基于聲光外差移相的準直鏡后表面自標定共光路干涉儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于聲光外差移相的準直鏡后表面自標定共光路干涉儀，通過采用聲光移頻器外差干涉移相，有效避免干涉儀存在運動件，測量精度進一步提高，抗干擾性好，且研制難度與成本可以降低，尤其對于大口徑面形的測量，相比機械驅動同樣的優(yōu)勢更明顯；同時，采用低頻差外差干涉與高速面陣探測器連續(xù)采集，獲得的信息量更豐富，更有利于精確解算相位，更有利于克服噪聲等因素影響；另外，增加點衍射自標定光束，測量時用點衍射光預先標定參考鏡，可以既降低了參考鏡的精度要求，又提高了測量的精度，還降低了干涉儀研制的難度與成本。
【專利說明】基于聲光外差移相的準直鏡后表面自標定共光路干涉儀

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學【技術領域】，尤其涉及一種基于聲光外差移相的準直鏡后表面自標 定共光路干涉儀。

【背景技術】
[0002] W深紫外光刻機投影曝光系統(tǒng)為代表的高端光學設備，對光學元件的加工、光學 系統(tǒng)的集成提出了極大挑戰(zhàn)。干涉儀作為高精度光學元件加工和光學系統(tǒng)集成不可或缺的 核也檢測設備，檢測精度要求不斷提高。
[0003] 傳統(tǒng)光學加工中采用的光學面形檢測方法包括哈特曼傳感器法、刀口法和輪廓法 等。該些方法分別存在著非數(shù)字化需主觀判讀或接觸損傷待測件等不同的缺點，且很難達 到較高的測量精度，是簡單測量方法。
[0004] 干涉檢測法早在百年前就已經(jīng)被使用，屬于非接觸式測量，且具有大量程、高靈敏 度、高精度等特點，在高精度檢測時被廣泛應用，其原理是一束光照射標準的參考平面作為 參考光，另一束光照射被測面返回帶有面形信息作為測量光，兩束光干涉時由于光斑不同 位置相位不同產(chǎn)生光程差從而產(chǎn)生彎曲的干涉條紋，即可判斷待測面的面形起伏。直到 1974年化lining等人提出移相干涉技術，把通訊理論中同步相位探測技術引入到光學干涉 術中，使得干涉檢測球面面形的精度大大提高。其基本原理是經(jīng)過四步或多步移動待測元 件，W改變測試波和參考波之間的位相差，光強也隨之改變，從而得到一系列的方程。最后， 通過求解方程組得到待測元件（或系統(tǒng)）的位相值。移相干涉技術已經(jīng)相當成熟，在光學 檢測領域具有不可替代的地位。
[0005] 發(fā)明人在進行發(fā)明創(chuàng)造中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術主要存在如下缺陷：
[0006] 1)用于球面檢測的Twyman-Green型干涉檢測系統(tǒng)；利用標準參考鏡的反射波來 獲得所需的參考波前。來自激光器的光束經(jīng)擴束系統(tǒng)準直擴束后，由分光板分為兩部分： 其中一部分平行光束通過分光板，并經(jīng)標準鏡會聚后由待測球面（其曲率中也位于標準鏡 焦點處）反射回來，該部分光束作為檢測光；另一部分平行光束由分光板反射后再經(jīng)標準 參考鏡反射回來，此部分光束作為參考光；參考光和檢測光在分光板會合后，再經(jīng)過成像系 統(tǒng)，進而在CCD上得到干涉條紋；同時，該系統(tǒng)通過PZT移相器對標準參考鏡進行微位移移 相，來實現(xiàn)球面的多步移相檢測。但是，該系統(tǒng)中測量光與參考光不共光路，對光路經(jīng)過的 每一個光學元件的面形精度要求高，而且易受震動等外界環(huán)境影響。
[0007] 2)用于球面檢測的Fizeau干涉檢測系統(tǒng)：利用標準鏡上的參考面（平面或球面） 的反射波來獲得所需的參考波前。經(jīng)準直透鏡準直后的輸出光束經(jīng)過一標準鏡變成會聚 光，其中部分光束由標準鏡上的參考球面反射回來，作為參考光；而經(jīng)過標準鏡的透射光則 由待測球面反射回來，作為檢測光；反射回的參考光和檢測光經(jīng)分光板反射后，再通過成像 系統(tǒng)在CCD探測器上得到干涉圖；同時，該系統(tǒng)通過PZT移相器對標準鏡進行移相，即可實 現(xiàn)球面的多步移相檢測。但是，該系統(tǒng)中由于采用機械移動作為移相方法，因此精度不夠 高，且成本高，研制難度大；尤其對大口徑面形的測量，精密機械驅動精度降低，測量精度也 隨之降低。
[0008] 3)波長移相斐索干涉儀。針對大口徑面形的高精度移相檢測，1999年前后提出的 波長移相斐索干涉儀可W較好的解決了壓電推動移相的困難；其波長移相干涉儀光路與上 述Fizeau干涉檢測系統(tǒng)相同，只是其中不用壓電驅動機械移相，而是激光器既作為光源， 其波長又可W連續(xù)改變，起到移相器的作用，不再需要推動器件實現(xiàn)移相，可W簡化了干涉 儀的機械結構；并且在測量中，大口徑參考鏡機械部分保持不動，消除了由于硬件移動引起 的各種誤差，來提高測量精度。但是，實際上波長調諧激光器內(nèi)進行波長調諧也是通過壓電 機械推動或改變溫度來改變諧振腔腔長，或通過機械旋轉光柵等方法來改變激光波長，雖 然需要驅動的元件在激光腔內(nèi)，口徑重量比參考鏡要小，但仍不可避免機械運動或溫度改 變等手段造成的精度降低，并且可調諧激光器研制難度大，成本高；另外，可移相的步數(shù)有 限，獲得的信息少，準確度仍無法滿足高精度測量需求。
[0009] 另外，現(xiàn)有的某些共光路外差干涉儀，由于需要一塊面形精度極高的參考鏡作為 標尺，參考鏡的精度直接決定了最終的測量精度，而參考鏡的制作難度與成本都極高，尤其 對大口徑的干涉儀，參考鏡直接制約了干涉儀的口徑和精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是提供一種基于聲光外差移相的準直鏡后表面自標定共光路干涉 儀，其具有較高的精度與較高的抗干擾的能力，且研制難度與成本較低。
[0011] 本發(fā)明的目的是通過W下技術方案實現(xiàn)的：
[0012] 一種基于聲光外差移相的準直鏡后表面自標定共光路干涉儀，包括；激光器、第 一與第二偏振分光鏡、第一、第二與第H聲光頻移器、第一與第二反射鏡、合束鏡、空間濾波 器、點衍射光波生成裝置、第一分光鏡、準直鏡、直角棱鏡或第二分光鏡、成像鏡與面陣探測 器；所述準直鏡的最后一個面為平面；
[0013] 其中，所述激光器的出射光依次經(jīng)過第一與第二偏振分光鏡分束為a、b與CH路 光束，a光為第一偏振分光鏡的反射光，b光為依次經(jīng)過所述第一與第二偏振分光鏡的穿透 光，C光為第二偏振分光鏡的反射光；所述a光依次經(jīng)過第一反射鏡與第一聲光頻移器后射 入合束鏡中；所述C光依次經(jīng)過第二反射鏡、第二聲光頻移器與可移動的角錐棱鏡后射入 所述合束鏡中；所述a光與C光在合束鏡中合束后依次經(jīng)過空間濾波器與分光鏡后射入準 直鏡中，其中一部分光通過所述準直鏡最后的平面反射作為參考光，經(jīng)由第一分光鏡射入 所述直角棱鏡或第二分光鏡中，另一部分光穿透所述準直鏡射入待測樣品并被反射作為測 量光，依次通過所述準直鏡與第一分光鏡后射入所述直角棱鏡或第二分光鏡中；所述b光 作為準直鏡最后的平面的自標定光依次經(jīng)過第H聲光頻移器、點衍射光波生成裝置后射入 所述直角棱鏡或第二分光鏡中；
[0014] 射入所述直角棱鏡或第二分光鏡中的光束經(jīng)直角棱鏡折轉，由成像鏡進入面陣探 測器形成具有空間相干性與時間相干性干涉條紋。
[0015] 進一步的，所述激光器與第一偏振分光鏡之間、所述第一與第二偏振分光鏡之間， W及所述第H聲光頻移器與點衍射光波生成裝置之間還分別設有一半波片。
[0016] 進一步的，a光與C光合束后，其中的C光通過所述準直鏡最后的平面反射作為參 考光，a光則穿透所述準直鏡射入待測樣品并被反射作為測量光。
[0017] 進一步的，所述激光器的出射光為短相干光，使a光到待測樣品與C光到準直鏡最 后平面后返回的光分別作為測量光與參考光進行干涉，其光程差由C光往返角錐棱鏡多走 的光程來補償，通過移動控制所述角錐棱鏡的位置來控制適應不同光程差使其滿足干涉條 件，而其余的光束間光程差都會因大于出射光的相干長度而不發(fā)生干涉。
[0018] 進一步的，所述空間濾波器包括；顯微物鏡與濾波針孔，光束依次經(jīng)過所述顯微物 鏡與濾波針孔進行完成空間濾波。
[0019] 進一步的，所述點衍射光波生成裝置包括；光纖禪合鏡、單模保偏光纖與光纖頭， 或者顯微物鏡與點衍射孔；
[0020] 若所述點衍射光波生成裝置為光纖禪合鏡、單模保偏光纖與光纖頭，則光束依次 經(jīng)過所述光纖禪合鏡、單模保偏光纖與光纖頭后射入所述直角棱鏡中，其中，所述光纖頭與 所述直角棱鏡膠合在一起；
[0021] 若所述點衍射光波生成裝置為顯微物鏡與點衍射孔，則光束依次經(jīng)過所述顯微物 鏡與點衍射孔后射入所述第二分光鏡中。
[0022] 進一步的，所述b光經(jīng)單模保偏光纖的光程與所述a光經(jīng)所述準直鏡最后的平面 反射并通過所述分光鏡后射入所述直角棱鏡或第二分光鏡中所走的光程長度相同。
[0023] 由上述本發(fā)明提供的技術方案可W看出，采用聲光移頻器外差干涉移相，有效避 免干涉儀存在運動件，測量精度進一步提高，抗干擾性好，且研制難度與成本可W降低，尤 其對于大口徑面形的測量，相比機械驅動同樣的優(yōu)勢更明顯；同時，采用低頻差外差干涉與 高速面陣探測器連續(xù)采集，獲得的信息量更豐富，更有利于精確解算相位，更有利于克服噪 聲等因素影響；另外，增加點衍射自標定光束，測量時用點衍射光預先標定參考鏡，可W既 降低了參考鏡的精度要求，又提高了測量的精度，還降低了干涉儀研制的難度與成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本 領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可W根據(jù)該些附圖獲得其他 附圖。
[0025] 圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于聲光外差移相的準直鏡后表面自標定共光 路干涉儀的示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明實施例提供的另一種基于聲光外差移相的準直鏡后表面自標定共 光路干涉儀的示意圖。

【具體實施方式】
[0027] 下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒?發(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[002引 實施例
[0029]圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于聲光外差移相的準直鏡后表面自標定共光 路干涉儀的示意圖。如圖I所示，其主要包括：
[0030] 激光器、第一與第二偏振分光鏡、第一、第二與第H聲光頻移器、第一與第二反射 鏡、合束鏡、空間濾波器、點衍射光波生成裝置、第一分光鏡、準直鏡、光纖頭、直角棱鏡或第 二分光鏡、成像鏡與面陣探測器；所述準直鏡為一片或一組鏡片組成，其最后一個面設計為 平面，下文中稱之為準直鏡最后的平面；
[0031] 其中，所述激光器的出射光依次經(jīng)過第一與第二偏振分光鏡分束為a、b與CH路 光束，a光為第一偏振分光鏡的反射光，b光為依次經(jīng)過所述第一與第二偏振分光鏡的穿透 光，C光為第二偏振分光鏡的反射光；所述a光依次經(jīng)過第一反射鏡與第一聲光頻移器后射 入合束鏡中；所述C光依次經(jīng)過第二反射鏡、第二聲光頻移器與可移動的角錐棱鏡后射入 所述合束鏡中；所述a光與C光在合束鏡中合束后依次經(jīng)過空間濾波器與分光鏡后射入準 直鏡中，其中一部分光通過所述準直鏡最后的平面反射作為參考光，經(jīng)由第一分光鏡射入 所述直角棱鏡或第二分光鏡中，另一部分光穿透所述準直鏡射入待測樣品并被反射作為測 量光，依次通過所述準直鏡與第一分光鏡后射入所述直角棱鏡或第二分光鏡中；所述b光 作為所述準直鏡最后的平面的自標定光依次經(jīng)過第H聲光頻移器點衍射光波生成裝置后 射入所述直角棱鏡或第二分光鏡中；
[0032] 射入所述直角棱鏡或第二分光鏡中的光束經(jīng)直角棱鏡折轉，由成像鏡進入面陣探 測器形成具有空間相干性與時間相干性干涉條紋。
[0033] 進一步的，所述激光器與第一偏振分光鏡之間、所述第一與第二偏振分光鏡之間， W及所述第H聲光頻移器與點衍射光波生成裝置之間還分別設有一半波片。
[0034] 進一步的，a光與C光合束后，其中的C光通過所述準直鏡最后的平面反射作為參 考光，a光則穿透所述準直鏡射入待測樣品并被反射作為測量光。
[0035] 進一步的，所述激光器的出射光為短相干光，通過將出射光的相干長度設為僅使a 光到待測樣品與C光到準直鏡最后的平面后返回的光分別作為測量光與參考光進行干涉， 其光程差由C光往返角錐棱鏡多走的光程來補償，通過移動控制所述角錐棱鏡的位置來控 制適應不同光程差使其滿足干涉條件，而其余的光束間光程差都會因大于出射光的相干長 度而不發(fā)生干涉。
[0036] 進一步的，所述空間濾波器包括；顯微物鏡與濾波針孔，光束依次經(jīng)過所述顯微物 鏡與濾波針孔進行完成空間濾波。
[0037] 進一步的，所述點衍射光波生成裝置可W包括圖1所示的光纖禪合鏡、單模保偏 光纖與光纖頭，也可W包括如圖2所示的顯微物鏡與點衍射孔；
[0038] 若所述點衍射光波生成裝置為圖1所示的光纖禪合鏡、單模保偏光纖與光纖頭， 則光束依次經(jīng)過所述光纖禪合鏡、單模保偏光纖與光纖頭后射入所述直角棱鏡中，其中，所 述光纖頭與所述直角棱鏡膠合在一起；
[0039] 若所述點衍射光波生成裝置為圖2所示的顯微物鏡與點衍射孔，則光束依次經(jīng)過 所述顯微物鏡與點衍射孔后射入所述第二分光鏡中。
[0040] 進一步的，所述b光經(jīng)單模保偏光纖的光程與所述a光經(jīng)所述準直鏡最后的平面 反射并通過所述分光鏡后射入所述直角棱鏡中所走的光程長度相同。
[0041] 本發(fā)明實施例中，所述的H個聲光頻移器可W改變激光頻率，H個聲光移頻器的 移頻量不同，且移頻后兩兩光束差頻也不相同，均為幾赫茲或幾十赫茲量級的低差頻，使其 可W用現(xiàn)有峽頻的面陣探測器探測其頻差。
[0042] 本發(fā)明實施例中的為了避免a光與C光經(jīng)過準直鏡與待測樣品面前后分別反射回 的光產(chǎn)生多種相互干涉引起干擾，采用的激光光源為短相干光（相干長度為數(shù)毫米到數(shù)十 厘米），根據(jù)待測件的焦距、擺放位置等參數(shù)，設定出射光的相干長度僅使a光到待測樣品 與C光到準直鏡最后的平面后返回的光分別作為測量光與參考光進行干涉，其光程差由C 光往返角錐棱鏡多走的光程來補償，移動控制角錐棱鏡的位置即可控制適應不同光程差使 其滿足干涉條件，而其余的光束間光程差都會因大于激光相干長度而不發(fā)生干涉。由于存 在頻差，條紋不僅具有空間相干性還具有時間相干性，用面陣探測器記錄一段時間的干涉 條紋變化，利用傅里葉變換等方法可W解調反演出待測樣品表面相對于所述準直鏡最后的 平面的面形結果。
[0043] 本發(fā)明實施例還引入了第H束移頻光（即b光）作為該準直鏡最后的平面的自標 定光；W使用圖1所示的點衍射光波生成裝置為例，b光進入光纖禪合鏡禪合至單模保偏光 纖，由于光纖芯徑很小，從光纖另一端出射的光束相當于經(jīng)過了空間濾波的點衍射出射光， 該樣的點衍射光波前面形質量很好，很容易超過現(xiàn)有該準直鏡最后的平面的面形精度（一 般A/20)很多倍，用此束點衍射光作為參考來自標定該準直鏡最后的平面，可W使此類干 涉儀中平面鏡的面形精度要求大大降低，且測量精度有所提高，特別適用于大口徑干涉儀， 理論上測量精度為點衍射光的波前精度。從光纖頭處出射的點衍射光經(jīng)直角棱鏡與另兩束 光（參考光與測量光）合束一同進入面陣探測器。所述b光經(jīng)單模保偏光纖的長度設計為 與a光經(jīng)該準直鏡最后的平面反射所走的光程長度相同，該樣在探測器上將產(chǎn)生第二組干 涉條紋（a光到平晶面的返回光與b光產(chǎn)生的干涉），探測一定時間的干涉條紋再針對該兩 束光（即a光到平晶面的返回光與b光產(chǎn)生的干涉）的頻差經(jīng)過解調反演即可得到該準直 鏡最后的平面的面形、系統(tǒng)光路初始誤差、測量環(huán)境因素等系統(tǒng)空腔測量綜合誤差。將其 從a、C兩光測得的樣品相對該準直鏡最后的平面的面形中扣除，即得到準確的樣品面形結 果。在每次對樣品測量時都進行自標定并扣除，可W抑制每次測量因測量條件變化引起的 誤差。
[0044] 另外，本發(fā)明實施例中兩組干涉條紋可W同時測量，由于頻差不同，從一組信號中 即可分別提取出不同的干涉信息，互不干擾，進一步抑制了兩組測量在不同條件下測量引 起的誤差。具體的解調反演原理如下所述：
[0045]設移頻后兩束光（前述任意一組中的兩束光均可）的頻率分別為V1和V2,頻差 V1-V2為赫茲或幾十赫茲量級，高速面陣探測器采用數(shù)百赫茲量級，因此可W準確探測外 差的拍頻信號。設兩束光的光強都為E，則高速面陣探測器上一點采集的隨時間t變化的干 涉f旨號S(t)表不為：

【權利要求】
1. 一種基于聲光外差移相的準直鏡后表面自標定共光路干涉儀，其特征在于，包括： 激光器、第一與第二偏振分光鏡、第一、第二與第三聲光頻移器、第一與第二反射鏡、合束 鏡、空間濾波器、點衍射光波生成裝置、第一分光鏡、準直鏡、直角棱鏡或第二分光鏡、成像 鏡與面陣探測器；所述準直鏡的最后一個面為平面； 其中，所述激光器的出射光依次經(jīng)過第一與第二偏振分光鏡分束為a、b與c三路光束， a光為第一偏振分光鏡的反射光，b光為依次經(jīng)過所述第一與第二偏振分光鏡的穿透光， c光為第二偏振分光鏡的反射光；所述a光依次經(jīng)過第一反射鏡與第一聲光頻移器后射入 合束鏡中；所述c光依次經(jīng)過第二反射鏡、第二聲光頻移器與可移動的角錐棱鏡后射入所 述合束鏡中；所述a光與c光在合束鏡中合束后依次經(jīng)過空間濾波器與分光鏡后射入準直 鏡中，其中一部分光通過所述準直鏡最后的平面反射作為參考光，經(jīng)由第一分光鏡射入所 述直角棱鏡或第二分光鏡中，另一部分光穿透所述準直鏡射入待測樣品并被反射作為測量 光，依次通過所述準直鏡與第一分光鏡后射入所述直角棱鏡或第二分光鏡中；所述b光作 為準直鏡最后的平面的自標定光依次經(jīng)過第三聲光頻移器、點衍射光波生成裝置后射入所 述直角棱鏡或第二分光鏡中； 射入所述直角棱鏡或第二分光鏡中的光束經(jīng)直角棱鏡折轉，由成像鏡進入面陣探測器 形成具有空間相干性與時間相干性干涉條紋。
2. 根據(jù)權利要求1所述的干涉儀，其特征在于，所述激光器與第一偏振分光鏡之間、所 述第一與第二偏振分光鏡之間，以及所述第三聲光頻移器與點衍射光波生成裝置之間還分 別設有一半波片。
3. 根據(jù)權利要求1所述的干涉儀，其特征在于，a光與c光合束后，其中的c光通過所 述準直鏡最后的平面反射作為參考光，a光則穿透所述準直鏡射入待測樣品并被反射作為 測量光。
4. 根據(jù)權利要求3所述的干涉儀，其特征在于，所述激光器的出射光為短相干光，使a 光到待測樣品與c光到準直鏡最后平面后返回的光分別作為測量光與參考光進行干涉，其 光程差由c光往返角錐棱鏡多走的光程來補償，通過移動控制所述角錐棱鏡的位置來控制 適應不同光程差使其滿足干涉條件，而其余的光束間光程差都會因大于出射光的相干長度 而不發(fā)生干涉。
5. 根據(jù)權利要求1所述的干涉儀，其特征在于，所述空間濾波器包括：顯微物鏡與濾波 針孔，光束依次經(jīng)過所述顯微物鏡與濾波針孔進行完成空間濾波。
6. 根據(jù)權利要求1所述的干涉儀，其特征在于，所述點衍射光波生成裝置包括：光纖耦 合鏡、單模保偏光纖與光纖頭，或者顯微物鏡與點衍射孔； 若所述點衍射光波生成裝置為光纖耦合鏡、單模保偏光纖與光纖頭，則光束依次經(jīng)過 所述光纖耦合鏡、單模保偏光纖與光纖頭后射入所述直角棱鏡中，其中，所述光纖頭與所述 直角棱鏡膠合在一起； 若所述點衍射光波生成裝置為顯微物鏡與點衍射孔，則光束依次經(jīng)過所述顯微物鏡與 點衍射孔后射入所述第二分光鏡中。
7. 根據(jù)權利要求6所述的干涉儀，其特征在于，所述b光經(jīng)單模保偏光纖的光程與所述 a光經(jīng)所述準直鏡最后的平面反射并通過所述分光鏡后射入所述直角棱鏡或第二分光鏡中 所走的光程長度相同。
【文檔編號】G01B9/02GK104359397SQ201410690424
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權日:2014年11月25日
【發(fā)明者】張文喜, 相里斌, 呂笑宇, 李楊, 伍洲, 孔新新, 周志盛, 周志良, 劉志剛 申請人:中國科學院光電研究院