CN104359397B - 基于声光外差移相的准直镜后表面自标定共光路干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声光外差移相的准直镜后表面自标定共光路干涉仪，通过采用声光移频器外差干涉移相，有效避免干涉仪存在运动件，测量精度进一步提高，抗干扰性好，且研制难度与成本可以降低，尤其对于大口径面形的测量，相比机械驱动同样的优势更明显；同时，采用低频差外差干涉与高速面阵探测器连续采集，获得的信息量更丰富，更有利于精确解算相位，更有利于克服噪声等因素影响；另外，增加点衍射自标定光束，测量时用点衍射光预先标定参考镜，可以既降低了参考镜的精度要求，又提高了测量的精度，还降低了干涉仪研制的难度与成本。

Description

基于声光外差移相的准直镜后表面自标定共光路干涉仪

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于声光外差移相的准直镜后表面自标定共光路干涉仪。

背景技术

以深紫外光刻机投影曝光系统为代表的高端光学设备，对光学元件的加工、光学系统的集成提出了极大挑战。干涉仪作为高精度光学元件加工和光学系统集成不可或缺的核心检测设备，检测精度要求不断提高。

传统光学加工中采用的光学面形检测方法包括哈特曼传感器法、刀口法和轮廓法等。这些方法分别存在着非数字化需主观判读或接触损伤待测件等不同的缺点，且很难达到较高的测量精度，是简单测量方法。

干涉检测法早在百年前就已经被使用，属于非接触式测量，且具有大量程、高灵敏度、高精度等特点，在高精度检测时被广泛应用，其原理是一束光照射标准的参考平面作为参考光，另一束光照射被测面返回带有面形信息作为测量光，两束光干涉时由于光斑不同位置相位不同产生光程差从而产生弯曲的干涉条纹，即可判断待测面的面形起伏。直到1974年Bruning等人提出移相干涉技术，把通讯理论中同步相位探测技术引入到光学干涉术中，使得干涉检测球面面形的精度大大提高。其基本原理是经过四步或多步移动待测元件，以改变测试波和参考波之间的位相差，光强也随之改变，从而得到一系列的方程。最后，通过求解方程组得到待测元件(或系统)的位相值。移相干涉技术已经相当成熟，在光学检测领域具有不可替代的地位。

发明人在进行发明创造中发现现有技术主要存在如下缺陷：

1)用于球面检测的Twyman-Green型干涉检测系统：利用标准参考镜的反射波来获得所需的参考波前。来自激光器的光束经扩束系统准直扩束后，由分光板分为两部分：其中一部分平行光束通过分光板，并经标准镜会聚后由待测球面(其曲率中心位于标准镜焦点处)反射回来，该部分光束作为检测光；另一部分平行光束由分光板反射后再经标准参考镜反射回来，此部分光束作为参考光；参考光和检测光在分光板会合后，再经过成像系统,进而在CCD上得到干涉条纹；同时，该系统通过PZT移相器对标准参考镜进行微位移移相，来实现球面的多步移相检测。但是，该系统中测量光与参考光不共光路，对光路经过的每一个光学元件的面形精度要求高，而且易受震动等外界环境影响。

2)用于球面检测的Fizeau干涉检测系统：利用标准镜上的参考面(平面或球面)的反射波来获得所需的参考波前。经准直透镜准直后的输出光束经过一标准镜变成会聚光，其中部分光束由标准镜上的参考球面反射回来，作为参考光；而经过标准镜的透射光则由待测球面反射回来，作为检测光；反射回的参考光和检测光经分光板反射后，再通过成像系统在CCD探测器上得到干涉图；同时，该系统通过PZT移相器对标准镜进行移相，即可实现球面的多步移相检测。但是，该系统中由于采用机械移动作为移相方法，因此精度不够高，且成本高，研制难度大；尤其对大口径面形的测量，精密机械驱动精度降低，测量精度也随之降低。

3)波长移相斐索干涉仪。针对大口径面形的高精度移相检测，1999年前后提出的波长移相斐索干涉仪可以较好的解决了压电推动移相的困难；其波长移相干涉仪光路与上述Fizeau干涉检测系统相同，只是其中不用压电驱动机械移相，而是激光器既作为光源，其波长又可以连续改变，起到移相器的作用，不再需要推动器件实现移相，可以简化了干涉仪的机械结构；并且在测量中，大口径参考镜机械部分保持不动，消除了由于硬件移动引起的各种误差，来提高测量精度。但是，实际上波长调谐激光器内进行波长调谐也是通过压电机械推动或改变温度来改变谐振腔腔长，或通过机械旋转光栅等方法来改变激光波长，虽然需要驱动的元件在激光腔内，口径重量比参考镜要小，但仍不可避免机械运动或温度改变等手段造成的精度降低，并且可调谐激光器研制难度大，成本高；另外，可移相的步数有限，获得的信息少，准确度仍无法满足高精度测量需求。

另外，现有的某些共光路外差干涉仪，由于需要一块面形精度极高的参考镜作为标尺，参考镜的精度直接决定了最终的测量精度，而参考镜的制作难度与成本都极高，尤其对大口径的干涉仪，参考镜直接制约了干涉仪的口径和精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声光外差移相的准直镜后表面自标定共光路干涉仪，其具有较高的精度与较高的抗干扰的能力，且研制难度与成本较低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于声光外差移相的准直镜后表面自标定共光路干涉仪，包括：激光器、第一与第二偏振分光镜、第一、第二与第三声光频移器、第一与第二反射镜、合束镜、空间滤波器、点衍射光波生成装置、第一分光镜、准直镜、直角棱镜或第二分光镜、成像镜与面阵探测器；所述准直镜的最后一个面为平面；

其中，所述激光器的出射光依次经过第一与第二偏振分光镜分束为a、b与c三路光束，a光为第一偏振分光镜的反射光，b光为依次经过所述第一与第二偏振分光镜的穿透光，c光为第二偏振分光镜的反射光；所述a光依次经过第一反射镜与第一声光频移器后射入合束镜中；所述c光依次经过第二反射镜、第二声光频移器与可移动的角锥棱镜后射入所述合束镜中；所述a光与c光在合束镜中合束后依次经过空间滤波器与分光镜后射入准直镜中，其中一部分光通过所述准直镜最后的平面反射作为参考光，经由第一分光镜射入所述直角棱镜或第二分光镜中，另一部分光穿透所述准直镜射入待测样品并被反射作为测量光，依次通过所述准直镜与第一分光镜后射入所述直角棱镜或第二分光镜中；所述b光作为准直镜最后的平面的自标定光依次经过第三声光频移器、点衍射光波生成装置后射入所述直角棱镜或第二分光镜中；

射入所述直角棱镜或第二分光镜中的光束经直角棱镜折转，由成像镜进入面阵探测器形成具有空间相干性与时间相干性干涉条纹。

进一步的，所述激光器与第一偏振分光镜之间、所述第一与第二偏振分光镜之间，以及所述第三声光频移器与点衍射光波生成装置之间还分别设有一半波片。

进一步的，a光与c光合束后，其中的c光通过所述准直镜最后的平面反射作为参考光，a光则穿透所述准直镜射入待测样品并被反射作为测量光。

进一步的，所述激光器的出射光为短相干光，使a光到待测样品与c光到准直镜最后平面后返回的光分别作为测量光与参考光进行干涉，其光程差由c光往返角锥棱镜多走的光程来补偿，通过移动控制所述角锥棱镜的位置来控制适应不同光程差使其满足干涉条件，而其余的光束间光程差都会因大于出射光的相干长度而不发生干涉。

进一步的，所述空间滤波器包括：显微物镜与滤波针孔，光束依次经过所述显微物镜与滤波针孔进行完成空间滤波。

进一步的，所述点衍射光波生成装置包括：光纤耦合镜、单模保偏光纤与光纤头，或者显微物镜与点衍射孔；

若所述点衍射光波生成装置为光纤耦合镜、单模保偏光纤与光纤头，则光束依次经过所述光纤耦合镜、单模保偏光纤与光纤头后射入所述直角棱镜中，其中，所述光纤头与所述直角棱镜胶合在一起；

若所述点衍射光波生成装置为显微物镜与点衍射孔，则光束依次经过所述显微物镜与点衍射孔后射入所述第二分光镜中。

进一步的，所述b光经单模保偏光纤的光程与所述a光经所述准直镜最后的平面反射并通过所述分光镜后射入所述直角棱镜或第二分光镜中所走的光程长度相同。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用声光移频器外差干涉移相，有效避免干涉仪存在运动件，测量精度进一步提高，抗干扰性好，且研制难度与成本可以降低，尤其对于大口径面形的测量，相比机械驱动同样的优势更明显；同时，采用低频差外差干涉与高速面阵探测器连续采集，获得的信息量更丰富，更有利于精确解算相位，更有利于克服噪声等因素影响；另外，增加点衍射自标定光束，测量时用点衍射光预先标定参考镜，可以既降低了参考镜的精度要求，又提高了测量的精度，还降低了干涉仪研制的难度与成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于声光外差移相的准直镜后表面自标定共光路干涉仪的示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种基于声光外差移相的准直镜后表面自标定共光路干涉仪的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种基于声光外差移相的准直镜后表面自标定共光路干涉仪的示意图。如图1所示，其主要包括：

激光器、第一与第二偏振分光镜、第一、第二与第三声光频移器、第一与第二反射镜、合束镜、空间滤波器、点衍射光波生成装置、第一分光镜、准直镜、光纤头、直角棱镜或第二分光镜、成像镜与面阵探测器；所述准直镜为一片或一组镜片组成，其最后一个面设计为平面，下文中称之为准直镜最后的平面；

其中，所述激光器的出射光依次经过第一与第二偏振分光镜分束为a、b与c三路光束，a光为第一偏振分光镜的反射光，b光为依次经过所述第一与第二偏振分光镜的穿透光，c光为第二偏振分光镜的反射光；所述a光依次经过第一反射镜与第一声光频移器后射入合束镜中；所述c光依次经过第二反射镜、第二声光频移器与可移动的角锥棱镜后射入所述合束镜中；所述a光与c光在合束镜中合束后依次经过空间滤波器与分光镜后射入准直镜中，其中一部分光通过所述准直镜最后的平面反射作为参考光，经由第一分光镜射入所述直角棱镜或第二分光镜中，另一部分光穿透所述准直镜射入待测样品并被反射作为测量光，依次通过所述准直镜与第一分光镜后射入所述直角棱镜或第二分光镜中；所述b光作为所述准直镜最后的平面的自标定光依次经过第三声光频移器点衍射光波生成装置后射入所述直角棱镜或第二分光镜中；

射入所述直角棱镜或第二分光镜中的光束经直角棱镜折转，由成像镜进入面阵探测器形成具有空间相干性与时间相干性干涉条纹。

进一步的，所述激光器与第一偏振分光镜之间、所述第一与第二偏振分光镜之间，以及所述第三声光频移器与点衍射光波生成装置之间还分别设有一半波片。

进一步的，a光与c光合束后，其中的c光通过所述准直镜最后的平面反射作为参考光，a光则穿透所述准直镜射入待测样品并被反射作为测量光。

进一步的，所述激光器的出射光为短相干光，通过将出射光的相干长度设为仅使a光到待测样品与c光到准直镜最后的平面后返回的光分别作为测量光与参考光进行干涉，其光程差由c光往返角锥棱镜多走的光程来补偿，通过移动控制所述角锥棱镜的位置来控制适应不同光程差使其满足干涉条件，而其余的光束间光程差都会因大于出射光的相干长度而不发生干涉。

进一步的，所述空间滤波器包括：显微物镜与滤波针孔，光束依次经过所述显微物镜与滤波针孔进行完成空间滤波。

进一步的，所述点衍射光波生成装置可以包括图1所示的光纤耦合镜、单模保偏光纤与光纤头，也可以包括如图2所示的显微物镜与点衍射孔；

若所述点衍射光波生成装置为图1所示的光纤耦合镜、单模保偏光纤与光纤头，则光束依次经过所述光纤耦合镜、单模保偏光纤与光纤头后射入所述直角棱镜中，其中，所述光纤头与所述直角棱镜胶合在一起；

若所述点衍射光波生成装置为图2所示的显微物镜与点衍射孔，则光束依次经过所述显微物镜与点衍射孔后射入所述第二分光镜中。

进一步的，所述b光经单模保偏光纤的光程与所述a光经所述准直镜最后的平面反射并通过所述分光镜后射入所述直角棱镜中所走的光程长度相同。

本发明实施例中，所述的三个声光频移器可以改变激光频率，三个声光移频器的移频量不同，且移频后两两光束差频也不相同，均为几赫兹或几十赫兹量级的低差频，使其可以用现有帧频的面阵探测器探测其频差。

本发明实施例中的为了避免a光与c光经过准直镜与待测样品面前后分别反射回的光产生多种相互干涉引起干扰，采用的激光光源为短相干光(相干长度为数毫米到数十厘米)，根据待测件的焦距、摆放位置等参数，设定出射光的相干长度仅使a光到待测样品与c光到准直镜最后的平面后返回的光分别作为测量光与参考光进行干涉，其光程差由c光往返角锥棱镜多走的光程来补偿，移动控制角锥棱镜的位置即可控制适应不同光程差使其满足干涉条件，而其余的光束间光程差都会因大于激光相干长度而不发生干涉。由于存在频差，条纹不仅具有空间相干性还具有时间相干性，用面阵探测器记录一段时间的干涉条纹变化，利用傅里叶变换等方法可以解调反演出待测样品表面相对于所述准直镜最后的平面的面形结果。

本发明实施例还引入了第三束移频光(即b光)作为该准直镜最后的平面的自标定光；以使用图1所示的点衍射光波生成装置为例，b光进入光纤耦合镜耦合至单模保偏光纤，由于光纤芯径很小，从光纤另一端出射的光束相当于经过了空间滤波的点衍射出射光，这样的点衍射光波前面形质量很好，很容易超过现有该准直镜最后的平面的面形精度(一般λ/20)很多倍，用此束点衍射光作为参考来自标定该准直镜最后的平面，可以使此类干涉仪中平面镜的面形精度要求大大降低，且测量精度有所提高，特别适用于大口径干涉仪，理论上测量精度为点衍射光的波前精度。从光纤头处出射的点衍射光经直角棱镜与另两束光(参考光与测量光)合束一同进入面阵探测器。所述b光经单模保偏光纤的长度设计为与a光经该准直镜最后的平面反射所走的光程长度相同，这样在探测器上将产生第二组干涉条纹(a光到平晶面的返回光与b光产生的干涉)，探测一定时间的干涉条纹再针对这两束光(即a光到平晶面的返回光与b光产生的干涉)的频差经过解调反演即可得到该准直镜最后的平面的面形、系统光路初始误差、测量环境因素等系统空腔测量综合误差。将其从a、c两光测得的样品相对该准直镜最后的平面的面形中扣除，即得到准确的样品面形结果。在每次对样品测量时都进行自标定并扣除，可以抑制每次测量因测量条件变化引起的误差。

另外，本发明实施例中两组干涉条纹可以同时测量，由于频差不同，从一组信号中即可分别提取出不同的干涉信息，互不干扰，进一步抑制了两组测量在不同条件下测量引起的误差。具体的解调反演原理如下所述：

设移频后两束光(前述任意一组中的两束光均可)的频率分别为ν₁和ν₂，频差ν₁-ν₂为赫兹或几十赫兹量级，高速面阵探测器采用数百赫兹量级，因此可以准确探测外差的拍频信号。设两束光的光强都为E，则高速面阵探测器上一点采集的随时间t变化的干涉信号S(t)表示为：

其中，L为测量光束往返待测表面时相对于参考光多走的光程，R为待测面粗糙的起伏量，c为光速。高速面阵探测器的一点对应待测面上的一个点，高速面阵探测器连续采集一组面阵照片，即为一组数据立方，对应相同每一点的值抽取出来为一余弦周期信号，即为S(t)的形式。由信号形式可以看出，不同点由于粗糙起伏的R值不同，造成相机上对应点探测的信号相位不同。利用傅里叶分析或其它数据处理方法可解算每点出信号的相位，即可获得待测表面的起伏量，针对不同频率的傅里叶分析即可分别获得不同的干涉信息，分别计算每相邻点的R值之差就可复原出待测面形。

本发明实施例采用低频差声光移频器进行移相代替机械移相，两路光声光移频产生连续的精确的外差干涉信号，解决机械移动误差大的问题；且获得的移相步数多，探测信息量大，可进一步提高测量精度；并在采用声光外差干涉的同时，又采用改进的共光路方案，进一步提高抗干扰的能力，同时降低系统光路自身误差的影响；另外，采用点衍射光自标定方法在每次测量时都首先测出该测量条件下系统空腔测量综合误差并予以扣除，不仅降低了参考平面镜的面形精度要求与测量环境要求，还提高了待测样品面的测量精度，也正是由于采用声光移相方法，使得两种测量一次探测即可同时实现，抑制多次测量中因测量条件变化而引入的误差。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于声光外差移相的准直镜后表面自标定共光路干涉仪，其特征在于，包括：激光器、第一与第二偏振分光镜、第一、第二与第三声光频移器、第一与第二反射镜、合束镜、空间滤波器、点衍射光波生成装置、第一分光镜、准直镜、直角棱镜或第二分光镜、成像镜与面阵探测器；所述准直镜的最后一个面为平面；

其中，所述激光器的出射光依次经过第一与第二偏振分光镜分束为a、b与c三路光束，a光为第一偏振分光镜的反射光，b光为依次经过所述第一与第二偏振分光镜的穿透光，c光为第二偏振分光镜的反射光；所述a光依次经过第一反射镜与第一声光频移器后射入合束镜中；所述c光依次经过第二反射镜、第二声光频移器与可移动的角锥棱镜后射入所述合束镜中；所述a光与c光在合束镜中合束后依次经过空间滤波器与第一分光镜后射入准直镜中，其中一部分光通过所述准直镜最后的平面反射作为参考光，经由第一分光镜射入所述直角棱镜或第二分光镜中，另一部分光穿透所述准直镜射入待测样品并被反射作为测量光，依次通过所述准直镜与第一分光镜后射入所述直角棱镜或第二分光镜中；所述b光作为准直镜最后的平面的自标定光依次经过第三声光频移器、点衍射光波生成装置后射入所述直角棱镜或第二分光镜中；

射入所述直角棱镜或第二分光镜中的光束，由成像镜进入面阵探测器形成具有空间相干性与时间相干性干涉条纹。

2.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述激光器与第一偏振分光镜之间、所述第一与第二偏振分光镜之间，以及所述第三声光频移器与点衍射光波生成装置之间还分别设有一半波片。

3.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，a光与c光合束后，其中的c光通过所述准直镜最后的平面反射作为参考光，a光则穿透所述准直镜射入待测样品并被反射作为测量光。

4.根据权利要求3所述的干涉仪，其特征在于，所述激光器的出射光为短相干光，使a光到待测样品与c光到准直镜最后平面后返回的光分别作为测量光与参考光进行干涉，其光程差由c光往返角锥棱镜多走的光程来补偿，通过移动控制所述角锥棱镜的位置来控制适应不同光程差使其满足干涉条件，而其余的光束间光程差都会因大于出射光的相干长度而不发生干涉。

5.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述空间滤波器包括：显微物镜与滤波针孔，光束依次经过所述显微物镜与滤波针孔进行空间滤波。

6.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述点衍射光波生成装置包括：光纤耦合镜、单模保偏光纤与光纤头，或者显微物镜与点衍射孔；

若所述点衍射光波生成装置为光纤耦合镜、单模保偏光纤与光纤头，则光束依次经过所述光纤耦合镜、单模保偏光纤与光纤头后射入所述直角棱镜中，其中，所述光纤头与所述直角棱镜胶合在一起；

若所述点衍射光波生成装置为显微物镜与点衍射孔，则光束依次经过所述显微物镜与点衍射孔后射入所述第二分光镜中。

7.根据权利要求6所述的干涉仪，其特征在于，所述b光经单模保偏光纤的光程与所述a光经所述准直镜最后的平面反射并通过所述分光镜后射入所述直角棱镜或第二分光镜中所走的光程长度相同。