[发明专利]合成物方表面的全数值孔径图的方法

说明书

本申请是国际申请日为2006年4月5日，国家申请号为200680009907.8，发明名称为“非球面的精确高分辨率测量方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及表面和波前测量的方法和装置；更具体地说，涉及这种测量的自动操作设备、校准、和采集；最具体地说，涉及提高非球面和波前测量的精度的方法。

背景技术

现有技术已知对表面和光学波前进行精确测量的方法和设备。用于获得光学的量测量的优选装置(非出乎意料地)基于光学技术。尽管可应用一些其它技术，在这个领域最普遍公认的计量仪表基于干涉测量原理。

这种设备能够获得非常精确的测量。利用菲佐干涉仪(FIzeau interferometer)等，直径为-100mm的部分表面的等高线图能够精确到大约10纳米(在可见光波长的1/10和1/100之间)。基于显微镜的干涉仪(例如，基于扫描白光技术的那些干涉仪)能够精确地测量特征的高度，在～1mm直径区域的范围内高于纳米。菲佐干涉仪和显微镜干涉仪的性能满足所有情况，除非最苛刻的应用。然而，随着时间的推移，应用要求变得更严格。例如，光刻具有精确散射(“闪光”)要求。这些需要在包括从0.1-10mm-x波带的空间频率范围内的次纳米精度测量。这个波带是在菲佐干涉仪的横向分辨能力的高端，但是，在干涉显微镜的低端。

市场上可买到的干涉显微镜能够达到本申请的高精度(或接近)，但是，达不到横向范围要求。使用较低放大倍率的显微物镜增加横向范围，但这种方法仅仅对平坦(或接近平坦)表面有效。由于它们与仪表参考面的很大偏离(弯曲部分与平参考面相比)，不能测量曲面(球面或非球面)。

市场上可买到的菲佐干涉仪能够很容易达到横向范围要求。然而，为了达到需要的分辨率(-100微米)，干涉仪需要更大的放大倍率是很平常的。相当简单的光学设计改型能够解决这个问题。更大的挑战是菲佐干涉仪的高精度，它的精度通常比干涉显微镜的低。更低精度的主要因素是更高的光相干性、不能精确地聚焦在测试表面、和校准系统误差的更大难度。需要新发明来提高本领域当前的状态。相关的挑战是当测量的表面为非球面时极高的要求。

随着测量光源的相干性提高，所得到的测量结果对缺陷诸如擦痕、灰尘颗粒、斑点、和阴影反射更灵敏。这种缺陷会降低测量结果的重复性并且也带来系统误差(偏差)。现有技术中存在有效降低光源相干性的各种技术，以降低这种误差，而不会过度降低其它性能。例如，参见Kuechel的美国专利No.5,357,341；Freischlad的No.6,061,133；和Deck等的No.6,643,024。然而，这些技术使系统对聚焦误差更灵敏。而且，越高的空间频率表面特征的分辨率对聚焦误差的也越灵敏。因此，测量系统的合适聚焦变得非常重要。

最佳焦距位置取决于干涉仪光学系统和测试元件的曲率半径。对于给定的球面(钢琴)测试件，只有当干涉仪光学系统变化时这些参数才变化。当测试零件时，这种情况一般不出现，所以干涉仪操作者通常能够手工调焦到足够精度，以获得满足要求的测量结果。然而，非球面具有两个局部主曲率半径，它们根据要检测的非球面的部位而变化。因此，对于任何给定的部位，在指定要测试的标定半径时存在一些自由度。改变标定曲率半径意味着改变最佳测试位置(相对于干涉仪的光学系统)。这种测试物体位置的改变(变化)意味着最佳焦距位置也改变。因此，对于非球面，干涉仪的最佳焦距位置取决于当前要测量的表面部位。

现有技术中，用户调整焦距的方法不足以实现在测试非球面的多点的自动测量(即，在测量中不需要用户手工重调焦距)。自动聚焦机构也提高测量重复性，因为会消除操作者手工聚焦技术的振动。其它装置(诸如照相机)采用自动聚焦技术，但是，这些装置不能直接应用于光学表面的测量。所谓的“无源”方法依靠优化图像的结构对比度。因为光学表面通常没有明显的表面结构，即，它们非常光滑，这种方法失效(非常像试图对无特征的目标诸如无云的天空聚焦时的情况)。然而，“有源”自动聚焦方法测量用一些辅助仪表测量目标的距离，并且利用光学系统的知识来计算必需的焦距位置。尽管这个基本原理可应用于波前测量仪表，还有潜在改进的地方。因为波前测量仪表已经将发射照明光(和检测反射光)作为它的基本功能部分，为了测量距离，采用这种仪表而不采用其它系统的手段是理想的。而且，波前测量仪表的精确光学参数并不被人熟知。(例如，它可以使用市场上可买到的精确设计的透镜子组件。)因此，当它们符合焦距时，用于校准这些参数的方法要明显改进。