CN113340212A - 基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置 - Google Patents

Abstract

基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，通过在一侧干涉仪光路中加入相干性抑制单元，使得对侧干涉仪的输出光与本侧干涉仪的测量光、参考光不相干，不能发生干涉；或对侧干涉仪输出光与本侧干涉仪测量光、参考光等效不发生干涉，仅产生背景直流量，不影响干涉相位的提取。本发明不改变双侧干涉仪系统的光路结构，有效利用了光学系统的数值孔径，简化了系统工作流程，具有测量精度与效率高，分光方式灵活等优点。

Description

基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置

技术领域

本发明涉及光学设计、精密测量领域，具体为基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，使双侧干涉仪系统输出光不影响对被测非透明平面的测量。

背景技术

光学干涉测量技术是以光波干涉为物理基础，以光波的波长为计量单位的一种测试方法，在光学加工测量方面发挥了重要作用。干涉测量的基本原理是通过参考光与测量光波前相干叠加，产生黑白相间的干涉图。由于干涉图中包含了参考光与测量光的相位，振幅等信息，因此可以用来检测被测光学元件的面形信息。其中，干涉仪作为光学干涉测量技术中重要的测量仪器，随着光学加工技术，计算机技术等的发展，进一步提升了干涉仪的测量精度和检测速度，对相关领域的发展有着重要意义。

目前，干涉仪可以针对不同面型、不同口径、不同种类的光学元件进行高精度检测。美国ZYGO公司采用斐索型相移干涉仪并配置相应的测量分析软件，用于对30mm-100mm常规口径的平面做精密检测，对平面测量精度PV值优于λ/100，球面检测精度优于λ/140，是市场占有率极高的激光干涉仪。4D Technology公司采用相关技术，研发了以斐索干涉仪和泰曼格林型干涉仪为主的相应设备。在先技术1(WO2008030580A2，Synchronousfrequency-shift mechanism in FizeauInterferometer，2006)运用参考光和测量光共光路的方式设计，通过在CCD前放置偏振分束器用于分光，实现同步测量，并在系统的分光部分设计光程差补偿装置，用于补偿光束到被测镜和参考镜之间的光程差，使参考光和测量光之间光程差小于相干长度进行相干叠加，其余的光则非相干叠加成为背景光。适用于口径分别为100mm、150mm、300mm等被测面的测量，测量时间可控在1ms内，并具有较强的抗振动和抗空气扰动能力。

美国KLA公司采用双侧斐索干涉仪系统对被测面表面同步测量，在先技术2(United States Patent US6847458B2,Method and apparatus for measuring theshape and thickness variation of polished opaque plates，2003)设置了两台斐索干涉仪主机，两台干涉仪主机光轴对齐，通光处对应放置。光源输出光经分束器入射至各干涉仪主机，通过干涉仪内部的偏振分束器实现本侧干涉仪测量光、参考光与对侧干涉仪的输出光偏振态正交实现有效的光束隔离，避免对侧干涉仪输出光入射至本侧干涉仪内部的探测器内，影响测量结果。以此双侧斐索干涉仪检测装置为基础，KLA公司在先技术3(UnitedStates Patent US8068234B2 Method and apparatus for measuring shape orthickness information of a substrate，2009)设置了相应的被测面夹持工具，减小了被测面表面应力对实验结果造成的影响，并通过子孔径拼接测量的方法，进行数据拼接扩大动态范围。与前技术相比系统扩大了被测面的尺寸测量极限且具有更高的空间分辨率。

在使用双侧干涉仪对被测面前后表面同时检测的装置方法中，两侧干涉仪输出光之间彼此互不干扰，实现有效的光束隔离是影响测量结果准确性的重点。在先技术2～3中，KLA公司双侧干涉仪内部使用偏振分束器，通过偏振技术使两侧干涉仪输出光具有相反的旋向性来实现有效的光束隔离。但实际应用中，仅依赖光束的偏振正交性并不能使两侧干涉仪输出光被完全有效衰减，影响了干涉相位的提取。在先技术4(一种双侧斐索干涉仪检测装置，中国发明专利申请202110383929.7)提出改变点光源输出光位置，使准直镜透射的出射光与干涉仪光轴具有夹角，与干涉仪内部成像系统的光阑配合实现分光；或者使用光开关，使两侧干涉仪独立工作实现分光，均有效提高了成像质量。

在先技术4中，当改变双侧干涉仪内部出射光与光轴夹角时，会造成光路装调复杂，光学系统设计难度提高等问题，并且使得干涉仪不能有效的利用光学系统的全部数值孔径，光学系统收集到的光的角度范围变小，限制了空间分辨率的提高。此外，当采用光开关时，两侧干涉仪需要分别工作，系统工作流程比较复杂，并且硅片孔径外，非遮光区域的测量仍然会受到影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供双侧干涉仪形貌与厚度检测装置，有效的使干涉仪参考光与测量光的干涉信号不受影响，提高了干涉图的质量与测量精度，简易了光路装调难度。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，包括光源模块、第一干涉仪主机和第二干涉仪主机，还包括相干性抑制单元；

所述的光源模块输出光分为两路，其中一路经过相干性抑制单元输入所述的第一干涉仪主机，另一路输入所述的第二干涉仪主机。

所述的相干性抑制单元是光纤延长线，所述的光纤延长线的长度大于所述的光源模块输出光的相干长度。

所述的相干性抑制单元是相位调制器，所述的相位调制器在干涉条纹探测器光积分时间内，以波长的正整数倍改变光路的光程。

所述的相干性抑制单元是声光调制器，所述的声光调制器使得一侧干涉仪的光发生频移，且不与另一侧干涉仪的光产生稳定干涉。

所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机均是斐索干涉仪。

所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机或者均是泰曼-格林干涉仪。

所述的光源模块包括光源和分束器，光源通过单模光纤传输至分束器后分为两路光输出。

本发明的技术原理是：

在现有的双侧干涉仪实验装置中，双侧干涉仪内部使用偏振分束器，通过偏振技术使两侧干涉仪的出射光彼此偏振态正交不发生干涉实现光束隔离，但实际应用中，并不能使两侧干涉仪输出光被完全有效衰减，影响了干涉相位的提取。当改变双侧干涉仪内部出射光与光轴夹角时，会造成光路装调复杂，不能充分利用光学系统全部数值孔径等问题；此外，当采用光开关时，两侧干涉仪需要分别工作，系统工作流程比较复杂。本发明所述的将相干性抑制单元加入到光源模块与第一干涉仪主机或第二干涉仪主机之间。入射光经单模光纤输入，经相干性抑制单元后出射光射入至第一干涉仪主机或第二干涉仪主机,通过改变两侧光路输出光的相干性实现分光，不影响干涉相位的提取。

所述的相干性抑制单元为光纤延长线时，设置光纤延长线长度大于光源的相干长度；加入光纤延长线的一侧光路与对侧光路产生的光程差大于两束光能发生干涉的相干长度，二光场不相关，因此两侧干涉仪输出光不能产生干涉现象。

所述的相干性抑制单元为相位调制器时，将相位调制器在干涉条纹探测器光积分时间内，以波长的正整数倍改变光路的光程；将相位调制器处于共光路部分，对加入相位调制器的一侧光路参考光与测量光干涉信号不产生影响；未加入相位调制器的一侧光路输出光与本侧干涉仪光路参考光、测量光不相干，累积效果为直流量，等效不发生干涉。

所述的相干性抑制单元为声光调制器时，声光调制器处于共光路部分，加入声光调制器的一侧光路发生频移，对加入声光调制器的一侧光路参考光与测量光等效，干涉信号不产生影响；对侧干涉仪输出光与本侧干涉仪光路参考光、测量光频率不相等，探测器上对侧干涉仪输出光与参考光、测量光不产生稳定干涉，累积效果为直流量，等效不发生干涉。

本发明的技术效果是：

加入相干性抑制单元的一侧光路测量光和参考光与对侧未加入相干性抑制单元的光路输出光不相干，不能产生干涉现象，有效实现两侧干涉仪彼此互不影响；或加入相干性抑制单元的一侧光路测量光和参考光与对侧未加入相干性抑制单元的光路输出光等效不发生干涉，仅产生背景直流量，不影响探测器对干涉相位的提取。

附图说明

图1为本发明的双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置示意图。

图2为本发明的双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置第一个实施例图。

图3为本发明的双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置第二个实施例图。

图4为本发明的双侧干涉仪系统相干性抑制单元的第一个示意图。

图5为本发明的双侧干涉仪系统相干性抑制单元的第二个示意图。

图6为本发明的双侧干涉仪系统相干性抑制单元的第三个示意图。

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为所发明的双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置示意图，系统包括光源模块1、相干性抑制单元2、第一干涉仪主机3A、第二干涉仪主机3B、被测非透明平面5；所述的光源模块1包括光源101、分束器102；所述的相干性抑制单元2位于光源模块1与第一干涉仪主机3A或第二干涉仪主机3B之间；所述的第一干涉仪主机3A和第二干涉仪主机3B通光口相对放置、光轴对齐，各自干涉仪出射光传播方向相反；所述的被测非透明平面5位于第一干涉仪主机3A与第二干涉仪主机3B形成的中心空腔内，垂直于光轴方向放置。

所述的第一干涉仪主机3A、第二干涉仪主机3B是斐索干涉仪或泰曼-格林干涉仪。

光源101输出光通过单模光纤传输，经光源分束器102后输出两路光，一路光输入至相干性抑制单元2后，进入到第一干涉仪主机3A或第二干涉仪主机3B，另一路光输入至另一侧干涉仪主机；干涉仪主机输出光经参考面、被测非透明平面5后，反射回干涉仪主机；通过第一干涉仪主机3A、第二干涉仪主机3B内部的探测器可获取被测面前后表面的面形信息。

对于双侧干涉仪系统，两侧干涉仪输出光彼此互不干扰，实现有效的光束隔离是影响被测面面形信息准确性的重点。本发明通过改变两侧光路输出光的相干性实现分光，对侧干涉仪进入到本侧干涉仪的光不能和本侧干涉仪的测量光或参考光干涉，或等效不发生干涉，仅产生背景直流量，因此不影响干涉相位的提取。

图2为所发明的双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置第一个实施例图。系统包括光源模块1、第一干涉仪主机3A、第二干涉仪主机3B、第一标准镜4A、第二标准镜4B、被测非透明平面5。所述的第一干涉仪主机3A、第二干涉仪主机3B均为斐索干涉仪；所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机相对放置，光轴对齐；所述的第一标准镜和第二标准镜参考面平行放置；所述的被测非透明平面5放置于第一干涉仪主机与第二干涉仪主机形成的中心空腔内。

光源101输出光经光源分束器102输出两路光，一路光经相干性抑制单元2后输入至第一干涉仪主机3A，另一路光输入至第二干涉仪主机3B，输入至干涉仪主机的光依次通过可调谐衰减器201、成像透镜组202、偏振分束器203、四分之一波片204后由准直镜205准直，经准直后的光入射至标准镜4A，此时入射光一部分经标准镜4A参考面表面反射回干涉仪主机，称为参考光，另一部分透射经被测非透明平面5表面反射，称为测量光；参考光与测量光依次经干涉仪内部光学元件，由分束器表面反射至干涉仪成像系统，依次经光阑206、成像透镜组207后，由探测器208接收。所述的经过相干性抑制单元2入射至干涉仪主机内部的光路，其参考光、测量光彼此相干，但与对侧干涉仪输出光彼此不相干，不能发生干涉现象，或等效不干涉，不影响探测器干涉相位的提取，有效实现了光束隔离。

图3为所发明的双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置第二个实施例图。系统包括光源模块1、第一干涉仪主机3A、第二干涉仪主机3B、被测非透明平面5。所述的第一干涉仪主机3A、第二干涉仪主机3B均为泰曼格林干涉仪；所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机相对放置，光轴对齐；所述的被测非透明平面5放置于第一干涉仪主机与第二干涉仪主机形成的中心空腔内。

光源101发出的线偏振光经光源分束器102后分为两路光，一路光经相干性抑制单元2后入射至第一干涉仪主机3A，另一路光入射至第二干涉仪主机3B；输入至干涉仪主机的线偏振光经可调谐衰减器301、成像透镜组302后入射至准直镜303，经准直镜准直的线偏振光入射到偏振分束器305后，入射光的S偏振分量在偏振分束器表面反射，经过四分之一波片305后线偏振光偏振态转变为圆偏振光，入射至标准镜4A参考面表面并反射回原光路，经四分之一波片后，圆偏振光转换为偏振态垂直的线偏振光，透射经过偏振分束器，称为参考光；入射光的P偏振分量透射经过偏振分束器，入射至四分之一波片306、被测非透明平面5，由被测非透明平面5反射回原光路，反射经过偏振分束器，称为测量光；参考光与测量光依次经过四分之一波片307、检偏器308后偏振态平行，满足干涉条件，干涉信号由探测器311接收。经相干性抑制单元2入射至干涉仪主机的光路，由参考面返回的参考光与被测非透明平面返回的测量光彼此相干，与对侧干涉仪出射光不相干，不满足干涉条件，因此可以实现干涉信号正确的提取。

图4为所发明的双侧干涉仪系统相干性抑制单元的第一个示意图。所述的相干性抑制单元2为光纤延长线2A时，调整光纤延长线长度大于光源的相干长度。

对于加入光纤延长线2A的一侧光路，光源输出光经分束器、光纤延长线2A后入射至干涉仪主机，经干涉仪主机内部光学元件传播后，一部分入射光经标准镜参考面反射，称为参考光，另一部分入射光经被测面表面反射，称为测量光；光源经光纤延长线2A光路产生的参考光、测量光彼此相干，分别反射回本侧干涉仪主机，经干涉仪内部的分束器反射至探测器表面。

对于未加入光纤延长线2A的一侧光路，光源输出光经分束器后入射至干涉仪主机，其干涉仪主机内部探测器接收到本侧标准镜参考面反射回的参考光与被测面表面反射回的测量光，光源经未加入光纤延长线2A光路产生的参考光、测量光彼此相干。

当两侧光路有输出光经双侧干涉仪系统中心空腔，入射至对侧干涉仪时，该输出光与干涉仪内部的参考光、测量光产生的光程差大于两束光能发生干涉的相干长度，加入光纤延长线2A的一侧光路与未加入光纤延长线2A的光路彼此不相干，因此成像系统探测器表面反映了真实的被测面5面形信息。

图5为所发明的双侧干涉仪系统相干性抑制单元的第二个示意图。所述的相干性抑制单元2为相位调制器2B时，相位调制器2B在干涉条纹探测器光积分时间内，以波长的正整数倍改变光路的光程。

对于加入相位调制器2B的一侧光路，相位调制器2B位于共光路部分，光源输出光经分束器、相位调制器后入射至干涉仪主机，经干涉仪主机内部光学元件传播后，一部分入射光经标准镜参考面反射，称为参考光，另一部分入射光经被测面表面反射，称为测量光；光源经相位调制器2B光路产生的参考光、测量光彼此相干，分别反射回本侧干涉仪主机，经干涉仪内部的分束器反射至探测器表面。

对于未加入相位调制器2B的一侧光路，光源输出光经分束器后入射至干涉仪主机，其干涉仪主机内部探测器接收到本侧标准镜参考面反射回的参考光与被测面表面反射回的测量光，光源经未加入相位调制器2B光路产生的参考光、测量光彼此相干。

当两侧光路有输出光经双侧干涉仪系统中心空腔，入射至对侧干涉仪时，由于相位调制器2B使得在干涉条纹探测器光积分时间内，干涉信号改变周期的正整数倍，因此该输出光与干涉仪内部的参考光、测量光累积效果为直流量，等效不发生干涉，成像系统探测器表面反映了真实的被测面面形信息。

图6为所发明的双侧干涉仪系统相干性抑制单元的第三个示意图。所述的相干性抑制单元2为声光调制器2C时，调节声光调制器2C使该侧光路输出光发生频移。利用声光效应造成光发生频移的特性，使干涉仪中实现光相干性的改变。

对于加入声光调制器2C的一侧光路，光源输出光经分束器、声光调制器2C后入射至干涉仪主机，经干涉仪主机内部光学元件传播后，一部分入射光经标准镜参考面反射，称为参考光，另一部分入射光经被测面表面反射，称为测量光；光源经声光调制器2C光路产生的参考光、测量光彼此相干，分别反射回本侧干涉仪主机，经干涉仪内部的分束器反射至探测器表面。

对于未加入声光调制器2C的一侧光路，光源输出光经分束器后入射至干涉仪主机，其干涉仪主机内部探测器接收到本侧标准镜参考面反射回的参考光与被测面表面反射回的测量光，光源经未加入声光调制器2C光路产生的参考光、测量光彼此相干。

当两侧光路有输出光经双侧干涉仪系统中心空腔，入射至对侧干涉仪时，加入声光调制器2C的一侧光路发生频移，与对侧未加入声光调制器2C的光路不相干，因此该输出光与干涉仪内部的参考光、测量光不能产生稳定的干涉，累积效果为直流量，等效不发生干涉，成像系统探测器表面反映了真实的被测面面形信息。

Claims (7)

1.一种基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，包括光源模块(1)、第一干涉仪主机(3A)和第二干涉仪主机(3B)，其特征在于，还包括相干性抑制单元(2)；

所述的光源模块(1)输出光分为两路，其中一路经过相干性抑制单元(2)输入所述的第一干涉仪主机(3A)，另一路输入所述的第二干涉仪主机(3B)。

2.根据权利要求1所述的基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，其特征在于，所述的相干性抑制单元(2)是光纤延长线(2A)，所述的光纤延长线(2A)的长度大于所述的光源模块(1)输出光的相干长度。

3.根据权利要求1所述的基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，其特征在于，所述的相干性抑制单元(2)是相位调制器(2B)，所述的相位调制器在干涉条纹探测器光积分时间内，以波长的正整数倍改变光路的光程。

4.根据权利要求1所述的基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，其特征在于，所述的相干性抑制单元(2)是声光调制器(2C)，所述的声光调制器使得一侧干涉仪的光发生频移，且不与另一侧干涉仪的光产生稳定干涉。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，其特征在于，所述的第一干涉仪主机(3A)和第二干涉仪主机(3B)均是斐索干涉仪。

6.根据权利要求1-4任一所述的基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，其特征在于，所述的第一干涉仪主机(3A)和第二干涉仪主机(3B)或者均是泰曼-格林干涉仪。

7.根据权利要求1所述的基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，其特征在于，所述的光源模块(1)包括光源(101)和分束器(102)，光源(101)通过单模光纤传输至分束器(102)后分为两路光输出。

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