CN102829733B - 一种条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置及方法。线偏振激光器经二分之一波片、第一个四分之一波片和准直扩束系统后产生平行光，由显微物镜会聚到点衍射板的衍射针孔上，检测波前W1通过第二个四分之一波片后会聚于O点处得到球面波前W1'，经待测球面反射回来的反射光波再次通过第二个四分之一波片后得到旋向与参考波前W2相反的圆偏振光，再经点衍射板上的金属反射膜反射，检测波前W1和参考波前W2会合后经过准直透镜变为平面波，经过第三个四分之一波片、检偏器和成像透镜后于探测器上得到干涉条纹，探测器实时采集对应干涉图。本发明简化了点衍射干涉调整难度，为大数值孔径球面尤其是低反射率球面的高精度检测提供了可行方法。

Description

一种条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置及方法。

背景技术

随着光刻机等光学加工技术的不断发展，对于光学检测仪器提出了很高的精度要求。泰曼-格林干涉仪和斐索干涉仪等传统干涉检测系统都是利用具有较高面形精度的标准镜头来获得参考波面，但由于受到光学制造以及加工费用等限制，传统干涉检测系统的精度都受到了标准镜头面形精度的限制，目前诸如美国的Zygo和Wyko等商业干涉仪的面形检测精度峰谷值只能达到λ/20~λ/50。因此，实际测量中难以直接通过利用标准镜获得参考波面的干涉检测方法来满足高精度光学球面检测的需要。

点衍射干涉仪基于小孔衍射方法来获得理想球面波前，并将其中一部分作为参考波前，另一部分作为检测波前，由此实现高精度球面检测。点衍射干涉仪无需精密标准镜头，可实现纳米量级、甚至于亚纳米量级的面形检测精度，同时具有很高的精度再现性。由于针孔点衍射干涉仪的条纹对比度是不可调的，因而通常只适用于高反射率球面的面形检测。但对于未镀反射膜或者抛光过程中的低反射率待测球面，其反射率仅为4%左右，从而导致干涉条纹对比度变差。条纹对比度不理想不但会给条纹处理带来困难，而且还会影响最终的面形检测精度。目前针孔点衍射干涉仪对于低反射率球面的检测主要是通过在待测面形上镀反射膜，进而得到较为理想的条纹对比度，但在多数情况下该处理方法难以满足实际应用要求。中国发明专利“可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉系统”（申请号：201010224868.1）基于偏振技术实现针孔点衍射干涉系统的条纹对比度可调功能，解决了其难以实现低反射率球面高精度检测的问题。

此外，目前国内外已公开的针孔点衍射干涉系统中，基本都是利用亚微米量级甚至更小尺寸的衍射针孔来实现大数值孔径球面检测，通过微小尺寸针孔衍射来获得大孔径角的衍射波前，进而实现大数值孔径球面的高精度检测。但是微小尺寸针孔衍射会使得衍射光斑能量变得非常微弱，这不但会给检测系统的调整带来困难，而且对系统中探测器感光灵敏度和成本费用等都提出了很高的要求。因而，如何在微米量级的大衍射针孔尺寸下实现对大数值孔径球面、尤其是低反射球面的高精度面形检测，这是一个难点，而利用本发明所提出的一种条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置及方法，则可很好的解决该问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有针孔点衍射干涉仪在大尺寸衍射针孔情况下难以实现对大数值孔径球面、尤其是低反射球面的高精度面形检测的问题，提供一种条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置及方法。

条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置包括线偏振激光器、二分之一波片、第一个四分之一波片、准直扩束系统、显微物镜、点衍射板、第二个四分之一波片、待测球面、压电移相器、准直透镜、第三个四分之一波片、检偏器、成像透镜、探测器和计算机；线偏振激光器、二分之一波片、第一个四分之一波片、准直扩束系统、显微物镜、点衍射板、准直透镜、第三个四分之一波片、检偏器、成像透镜、探测器、计算机顺次相连；点衍射板、第二个四分之一波片、待测球面、压电移相器、计算机顺次相连；点衍射板包括玻璃基底、金属反射膜和衍射针孔三部分，金属反射膜镀于玻璃基底之上，金属反射膜上设有衍射针孔。

所述的第二个四分之一波片为具有光束聚焦功能的真零级四分之一波片，该真零级四分之一波片包括大数值孔径消球差正透镜基底和粘合于大数值孔径消球差正透镜基底上面的波片薄膜两部分，其中粘合有波片薄膜的一面朝向衍射针孔。

条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉检测方法是：线偏振激光器经二分之一波片和第一个四分之一波片组合调节得到圆偏振光，再经准直扩束系统后产生平行光，由显微物镜会聚到点衍射板的衍射针孔上，点衍射球面波前的其中一部分作为参考波前W2，另一部分作为检测波前W1，检测波前W1通过一快轴方向与x轴成45°夹角的第二个四分之一波片后会聚于O点处得到球面波前W1'，经待测球面反射回来的反射光波再次通过第二个四分之一波片后得到旋向与参考波前W2相反的圆偏振光，再经点衍射板上的金属反射膜反射，检测波前W1和参考波前W2会合后经过准直透镜变为平面波，经过一个快轴方向与x轴成45°夹角的第三个四分之一波片后变成两个偏振方向相互垂直的线偏振光，再分别通过检偏器和成像透镜后于探测器上得到干涉条纹；通过调节检偏器的透光轴方向，可调整检测光束和参考光束间的相对光强，从而达到干涉条纹对比度可调的目的；利用计算机控制压电移相器对待测球面进行多步移相测量，并利用探测器实时采集对应干涉图，再根据多步移相算法对所采集的干涉图数据处理，同时校正由第二个四分之一波片所引入的误差，从而实现对待测球面的高精度面形检测。

所述由第二个四分之一波片(7)所引入的误差的校正方法为：利用调整精度可达微米量级的平移台，移动第二个四分之一波片和待测球面，调节第二个四分之一波片到衍射针孔的距离D1和待测球面到检测光束会聚点O处的距离D2，直至观察到干涉条纹的形状变化成为直条纹状态，然后根据光线追迹方法得到对应的第二个四分之一波片所引入的波前像差数据W₇，可将其作为系统误差存储于计算机的数据处理系统中，并在实际测量过程中对其加以校正，也即

W₀=W-W₇

式中，W为实际测得包含有系统误差的波面数据，W₇为第二个四分之一波片所引入的波前像差数据，W₀为消除第二个四分之一波片所引入波前像差影响后的待测球面波前数据。

本发明通过引入具有光束聚焦功能的真零级四分之一波片，实现对光束偏振态的变换和检测波前孔径角的放大，从而可基于大尺寸衍射针孔解决衍射波前孔径角与光斑能量的矛盾问题，实现条纹对比度可调以及大数值孔径球面的高精度检测，并且该干涉系统极大的简化了检测系统的调整难度，同时降低了对探测器的性能等要求，进而为大数值孔径球面、尤其是低反射率球面的高精度面形检测提供了可行的方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置示意图；

图2是条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置第二个四分之一波片结构示意图；

图3是条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置第二个四分之一波片引入波前像差分布；

图4是本发明实施例中曲率半径为500mm、数值孔径为0.35待测球面在干涉装置中测得波面数据图。

图中：线偏振激光器1、二分之一波片2、第一个四分之一波片3、准直扩束系统4、显微物镜5、点衍射板6、玻璃基底61、金属反射膜62和衍射针孔63、第二个四分之一波片7、大数值孔径消球差正透镜基底71、波片薄膜72、待测球面8、压电移相器9、准直透镜10、第三个四分之一波片11、检偏器12、成像透镜13、探测器14、计算机15。

具体实施方式

如图1所示，条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置包括线偏振激光器1、二分之一波片2、第一个四分之一波片3、准直扩束系统4、显微物镜5、点衍射板6、第二个四分之一波片7、待测球面8、压电移相器9、准直透镜10、第三个四分之一波片11、检偏器12、成像透镜13、探测器14和计算机15；线偏振激光器1、二分之一波片2、第一个四分之一波片3、准直扩束系统4、显微物镜5、点衍射板6、准直透镜10、第三个四分之一波片11、检偏器12、成像透镜13、探测器14、计算机15顺次相连；点衍射板6、第二个四分之一波片7、待测球面8、压电移相器9、计算机15顺次相连。其中，显微物镜5为长工作距离显微物镜，以避免点衍射板6在调整过程中与显微物镜5发生碰撞；点衍射板6包括玻璃基底61、金属反射膜62和衍射针孔63三部分，并且金属反射膜62镀于玻璃基底61之上，再利用聚焦离子束刻蚀法在金属反射膜62上加工出理想圆度的衍射针孔63。

所述的第二个四分之一波片7为具有光束聚焦功能的真零级四分之一波片，该真零级四分之一波片包括大数值孔径消球差正透镜基底71和粘合于大数值孔径消球差正透镜基底上面的波片薄膜72两部分，其中粘合有波片薄膜72的一面朝向衍射针孔63，如图2所示。其中，大数值孔径消球差正透镜基底71可以实现对检测波前W1的孔径角θ₁进行放大，以使得经其会聚后的球面波前W1'的孔径角θ₂大于入射的检测波前W1孔径角θ₁（θ₂>θ₁）。基于该方法，可利用微米量级的大尺寸衍射针孔63所得到的小孔径角范围内的理想衍射波前来实现对大数值孔径待测球面8的高精度检测；同时，该方法也可降低干涉装置的调整难度，并且可得到充足的点衍射光斑能量，从而降低对探测器性能等要求。由于检测波前W1为球面发散波前，第二个四分之一波片7对于不同光束会引入不同的相移量，从而会引入额外的波前像差，为了最大程度上降低第二个四分之一波片7对于检测波前W1所引入的额外波前像差，所采用第二个四分之一波片7为具有大有效接受角度的真零级四分之一波片。同时，在第二个四分之一波片7的安装中，应使其中粘合有波片薄膜72的一面朝向衍射针孔63，以缩小波片的入射光孔径角范围，进而可进一步减小对检测波前W1所引入的额外波前像差。图2所示为一种条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置第二个四分之一波片7的结构示意图。

条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉检测方法是：线偏振激光器1经二分之一波片2和第一个四分之一波片3组合调节得到圆偏振光，再经准直扩

束系统4后产生平行光，由显微物镜5会聚到点衍射板6的衍射针孔63上，点衍射球面波前的其中一部分作为参考波前W2，另一部分作为检测波前W1，检测波前W1通过一快轴方向与x轴成45°夹角的第二个四分之一波片7后会聚于O点处得到球面波前W1'，经待测球面8反射回来的反射光波再次通过第二个四分之一波片7后得到旋向与参考波前W2相反的圆偏振光，再经点衍射板6上的金属反射膜62反射，检测波前W1和参考波前W2会合后经过准直透镜10变为平面波，经过一个快轴方向与x轴成45°夹角的第三个四分之一波片11后变成两个偏振方向相互垂直的线偏振光，再分别通过检偏器12和成像透镜13后于探测器14上得到干涉条纹；通过调节检偏器12的透光轴方向，可调整检测光束和参考光束间的相对光强，从而达到干涉条纹对比度可调的目的；利用计算机15控制压电移相器9对待测球面8进行多步移相测量，并利用探测器14实时采集对应干涉图，再根据多步移相算法对所采集的干涉图数据处理，同时校正由第二个四分之一波片7所引入的误差，从而实现对待测球面8的高精度面形检测。

在一种条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置中，为了基于大尺寸衍射针孔同时实现对大数值孔径球面的高精度检测以及条纹对比度可调功能，可通过在检测装置中引入偏振光学元件来改变光束偏振态，并利用大数值孔径正透镜光学元件对检测波前W1的孔径角进行放大，最后通过调节干涉光中检测波和参考波分量的相对光强，进而可满足大数值孔径、低反射率球面的高精度面形检测需要。其中，通过线偏振激光器1前的二分之一波片2和第一个四分之一波片3组合调节，可以得到不同光束偏振态。在点衍射干涉装置中，点衍射波前的球面度会受到光束偏振态的影响；同时，检测波前W1在点衍射板6的金属反射膜62上反射时，会对不同方向的光束引入不同相移量，从而会在检测波前W1中引入额外的像差量，并且该像差量的大小与光束偏振态有关。为了最大程度上降低光束偏振态对于最后面形检测精度的影响，可通过二分之一波片2和第一个四分之一波片3组合将光束偏振调节至圆偏振态。为了降低干涉装置的调整难度，同时得到充足的点衍射光斑能量，以降低对探测器性能等要求，装置中的衍射针孔63可采用微米量级的大尺寸圆孔。而干涉装置是通过调节其中检偏器12的透光轴方向以实现干涉条纹对比度的调节目的。

所述由第二个四分之一波片(7)所引入的误差的校正方法为：利用调整精度可达微米量级的平移台，移动第二个四分之一波片7和待测球面8，调节第二个四分之一波片7到衍射针孔63的距离D1和待测球面8到检测光束会聚点O处的距离D2，直至观察到干涉条纹的形状变化成为直条纹状态，然后根据光线追迹方法得到对应的第二个四分之一波片7所引入的波前像差数据W₇，可将其作为系统误差存储于计算机15的数据处理系统中。第二个四分之一波片7所引入的误差包括来自于大数值孔径消球差正透镜基底71和粘合于大数值孔径消球差正透镜基底上面的波片薄膜72两部分。在实际测量过程中可对存储于计算机15的数据处理系统中的第二个四分之一波片7引入系统误差加以校正，也即并在实际测量过程中对其加以校正，也即

W₀=W-W₇

式中，W为实际测得包含有系统误差的波面数据，W₇为第二个四分之一波片7所引入的波前像差数据，W₀为消除第二个四分之一波片7所引入波前像差影响后的待测球面波前数据。

实施例

实施例中对一个曲率半径为500mm、数值孔径为0.35和反射率为4%的低反射率待测球面8进行面形检测。出射光波长λ为632.8nm的线偏振激光器1经二分之一波片2和第一个四分之一波片3组合调节得到右旋圆偏振光，再经准直扩束系统4后产生平行光，由一个倍率为50×、数值孔径为0.50以及工作距离为10.6mm的长工作距离显微物镜5会聚到点衍射板6的衍射针孔63上。图1中点衍射板6的玻璃基底61为0.5mm厚度的石英玻璃基底；镀于玻璃基底61上面的金属反射膜62为250nm厚度的铬金属膜；利用聚焦离子束刻蚀法在金属反射膜62上加工直径为3μm衍射针孔63，利用最小二乘圆法得到该针孔对应的圆度误差约为18nm，因而可将其视为理想圆孔。衍射针孔63出射的点衍射球面波前可作为理想的球面波前，并且其中一部分作为参考波前W2，另一部分作为检测波前W1。

检测波前W1通过一快轴方向与x轴成45°夹角的第二个四分之一波片7后会聚于O点处得到球面波前W1'，经待测球面8反射回来的反射光波再次通过第二个四分之一波片7后得到旋向与参考波前W2相反的左旋圆偏振光。其中，第二个四分之一波片7为真零级四分之一波片，波片薄膜72的双折射材料采用石英晶体，对应于632.8nm光波长的n_o=1.54264以及n_e=1.55170；玻璃基底71采用大数值孔径消球差正透镜，其中心厚度为8.5mm、焦距为15mm，如图2所示。同时，在元件布局安装过程中，将粘合有波片薄膜72的一面朝向衍射针孔63，以缩小波片的入射光孔径角范围，进而可减小对检测波前W1所引入的额外波前像差。利用3μm衍射针孔63得到衍射光斑中的一半孔径角所对应的波前W1数值孔径为0.20，当其经过第二个四分之一波片7进行孔径角放大后，可得到检测波前W1'数值孔径变为0.45，因而可以满足数值孔径为0.35的待测球面全口径检测要求。

检测波前W1（左旋圆偏振光）经点衍射板6上的金属反射膜62反射，并与参考波前W2（右旋圆偏振光）会合后经过准直透镜10变为平面波，经过一个快轴方向与x轴成45°夹角的第三个四分之一波片11后变成两个偏振方向相互垂直的线偏振光，再分别通过检偏器12和成像透镜13后于探测器14上得到干涉条纹；通过调节检偏器12的透光轴方向，可调整检测光束和参考光束间的相对光强，从而达到干涉条纹对比度可调的目的；利用计算机15控制压电移相器9对待测球面8进行多步移相测量，并利用探测器14实时采集对应干涉图，再利用多步移相算法对所采集的干涉图数据处理，再根据多步移相算法对所采集的干涉图数据处理，同时校正由第二个四分之一波片7所引入的误差，即可实现对待测球面8的高精度面形检测。

利用调整精度可达微米量级的平移台，移动第二个四分之一波片7和待测球面8，调节第二个四分之一波片7到衍射针孔63的距离D1和待测球面8到检测光束会聚点O处的距离D2，并观察装置中干涉条纹形状的变化。当第二个四分之一波片7到衍射针孔63的距离D1和待测球面8到检测光束会聚点O处的距离D2分别调节至150mm和500mm时，可以观察到干涉条纹由弯曲条纹变为直条纹状态。然后根据光线追迹方法得到第二个四分之一波片7对应0.45数值孔径范围内所引入的波前像差数据W₇分布如图3所示，其对应的峰谷值和均方根值分别为0.0120λ和0.0603λ。第二个四分之一波片7所引入的误差包括来自于大数值孔径消球差正透镜基底71和粘合于大数值孔径消球差正透镜基底上面的波片薄膜72两部分。可将其作为系统误差存储于计算机15的数据处理系统中。在实际高精度球面面形检测过程中，可将第二个四分之一波片7对应0.45数值孔径范围内所引入的波前像差数据W₇作为系统误差存储于计算机15的数据处理系统中。在对数值孔径为0.35(<0.45)的待测球面进行检测时，所对应的第二个四分之一波片7引入波前像差值可从已储存的波前像差数据W₇（对应数值孔径为0.45）相应的子区域数据中直接提取出来，并在后续数据处理中对其加以校正。最后得到经消除第二个四分之一波片7所引入波前像差影响后的待测球面波前W₀分布如图4所示。利用该干涉装置对待测球面8进行面形检测，测得波面数据经计算机15的数据处理系统存储校正处理后，可最终实现的面形检测精度均方根值优于0.0010λ，可满足大数值孔径、低反射率球面高精度面形检测要求。

Claims (3)

1.一种条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉装置，其特征在于，它包括线偏振激光器(1)、二分之一波片(2)、第一个四分之一波片(3)、准直扩束系统(4)、显微物镜(5)、点衍射板(6)、第二个四分之一波片(7)、待测球面(8)、压电移相器(9)、准直透镜(10)、第三个四分之一波片(11)、检偏器(12)、成像透镜(13)、探测器(14)和计算机(15)；线偏振激光器(1)、二分之一波片(2)、第一个四分之一波片(3)、准直扩束系统(4)、显微物镜(5)、点衍射板(6)、准直透镜(10)、第三个四分之一波片(11)、检偏器(12)、成像透镜(13)、探测器(14)、计算机(15)顺次相连；点衍射板(6)、第二个四分之一波片(7)、待测球面(8)、压电移相器(9)、计算机(15)顺次相连；点衍射板(6)包括玻璃基底(61)、金属反射膜(62)和衍射针孔(63)三部分，金属反射膜(62)镀于玻璃基底(61)之上，金属反射膜(62)上设有衍射针孔(63)；

所述的第二个四分之一波片(7)为具有光束聚焦功能的真零级四分之一波片，该真零级四分之一波片包括大数值孔径消球差正透镜基底(71)和粘合于大数值孔径消球差正透镜基底上面的波片薄膜(72)两部分，其中粘合有波片薄膜(72)的一面朝向衍射针孔(63)。

2.一种使用如权利要求1所述装置的条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉检测方法，其特征在于，线偏振激光器(1)经二分之一波片(2)和第一个四分之一波片(3)组合调节得到圆偏振光，再经准直扩束系统(4)后产生平行光，由显微物镜(5)会聚到点衍射板(6)的衍射针孔(63)上，点衍射球面波前的其中一部分作为参考波前W2，另一部分作为检测波前W1，检测波前W1通过一快轴方向与x轴成45°夹角的第二个四分之一波片(7)后会聚于O点处得到球面波前W1'，经待测球面(8)反射回来的反射光波再次通过第二个四分之一波片(7)后得到旋向与参考波前W2相反的圆偏振光，再经点衍射板(6)上的金属反射膜(62)反射，检测波前W1和参考波前W2会合后经过准直透镜(10)变为平面波，经过一个快轴方向与x轴成45°夹角的第三个四分之一波片(11)后变成两个偏振方向相互垂直的线偏振光，再分别通过检偏器(12)和成像透镜(13)后于探测器(14)上得到干涉条纹；通过调节检偏器(12)的透光轴方向，调整检测光束和参考光束间的相对光强，从而达到干涉条纹对比度可调的目的；利用计算机(15)控制压电移相器(9)对待测球面(8)进行多步移相测量，并利用探测器(14)实时采集对应干涉图，再根据多步移相算法对所采集的干涉图数据处理，同时校正由第二个四分之一波片(7)所引入的误差，从而实现对待测球面(8)的高精度面形检测。

3.如权利要求2所述的条纹对比度可调的大数值孔径点衍射干涉检测方法，其特征在于，所述由第二个四分之一波片(7)所引入的误差的校正方法为：利用调整精度可达微米量级的平移台，移动第二个四分之一波片(7)和待测球面(8)，调节第二个四分之一波片(7)到衍射针孔(63)的距离D1和待测球面(8)到检测光束会聚点O处的距离D2，直至观察到干涉条纹的形状变化成为直条纹状态，然后根据光线追迹方法得到对应的第二个四分之一波片(7)所引入的波前像差数据W₇，将其作为系统误差存储于计算机(15)的数据处理系统中，并在实际测量过程中对其加以校正，也即

W₀＝W-W₇

式中，W为实际测得包含有系统误差的波面数据，W₇为第二个四分之一波片(7)所引入的波前像差数据，W₀为消除第二个四分之一波片(7)所引入波前像差影响后的待测球面波前数据。