CN114076575A - 一种真空干涉仪装置及其光学检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空干涉仪装置及其光学检测方法，所述真空干涉仪装置通过将干涉仪的干涉仪本体和相移器、标准镜分离，并将所述干涉仪本体置于常温常压环境，和将所述相移器、所述标准镜以及被检测元件置于真空或低气压环境的方式，既消除了所述平行平板窗口对干涉检测光路带来的随机误差和系统误差，又能够实现在无大气扰动下对被检测元件进行光学检测，实现高精度检测。

Description

一种真空干涉仪装置及其光学检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种真空干涉仪装置及其光学检测方法。

背景技术

大口径光学镜面和光学系统一般在实验室环境中进行检测，但随着单镜和系统的口径增大、焦距变长，实验室环境中的大气扰动会越发明显，对光学检测的影响也随之变大；另一方面，EUV(极紫外光刻)元件或其他高精度元件对检测精度要求很高，此时，实验环境中大气的存在和扰动会使检测精度无法达到要求。对于大口径光学镜面和光学系统的检测，目前常用的方法是采用干涉仪来测量波像差。现有的干涉仪，由于其内部光学系统和电子器件的限制，无法直接在真空环境中使用。

目前也有一些专利申请提出了能够在真空环境中对大口径光学镜面和光学系统进行检测的方法。例如在2018年03月09日公开的一种真空光学检测系统，该系统将干涉仪完整的放入真空容器中，使干涉仪完全处于常压状态下，空间光学遥感器处于真空环境下，进行光学检测。例如在2020年10月23日公开，公开号为CN111811430A的中国专利申请公开了一种低温环境下光学元件面形测量装置及方法，该方法将平行光管与被检元件放置于真空容器中，将波前传感器放置于真空容器外。波前传感器通过窗口玻璃与平行光管对齐。在检测时，先将被检镜换为平面标准镜，并将波前传感器前的标准镜移除，分别在温常压状态和真空低温状态下对平面标准镜进行检测，将其结果作为系统误差；再将标准平面镜换为被检元件，将检测所需标准镜加在波前传感器前，对其常温常压状态和真空低温状态下进行检测，将这些数据进行处理得到最终面形结果。又例如在2021年08月20日公开的一种用于真空环境下测量光学元件面形的装置及方法：该方法将参考镜和被检镜并列放置于位移平台上，放于一个真空容器中，真空容器上方表面有玻璃窗口。波前传感器放置于真空容器上部，通过折转镜对真空容器内部被检镜进行检测。检测时移动位移平台，分别对标准镜和被检镜进行两次检测，将被检镜结果减去标准镜结果作为最后的波前检测结果。然而前述几种方式均存在缺陷：对于将干涉仪整体放置在常压环境中，玻璃窗口前的检测方式来讲，干涉仪的检测臂的大气扰动和窗口玻璃会直接为检测结果引入随机误差和系统误差，难以通过高精度标定去除；而对于同时将平行光管与被检元件放置于真空容器或者将参考镜和被检镜放置在真空容器中的检测方式来讲，需要分时对被检镜和参考镜进行检测，再计算最终结果，使最终检测结果受其他环境因素如振动等影响较大，检测精度下降。

因此，总的来讲，目前在真空环境下对大口径光学镜面和光学系统进行检测的方法存在操作复杂、误差大、检测精度低的问题。

发明内容

基于此，本发明的一目的是，提供一种真空干涉仪装置及其光学检测方法，所述真空干涉仪装置操作简单、无误差，而且能够在无大气扰动条件下进行高精度光学检测。

本发明在一方面提供了一种真空干涉仪装置，包括密闭压力容器和干涉仪，所述干涉仪包括设置于所述密闭压力容器内的干涉仪本体和设置于所述密闭压力容器之外的标准镜，所述密闭压力容器内部被设置为常温常压环境，外部被设置为真空或低气压环境，其中所述干涉仪本体的出光口与所述标准镜的位置相对应，所述干涉仪本体的出射光经由所述出光口射出，经所述标准镜到达位于真空或低压环境的被检测元件后经原路返回，完成对被检测元件的光学检测。

在本发明的一实施例中，所述密闭压力容器设置有平行平板窗口，所述标准镜设置于平行平板窗口的远离于所述密闭压力容器的一侧，所述干涉仪还包括设置在所述平行平板窗口和所述标准镜之间的相移器，所述相移器通过第一真空法兰和相移器控制线连接于所述干涉仪本体。

在本发明的一实施例中，所述干涉仪还包括设置于所述标准镜的远离于所述平行平板窗口的一侧的补偿器。

在本发明的一实施例中，所述干涉仪为菲索干涉仪，所述干涉仪还包括通过波长调谐或腔长调谐的内置相移器；或者所述干涉仪为泰曼格林型干涉仪，所述泰曼格林型干涉仪的参考臂和检测臂设置于所述密闭压力容器之外。

在本发明的一实施例中，所述干涉仪本体与所述密闭压力容器之间预留有100mm～200mm空隙。

在本发明的一实施例中，所述真空干涉仪装置还包括连接于所述干涉仪本体的电源线和数据传输线，所述电源线和所述数据传输线通过第二真空法兰引出所述密闭压力容器之外。

在本发明的一实施例中，所述真空干涉仪装置还包括设置于所述密闭压力容器的波纹管，所述波纹管设置在所述密闭压力容器的与设置有所述标准镜的一侧相对的一侧，用于给所述密闭压力容器给风和送风，以将所述干涉仪本体发热产生的热空气排出所述密闭压力容器。

在本发明的一实施例中，所述波纹管为金属波纹管或橡胶波纹管。

本发明在另一方面还提供了一种真空干涉仪装置的光学检测方法，包括步骤：

将干涉仪的干涉仪本体装入密闭压力容器中；

将干涉仪的相移器设置于所述密闭压力容器的平行平板窗口的外侧，使得所述相移器设位于所述密闭压力容器之外；

将标准镜安装于所述相移器上，并通过所述干涉仪本体的对准模式将所述相移器和所述标准镜的位置进行调整，使所述干涉仪本体的焦点位于对准模式十字中心处；

调整所述真空干涉仪装置的位置，使得所述干涉仪本体的焦面与被检测元件的焦面对准；

切换所述干涉仪的检测模式，将干涉条纹调整至零条纹状态附近；以及

将所述密闭压力容器之外的环境抽真空，使得被检测元件处于真空或低气压环境，而所述密闭压力容器内的所述干涉仪本体处于常温常压环境，此时通过所述真空干涉仪装置对所述被检测元件进行光学检测。

在本发明的一实施例中，所述真空干涉仪装置的光学检测方法还包括步骤：

将所述干涉仪本体通过第一真空法兰和相移器控制线连接于所述相移器；和

将电源线和数据传输线与所述干涉仪本体连接，并通过第二真空法兰引出所述密闭压力容器之外。

本发明通过将所述干涉仪的所述干涉仪本体和所述相移器、所述标准镜分离，并将所述干涉仪本体置于常温常压环境，和将所述相移器、所述标准镜以及被检测元件置于真空或低气压环境的方式，既消除了所述平行平板窗口对干涉检测光路带来的随机误差和系统误差，又能够实现在无大气扰动下对被检测元件进行光学检测，实现高精度检测。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为本发明的一优选实施例的所述真空干涉仪装置的结构示意图；

图2为图1所示的所述真空干涉仪装置的光学检测方法的流程框图。

附图标号说明：真空干涉仪装置100；密闭压力容器10；容器本体11；容置腔室110；平行平板窗口12；第一真空法兰13；第二真空法兰14；干涉仪20；干涉仪本体21；出光口211；标准镜22；相移器23；相移器控制线24；电源线31；数据传输线32；波纹管40。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的真空干涉仪装置解决了真空环境中无法使用干涉仪进行高精度光学检测的问题，避免了大气扰动对光学检测结果的不利影响。

如图1和图2所示，根据本发明的一优选实施例的一种真空干涉仪装置及其光学检测方法被具体阐明。

如图1所示，所述真空干涉仪装置100包括密闭压力容器10和干涉仪20，所述干涉仪20包括设置于所述密闭压力容器10内的干涉仪本体21和设置于所述密闭压力容器10之外的标准镜22，所述密闭压力容器10内部被设置为常温常压环境，外部被设置为真空或低气压环境，其中所述干涉仪本体21的出光口211与所述标准镜22的位置相对应，所述干涉仪本体21的出射光经由所述出光口211射出，经所述标准镜22到达位于真空或低压环境的被检测元件后经原路返回，完成对被检测元件的光学检测。

可以理解的是，所述密闭压力容器10为一种适于放置在大型真空罐内工作的密封容器，内部为常温常压环境，外部为真空环境或低气压环境，因此可在真空检测环境下为所述干涉仪本体21提供常压环境，使其可以正常工作。所述密封压力容器10可通过波纹管或者脐带管直接穿出大型真空罐，与外界直接连通。

也就是说，本发明通过将所述干涉仪20分解为多个模块，将所述干涉仪本体21设置于所述密闭压力容器10内部的常温常压环境，将所述干涉仪20的所述标准镜22与被检测元件放置在所述密闭压力容器10外部的真空环境或低气压环境中，以此既能够保证所述干涉仪本体21能够在常温常压下正常工作，又能够在无大气扰动的真空环境或低气压环境中对被检测元件进行光学检测。

具体地，所述密闭压力容器10包括容器本体11和设置于所述容器本体11的平行平板窗口12，所述容器本体11形成有容置腔室110，用于放置所述干涉仪本体21，所述平行平板窗口12的位置与所述干涉仪本体21的出光口211位置相对应，所述标准镜22设置于所述平行平板窗口12的远离于所述密闭压力容器10的一侧。

特别地，所述密闭压力容器10为密闭腔体，能够承受高压，尺寸大于所述干涉仪本体21，优选地，所述干涉仪本体21与所述密闭压力容器10之间预留有100mm～200mm空隙，以保证空气流通，使得所述干涉仪本体21工作产生的热量能够排除，避免温度过热导致所述干涉仪本体21的激光器失稳。

进一步地，所述干涉仪20还包括设置在所述平行平板窗口12和所述标准镜22之间的相移器23，所述相移器23通过第一真空法兰13和相移器控制线24连接于所述干涉仪本体21。

因此，所述真空干涉仪装置100的光路传输路径为：所述干涉仪本体21出射光通过所述出光口211出射，再经过与之对齐放置的所述平行平板窗口12出射到固定在所述密闭压力容器10外壁的所述相移器23和所述标准镜22中，然后到达被检元件或系统后经原路返回。

值得一提的是，被检测元件可以为大口径的光学元件或光学系统，本发明对此不作限制。

可以理解的是，所述干涉仪本体21指的是所述干涉仪20的除去所述相移器23和所述标准镜22的其他部分的结构，由于所述干涉仪本体21设置所述密闭压力容器10之内，而所述相移器23和所述标准镜22固定于所述密闭压力容器10之外，因此在所述真空干涉仪装置100在对被检测元件进行检测时，所述标准镜22能够位于真空环境中，消除了所述干涉仪20的检测臂的大气扰动，而且所述标准镜22位于所述平行平板窗口12之后，能够避免所述平行平板窗口12给所述干涉仪20的干涉检测光路中带来随机误差和系统误差。因此所述真空干涉仪装置100能够在真空环境下工作，同时检测精度可以不受所述平行平板窗口12的影响，实现高精度检测。

还可以理解的是，虽然所述干涉仪本体21至所述标准镜22之间的光路仍经过了常温常压部分，但该部分光路为所述干涉仪20的检测臂与参考臂的共光路部分，不会对检测结果产生影响。

值得一提的是，所述干涉仪20可以采用菲索干涉仪，则所述干涉仪本体21为所述菲索干涉仪去除了所述标准镜22和所述相移器23的部分，所述干涉仪20的中心波长为633nm，可以根据检测需求采用对应中心波长的干涉仪20类型。例如，中心波长可选取从近紫外到长波红外区，包括633nm,639nm,658nm,3.39μm,10.6μm等。相对应地，所述平行平板窗口12的材料可选取熔融石英、硅、锗、硫化锌、硒化锌等材料。

可选地，当所述干涉仪20采用菲索干涉仪时，所述相移器23的功能也可以通过波长调谐或腔长调谐等内置相移器23的方式实现，也就是说，当采用波长调谐或腔长调谐等相移器23时，波长调谐或腔长调谐相移器23内置于所述干涉仪本体21中，而并非设置于所述标准镜22和所述平行平板窗口12之间。

当需要进行补偿检测时，所述标准镜22后可以安装补偿器，以进行补偿检测，也就是说，在本发明的一些实施例中，所述干涉仪20还包括设置于所述标准镜22的远离于所述平行平板窗口12的一侧的补偿器，本发明对此不作限制。

值得一提的是，在本发明的一些实施例中，所述干涉仪20也可以采用泰曼格林型干涉仪，当采用泰曼格林型干涉仪时，可通过将泰曼格林型干涉仪的参考臂和检测臂置于所述密闭压力容器10之外的方式实现在无大气扰动的情况下对被检测元件进行高精度光学检测。

此外，还值得一提的是，所述干涉仪20的所述出光口211的尺寸由具体检测工况决定，优选为4寸或6寸，所述平行平板窗口12的材料应根据检测波长决定，对于可见波长来讲，可采用石英玻璃，对于红外波段来讲，则采用红外材料。所述平行平板窗口12的尺寸由具体检测工况决定，优选为5寸或7寸。所述标准镜22可以为标准平面镜、标准球面镜或CGH(Computer Generated Hologram,计算机全息图)等检具，由具体检测工况决定。

进一步地，所述真空干涉仪装置100还包括连接于所述干涉仪本体21的电源线31和数据传输线32，所述电源线31和所述数据传输线32通过第二真空法兰14引出所述密闭压力容器10之外。

值得一提的是，所述电源线31为220V电源线，所述数据传输线32为超五类非屏蔽双绞线，与所述干涉仪本体21的连接可以通过真空法兰实现，也可通过波纹管等其他方式实现，本发明对此不作限制。

特别地，所述真空干涉仪装置100还包括设置于所述密闭压力容器10的波纹管40，所述波纹管40设置在所述密闭压力容器10的与设置有所述标准镜22的一侧相对的一侧，用于给所述密闭压力容器10给风和送风，以将所述干涉仪本体21发热产生的热空气排出所述密闭压力容器10，确保所述干涉仪本体21能够正常工作。

可选地，所述波纹管40为金属波纹管或橡胶波纹管，长度可根据所述真空干涉仪装置100的检测需要决定。

值得一提的是，所述密闭压力容器10上可以设置有多个真空法兰，并不局限于所述第一真空法兰13和所述第二真空法兰14。可以理解的是，所述密闭压力容器10上设置的真空法兰用于避免所述密闭压力容器10内的部件与外部的部件的连接影响所述密闭压力容器10内部的常温常压环境和外部的真空或低压环境，确保所述干涉仪20能够在无大气扰动，即能够在真空的环境下对被检测元件进行高精度的光学检测。

使用本发明提供的所述真空干涉仪装置100进行光学检测的具体实施过程如下：

首先，将需要检测的单镜或系统放置在真空模拟装置(该真空模拟装置可以为大型真空罐)内，固定于合适位置；

其次，将所述干涉仪本体21装入所述密闭压力容器10中，将所述电源线31和所述数据传输线32与所述干涉仪本体21连接，使用所述相移器控制线24将所述干涉仪本体21与所述相移器23连接。选择合适的标准镜22安装于所述相移器23上，并通过所述干涉仪本体21的对准模式将所述相移器23和所述标准镜22的位置进行调整，使其焦点位于对准模式十字中心处；

再者，放置所述真空干涉仪装置100并调整其位置，使所述干涉仪本体21的焦面与被检单镜或系统的焦面对准，即在所述干涉仪本体21的对准模式下，将检测返回光点调整至十字中心与所述标准镜22光点重合。再切换所述干涉仪本体21的检测模式，将干涉条纹调整至零条纹状态附近；

最后，将被检单镜或系统和所述真空干涉仪装置100所处的真空模拟装置通过真空泵抽真空，使被检单镜或系统处于真空状态，而所述干涉仪本体21处于常压环境下。此时即可使用所述真空干涉仪装置100在无大气扰动条件下对被检单镜或系统进行高精度检测。

也就是说，如图2所示，本发明在另一方面还提供了所述真空干涉仪装置100的光学检测方法，包括步骤：

将干涉仪20的干涉仪本体21装入密闭压力容器10中；

将干涉仪20的相移器23设置于所述密闭压力容器10的平行平板窗口12的外侧，使得所述相移器23设位于所述密闭压力容器10之外；

将标准镜22安装于所述相移器23上，并通过所述干涉仪本体21的对准模式将所述相移器23和所述标准镜22的位置进行调整，使所述干涉仪本体21的焦点位于对准模式十字中心处；

调整所述真空干涉仪装置100的位置，使得所述干涉仪本体21的焦面与被检测元件的焦面对准；

切换所述干涉仪20的检测模式，将干涉条纹调整至零条纹状态附近；以及

将所述密闭压力容器10之外的环境抽真空，使得被检测元件处于真空或低气压环境，而所述密闭压力容器10内的所述干涉仪本体21处于常温常压环境，此时通过所述真空干涉仪装置100对所述被检测元件进行光学检测。

值得一提的是，所述真空干涉仪装置100的光学检测方法还包括步骤：

将所述干涉仪本体21通过第一真空法兰13和相移器控制线24连接于所述相移器23；和

将电源线31和数据传输线32与所述干涉仪本体21连接，并通过第二真空法兰14引出所述密闭压力容器10之外。

可以理解的是，所述真空干涉仪装置100与在常压状态下使用干涉方法进行面形检测流程类似，无需多次拆装元件对标准镜22、被检镜分时进行检测，因此本发明提供了一种操作简单、高精度的真空干涉仪装置100。

总的来讲，本发明通过将所述干涉仪20的所述干涉仪本体21和所述相移器23、所述标准镜22分离，并将所述干涉仪本体21置于常温常压环境，和将所述相移器23、所述标准镜22以及被检测元件置于真空或低气压环境的方式，既消除了所述平行平板窗口12对干涉检测光路带来的随机误差和系统误差，又能够实现在无大气扰动下对被检测元件进行光学检测，实现高精度检测，而且无需多次拆装元件，无需对标准镜和被检镜分时进行检测，操作和检测方式简单、方便。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种真空干涉仪装置，其特征在于，包括密闭压力容器和干涉仪，所述干涉仪包括设置于所述密闭压力容器内的干涉仪本体和设置于所述密闭压力容器之外的标准镜，所述密闭压力容器内部被设置为常温常压环境，外部被设置为真空或低气压环境，其中所述干涉仪本体的出光口与所述标准镜的位置相对应，所述干涉仪本体的出射光经由所述出光口射出，经所述标准镜到达位于真空或低压环境的被检测元件后经原路返回，完成对被检测元件的光学检测。

2.根据权利要求1所述的真空干涉仪装置，其特征在于，所述密闭压力容器设置有平行平板窗口，所述标准镜设置于平行平板窗口的远离于所述密闭压力容器的一侧，所述干涉仪还包括设置在所述平行平板窗口和所述标准镜之间的相移器，所述相移器通过第一真空法兰和相移器控制线连接于所述干涉仪本体。

3.根据权利要求2所述的真空干涉仪装置，其特征在于，所述干涉仪还包括设置于所述标准镜的远离于所述平行平板窗口的一侧的补偿器。

4.根据权利要求1所述的真空干涉仪装置，其特征在于，所述干涉仪为菲索干涉仪，所述干涉仪还包括通过波长调谐或腔长调谐的内置相移器；或者所述干涉仪为泰曼格林型干涉仪，所述泰曼格林型干涉仪的参考臂和检测臂设置于所述密闭压力容器之外。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的真空干涉仪装置，其特征在于，所述干涉仪本体与所述密闭压力容器之间预留有100mm～200mm空隙。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的真空干涉仪装置，其特征在于，所述真空干涉仪装置还包括连接于所述干涉仪本体的电源线和数据传输线，所述电源线和所述数据传输线通过第二真空法兰引出所述密闭压力容器之外。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的真空干涉仪装置，其特征在于，所述真空干涉仪装置还包括设置于所述密闭压力容器的波纹管，所述波纹管设置在所述密闭压力容器的与设置有所述标准镜的一侧相对的一侧，用于给所述密闭压力容器给风和送风，以将所述干涉仪本体发热产生的热空气排出所述密闭压力容器。

8.根据权利要求7所述的真空干涉仪装置，其特征在于，所述波纹管为金属波纹管或橡胶波纹管。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的真空干涉仪装置的光学检测方法，其特征在于，包括步骤：

将干涉仪的干涉仪本体装入密闭压力容器中；

将干涉仪的相移器设置于所述密闭压力容器的平行平板窗口的外侧，使得所述相移器设位于所述密闭压力容器之外；

将标准镜安装于所述相移器上，并通过所述干涉仪本体的对准模式将所述相移器和所述标准镜的位置进行调整，使所述干涉仪本体的焦点位于对准模式十字中心处；

调整所述真空干涉仪装置的位置，使得所述干涉仪本体的焦面与被检测元件的焦面对准；

切换所述干涉仪的检测模式，将干涉条纹调整至零条纹状态附近；以及

将所述密闭压力容器之外的环境抽真空，使得被检测元件处于真空或低气压环境，而所述密闭压力容器内的所述干涉仪本体处于常温常压环境，此时通过所述真空干涉仪装置对所述被检测元件进行光学检测。

10.根据权利要求9所述的真空干涉仪装置的光学检测方法，其特征在于，所述真空干涉仪装置的光学检测方法还包括步骤：

将所述干涉仪本体通过第一真空法兰和相移器控制线连接于所述相移器；和

将电源线和数据传输线与所述干涉仪本体连接，并通过第二真空法兰引出所述密闭压力容器之外。

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