微透镜防反射膜中表面粗糙度检测方案(共聚焦显微镜)

【概要】用于镜头等光学器件的防反射膜，其对可见光的反射率通常低于1%，无论用壹般光学显微镜还是激光显微镜，都难以对其表面形状、粗糙度等进行观察与测定。在此我们提出基于彩色共聚焦显微镜的评价方案。对于覆有防反射膜的镜头，我们介绍三个评价案例：彩色共聚焦图像颜色评价、基于反射分光法测定的分光特性评价，以及利用相差干涉法进行表面粗糙度评价。◆绪论       　　　　　　　　　　　　　　　　　在高科技工业领域，经常在制品表面包覆功能膜或保护膜等，膜特性和包覆效果往往对产品性能产生关键影响。在成膜与包覆技术的开发改良，以及质量管理等过程中，准确、高效的评价技术不可或缺。近年来，在如薄膜表面的细条纹、陶瓷上的润滑剂等，膜与基材表面结构多样化的发展趋势下，以往的接触式测量方法在很多场合下不再适用。防反射膜（Anti-Reflection Coating）多是如图1所示的单层至三层的多层膜结构。硼硅酸盐玻璃（BK7）的反射率，可由空气和基板的折射率计算得到如式(1)，约为4%。（图1a）图1  防反射膜的结构与断面示意图  基板表面附有薄膜时，膜表面与膜-基板界面上发生多重反射以及薄膜干涉。于是单层膜的反射率与表面及界面的菲涅尔系数(r01, r1s)以及膜厚 (t1)的相关性如式(2)：菲涅爾系數如式(3)-(4),由各物質的折射率決定。由不同的材料與膜厚設計則可以控制產品的反射率。多層膜亦類似。　在這裏以具體的防反射膜為例，通過仿真試算對可見光的反射率達到最小值時的膜厚度。單層膜（MgF2）的情況下膜厚94nm時反射率可控制在2%以下；三層膜（MgF2/Si3N4/Al2O3，如圖1c）時，各膜厚91 nm/118 nm/65 nm時反射率小於1%，6種波長均在0.1%左右。　對這種低反射率面上的防反射膜，其光學觀察與測試通常比較難。在此我們介紹利用彩色共聚焦顯微鏡進行的評價案例。图2  防反射膜的膜厚度仿真：(a)单层膜（MgF2=94 nm）, (b) 3层膜（MgF2/Si3N4/Al3O3=91 nm/118 nm/65 nm）解析条件：range 0~200 nm, step 1nm对象波长：436nm, 486nm, 514nm, 546nm, 578nm, 633nm◆防反射膜的彩色共聚焦测试　　　　　　　　　　　　　　　覆有可见光防反射膜的镜头、棱镜等光学器件，使用壹般的反射型光学显微镜进行表面异物、缺陷等的检查时非常困难的。图3为使用彩色共聚焦显微镜对具备防反射膜的凸透镜进行观察的案例。使用壹般光学显微镜（非共聚焦，如图3a）由于杂散光的影响其表面难以观察，而其彩色共聚焦图像（如图3b）中可清晰的看到刮痕。由轮廓图得到刮痕深度约0.2 µm。图3 防反射膜包覆凸透镜的表面测定： (a) 非共聚焦图像, (b)共聚焦图像（彩色）,(c) X1-X2间的高度轮廓图（由共聚焦图像解析得到）测定条件：TU 100x 对象波长：白光（氙灯）不同设计的4只镜头各两面的彩色共聚焦图像如图4。其测试条件均壹致，因此图像颜色的差异可反映出膜设计上的区别。并且，同壹图像中不同区域的明暗变化可认为是膜厚的不均导致的。由此，对于用肉眼观察完全壹致的镜头，通过颜色差异以及颜色的均壹程度，可以对防反射膜的差异进行定性的判断。圖4  防反射膜包覆鏡頭的顏色比較：鏡頭（Ａ～Ｄ）(a)A凸, (b) A凹, (c) B凸, (d) B平, (e) C凹, (f) C 凸, (g) D凸, (h) D凸, 標尺：250µm測定方法：彩色共聚焦（confocal mode）測定條件：TU 10x （視野1.5 mm□）對象波長：白光（氙燈）◆基于反射分光法的反射率测定　　　　　　　　　　　在评价膜的分光特性时，通常有将反射光的颜色进行数值化处理，后用于定量分析的方法。在此，我们介绍将6波长的反射率分别定量化测试的评价方案。  利用波长切换功能，分别用6种波长的单色光进行共聚焦摄像，另外对基准样品进行同样测试用于标定，即可测出图像中全部像素点的反射率。　各波长的图像由分光膜厚解析软件进行读取并分析。平凹透镜B的平面侧（图4d）的反射率分析页面如图5。在彩色图像上可指定区域，计算其范围内的（各波长的）平均反射率。便于排除样品的污染以及缺陷部分，得到正确的数据结果。图5  反射率解析：镜头的防反射膜（图4d）反射分光法：基准样品(BK7)测定条件：物镜TU10x (NA:0.3)照明波长：436nm, 486nm, 514nm, 546nm, 578nm, 633nm  同样对4只镜头的各两面进行测试分析，得到结果如图6。与图4画像可对照分析，例如，C凸とC凹的颜色差异：图4e偏红而图4f偏蓝，其直观上的颜色差异，在数据中表现为两条曲线在516nm处的相交，该波长右侧反射率C凹 > C凸，而左侧相反。可以看出，此方法对于反射率1%以下的样品仍可准确测定。　图6  反射率测定  镜头的防反射膜（Ａ～Ｄ）测定波长：436nm, 488nm, 516nm, 546nm, 576nm, 633nm 　◆防反射膜的表面粗糙度測定　　　　　　　　　　如前述，防反射膜包覆鏡頭的表面形狀與缺陷，可通過彩色共聚焦圖像（如圖2）進行觀察與測試。這裏進壹步考慮膜品質的重要指標之壹——表面粗糙度的測定。表面粗糙度常用探針法進行測試得到Ra（線粗糙度），而基於光學原理的測試可以實現非接觸式測定，且可以獲得畫像內任意區域的Sa（面粗糙度）。不過壹般來說，對於納米級的粗糙度測試，激光等共聚焦顯微鏡的分辨率無法達到要求。在此，我們提出非接觸式的高分辨率測試方案：基於相差幹涉法的表面粗糙度測定。　市面上的防反射膜包覆凸透鏡的相差幹涉測試結果如圖7。通常認為相差幹涉法的高度測定範圍較窄，理論上為照射光的半波長，但對於如鏡頭的形狀平滑且連續變化的樣品，以半波長為周期，通過畫像處理可實現測定範圍的擴展，成視野整體的高度圖像（如圖7a）。並且可生成3D鳥瞰圖（如圖7b），進壹步獲得曲率半徑等信息（如圖7c，曲率半徑=49960µm）。　图7 防反射膜包覆镜头的粗糙度测定：(a) 高度图像（连接处理）,(b) 整体鸟瞰图, (c) X断面轮廓相差干涉法：4 step, 2π mode测定条件：物镜DI50x照明波长：546nm在数据分析时通常从高度图象或轮廓图中识别并除去“形状”或“波纹”，后计算得出粗糙度。这里为了易于理解，将高度图像（图7a）直接经球面矫正处理，得到“平坦化”的高度图像（如图8a）。经凹凸强调处理可得到更直观的图像(图8b)。指定区域内的分析结果如图8c，得到面粗糙度Sa=4.7nm。圖8  納米級粗糙度分析： (a) 平坦化高度圖象（球面補正処理）, (b)凹凸形狀強調處理 (c)三維粗糙度計算 (Sa = 4.7 nm、分析區域：(a)の紅框內)◆总结         　　　　　　　　　　　　　　　　利用彩色共聚焦显微镜，对于包覆防反射膜的镜头进行评价，我们主要介绍了以下三个案例。①    通过彩色共聚焦图像的颜色及其分布，对防反射膜的特性差异进行定性的比较分析。壹般光学显微镜难以实现。②    利用波长切换功能，对6种波长可见光的各自反射率进行测定（均在1%以下）。实现颜色差异的定量化分析。③    基于光干涉原理评价表面的纳米级粗糙度。使用高分辨率的相差干涉法测试，得到面粗糙度Sa=4.7nm的结果。这种程度的粗糙度用通常的激光显微镜无法得到有效的测试结果。以上评价全部结合共聚焦光学系，以除去散乱光等的影响，实现低反射率（<1%）面上的鲜明图像。　作为补充说明，利用光干涉法对透明膜-基板进行高度差测试时，高低相对位置的测定结果与实际相反的情况时有发生。对于透明基板的纳米级粗糙度测定，可认为影响很小。◆结语　　　　　　　　　　　　　　　　对于防反射膜包覆镜头等低反射率的样品，使用激光显微镜的一般测试方法效果不理想的问题，我们介绍了利用彩色共聚焦显微镜捷星表面观察、反射率测定、粗糙度测定等案例。希望本文的评价方案可以在新材料的开发与质量管理过程中有所帮助。