宽频谱表面轮廓形貌干涉检测技术进展

2021-08-17高志山赵雨晴马剑秋

宇航计测技术 2021年1期

高志山赵雨晴马剑秋袁群

(南京理工大学电光学院，江苏南京 210094)

1 引言

表面轮廓形貌，在光学、机械、半导体、医学人造关节等国民经济诸多领域有着广泛的检测需求，通过高精度检测，得到轮廓形貌数据偏差，可以促进中国相关领域先进制造工艺技术水平的进步，提高产品的性能。但由于每一种检测仪器都存在一定的频率响应带宽限制，依靠单台或单品种光学检测仪器，很难覆盖较大的频率宽度。当前，光学检测领域常用频谱分段衔接思路，获得较宽频谱轮廓形貌的检测能力。

本文以光学表面宽谱轮廓形貌的检测技术及仪器为例，阐述国内外相关技术与仪器的发展概貌，期望对有兴趣的产业界、制造业、仪器研发领域的研究人员，具有参考价值。

2 跨尺度表面形貌空间频谱

对于光学成像系统，瑞利判据决定的光学分辨力，分别用角分辨、线分辨两种指标，可以表示成如式(1)～式(2)所示

(1)

(2)

式中：

——工作波长；

——光学系统主镜口径或入瞳直径；

——与系统照明方式有关的工艺因子；

——成像系统的数值孔径。式(1)适用于目标位于无穷远的光学系统，如望远镜、空间光学载荷、机载光学载荷；式(2)适用于目标位于有限远的光学系统，如显微镜、光刻投影物镜。如果要提高系统分辨力，需要增大主镜口径、增大

、缩短工作波长。当前，国外空基望远镜中James Webb Space Telescope主镜的口径为6.5m，地基望远镜多国正在联合研发30m望远镜；中国正计划研发4m空基望远镜和12m地基望远镜。光刻投影物镜中，国外工作波长已到EUV(13.5nm)，中国研发成功DUV(193nm)，

=0.93光刻物镜。

同时，通过表面微结构(俗称超表面)的调制光波机理，形成的超表面透镜(简称超透镜)或者二元光学衍射透镜，在手机超薄镜头模组、微创医用内窥，以及集成光学领域，表现出强劲的变革性技术趋势和应用前景，为光学成像系统提供了新颖的光学元件，美国DARPA的薄膜反射镜，就是这种元件驱动下的太空望远镜发展方向。

以上这些光学系统，其特征尺度跨度大，从几米到亚毫米，需要检测完整的三维轮廓形貌；检测精度要求高，纵向要纳米级，横向从波长级到原子级。这些特征，要求三维轮廓的检测仪器适应不同特征尺度下的空间频率响应。

关于空间频率谱段的划分，与光学系统的应用领域有关，如美国从事NIF系统研究的利夫莫尔-伯克利国际实验室(LLBL)对光学元件表面轮廓空间频率谱段的划分如图1所示。

图1 LLBL研发的光学元件表面轮廓空间频率谱段的划分示意图Fig.1 Division of spatial frequency spectrum of surface profile of optical elements by LLBL

用表面轮廓的周期性长度

来分段，其中，高频谱

<0.12mm，中频段0.12mm≤

≤33mm，低频谱

>33mm。德国Zeiss从事成像光学,尤其光刻物镜的研发，对光学表面轮廓空间频率谱段划分如图2所示。

图2 Zeiss研发的光学元件表面轮廓空间频率谱段的划分示意图Fig.2 Division of spatial frequency spectrum of surface profile of optical elements by Zeiss

高频段(HSFR)周期在1μm～3nm；中频段(MSFR)周期在1.5mm～1μm；低频段周期在全口径～1/10全口径，若成像系统口径为20mm，则低频段(Figure)周期在(20.0～1.0)mm。图2中还给出了不同频段检测常用的仪器，如低频段用干涉仪、中频段用显微干涉仪、高频段用原子力显微镜(AFM)。

以光学系统成像质量指标PSF(Point Spread Function)为评价指标，不同频段光学表面轮廓误差引起的PSF变化如图3所示，图3中实线表示理想的PSF曲线，虚线表示独立存在低、中、高频段轮廓误差时PSF的下降情形。当物体为方形网络时，如果存在低、中、高频轮廓误差，则方形网络成像的衬度变化情况如图4所示，其中低频误差带来网格的变形，中频误差使网格衬度降低，高频误差引入背景和噪声，降低成像对比度。

图3 不同频段下系统成像质量指标的变化示意图Fig.3 Changes of PSF in different frequency bands

图4 方形网络成像的衬度变化示意图Fig.4 Contrast change of square network imaging

因此，需要设计合适的检测方案和检测仪器，实现成像系统跨尺度宽频谱表面轮廓形貌误差的检测与加工控制。

3 轮廓形貌与空间频率评价理论

图1和图2中的横轴为空间频率或空间周期(空间频率的倒数，也称为空间周期性起伏的“波长”)，纵轴一般为PSD(Power Spectral Density)，涉及到光学表面轮廓的表征函数与空间频率谱段描述的评价理论。

一般地，由非接触光学测量方法，可以得到光学表面的轮廓形貌函数

(

)，其中

是表面某一点(

)的轮廓高度起伏函数。如果测量结果用像素坐标(

)表示，则表面轮廓高度为

(

)；如果像素阵列为

，则

=1,2,…，

，

=1,2,…，

。

式(4)为表面二维轮廓函数

(

)的功率谱函数，其中实施了二维傅立叶变换。式中，

Δx

为二维轮廓函数

(

)在

，

二个方向的采样间隔，对像素单元为正方形的阵列探测器，映射到样品表面的二维采样间隔是相等的。

为空间频率

在正交二维方向上的频率采样序号，

m/MΔx

，

n/NΔx

。另一种可以表征轮廓形貌函数包含周期性起伏特征的评价指标，为梯度变化均方根，英文符号为GRMS，其计算公式如式(5)所示。常见情况，阵列探测器像素单元为正方形，

Δx

Δy

。

(3)

(4)

(5)

4 国外宽频谱表面轮廓形貌检测技术进展

美国亚历桑那大学光学中心的James H Burge教授指导的多篇博士学位论文，对光学镜面不同加工阶段的表面轮廓形貌检测技术按频率范围划分如图5所示。其中，粗磨阶段使用长波红外结构光扫描检测系统(SLOTS-Scanning Long-wave Optical Test System)、精磨阶段使用软件结构化光学检测系统(SCOTS-the Software Configurable Optical Test System)、精抛光阶段使用数字波面干涉仪(Interferometer)；使用小口径梯度测量便携式光学检测系统(SPOTS-Slope Measuring Portable Optical Test System)检测(0.1～1)mm的镜面波纹度误差，该检测系统很好地填补了全口径轮廓干涉检测与表面粗糙度显微干涉测量(MFT-the Micro Finish Topographer)之间的空间频段检测空白。

图5 对不同加工阶段的光学镜面采用的表面形貌检测技术Fig.5 Surface topography detection technology for optical mirrors in different processing stages

4.1 长波红外结构光扫描检测系统(SLOTS)

光学制造过程中，粗磨是实现光学元件表面成型的重要工艺阶段，光学检测关注的是表面面型与光学镜面理想形状的逼近程度，属于光学表面形状的低频检测。此时，因光学表面粗糙，对可见光波段的检测光散射严重，一般采用长波红外光构建检测系统，如长波红外10.6μm干涉仪或者结构光扫描检测系统，检测粗磨镜面的面形误差。美国亚历桑那大学的SLOTS检测系统，光路如图6所示。

图6 亚历桑那大学SLOTS检测系统光路图Fig.6 Optical path diagram of SLOTS in the University of Arizona

采用温度约为300℃的热电阻丝辐射(7～14)μm的热红外光，并沿虚线方向扫描，在与热电阻丝共轭的成像位置，由长波红外探测器采集电阻丝的像，如图7所示，是四个扫描位置的图像。据此可以计算出镜面的面形分布。

图7 四个扫描位置采集的镜面上四幅电阻丝像图Fig.7 Four images of resistance wires on tested surface collected at four scanning positions

在SLOTS的检测结果引导下，用25μm研磨砂，通过精密定位镜面中高频误差区域，经过97h，将4.2m离轴抛物面主镜表面面形误差从15μm(RMS)降低到2μm(RMS)，如图8所示。

图8 4.2m离轴抛物面主镜表面面形误差随精研磨3次过程的收敛趋势图Fig.8 Convergence trend of surface profile error of 4.2m off-axis parabolic primary mirror with grinding process

4.2 软件结构化光学检测系统(SCOTS)

当表面面形误差进入2μm(RMS)量级后，还没有达到可见光干涉仪的量程范围。美国亚历桑那大学采用了一种梯度测量的技术，称之为软件结构化光学检测系统，其光路原理如图9所示。由微显示器产生一组调制条纹图案，经被检镜面反射后，被带有镜头的面阵探测器接收，微显示器与探测器都位于被检镜面的曲率中心(均存在适量离轴)。

图9 SCOTS光路原理图Fig.9 Optical schematic diagram of SCOTS

4.3 梯度测量便携式光学测量系统(SPOTS)

前面SLOTS与SCOTS都完整检测了4.2m主镜的面形误差，检测的是光学镜面的低频误差。对于光学镜面上更高频段的中频误差，SLOTS和SCOTS无法检测。为了控制4.2m主镜面上进一步抛光引入的中频误差，美国亚历桑那大学研制了基于莫尔偏折术的梯度测量便携式光学测量系统，其针对不同曲率被测球面的光学原理如图10所示，用OLED显示屏产生条纹图案，与SCOTS不同之处，系统使用了一块辅助透镜，适应被检镜面的曲率半径符号，为被检镜面提供无穷远(镜面为平面)、有限远(镜面为凹或凸面)的条纹图案。SPOTS在检测口径为127mm时，具有0.18mm的空间分辨力。SPOTS检测系统实物如图11所示。

图10 基于莫尔偏折术的SPOTS光路原理图Fig.10 Optical schematic diagram of SPOTS based on Moir deflector

图11 SPOTS检测仪器实物图Fig.11 SPOTS testing instrument

4.4 多种检测口径与工作原理的数字波面干涉仪

对于精抛光阶段的光学镜面宽频谱表面轮廓形貌误差的检测，公认的高精度方法为相移干涉检测方法，在光学领域影响较大的国外干涉仪有美国Zygo公司生产的φ100mm，φ150m，φ450m，φ600m，φ800m相移干涉仪和美国4D公司生产的同步相移干涉仪。这些干涉仪主要检测低频段的光学表面面形误差。Zygo公司的φ600m干涉仪与4D公司的同步相移干涉仪实物如图12和图13所示，其工作波长通常为632.8nm。

图12 Zygo公司研发的φ600m干涉仪实物图Fig.12 Photo of φ600m interferometer by Zygo

图13 美国4D公司研发的同步相移干涉仪实物图Fig.13 Synchronous phase shifting interferometer by 4D

为了检测高频段的光学表面微观形貌误差，一般要用到白光显微干涉测量仪器，美国Veeco公司研发的白光干涉仪照片如图14所示，其物镜可以配置2.5，5，10，20，50等几种视场不同的干涉显微物镜，其最大采样视场是2.5物镜，仅为φ8mm，如果CCD采用1024×1024像素分辨力，则其理论上可以检测的极限空间频率范围为：1/

～

，这里采样长度

=8mm，

=1024，所以频率范围为(0.125～64)mm。实际情况中，由于图像噪声与扰动影响，2.5物镜可以检测的有效频率范围确定为(0.125～32)mm，应该是可信的。

图14 Veeco公司研发的白光干涉仪实物图Fig.14 Photo of white light interferometer by Veeco

5 国内宽频谱表面轮廓形貌检测技术进展

在粗磨阶段的表面成型检测方法，与国外类似，有基于结构光扫描的检测方法和10.6μm的长波红外干涉检测方法。在光学抛光阶段的表面轮廓形貌检测方法，主要的高精度手段，也是光干涉检测技术，为了解决表面轮廓形貌检测的宽频谱衔接问题，国内研制不同口径(即不同采样长度)的数字波面干涉仪，如口径有φ25.4mm，φ60mm，φ100mm，φ150mm，φ300mm，φ450mm，φ600mm。目前，国内已有单位投资研发φ800mm，甚至是更大口径的干涉仪。某公司研发的φ25.4mm干涉仪实物如图15所示，可以配置

6，

65，

75，

0，

5，

0，

0等，多种

数的标准球面透镜，适应不同弯曲程度的球面或非球面检测要求。

图15 φ25.4mm干涉仪实物图Fig.15 φ25.4mm interferometer

南京理工大学研制完成的移相式数字球面干涉仪如图16所示，光源采用

=632.8nm的稳频激光器，主机口径为φ100mm，平面光学质量为

/20PV、球面光学质量

/10PV，测量不确定度：平面为

/55、球面为

/25。该成果获得国防科技进步一等奖。

图16 移相式数字球面干涉仪实物图Fig.16 Phase shifting digital spherical interferometer

南京理工大学研制完成的近红外(1 053nm)大口径(φ600mm)相移平面干涉仪实物如图17所示，在国内首次利用波长调谐相移技术研制成功的φ600mm平面干涉仪，其工作波长为1 053nm，面形检测空腔精度为63nm。该成果获得国防技术发明二等奖。

图17 近红外大口径相移平面干涉仪实物图Fig.17 Near infrared large aperture phase shifting plane interferometer

为了适应大口径光学元件对表面中频误差的检测需求，南京理工大学于2011年研制了口径φ15mm、工作波长632.8nm的PSD2干涉仪，其空间频率检测范围覆盖(0.067～20)mm，PSD2干涉仪实物、台阶表面干涉图及其频率响应传递函数曲线图如图18所示。

图18 PSD2干涉仪实物及测试结果图Fig.18 Photo and test results of PSD2 interferometer

当前，随着加工技术的多元化，元件光学性能的表面微纳结构形貌和超光滑表面形貌明显提升，属于光学元件表面轮廓形貌的高空间频率成份，需要利用宽光谱显微干涉技术来检测表面轮廓形貌的高频分量。与国内某些研究单位“核心组件——显微干涉物镜采购国外、仅聚焦于图像处理软件”的思路不同，南京理工大学立足于国内自主知识产权，攻克了系列倍率的显微干涉物镜的光学设计、系统装调、白光干涉图扫描与微观轮廓提取等关键技术，2017年研制成功白光显微干涉仪，系统配置了5、10、20、50显微干涉物镜，解决了光学表面高频轮廓形貌的检测技术难题。在光学、机械、集成电路、生物医疗行业具有广阔的应用前景。白光显微干涉仪及干涉显微物镜、软件界面如图19所示，显微干涉物镜的技术参数见表1。该成果获得国防技术发明二等奖。

图19 白光显微干涉仪、干涉显微物镜和软件界面图Fig.19 White light microscope interferometer,interferencemicroscope objective lens and software interface

表1 干涉显微物镜的技术参数Tab.1 Technical parameters of interference microscope objective倍率有效焦距(mm)工作距离(mm)齐焦距离(mm)数值孔径视场范围(mm)光学分辨力(μm)5×4015.0450.13.38×3.383.0210×207.4450.31.68×1.681.0120×104.5450.40.85×0.850.7650×43.4450.60.34×0.340.49

6 结束语

在光学精密检测领域，大量程同时高精度的检测技术亟待发展，在宽频谱表面轮廓形貌检测方面，同样如此。如果要求检测仪器具有很宽频率响应范围，其空间(时间)跨度就会受限，换言之，空间(时间)跨度不受限，检测效率就很低。当前先进制造领域已向两个极端方向发展：1)超大尺寸的元件制造技术，如我国SiC单体反射镜最大口径已经达到4.5m；2)表面微纳结构或超小元件的制造技术，如在手机镜头和医用内窥领域具有应用前景的超透镜，其口径与焦距均小于1mm。这样的极端发展方向，对高精度的干涉检测技术提出了新的挑战。

多年来，国内外研究机构努力通过多种检测技术或仪器的相互衔接，解决宽频谱表面轮廓形貌的检测难题，国内在干涉检测领域，研制基于时间相移或空间相移技术，工作波长从可见、近红外、到中波红外、长波红外，检测口径从φ15mm，φ25.4mm，φ60mm，φ100mm，一直到φ800mm的数字波面干涉仪，为光学表面宽频谱轮廓形貌的高精度检测，做出了应有的贡献。这些干涉检测仪器，为中国神光III、LAMOST望远镜、国家高分专项等重大光学工程装备，以及手机摄像模组、基因芯片检测等民用光学产品，解决了镜面加工与系统装校中的高精度检测技术问题。

当前，受西方国家技术打压，我们需要集智广慧，迎接挑战，为满足包括大口径光学材料、半导体制程等行业生产所需的高精度检测需求保驾护航；努力解决卡脖子问题，突破西方霸权带来的技术封锁，自主研制国产高端装备已势在必得。