光学测量技术趋势综述怎么写（光学测量技术趋势综述论文）

光学计量是当今制造业的关键技术之一。它通常可以定义为用光进行测量的科学，并广泛用于评估产品（或其某些零件或组件）的物理特性，以及监控大型基础设施和设备。据Memes Consulting报道，近日，欧洲光子产业联盟（EPIC）的Antonio Castelo-Porta在PhotonicsViews上发表了一篇题为《光学测量技术的未来》的文章，对当前不同的制造业进行了总结。光学测量领域的一些技术以及新的发展和趋势涉及到对高精度和高效解决方案的持续需求。

计量和工业数字化

最近的技术发展使智能多传感器系统或虚拟计量等创新成为可能，将计量的作用从后期生产活动转变为实时检查和分析过程。通过“工业4.0”相关技术提高工厂的数字化水平，从而实现不同生产设备、机器或流程的数据采集和使用。在这种环境下，光学计量技术通常与自动定位系统或工业机器人相结合，以提供快速控制和验证解决方案。这些测量设备可以在装配和生产单元附近工作，在生产前、生产中和生产后进行检查，并存储与每个产品相关的数据。这样，可以在制造过程中收集有关工件特性的所有相关信息，然后明确分配给数字质量控制设施进行质量控制。

顺应这一趋势，Sensofar Metrology（西班牙塔拉萨）最近推出了市场上唯一的自主表面共焦轮廓仪Smart 2（图1）。其强大的功能和紧凑的设计使其成为光学领域的突破。为了使用最合适的技术进行扫描，Smart 2在同一探测器头内配备了三个系统进行测量：主动照明焦点变化、共焦和干涉测量。该解决方案旨在实现生产线通常所需的自动化，并且非常易于集成。所有电子设备都包含在狭窄的探头内，使其可以安装在不会干扰用户或制造操作的区域。

制造商三丰（日本川崎）还在机械臂上安装了其最有趣的光学测量设备之一，以提高测量精度和速度。新的ROBOTAG 解决方案将视觉系统与著名的可调谐声学梯度折射率透镜(TAGLENS) 集成在一起。由于景深得到改善、出色的重复性和更高的效率，该产品组合可提供更清晰的图像。这要归功于TAGLENS 的超快变焦特性。 ROBOTAG 系统很快将配备宽带脉冲光源(PLS)，以执行精确的3D 形状检测和改进的在线测量（图2）。

光学元件制造的新解决方案

光学元件的生产不仅需要精密的制造和抛光，还需要精密的测量。如果最终工件无法精确测量，那么制造方法的效率和可重复性的改进就毫无意义。该行业已经创建了多种计量技术，例如轮廓测量法、共焦显微镜、椭圆测量法或干涉测量法来测量不同的关键参数（曲率半径、平坦度、粗糙度、薄膜厚度、透射率.）。

薄膜是光学元件行业中非常常见的元件，人们在其质量控制方面做了大量工作。近年来，薄膜被广泛用作光学元件表面的功能涂层（例如保护或抗反射涂层）或用于制造不同类型的光学滤光片和镜子。计量对于确保使用市场上不同薄膜沉积技术生产的最终产品的质量至关重要。该行业的一个关键需求是对现有和新开发的带有光学涂层的组件进行光谱测量。

EssentOptics Europe（立陶宛维尔纽斯）为平面部件和透镜（包括非球面）的完全无人值守光谱测量提供不同的解决方案。这些设备可以测量从紫外线(UV) 到可见光(VIS)、中波红外线(MWIR) 以及即将推出的长波红外线(LWIR) 等各种波长的透射率和反射率。这些设备最有趣的应用之一是线性可变滤波器的表征，这是一种光学元件，在生物和生命科学研究的光谱学中有许多应用。 EssentOptics Europe 设计了一项新技术，目前正在与Omega Optical 合作进行测试和微调。

在透镜的生产中，需要控制的一个重要参数是中心厚度，因为它强烈影响光通过组件的路径长度。从制造商的角度来看，在一组相同规格的镜头内控制该参数的重复性对于确保最终产品的高质量至关重要。 Trioptics（德国韦德尔）开发了OptiSurf LTM（镜片厚度测量），这是一种精密中央厚度测量系统，对于厚度高达150 毫米的单镜片和双镜片，精度为0.5 m。该解决方案背后的技术是高精度、低相干干涉测量，配备减振和自定心机械夹具，使操作简单且无需操作员。另一个优点是该软件优化的用户界面，使OptiSurf LTM 能够无缝集成到任何生产流程中。

半导体和消费电子行业的计量

半导体行业对生产要求很高。光学计量解决方案非常适合高速测量和缺陷检测，近年来一些技术已被采用以满足该行业的特殊要求。光学计量设备现已成为半导体生产中的重要工具，能够检测日益复杂和微型化的3D 结构，以及生产厚度要求低至纳米的薄层。

一个有趣的应用是半导体晶圆上薄膜层结构的外延生长的原位控制。该工艺对于VCSEL、LED 或功率晶体管等产品的制造是必不可少的，其中需要控制晶圆温度、反射率、生长速率和层厚度、生长材料的化学成分以及晶圆曲率等重要参数。 LayTec（德国柏林）为此应用开发了不同的集成光学计量解决方案，包括光学工具、特殊算法和用于分析测量数据的材料数据库（图3）。 LayTec 的工具集成到沉积系统中，例如金属有机化学气相沉积(MOCVD) 系统，并用于半导体器件制造工艺的前端。它们被集成到控制回路中，用于过程中的实时反馈控制、批量控制和故障检测。

图3 晶圆上生长层的原位测量（来源：LayTec）

同样与半导体和消费电子行业相关的是，Sensofar Metrology 最近进行的一项案例研究重点关注温度变化对硅晶圆形状和纹理演变的影响。评估制造过程中温度变化影响的关键方法是测量晶圆表面粗糙度随温度的变化，但球面像差导致的成像问题一直是一个挑战。将Sensofar Linnik 物镜与热室结合使用，可以通过干涉测量技术观察粗糙度（图4）。一方面，这两个系统的结合使得通过显微镜观察样品时温度能够精确地升高到相似的值；另一方面，它消除了与球面像差相关的问题，以获得3D 轮廓的精确测量。

图4 快速热处理过程中测量晶圆表面粗糙度的设置（来源：Sensofar）

总之，光学测量技术越来越多地应用于各种不同的行业，并已被证明是在各种应用中执行质量和过程控制的最有效和通用的工具。最近的技术发展重点是克服以前系统的一些限制，并以更高精度测量半导体、消费电子、汽车、光学元件和医疗行业中要求更高的新产品和功能。市场上有一个明显的趋势，即将这些光学测量解决方案集成到机械臂和其他定位系统中，以执行原位测量并在制造过程中实时提供有价值的信息。

审稿人：刘庆