[发明专利]基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置

说明书

基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，通过在一侧干涉仪光路中加入相干性抑制单元，使得对侧干涉仪的输出光与本侧干涉仪的测量光、参考光不相干，不能发生干涉；或对侧干涉仪输出光与本侧干涉仪测量光、参考光等效不发生干涉，仅产生背景直流量，不影响干涉相位的提取。本发明不改变双侧干涉仪系统的光路结构，有效利用了光学系统的数值孔径，简化了系统工作流程，具有测量精度与效率高，分光方式灵活等优点。

技术领域

本发明涉及光学设计、精密测量领域，具体为基于双侧干涉仪的形貌与厚度检测装置，使双侧干涉仪系统输出光不影响对被测非透明平面的测量。

背景技术

光学干涉测量技术是以光波干涉为物理基础，以光波的波长为计量单位的一种测试方法，在光学加工测量方面发挥了重要作用。干涉测量的基本原理是通过参考光与测量光波前相干叠加，产生黑白相间的干涉图。由于干涉图中包含了参考光与测量光的相位，振幅等信息，因此可以用来检测被测光学元件的面形信息。其中，干涉仪作为光学干涉测量技术中重要的测量仪器，随着光学加工技术，计算机技术等的发展，进一步提升了干涉仪的测量精度和检测速度，对相关领域的发展有着重要意义。

目前，干涉仪可以针对不同面型、不同口径、不同种类的光学元件进行高精度检测。美国ZYGO公司采用斐索型相移干涉仪并配置相应的测量分析软件，用于对30mm-100mm常规口径的平面做精密检测，对平面测量精度PV值优于λ/100，球面检测精度优于λ/140，是市场占有率极高的激光干涉仪。4D Technology公司采用相关技术，研发了以斐索干涉仪和泰曼格林型干涉仪为主的相应设备。在先技术1(WO2008030580A2，Synchronousfrequency-shift mechanism in FizeauInterferometer，2006)运用参考光和测量光共光路的方式设计，通过在CCD前放置偏振分束器用于分光，实现同步测量，并在系统的分光部分设计光程差补偿装置，用于补偿光束到被测镜和参考镜之间的光程差，使参考光和测量光之间光程差小于相干长度进行相干叠加，其余的光则非相干叠加成为背景光。适用于口径分别为100mm、150mm、300mm等被测面的测量，测量时间可控在1ms内，并具有较强的抗振动和抗空气扰动能力。

美国KLA公司采用双侧斐索干涉仪系统对被测面表面同步测量，在先技术2(United States Patent US6847458B2,Method and apparatus for measuring theshape and thickness variation of polished opaque plates，2003)设置了两台斐索干涉仪主机，两台干涉仪主机光轴对齐，通光处对应放置。光源输出光经分束器入射至各干涉仪主机，通过干涉仪内部的偏振分束器实现本侧干涉仪测量光、参考光与对侧干涉仪的输出光偏振态正交实现有效的光束隔离，避免对侧干涉仪输出光入射至本侧干涉仪内部的探测器内，影响测量结果。以此双侧斐索干涉仪检测装置为基础，KLA公司在先技术3(UnitedStates Patent US8068234B2 Method and apparatus for measuring shape orthickness information of a substrate，2009)设置了相应的被测面夹持工具，减小了被测面表面应力对实验结果造成的影响，并通过子孔径拼接测量的方法，进行数据拼接扩大动态范围。与前技术相比系统扩大了被测面的尺寸测量极限且具有更高的空间分辨率。

在使用双侧干涉仪对被测面前后表面同时检测的装置方法中，两侧干涉仪输出光之间彼此互不干扰，实现有效的光束隔离是影响测量结果准确性的重点。在先技术2～3中，KLA公司双侧干涉仪内部使用偏振分束器，通过偏振技术使两侧干涉仪输出光具有相反的旋向性来实现有效的光束隔离。但实际应用中，仅依赖光束的偏振正交性并不能使两侧干涉仪输出光被完全有效衰减，影响了干涉相位的提取。在先技术4(一种双侧斐索干涉仪检测装置，中国发明专利申请202110383929.7)提出改变点光源输出光位置，使准直镜透射的出射光与干涉仪光轴具有夹角，与干涉仪内部成像系统的光阑配合实现分光；或者使用光开关，使两侧干涉仪独立工作实现分光，均有效提高了成像质量。