光學計量學是當今制造業的關鍵技術之一。它通常可以被定義為用光進行測量的科學，被廣泛用于評估產品（或其某些部件或組件）的物理特性，以及監測大型基礎設施和設備。據麥姆斯咨詢報道，近期，歐洲光電產業協會（European Photonics Industry Consortium，EPIC）的Antonio Castelo-Porta在PhotonicsViews上發表了題為“The future of optical measurement technology”的文章，綜述了當前不同制造業中的一些光學測量技術，以及與對高精度和高效解決方案的持續需求相關的新發展和趨勢。

計量和工業數字化

最近的技術發展使智能多傳感器系統或虛擬計量等創新成為可能，將計量的作用從后期生產活動轉變為實時檢查和分析過程。通過“工業4.0”相關技術提升工廠數字化，從而實現對不同生產設備、機器或流程的數據收集和使用。在這種環境下，光學計量技術通常與自動定位系統或工業機器人相結合，成為快速控制和驗證解決方案。這些測量設備可以在裝配和生產單元附近工作，在生產前期、中期和后期進行檢測，并存儲與每個產品相關的數據。通過這種方式，工件特性的所有相關信息可以在制造過程被收集，然后明確地將其分配給數字化品控設施，以用于質量控制。

順應這一趨勢，Sensofar Metrology公司（西班牙塔拉薩）最近推出了市場上唯一的自主面共焦輪廓儀S mart 2（圖1），其強大的功能和緊湊的設計使其成為光學領域的一個突破。為了使用最合適的技術進行掃描，S mart 2在同一個探測頭內配備了三個系統進行測量：有源照明焦點變化、共焦和干涉測量。該解決方案旨在實現生產線通常所需的自動化，并且非常容易集成。所有電子元件都包含在狹窄的探測頭內，以便將其安裝在不會干擾用戶或制造操作的區域內。

制造商Mitutoyo（日本川崎）也將其最令人感興趣的一個光學測量設備安裝在機械臂上，以提高測量的精度和速度。新的ROBOTAG解決方案將視覺系統與著名的可調諧聲學梯度折射率透鏡（TAGLENS）集成在一起。由于改進的聚焦深度、出色的重復性和更高的效率，該產品組合提供了更清晰的圖像。這要歸功于TAGLENS的超快變焦特性。ROBOTAG系統將很快配備寬帶脈沖光源（PLS），以執行精確的3D形狀檢測和改進的在線測量（圖2）。

光學組件制造的新解決方案

光學組件的生產不僅需要精確的制造和拋光，還需要精確的測量。如果最終工件不能被精確測量，那么制造方法的效率和可重復性的提高意義不大。該行業已經創立了輪廓術、共焦顯微鏡、橢圓測量術或干涉測量法等多種計量技術來測量不同的關鍵參數（曲率半徑、平面度、粗糙度、薄膜厚度、透射率……）。

薄膜是光學組件行業非常常見的要素，人們在薄膜的質量控制方面已經做了大量工作。近年來，薄膜被廣泛用于光學元件表面的功能涂層（例如保護性或抗反射涂層）或制造不同類型的濾光片和反射鏡。計量對于確保使用市場上可用的不同薄膜沉積技術生產的最終產品的品質至關重要。該行業的一個關鍵需求是對帶有光學涂層的現有的和新開發的組件進行光譜測量。

EssentOptics Europe公司（立陶宛維爾紐斯）為平面組件和透鏡（包括非球面）的完全無人值守光譜測量提供了不同的解決方案。這些設備可以測量從紫外（UV）到可見光（VIS）、中波紅外（MWIR），以及即將推出的長波紅外（LWIR）的寬波長范圍內的透射和反射。這些設備最令人感興趣的一個應用是線性可變濾光片的表征，該濾光片是一種在生物和生命科學研究的光譜學中有很多應用的光學組件。EssentOptics Europe公司設計了一項新技術：正在與Omega Optical公司合作進行測試和微調。

當談到透鏡的生產時，需要控制的一個重要參數是中心厚度，因為它會嚴重影響光通過該組件的光程。從制造商的角度來看，為確保最終產品的高質量，在一組具有相同規格的透鏡中控制該參數的可重復性至關重要。Trioptics（德國韋德爾）開發了OptiSurf LTM（透鏡厚度測量），這是一種精密的中心厚度測量系統，精度為±0.5 μm，適用于厚度高達150 mm的單透鏡和雙透鏡。該解決方案背后的技術是高精度的、低相干干涉測量法，其配備了減振和自定中心的機械夾具，使操作簡單且獨立于操作員。另一個優點是該軟件的優化用戶接口，使OptiSurf LTM能夠無縫集成到任何生產流程中。

半導體和消費電子行業的計量

半導體行業的生產要求很高。光學計量解決方案是高速測量和缺陷檢測的完美選擇，近年來人們已經對一些技術進行了調整，以滿足該行業的特殊要求。光學計量設備現在已經成為半導體生產中的重要工具，可以檢測日益復雜和小型化的3D結構，以及生產的厚度要求低至納米的薄層。

一個令人感興趣的應用是對半導體晶圓上薄膜層結構的外延生長進行原位控制。該工藝對于VCSEL、μLED或功率晶體管等產品的制造是不可或缺的，晶圓溫度、反射率、生長速率和層厚度、生長材料的化學成分和晶圓彎曲度等重要參數需要控制。LayTec（德國柏林）為該應用開發了不同的集成光學計量解決方案，包括光學工具、特殊算法和用于分析測量數據的材料數據庫（圖3）。LayTec的工具被集成到沉積系統中，例如金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）系統，并被用于半導體器件制造流程的前端。它們被集成到控制回路中，用于實時反饋控制、批次控制以及在此過程中的故障檢測。

圖3 晶圓上生長層的原位測量（來源：LayTec）

同樣與半導體和消費電子行業有關的是，Sensofar Metrology最近進行的一項案例研究重點關注了溫度變化對硅晶圓形狀和紋理演變的影響。在制造過程中，評估溫度變化影響的一個關鍵方法是測量晶圓的表面粗糙度作為溫度的函數，但由于球差引起的成像問題一直是一個難題。利用Sensofar Linnik物鏡和與熱室相結合，粗糙度可通過干涉測量技術進行觀測（圖4）。一方面，當通過顯微鏡觀察樣品時，這兩種系統的組合使溫度能夠精確地升高到與制造過程中相似的值；另一方面，它消除了與球差相關的問題，以獲得3D輪廓的精確測量。

圖4 快速熱處理中測量晶圓表面粗糙度的設置（來源：Sensofar）

綜上所述，光學測量技術正被越來越多地應用于各種不同的行業，其已被證明是在多種應用中執行質量和過程控制的最有效和最通用的工具。最近的技術發展重點是克服以前系統的一些局限性，并以更高的精度測量半導體、消費電子、汽車、光學組件和醫療行業的新的、要求更高的產品和功能。市場上有一個明顯的趨勢，就是將這些光學測量解決方案集成到機械臂和其它定位系統之中，以執行原位測量并在制造過程中實時提供有價值的信息。

審核編輯：劉清