基于针孔式点衍射干涉仪球面镜曲率半径测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学测量技术领域，特别是一种基于针孔式点衍射干涉仪的球面镜曲 率半径测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 球面镜是光学系统中常见的一种光学元件，在各类光学系统中有重要的应用。例 如，在下一代光刻投影物镜系统中（ExtremeUltra-violet,简称EUV)，采用13. 5nm全反射 式光刻物镜。该系统中包含6片离轴球面或非球面镜，球面反射镜的加工质量对整个系统 的成像效果有着关键的影响。曲率半径（radiusofcurvature，R0C)是表征光学球面镜光 学特性的重要参量。球面反射镜曲率半径对光学系统的成像质量有着很大的影响。球面反 射镜的加工过程中，准确测得测量球面镜的曲率半径是光学车间检验的重要工作。
[0003] 当前，测量球面镜曲率半径的方法有很多种。球面样板法是光学加工车间中比较 常用的球面镜面曲率半径的测量方法，选用理论上与被测球面反射镜曲率半径相同的球面 样板，当两者的曲率半径一致时，被测球面与样板球面之间的空气层处处等厚，则看不到条 纹。但球面样板法和球径仪法一样，都是接触式测量，会对球面反射镜的表面造成损坏。球 面曲率半径的测量一直是干涉测量领域的研究热点。2011年，HengyuYi设计了一套补偿 器件，用ZYGO干涉仪来测量反射镜的曲率半径，利用一个补偿器件可同时实现凹面和凸面 反射镜的测量，但在计算曲率半径的过程中忽略了补偿器的厚度而引入的测量误差，使得 测量精度有限。2012年，Abdelsalam采用同步移相干涉仪来测量曲率半径，这是一种新的 非接触式测量方法，但测量精度不高。
[0004] 本发明提出了一种基于针孔式点衍射干涉仪的球面镜曲率半径测量装置及方法， 采用非接触式测量的方式在保证测量精度的条件下，避免了对待测球面镜表面的损伤。基 于点衍射干涉仪的特性，可以实现大数值孔径的球面镜曲率半径的高精度测量，同时该方 法还避免了待测面数值孔径对测量结果的影响。采用该装置可以实现球面镜的曲率半径和 面形的同步测量。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种基于针孔式点衍射干涉仪的球面镜曲率半径测量装置 及方法，在保证测量精度的基础上，对球面镜的曲率半径实现非接触式测量，同时还可以实 现大数值孔径球面镜曲率半径及表面面型的同步测量，并消除了数值孔径所引入的测量误 差的影响。
[0006] 基于针孔式点衍射干涉仪的球面镜曲率半径测量装置包括偏振稳频氦氖激光器、 平面反射镜、激光扩束镜、显微物镜、针孔反射镜、平行平板、待测球面镜、PZT移相器、成像 透镜组、CCD探测器；其中，针孔反射镜、平行平板、待测球面镜、PZT移相器沿光路方向顺次 相连，构成测试光路；针孔反射镜、成像透镜组、C⑶探测器沿光路方向顺次相连，构成参考 光路；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高；偏振 稳频氦氖激光器发出的光束，经平面反射镜的反射，再经激光扩束镜扩展为宽光束，经显微 物镜会聚后，会聚焦点投射到针孔反射镜的针孔上，入射光束经针孔衍射可得到近乎理想 的球面波；衍射球面波沿光轴方向被对称分割成两部分，即参考球面波前和测试球面波前； 测试球面波通过平行平板后，经待测球面镜反射后再次通过平行平板，返回的光束焦点投 射至针孔反射镜上，再经反射后与参考球面波会和，二者经过成像透镜组后可在CCD探测 器上得到干涉条纹；通过PZT移相器驱动待测球面镜进行多步移相测量，并用CCD探测器实 时采集对应的干涉图。
[0007] 所述的基于针孔式点衍射干涉仪的球面镜曲率半径测量装置，所述的平行平板是 标准nBK7玻璃平行平板，具有精确的厚度。
[0008] 所述的基于针孔式点衍射干涉仪的球面镜曲率半径测量装置的测量方法，方法步 骤为：
[0009] 1)分别测得第一个平行平板和第二个平行平板的厚度，根据已知的平行平板的折 射率，确定测试光经过第一平行平板所引入的轴向平移At为：
【主权项】
1. 一种基于针孔式点衍射干涉仪的球面镜曲率半径测量装置，其特征在于，它包括偏 振稳频氦氖激光器（1)、平面反射镜（2)、激光扩束镜（3)、显微物镜（4)、针孔反射镜（5)、平 行平板（6)、待测球面镜（7)、PZT移相器（8)、成像透镜组（9)、CXD探测器（10);其中，针孔 反射镜（5)、平行平板（6)、待测球面镜（7)、PZT移相器（8)沿光路方向顺次相连，构成测试 光路；针孔反射镜（5)、成像透镜组（9)、CXD探测器（10)沿光路方向顺次相连，构成参考光 路；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高；偏振稳 频氦氖激光器（1)发出的光束，经平面反射镜（2)的反射，再经激光扩束镜（3)扩展为宽光 束，经显微物镜（4)会聚后，会聚焦点投射到针孔反射镜（5)的针孔上，入射光束经针孔衍 射可得到近乎理想的球面波；衍射球面波沿光轴方向被对称分割成两部分，即参考球面波 前和测试球面波前；测试球面波通过平行平板（6 )后，经待测球面镜（7 )反射后再次通过平 行平板（6)，返回的光束焦点投射至针孔反射镜（5)上，再经反射后与参考球面波会和，二 者经过成像透镜组（9)后可在CXD探测器（10)上得到干涉条纹；通过PZT移相器（8)驱动 待测球面镜（7)进行多步移相测量，并用CCD探测器（10)实时采集对应的干涉图。
2. 根据权利要求1所述的基于针孔式点衍射干涉仪的球面反射镜曲率半径测量装置， 其特征在于，所述的平行平板（6)是标准nBK7玻璃平行平板，具有精确的厚度。
3. 基于权利要求1所述的基于针孔式点衍射干涉仪球面镜曲率半径测量装置的测量 方法，其特征在于，球面镜曲率半径测量检测步骤为： 1) 分别测得第一平行平板和第二平行平板的厚度，根据已知的平行平板的折射率，确 定测试光经过第一平行平板所引入的轴向平移At为：
确定测试光经过第二平行平板所引入的轴向平移At'为：
式中，η为平行平板的折射率，h为第一平行平板的厚度，h'为第二平行平板的厚度； 在点衍射干涉腔中运用高斯成像公式，得出第一平行平板引入的轴向平移At经待测 球面镜成像后的轴向平移AR为：
第二平行平板引入的轴向平移At'经待测球面镜成像后的轴向平移AR'为：
式中，R为待测球面镜的曲率半径； 2) 测试光路中不引入平行平板，将待测球面镜调整至一个离焦位置，调整待测球面镜 直至干涉条纹同心圆环的中心与CCD探测器的中心重合；利用多步移相算法对所得到的干 涉条纹图进行数据处理，得到待测球面镜在该离焦位置处所对应的波面数据与待测球面镜 所处理想共焦位置波面数据之差W tlOc, y);并用Zernike多项式进行波面拟合得到WtlOc, y) 的离焦项系数a3，则有： a3 = (R-r) (NA2/4+NA4/16+9NA7320+NA8/64) 其中，R_r为该离焦位置与理想共焦位置之间的轴向位移；NA为待测球面镜的数值孔 径； 3) 测试光路中引入第一平行平板，则待测球面镜所对应的波面处于一个新的离焦位 置，保持待测球面镜位置不动，调节平行平板的位置，使干涉条纹同心圆环中心与CCD探 测器的中心重合；利用多步移相算法对所得到的干涉条纹图进行数据处理，得到待测球 面镜在该离焦位置处所对应的波面数据与待测球面镜所处理想共焦位置波面数据之差 W1 (X，y);并用Zernike多项式进行波面拟合得到W1 (X，y)的离焦项系数a3'，则有： a3' = (R+AR-r) (NA2/4+NA4/16+9NA7320+NA8/64) 其中，R+Λ R-r为该离焦位置与理想共焦位置之间的轴向位移； 4) 测试光路中引入第二平行平板，则待测球面镜所对应的波面处于又一个新的离焦 位置，保持待测球面镜位置不动，调节平行平板的位置，使干涉条纹同心圆环中心与CCD 探测器的中心重合；利用多步移相算法对所得到的干涉条纹图进行数据处理，得到待测 球面镜在该离焦位置处所对应的波面数据与待测球面镜所处理想共焦位置波面数据之差 W2 (X，y);并用Zernike多项式进行波面拟合得到W2 (X，y)的离焦项系数a3' '，则有： a3'' = (R+AR'-r)(NA2/4+NA4/16+9NA6/320+NA 8/64) 其中，R+Λ R' -r为该离焦位置与理想共焦位置之间的轴向位移； 5) 得出W1(Xj)的离焦项系数a3'和Wtl(Xj)的离焦项系数a 3之差Aa3为： - α~ι - (i-'
得出W2(x，y)的离焦项系数a3 "和Wtl(Xj)的离焦项系数a3之差八&'3为： 飞二(X、_ (1飞
则W1 (X，y)和Wtl (X，y)离焦系数之差Λ a3与W2 (X，y)和Wtl (X，y)离焦系数之差Λ a' 3的 比值k为：
6) 得出待测球面镜的曲率半径R为：
式中，去除一个虚数的计算结果，从而得到待测球面镜的曲率半径。
4.根据权利要求3所述的基于针孔式点衍射干涉仪球面镜曲率半径测量装置的测量 方法，其特征在于，在本装置中，通过先后在干涉腔中插入两块不同厚度的平行平板，来实 现两次定量的离焦。
【专利摘要】本发明公开了一种基于针孔式点衍射干涉仪的球面镜曲率半径测量装置及方法。本发明通过在针孔式点衍射干涉仪装置中，先后于干涉腔中插入两块不同厚度的平行平板，来实现两次定量的离焦。当测试光路中不放置平行平板时，通过移相测量得到波面数据W0，分别放置两个不同厚度的平行平板在测试光路中，通过移相测量得出两个不同的波面W1和波面W2，通过W1和W0的离焦系数之差、W2和W0的离焦系数之差和高斯成像公式，推导出球面反射镜曲率半径的计算公式。本发明采用非接触式的测量方法避免了对球面镜表面的损坏，为大数值孔径球面镜曲率半径的无损伤测量提供了可行的方法，同时适用于大数值孔径球面镜的面形检测。
【IPC分类】G01B11-255
【公开号】CN104655053
【申请号】CN201310609016
【发明人】高志山, 田雪, 杨忠明, 王凯亮, 王帅, 成金龙, 叶井飞, 袁群
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2013年11月25日