專利名稱：檢測(cè)表面形狀的點(diǎn)衍射干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與光學(xué)表面檢測(cè)有關(guān)是一種高精度地檢測(cè)器件表面形狀的裝置。特別是一種采用固體浸潤(rùn)透鏡和超分辨掩膜的點(diǎn)衍射干涉儀。
背景技術(shù)：
檢測(cè)光學(xué)表面(如球面)質(zhì)量的傳統(tǒng)方法是使用斐索干涉儀或泰曼-格林干涉儀。這些方法需要一個(gè)實(shí)際的參考表面，也就是說傳統(tǒng)方法評(píng)價(jià)一個(gè)待測(cè)器件的表面形狀的質(zhì)量是將其與一個(gè)實(shí)際的視為理想的參考表面進(jìn)行比較。對(duì)于大的光學(xué)器件，如天文望遠(yuǎn)鏡的反射鏡，其直徑可達(dá)1米以上，要制造出這么大的參考表面幾乎是不可能的。而且傳統(tǒng)方法的測(cè)量精度不可能超過該參考表面的精度，對(duì)于要求具有高精度的透鏡，如光刻機(jī)用的透鏡，精度要求達(dá)幾百分之一波長(zhǎng)，要制造出這么高精度的理想?yún)⒖急砻?，也是不可能的?br> 點(diǎn)衍射干涉儀則提供了一種可行的解決辦法(參見Interferometricapparatus and methods for measuring surface topography of a test surface，Gemma，et al.United States Patent6，344，898)。點(diǎn)光源衍射的球面波前提供了檢測(cè)過程中使用的參考表面，從而避免使用實(shí)際參考表面。這種方法的關(guān)鍵是要制造出足夠小的小孔，以使通過小孔的光可以視為理想球面波，并且要求小孔具有較高的光透過率，以便得到一定強(qiáng)度的球面波。在先技術(shù)中，采用蝕刻等方法制作小孔，這種方法很難做出理想的小孔，因而其衍射的光波也就不再是理想的球面波。這樣將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且照射光斑不夠小，小孔光透過率較低，同樣影響檢測(cè)精度。同時(shí)要使光斑入射到具有波長(zhǎng)量級(jí)的小孔上也存在很大困難，這增加了儀器裝配的難度，可重復(fù)性差，檢測(cè)成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述在先技術(shù)的缺陷，提供一種檢測(cè)表面形狀的點(diǎn)衍射干涉儀，該干涉儀具有測(cè)量精度高、易于裝配和調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明解決技術(shù)問題的基本構(gòu)思是采用固體浸潤(rùn)透鏡和超分辨掩膜可以產(chǎn)生一種更小的小孔作為點(diǎn)衍射干涉儀的理想的球面波光源。
本發(fā)明具體的技術(shù)解決方案如下一種檢測(cè)表面形狀的點(diǎn)衍射干涉儀，包括光學(xué)部分和數(shù)據(jù)采集、處理和控制部分，其特征在于所述的光學(xué)部分包含激光器，沿激光束前進(jìn)方向的光軸上，依次設(shè)有會(huì)聚透鏡、鍍有超分辨掩膜的固體浸潤(rùn)透鏡、在光軸的上方放置待測(cè)器件、下方設(shè)有成像透鏡；數(shù)據(jù)采集、處理和控制部分包含CCD攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)和位移控制器；其位置關(guān)系如下該固體浸潤(rùn)透鏡固定在該位移控制裝置上，計(jì)算機(jī)連接并控制CCD攝像機(jī)和位移控制器的工作，激光器發(fā)出的激光束經(jīng)會(huì)聚透鏡后，其焦點(diǎn)落在固體浸潤(rùn)透鏡一側(cè)的超分辨掩膜中間，形成小孔并經(jīng)過該小孔照射待測(cè)器件，該待測(cè)器件的表面TS反射的測(cè)量光束聚焦到該超分辨掩膜的表面，經(jīng)該超分辨掩膜的反射后，該測(cè)量光束和從小孔發(fā)出的參考光束一起經(jīng)成像透鏡進(jìn)入CCD攝像機(jī)。
所述的固體浸潤(rùn)透鏡是由高折射率玻璃制成的，所述的超分辨掩膜是銻膜。
所述的位移控制裝置是高精度電機(jī)，接受計(jì)算機(jī)的指令而運(yùn)動(dòng)。
所述的小孔和待測(cè)器件之間還設(shè)置有補(bǔ)償器。
所述的補(bǔ)償器可以為球面透射光學(xué)器件、球面反射光學(xué)器件、非球面透射光學(xué)器件或非球面反射光學(xué)器件。
所述的激光器和會(huì)聚透鏡之間還設(shè)有分束器、可移動(dòng)反射鏡和固定反射鏡，激光器發(fā)射出的激光束首先被分束器分為測(cè)量光束和參考光束，該測(cè)量光束被分束器反射后遇到固定反射鏡的反射后再被分束器反射到反射鏡；而參考光束通過分束器到達(dá)可移動(dòng)反射鏡，通過可移動(dòng)反射鏡)的反射后再次通過分束器入射到反射鏡。該反射鏡將上述入射的參考光束和測(cè)量光束反射到會(huì)聚透鏡。
本發(fā)明的具體技術(shù)效果是本發(fā)明的點(diǎn)衍射干涉儀采用固體浸潤(rùn)透鏡和超分辨掩膜相結(jié)合的技術(shù)，固體浸潤(rùn)透鏡對(duì)光束具有很好的聚焦作用，數(shù)值孔徑大，聚焦光斑小。當(dāng)衍射極限的光斑照射到超分辨掩膜時(shí)，由于掩膜的非線性效應(yīng)將在光斑照射處產(chǎn)生一個(gè)臨時(shí)的小于入射光斑的小孔(或散射中心)，并且產(chǎn)生的小孔大小和入射光斑強(qiáng)度有關(guān)。將固體浸潤(rùn)透鏡與超分辨掩膜相結(jié)合，即在固體浸潤(rùn)透鏡上鍍上一層超分辨掩膜可產(chǎn)生一種更小的小孔。固體浸潤(rùn)透鏡具有一定的視場(chǎng)，對(duì)一定角度范圍的光束都能很好的聚焦，對(duì)于入射光束的要求將比較低，并且產(chǎn)生的光斑位置可以通過入射光束調(diào)節(jié)，使儀器裝配較為簡(jiǎn)單。所產(chǎn)生的小孔還具有位置可調(diào)、大小可調(diào)、光透過率高等優(yōu)點(diǎn)。因而可以克服在先技術(shù)的不足，提供了一種測(cè)量精度高、易于裝配和調(diào)整的檢測(cè)器件表面形狀的裝置。


圖1是本發(fā)明檢測(cè)表面形狀的點(diǎn)衍射干涉儀示意圖。
圖2是鍍有超分辨掩膜的固體浸潤(rùn)透鏡示意圖。
圖3是檢測(cè)非球面表面形狀的點(diǎn)衍射干涉儀示意圖。
圖4是可調(diào)光程差的檢測(cè)表面形狀的點(diǎn)衍射干涉儀示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
先請(qǐng)參閱圖1，由圖可見，本發(fā)明檢測(cè)表面形狀的點(diǎn)衍射干涉儀，包括光學(xué)部分和數(shù)據(jù)采集、處理和控制部分。光學(xué)部分包含激光器1、沿著激光器1發(fā)射光束前進(jìn)方向，在光軸oo上，依次有會(huì)聚透鏡2，鍍有超分辨掩膜的固體浸潤(rùn)透鏡3，光軸oo上方，有待測(cè)器件4，下方有成像透鏡6；數(shù)據(jù)采集、處理和控制部分包含CCD攝像機(jī)5、計(jì)算機(jī)7和位移控制裝置8。
本發(fā)明點(diǎn)衍射干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。所述的光學(xué)部分有激光器1，沿著激光器1發(fā)射光束前進(jìn)的方向光軸oo上，有會(huì)聚透鏡2，有鍍有超分辨掩膜的固體浸潤(rùn)透鏡3，會(huì)聚透鏡2的方位應(yīng)使其焦點(diǎn)落在固體浸潤(rùn)透鏡3a一側(cè)的超分辨掩膜3b中間，以便形成小孔3c。經(jīng)過小孔3c出射的球面波前進(jìn)方向上，在光軸oo的上方，放有待測(cè)器件4，該待測(cè)器件4的方位應(yīng)使被其表面TS反射的測(cè)量光束聚焦到超分辨掩膜3b的表面，經(jīng)超分辨掩膜3b表面的反射，測(cè)量光束和從小孔3c發(fā)出的參考光一起，經(jīng)光軸oo下方成像透鏡6進(jìn)入CCD攝像機(jī)5。成像透鏡6的像的方位應(yīng)使其物面落在待測(cè)器件4的表面TS上。
所述的數(shù)據(jù)采集、處理和控制部分包含CCD攝像機(jī)5，計(jì)算機(jī)7和位移控制裝置8。計(jì)算機(jī)7連接到CCD攝像機(jī)5和控制固體浸潤(rùn)透鏡3位置的位移控制裝置8上，固體浸潤(rùn)透鏡3固定在位移控制裝置8的上面。
所述的激光器1，可以是單波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)激光器。當(dāng)激光器1是多波長(zhǎng)激光器時(shí)，需要加入濾波器，每次輸出一個(gè)波長(zhǎng)，進(jìn)行一次檢測(cè)，如果需要，再用另一個(gè)波長(zhǎng)檢測(cè)，將得到的兩個(gè)干涉條紋比較，就可以得到被測(cè)器件的表面形狀更多的信息。
所述的會(huì)聚透鏡2具有大的數(shù)值孔徑。
所述的鍍有超分辨掩膜的固體浸潤(rùn)透鏡3(見圖2)，是由固體浸潤(rùn)透鏡3a和超分辨掩膜3b組成的。固體浸潤(rùn)透鏡由高折射率的玻璃制成。超分辨掩膜3b采用銻掩膜，利用銻的晶態(tài)與非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的激光透過率發(fā)生突變而實(shí)現(xiàn)小孔3c。其表面鍍有反射作用的保護(hù)膜。超分辨掩膜3b，也可以是其他具有進(jìn)一步減小光斑尺寸的非線性膜層。當(dāng)光束經(jīng)固體浸潤(rùn)透鏡3a聚焦于超分辨掩膜3b中，會(huì)形成比沒有膜層產(chǎn)生的光斑更小的“小孔”3c。
所述的透鏡6具有盡可能大的矯正失真和像差的能力。
所述的位移控制裝置8可以是高精度電機(jī)。
本發(fā)明具有如上所述的結(jié)構(gòu)，從激光器1發(fā)出的光束經(jīng)透鏡2匯聚到固體浸潤(rùn)透鏡3a，再經(jīng)固體浸潤(rùn)透鏡3a到達(dá)其后面的超分辨掩膜3b。光束能量呈高斯分布，光斑的中央?yún)^(qū)域的超分辨掩膜3b溫度高于其熔點(diǎn)使其從晶態(tài)到熔化態(tài)轉(zhuǎn)變，由于熔化態(tài)的超分辨掩膜3b對(duì)入射光透過率高于其晶態(tài)的透過率，這樣在入射光斑照射處會(huì)形成一個(gè)小于原光斑直徑的小孔3c。被小孔3c衍射的光波視為理想發(fā)散球面波SW。理想球面波SW一部分波前作為測(cè)量光束，直接入射到待測(cè)器件4的表面TS。測(cè)量光束被待測(cè)器件4的表面TS的反射，而聚焦到超分辨掩膜3b的表面。待測(cè)器件4起到對(duì)測(cè)量光束的聚焦作用。所以待測(cè)器件4表面TS的焦點(diǎn)應(yīng)該在超分辨掩膜3b的表面上。測(cè)量光束經(jīng)超分辨掩膜3b表面的反射，經(jīng)成像透鏡6到達(dá)CCD攝像機(jī)5。
理想球面波SW一部分波前作為參考光束，經(jīng)成像透鏡6到達(dá)CCD攝像機(jī)5，和測(cè)量光束在CCD攝像機(jī)5的接收面上形成干涉條紋。CCD攝像機(jī)5的輸出被送入計(jì)算機(jī)7中進(jìn)行分析。待測(cè)器件4的表面TS與理想球面波前SW的曲率半徑一致的地方，干涉條紋稀疏，曲率半徑相差越大，條紋越密。從而由這些干涉條紋樣式可以得到待測(cè)器件4的表面形狀TS。
下面再給出三個(gè)具體實(shí)施例。
實(shí)施例1其裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，光源1采用半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)λ＝650nm。會(huì)聚透鏡2，其數(shù)值孔徑為0.9，工作距離3mm。固體浸潤(rùn)透鏡3a半徑0.764mm，使用514.5nm處折射率為1.8198的的玻璃制成，數(shù)值孔徑為1.5。通過調(diào)節(jié)位移控制裝置8使聚焦光斑落在超分辨掩膜中3b。將待測(cè)器件置于壓電陶瓷基座上，調(diào)節(jié)待測(cè)器件4和固體浸潤(rùn)透鏡3之間的距離，直到在CCD攝像機(jī)5上得到清晰的條紋。將數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)7，完成一次測(cè)量。
實(shí)施例2其裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，與實(shí)施例1中標(biāo)號(hào)相同的器件這里不再作詳細(xì)說明。將補(bǔ)償器(NULL元件)9置于小孔3c和待測(cè)器件4之間，來產(chǎn)生接近于在整個(gè)待測(cè)器件4表面TS的波前，以解決待測(cè)器件4表面TS與理想球面相差很大時(shí)的情形，即非球面的情形，整個(gè)測(cè)量一次就可完成。其精度取決于補(bǔ)償器9的質(zhì)量。
所述的補(bǔ)償器9可以為球面透射光學(xué)器件、球面反射光學(xué)器件、非球面透射光學(xué)器件或非球面反射光學(xué)器件。
實(shí)施例3其裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，與實(shí)施例1中標(biāo)號(hào)相同的器件這里不再作詳細(xì)說明。從光源1發(fā)出的光被分束器12分為測(cè)量光束和參考光束。參考光束通過分束器12到達(dá)可移動(dòng)的反射鏡10。通過移動(dòng)反射鏡10可以調(diào)整參考光束和測(cè)量光束之間的光程差。參考光束再次經(jīng)過分束器12，被反射鏡13反射到會(huì)聚透鏡2，然后被會(huì)聚透鏡2聚焦到固體浸潤(rùn)透鏡3。同時(shí)測(cè)量光束被分束器12反射后遇到固定的反射鏡11。測(cè)量光束被重新反射回分束器12。接著反射到反射鏡13，反射鏡13將測(cè)量光束反射到會(huì)聚透鏡2，被會(huì)聚透鏡2聚焦到固體浸潤(rùn)透鏡3，和參考光束一起在超分辨掩膜3b中形成小孔3c。測(cè)量光束經(jīng)過小孔3c照射到待測(cè)器件4表面TS。測(cè)量光束被待測(cè)器件4表面TS反射后聚焦到超分辨掩膜3b的表面。被超分辨掩膜3b表面反射后，經(jīng)過成像透鏡6到達(dá)CCD攝像機(jī)5。參考光束經(jīng)過小孔3c直接到達(dá)成像透鏡6，經(jīng)過成像透鏡6到達(dá)CCD攝像機(jī)5。參考光束和測(cè)量光束在CCD攝像機(jī)5接收面上形成干涉條紋。
本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過移動(dòng)反射鏡11調(diào)整兩光束的光程差，進(jìn)而調(diào)整干涉條紋的對(duì)比度，提高測(cè)量精度。
該實(shí)施方式同樣可以使用實(shí)施例2即圖3中的方法，即使用補(bǔ)償器9解決非球面的檢測(cè)問題。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)表面形狀的點(diǎn)衍射干涉儀，包括光學(xué)部分和數(shù)據(jù)采集、處理和控制部分，其特征在于所述的光學(xué)部分包含激光器(1)，沿激光束前進(jìn)方向的光軸上，依次設(shè)有會(huì)聚透鏡(2)，鍍有超分辨掩膜(3b)的固體浸潤(rùn)透鏡(3)，在光軸的上方放置待測(cè)器件(4)，下方設(shè)有成像透鏡(6)；所述的數(shù)據(jù)采集、處理和控制部分包含CCD攝像機(jī)(5)、計(jì)算機(jī)(7)和位移控制器(8)；上述各元器件的位置關(guān)系如下該固體浸潤(rùn)透鏡(3)固定在該位移控制裝置(8)上，計(jì)算機(jī)(7)連接并控制CCD攝像機(jī)(5)和位移控制器(8)的工作，激光器(1)發(fā)出的激光束經(jīng)會(huì)聚透鏡(2)后，其焦點(diǎn)落在固體浸潤(rùn)透鏡(3)一側(cè)的超分辨掩膜(3b)中間，形成小孔并經(jīng)過該小孔(3c)照射待測(cè)器件(4)，該待測(cè)器件(4)的表面TS反射的測(cè)量光束聚焦到該超分辨掩膜(3b)的表面，經(jīng)該超分辨掩膜(3b)的反射后，該測(cè)量光束和從小孔(3c)發(fā)出的參考光束一起經(jīng)成像透鏡(6)進(jìn)入CCD攝像機(jī)(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點(diǎn)衍射干涉儀，其特征在于所述的固體浸潤(rùn)透鏡(3a)是由高折射率玻璃制成的，所述的超分辨掩膜(3b)是銻膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點(diǎn)衍射干涉儀，其特征在于所述的位移控制裝置(8)是高精度電機(jī)，接受計(jì)算機(jī)(7)的指令而運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點(diǎn)衍射干涉儀，其特征在于所述的小孔(3c)和待測(cè)器件(4)之間還設(shè)置有補(bǔ)償器(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的點(diǎn)衍射干涉儀，其特征在于所述的補(bǔ)償器(9)可以為球面透射光學(xué)器件、球面反射光學(xué)器件、非球面透射光學(xué)器件或非球面反射光學(xué)器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點(diǎn)衍射干涉儀，其特征在于所述的激光器(1)和會(huì)聚透鏡(2)之間還設(shè)有分束器(12)、可移動(dòng)反射鏡(10)和固定反射鏡(11)，激光器(1)發(fā)射出的激光束首先被分束器(12)分為測(cè)量光束和參考光束，該測(cè)量光束被分束器(12)反射后遇到固定反射鏡(11)的反射后再被分束器(12)反射到反射鏡(13)；而參考光束通過分束器(12)到達(dá)可移動(dòng)反射鏡(10)，通過可移動(dòng)反射鏡(10)的反射后再次通過分束器(12)入射到反射鏡(13)，該反射鏡(13)將上述入射的參考光束和測(cè)量光束反射到會(huì)聚透鏡(2)。
全文摘要
一種檢測(cè)表面形狀的點(diǎn)衍射干涉儀，包括光學(xué)部分和數(shù)據(jù)采集、處理和控制部分。光學(xué)部分包含激光器，沿激光束前進(jìn)方向的光軸上，依次設(shè)有會(huì)聚透鏡，鍍有超分辨掩膜的固體浸潤(rùn)透鏡，在光軸的上方放置待測(cè)器件，下方設(shè)有成像透鏡；數(shù)據(jù)采集、處理和控制部分包含CCD攝像機(jī)，計(jì)算機(jī)和位移控制器。本發(fā)明的關(guān)鍵是通過采用固體浸潤(rùn)透鏡和超分辨掩膜的技術(shù)，獲得了一個(gè)更小的小孔作為點(diǎn)衍射干涉儀的理想球面波的光源，該小孔不僅位置和大小均可調(diào)，而且光透過率高，對(duì)入射光束的質(zhì)量要求較低，因而本發(fā)明是一種測(cè)量精度高、易于裝配和調(diào)整的檢測(cè)器件表面形狀的裝置。
文檔編號(hào)G01J3/45GK1431477SQ0311541
公開日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月14日
發(fā)明者徐文東, 周飛, 王陽, 張鋒, 魏勁松 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所