CN112964203B - 一种检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置，其结构上包含光源及扩束镜、待测面、光束整形***以及共路自干涉***。本发明采用了掠入射检测光路以取代常规的正入射检测光路，利用掠入射状态下解决了正入射检测粗糙面时因反射率不足而造成的干涉图对比度差的问题，并提出了利用投影十字像的方法来标定掠入射角的大小；本发明设计了光束整形***，对待测面反射的光束进行整形，将其截面形状由椭圆整形为正圆，解决了掠入射干涉技术中干涉图存在的映射误差的问题；本发明结合了基于四波前横向剪切干涉的共路自干涉技术，解决了传统干涉***受环境扰动影响大的问题，同时无需参考光路，极大简化了***结构。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，特别涉及一种检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置。
背景技术
干涉检测技术是一种高精度面型检测技术，它通过检测待测面反射光波的光程差分布来定量计算待测面的高低起伏分布，具有纳米、亚纳米量级的纵向分辨率。
掠入射干涉是面型干涉检测中的一种特殊手段，它的测试光以一个很大的角度(一般需要大于80°)入射到待测面上，根据菲涅尔(Fresnel)公式，这样可以获得较大的反射率，因此特别适用于没有经过抛光的粗糙表面。但是掠入射也会使得光路中子午面和弧矢面内实际利用到的光束口径不同，从而使待测面的反射光束截面呈现椭圆形状。这会导致干涉图中有效区域与待测面的形状不一致，两者之间的坐标映射关系出现非线性，这种情况被称为映射误差(Mapping Error)。映射误差的存在，使得干涉图中解调出的光程差分布无法直接对应到待测面的面型。为了解决映射误差，一种现有的方法(参见于先技术1：J.M.Cobb,T.J.Dunn,J.W.Frankovich.GRAZING-INCIDENCE INTERFEROMETERWITHDUAL-SIDE MEASUREMENT CAPABILITY:US,2015/00493337A1[P/OL].2014-07-29[2015-02-19])采用了远心成像***，并且令物、像面与成像***三者之间的角度关系满足沙姆定律(Scheimpflug principle)，这种方法的缺点是需要一块漫反射屏来充当像面接收干涉条纹，而为了将这里的干涉条纹转化为数字信息，还需要一个二次成像***再将漫反射屏承接的干涉图成像到相机中，如此一来，整个装置的结构是非常复杂的。除此之外，在掠入射干涉***中，掠入射角是一项关键参数，因此亟须提出一种精度较高的方法对其进行标定以辅助光路的调校以及用于后续的计算过程。
四波前横向剪切干涉技术是一种共光路、自干涉技术，所谓共光路就是参与干涉的参考光与测试光在光学***中的路径相同，所谓自干涉就是参考光与测试光都带有待测面的信息且形状一致。在四波前横向剪切干涉中，发生自干涉的四个波面的大小、形状都完全一致，仅在横向(即波面所在的平面内)有一定的错位。该技术的主要特点是共光路和自干涉：共光路即参与干涉的光束经过相同的路径，因而基于共模抑制的原理对环境干扰(例如气流扰动及平台的震动)不敏感；自干涉使得装置无需额外增加参考光路，从而可以极大地简化其结构。四波前横向剪切干涉是一种新颖且极具优势的干涉方法，但其与与掠入射检测的结合还存有一些问题，主要在于产生四波前的机构一般为衍射光栅，其与相机之间距离只有毫米级，无法采用先技术1中所述的基于沙姆定律的映射误差解决方案。
综上可知，对于粗糙面的面型检测，采用掠入射干涉法是一种可行的方案，但掠入射干涉会引入映射误差，已有的消除映射误差的方法过于繁琐；四波前横向剪切干涉技术是一种先进的干涉技术，但其与掠入射检测结合还存在需要消除映射误差的问题；此外还需要提出一种精度较高的掠入射角标定方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可用于粗糙平面面型检测的掠入射共路自干涉装置。
本发明的技术解决方案如下：
一种检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置，其光路结构为：激光器S1的出射光束经准直扩束***S2产生平行光W0，平行光以W0掠入射角θ入射到口径为D待测平面S3上，经其反射后反射光W1经光束整形***S4得到整形光W2，W2经过缩束***S5后由共路自干涉***S6产生干涉并采集干涉图。
其中准直扩束***S2的出射光束W0的口径D需要大于等于待测平面的口径D0，掠入射角θ需要大于等于80°。
掠入射角θ的标定采用投影十字像的方法，该方法的一种具体实现方案为：在扩束***S2与待测面S3之间垂直于光轴放置一块十字分划板，并在安装待测面S3的洽具上固定一块漫反射屏，利用上述十字分划板投影到漫反射屏的十字像中两条细线的长度之比与θ的对应关系来标定θ。
光束整形***S4的作用是将截面为椭圆的待测面反射光束W1转变为截面为圆形的整形光束W2。
光束整形***S4可以采用两块抛物柱面反射镜的方案，利用柱面镜仅在一个方向有曲率以及抛物面无像差点的特性，对反射光束W1截面椭圆的长轴方向进行缩束，缩束比为椭圆长短轴之比，从而将整形光束W2的截面转变为圆形。
光束整形***S4也可以采用一块直角棱镜的简化方案，利用直角棱镜在一个方向上的折光能力，对W1截面椭圆的长轴方向进行缩束，缩束比为椭圆长短轴之比，从而将整形光束W2的截面转变为圆形。
干涉成像***S6可以为四波前横向剪切干涉***，包括用于产生四波前的光栅S6a，以及用来采集干涉图的相机S6b。
本发明有益效果如下：
第一，本发明采用了掠入射光路以取代常规的正入射检测光路，解决了待测面粗糙时因反射率不足造成的干涉图对比度差的问题。
第二，本发明提出了基于投影十字像的掠入射角标定方法。
第三，本发明设计了光束整形***，解决了掠入射干涉技术中干涉图存在的映射误差(Mapping Error)的问题。
第四，本发明结合了四波前横向剪切干涉技术，这是一种共光路、自干涉技术，解决了传统干涉***受环境扰动影响大的问题，同时无需参考光路，从而极大简化了装置结构。
附图说明
图1是本发明提出的检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置的光路模型图；
图2是本发明提出的用于标定掠入射角θ的十字像投影法的示意图。
图3是本发明提出的第一种光斑整形***S4-1的局部光路图，视角分别为：(a)(椭圆光斑)长轴所在平面，(b)短轴所在平面，图c是该***包含的两块抛物柱面反射镜S4-1a、S4-1b的模型；
图4是本发明提出的第二种光斑整形***S4-2的局部光路图，视角分别为：(a)(椭圆光斑)长轴所在平面，(b)短轴所在平面，图c是该***包含的直角棱镜S4-2的模型；
图5为四波前横向剪切干涉***模型示意图，其中图中a为光路模型，图中b为相机像面上的四波前示意图，图中c为四波前横向剪切干涉图示例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明提出的用于检测粗糙平面面型的掠入射干涉装置的光路布局。如图1所示，激光器S1发出的光束经过准直扩束***S2后形成口径为D的平行光束W0，其截面(XY面)形状为圆形，如该图中标有W0的虚线框中内容所示)。W0以很大的角度θ(大于等于80°)掠入射到待测面S3上，从而使粗糙面获得足够的反射率。掠入射角θ是本装置中的重要参数，需要对其进行精确标定，本发明提出了一种基于投影十字像的方法，如图2所示：首先在该图中标注P1的位置(对应图1中标注平行光束W0的位置)放置一块十字分划板，同时在放置待测面S3的洽具上固定一块漫反射屏；然后沿漫反射屏的法线方向观察其上被投影的十字像，或是放置一台相机C对该十字像进行成像从而进行数字化处理，所得十字像应是畸变的，即图中Z′和X方向的两根细线长度不等；最后记X方向较长的那根为b，Z′方向较短的那根为a，则根据几何关系，θ的余弦由a、b所决定，如式(1)：
除了需要满足掠入射角θ与设计值严格相等外，入射到待测面S3上的光束口径D还必须大于等于待测面的口径D0以覆盖整个待测面，此时实际用到的仅为一个椭圆区域，其长轴为D0，短轴为D0cosθ。因此经过待测面反射后的光束W1的截面形状就是这样的一个椭圆(如该图中标有W1的虚线框中内容所示)。从采样的角度来说，W1携带有整个待测面的全部面型信息，只是在椭圆长短轴方向的采样点数不同，使得其与待测面在这两个方向上的坐标映射比例不同，反应到最终的干涉图上即为映射误差。
图1中的S4即为用于解决映射误差的光束整形***，其原理是将上述截面椭圆长轴为D0、短轴为D0cosθ的光束W1压缩为截面圆直径为D0cosθ的光束W2，此时W2与待测面上对应各点坐标之间为线性关系，从而消除了映射误差。
光斑整形***的具体实施方案有两种：
第一种方案如图3所示，采用了两块抛物柱面反射镜。其局部光路如图3所示，反射镜模型如图中c所示。其中抛物面曲率半径较大的一块抛物柱面S4-1a放在光路的前端，曲率半径较小的一块S4-1b放在后端，两者平行放置，其母线方向与入射光线(即W1)的方向成45°角，两者曲率中心位置重合。在抛物面内(如图中a)，该***起到缩束的作用，同时由于工作在无像差点状态下，不会引入球差；而在柱面内(如图中b)，该***等效为两块平行放置的平面反射镜，因此不改变该面内的光束宽度。综上可知，当这两块抛物柱面反射镜的抛物面曲率半径之比Ra/Rb等于原光束截面椭圆的长短轴之比1/cosθ时，整形后的光束截面即为圆形，其直径为原椭圆的短轴D0cosθ。这种方法通过两次反射实现对光束的整形，同时利用了抛物面的无像差点，整形光束质量好。
第二种方案如图4所示，仅采用一块直角棱镜S4-2。其局部光路如图4所示，棱镜模型如图中c所示。棱镜其中棱镜的一个直角面为入射面，入射光线W1沿其法线方向入射，斜面为出射面，该直角面与斜面之间的夹角θt关系满足式(2)：
其中θ为W0入射到待测面上的掠入射角，n为棱镜材料的折射率，整形后的光束截面即为圆形，其直径为原椭圆的短轴D0cosθ。这种方法的优点是结构更简单、成本更低；缺点是受棱镜材料及加工精度的影响会引入一定的***误差。
整形后的带有待测面信息、截面为圆形的光束W2经过缩束***S5缩束，然后入射到四波前横向剪切干涉***S6中。S6的模型如图5。如图中a所示，一块光栅S6a使待测波面产生衍射从而形成四波前，四波前在相机S6b像面上叠加产生横向剪切干涉图并被采集。其中S6a可以为任意能实现此功能的光栅，包括但不限于交叉光栅(CrossGrating,CG)、改进的哈特曼掩模板(Modified Hartmann Mask,MHM)或者随机编码混合光栅(Random EncodedHybrid Grating,REHG)，其中若S6a若采用CG，则其与S6b之间需额外配置一块级次选择窗口以取出对应四波前的衍射级次。四波前在S6b像面上的叠加情况如图中b所示(实际的四波前横向剪切干涉图示例如图中c)，四个圆形相互交叠的区域为有效干涉区域，通过与四波前横向剪切干涉技术配套的空间频域解调技术(参见于先技术2：Ling T,YangY,Liu D,et al.General measurement ofoptical system aberrations with a continuouslyvariable lateral shearratio by arandomly encodedhybrid grating[J].AppliedOptics,2015,54(30):8913-20.)，仅凭单幅干涉图即可解调出干涉图对应的相位信息，从而得到待测粗糙面的面型分布。
实施例
本实施例针对于一块4英寸未抛光粗糙面的面型检测，但不应以本实施例限制本发明的保护范围。
4英寸(101.6mm)未抛光粗糙面的有效口径为100mm，该面在正入射情况下反射率很低，因此需要通过掠入射干涉法来检测其面型。
检测光路结构如图1所示，激光器S1选用中心波长为632.8nm的半导体光纤激光器，光纤经过准直器准直后出射光束直径为4mm。经过25×扩束镜扩束后出射光束W0直径为100mm，按所述标定方法，保证装置以80°的入射角入射到待测晶圆未抛光面S3上，经其反射得到截面为椭圆形的光束W1，其长短轴之比为5.76，经过光斑整形***S4可得截面直径为17.36mm圆形的整形光束W2，再经过缩束比为2：1的缩束器S5后以口径为8.68mm平行光束入射到四波前横向剪切干涉***S6中。
其中光斑整形***S4的两种方案(S4-1、S4-2)的参数如表1所示：
表1实施例整形***元件参数
Claims (7)
1.一种检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置，其特征在于包括激光器(S1)、准直扩束***(S2)、光束整形***(S4)、缩束***(S5)和共路自干涉***(S6)激光器(S1)的出射光束经准直扩束***(S2)产生平行光W0，平行光W0以掠入射角θ入射到口径为D0的待测平面(S3)上，经待测平面(S3)反射后的反射光W1经光束整形***(S4)得到整形光W2，整形光W2经过缩束***(S5)后由共路自干涉***(S6)产生干涉并采集干涉图；
光束整形***(S4)的作用是将截面为椭圆的待测平面(S3)反射光束W1转变为截面为圆形的整形光束W2。
2.如权利要求1所述的一种检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置，其特征在于准直扩束***(S2)的出射光束W0的口径D大于等于待测平面的口径D0。
3.如权利要求1所述的一种检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置，其特征在于掠入射角θ大于等于80°。
4.如权利要求1所述的一种检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置，其特征在于采用投影十字像的方法标定掠入射角θ，具体实现方案为：在准直扩束***(S2)与待测平面(S3)之间垂直于光轴放置一块十字分划板，并在安装待测平面(S3)的洽具上固定一块漫反射屏，利用十字分划板投影到漫反射屏的十字像中两条细线的长度之比与θ的对应关系来标定θ。
5.如权利要求1或3所述的一种检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置，其特征在于光束整形***(S4)包括两块抛物柱面反射镜，利用柱面镜仅在一个方向有曲率以及抛物面无像差点的特性，对反射光束W1截面椭圆的长轴方向进行缩束，缩束比为椭圆长短轴之比，从而将整形光束W2的截面转变为圆形。
6.如权利要求1或3所述的一种检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置，其特征在于光束整形***(S4)采用一块直角棱镜，利用直角棱镜在一个方向上的折光能力，对反射光束W1截面椭圆的长轴方向进行缩束，缩束比为椭圆长短轴之比，从而将整形光束W2的截面转变为圆形。
7.如权利要求1所述的一种检测粗糙平面面型的掠入射共路自干涉装置，其特征在于共路自干涉***(S6)为四波前横向剪切干涉***，包括用于产生四波前的光栅(S6a)，以及用来采集干涉图的相机(S6b)。
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