侯 溪，張 帥，胡小川，全海洋，吳高峰，賈 辛，何一葦，陳 強(qiáng)，伍 凡

超高精度面形干涉檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展

侯 溪1*，張 帥1,2，胡小川1，全海洋1，吳高峰1，賈 辛1，何一葦1，陳 強(qiáng)1，伍 凡1

1中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

深紫外、極紫外光刻、先進(jìn)光源等現(xiàn)代光學(xué)工程牽引驅(qū)動(dòng)超精密光學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展，超精密光學(xué)制造要求與之精度相匹配的超高精度檢測(cè)技術(shù)。作為核心技術(shù)指標(biāo)之一的面形精度通常要求達(dá)到納米、深亞納米甚至幾十皮米量級(jí)，超高精度面形干涉檢測(cè)技術(shù)挑戰(zhàn)技術(shù)極限，具有重要研究意義和應(yīng)用價(jià)值。本文分析了面形干涉檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，主要介紹了中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所近年來在超高精度面形干涉檢測(cè)技術(shù)相關(guān)研究進(jìn)展。

先進(jìn)光學(xué)制造；超精密光學(xué)；光學(xué)測(cè)量；面形檢測(cè)；干涉檢測(cè)；絕對(duì)檢測(cè)

1 引 言

深紫外、極紫外光刻、先進(jìn)光源等現(xiàn)代光學(xué)工程需求牽引先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)持續(xù)發(fā)展，作為其重要分支的超精密光學(xué)為21世紀(jì)發(fā)展起來的國(guó)際前沿技術(shù)方向。目前國(guó)際上主要有德國(guó)、日本、美國(guó)、法國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家掌握了超精密光學(xué)關(guān)鍵技術(shù)。近年來，我國(guó)超精密光學(xué)技術(shù)取得了重要進(jìn)展。

測(cè)量是人類認(rèn)識(shí)、改造物質(zhì)世界的重要手段之一,著名科學(xué)家門捷列夫(俄)說“科學(xué)自測(cè)量開始，沒有測(cè)量，便沒有精密的科學(xué)”。超精密光學(xué)制造要求與之精度相匹配的超高精度檢測(cè)技術(shù)。如圖1所示，作為核心技術(shù)指標(biāo)之一的面形精度通常要求達(dá)到納米、深亞納米甚至幾十皮米量級(jí)，可以說超高精度面形干涉檢測(cè)技術(shù)正在挑戰(zhàn)技術(shù)極限[1]。

圖1 面形精度需求變化[2]

本文分析了面形干涉檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，主要介紹了中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所近年來在超高精度面形干涉檢測(cè)的技術(shù)相關(guān)研究進(jìn)展，主要包括重復(fù)精度及復(fù)現(xiàn)精度提升方法、絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)、高次非球面CGH補(bǔ)償檢測(cè)技術(shù)、重力變形補(bǔ)償方法以及不確定度評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)。

2 面形干涉檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

圖2總結(jié)了面形檢測(cè)技術(shù)發(fā)展概況。17世紀(jì)波動(dòng)光學(xué)的提出為面形干涉檢測(cè)技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)，隨后以楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為代表的波動(dòng)光學(xué)成果使得干涉檢測(cè)技術(shù)成為了現(xiàn)實(shí)，以邁克爾遜干涉儀等為主的早期面形干涉檢測(cè)技術(shù)得以應(yīng)用；20世紀(jì)70年代中后期激光技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及相移技術(shù)的應(yīng)用使得面形干涉檢測(cè)技術(shù)相位精度顯著提升；20世紀(jì)90年代后，光學(xué)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、相干噪聲抑制和成像系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，使得檢測(cè)分辨率達(dá)到亞毫米，實(shí)現(xiàn)了亞納米級(jí)的重復(fù)精度；現(xiàn)今，為了實(shí)現(xiàn)超高精度面形檢測(cè)精度，一般高性能干涉儀主機(jī)與隔震系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行集成以避免誤差源對(duì)測(cè)量精度的影響?？v觀面形干涉檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，其主要聚焦在光機(jī)、傳感技術(shù)、先進(jìn)算法、自動(dòng)控制以及絕對(duì)檢測(cè)方法等技術(shù)不斷發(fā)展，未來可能發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)為可溯源、多學(xué)科交叉創(chuàng)新、最新技術(shù)融合和系統(tǒng)集成化發(fā)展。

圖2 面形檢測(cè)技術(shù)發(fā)展過程圖

3 超高精度面形干涉檢測(cè)技術(shù)

面形干涉檢測(cè)基本原理是利用干涉儀標(biāo)準(zhǔn)鏡頭參考面反射作為參考光，透射光作為測(cè)試光，入射到被測(cè)光學(xué)元件表面并反射回來，攜帶被測(cè)元件面形偏差信息的光波與參考光形成干涉條紋，結(jié)合移相技術(shù)和相位提取算法得到被測(cè)元件面形偏差信息。

面形干涉檢測(cè)系統(tǒng)各誤差因素會(huì)決定最終檢測(cè)精度，圖3顯示了面形干涉檢測(cè)精度影響因素及相互關(guān)系，而檢測(cè)精度主要受到參考面面形精度限制。超高精度面形干涉檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)途徑為基于物理原理和數(shù)學(xué)方法提升檢測(cè)精度，系統(tǒng)識(shí)別、量化、抑制、標(biāo)定和補(bǔ)償納米、深亞納米甚至更小量級(jí)極小誤差。

3.1 重復(fù)精度提升方法

重復(fù)精度主要受干涉儀光電系統(tǒng)中噪聲、相位提取算法誤差以及光腔中環(huán)境誤差影響。基于誤差特征和干涉儀原理建立了干涉儀誤差定量評(píng)估分析方法和仿真分析模型[3-4]，發(fā)展了干涉儀核心分系統(tǒng)相移誤差和回程誤差定量評(píng)估數(shù)學(xué)模型[5]。并且，基于誤差評(píng)估模型實(shí)現(xiàn)干涉儀“光機(jī)電算環(huán)”各分系統(tǒng)誤差定量評(píng)估。對(duì)干涉儀測(cè)量環(huán)境影響進(jìn)行仿真分析，實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)0.02 ℃/24 h的穩(wěn)定測(cè)量條件，如圖4(a)和圖4(b)所示。如圖4(b)所示為進(jìn)行600組重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)所得到的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)重復(fù)測(cè)試均方根結(jié)果，其最終重復(fù)精度可達(dá)到0.05 nm RMS。

3.2 復(fù)現(xiàn)精度提升方法

檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及力穩(wěn)定性是復(fù)現(xiàn)精度的主要影響因素。復(fù)現(xiàn)精度一方面需要提升機(jī)械和熱穩(wěn)定性，另一方面需要優(yōu)化設(shè)計(jì)精密支撐工裝[6-7]。圖5為精密支撐有限元仿真分析結(jié)果。圖6為將待測(cè)元件三次重新裝卡測(cè)量得到的結(jié)果，圖6(a)是待測(cè)元件三次重新裝卡測(cè)量得到的面形分布圖，圖6(b)則是三次測(cè)量結(jié)果的Zernike系數(shù)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示通過支撐工裝優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)分析和精密裝調(diào)，干涉檢測(cè)復(fù)現(xiàn)精度可達(dá)到0.1 nm RMS。

圖3 面形檢測(cè)精度影響因素

圖4 干涉檢測(cè)系統(tǒng)重復(fù)精度評(píng)估。(a) 環(huán)境溫度變化；(b) 重復(fù)測(cè)試結(jié)果

圖5 精密支撐有限元仿真分析

圖6 復(fù)現(xiàn)精度評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a) 三次重新裝卡(A, B, C)后面形檢測(cè)結(jié)果；(b) Zernike系數(shù)對(duì)比(A-B, A-C, B-C)

3.3 絕對(duì)干涉檢測(cè)技術(shù)

干涉檢測(cè)精度主要受到參考面面形精度限制。絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)通過多次相對(duì)測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分離參考面誤差，可實(shí)現(xiàn)低精度參考面檢測(cè)更高精度光學(xué)元件。圖7為相對(duì)檢測(cè)及絕對(duì)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比。通常平面絕對(duì)干涉檢測(cè)技術(shù)主要有三平板法和平移旋轉(zhuǎn)法；球面絕對(duì)干涉檢測(cè)技術(shù)主要有雙球面法、隨機(jī)球法和平移旋轉(zhuǎn)法。

圖7 相對(duì)檢測(cè)和絕對(duì)檢測(cè)對(duì)比。(a) 相對(duì)檢測(cè)；(b) 絕對(duì)檢測(cè)

3.3.1 平面面形絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)

三平面互檢法是經(jīng)典的平面絕對(duì)檢測(cè)方法，同時(shí)后續(xù)也發(fā)展出許多擴(kuò)展方法[8]，如圖8所示的旋轉(zhuǎn)三平面法以及旋轉(zhuǎn)平移法。針對(duì)三平面絕對(duì)檢測(cè)的求解問題，我們發(fā)展了一種通用計(jì)算方法，該算法利用矩陣運(yùn)算簡(jiǎn)化三平面模型[9]；并且提出了基于平移旋轉(zhuǎn)法的通用計(jì)算方法[10-11]，完成了三平板法和平移旋轉(zhuǎn)法的交叉驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)(圖9所示)；通常兩次不同原理的獨(dú)立測(cè)量結(jié)果偏差可用于估計(jì)測(cè)量精度，數(shù)據(jù)顯示偏差為0.23 nm RMS。

3.3.2 球面絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)

常見的球面絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)有雙球面法、隨機(jī)球法以及平移旋轉(zhuǎn)法等。如表2所示，不同球面絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)具有其自身的特點(diǎn)以及適用范圍。

3.3.2.1 雙球面法

雙球面絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)通過對(duì)0°初始位置、180°旋轉(zhuǎn)角度和貓眼位置(被測(cè)面頂點(diǎn)位置)三個(gè)位置的波前測(cè)量實(shí)現(xiàn)球面的絕對(duì)面形的標(biāo)定(如圖10所示)[12]。圖11所示為我們建立的雙球面法仿真分析系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)三位置、五位置雙球面法仿真模擬；仿真100次后統(tǒng)計(jì)如圖12所示，結(jié)果顯示雙球面法理論精度優(yōu)于0.15 nm RMS。

同時(shí)，提出了雙球面法誤差分配和控制方法，發(fā)展了結(jié)合貓眼測(cè)量迭代尋優(yōu)方法以及高精密姿態(tài)控制系統(tǒng)的雙球面法絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)。并且提出基于多特征匹配的數(shù)據(jù)處理優(yōu)化算法[13]，如圖13所示，優(yōu)化算法具有更好的穩(wěn)定性。

圖8 平面絕對(duì)檢測(cè)示意圖。(a) 旋轉(zhuǎn)三平面法；(b) 旋轉(zhuǎn)平移法

圖9 平面標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。(a) 三平面法；(b) 平移旋轉(zhuǎn)法；(c) (a)~(b) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)殘差RMS=0.23 nm

表2 球面絕對(duì)檢測(cè)方法對(duì)比

圖10 雙球面法示意圖

圖11 雙球面法仿真分析系統(tǒng)

圖12 雙球面法仿真模擬統(tǒng)計(jì)圖。(a) 參考面殘差對(duì)比；(b) 被測(cè)面殘差對(duì)比

3.3.2.2 隨機(jī)球法

隨機(jī)球標(biāo)定法是由Parks等人在1998年提出的。該方法通過對(duì)一個(gè)標(biāo)定球在大量隨機(jī)位置進(jìn)行相對(duì)檢測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)平均，其原理如圖14所示。標(biāo)定球的面形誤差隨著檢測(cè)次數(shù)的增加逐漸趨于零，平均結(jié)果將主要反映標(biāo)準(zhǔn)鏡頭面形誤差信息。

我們發(fā)展了基于球調(diào)諧函數(shù)和相移算法的動(dòng)態(tài)隨機(jī)球法理論分析模型。圖15所示為對(duì)6英寸(1英寸=2.54 cm)F1.1球面標(biāo)準(zhǔn)鏡進(jìn)行的3組獨(dú)立標(biāo)定結(jié)果，參考面面形誤差約為3 nm RMS，主要表現(xiàn)為初級(jí)和三葉形像散，單次測(cè)量結(jié)果與3組獨(dú)立標(biāo)定的平均結(jié)果之間偏差小于0.5 nm RMS。雙球面法絕對(duì)測(cè)量結(jié)果為3.13 nm RMS，參考面面形誤差分布與隨機(jī)球法具有較好的一致性。

圖13 多特征匹配的數(shù)據(jù)處理優(yōu)化算法結(jié)果對(duì)比。(a) ZYGO方法處理結(jié)果；(b) 優(yōu)化算法處理結(jié)果；(c) 5組獨(dú)立檢測(cè)對(duì)比

圖14 隨機(jī)球絕對(duì)測(cè)量原理

圖15 F1.1球面標(biāo)準(zhǔn)鏡的3組獨(dú)立標(biāo)定結(jié)果。(a) 第1組隨機(jī)球法標(biāo)定結(jié)果；(b) 第2組隨機(jī)球法標(biāo)定結(jié)果；(c) 第3組隨機(jī)球法標(biāo)定結(jié)果(左為參考面面形誤差，右為與3組平均結(jié)果之間的殘差)；(d) F1.1球面標(biāo)準(zhǔn)鏡雙球面法標(biāo)定結(jié)果

3.3.2.3 平移旋轉(zhuǎn)法

平移旋轉(zhuǎn)絕對(duì)測(cè)量技術(shù)不僅可用于平面檢測(cè)，還可用于球面絕對(duì)檢測(cè)，能有效避免貓眼位置的測(cè)量。

如圖16所示，在檢測(cè)過程中，被測(cè)面會(huì)將被測(cè)球面繞著光軸旋轉(zhuǎn)并共心平移(即在平移過程中，始終保持被測(cè)球面的曲率中心位置不變)。該方法的關(guān)鍵在于把被測(cè)球面面形分為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱部分和旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱部分，前者通過平移方法測(cè)得，后者則通過旋轉(zhuǎn)方法測(cè)得。

圖16 基于平移旋轉(zhuǎn)的球面絕對(duì)檢測(cè)示意圖

我們還發(fā)展了三種平移旋轉(zhuǎn)優(yōu)化算法：基于次等角度旋轉(zhuǎn)的平移旋轉(zhuǎn)算法的改進(jìn)算法，提高了檢測(cè)精度[14-15]；全口徑面形誤差下的Zernike多項(xiàng)式平移旋轉(zhuǎn)算法[16]；基于像素未知量的平移旋轉(zhuǎn)算法，其解算結(jié)果中的中低頻面形可與Zernike多項(xiàng)式擬合法進(jìn)行相互對(duì)比，在高頻面形部分與多項(xiàng)式擬合法中也形成補(bǔ)充[17-18]。

圖17所示為應(yīng)用基于像素未知量的平移旋轉(zhuǎn)算法，對(duì)F2.3球面標(biāo)準(zhǔn)鏡參考面三次獨(dú)立絕對(duì)檢測(cè)下，參考面形的計(jì)算結(jié)果。圖18所示為單次結(jié)果與平均次數(shù)的偏差，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了平移旋轉(zhuǎn)優(yōu)化算法的有效性，多次獨(dú)立絕對(duì)標(biāo)定結(jié)果偏差優(yōu)于0.15 nm RMS。

3.3.3.4 重力補(bǔ)償技術(shù)

由于高精密的光學(xué)元件可能處于不同使用狀態(tài)，如側(cè)立、垂直擺放等，因此在檢測(cè)時(shí)需要綜合考慮檢測(cè)狀態(tài)與使用狀態(tài)的重力差異及影響。對(duì)于超高精度面形干涉檢測(cè)技術(shù)，除了考慮參考面形誤差以外，還需考慮被測(cè)元件不同支撐裝夾方式(如3點(diǎn)支撐等)的力學(xué)變化，被測(cè)元件在不同測(cè)量狀態(tài)下受到重力影響不同從而產(chǎn)生的面形變化以及相應(yīng)的補(bǔ)償問題。

發(fā)展了基于有限元模型(FEM)的重力變形補(bǔ)償技術(shù)[19-20]，圖19所示為進(jìn)行的重力變形補(bǔ)償流程：在FEM模型中優(yōu)化對(duì)準(zhǔn)參數(shù)，直到目標(biāo)函數(shù)的RMS值達(dá)到最小位置(設(shè)置閾值)；提取對(duì)準(zhǔn)參數(shù)后就可以得到實(shí)際支撐條件下的重力變形。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)重力變形與調(diào)整誤差的分離。

圖17 平移旋轉(zhuǎn)迭代算法計(jì)算結(jié)果。(a) 第一次絕對(duì)檢測(cè)的參考面形；(b) 第二次絕對(duì)檢測(cè)的參考面形；(c) 第三次絕對(duì)檢測(cè)的參考面面形

圖18 平移旋轉(zhuǎn)迭代算法偏差。(a) 第一次測(cè)量面形與3組平均值之差；(b) 第二次測(cè)量面形與3組平均值之差；(c) 第三次測(cè)量結(jié)果與3組平均值之差

圖19 基于有限元模型(FEM)的重力變形補(bǔ)償流程

4 高次非球面CGH補(bǔ)償檢測(cè)技術(shù)

超高精度高次非球面檢測(cè)技術(shù)存在更多誤差來源，面臨更大技術(shù)挑戰(zhàn)。如圖20所示的以計(jì)算全息法為代表的零位干涉檢測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是高精度非球面光學(xué)元件的主要檢測(cè)技術(shù)手段。CGH檢測(cè)精度主要受到全息基板、CGH制造誤差和系統(tǒng)誤差的制約。本研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了綜合光學(xué)、機(jī)械、精密控制、誤差標(biāo)定或補(bǔ)償能力的CGH補(bǔ)償系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

其中，高精度面形檢測(cè)中存在的CGH誤差標(biāo)定、鬼像干擾、調(diào)整誤差靈敏一系列技術(shù)難題，需要通過CGH基底誤差標(biāo)定、CGH檢測(cè)光路鬼像抑制、CGH調(diào)整誤差精密控制等技術(shù)予以校正。如圖21所示，利用超高精度平面波前和超精密光學(xué)制造技術(shù)，平面透射波前檢測(cè)結(jié)果為0.27 nm RMS，進(jìn)一步驗(yàn)證了平面絕對(duì)波前深亞納米精度檢測(cè)能力。

建立了基于非偏振追跡模型以及基于非序列偏振追跡的CGH雜散光模型，對(duì)CGH在測(cè)量過程中雜散光所引起的面形誤差進(jìn)行分析。圖22為利用雜散光模型仿真和測(cè)試的結(jié)果，驗(yàn)證了模型可以有效分析 CGH 雜散光面形誤差情況，并且進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于低階特征函數(shù)的CGH雜散光光線像差模型作為CGH設(shè)計(jì)指導(dǎo)模型[21-22]；分析并建立了包括CGH制造工藝誤差、CGH條紋位置公差等誤差模型。

圖23所示為對(duì)某典型高次非球面兩次獨(dú)立標(biāo)定測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果顯示兩次獨(dú)立測(cè)量的低頻面形偏差為0.26 nm RMS。

圖20 計(jì)算全息法檢測(cè)原理圖

圖21 CGH基板檢測(cè)面形精度圖。(a) 基板；(b) 測(cè)量結(jié)果

圖22 仿真與實(shí)測(cè)CGH雜散光面形誤差比較。(a) 仿真分析；(b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖23 兩次獨(dú)立測(cè)量結(jié)果。(a) 第一次獨(dú)立測(cè)量結(jié)果；(b) 第二次獨(dú)立測(cè)量結(jié)果；(c) 兩次獨(dú)立測(cè)量低頻面形殘差

5 不確定度評(píng)估方法

在計(jì)量領(lǐng)域，測(cè)量不確定度用來量化表征測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。目前，不確定度評(píng)估方法主要分為自下而上方法(bottom-up)與自上而下方法(top-down)[19]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)發(fā)布并在后續(xù)更新了能夠普及推廣的指南性文件《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》(Guide to the Uncertainty in Measurement，GUM)以及后續(xù)增補(bǔ)了基于分布傳播的蒙特卡洛方法(Propagation of Distributions Using a Monte Carlo Method，MCM)，完善了測(cè)量不確定度理論，并且在國(guó)際上提供了標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估程序。

根據(jù)基于模型的測(cè)量不確定度評(píng)估方法，提出了擬蒙特卡洛方法用以評(píng)估面形絕對(duì)檢測(cè)結(jié)果的不確定度[19]。如圖24通過對(duì)絕對(duì)檢測(cè)過程進(jìn)行建模，綜合分析各種不確定度源的特點(diǎn)(即概率密度函數(shù)PDF)作為輸入經(jīng)模型傳遞得到模擬結(jié)果，將模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行映射(匹配)，逆向迭代優(yōu)化算法將得出相應(yīng)的面形誤差。多次蒙特卡洛仿真并利用統(tǒng)計(jì)分析得到其測(cè)量均值及其標(biāo)準(zhǔn)不確定度，從而得到測(cè)量結(jié)果的完整表述。擬蒙特卡洛方法評(píng)估150 mm平面鏡的校準(zhǔn)不確定度(=1)如圖25所示，合成不確定度的均值為0.54 nm，其中95%的像素點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.81 nm，99.5%的像素點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.89 nm。

6 結(jié)束語(yǔ)

本團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究并創(chuàng)新突破了超高精度面形干涉檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)?；趪?guó)際通用方法對(duì)檢測(cè)精度實(shí)現(xiàn)了交叉驗(yàn)證，利用檢測(cè)技術(shù)有效支撐了超精密光學(xué)制造，為超高性能光學(xué)系統(tǒng)研發(fā)奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

致 謝

感謝楊鵬、陸黎明、徐燕、宋偉紅、顧偉、徐富超在發(fā)展超高精度面形檢測(cè)技術(shù)中所做出的貢獻(xiàn)。

圖24 擬蒙特卡洛方法實(shí)現(xiàn)概率密度函數(shù)(PDF)傳遞的不確定度評(píng)估流程

圖25 合成不確定度矩陣

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The research progress of surface interferometric measurement with higher accuracy

Hou Xi1*, Zhang Shuai1,2, Hu Xiaochuan1, Quan Haiyang1, Wu Gaofeng1,Jia Xin1, He Yiwei1, Chen Qiang1, Wu Fan1

1Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610209, China;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

The comparison of surface with absolute measurement and relative measurement.

(a) The surface of relative measurement; (b) The surface of absolute measurement

Overview:The demand of modern optical engineering, such as EUV, DUV lithography and the advanced light source, drives the continuous development of advanced optical manufacturing technology. Ultra precision optics, as an important branch of advanced optical manufacturing technology, is the international frontier technology direction developed in the 21st century. Measurement is one of the important means for human beings to understand and transform the material world. Ultra precision optics should be matched by the surface interferometric measurement with higher accuracy, the surface accuracy as one of key technical indexes should be less than nanometer even picometer. The surface interferometric measurement with higher accuracy push the limits of surface metrology. This paper analyzes the surface interferometric measurement with higher accuracy development trends and introduces related research progress of Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences. The final measurement accuracy is determined by the error factors of the surface interference detection system: The repeatability is affected by the noise in the photoelectric system of the interferometer, the error of the phase extraction algorithm and the environmental error in the optical cavity. Based on the error evaluation model, it can realize the quantitative error evaluation of each subsystem of the interferometer, and the repeatability can reach 0.05 nm RMS. For the recurrence accuracy, the mechanical stability, thermal stability and force stability of system are the major factors. By improving the mechanical and thermal stability and optimizing the design of precision support tooling, the accuracy of measurement can reach 0.1 nm RMS; the accuracy of interference is mainly limited by the accuracy of reference surface. Absolute detection technology can separate the error of reference plane through data processing of relative measurement for many times, which can realize the measurement of higher optical elements by lower reference. It is optimized for different absolute measurement techniques, we have achieved a plane measurement accuracy of 0.23 nm RMS, a sphere measurement accuracy of 0.15 nm RMS, and the accuracy of a high-order aspheric surface with a low-frequency profile deviation is 0.26 nm RMS. The key technology of ultra-high precision profile interference detection is systematically studied and innovated. Based on the international general method, the detection accuracy is cross verified, and the detection technology effectively supports the ultra-precision optical manufacturing. It lays an important technical foundation for the research and development of ultra-high performance optical system.

Citation: Hou X, Zhang S, Hu X C,The research progress of surface interferometric measurement with higher accuracy[J]., 2020, 47(8): 200209

The research progress of surface interferometric measurement with higher accuracy

Hou Xi1*, Zhang Shuai1,2, Hu Xiaochuan1, Quan Haiyang1, Wu Gaofeng1, Jia Xin1, He Yiwei1, Chen Qiang1, Wu Fan1

1Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610209, China;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Withthe continuous development of modern optics, such as EUV, DUV lithography and the advanced light source, the surface interferometric measurement with higher accuracy has become an important challenge. The surface accuracy as one of key technical parameters will be required to nanometer, sub-nanometer, even picometer. The surface interferometric measurement with higher accuracy push the limits of surface metrology, has important research significance and application value. This paper analyzes the development trends of surface interferometric measurement with higher accuracy and reports the related research progress of Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences.

advanced optical manufacturing; ultra-precision optics; optical measurement; surface metrology; interferometry; absolute measurement

TN247；TH741

A

10.12086/oee.2020.200209

: Hou X, Zhang S, Hu X C,. The research progress of surface interferometric measurement with higher accuracy[J]., 2020,47(8): 200209

侯溪，張帥，胡小川，等. 超高精度面形干涉檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展[J]. 光電工程，2020，47(8): 200209

* E-mail: hxxh6776@163.com

2020-06-05；

2020-07-07

侯溪(1980-)，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事高精度光學(xué)檢測(cè)技術(shù)研究及儀器研制。E-mail：hxxh6776@163.com