用于45度平面镜面形检测的子孔径拼接测量装置与方法

摘要

一种用于45度平面镜面形检测的子孔径拼接测量装置，包括：斐索干涉仪、第一标准镜、第二标准镜、45度平面镜、拼接位移台、二维调整架、倾斜二维调整架。本发明在被测45度平面镜上方加入反射镜，使光原路返回，对45度平面镜进行子孔径拼接干涉测量，采用变权重法对子孔径面形数据进行拼接，得到全口径面形。本发明具有：1，操作简易，45度平面镜镜面不易变形，测量精度高；2，子孔径面形数据采用变权重数据融合拼接，精度高；3，通过改变第一标准镜和第二标准镜的反射率，既可以测量未镀膜面，也可以测量高反面，均有较高的干涉对比度的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及子孔径拼接干涉计量测试领域，特别是一种用于45度平面镜面 形检测的装置与方法。

背景技术

子孔径拼接干涉测量技术能够以低成本实现大口径光学元件的高精度测量。 最初子孔径拼接干涉测量技术采用Zernike多项式来描述波前，可以获得基于 Zernike多项式的全口径面形分布。(1.【Stephen C.Jensen,Weng,W.Chow,and  George N.Lawrence.Subaperture testing approaches:a comparison[J].APPLIED  OPTICS,1984,23(5):740～745】和2.【James E.Negro.Subaperture optical system  testing[J].APPLIED OPTIC,1984,23(12):1921～1930)。Stuhlinger提出离散相位 法，波前采用在子孔径上分布的大量的离散点的光学相位值来描述，根据子孔径 重叠区的相位通过最小二乘法确定子孔径测量过程中的相对倾斜，进而拼接得到 全口径面形分布。(3.【Tilman W.Stuhlinger.Subaperture optical testing: experimental vertification[C].SPIE,1986,656:118～127】)。Otsubo提出误差均化 思想，要求所有子孔径重叠区中相关值的平方和同时达到最小，以得到全口径面 形分布。(4.【Masashi Otsubo,Katsuyuki Okada and Jumpei Tsujiuchi.Measurement  of Large Plane Surface Shape with Interferometric Aperture Synthesis[C].SPIE,1992, 1720:444～447】)。Michael Bray对子孔径拼接测量系统进行了阐述并制造出了 实用化的大口径平面光学元件的子孔径拼接干涉仪。(【Michael Bray.Stitching  interferometer for large piano optics using a standard interferometer[C].SPIE,1997, 3134:39～50】)。美国QED公司研制成功自动拼接干涉仪，能够实现平面、球面 和适当偏离度的非球面的检测。

45度平面镜是光刻机工件台方镜等高精度光学元件的重要组成部分，在加 工过程中需要高精度检测。以上子孔径拼接干涉测量方案，只能对于单一平面 面形进行检测，对于45度平面镜的检测，传统方法：①将斐索干涉仪45度放 置，但是操作困难，实验不方便；②将45度平面镜45度放置，平面镜有可能变 形，影响面形精度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，是提供一种用于45度平面镜 面形检测的子孔径拼接测量装置与方法，能够检测45度平面光学元件的全口径 面形，操作简易而且平面镜不易变形，检测精度高。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于45度平面镜面形检测的子孔径拼接测量装置，其特点在于，包括： 斐索干涉仪、放置在该斐索干涉仪的参考镜调整架上的第一标准镜、拼接位移台、 固定在该拼接位移台上的二维调整架、装夹在该二维调整架上的45度平面镜、 倾斜二维调整架，以及装夹在该倾斜二维调整架上的第二标准镜；

所述的45度平面镜与所述的斐索干涉仪的发射光呈45度，所述的第二标准 镜位于该45度平面镜的上方、且与该45度平面镜的一反射光呈45度。

斐索干涉仪发出的光穿过第一标准镜后入射到45度平面镜，经45度平面镜 反射后入射到第二标准镜，被第二标准镜反射后，光沿原路返回。

所述的第一标准镜与斐索干涉仪的光轴对准。

标称反射率为1％的第一标准镜与标称反射率为99％的第一标准镜组合测量 未镀膜45度平面镜。

标称反射率为4％的第一标准镜与标称反射率为4％的第一标准镜组合测量高 反射率45度平面镜。

一种利用上述用于45度平面镜的子孔径拼接装置进行测量的方法步骤如 下：

①调整第一标准镜，使其与斐索干涉仪的光轴对准；

②调节二维调整架与倾斜二维调整架，使干涉条纹接近零条纹；

③利用所述的斐索干涉仪，对45度平面镜进行一次子孔径拼接干涉测量， 得到45度平面镜的一个子孔径面形分布M₁(x,y)并存储；

④移动拼接位移台(5)运动至45度平面镜的下一个子孔径；

⑤重复进行步骤②、③和④，完成全部子孔径的测量；

⑥利用变权重数据融合拼接方法将45度平面镜的子孔径面形分布M_k(x,y) 数据拼接，得到45度平面镜的全口径面形分布W(x,y)。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、在光路中加入反射镜对45度平面镜进行测量，操作简易，45度平面镜 镜面不易变形，测量精度高。

2、子孔径面形数据采用变权重数据融合拼接，拼接精度高。

3、通过改变第一标准镜和第二标准镜的反射率，既可以测量未镀膜面，也 可以测量高反面，均有较高的干涉对比度。

附图说明

图1为本发明用于45度平面镜面形检测的子孔径拼接测量装置的结构示意 图。

图2为本发明方法步骤⑥变权重数据融合拼接原理示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明实施例的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实 施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

一种用于45度平面镜面形检测的子孔径拼接测量装置，如图1所示，斐索 干涉仪1发出的光穿过标称反射率为1％的第一标准镜2，经标称反射率为4％的 45度平面镜反射后到达标称反射率为99％第二标准镜3，经标称反射率为99％第 二标准镜3反射后，光沿原路返回；第一标准镜2装夹在所述水平放置的斐索干 涉仪的参考镜调整架1-1上；45度平面镜4装夹在固定于拼接位移台5上的二 维调整架6上与斐索干涉仪1发出的光呈45度；第二标准镜3装夹在倾斜二维 调整架7上，并放置于45度平面镜上方；所用的拼接位移台为一维线性位移台； 所用的二维调整架是具有俯仰和偏摆两个调节自由度的调整架，通过调节使干涉 仪出射光与被测45度平面镜的夹角发生变化；所采用倾斜二维调整架是具有俯 仰和偏摆两个调节自由度的调整架，通过其调节使干涉仪出射光与二标准镜的夹 角发生变化；测量干涉对比度为80％。

一种利用上述用于45度平面镜的子孔径拼接装置进行测量的方法，步骤如 下：

①调整第一标准镜2，使其与斐索干涉仪1的光轴对准；

②调节二维调整架6与倾斜二维调整架7，使干涉条纹接近零条纹；

③利用所述的斐索干涉仪1，对45度平面镜4进行一次子孔径拼接干涉测 量，得到45度平面镜4的一个子孔径面形分布M₁(x,y)并存储；

④移动拼接位移台5运动至下一个子孔径；

⑤重复进行步骤②、③和④，完成全部子孔径的测量；

⑥利用变权重数据融合拼接方法将45度平面镜的子孔径面形分布M(x,y) 数据拼接，得到45度平面镜的全口径面形分布W(x,y)。

经步骤①～⑤得到平面光学元件的子孔径面形数据，若采用直接拼接在拼接 位置会出现拼接缝隙，即拼接后的面形不连续，不能正确反映平面光学元件的面 形。拼接缝隙是由多种原因造成的。在拼接测量中，受拼接位移台定位误差，干 涉仪标准镜面形误差、干涉仪测试重复性等因素综合影响，两两拼接时，拼接缝 隙处两次测量结果必然存在差别，因此直接拼接一定会产生拼接缝隙。拼接缝隙 的存在说明拼接结果存在较大的拼接噪声，而拼接噪声将导致最终的完整拼接的 面形误差增大，拼接面形精度降低，不能准确地检测出平面面形，因此有必要对 拼接缝隙进行消除。

采用变权重数据融合拼接能够消除拼接缝隙，其基本原理如下，W₁和W₂为相邻的两次子孔径测量，W(x,y)是两次测量重叠区的任意一点的相位，其在 水平方向距离左边界的水平距离为L₁,距离右边界的水平距离为L₂,则拼接融合 后该点的相位值W’(x,y)为:

$W^{\prime }(x,y)=\frac{L_2}{L_1+L_2}{W}_1(x,y)+\frac{L_1}{L_1+L_2}{W_2}^{\prime }(x,y)$

W′(x,y)＝k₁*W₁(x,y)+k₂*W₂′(x,y)

其中W₂'(x,y)为W₂(x,y)拟合后相位分布，k₁＝L₂/(L₁+L₂)，k₂＝L₁/(L₁+L₂)。权 重值k₁和k₂随着W(x,y)的位置变化而变化，所以称为变权重数据融合拼接。在重 叠区左边界，k₁＝1，k₂＝0，因此在原拼接缝隙处能够实现平滑过渡，消除拼 接缝隙。右侧拼接位置缝隙的消除同理。

实施例2

一种用于45度平面镜面形检测的子孔径拼接测量装置，如图1所示，斐索 干涉仪1发出的光穿过标称反射率为4％的第一标准镜2，经标称反射率为98％的 45度平面镜反射，经标称反射率为4％的第二标准镜3反射后，光沿原路返回。 第一标准镜2装夹在所述水平放置的斐索干涉仪的参考镜调整架1-1上；45度 平面镜4装夹在固定于拼接位移台5上的二维调整架6上与斐索干涉仪1发出的 光呈45度；第二标准镜3装夹在倾斜二维调整架7上，并放置于45度平面镜上 方；拼接位移台采用一维线性位移台；所用的二维调整架是具有俯仰和偏摆两个 调节自由度的调整架，通过其调节使干涉仪出射光与被测45度平面镜的夹角发 生变化；所采用倾斜二维调整架是具有俯仰和偏摆两个调节自由度的调整架，通 过其调节使干涉仪出射光与二标准镜的夹角发生变化；测量干涉对比度为 99.98％。

一种利用上述用于45度平面镜的子孔径拼接装置进行测量的方法，步骤如 下：

①调整第一标准镜2，使其与斐索干涉仪1的光轴对准；

②调节二维调整架6与倾斜二维调整架7，使干涉条纹接近零条纹；

③利用所述的斐索干涉仪1，对45度平面镜4进行一次子孔径拼接干涉测 量，得到45度平面镜4的一个子孔径面形分布M₁(x,y)并存储；

④移动拼接位移台5运动至下一个子孔径；

⑤重复进行步骤②、③和④，完成全部子孔径的测量；

⑥利用实施例1所述变权重数据融合拼接方法将45度平面镜的子孔径面形 分布M(x,y)数据拼接，得到45度平面镜的全口径面形分布W(x,y)。

本发明操作简易，45度平面镜镜面不易变形，测量精度高；子孔径面形数 据采用变权重数据融合拼接，提高了拼接精度；该装置既可以测量未镀膜面，也 可以测量高反面，干涉对比度均能达到80％以上。