CN103727901A - 基于波长移相法检测平面间平行度的方法 - Google Patents

Abstract

基于波长移相法检测平面间平行度的方法，涉及光学检测技术领域，解决现有采用移相干涉技术检测平面间平行度时，由于存在机械应力的变化，导致引入误差的问题，本发明采用经平面干涉检测装置发出的光束由移相干涉装置中信息采集处理系统处理，并采用四步平均算法逐点获得半反半透平面和全反射平面之间的倾斜量，并取倾斜量的最大值；将倾斜量的最大值代入相应公式，获得两平面间的平行度，判断平行度的值是否大于10^-6弧度值，如果是，根据倾斜量的最大值调整全反射平面，如果否，输出两平面之间的平行度。本发明借助于波长移相检测方法的高灵敏性可以使两面间平行度的检测达到十分之一到百分之一个微弧度的量级。

Description

基于波长移相法检测平面间平行度的方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及采用移相干涉法实现平面间平行度的高精度检测。

背景技术

平面间平行度的测量在光学检测和加工过程中有着重要的作用。激光平面干涉测量技术已经可以很成熟的用来检测两平面平行度，其具有非接触性的特点，测量精度可以达到好弧度量级，能够很好的满足一般情况下的要求。但是在现代光刻技术领域中，对平面间平行度的对准精度提出了更高要求，例如在等离子体光刻技术中，要求两个平面间平行度的对准精度达到微弧度量级，传统的干涉测量方法都是通过目视或照相的方法直接判读干涉条纹或其序号来测量被测面形，工作量大，而且不可避免地受到人为因素的影响，丢失信息较多，其不确定度只能做到λ/10到λ/20。

现代移相干涉术是基于光电探测、图象处理、计算机技术而发展起来的。移相干涉术的基本原理是在干涉仪的两束相干光之间引入位相差，当参考光的相位发生变化，干涉条纹的位置也会产生相应的变化。在此过程中，用光电探测器对干涉图进行采样，对光强进行数字化处理后将其存储在帧存储器里，由计算机按照一定的数学模型根据光强的变化求出相位的分布。现代移相干涉术采用精密的移相器件，综合应用激光、电子和计算机技术，控制参考光波的相位，连续采集若干帧相移相等的干涉图，对随机噪声有很强的抑制能力，由移相算法得到被测波面的相位分布，其测量的不确定度可以优于λ/100，被广泛地应用于光学元件面形和光学系统成像质量的评价。然而采用移相干涉技术测量透射平面间平行度时，由于两个平面之间形成了多次的反射光互相相干的情况，若用传统的移相算法计算表面干涉条纹时将产生很大的误差。而目前常用的方法主要是抑制透射平行平板前后表面的反射，如在平板后表面涂抹凡士林，以抑制后表面干涉条纹的干涉测量法。而且以压电陶瓷(PZT)为代表的硬件移相技术，在移相过程中，不可避免地会产生机械应力的变化，引入误差，为实际的测量带来不可估量的后果。

发明内容

本发明为解决现有采用移相干涉技术检测平面间平行度时，由于存在机械应力的变化，导致引入误差的问题，提供一种基于波长移相法检测平面间平行度的方法。

基于波长移相法检测平面间平行度的方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、计算机控制驱动器使可调谐激光器发出的激光束经分束器后被第一准直物镜准直为平行光束，所述平行光束入射到半反半透平面和全反射面上，经过半反半透平面和全反射平面反射的光束再次经过第一准直物镜和分束器后被第二准直物镜准直；所述准直光束被信息采集处理系统采集；

步骤二、所述计算机根据接收信息采集处理系统采集的信号，采用四步平均算法逐点获得半反半透平面和全反射平面之间的倾斜量，并取倾斜量的最大值；

步骤三、将步骤二中获得的倾斜量的最大值代入公式

中，式中，α为半反半透平面和全反射平面间的平行度，

为视场内相位差的最大值，λ为激光器出射光束的波长，D为视场直径；获得半反半透平面和全反射平面间的平行度，判断所述平行度的值是否大于10-6弧度值，如果是，根据倾斜量的最大值调整全反射平面7，执行步骤一，如果否，执行步骤四；

步骤四、计算机输出半反半透平面和全反射平面之间的平行度。

本发明的有益效果：本发明借助于波长移相检测方法的高灵敏性可以使两面间平行度的检测达到十分之一到百分之一个微弧度的量级。并且能极大地减小测量之中机械运动带来的误差，提高检测的可靠程度。波长移相技术是通过改变输出激光的波长来实现干涉信号的移相，光源一般采用可调谐半导体激光器。相比于传统的硬件移相技术测平面间平行度，波长移相干涉测量的优点：一、干涉仪不需要安装硬件移相部件，可以消除由此引入的误差，并且是光路得到简化；二、波长移相算法可以消除寄生条纹的影响，实现多表面轮廓的分离测量。

附图说明

图1为本发明所述的基于波长移相法检测平面间平行度的方法的装置示意图；

图中：1、计算机，2、驱动器，3、可调谐激光器，4、分束镜，5、第一准直物镜，6、半反半透平面，7、全反射平面，8、第二准直物镜，9、信息采集处理系统。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，基于波长移相法检测平面间平行度的方法，该方法中包括平面干涉检测装置（平面斐索干涉光路）和移相装置，所述移相装置包括：计算机1、驱动器2和可调谐激光器3；计算机1用来控制驱动器2，驱动器2通过调节输出电压能够实现可调谐激光器3的波长连续改变，实现波长移相的目的。

所述平面干涉检测装置在光路方向上分别设有：用来提供相干光源并且实现波长移相的可调谐激光器3，分束镜4，第一准直物镜5，半反半透平面6和全反射平面7，其中半反半透平面6作为一个参考平面，全反射平面7作为被测面，即可调节平面，通过调节全反射平面7来实现两个平面间平行度的对准精度优于十分之一微弧度的量级。光束经半反半透平面6和全反射平面7反射之后将分别产生参考光束和检测光束，经过分束镜4之后被第二准直物镜8校准，最后有信息采集处理系统9进行采集，采集信号发送发计算机1中，经过匹配算法的计算得出半反半透平面6和全反射平面7之间的对准平行度。其中的计算机1的主要任务是处理信息采集处理系统9采集到的信号以及控制驱动器2实现可调谐激光器3的波长移相操作，可调谐激光器3既作为光源提供相干光束又因为其波长能够连续改变而起到移相器的作用，实现波长移相。

本实施方式所述的信息采集处理系统9包括CCD探测器和信息采集卡，所述PC机和信息采集卡是用来处理探测器探测的光电信号的，CCD探测器探测信号送入信息采集卡采集，采集卡采集后送到PC机进行实时处理，可以实现平面间平行度的实时检测与调整；CCD探测器是用来接收激光平面干涉测量得到的干涉信息；信息采集卡用来采集所述探测器探测到的信息；PC机用来实现信息处理以得到所需测量的平面间平行度。

本实施方式所述的装置的工作原理为：可调谐激光器3发出的激光束经由分束器4之后被第一准直物镜5准直为平行光束，入射到半反半透平面6和全反射平面7上。经过半反半透平面6和全反射平面7反射回来的光束再次经过物镜5和分束器4之后被第二准直物镜8准直，包含有平面平行度信息的干涉信号被CCD9采集，采集信号发送给计算机1，计算机1控制驱动器2实现可调谐激光器3的波长连续改变，进行波长移相操作。最后经过匹配算法的数据处理可以得出半反半透平面6和全反射平面7之间的对准平行度。

设参考面与被测面之间的距离为h(x,y)，即为干涉腔长。不考虑折射率n的影响时，参考面与被测面之间的相位差可以表示为:

$\mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}_T-{\mathrm{\φ}}_R=2h\·\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}=\frac{4\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

若可调谐激光器的起始输出波长为λ₀，Δλ是波长移相的采样间隔，λ_k＝λ₀+kΔλ表示第k次采样后的激光波长值，则第k次采样干涉信号的相位差表示为：

${\mathrm{\φ}}_k(x,y)=\frac{4\mathrm{\πh}(x,y)}{{\mathrm{\λ}}_k}---\left(2\right)$

假设背景光强为I₀(x,y)，γ₀(x,y)为条纹调制度，则干涉信号的光强表示为：

$I_k(x,y)=I_0(x,y)\{1+{\mathrm{\γ}}_0(x,y)\cos [\frac{4\mathrm{\πh}(x,y)}{{\mathrm{\λ}}_k}\left]\right\}---\left(3\right)$

将λ_k＝λ₀+kΔλ代入上式，将其相位部分展开，得到：

${\mathrm{\φ}}_k(x,y)=\frac{4\mathrm{\πh}(x,y)}{{\mathrm{\λ}}_0+\mathrm{k\Δ\λ}}\≈\frac{4\mathrm{\πh}(x,y)}{{\mathrm{\λ}}_0}-\frac{4\mathrm{\πh}(x,y)}{{\mathrm{\λ}}_0^2}\·k\·\mathrm{\Δ\λ}---\left(4\right)$

式中

是由波长变化所引入的附加相位值，被测相位值为

${\mathrm{\φ}}_0(x,y)=\frac{4\mathrm{\πh}(x,y)}{{\mathrm{\λ}}_0}---\left(5\right)$

将其代入光强表达式可得到：

从公式中可以看出，通过改变光源的波长值，可以改变干涉信号光强值，从而计算得到被测波面相位，因而通过波长调谐实现了移相干涉法检测平面间的平行度。我们采用重叠四步算法，其具体原理如下

定义波长移相算法的采样间隔为π/2，这可以通过控制驱动器很容易实现。则由波长变化所引入的附加相位值为：

既有：

$-\frac{4\mathrm{\πh}(x,y)}{{\mathrm{\λ}}_0^2}\·\mathrm{\Δ\λ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(8\right)$

则在一个周期内采集到的光强信号为：

$I_1(x,y)=I_0(x,y)\{1+{\mathrm{\γ}}_0(x,y)\cos [\frac{4\mathrm{\πh}(x,y)}{{\mathrm{\λ}}_0}\left]\right\}$

$I_2(x,y)=I_0(x,y)\{1+{\mathrm{\γ}}_0(x,y)\cos [\frac{4\mathrm{\πh}(x,y)}{{\mathrm{\λ}}_0}+\frac{\mathrm{\π}}{2}\left]\right\}---\left(9\right)$

$I_3(x,y)=I_0(x,y)\{1+{\mathrm{\γ}}_0(x,y)\cos [\frac{4\mathrm{\πh}(x,y)}{{\mathrm{\λ}}_0}+\mathrm{\π}\left]\right\}$

$I_4(x,y)=I_0(x,y)\{1+{\mathrm{\γ}}_0(x,y)\cos [\frac{4\mathrm{\πh}(x,y)}{{\mathrm{\λ}}_0}+\frac{3\mathrm{\π}}{2}\left]\right\}$

则可以得到干涉场中被测面的相位为：

${\mathrm{\φ}}_0(x,y)={\tan }^{-1}\left[\frac{I_4(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_3(x,y)}\right]---\left(10\right)$

采用四步平均法能够减小移相干涉中所引起的相位计算误差，其具体方法如下：取附件相位值

使0,π/2,π,3π/2作为一个测量组合，错过一个干涉图后，取π/2,π,3π/2,2π作为一个测量组合，基于四步移相法分别求出φ₀₁和φ₀₂，最后把这两个结果进行平均，即

${\mathrm{\φ}}_0(x,y)=\frac{1}{2}[\arctan \frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}+\arctan \frac{I_5-I_3}{I_2-I_4}]---\left(11\right)$

把这种四步平均算法加以推广，可以得到重叠四步算法，其具体原理如下：若我们采样2M+3次之后，然后把所得到的结果平均则得到：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\φ}}_0(x,y)}=\frac{1}{2M}\underset{k=1}{\overset{2M}{\mathrm{\Σ}}}{\tan }^{-1}\left[\frac{I_{k+3}(x,y)-I_{k+1}(x,y)}{I_k(x,y)-I_{k+2}(x,y)}\right]---\left(12\right)$

经过2M次平均之后可以有效地减小波长移相过程中所引入的相位计算误差。因此，视场内任意位置的相位可以通过上式得到，两个平面间平行度可由下式直接得出：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_{\max }\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πD}}---\left(13\right)$

其中，α表示两个平面间的平行度，

表示视场内产生相位差的最大值（即倾斜量的最大值），D表示视场直径。由于两个平面间的平行度α是一个微弧度量级的微小量，在这里我们直接用弧度值表示其正弦值，其带来的误差小于10^-18。公式（13）可改写为

$\mathrm{\α}=\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_{\max }\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πD}}---\left(14\right)$

这种方法可以实现实时在线检测平行度，通过机械装置能够实现平面间平行度的高精度自动检测与调整。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.基于波长移相法检测平面间平行度的方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、计算机（1）控制驱动器（2）使可调谐激光器（3）发出的激光束经分束器（4）后被准直物镜（5）准直为平行光束，所述平行光束入射到半反半透平面（6）和全反射面（7）上，经过半反半透平面（6）和全反射平面（7）反射的光束再次经过准直物镜（5）和分束器（4）后被第二准直物镜（8）准直；所述准直光束被信息采集处理系统（9）采集；

步骤二、所述计算机（1）根据接收信息采集处理系统（9）采集的信号，采用四步平均算法逐点获得半反半透平面（6）和全反射平面（7）之间的倾斜量，并取倾斜量的最大值；

步骤三、将步骤二中获得的倾斜量的最大值代入公式

中，式中，α为半反半透平面（6）和全反射平面（7）间的平行度，

为视场内相位差的最大值，λ为激光器出射光束的波长，D为视场直径；获得半反半透平面（6）和全反射平面（7）间的平行度，判断所述平行度的值是否大于10-6弧度值，如果是，根据倾斜量的最大值调整全反射平面（7），执行步骤一，如果否，执行步骤四；

步骤四、计算机输出半反半透平面（6）和全反射平面（7）之间的平行度。

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