CN111207844B - 双侧多重平面倾斜波面干涉仪及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种双侧多重平面倾斜波面干涉仪，系统包括光源模块、第一干涉仪主机、第二干涉仪主机、双面标准平板、双面标准平板调整架、被测非透明平板元件、单点厚度测量传感器、控制处理单元；所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机均为多重平面倾斜波面干涉仪，通过点源阵列发生器出射多个方向的平行测量光进行被测非透明平板元件的双侧形貌及厚度测量，本发明具有测量动态范围大、测量精度与效率高、相移方式灵活，系统误差可原位标定的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量、半导体技术领域，具体为一种用于非透明平板元件，如硅片的表面形貌与厚度分布测量的双侧多重平面倾斜波面干涉仪及其检测方法。
背景技术
硅片是半导体技术领域的重要材料，也是一种特殊的可见光非透明平板光学元件，通过硅片形貌检测，能够计算硅片应力，实现光刻图形面内畸变(IPD，In planedistortion)的精确预测，提高光刻套刻精度。通过进行双侧表面形貌的同时检测，能够得到硅片的厚度分布，用于硅片制造、硅片抛光等。
因此，硅片的表面形貌与厚度分布检测设备是半导体工艺流程中的重要设备。形貌与厚度测量具有不同的应用场景，该类型设备可以兼顾两种功能，也可以仅测量单侧表面形貌。
其他非透明平板元件，如磁盘盘片、标准量块等也有类似形貌和厚度测量需求。
电容传感器是测量硅片形貌和厚度的主流传感器之一，为单点测量，通过扫描实现硅片全口径测量。但检测空间分辨率和检测精度均受限，难以检测局部高空间分辨率形貌，及应用至IPD补偿。
为了追求超高精度测量，KLA公司采用双侧Fizeau干涉仪同时进行硅片正反面测量，见在先技术1(Klaus Freischlad,Shouhong Tang,and Jim Grenfell"Interferometryfor wafer dimensional metrology",Proc.SPIE 6672,667202，2007)。在先技术1提高了硅片Flatness、Warp等参数的检测精度。
但是，随着在硅片上工艺层数的增加，硅片会存在较大的翘曲，使得硅片表面形貌超出了Fizeau干涉仪的单次测量动态范围，为了解决该问题，在先技术2(United StatesPatent 7847954B2,Measuring the shape and thickness variation of a wafer withhigh slopes，2008)在上述在先技术1的基础上，在测量过程中多次倾斜被测硅片，每次测量硅片在一部分倾斜角度的形貌，然后进行数据拼接实现全部形貌的检测，扩大了动态范围；或者在上述在先技术1的基础上，采用子孔径拼接技术，每次仅测量被测硅片的一部分形貌，通过子孔径拼接技术实现全口径测量，也扩大了测量动态范围，见在先技术3(UnitedStates Patent 8068234B2,Method and apparatus for measuring shape or thicknessinformation of a substrate，2009)。在先技术2和在先技术3虽然增大了测量动态范围，却牺牲了测量效率，降低了测量速度，影响系统产率；并且，测量过程的延长，也会影响干涉仪的检测精度。
为了在提高测量动态范围的同时，提高测量效率，在先技术4(United StatesPatent 7369251B2,Full-field optical measurements of surface properties ofpanels,substrates and wafers,2004)和在先技术5(United States PatentApplications20140293291A1,Wafer Shape and Thickness Measurement SystemUtilizing Shearing Interferometers，2014)采用剪切干涉仪进行硅片形貌测量。但是，一方面，由于干涉仪光学系统接收光的角度范围增大，导致测量系统误差增大，且难以标定，因此系统检测精度难以保证。另一方面，剪切干涉仪检测空间分辨率和信噪比与剪切量相关，也难以同时保证检测空间分辨率和信噪比。
因此，在实现高的检测精度的前提下，扩大测量动态范围，并提高测量效率，是现有硅片等平板元件形貌与厚度检测技术待解决的一个问题。
非零位检测是增大干涉仪测量动态范围的一种有效手段。在先技术6(EugenioGarbusi,Christof Pruss,and Wolfgang Osten,"Interferometer for precise andflexible asphere testing,"Opt.Lett.33,2973-2975(2008)；Johannes Schindler,Goran Baer,Christof Pruss,and Wolfgang Osten"The tilted-wave-interferometer:freeform surface reconstruction in a non-null setup",Proc.SPIE 9297,92971R,2014)提出了一种多重倾斜波面干涉仪，该干涉仪是一种双光路干涉仪，干涉仪包括点源阵列发生器，使得干涉仪具有不同倾斜角度输出的波面，点源阵列发生器中包含可调光阑掩模，使得仅有空间位置相间隔的点源能够同时通光，通过调节可调光阑掩模分别位于四个位置，切换四组通光的点源位置，实现不同组合倾斜角度的波面输出，使得不同角度输出的光波产生的干涉条纹不会重合，且覆盖了全部倾斜角度范围，通过数据拼接实现全口径大动态范围检测。该方法检测过程中，被测样品不需要移动，仅需干涉仪不同组合倾斜角度的波面输出组合切换四次，因此测量速度快。多重倾斜波面干涉仪也提出了一套采用球面镜标定不同点源位置干涉仪光学系统的系统误差，然后进行系统误差建模的方法，提高了检测精度，见在先技术7(Goran Baer,Johannes Schindler,Christof Pruss,JensSiepmann,and Wolfgang Osten,"Calibration of a non-null test interferometerfor the measurement of aspheres and free-form surfaces,"Opt.Express 22,31200-31211(2014))和在先技术8(沈华，基于多重倾斜波面的光学自由曲面非零位干涉测量关键技术研究，南京理工大学博士学位论文，2014.)。因此该方法在一定程度上兼顾了检测动态范围、检测精度和检测效率。在先技术9(李小柳，沈华，李嘉等，倾斜波面干涉仪中光纤阵列型点源阵列发生器的光程误差标定方法，光学学报，38(05):118-123，2018)采用光纤阵列作为点源阵列发生器，在先技术10(基于空间光调制器的点光源阵列发生器及其获得方法，中国发明专利申请201811197087.0)采用空间光调制器作为点源阵列发生器，使得点源阵列的产生更加灵活。
在先技术6～10均面向非球面和自由曲面光学元件检测，多重倾斜波面干涉仪输出光为不同聚焦点的球面波，不适合检测平板元件的表面形貌；所提出的系统误差建模方法也采用测量位于不同位置的标准球面镜作为标定数据来源，不适合平板元件的检测；多重倾斜波面干涉测量技术应用于非透明平板元件表面形貌与厚度分布测量也需要解决干涉仪系统误差周期性原位标定，干涉仪相移方式等一系列技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种双侧多重平面倾斜波面干涉仪及其检测方法，实现硅片等非透明平板元件的双侧表面形貌与厚度分布的高精度、大动态范围、高效率测量，并实现双侧多重平面倾斜波面干涉仪系统误差的原位标定。
本发明的技术解决方案如下：
一种双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，系统包括光源模块、第一干涉仪主机、第二干涉仪主机、双面标准平板、双面标准平板调整架、被测非透明平板元件、单点厚度测量传感器、控制处理单元，所述的双面标准平板不透光，其前表面和后表面均为标准平面；
所述的光源模块输出两路光，分别输入第一干涉仪主机和第二干涉仪主机；所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机均为多重平面倾斜波面干涉仪，且所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机的出射口相对放置，所述的第一干涉仪主机的出射光路和第二干涉仪主机的出射光路的重合部分称为系统测量光路；
所述的光源模块输出两路光分别输入所述的多重平面倾斜波面干涉仪后，均经干涉仪入射分束器分为两路，分别为干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路；所述的干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路的光强比例可调；所述的干涉仪内部参考光路上有相移器或可调光延迟线，或者，所述的干涉仪内部测量光路上有相移器或可调光延迟线；所述的干涉仪内部测量光路上有点源阵列发生器，点源阵列发生器的每一个点源发出的发散光束经过出射准直镜准直为不同方向的平面光波后从所述的多重平面倾斜波面干涉仪的出射口出射；将所述的出射准直镜的光轴称为多重平面倾斜波面干涉仪的出射光轴；第一干涉仪主机的出射光轴与第二干涉仪主机的出射光轴重合；
在标定所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪系统误差时，所述的双面标准平板放置在系统测量光路内，所述的双面标准平板的前后表面均为被测面；在测量所述的被测非透明平板元件的表面形貌时，所述的被测非透明平板元件放置在系统测量光路内，被测非透明平板元件的前后表面均为被测面，且其中一个被测面与第一干涉仪主机或第二干涉仪主机的出射光轴垂直；
在同一时间所述的双面标准平板和被测非透明平板元件仅有一个作为被测件位于系统测量光路中，所述的第一干涉仪主机的出射光入射至被测件的前表面，其反射光返回第一干涉仪主机，与第一干涉仪主机内部的参考光干涉，所述的第二干涉仪主机的出射光入射至被测件的后表面，其反射光返回第二干涉仪主机，与第二干涉仪主机内部的参考光干涉；
所述的单点厚度测量传感器用于测量所述的被测非透明平板元件单点的厚度；
所述的控制处理单元分别与所述的光源模块、第一干涉仪主机、第二干涉仪主机和单点厚度测量传感器相连。
所述的光源模块包括光源和光源分束器，光源分束器将光源输出光分为两路，分别输入第一干涉仪主机和第二干涉仪主机；或者所述的光源模块包括两个光源，两个光源的输出光分别输入第一干涉仪主机和第二干涉仪主机。
所述的光源是高相干激光器，或者波长可调谐激光器；所述的光源输出光通过自由空间传输，或者通过单模光纤或保偏光纤传输。
所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机输出相互正交的偏振光，使得任一干涉仪主机出射光不会进入另一个干涉仪主机内部，或者进入另一个干涉仪主机内部后不会与另一个干涉仪主机内部的参考光干涉。
所述的多重平面倾斜波面干涉仪的光源模块输出的两路光均为线偏振光，所述的干涉仪内部测量光路上点源阵列发生器出射的发散光完全通过偏振分束器后，入射至四分之一波片，四分之一波片的快慢轴与入射其上的线偏光偏振方向成45度角，通过四分之一波片的光转换为圆偏光，最后经出射准直镜准直后出射，所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机内部的四分之一波片成90度角，出射的圆偏光相互正交。
所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部测量光路上有出射检偏器，所述的干涉仪内部参考光路上有光探测检偏器，所述的光探测检偏器的检偏方向与所述的出射检偏器的检偏方向相同，所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机内部的出射检偏器的检偏方向相互垂直。
所述的双面标准平板安装在双面标准平板调整架上，双面标准平板调整架包含一个线性调节轴，和两个倾斜调节轴；所述的线性调节轴将双面标准平板移出或移入系统测量光路，所述的两个倾斜调节轴调节双面标准平板相对于第一干涉仪主机或第二干涉仪主机的出射光轴的倾斜角。
所述的系统测量光路沿水平方向，即双面标准平板或被测非透明平板元件沿竖直方向放置入系统测量光路。
所述的干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路是自由空间光路，或光纤光路与自由空间光路的组合。
所述的单点厚度测量传感器是电容传感器，或光学测距传感器。
所述的输入多重平面倾斜波面干涉仪的光为线偏光，输入线偏光经过干涉仪入射分束器后分为两路，所述的干涉仪入射分束器为偏振分束器，入射至干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路的光为偏振态互相垂直的线偏光；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部测量光路上，光依次通过第一衰减器，点源阵列发生器耦合光学系统，输入至点源阵列发生器，产生可切换的点源阵列，点源阵列出射的发散光完全通过偏振分束器后，入射至四分之一波片，四分之一波片的快慢轴与入射其上的线偏光偏振方向成45度角，通过四分之一波片的光转换为圆偏光，最后经出射准直镜准直后出射；出射光被双面标准平板或被测非透明平板元件的被测面反射，反射光被出射准直镜汇聚，再次通过四份之一波片后，偏振态转换为与干涉仪内部测量光路入射光垂直方向的线偏光，然后被偏振分束器完全反射，聚焦在孔径光阑处，由接收准直镜准直后，再由接收分束器分光，入射至面阵相机的光敏面；所述的接收分束器为非偏振分束器；所述的出射准直镜和接收准直镜组成成像系统，将双面标准平板或被测非透明平板元件的被测面成像至面阵相机的光敏面；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部参考光路上，光通过第二衰减器和相移器后，由扩束准直镜准直为平行光，通过接收分束器后，入射至面阵相机的光敏面，与干涉仪内部测量光路入射至面阵相机光敏面的光干涉，干涉信号由面阵相机接收；所述的干涉仪内部参考光路入射至面阵相机光敏面的光斑大小与干涉仪内部测量光路入射至面阵相机光敏面的光斑大小匹配；
所述的干涉仪入射分束器与第一衰减器、点源阵列发生器耦合光学系统之间的光路连接，以及干涉仪入射分束器与第二衰减器、相移器、扩束准直镜之间的光路连接，是保偏光纤光路或自由空间光路；
所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机内部的四分之一波片成90度角，出射的圆偏光相互正交；
所述的相移器调制干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路之间的光程差，产生所需要的相移量；所述的相移器位于第二衰减器之前或之后；所述的相移器也可以不在干涉仪内部参考光路上，而在干涉仪内部测量光路上，位于第一衰减器之前或之后。
所述的输入多重平面倾斜波面干涉仪的光为线偏光，输入线偏光经过第一可旋转半波片，入射至干涉仪入射分束器，分为两路；所述的干涉仪入射分束器为偏振分束器，入射至干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路的光为偏振态互相垂直的线偏光；通过调节第一可旋转半波片的旋转角度，调节入射至干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路的光强比例；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部测量光路上，光通过点源阵列发生器耦合光学系统，输入至点源阵列发生器，产生可切换的点源阵列，点源阵列出射的发散光完全通过偏振分束器后，入射至四分之一波片，四分之一波片的快慢轴与入射其上的线偏光偏振方向成45度角，通过四分之一波片的光转换为圆偏光，最后经出射准直镜准直后出射；出射光被双面标准平板或被测非透明平板元件的被测面反射，反射光被出射准直镜汇聚，再次通过四份之一波片后，偏振态转换为与干涉仪内部测量光路入射光垂直方向的线偏光，然后被偏振分束器完全反射，聚焦在孔径光阑处，由接收准直镜准直后，再由接收分束器分光，入射至面阵相机光敏面；所述的接收分束器为非偏振分束器；所述的出射准直镜和接收准直镜组成成像系统，将双面标准平板或被测非透明平板元件的被测面成像至面阵相机光敏面；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部参考光路上，光通过可调光延迟线后，由扩束准直镜准直为平行光，再依次通过第二可旋转半波片和光探测检偏器，所述的光探测检偏器的检偏方向与干涉仪内部测量光路入射至面阵相机光敏面的光的偏振方向相同，光束继续传输，通过接收分束器后，入射至面阵相机光敏面，与干涉仪内部测量光路入射至面阵相机光敏面的光干涉，干涉信号由面阵相机接收；所述的干涉仪内部参考光路入射至面阵相机光敏面的光斑大小与干涉仪内部测量光路入射至面阵相机光敏面的光斑大小匹配；通过调节第二可旋转半波片的旋转角度，调节干涉仪内部参考光路入射至面阵相机光敏面的光强；通过调节所述的可调光延迟线，调节干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路之间的光程差，从而通过调节所述的光源的波长，产生所需要的相移量；
所述的第一可旋转半波片、干涉仪入射分束器、点源阵列发生器耦合光学系统之间的光路连接，以及干涉仪入射分束器与可调光延迟线、扩束准直镜之间的光路连接，是保偏光纤光路或自由空间光路；
所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机内部的四分之一波片成90度角，出射的圆偏光相互正交；
所述的可调光延迟线也可以不在干涉仪内部参考光路上，而在干涉仪内部测量光路上，位于干涉仪入射分束器之后。
所述的输入多重平面倾斜波面干涉仪的光为线偏光，输入线偏光经过第一可旋转半波片，入射至干涉仪入射分束器，分为两路；所述的干涉仪入射分束器为偏振分束器，入射至干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路的光为偏振态互相垂直的线偏光；通过调节第一可旋转半波片的旋转角度，调节入射至干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路的光强比例；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部测量光路上，光通过点源阵列发生器耦合光学系统，输入至点源阵列发生器，产生可切换的点源阵列，点源阵列出射的发散光完全通过偏振分束器后，入射至四分之一波片，四分之一波片的快慢轴与入射其上的线偏光偏振方向成45度角，通过四分之一波片的光转换为圆偏光，最后经出射准直镜准直后出射；出射光被双面标准平板或被测非透明平板元件的被测面反射，反射光被出射准直镜汇聚，再次通过四份之一波片后，偏振态转换为与干涉仪内部测量光路入射光垂直方向的线偏光，然后被偏振分束器完全反射，聚焦在孔径光阑处，由接收准直镜准直后，再通过光探测检偏器，入射至面阵相机光敏面；所述的出射准直镜和接收准直镜组成成像系统，将双面标准平板或被测非透明平板元件的被测面成像至面阵相机光敏面；所述的光探测检偏器的检偏方向与干涉仪内部测量光路入射至光探测检偏器的光的偏振方向之间的夹角为45度，或在0度与90度之间的其他角度；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部参考光路上，光通过相移器后，通过第二可旋转半波片调节偏振方向，然后由变换镜转换为聚焦光束，透过偏振分束器后，聚焦在孔径光阑处，由接收准直镜准直后，再通过光探测检偏器，入射至面阵相机光敏面，与干涉仪内部测量光路入射至面阵相机光敏面的光干涉，干涉信号由面阵相机接收；所述的干涉仪内部参考光路入射至面阵相机光敏面的光斑大小与干涉仪内部测量光路入射至面阵相机光敏面的光斑大小匹配；通过调节第二可旋转半波片的旋转角度，调节干涉仪内部参考光路入射至面阵相机光敏面的光强；所述的相移器调制干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路之间的光程差，产生所需要的相移量；
所述的干涉仪入射分束器与点源阵列发生器耦合光学系统之间的光路连接，以及干涉仪入射分束器与相移器、第二可旋转半波片、变换镜之间的光路连接，是保偏光纤光路或自由空间光路；
所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机内部的四分之一波片成90度角，出射的圆偏光相互正交；
所述的相移器位于第二可旋转半波片之前或之后；所述的相移器也可以不在干涉仪内部参考光路上，而在干涉仪内部测量光路上，位于干涉仪入射分束器之后。
所述的输入多重平面倾斜波面干涉仪的光经过干涉仪入射分束器后分为两路，所述的干涉仪入射分束器为非偏振分束器；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部测量光路上，光依次通过第一衰减器，点源阵列发生器耦合光学系统，输入至点源阵列发生器，产生可切换的点源阵列，点源阵列出射的发散光向前传输部分透过出射非偏振分束器及出射检偏器，最后经出射准直镜准直后出射；出射光被双面标准平板或被测非透明平板元件的被测面反射，反射光被出射准直镜汇聚，再次通过出射检偏器，然后被出射非偏振分束器部分反射，聚焦在孔径光阑处，由接收准直镜准直后，再由接收分束器分光，入射至面阵相机光敏面；所述的接收分束器为非偏振分束器；所述的出射准直镜和接收准直镜组成成像系统，将双面标准平板或被测非透明平板元件的被测面成像至面阵相机光敏面；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部参考光路上，光通过第二衰减器和相移器后，由扩束准直镜准直为平行光，部分通过光探测检偏器和接收分束器后，入射至面阵相机光敏面，与干涉仪内部测量光路入射至面阵相机光敏面的光干涉，干涉信号由面阵相机接收；所述的光探测检偏器的检偏方向与所述的出射检偏器的检偏方向相同，使得干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路入射至面阵相机光敏面的光的偏振态相同；所述的干涉仪内部参考光路入射至面阵相机光敏面的光斑大小与干涉仪内部测量光路入射至面阵相机光敏面的光斑大小匹配；
所述的干涉仪入射分束器与第一衰减器、点源阵列发生器耦合光学系统之间的光路连接，以及干涉仪入射分束器与第二衰减器、相移器、扩束准直镜之间的光路连接，是单模光纤光路或自由空间光路；
所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机内部的出射检偏器的检偏方向相互垂直；
所述的相移器调制干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路之间的光程差，产生所需要的相移量；所述的相移器位于第二衰减器之前或之后；所述的相移器也可以不在干涉仪内部参考光路上，而在干涉仪内部测量光路上，位于第一衰减器之前或之后。
所述的点源阵列发生器包括沿光传输方向依次放置的透镜阵列，针孔阵列，和可调光阑阵列，所述的可调光阑阵列对针孔阵列中通光的针孔进行切换；所述的点源阵列发生器耦合光学系统是与透镜阵列的输入口径相匹配的扩束准直光学系统。
所述的点源阵列发生器包括光纤阵列，光纤阵列输出数值孔径变换镜和二维平移台；所述的光纤阵列的每一根光纤的输出端面即一个点源，通过光纤阵列输出数值孔径变换镜调整光纤输出光的数值孔径，并聚焦在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的出射准直镜的前焦面上；光纤阵列和光纤阵列输出数值孔径变换镜由所述的二维平移台承载，并进行位置调整，从而切换点源阵列的位置；所述的光纤阵列中的光纤是单模光纤或保偏光纤；所述的点源阵列发生器耦合光学系统是光纤耦合器。
采用所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪进行被测非透明平板元件的双侧表面形貌与厚度分布检测的方法，其特征在于包括下列步骤：
1)标定或读取所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪系统误差数据：将所述的双面标准平板移入系统测量光路，调节双面标准平板(3)相对于第一干涉仪主机(2A)或第二干涉仪主机(2B)的出射光轴的倾斜角，从而采样遍历所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪倾斜角测量范围内在X方向和Y方向的倾斜角组合(α,β)；采样遍历的密度为点源阵列发生器的每个点源出射的光能够至少进行一次全口径干涉测量；每个采样倾斜角状态下，所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪进行一次测量并保存测量结果；根据所有测量结果建模获得所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机在不同倾斜角情况下的系统误差Wsys_tilt(α,β)_1和Wsys_tilt(α,β)_2；然后将所述的双面标准平板移出系统测量光路；系统误差作为系统常数保存，并在系统重新标定时更新，一般测量过程中直接读取已保存的系统误差数据；
2)采用所述的单点厚度测量传感器进行被测非透明平板元件单点厚度测量，记录厚度测量值t0，和所测量的坐标位置(x0,y0)；
3)测量被测非透明平板元件双侧形貌：将所述的被测非透明平板元件放置入系统测量光路，其中一个被测面与第一干涉仪主机或第二干涉仪主机的出射光轴垂直；配置所述的点源阵列发生器，至少切换4种通光点源位置组合，控制相移器进行相移，或者控制光源进行波长调谐产生相移，获得至少4组形貌测量数据，每组测量结果会对应被测非透明平板元件的不同位置且存在重合区域；去除形貌测量数据中包含的系统误差后进行数据拼接，获得最终的形貌测量结果，第一干涉仪主机的测量结果即被测非透明平板元件的前表面测量结果Wf，第二干涉仪主机的测量结果即被测非透明平板元件的后表面测量结果Wb；
4)采用下式计算被测非透明平板元件的厚度分布T(x,y)，
T(x,y)＝Wf-Wb+t0-[Wf(x0,y0)-Wb(x0,y0)]。
本发明的技术原理是：一般的Fizeau干涉仪或泰曼格林干涉仪仅输出一束平行光作为测量光，当被测表面面形梯度太大时，返回光的角度超出干涉仪的可接收数值孔径，或者干涉条纹太密，导致无法测量面形梯度过大的表面，系统测量动态范围受到影响，另外干涉仪接收数值孔径太大时，系统误差很难控制，影响系统测量精度；所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机均为多重平面倾斜波面干涉仪，多重平面倾斜波面干涉仪输出多束不同方向的平行光，不同方向的平行光测量不同面形梯度的被测区域；在同一测量中，点源阵列发生器中同时通光的点源不存在重合的数值孔径测量范围，因此，不同点源的测量数据不会相互干扰；切换点源阵列发生器中的通光点源位置，可以覆盖全部测量数值孔径范围，并且不同组之间有重合区域，可通过数据拼接获得全口径测量结果；所述的系统测量光路沿水平方向，即双面标准平板或被测非透明平板元件沿竖直方向放置入系统测量光路，可以消除被测非透明平板元件重力变形对测量结果的影响；多重倾斜波面干涉仪的测量原理，系统误差建模、点源阵列发生器的切换可参见在先技术6～10。
本发明的技术效果是：
1)多重平面倾斜波面干涉仪输出多束不同方向的平行光，增大了系统的测量动态范围，测量面形误差较大的平面光学元件，最少仅需要切换4次点源阵列发生器中的通光点源位置，即可实现全口径测量，测量效率高，相比Fizeau干涉仪，大大提高了有图形硅片等具有较大弯曲的被测非透明平板元件的测量产率；
2)同时进行双侧测量，配合单点厚度测量传感器，实现了被测非透明平板元件双侧表面形貌与厚度分布的检测；所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机输出光的偏振态正交，互相出射的光不影响另一干涉仪主机的测量；由于多重平面倾斜波面干涉仪有较大的数值孔径接收范围，被测非透明平板元件放置入系统测量光路时，相比双侧Fizeau干涉仪，可以有较大倾斜角度容差范围，可以简化系统机械结构，也可以实现具有较大楔角的被测非透明平板元件双侧表面形貌和厚度的同时测量；
3)点源阵列中每个点源产生干涉图对应的数值孔径范围不高，可以对每个点源分别标定系统误差，提高了检测精度；系统中有双面标准平板和双面标准平板调整架，能够实现系统误差的原位标定，从而对系统误差进行周期性校准，提高检测精度；
4)系统可以利用相移器或光源的波长调谐产生相移，结构灵活，测量精度高；相移方式与测量口径无关，当测量口径较大时，降低了系统成本，提高了系统的稳定性；
5)多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路的光强比例可以调节，因此可以对任意反射率的表面进行高干涉对比度测量，提高信噪比，从而提高检测精度。
附图说明
图1为所发明的双侧多重平面倾斜波面干涉仪的示意图。
图2为所发明的多重平面倾斜波面干涉仪第一个实施例的示意图。
图3为所发明的多重平面倾斜波面干涉仪第二个实施例的示意图。
图4为所发明的多重平面倾斜波面干涉仪第三个实施例的示意图。
图5为所发明的多重平面倾斜波面干涉仪第四个实施例的示意图。
图6为所发明的点源阵列发生器第一个实施例的示意图。
图7为所发明的点源阵列发生器第二个实施例的示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为所发明的双侧多重平面倾斜波面干涉仪的示意图，系统包括光源模块1、第一干涉仪主机2A、第二干涉仪主机2B、双面标准平板3、双面标准平板调整架4、被测非透明平板元件5、单点厚度测量传感器6、控制处理单元7；
所述的光源模块1输出两路光，分别输入第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B；
所述的第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B均为多重平面倾斜波面干涉仪；图2～5为所发明的多重平面倾斜波面干涉仪四个实施例的示意图；从光源模块1输入所述的多重平面倾斜波面干涉仪的光经过干涉仪入射分束器201分为两路，分别为干涉仪内部参考光路2_R和干涉仪内部测量光路2_M；所述的干涉仪内部参考光路2_R和干涉仪内部测量光路2_M的光强比例可调；所述的干涉仪内部参考光路2_R或干涉仪内部测量光路2_M上有相移器211或可调光延迟线212；所述的干涉仪内部测量光路上有点源阵列发生器204，点源阵列发生器204的每一个点源发出的发散光束经过出射准直镜207准直为不同方向的平面光波后从所述的多重平面倾斜波面干涉仪的出射口出射；将所述的出射准直镜207的光轴称为多重平面倾斜波面干涉仪的出射光轴；
所述的第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B的出射口相对放置，且第一干涉仪主机2A的出射光轴与第二干涉仪主机2B的出射光轴重合；所述的第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B的出射光路的重合部分称为系统测量光路；
所述的被测非透明平板元件5的前后表面均为被测面，在测量所述的被测非透明平板元件5的表面形貌时，所述的被测非透明平板元件5放置在系统测量光路内，且其中一个被测面近似与第一干涉仪主机2A或第二干涉仪主机2B的出射光轴垂直；
所述的双面标准平板3不透光，其前表面和后表面均为标准平面且近似平行，并且其前后表面与第一干涉仪主机2A或第二干涉仪主机2B的出射光轴近似垂直；所述的双面标准平板3安装在双面标准平板调整架4上，双面标准平板调整架4包含一个线性调节轴，和两个倾斜调节轴；所述的线性调节轴将双面标准平板3移出或移入系统测量光路，所述的两个倾斜调节轴调节双面标准平板3相对于第一干涉仪主机2A或第二干涉仪主机2B的出射光轴的倾斜角；
所述的双面标准平板3和被测非透明平板元件5在同一时间仅有一个作为被测件位于系统测量光路中，所述的第一干涉仪主机2A的出射光入射至被测件的前表面，其反射光返回第一干涉仪主机2A，与第一干涉仪主机内部的参考光干涉，所述的第二干涉仪主机2B的出射光入射至被测件的后表面，其反射光返回第二干涉仪主机2B，与第二干涉仪主机2B内部的参考光干涉；
所述的单点厚度测量传感器6是电容传感器，或光学测距传感器；
所述的控制处理单元7分别与所述的光源模块1、第一干涉仪主机2A、第二干涉仪主机2B、双面标准平板调整架4、单点厚度测量传感器6相连。
所述的光源模块1包括光源101和光源分束器102，光源分束器102将光源输出光分为两路，分别输入第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B；或者所述的光源模块包括两个光源，两个光源的输出光分别输入第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B；所述的光源是高相干激光器，或者波长可调谐激光器；所述的光源输出光通过自由空间传输，或者通过单模光纤或保偏光纤传输。
所述的光源模块1只含有一个光源101，所述的第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B输出相互正交的偏振光，使得任一干涉仪主机出射光不会进入另一个干涉仪主机内部，或者进入另一个干涉仪主机内部后不会与另一个干涉仪主机内部的参考光干涉。
所述的光源模块1只含有一个光源101，光源模块1输出的两路光均为线偏振光，所述的干涉仪内部测量光路上点源阵列发生器204出射的发散光完全通过偏振分束器205后，入射至四分之一波片206，四分之一波片206的快慢轴与入射其上的线偏光偏振方向成45度角，通过四分之一波片的光转换为圆偏光，最后经出射准直镜207准直后出射，所述的第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B内部的四分之一波片成90度角，出射的圆偏光相互正交；或者，所述的干涉仪内部测量光路上有出射检偏器221，所述的干涉仪内部参考光路上有光探测检偏器218，所述的光探测检偏器218的检偏方向与所述的出射检偏器221的检偏方向相同，所述的第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B内部的出射检偏器的检偏方向相互垂直。
所述的系统测量光路沿水平方向，即双面标准平板3或被测非透明平板元件5沿竖直方向放置入系统测量光路。
图2为所发明的多重平面倾斜波面干涉仪第一个实施例的示意图，所述的输入多重平面倾斜波面干涉仪的光为线偏光，输入线偏光经过干涉仪入射分束器201后分为两路，所述的干涉仪入射分束器201为偏振分束器，入射至干涉仪内部参考光路2_R和干涉仪内部测量光路2_M的光为偏振态互相垂直的线偏光；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部测量光路2_M上，光依次通过第一衰减器202，点源阵列发生器耦合光学系统203，输入至点源阵列发生器204，产生可切换的点源阵列，点源阵列出射的发散光完全通过偏振分束器205后，入射至四分之一波片206，四分之一波片206的快慢轴与入射其上的线偏光偏振方向成45度角，通过四分之一波片206的光转换为圆偏光，最后经出射准直镜207准直后出射；出射光被双面标准平板3或被测非透明平板元件5的被测面反射，反射光被出射准直镜207汇聚，再次通过四份之一波片206后，偏振态转换为与干涉仪内部测量光路2_M入射光垂直方向的线偏光，然后被偏振分束器205完全反射，聚焦在孔径光阑208处，由接收准直镜209准直后，再由接收分束器214分光，入射至面阵相机215的光敏面；所述的接收分束器214为非偏振分束器；所述的出射准直镜207和接收准直镜209组成成像系统，将双面标准平板3或被测非透明平板元件5的被测面成像至面阵相机215的光敏面；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部参考光路2_R上，光通过第二衰减器210和相移器211后，由扩束准直镜213准直为平行光，通过接收分束器214后，入射至面阵相机215的光敏面，与干涉仪内部测量光路2_M入射至面阵相机215光敏面的光干涉，干涉信号由面阵相机215接收；所述的干涉仪内部参考光路2_R入射至面阵相机215光敏面的光斑大小与干涉仪内部测量光路2_M入射至面阵相机215光敏面的光斑大小匹配；
所述的干涉仪入射分束器201与第一衰减器202、点源阵列发生器耦合光学系统203之间的光路连接，以及干涉仪入射分束器201与第二衰减器210、相移器211、扩束准直镜213之间的光路连接，是保偏光纤光路或自由空间光路；
所述的第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B内部的四分之一波片206成90度角，出射的圆偏光相互正交；
所述的相移器211调制干涉仪内部参考光路2_R和干涉仪内部测量光路2_M之间的光程差，产生所需要的相移量；所述的相移器211位于第二衰减器210之前或之后；所述的相移器211也可以不在干涉仪内部参考光路2_R上，而在干涉仪内部测量光路2_M上，位于第一衰减器202之前或之后。
图3为所发明的多重平面倾斜波面干涉仪第二个实施例的示意图，所述的输入多重平面倾斜波面干涉仪的光为线偏光，输入线偏光经过第一可旋转半波片216，入射至干涉仪入射分束器201，分为两路；所述的干涉仪入射分束器201为偏振分束器，入射至干涉仪内部参考光路2_R和干涉仪内部测量光路2_M的光为偏振态互相垂直的线偏光；通过调节第一可旋转半波片216的旋转角度，调节入射至干涉仪内部参考光路2_R和干涉仪内部测量光路2_M的光强比例；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部测量光路2_M上，光通过点源阵列发生器耦合光学系统203，输入至点源阵列发生器204，产生可切换的点源阵列，点源阵列出射的发散光完全通过偏振分束器205后，入射至四分之一波片206，四分之一波片206的快慢轴与入射其上的线偏光偏振方向成45度角，通过四分之一波片206的光转换为圆偏光，最后经出射准直镜207准直后出射；出射光被双面标准平板3或被测非透明平板元件5的被测面反射，反射光被出射准直镜207汇聚，再次通过四份之一波片206后，偏振态转换为与干涉仪内部测量光路2_M入射光垂直方向的线偏光，然后被偏振分束器205完全反射，聚焦在孔径光阑208处，由接收准直镜209准直后，再由接收分束器214分光，入射至面阵相机215光敏面；所述的接收分束器214为非偏振分束器；所述的出射准直镜207和接收准直镜209组成成像系统，将双面标准平板3或被测非透明平板元件5的被测面成像至面阵相机215光敏面；图6为所发明的点源阵列发生器204第一个实施例的示意图，所述的点源阵列发生器204沿光传输方向依次为透镜阵列204_01，针孔阵列204_02，和可调光阑阵列204_03，所述的可调光阑阵列204_03对针孔阵列204_02中通光的针孔进行切换；所述的点源阵列发生器耦合光学系统203是与透镜阵列204_01的输入口径相匹配的扩束准直光学系统。
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部参考光路2_R上，光通过可调光延迟线212后，由扩束准直镜213准直为平行光，再依次通过第二可旋转半波片217和光探测检偏器218，所述的光探测检偏器218的检偏方向与干涉仪内部测量光路2_M入射至面阵相机215光敏面的光的偏振方向相同，光束继续传输，通过接收分束器214后，入射至面阵相机215光敏面，与干涉仪内部测量光路2_M入射至面阵相机215光敏面的光干涉，干涉信号由面阵相机215接收；所述的干涉仪内部参考光路2_R入射至面阵相机215光敏面的光斑大小与干涉仪内部测量光路2_M入射至面阵相机光敏面的光斑大小匹配；通过调节第二可旋转半波片217的旋转角度，调节干涉仪内部参考光路2_R入射至面阵相机215光敏面的光强；通过调节所述的可调光延迟线212，调节干涉仪内部参考光路2_R和干涉仪内部测量光路2_M之间的光程差，从而通过调节所述的光源的波长，产生所需要的相移量；
所述的第一可旋转半波片216、干涉仪入射分束器201、点源阵列发生器耦合光学系统203之间的光路连接，以及干涉仪入射分束器201与可调光延迟线212、扩束准直镜213之间的光路连接，是保偏光纤光路或自由空间光路；
所述的第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B内部的四分之一波片206成90度角，出射的圆偏光相互正交；
所述的可调光延迟线212也可以不在干涉仪内部参考光路2_R上，而在干涉仪内部测量光路2_M上，位于干涉仪入射分束器201之后。
图4为所发明的多重平面倾斜波面干涉仪第三个实施例的示意图，与图3实施例不同的是，在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部测量光路2_M上，返回光线通过孔径光阑208后，由接收准直镜209准直后，再通过光探测检偏器218，入射至面阵相机215的光敏面；所述的光探测检偏器218的检偏方向与干涉仪内部测量光路2_M入射至光探测检偏器218的光的偏振方向之间的夹角为45度，或在0度与90度之间的其他角度；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部参考光路2_R上，光通过相移器211后，通过第二可旋转半波片217调节偏振方向，然后由变换镜219转换为聚焦光束，透过偏振分束器205后，聚焦在孔径光阑208处，由接收准直镜209准直后，再通过光探测检偏器218，入射至面阵相机215光敏面，与干涉仪内部测量光路2_M入射至面阵相机215光敏面的光干涉，干涉信号由面阵相机215接收；通过调节第二可旋转半波片217的旋转角度，调节干涉仪内部参考光路2_R入射至面阵相机215光敏面的光强；所述的相移器211调制干涉仪内部参考光路2_R和干涉仪内部测量光路2_M之间的光程差，产生所需要的相移量；
所述的干涉仪入射分束器201与点源阵列发生器耦合光学系统203之间的光路连接，以及干涉仪入射分束器201与相移器211、第二可旋转半波片217、变换镜219之间的光路连接，是保偏光纤光路或自由空间光路；
所述的相移器211位于第二可旋转半波片217之前或之后；所述的相移器211也可以不在干涉仪内部参考光路2_R上，而在干涉仪内部测量光路2_M上，位于干涉仪入射分束器201之后。
图5为所发明的多重平面倾斜波面干涉仪第四个实施例的示意图，所述的输入多重平面倾斜波面干涉仪的光经过干涉仪入射分束器201后分为两路，所述的干涉仪入射分束器201为非偏振分束器；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部测量光路2_M上，光依次通过第一衰减器202，点源阵列发生器耦合光学系统203，输入至点源阵列发生器204，产生可切换的点源阵列，点源阵列出射的发散光向前传输部分透过出射非偏振分束器220及出射检偏器221，最后经出射准直镜207准直后出射；出射光被双面标准平板3或被测非透明平板元件5的被测面反射，反射光被出射准直镜207汇聚，再次通过出射检偏器221，然后被出射非偏振分束器220部分反射，聚焦在孔径光阑208处，由接收准直镜209准直后，再由接收分束器214分光，入射至面阵相机215光敏面；所述的接收分束器214为非偏振分束器；所述的出射准直镜207和接收准直镜209组成成像系统，将双面标准平板3或被测非透明平板元件5的被测面成像至面阵相机215光敏面；
图7为所发明点源阵列发生器204的第二个实施例的示意图，所述的点源阵列发生器204包括光纤阵列204_04，光纤阵列输出数值孔径变换镜204_05和二维平移台204_06；所述的光纤阵列204_04的每一根光纤的输出端面即一个点源，通过光纤阵列输出数值孔径变换镜204_05调整光纤输出光的数值孔径，并聚焦在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的出射准直镜207的前焦面上；光纤阵列204_04和光纤阵列输出数值孔径变换镜204_05由所述的二维平移台204_06承载，并进行位置调整，从而切换点源阵列的位置；所述的光纤阵列204_04中的光纤是单模光纤或保偏光纤；所述的点源阵列发生器耦合光学系统203是光纤耦合器；
在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部参考光路2_R上，光通过第二衰减器210和相移器211后，由扩束准直镜213准直为平行光，部分通过光探测检偏器218和接收分束器214后，入射至面阵相机215光敏面，与干涉仪内部测量光路2_M入射至面阵相机215光敏面的光干涉，干涉信号由面阵相机215接收；所述的光探测检偏器218的检偏方向与所述的出射检偏器221的检偏方向相同，使得干涉仪内部参考光路2_R和干涉仪内部测量光路2_M入射至面阵相机215光敏面的光的偏振态相同；所述的干涉仪内部参考光路2_R入射至面阵相机215光敏面的光斑大小与干涉仪内部测量光路2_M入射至面阵相机215光敏面的光斑大小匹配；
所述的干涉仪入射分束器201与第一衰减器202、点源阵列发生器耦合光学系统203之间的光路连接，以及干涉仪入射分束器201与第二衰减器210、相移器211、扩束准直镜213之间的光路连接，是单模光纤光路或自由空间光路；
所述的第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B内部的出射检偏器221的检偏方向相互垂直；
所述的相移器211调制干涉仪内部参考光路2_R和干涉仪内部测量光路2_M之间的光程差，产生所需要的相移量；所述的相移器211位于第二衰减器210之前或之后；所述的相移器211也可以不在干涉仪内部参考光路2_R上，而在干涉仪内部测量光路2_M上，位于第一衰减器202之前或之后。
采用所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪进行被测非透明平板元件5的双侧表面形貌与厚度分布检测的方法，包括下列步骤：
1)标定或读取所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪系统误差数据：将所述的双面标准平板3移入系统测量光路，调节双面标准平板调整架4的两个倾斜调节轴，采样遍历所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪倾斜角测量范围内在X方向和Y方向的倾斜角组合(α,β)；采样遍历的密度为点源阵列发生器的每个点源出射的光能够至少进行一次全口径干涉测量；每个采样倾斜角状态下，所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪进行一次测量并保存测量结果；根据所有测量结果建模获得所述的第一干涉仪主机2A和第二干涉仪主机2B在不同倾斜角情况下的系统误差Wsys_tilt(α,β)_1和Wsys_tilt(α,β)_2；然后将所述的双面标准平板3移出系统测量光路；系统误差作为系统常数保存，并在系统重新标定时更新，一般测量过程中直接读取已保存的系统误差数据；
2)采用所述的单点厚度测量传感器6进行被测非透明平板元件5单点厚度测量，记录厚度测量值t0，和所测量的坐标位置(x0,y0)；
3)测量被测非透明平板元件5双侧形貌：将所述的被测非透明平板元件5放置入系统测量光路，其中一个被测面近似与第一干涉仪主机2A或第二干涉仪主机2B的出射光轴垂直；配置所述的点源阵列发生器204，至少切换4种通光点源位置组合，控制相移器211进行相移，或者控制光源101进行波长调谐产生相移，基于相移干涉获得至少4组形貌测量数据，每组测量结果会对应被测非透明平板元件的不同位置且存在重合区域；去除形貌测量数据中包含的系统误差后进行数据拼接，获得最终的形貌测量结果，第一干涉仪主机2A的测量结果即被测非透明平板元件的前表面测量结果Wf，第二干涉仪主机2B的测量结果即被测非透明平板元件的后表面测量结果Wb；
4)采用下式计算被测非透明平板元件的厚度分布T(x,y)，
T(x,y)＝Wf-Wb+t0-[Wf(x0,y0)-Wb(x0,y0)]。
上述实施例的技术效果是：
1)增大了系统的测量动态范围，提高了测量效率高；
2)由于多重平面倾斜波面干涉仪有较大的数值孔径接收范围，被测非透明平板元件放置入系统测量光路时，相比双侧Fizeau干涉仪，可以有较大倾斜角度容差范围，可以简化系统机械结构；
3)系统可以利用相移器或光源的波长调谐产生相移，结构灵活，测量精度高；相移方式与测量口径无关，当测量口径较大时，降低了系统成本，提高了系统的稳定性；
4)多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部参考光路和干涉仪内部测量光路的光强比例可以调节，因此可以对任意反射率的表面进行高干涉对比度测量，提高信噪比，从而提高检测精度。
Claims (13)
1.一种双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，包括光源模块(1)、第一干涉仪主机(2A)、第二干涉仪主机(2B)、双面标准平板(3)、单点厚度测量传感器(6)和控制处理单元(7)，所述的双面标准平板(3)不透光，其前表面和后表面均为标准平面；
所述的光源模块(1)输出两路光，分别输入第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)；所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)均为多重平面倾斜波面干涉仪，且所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)的出射口相对放置，所述的第一干涉仪主机(2A)的出射光路和第二干涉仪主机(2B)的出射光路的重合部分称为系统测量光路；
所述的光源模块(1)输出两路光分别输入所述的多重平面倾斜波面干涉仪后，均经干涉仪入射分束器(201)分为两路，分别为干涉仪内部参考光路(2_R)和干涉仪内部测量光路(2_M)；所述的干涉仪内部参考光路(2_R)和干涉仪内部测量光路(2_M)的光强比例可调；所述的干涉仪内部参考光路(2_R)上有相移器(211)或可调光延迟线(212)，或者，所述的干涉仪内部测量光路(2_M)上有相移器(211)或可调光延迟线(212)；所述的干涉仪内部测量光路上有点源阵列发生器(204)，点源阵列发生器(204)的每一个点源发出的发散光束经过出射准直镜(207)准直为不同方向的平面光波后从所述的多重平面倾斜波面干涉仪的出射口出射；将所述的出射准直镜(207)的光轴称为多重平面倾斜波面干涉仪的出射光轴；第一干涉仪主机(2A)的出射光轴与第二干涉仪主机(2B)的出射光轴重合；
在标定所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪系统误差时，所述的双面标准平板(3)放置在系统测量光路内，所述的双面标准平板(3)的前后表面均为被测面；在测量被测非透明平板元件(5)的表面形貌时，所述的被测非透明平板元件(5)放置在系统测量光路内，被测非透明平板元件(5)的前后表面均为被测面，且其中一个被测面与第一干涉仪主机(2A)或第二干涉仪主机(2B)的出射光轴垂直；
在同一时间所述的双面标准平板(3)和被测非透明平板元件(5)仅有一个作为被测件位于系统测量光路中，所述的第一干涉仪主机(2A)的出射光入射至被测件的前表面，其反射光返回第一干涉仪主机(2A)，与第一干涉仪主机内部的参考光干涉，所述的第二干涉仪主机(2B)的出射光入射至被测件的后表面，其反射光返回第二干涉仪主机(2B)，与第二干涉仪主机(2B)内部的参考光干涉；
所述的单点厚度测量传感器(6)用于测量所述的被测非透明平板元件(5)单点的厚度；
所述的控制处理单元(7)分别与所述的光源模块(1)、第一干涉仪主机(2A)、第二干涉仪主机(2B)和单点厚度测量传感器(6)相连。
2.根据权利要求1所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，所述的光源模块(1)包括光源(101)和光源分束器(102)，光源分束器(102)将光源输出光分为两路，分别输入第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)；或者所述的光源模块包括两个光源，两个光源的输出光分别输入第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)。
3.根据权利要求2所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，所述的光源是高相干激光器，或者波长可调谐激光器；所述的光源输出光通过自由空间传输，或者通过单模光纤或保偏光纤传输。
4.根据权利要求1所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)输出相互正交的偏振光，使得任一干涉仪主机出射光不会进入另一个干涉仪主机内部，或者进入另一个干涉仪主机内部后不会与另一个干涉仪主机内部的参考光干涉。
5.根据权利要求1所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，所述的光源模块(1)输出的两路光均为线偏振光，所述的干涉仪内部测量光路(2_M)上点源阵列发生器(204)出射的发散光完全通过偏振分束器(205)后，入射至四分之一波片(206)，四分之一波片(206)的快慢轴与入射其上的线偏光偏振方向成45度角，通过四分之一波片的光转换为圆偏光，最后经出射准直镜(207)准直后出射；所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)内部的四分之一波片成90度角，出射的圆偏光相互正交。
6.根据权利要求1所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部测量光路(2_M)上有出射检偏器(221)，所述的干涉仪内部参考光路(2_R)上有光探测检偏器(218)，所述的光探测检偏器(218)的检偏方向与所述的出射检偏器(221)的检偏方向相同，所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)内部的出射检偏器(221)的检偏方向相互垂直。
7.根据权利要求1所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，所述的双面标准平板(3)安装在双面标准平板调整架(4)上，双面标准平板调整架(4)包含一个线性调节轴和两个倾斜调节轴；所述的线性调节轴将双面标准平板(3)移出或移入系统测量光路，所述的两个倾斜调节轴调节双面标准平板(3)相对于第一干涉仪主机(2A)或第二干涉仪主机(2B)的出射光轴的倾斜角。
8.根据权利要求1或7所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，所述的系统测量光路沿水平方向，即双面标准平板(3)或被测非透明平板元件(5)沿竖直方向放置入系统测量光路。
9.根据权利要求1所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，所述的点源阵列发生器(204)包括沿光传输方向依次放置的透镜阵列(204_01)、针孔阵列(204_02)和可调光阑阵列(204_03)，所述的可调光阑阵列(204_03)对针孔阵列(204_02)中通光的针孔进行切换。
10.根据权利要求1所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，所述的点源阵列发生器(204)包括光纤阵列(204_04)、光纤阵列输出数值孔径变换镜(204_05)和二维平移台(204_06)；所述的光纤阵列(204_04)的每一根光纤的输出端面即一个点源，通过光纤阵列输出数值孔径变换镜(204_05)调整光纤输出光的数值孔径，并聚焦在所述的多重平面倾斜波面干涉仪的出射准直镜(207)的前焦面上；光纤阵列(204_04)和光纤阵列输出数值孔径变换镜(204_05)由所述的二维平移台(204_06)承载，并进行位置调整，从而切换点源阵列的位置。
11.根据权利要求10所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，所述的光纤阵列(204_04)中的光纤是单模光纤或保偏光纤。
12.根据权利要求1-7任一所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪，其特征在于，所述的干涉仪内部参考光路(2_R)和干涉仪内部测量光路(2_M)是自由空间光路，或光纤光路与自由空间光路的组合。
13.采用权利要求1-7任一所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪进行被测非透明平板元件(5)的双侧表面形貌与厚度分布检测的方法，其特征在于包括下列步骤：
1)标定或读取双侧多重平面倾斜波面干涉仪系统误差数据：将双面标准平板(3)移入系统测量光路，调节双面标准平板(3)相对于第一干涉仪主机(2A)或第二干涉仪主机(2B)的出射光轴的倾斜角，从而采样遍历所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪倾斜角测量范围内在X方向和Y方向的倾斜角组合(α,β)；采样遍历的密度为点源阵列发生器的每个点源出射的光能够至少进行一次全口径干涉测量；每个采样倾斜角状态下，所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪进行一次测量并保存测量结果；根据所有测量结果建模获得所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)在不同倾斜角情况下的系统误差Wsys_tilt(α,β)_1和Wsys_tilt(α,β)_2；然后将所述的双面标准平板(3)移出系统测量光路；系统误差作为系统常数保存，并在系统重新标定时更新，一般测量过程中直接读取已保存的系统误差数据；
2)采用单点厚度测量传感器(6)进行被测非透明平板元件(5)单点厚度测量，记录厚度测量值t0，和所测量的坐标位置(x0,y0)；
3)测量被测非透明平板元件(5)双侧形貌：将被测非透明平板元件(5)放置入系统测量光路，其中一个被测面与第一干涉仪主机(2A)或第二干涉仪主机(2B)的出射光轴垂直；配置所述的点源阵列发生器(204)，至少切换4种通光点源位置组合，控制相移器(211)进行相移，或者控制光源(101)进行波长调谐产生相移，获得至少4组形貌测量数据，每组测量结果会对应被测非透明平板元件的不同位置且存在重合区域；去除形貌测量数据中包含的系统误差后进行数据拼接，获得最终的形貌测量结果：第一干涉仪主机(2A)的测量结果即被测非透明平板元件的前表面测量结果Wf，第二干涉仪主机(2B)的测量结果即被测非透明平板元件的后表面测量结果Wb；
4)计算被测非透明平板元件的厚度分布T(x,y)，公式如下：
T(x,y)＝Wf-Wb+t0-[Wf(x0,y0)-Wb(x0,y0)]。
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| GR01 | Patent grant | ||
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