高精度特种球面光学元件干涉检测关键技术研究

摘要

球面光学元件相对于非球面光学元件和自由曲面光学元件具有结构简单、加工成本低廉和易于装调等优点，是现代光学系统中优先选择的基本光学元件之一。球面光学系统不但在传统的数码相机和医疗器械等民用产品中占有主导地位，而且在光刻物镜和高功率激光驱动器等高科技前沿领域中发挥不可替代的重要作用。应用于光刻物镜和高功率激光驱动器领域的球面光学元件，其特点是大数值孔径和大曲率半径，属于特种球面。本文针对大数值孔径和大曲率半径特种球面干涉检测过程中出现的若干新问题展开深入研究。
　　针对大数值孔径特种球面面形干涉检测亚纳米精度的技术难点，采用基于自然球面基准的针孔式点衍射干涉检测原理，利用有限时域差分(FDTD)方法分析了衍射针孔的物理参数和装调误差对衍射波前质量的影响;讨论了系统硬件参数要求和系统的设计方案;建立了针孔式点衍射干涉仪实验装置，为后续大数值孔径球面元件参数的高精度干涉检测技术研究提供了实验平台，也为目标测量准确度为亚纳米的针孔式点衍射干涉仪工程样机提供了理论和实验基础。同时，提出了基于Radon变换获取距离数值的针孔式点衍射干涉检测无镜成像技术，突破了干涉检测成像系统的技术研制瓶颈，并进行了理论推导、仿真分析和实验验证。
　　在大数值孔径特种球面面形干涉检测中，传统的被测球面定位误差一阶校正方法已不再适用，不能满足亚纳米级检测精度要求。本文提出了大数值孔径球面面形调整误差高阶校正技术。探讨了大数值孔径被测球面的定位误差引起的高阶调整误差的理论模型，提出了高阶调整误差的校正去除方法。在大数值孔径球面而形旋转平移绝对检测中，去除了高阶调整误差对检测结果的影响。通过仿真分析和实验验证，有效的保证了大数值孔径特种球面面形的亚纳米级干涉检测精度。
　　针对紫外光刻物镜对大数值孔径特种球面曲率半径与透镜焦距高精度检测的双重要求，本文提出了大数值孔径球面曲率半径与透镜焦距的高精度波前差分干涉检测方法。建立了波前差分理论模型，分析了大数值孔径球面曲率半径和透镜焦距与差分波前的Zemike多项式系数之间的数学关系。进行了曲率半径和透镜焦距高精度波前差分干涉检测方法的实验验证。在紫外光刻物镜工程研制过程中，为大数值孔径球面元件的准确研制提供了相互验证的高精度检测方法。
　　针对高功率激光驱动系统中使用的大曲率半径特种球面，其曲率半径是影响激光光束质量的关键参数。本文提出了基于虚拟牛顿环的大曲率半径非零位干涉检测技术。将圆载频干涉条纹变换成线载频干涉条纹，通过提取莫尔条纹信息得到被测球面的曲率半径。建立了球面大曲率半径非零位干涉检测装置，校正了非零位系统中的回程误差。结果表明:针对曲率半径为41400mm的激光谐振腔镜的检测精度优于0.18％。保证了大功率激光驱动系统中大曲率半径特种球面元件的准确研制。

目录

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摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 自然球面基准——点衍射干涉检测技术

1．2．2 数字球面基准——球面面形绝对检测技术

1．2．3 球面大曲率半径干涉检测技术

1．2．4 研究现状总结

1．3 课题来源和主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 主要研究内容

2 亚纳米精度针孔式点衍射干涉检测技术

2．1．1 光波的矢量衍射理论

2．1．2 衍射针孔的物理参数对衍射波前质量的影响

2．1．3 衍射针孔的装调误差对衍射波前质量的影响

2．1．4 针孔衍射波前质量分析小节

2．2 针孔式点衍射干涉检测系统实验装置

2．2．1 硬件参数选择与成像系统设计

2．2．2 系统误差标定

2．3 针孔式点衍射干涉检测无镜成像技术

2．3．1 光波的标量衍射理论

2．3．2 点衍射干涉检测无镜成像衍射计算模型

2．3．3 基于Radon变换的获取距离数值的无镜成像技术仿真分析

2．3．4 点衍射干涉检测无镜成像实验验证

2．4 本章小结

3 大数值孔径球面面形检测中的原理误差与校正技术

3．1 球面调整误差的高阶项描述及校正技术

3．1．1 高阶调整误差数学模型与校正方法理论分析

3．1．2 大数值孔径球面调整误差仿真分析

3．1．3 4次叠加9步平均高价调整误差校正方法实验验证

3．2 大数值孔径球面面形旋转平移绝对检测技术

3．2．1 旋转平移绝对检测过程

3．2．2 大数值孔径球面旋转平移绝对检测过程仿真分析

3．3．3 大数值孔径球面旋转平移绝对检测实验验证

3．3 本章小结

4 大数值孔径球面曲率半径与透镜焦距干涉检测技术

4．1 基于波前差分方法的大数值孔径球面曲率半径检测技术

4．1．1 基于波前差分方法的球面曲率半径干涉检测过程

4．1．2 大数值孔径球面曲率半径干涉检测实验验证

4．2 基于波前差分方法的大数值孔径球面透镜焦距测量技术

4．2．1 基于波前差分方法的球面透镜半径干涉检测过程

4．2．2 大数值孔径球面透镜焦距干涉检测实验验证

4．3 本章小结

5 球面大曲率半径非零位干涉检测技术

5．1 基于笛卡尔坐标系的球面大曲率半径非零位干涉检测技术

5．1．1 笛卡尔坐标系中波前差分数据提取方法

5．1．2 非零位检测系统中回程误差的校正

5．1．3 虚拟“样板”曲率半径选取和低通滤波函数的讨论

5．1．4 笛卡尔坐标系中球面大曲率半径非零位检测实验验证

5．2 基于二阶极坐标系的球面大曲率半径非零位干涉检测技术

5．2．1 二阶极坐标系中波前差分数据的提取方法

5．2．2 球面大曲率半径非零位检测过程仿真分析

5．2．3 二阶极坐标系中球面大曲率半径非零位检测实验验证

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文内容总结

6．2 本文主要创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文情况

攻读博士学位期间申请专利情况

攻读博士学位期间参与科研项目与获奖情况

附录