一种基于双波长干涉的超高精度面形测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双波长干涉的超高精度面形测量方法，属于光学检测领域。该方法在菲索干涉仪的基础上引入两个不同中心波长的可调谐激光器。对同一被测镜进行干涉测量时，通过计算两个不同波长的激光器移动相同的相位(比如pi/2)所分别需要的电压来对两台可调谐激光器进行同步移相。利用等步长/定步长相移算法处理所得到的若干帧组合干涉条纹即可得到一个较短合成波长下的相位。通过相位解包裹算法可恢复出最终面形数据。与单一波长干涉仪相比，这类双波长干涉仪具备更敏锐的细节分辨本领，所测得的面形数据信噪比更高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双波长干涉的超高精度面形测量方法
本专利技术属于先进光学制造与检测领域，具体涉及一种基于双波长干涉的超高精度面形测量方法。
技术介绍
高面形精度的光学元件在现代光学工程比如在大口径天文望远镜系统、惯性约束核聚变(ICF)装置、同步辐射系统、引力波探测系统以及深紫外和极紫外(EUV)投影曝光系统等国家大科学工程中扮演极为重要的角色。特别是在集成电路制造领域，深紫外和极紫外光刻机是半导体光刻的核心设备。现在，市场上芯片线宽已达到5nm，并且在半导体光刻领域，摩尔定律依然有效，这归功于极紫外光刻机的成功研发。目前，荷兰的ASML几乎垄断了市场上的所有高端极紫外光刻机。日本Nikon在中端光刻机市场上也占有一定份额。我国的芯片制造企业在高端芯片生产上全部依赖进口紫外光刻机，并且，对于代表最先进水平的极紫外光刻设备，欧美国家对我国采取限制出口政策。因此，光刻机的研制对我国意义重大。光刻物镜的镜头一般由几十上百块球面和非球面组成，并且对每一个面都提出了亚纳米精度的制造要求。如何保证超高精度面形制造的一个前提就是超高精度的面形检测。针对光刻镜头研发，日本和德国均研制出了测量精度达到0.1nm的高精度干涉仪。基于菲索共光路结构的相移干涉仪和点衍射干涉仪是实现超高精度干涉测量的主要测量仪器。在进行亚纳米精度面形检测时，测量环境以及工装设计都处在非常稳定的状态，影响面形精度的很大一部分是高频误差。一般通过多次测量求平均来抑制随机的高频误差。然而，更多的平均次数导致测量时间拉长，进而降低环境和工装的稳定性并最终导致测量误差的增大。针对这一问题，本专利技术提出一种利用双波长干涉测量的方法来实现高信噪比的面形测量结果的方法。双波长干涉测量技术常见于通过合成一个远大于单一波长的合成波长来实现大像差和大动态范围的面形干涉检测，已有相关技术成功应用于非球面检测的文献报道。相反的，本专利技术方法利用双波长来实现更短的一个合成波长来用在超高精度面形干涉测量上。单次测量可以实现更高的细节分辨本领，并且相对于单波长干涉测量具有更高的信噪比。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高精度面形干涉测量方法。该方法基于菲索共光路干涉结构利用两个具有一定波长差的可调谐激光器对一个被测件进行同步测量。控制两台激光器移动相同的相移量，然后利用定步长相移算法可恢复出一个较短合成波长下的相位，进而通过解包裹算法得到面形信息。本专利技术采用的技术方案为：一种基于双波长干涉的超高精度面形测量方法，所述方法包括：利用两台具有不同中心波长的可调谐激光器基于菲索干涉结构对被测件进行同步测量，分别控制两台激光器移动预设的不同步长来实现相同的固定相移步长，对CCD采集得到的一系列具有固定相移间隔的组合干涉条纹利用定步长/等步长相移算法进行相位恢复可得到一个较短合成波长下的对应相位分布，利用解包裹算法可计算得到最终面形相位。进一步地，所述的两台不同中心波长的可调谐激光器中心波长相差应小于10nm以防止干涉系统光学元件色散误差。进一步地，所述的被测件可以使平面也可以是球面和非球面。进一步地，所述的固定相移步长可以为pi/2，也可以为pi/4。进一步地，所述的较短合成波长一般为单一波长长度的1/2左右，具体可以通过公式计算得到，λ1，λ2为两个激光波长，λs为合成波长。本专利技术的技术原理是：假设待测面的面形高差为h(x,y)，则对于波长为λ1的激光来说其对应的干涉条纹就可表示为：I1(x,y)＝A1(x,y)+B1(x,y)·cos[4π·h(x,y)/λ1+δ1])同样的，对于波长为λ2的激光来说，探测器上干涉条纹的光强就为：I2(x,y)＝A2(x,y)+B2(x,y)·cos[4π·h(x,y)/λ2+δ2])其中，A1(x,y)A2(x,y)是两个波长下干涉条纹的背景光强，B1(x,y)B2(x,y)是两个波长下干涉条纹的调制度，δ1，δ2则是两个波长下干涉条纹的相移量。角标1，2分别对应于两种不同的工作波长。这样探测器上采集到的光强则是上述两个干涉条纹光强的叠加。Ik＝I1+I2＝2A(x,y)+2B(x,y)·cos[2π·h(x,y)/λ1+2π·h(x,y)/λ2+k·(δ1+δ2)/2])·cos[2π·h(x,y)/λ1-2π·h(x,y)/λ2+k·(δ1-δ2)/2])这里，假设A1(x,y)＝A2(x,y)＝A(x,y)B1(x,y)＝B2(x,y)＝B(x,y)。如果δ1＝δ2＝δ，就有，Ik＝I1+I2＝2A(x,y)+2B(x,y)·cos[2π·h(x,y)/λeq1])·cos[2π·h(x,y)/λeq2+k·δ])这里，表示双波长干涉下的较长合成波长，表示双波长干涉下的较短合成波长，角标k表示第k帧移相的干涉条纹。可以看到，第一个余弦项在移相过程中为常数。因此,通过常规的定步长/等步长相移算法即可恢复出相对应短波长下的相位分布，这里应该注意的是：虽然合成短波长λeq2约为单波长的一半，但是探测器上得到的合成条纹频率却几乎与单波长一致。因此，在经过后期相位解包裹得到相位分布之后，被测面的面形高度信息应为本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术通过利用两台中心波长接近的的可调谐激光器组合来获得一个更短的激光波长，从而实现超精密干涉测量中更高信噪比和更高细节分辨本领的要求。(2)本专利技术利用空域双激光器思路替换时域多次平均来抑制随机噪声的方法，降低了对高精度实验工装稳定性和环境稳定性的要求，更易达到较高的测量精度。附图说明图1为本专利技术一实施例的基于双波长菲索共光路干涉结构的球面测量示意图；图2为本专利技术基于双波长菲索共光路干涉结构的平面测量示意图；图3为本专利技术基于双波长的干涉系统得到的组合干涉条纹示意图；图4为传统单波长干涉条纹示意图；图5为本专利技术基于双波长的干涉系统得到的短合成波长下的包裹相位示意图；图6为传统单波长下的包裹相位示意图；图7为本专利技术基于双波长的干涉系统得到的短合成波长下的面形残差示意图；图8为相同条件下传统单波长对应的面形残差示意图；图中附图标记含义为：1为第一激光器，2为第二激光器，3为第一分光棱镜，4为第二分光棱镜，5为聚焦透镜，6为第三分光棱镜，7为标准镜头，8为被测镜，9为成像透镜，10为探测器。具体实施方式下面以菲索共光路干涉结构为例结合附图及具体实施方式详细介绍本专利技术。如图1所示，本实施示例的一种基于双波长菲索共光路干涉结构的高精度干涉测量方法，包括如下步骤：第一激光器1，用于产生中心波长为632.8nm且波长可调谐的的激光光束；第二激光器2，用于产生中心波长为635nm且波长可调谐的的激光光束；第一分光棱镜3和第二分光棱镜4用来将两束激光同时引入干涉系统；聚焦透镜5，用于将第一激光器1和第二激光器2发出的细光束聚焦后出射为发散球本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双波长干涉的超高精度面形测量方法，其特征在于，所述方法包括：利用两台具有不同中心波长的可调谐激光器基于菲索干涉结构对被测件进行同步测量，分别控制两台激光器移动预设的不同步长来实现相同的固定相移步长，对CCD采集得到的一系列具有固定相移间隔的组合干涉条纹利用定步长/等步长相移算法进行相位恢复可得到一个较短合成波长下的对应相位分布，利用解包裹算法可计算得到最终面形相位。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于双波长干涉的超高精度面形测量方法，其特征在于，所述方法包括：利用两台具有不同中心波长的可调谐激光器基于菲索干涉结构对被测件进行同步测量，分别控制两台激光器移动预设的不同步长来实现相同的固定相移步长，对CCD采集得到的一系列具有固定相移间隔的组合干涉条纹利用定步长/等步长相移算法进行相位恢复可得到一个较短合成波长下的对应相位分布，利用解包裹算法可计算得到最终面形相位。


2.如权利要求1所述的一种基于双波长干涉的超高精度面形测量方法，其特征在于：所述的两台不同中心波长的可调谐激光器中心波长相差...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锋伟，吴永前，肖向海，陈小君，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51