斐索激光干涉仪主要用于光学元件的表面面形测量,它具有非接触、无损伤、精确度高等突出优点,目前已成为光学元件检测的首选方式^{[1, 2]}。标准参考镜头是菲索激光干涉仪的重要组成部分,它将斐索激光干涉仪输出的平面波转化为一个高精度的球面波,用于球面元件的表面面形测量^[3]。斐索激光干涉仪测量元件表面面形的原理如图 1所示,标准镜头1将斐索激光干涉仪输出的平面波转变为球形波,同时将输出的激光分离为参考光束和测量光束两部分。标准镜头最后一个面称为参考面2,一般是一个消球差的曲面。参考面将约4%的激光反射回干涉仪,形成参考波前,剩余的激光作为测量波前,照射至待测元件3。测量光线垂直穿过参考面后,照射到待测元件表面,经过元件表面反射后,原路返回至参考面,并再次垂直穿过参考面,与参考波前共同被斐索激光干涉仪内部探测器接收。由于测量波前携带了待测元件表面的面形信息,通过数据处理,可以得到元件的表面面形。

图 1

Fig. 1

图 1 面形测量原理图 Fig. 1 Structure of a Fizeau interferometer for testing surface

标准参考镜F数定义为标准参考镜工作焦长除以标准参考镜的入瞳口径,球面元件R数定义为球面半径除以实际的通光孔径。利用斐索激光干涉仪测量元件表面面形时,只有标准参考镜F数小于待测量元件R数,才能将待测量元件的通光口径测全。由于小F数标准参考镜,弯曲光线的角度大,因此设计与加工难度也迅速增大。美国的ZYGO公司已有商业化的标准参考镜出售,其所出售产品的F数范围为0.65~11,入射光束口径范围为25 mm~15.24 cm。日本的MGKK系列标准参考镜的F数范围为0.75~45,入射光束口径范围为100 mm~150 mm。国内也有标准参考镜产品出售,其参数基本与上述国外公司产品参数相同,F数范围为0.75~11,口径范围为25 mm~15.24 cm。随着产品对工艺技术要求的不断提高,比如光刻物镜中非球面加工与检测,为了提高环带拼接对非球面检测精度^[4],需要设计具有更小系统误差的参考镜以满足需求。本文设计了一款大口径高精度F数0.82的标准参考镜,可以满足精度1 nm的面形检测要求。

标准镜头属于小视场、单波长、大口径类光学镜头,主要考虑的像差为初级球差与高级球差。目前主流的菲索激光干涉仪,通常是移相式干涉仪,通过波长移相或者机械移相,反演出元件表面的面形^[5]。标准球面参考镜是干涉成像光路中的一个组成部分,将被测件成像至CCD上。因而,设计标准球面参考镜时只考虑照明光路,并且考虑对轴上和轴外视场的波像差都进行校正,所设计的参考镜视场角为0.01°,对应载频条纹约165根。对于测试要求PV值0.1 λ的元件,当标准镜的透射波前小于1 λ,参考面面形优于0.1 λ,基本就可以满足使用要求^[6]。但是对于精度要求更高的光学元件,如光刻镜头、高功率激光器系统中光学元件,其面形精度要求达到均方根值1 nm,同时对镜片的中高频也有要求,对干涉仪系统及标准镜头成像质量提出更高的要求^{[7, 8, 9, 10]}。此时不仅要考虑镜头透射波前的大小,还要考虑透射波前斜率对回程误差的影响。文献[11]中给出了标准镜头的透射波前斜率与回程误差OPD一个经验公式

式中:α为透射波前斜率;R₁为参考面半径;R₂为测试元件半径。通过式(1)可以看出,当 测试元件半径接近参考面半径时,系统的回程误差小,而当测试半径与参考面半径差值增大时,系统的回程误差会迅速增加。当测试面半径为参考面半径的5%时,系统的回程误差较测试面半径与参考 面半径相等时增大近10倍。因此,对于半径较小的光学元件进行面形测量,要尽量使用半径与之相匹配的标准镜头,以降低测试时的系统误差。

30.48 cm斐索激光干涉仪参考镜头的F数为0.82,设计使用了5片光学元件。设计参数见表 1,光学结构图、参考镜透射波前、参考镜透射波前斜率分别见图 2,图 3,图 4。

表 1Table 1)

表 1 高精度标准镜头设计参数 Tab. 1 Parameters of the high-precision reference lens 序号 材料 半径/mm 中心厚/mm 光阑 50.000 1 h-LaK3 -277.320 50.000 2 -672.370 79.950 3 h-LaK3 -1363.450 60.000 4 -456.300 70.000 5 h-LaK3 771.200 48.200 6 -3685.254 5.000 7 h-LaK3 313.095 49.000 8 604.700 5.000 9 Silica 176.260 50.000 10 224.990 224.990

表 1 高精度标准镜头设计参数 Tab. 1 Parameters of the high-precision reference lens

图 2

Fig. 2

图 2 F数为0.82的透射参考镜光学结构图 Fig. 2 Structure of the reference lens

图 3

Fig. 3

图 3 标准镜头的透射波前 Fig. 3 Wavefront of the reference lens

图 4

Fig. 4

图 4 标准镜头透射波前斜率 Fig. 4 Slope of the wavefront

设计结果表明,标准镜的透射波前峰谷值为0.095 λ,均方根值为0.028 λ,透射波前斜率最大值为11.02 μrad。表 2给出不同半径待测元件条件下,该标准镜头的回程误差。

表 2Table 2)

表 2 不同半径待测元件标准镜头回程误差 Tab. 2 Retrace error of the reference lens 序号 半径值/ mm 与参考面 半径比值 回程误差/ nm 1 22.5 0.1 0.29 2 67.5 0.3 0.12 3 112.5 0.5 0.08 4 157.5 0.7 0.06 5 202.5 0.9 0.05

表 2 不同半径待测元件标准镜头回程误差 Tab. 2 Retrace error of the reference lens

当待测面半径R₂为22.5 mm时,系统回程误差为0.29 nm,当待测面半径为202.5 mm时,回程误差为0.05 nm。说明当测试元件半径与标准镜头参考面半径比值为0.1~0.9时,理论上可实现1 nm的面形检测精度。

利用Zemax光学软件设计了一个斐索激光干涉仪的模型,对设计的标准镜头进行了仿真,给定两个不同的Zernike测试面,其参数如表 3所示。通过大量的光学追迹,得到了干涉仪的理论干涉图像,如图 5所示。

表 3Table 3)

表 3 不同测试面参数 Tab. 3 Parameters of the test surface 序号 半径/mm 口径/mm Zernike项 数值/nm 1 180 200 Z5 100 2 180 200 Z9 100

表 3 不同测试面参数 Tab. 3 Parameters of the test surface

Zemax非序列中,Zernike面为标准多项式。Z5和Z9 分别代表 45°方向象散和Y方向三叶,与图 5中各仿真图像相对应,说明所设计的标准镜头及仿真过程是正确的。

利用干涉仪配备大口径平面参考镜,对所研制的球面参考镜透射波前进行了测试,图 6为标准镜实际波前图,其峰谷值大小为0.418 λ,均方根值为0.075 λ。

图 6

Fig. 6

图 6 标准镜透射波前测量结果 Fig. 6 Result of the reference lens wavefront

利用所研制的球面参考镜,对一光学元件加工结果进行了测试,该元件为凸球面,参数与上述仿真所用参数相同,通光口径为200 mm,半径为180 mm。图 7给出该光学元件最终的面形测试结果。为了验证测量结果的复现性,我们将元件以干涉仪出射光方向为中心轴,每旋转60°测量一组数据,表 4给出不同旋转角度的测试结果。元件的测试结果为面形均方根值为0.5 nm,实验结果表明所研制的标准镜可以满足均方根值为1 nm的检测精度。

图 7

Fig. 7

图 7 元件表面面形测量结果 Fig. 7 Results of the lens surface

表 4Table 4)

表 4 不同旋转角度元件面形测量结果 Tab. 4 Results of the lens surface 序号 角度/( ° ) 峰谷值/nm 均方根值/nm 1 0 5.021 0.55 2 60 5.282 0.503 3 120 6.267 0.522 4 180 5.436 0.499 5 240 5.031 0.51 6 300 4.838 0.521 平均值 5.3125 0.517 5 标准偏差 0.513 0.018 4

表 4 不同旋转角度元件面形测量结果 Tab. 4 Results of the lens surface

标准镜头是斐索激光干涉仪的重要组成部分,利用Zemax设计了一款高精度大口径的激光干涉仪标准镜头,其透射波前峰谷值为0.09 λ,均方根值为0.028 λ。利用透射波前斜率分析了设计参考镜的回程误差,分析结果表明当测量元件半径约为参考面半径90%时,回程误差为0.05 nm,当测量半径为参考面半径10%时,回程误差为0.29 nm。并利用Zemax对其进行了仿真计算,给待测面分别赋予不同的Zernike系数,通过大量的光学追迹得到仿真的干涉图。通过分析表明获得的仿真干涉图与所设计的Zernike系数是完全一致的。仿真与实验结果说明所设计的标准镜,可满足面形精度均方根值为1 nm的元件面形检测需求。