpunt; en herhalen van de meet- en veranderingsstappen voor het verkrijgen van intensiteitsmetingen voor een groep van punten die zich in de optische inrichting bevindt.

2. Proces volgens conclusie 1, waarin het belichten van 15 het optische element het belichten van het optische element met licht dat een golflengte heeft corresponderend met een afmetings-eigenschap van defecten onder het oppervlak omvat.

3. Proces volgens conclusie 1, waarin de meetinrichting een lasermicroscoop omvat welke het optische element belicht en in het 20 optische element verstrooid licht verzamelt.

4. Proces volgens conclusie 1, waarin de lasermicroscoop een laser omvat die rood licht afgeeft.

5. Proces volgens conclusie 1, waarin de lasermicroscoop een laser omvat die blauw licht afgeeft.

6. Proces volgens conclusie 1, waarin herhalingen van de stap van de verandering van het meetpunt het verticaal verplaatsen van het brandpunt van de meetinrichting over een reeks van punten die zich op verschillende diepten in het optische element bevindt omvatten.

7. Proces volgens conclusie 6, waarin herhalingen van de 30 stap van het veranderen van het meetpunt verder het verplaatsen van het ! brandpunt van de meetinrichting in een richting in hoofdzaak evenwijdig i I 1029044 ! aan het oppervlak van het optische element omvatten.

8. Werkwijze volgens conclusie 1, verder omvattende het analyseren van de intensiteitsmetingen om locaties van beschadigingen onder het oppervlak in het optische element te bepalen.

9. Werkwijze volgens conclusie 1, verder omvattende het analyseren van de intensiteitsmetingen voor het evalueren van de ernst van de beschadigingen onder het oppervlak in het optische element.

10. Proces voor het evalueren van beschadigingen onder het oppervlak in een optisch element, omvattende: 10 (a) aftasting van een brandpunt van een lasermicroscoop neerwaarts naar een doel diepte in het optische element; (b) meting van de intensiteit van verstrooid licht verzameld tijdens aftasting van het brandpunt in het optische element; en (c) bepaling van een locatie van een beschadiging 15 onder het oppervlak in het optische element uit de intensiteit van verstrooid licht.

11. Proces volgens conclusie 10, verder omvattende: aftasting van het brandpunt van de lasermicroscoop langs een oppervlak van het optische element; en 20 herhaling van de stappen (a), (b) en (c) op een reeks van punten tijdens aftasting van het brandpunt over het oppervlak van het optische element. 25 i i i j j 1029044