檢測表面形狀的點衍射幹涉儀的製作方法
2023-05-03 23:45:36 2
專利名稱：檢測表面形狀的點衍射幹涉儀的製作方法
技術領域：
本實用新型與光學表面檢測有關是一種高精度地檢測器件表面形狀的裝置。特別是一種採用固體浸潤透鏡和超分辨掩膜的點衍射幹涉儀。
背景技術：
檢測光學表面(如球面)質量的傳統方法是使用斐索幹涉儀或泰曼-格林幹涉儀。這些方法需要一個實際的參考表面，也就是說傳統方法評價一個待測器件的表面形狀的質量是將其與一個實際的視為理想的參考表面進行比較。對於大的光學器件，如天文望遠鏡的反射鏡，其直徑可達1米以上，要製造出這麼大的參考表面幾乎是不可能的。而且傳統方法的測量精度不可能超過該參考表面的精度，對於要求具有高精度的透鏡，如光刻機用的透鏡，精度要求達幾百分之一波長，要製造出這麼高精度的理想參考表面，也是不可能的。
點衍射幹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)。點光源衍射的球面波前提供了檢測過程中使用的參考表面，從而避免使用實際參考表面。這種方法的關鍵是要製造出足夠小的小孔，以使通過小孔的光可以視為理想球面波，並且要求小孔具有較高的光透過率，以便得到一定強度的球面波。在先技術中，採用蝕刻等方法製作小孔，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。這樣將會嚴重影響測量結果的準確性，而且照射光斑不夠小，小孔光透過率較低，同樣影響檢測精度。同時要使光斑入射到具有波長量級的小孔上也存在很大困難，這增加了儀器裝配的難度，可重複性差，檢測成本高。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在於克服上述在先技術的缺陷，提供一種檢測表面形狀的點衍射幹涉儀，該幹涉儀具有測量精度高、易於裝配和調整的優點。
本實用新型解決技術問題的基本構思是採用固體浸潤透鏡和超分辨掩膜可以產生一種更小的小孔作為點衍射幹涉儀的理想的球面波光源。
本實用新型具體的技術解決方案如下一種檢測表面形狀的點衍射幹涉儀，包括光學部分和數據採集、處理和控制部分，其特徵在於所述的光學部分包含雷射器，沿雷射束前進方向的光軸上，依次設有會聚透鏡、鍍有超分辨掩膜的固體浸潤透鏡、在光軸的上方放置待測器件、下方設有成像透鏡；數據採集、處理和控制部分包含CCD攝像機、計算機和位移控制器；其位置關係如下該固體浸潤透鏡固定在該位移控制裝置上，計算機連接並控制CCD攝像機和位移控制器的工作，雷射器發出的雷射束經會聚透鏡後，其焦點落在固體浸潤透鏡一側的超分辨掩膜中間，形成小孔並經過該小孔照射待測器件，該待測器件的表面TS反射的測量光束聚焦到該超分辨掩膜的表面，經該超分辨掩膜的反射後，該測量光束和從小孔發出的參考光束一起經成像透鏡進入CCD攝像機。
所述的固體浸潤透鏡是由高折射率玻璃製成的，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，接受計算機的指令而運動。
所述的小孔和待測器件之間還設置有補償器。
所述的補償器可以為球面透射光學器件、球面反射光學器件、非球面透射光學器件或非球面反射光學器件。
所述的雷射器和會聚透鏡之間還設有分束器、可移動反射鏡和固定反射鏡，雷射器發射出的雷射束首先被分束器分為測量光束和參考光束，該測量光束被分束器反射後遇到固定反射鏡的反射後再被分束器反射到反射鏡；而參考光束通過分束器到達可移動反射鏡，通過可移動反射鏡)的反射後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量光束反射到會聚透鏡。
本實用新型的具體技術效果是本實用新型的點衍射幹涉儀採用固體浸潤透鏡和超分辨掩膜相結合的技術，固體浸潤透鏡對光束具有很好的聚焦作用，數值孔徑大，聚焦光斑小。當衍射極限的光斑照射到超分辨掩膜時，由於掩膜的非線性效應將在光斑照射處產生一個臨時的小於入射光斑的小孔(或散射中心)，並且產生的小孔大小和入射光斑強度有關。將固體浸潤透鏡與超分辨掩膜相結合，即在固體浸潤透鏡上鍍上一層超分辨掩膜可產生一種更小的小孔。固體浸潤透鏡具有一定的視場，對一定角度範圍的光束都能很好的聚焦，對於入射光束的要求將比較低，並且產生的光斑位置可以通過入射光束調節，使儀器裝配較為簡單。所產生的小孔還具有位置可調、大小可調、光透過率高等優點。因而可以克服在先技術的不足，提供了一種測量精度高、易於裝配和調整的檢測器件表面形狀的裝置。
圖1是本實用新型檢測表面形狀的點衍射幹涉儀示意圖。
圖2是鍍有超分辨掩膜的固體浸潤透鏡示意圖。
圖3是檢測非球面表面形狀的點衍射幹涉儀示意圖。
圖4是可調光程差的檢測表面形狀的點衍射幹涉儀示意圖具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
先請參閱圖1，由圖可見，本實用新型檢測表面形狀的點衍射幹涉儀，包括光學部分和數據採集、處理和控制部分。光學部分包含雷射器1、沿著雷射器1發射光束前進方向，在光軸oo上，依次有會聚透鏡2，鍍有超分辨掩膜的固體浸潤透鏡3，光軸oo上方，有待測器件4，下方有成像透鏡6；數據採集、處理和控制部分包含CCD攝像機5、計算機7和位移控制裝置8。
本實用新型點衍射幹涉儀的結構如圖1所示。所述的光學部分有雷射器1，沿著雷射器1發射光束前進的方向光軸oo上，有會聚透鏡2，有鍍有超分辨掩膜的固體浸潤透鏡3，會聚透鏡2的方位應使其焦點落在固體浸潤透鏡3a一側的超分辨掩膜3b中間，以便形成小孔3c。經過小孔3c出射的球面波前進方向上，在光軸oo的上方，放有待測器件4，該待測器件4的方位應使被其表面TS反射的測量光束聚焦到超分辨掩膜3b的表面，經超分辨掩膜3b表面的反射，測量光束和從小孔3c發出的參考光一起，經光軸oo下方成像透鏡6進入CCD攝像機5。成像透鏡6的像的方位應使其物面落在待測器件4的表面TS上。
所述的數據採集、處理和控制部分包含CCD攝像機5，計算機7和位移控制裝置8。計算機7連接到CCD攝像機5和控制固體浸潤透鏡3位置的位移控制裝置8上，固體浸潤透鏡3固定在位移控制裝置8的上面。
所述的雷射器1，可以是單波長或多波長雷射器。當雷射器1是多波長雷射器時，需要加入濾波器，每次輸出一個波長，進行一次檢測，如果需要，再用另一個波長檢測，將得到的兩個幹涉條紋比較，就可以得到被測器件的表面形狀更多的信息。
所述的會聚透鏡2具有大的數值孔徑。
所述的鍍有超分辨掩膜的固體浸潤透鏡3(見圖2)，是由固體浸潤透鏡3a和超分辨掩膜3b組成的。固體浸潤透鏡由高折射率的玻璃製成。超分辨掩膜3b採用銻掩膜，利用銻的晶態與非晶態之間轉變導致的雷射透過率發生突變而實現小孔3c。其表面鍍有反射作用的保護膜。超分辨掩膜3b，也可以是其他具有進一步減小光斑尺寸的非線性膜層。當光束經固體浸潤透鏡3a聚焦於超分辨掩膜3b中，會形成比沒有膜層產生的光斑更小的「小孔」3c。
所述的透鏡6具有儘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。
本實用新型具有如上所述的結構，從雷射器1發出的光束經透鏡2匯聚到固體浸潤透鏡3a，再經固體浸潤透鏡3a到達其後面的超分辨掩膜3b。光束能量呈高斯分布，光斑的中央區域的超分辨掩膜3b溫度高於其熔點使其從晶態到熔化態轉變，由於熔化態的超分辨掩膜3b對入射光透過率高於其晶態的透過率，這樣在入射光斑照射處會形成一個小於原光斑直徑的小孔3c。被小孔3c衍射的光波視為理想發散球面波SW。理想球面波SW一部分波前作為測量光束，直接入射到待測器件4的表面TS。測量光束被待測器件4的表面TS的反射，而聚焦到超分辨掩膜3b的表面。待測器件4起到對測量光束的聚焦作用。所以待測器件4表面TS的焦點應該在超分辨掩膜3b的表面上。測量光束經超分辨掩膜3b表面的反射，經成像透鏡6到達CCD攝像機5。
理想球面波SW一部分波前作為參考光束，經成像透鏡6到達CCD攝像機5，和測量光束在CCD攝像機5的接收面上形成幹涉條紋。CCD攝像機5的輸出被送入計算機7中進行分析。待測器件4的表面TS與理想球面波前SW的曲率半徑一致的地方，幹涉條紋稀疏，曲率半徑相差越大，條紋越密。從而由這些幹涉條紋樣式可以得到待測器件4的表面形狀TS。
下面再給出三個具體實施例。
實施例1其裝置結構示意圖如圖1所示，光源1採用半導體雷射器，波長λ＝650nm。會聚透鏡2，其數值孔徑為0.9，工作距離3mm。固體浸潤透鏡3a半徑0.764mm，使用514.5nm處折射率為1.8198的的玻璃製成，數值孔徑為1.5。通過調節位移控制裝置8使聚焦光斑落在超分辨掩膜中3b。將待測器件置於壓電陶瓷基座上，調節待測器件4和固體浸潤透鏡3之間的距離，直到在CCD攝像機5上得到清晰的條紋。將數據採集到計算機7，完成一次測量。
實施例2其裝置結構示意圖如圖3所示，與實施例1中標號相同的器件這裡不再作詳細說明。將補償器(NULL元件)9置於小孔3c和待測器件4之間，來產生接近於在整個待測器件4表面TS的波前，以解決待測器件4表面TS與理想球面相差很大時的情形，即非球面的情形，整個測量一次就可完成。其精度取決於補償器9的質量。
所述的補償器9可以為球面透射光學器件、球面反射光學器件、非球面透射光學器件或非球面反射光學器件。
實施例3其裝置結構如圖4所示，與實施例1中標號相同的器件這裡不再作詳細說明。從光源1發出的光被分束器12分為測量光束和參考光束。參考光束通過分束器12到達可移動的反射鏡10。通過移動反射鏡10可以調整參考光束和測量光束之間的光程差。參考光束再次經過分束器12，被反射鏡13反射到會聚透鏡2，然後被會聚透鏡2聚焦到固體浸潤透鏡3。同時測量光束被分束器12反射後遇到固定的反射鏡11。測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將測量光束反射到會聚透鏡2，被會聚透鏡2聚焦到固體浸潤透鏡3，和參考光束一起在超分辨掩膜3b中形成小孔3c。測量光束經過小孔3c照射到待測器件4表面TS。測量光束被待測器件4表面TS反射後聚焦到超分辨掩膜3b的表面。被超分辨掩膜3b表面反射後，經過成像透鏡6到達CCD攝像機5。參考光束經過小孔3c直接到達成像透鏡6，經過成像透鏡6到達CCD攝像機5。參考光束和測量光束在CCD攝像機5接收面上形成幹涉條紋。
本實施例的優點在於可以通過移動反射鏡11調整兩光束的光程差，進而調整幹涉條紋的對比度，提高測量精度。
該實施方式同樣可以使用實施例2即圖3中的方法，即使用補償器9解決非球面的檢測問題。
權利要求1.一種檢測表面形狀的點衍射幹涉儀，包括光學部分和數據採集、處理和控制部分，其特徵在於所述的光學部分包含雷射器(1)，沿雷射束前進方向的光軸上，依次設有會聚透鏡(2)，鍍有超分辨掩膜(3b)的固體浸潤透鏡(3)，在光軸的上方放置待測器件(4)，下方設有成像透鏡(6)；所述的數據採集、處理和控制部分包含CCD攝像機(5)、計算機(7)和位移控制器(8)；上述各元器件的位置關係如下該固體浸潤透鏡(3)固定在該位移控制裝置(8)上，計算機(7)連接並控制CCD攝像機(5)和位移控制器(8)的工作，雷射器(1)發出的雷射束經會聚透鏡(2)後，其焦點落在固體浸潤透鏡(3)一側的超分辨掩膜(3b)中間，形成小孔並經過該小孔(3c)照射待測器件(4)，該待測器件(4)的表面TS反射的測量光束聚焦到該超分辨掩膜(3b)的表面，經該超分辨掩膜(3b)的反射後，該測量光束和從小孔(3c)發出的參考光束一起經成像透鏡(6)進入CCD攝像機(5)。
2.根據權利要求1所述的點衍射幹涉儀，其特徵在於所述的固體浸潤透鏡(3a)是由高折射率玻璃製成的，所述的超分辨掩膜(3b)是銻膜。
3.根據權利要求1所述的點衍射幹涉儀，其特徵在於所述的位移控制裝置(8)是高精度電機，接受計算機(7)的指令而運動。
4.根據權利要求1所述的點衍射幹涉儀，其特徵在於所述的小孔(3c)和待測器件(4)之間還設置有補償器(9)。
5.根據權利要求4所述的點衍射幹涉儀，其特徵在於所述的補償器(9)可以為球面透射光學器件、球面反射光學器件、非球面透射光學器件或非球面反射光學器件。
6.根據權利要求1所述的點衍射幹涉儀，其特徵在於所述的雷射器(1)和會聚透鏡(2)之間還設有分束器(12)、可移動反射鏡(10)和固定反射鏡(11)，雷射器(1)發射出的雷射束首先被分束器(12)分為測量光束和參考光束，該測量光束被分束器(12)反射後遇到固定反射鏡(11)的反射後再被分束器(12)反射到反射鏡(13)；而參考光束通過分束器(12)到達可移動反射鏡(10)，通過可移動反射鏡(10)的反射後再次通過分束器(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量光束反射到會聚透鏡(2)。
專利摘要一種檢測表面形狀的點衍射幹涉儀，包括光學部分和數據採集、處理和控制部分。光學部分包含雷射器，沿雷射束前進方向的光軸上，依次設有會聚透鏡，鍍有超分辨掩膜的固體浸潤透鏡，在光軸的上方放置待測器件，下方設有成像透鏡；數據採集、處理和控制部分包含CCD攝像機，計算機和位移控制器。本實用新型的關鍵是通過採用固體浸潤透鏡和超分辨掩膜的技術，獲得了一個更小的小孔作為點衍射幹涉儀的理想球面波的光源，該小孔不僅位置和大小均可調，而且光透過率高，對入射光束的質量要求較低，因而本實用新型是一種測量精度高、易於裝配和調整的檢測器件表面形狀的裝置。
文檔編號G01B11/30GK2599524SQ0322881
公開日2004年1月14日 申請日期2003年2月14日 優先權日2003年2月14日
發明者徐文東, 周飛, 王陽, 張鋒, 魏勁松 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所