NTS Optel scoort met testers optische elementen
Een kleine tien jaar geleden ontwikkelde en bouwde NTS Optel zijn eerste automatische testers voor de inspectie van zogeheten diffractieve optische elementen. Deze optische chipjes worden steeds meer toegepast en daarmee is de behoefte aan op maat gemaakte testers flink toegenomen. Om elke klant precies te bedienen, heeft NTS inmiddels een palet aan oplossingen voorhanden.
Heel veel partijen in de wereld werken momenteel aan de ontwikkeling en massaproductie van diffractieve optische elementen (doe’s), en de toepassing daarvan in onder meer 3d sensing, time-of-flight-(afstands)sensoren en patroonprojectoren. Smartphones van bijvoorbeeld Apple en Huawei zijn uitgerust met doe’s voor aanwezigheidsdetectie en gezichtsherkenning. En in de eerste versie van Microsofts Kinect zat een doe die een puntenwolk in de ruimte genereert. Een camera ernaast kijkt hoe die wolk is vervormd zodat de Kinect de benodigde diepte-informatie binnenkrijgt.
Een doe is een holografisch element dat een laserbundel afbuigt en een lichtpatroon in de ruimte creëert. Dat patroon kan elke vorm aannemen: kruisdraden, regelmatige of quasi-random puntenpatronen, lichtverdelingen of zelfs tekst. Het patroon is natuurlijk afhankelijk van de structuur die in de doe is aangebracht.
Een doe-chip meet typisch een tot enkele vierkante millimeter. Massafabricage van deze elementen kan door met een mal en een spuitgietproces een kunststof wafer (een cd) te persen of door een speciale kunsthars te nemen en die met een mal op een glazen wafer over te brengen en met uv-licht uit te harden. Sommige fabrikanten kiezen voor een embossing-techniek om de fijne structuren in een roll-to-roll-proces op een kunststof drager aan te brengen.
Berestabiel
Doe-producenten hebben behoefte aan testapparatuur om hun optische elementen te inspecteren. Meestal is een honderd procent controle vereist. De laser in de Kinect heeft bijvoorbeeld een vermogen van enkele honderden milliwatt. De veilige grens voor menselijke ogen ligt onder de 1 mW, dus je hebt een serieus probleem als een doe niet goed functioneert en te veel licht direct doorlaat.
NTS Optel – onderdeel van NTS Development & Engineering – ontwerpt en bouwt regelmatig doe-testers op klantspecificatie. Dat zijn veelal variaties op een vast thema. Ze bestaan in de basis uit een laserbron waarmee de doe wordt aangestraald, optiek die het gediffracteerde patroon stuurt, eventueel een projectiescherm, een hogeresolutiecamera en een bak software voor de gegevensverwerking en de aansturing van het systeem.
Zo’n bron is een lasermodule. ‘Dat klinkt makkelijker dan het is’, waarschuwt Theo Scholten, operationsmanager bij NTS Optel in Nijmegen. ‘Onze klanten hebben allerlei eisen aan de lichtbundel. Hij moet vaak niet rond zijn, maar vierkant, en met overal dezelfde intensiteit, of in één bepaalde richting of juist circulair gepolariseerd. Je hebt heel wat optische componenten nodig om dat voor elkaar te krijgen. Ook moeten ze berestabiel zijn, terwijl een laser juist erg gevoelig is voor terugkoppeling. Als er maar een beetje licht wordt teruggekaatst en de laser weet te bereiken, springt hij naar een andere golflengte. Dat scheelt niet veel, maar is toch storend. Gelukkig kunnen we terugvallen op alle opgedane kennis bij de ontwikkeling van eerdere lasermodules. Grofweg is zeventig procent hergebruik en dertig procent maatwerk.’
Tralie
De wafer ligt in een chuck op een xy-stage. Dat bewegende platform koopt NTS Optel in. Niet omdat het de kennis niet in huis heeft, maar omdat de tijd ontbreekt. Scholten: ‘Het gebeurt regelmatig dat een klant zelf nog volop in ontwikkeling is met zijn doe en slechts voorlopige specificaties van het product heeft. Ook de productieomgeving en de parameters waarop de doe moet worden getest, zijn soms nog onduidelijk. Wat de klant wel precies weet, is de datum waarop de eerste testers beschikbaar moeten zijn. En dat is niet zelden minder dan zes maanden nadat hij contact met ons heeft opgenomen. Dat betekent dat we niet alles meer perfect zelf kunnen engineeren.’
De chuck is wel maatwerk, omdat elke wafer anders is – qua vorm en grootte – en omdat er steeds een andere optimale methode is om de wafer vast te houden. NTS Optel integreert een aantal kalibratietools in de chuck om de nauwkeurigheid van de tester hoog te houden. ‘Vanaf het sample tot aan de camera zit er toch een kleine beelddistorsie in. Daarvoor moeten we kalibreren’, weet Scholten. NTS Optel doet dat met een grating die op een ronddraaiend motortje is geplakt. ‘Als je daar met de laser op schijnt, ontstaat er geen puntenpatroon, maar worden het cirkels. Omdat de tralie constant is, weten we precies waar die zich zouden moeten bevinden en kunnen we de camera ijken.’
Een tweede kalibratietool is de ingebouwde led, die over een hoek van bijna 180 graden op dezelfde golflengte licht uitzendt als de laser. ‘We hebben de led in een aparte opstelling volledig doorgemeten’, vertelt Scholten. ‘We weten dus precies hoeveel vermogen hij in elke richting uitstraalt. Als we hem naar het meetpunt manoeuvreren, is precies bekend welk beeld en met welke lichtverdeling de camera zou moeten zien. Afwijkingen corrigeren we softwarematig.’
Ten slotte meet NTS Optel met de camera af en toe de power van de laser. Die meting hoort weliswaar stabiel te zijn, maar in de praktijk blijkt er soms toch een kleine afwijking in te zitten, mede veroorzaakt door thermische variaties in de gevoeligheid van de camera. ‘Om bij de meting niet een te grote piek in het midden van het beeld te hebben en de camera te overbelichten, heeft de kalibratietool een lens die de bundel enigszins uitspreidt’, legt Scholten uit.
Milliradialen
Dan volgt de projectieoptiek. Die is nodig omdat de hoek van uitval bij sommige doe’s kan oplopen tot honderdvijftig graden. ‘Probeer die lichtkegel dan nog maar eens op te vangen met je camera’, lacht Scholten. Boven de doe positioneert NTS Optel een set lenzen die het licht opvangt en ombuigt. Die lenzen moeten niet te groot worden, dus ze zitten op anderhalve millimeter boven de wafer. Dichterbij kan niet omdat zelfs glazen wafers een bolling vertonen die kan oplopen tot wel een millimeter. ‘Toch moeten we al het licht goed opvangen en sturen. Dat vereist heel specifieke, asferische lenzen. Er zijn maar een paar bedrijven in de wereld die deze lenzen met de goede kwaliteit kunnen fabriceren.’
Het voordeel van zo’n lenzenset is dat hij gelijk een deel van de distorsie compenseert. ‘Een graad verschil aan de rand van het patroon dat de doe genereert, geeft op het projectiescherm een grotere verandering dan een graad in het centrum’, verklaart Scholten. ‘Maar met die speciale lenzen heb je daar geen last van en hoef je niet meer terug te rekenen.’
Na de projectieoptiek kan de uittredende bundel rechtstreeks naar de camera. Direct imaging heet dat. Sommige, eenvoudige doe’s lenen zich daar prima voor. ‘Maar ook dan heb je een behoorlijk duur camerasysteem nodig met een hoge resolutie’, weet Scholten. ‘Als het beeld te groot wordt, ontkom je niet aan een groothoeklens. In combinatie met een hogeresolutiecamera is dat heel prijzig. We kiezen er dan voor om de bundel af te beelden op een semitransparant projectiescherm en daar van de andere kant met de camera naar te kijken.’ NTS Optel werkt nu met een camera van vijfentwintig megapixel, zodat het milliradialen op het scherm kan onderscheiden. ‘En dat op een veld van soms meer dan honderd graden.’
Met dat projectiescherm halen de Nijmeegse engineers nog een trucje uit. ‘Een laser is een lastige bron’, stelt Scholten. ‘Je hebt altijd te maken met speckle. Die korrelstructuur in de bundel zie je terug op het scherm. Daarom hebben we het scherm beweegbaar gemaakt. Met drie excentrische motoren draait hij rond als een schuurmachientje. We middelen over zo’n rondje en daarmee zijn we de speckle kwijt. Bovendien hebben we geen last meer van eventuele oneffenheden op het scherm.’
Een per seconde
Als de camera het beeld eenmaal heeft binnengehaald, is het zaak om de gegevens snel te verwerken en naar de volgende doe te switchen. Hoe snel de tester is, hangt af van wat hij allemaal moet controleren. ‘En van de software’, vult Scholten aan. ‘Soms schrijven we die zelf, deels in assembly als dat nodig is. Dan werkt het optimaal. Een andere keer levert een klant zelf een deel aan. Dan is zo’n algoritme niet precies op maat voor onze oplossing en loopt de verwerkingssnelheid terug.’
Maar er zijn meer factoren die bepalen hoeveel doe’s de tester per uur kan verwerken. Scholten: ‘Het systeem moet steeds naar een volgend element stappen. Het kost sowieso een paar tienden voor de verplaatsing en voordat alles weer mechanisch stabiel is. En dan moet je de opname nog maken. Bij een projectiescherm moet je de sluiter een paar tienden tot een halve seconde open laten staan. Bij direct imaging kun je een kortere belichtingstijd kiezen.’
De testers van NTS Optel halen een snelheid van een tot twee seconde per doe. Voor een Taiwanese partij bouwde het Nijmeegse ingenieursbureau een tester voor glazen wafers met zevenduizend elementen. ‘Die checkt elke seconde een doe en heeft twee uur nodig voordat hij klaar is met zo’n 200 mm wafer. Operators lopen daar rond tussen twintig machines die ze 24/7 handmatig voeren.’
Ook bouwde NTS Optel al eens een tester voor massaproductie van kleinere doe-cd’s. Een scara-robot in het midden zorgde voor de interne logistiek van de plastic wafers. Binnen die grenzen en met de verschillende afbeeldtechnieken en laserconfiguraties kan NTS Optel genoeg variëren om voor alle doe-fabrikanten een tester op maat te ontwikkelen.
