本文關鍵詞：高精度點衍射干涉儀球面面形檢測系統(tǒng)優(yōu)化及分析研究

  更多相關文章： 點衍射干涉儀 針孔衍射 球面面形檢測 時域有限差分算法 衍射波前質量 大數(shù)值孔徑 對比度可調

【摘要】：在高精度的光學加工和裝調過程中,相應的高精度檢測技術具有著重要的輔助和保障作用。在眾多的光學檢測方法中,點衍射干涉檢測技術作為一種可以實現(xiàn)優(yōu)于亞納米級檢測精度的技術手段,成為了最具發(fā)展?jié)摿Φ母呔葯z測方法之一。其中,針孔型點衍射干涉儀,由于其可較為便利的建立不同工作波段的在線檢測裝置,以及獲得大數(shù)值孔徑的高精度參考波前,因此已成為高精度光學檢測領域的一個研究熱點。由于國內(nèi)在相應技術領域的研究水平仍相對滯后,因此,為了建立能夠滿足當前國內(nèi)光刻技術發(fā)展對于檢測技術所提出的新要求的高精度檢測裝備,特別是為了滿足對于在光學系統(tǒng)中應用最為廣泛的球面鏡的高精度面形檢測需求,本論文在已有工作的基礎上,針對在建立高精度的針孔點衍射干涉儀球面面形檢測系統(tǒng)過程中遇到的影響系統(tǒng)檢測能力的關鍵問題進行了相關分析和優(yōu)化。本論文研究的內(nèi)容主要包括：論述了點衍射干涉檢測技術作為一種極具潛力的高精度光學檢測技術在現(xiàn)代光學加工及裝調中的重要保障作用。綜合國內(nèi)外關于點衍射干涉技術,特別是用于極紫外光刻投影物鏡檢測等高精度檢測領域的點衍射干涉儀的研究進展情況,提出了開展關于建立可用于球面面形高精度檢測的針孔點衍射干涉系統(tǒng)的相關研究的必要性。介紹了搭建的針孔型點衍射球面面形干涉檢測系統(tǒng)的光路布局及整體系統(tǒng)方案。對影響系統(tǒng)檢測精度的各類誤差進行了討論,對本論文前期開展的工作進行了總結,并提出了需要進一步優(yōu)化的方向。建立了用于針孔衍射波前分析的時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)三維仿真模型,應用矢量衍射理論分析了顯微物鏡的數(shù)值孔徑及所攜帶的像差對針孔的衍射波前質量的影響,為實際衍射針孔直徑設計,顯微物鏡的選型等提供了參考依據(jù),從而保證建立的點衍射系統(tǒng)可以滿足一定數(shù)值孔徑范圍內(nèi)的高精度球面面形檢測要求。針對點衍射球面面形干涉檢測系統(tǒng)在對大數(shù)值孔徑球面進行檢測時遇到的系統(tǒng)誤差增大的問題,應用仿真建模的方法對導致誤差增大的原因及影響這一誤差的系統(tǒng)參數(shù)進行了分析,提出了一種對稱側檢測誤差校正(Systematic Positon Aberration Cancellation, SPAC)方法,并對該方法的有效性進行了仿真和實驗驗證。針對點衍射球面面形干涉檢測系統(tǒng)在對低反射率球面進行檢測時因干涉圖對比度不佳而檢測精度受限的問題,通過引入偏振器件的方法,設計了干涉圖對比度可調的點衍射球面面形檢測系統(tǒng),對其實現(xiàn)原理進行了介紹。對系統(tǒng)進行了仿真建模,并對其中的關鍵元件的加工參數(shù)和局部位置進行了優(yōu)化設計。進行了系統(tǒng)誤差分析并提出了相應的基于復原模型優(yōu)化計算的誤差校正方法。搭建了可以進行大數(shù)值孔徑球面面形檢測和可以實現(xiàn)干涉條紋對比度可調的高精度點衍射球面面形干涉檢測系統(tǒng)的實驗裝置。以ZYGO干涉儀作為比對實驗,設計了三組點衍射系統(tǒng)實驗對本文的研究內(nèi)容進行了實驗驗證。應用不同參數(shù)的顯微物鏡及針孔構建的點衍射系統(tǒng)對同一待測球面進行檢測,選出了最佳的顯微物鏡和針孔組合；進行了對數(shù)值孔徑0.5的大數(shù)值孔徑球面的面形檢測實驗,在應用本文提出的相應誤差校正方法的基礎上,得到的檢測誤差PV值小于0.010λ,RMS值小于0.00102；分別應用進行了對比度可調優(yōu)化前后的點衍射干涉系統(tǒng)對反射率為96%和4%的球面進行了面形檢測,實驗表明這一優(yōu)化成功提高了點衍射系統(tǒng)對低反射率球面的檢測精度,使點衍射系統(tǒng)對不同反射率球面的檢測均實現(xiàn)了檢測誤差PV值優(yōu)于0.010λ、RMS值優(yōu)于0.00103,的面形檢測精度。
【關鍵詞】：點衍射干涉儀 針孔衍射 球面面形檢測 時域有限差分算法 衍射波前質量 大數(shù)值孔徑 對比度可調
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O436.1;TH744.3
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-20
• 1 緒論20-40
• 1.1 研究背景20-22
• 1.2 國內(nèi)外點衍射干涉技術研究歷程及進展22-35
• 1.2.1 點衍射干涉技術研究歷程概述22-24
• 1.2.2 光纖點衍射干涉儀24-30
• 1.2.3 共路型針孔點衍射干涉儀30-34
• 1.2.4 針孔點衍射干涉面形檢測系統(tǒng)34-35
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容和完成的工作35-37
• 1.4 本論文的主要創(chuàng)新點37-40
• 2 高精度點衍射球面面形干涉檢測技術概述40-52
• 2.1 高精度點衍射球面面形干涉檢測系統(tǒng)布局及原理40-42
• 2.2 影響系統(tǒng)檢測精度的主要誤差42-50
• 2.2.1 影響針孔衍射波前質量的關鍵元件及其參數(shù)43-47
• 2.2.2 其他影響系統(tǒng)檢測精度的誤差47-50
• 2.3 本章小結50-52
• 3 照明顯微物鏡像差對針孔衍射波前質量的影響分析52-74
• 3.1 照明顯微物鏡的聚焦光場分布分析52-62
• 3.1.1 顯微物鏡聚焦光場分布的矢量衍射分析53-55
• 3.1.2 帶像差聚焦物鏡的焦點光波場分析55-62
• 3.2 基于時域有限差分算法的針孔衍射波前質量分析62-64
• 3.2.1 基于FDTD算法的針孔衍射波前仿真流程62-63
• 3.2.2 基于FDTD算法的針孔衍射波前仿真模型63-64
• 3.3 照明顯微物鏡不同像差對針孔衍射波前質量的影響64-73
• 3.3.1 針孔衍射波前的強度分析64-67
• 3.3.2 針孔衍射波前的相位分布67-73
• 3.4 本章小結73-74
• 4 大數(shù)值孔徑球面面形的點衍射檢測中的布局幾何系統(tǒng)誤差分析74-88
• 4.1 系統(tǒng)布局特性引入的幾何系統(tǒng)誤差74-78
• 4.2 基于仿真的布局幾何系統(tǒng)誤差分析78-83
• 4.2.1 布局特性引入的系統(tǒng)波像差的主要成分分析78-80
• 4.2.2 檢測數(shù)值孔徑對布局幾何系統(tǒng)誤差的影響80-81
• 4.2.3 橫向偏移量對布局幾何系統(tǒng)誤差的影響81-83
• 4.3 對稱側檢測SPAC誤差差校正方法83-87
• 4.3.1 SPAC誤差校正原理及過程83-85
• 4.3.2 SPAC誤差校正方法的計算機仿真驗證85-87
• 4.4 本章小結87-88
• 5 高精度點衍射球面面形檢測系統(tǒng)對比度可調技術88-112
• 5.1 基于偏振技術的點衍射干涉儀對比度調整原理88-91
• 5.2 檢測路真零級四分之一波片引入系統(tǒng)誤差的分析91-99
• 5.2.1 偏振膜層引入誤差的分析92-98
• 5.2.2 波片玻璃基底引入誤差的分析98-99
• 5.3 檢測路四分之一波片的玻璃基底參數(shù)和布局設計99-105
• 5.3.1 參數(shù)設計100-101
• 5.3.2 布局設計101-102
• 5.3.3 定位誤差引入的波前誤差102-105
• 5.4 檢測路四分之一波片引入的系統(tǒng)誤差消除方法105-109
• 5.4.1 波片引入誤差的校正處理過程106-107
• 5.4.2 校正方法的仿真驗證107-109
• 5.5 本章小結109-112
• 6 高精度點衍射系統(tǒng)的球面面形檢測實驗112-132
• 6.1 高精度點衍射球面面形檢測實驗系統(tǒng)112-116
• 6.1.1 實驗系統(tǒng)布局112-115
• 6.1.2 驗證實驗體系115-116
• 6.2 照明顯微物鏡像差對點衍射面形檢測的影響116-122
• 6.2.1 點衍射系統(tǒng)實際使用的顯微物鏡對應的衍射波前的評價116-118
• 6.2.2 應用不同顯微物鏡及針孔構建的點衍射系統(tǒng)的面形檢測實驗比較118-122
• 6.3 大數(shù)值孔徑球面面形檢測實驗122-126
• 6.3.1 驗證實驗設計及其流程122-124
• 6.3.2 大數(shù)值孔徑球面面形檢測實驗結果及SPAC誤差校正方法驗證124-126
• 6.4 高精度點衍射球面面形檢測系統(tǒng)的對比度調整實驗126-130
• 6.4.1 干涉條紋對比度調整效果實驗驗證126-127
• 6.4.2 對比度可調的點衍球面射面形檢測系統(tǒng)的球面檢測實驗結果127-130
• 6.5 本章小結130-132
• 7 總結與展望132-136
• 7.1 本文工作總結132-133
• 7.2 本論文的主要創(chuàng)新點133-134
• 7.3 未來工作展望134-136
• 參考文獻136-144
• 作者簡歷144-145

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