一种通用于双通道干涉仪的系统误差标定装置和标定方法

1.本发明属于光学测量领域，特别是一种通用于双通道干涉仪的系统误差标定装置和标定方法。


背景技术：

2.在军事科技和国民生产领域中，针对精密大系统设备(例如光刻机系统)，常常要对各种波前进行高精密的测量。针对系统中高精度面形的检测常使用干涉仪，如此高精度的面形的检测，干涉仪本身需具有非常高的精度。现在最常使用的是存储相减技术，干涉仪有一个高精度的参考平面，预先测出干涉仪的系统误差并存储在计算机中，之后在进行面形的高精度测量时，将所测得的数据减去之前保存的系统误差，即可计算出测得的值。
3.传统干涉仪主要为泰曼-格林型干涉仪和斐索型干涉仪两大类。对于泰曼-格林型干涉仪，准单色光源通过准直透镜后形成一个平面波，经分束器分为参考光和测量光，两束光分别携带参考面和测试面的信息在观察平面上形成最终的干涉图，经过数据分析得到待测的波前信息或者待测面形信息。和泰曼-格林型干涉仪相比，斐索型干涉仪的优点在于自参考面往后的部分都是共光路的，参考光与测试光所走过的路径相同，所以光学元件对两者的影响是一样的，因此系统的测量精度不会受到影响。除此之外，斐索型干涉仪还有不少的优点，比如它的结构非常简单，抗干扰能力强、除参考镜外其他部分不需要很高的精度等，干涉仪的尺寸可以做得非常大。因此，商品化使用的干涉仪大多属于斐索型干涉仪，比如最常用的zygo干涉仪。
4.然而，虽然斐索型干涉仪的测量精度不会受到共光路部分光学元件的影响，但仍然会受到参考面精度的制约。在进行高精度的光学检测当中，需要对干涉仪的系统误差进行精确的标定，但传统的标定方法只能对环境误差、震动误差等进行平均消除，无法将调整误差从干涉仪的系统误差中分离出来，标定精度有限。


技术实现要素：

5.为了克服上述当前技术的不足，本发明提出了一种通用于双通道干涉仪的系统误差标定装置和标定方法，该方法利用了绝对检测中随机球发方法，相比于传统的测量方法，将调整误差转变为随机误差，通过随机旋转球透镜的方式，将调整误差、环境误差和随机误差消除，实现双通道干涉仪系统误差的高精度标定。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种通用于双通道干涉仪的系统误差标定装置，其特征在于：该装置包括双通道干涉仪(1)、球透镜(2)和球面反射镜(3)；沿所述的双通道干涉仪(1)输出空间非相干光通过的方向依次设有所述球透镜(2)、球面反射镜(3)，所述的双通道干涉仪和球透镜不处于共焦的位置，球透镜与球面反射镜处于共焦的状态。
8.进一步的，所述的双通道干涉仪(1)为太科干涉仪或zygo干涉仪；
9.所述的球透镜(2)用于基于随机平均法消除整个标定装置的调整误差、环境误差
和随机误差；
10.所述的球面反射镜(3)用于将光反射回双通道干涉仪；
11.其中，所述球面反射镜的面形误差中由调整双通道干涉仪、球透镜和球面反射镜位置引起已知。
12.另外，本发明还提供了以下技术方案：
13.一种利用所述的系统误差标定装置实施的标定方法，该方法包含下列步骤：
14.步骤一：使用双通道干涉仪(1)产生空间非相干光源，光源发出的光经过球透镜(2)透射后到达球面反射镜(3)，球面反射镜(3)再将光原路返回，并由双通道干涉仪对返回的光进行测量，保存此测量数据；
15.步骤二：随机旋转n次球透镜(2)，得到n个所述测量数据，该n个测量数据包含n个含双通道干涉仪系统误差、球透镜面形不均匀带来的像差、球透镜固有球差和球面反射镜(3)面形误差的信息，取该信息的平均值，消去整个系统中由调整双通道干涉仪、球透镜和球面反射镜位置引起的随机误差和球透镜(2)面形不均匀的误差；
16.步骤三：根据球透镜(2)的孔径、曲率半径、焦距参数，计算出球透镜(2)的固有球差；
17.步骤四：由所述信息的平均值减去球透镜(2)的固有球差及球面反射镜(3)面形误差的信息，最终标定出双通道干涉仪的系统误差。
18.本发明的原理在于：本发明通过双通道干涉仪产生空间非相干光，经过球透镜后，由球面反射镜原路返回双通道干涉仪，再进行测量。多次随机旋转球透镜，可以消除球透镜面形不均匀带来的误差、调整误差以及环境误差。由双通道干涉仪多次测量的平均数据减去上述三种误差以及球面反射镜面形不均匀误差，最终得到双通道干涉仪的系统误差。
19.本发明与现有技术相比，其优点在于：
20.系统误差标定装置结构简单，实验操作方便；利用了绝对检测中随机球发方法，相比于传统的测量方法，将调整误差转变为随机误差，通过随机旋转球透镜的方式，将调整误差、环境误差和随机误差消除，实现双通道干涉仪系统误差的高精度标定；此外此方法通用性强，可以在任何双通道干涉仪的系统误差标定中使用。
附图说明
21.图1为本发明一种通用于双通道干涉仪的系统误差标定装置的示意图；
22.图2为本发明一种通用于双通道干涉仪的系统误差标定方法的流程图；
23.图3为本发明随机平均法示意图。
24.图中：1为双通道干涉仪，2为球透镜，3为球面反射镜。
具体实施方式
25.为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图做进一步地详细描述，但不应一次限制本发明的保护范围。
26.如图1所示，一种通用于双通道干涉仪的系统误差标定装置，包括双通道干涉仪(1)、球透镜(2)和球面反射镜(3)；沿所述的双通道干涉仪(1)输出空间非相干光通过的方向依次是球透镜(2)、球面反射镜(3)，所述的双通道干涉仪和球透镜不处于共焦的位置，球
透镜与球面反射镜处于共焦的状态；
27.优选的，所述的双通道干涉仪(1)可以是太科干涉仪、zygo干涉仪等；
28.其中，所述的球透镜(2)用于随机平均法，消除整个标定装置的调整误差、环境误差和随机误差；
29.所述的球面反射镜(3)用于将光反射回双通道干涉仪，需要已知面形精度w
ss
的球面反射镜；
30.如图2所示，一种利用所述通用于双通道干涉仪的系统误差标定装置实施的标定方法，具体步骤如下：
31.步骤一：使用双通道干涉仪(1)产生空间非相干光源，经过球透镜(2)透射后到达球面反射镜(3)，球面反射镜(3)再将测试光原路返回，由双通道干涉仪进行测量，保存此数据wi,；
32.步骤二：随机旋转n次球透镜(2)得到n个含双通道干涉仪系统误差、球透镜面形不均匀带来的像差、球透镜固有球差和球面反射镜(3)面形误差的信息，取该信息的平均值消去整个系统的随机误差w
i,n
和球透镜(2)面形不均匀的误差w
i,s
；
33.步骤三：根据球透镜(2)的孔径、曲率半径、焦距参数，计算出球透镜(2)的固有球差ws；
34.步骤四：由含双通道干涉仪系统误差、球透镜面形不均匀带来的像差、球透镜固有球差和球面反射镜面形误差的信息的均值减去球透镜(2)的固有球差ws及球面反射镜(3)面形误差的信息w
ss
，最终可以标定出双通道干涉仪的系统误差w
int
。
35.随机平均法原理如图3所示，当使用双通道干涉仪测量通过球透镜透射回来的波前时，每次测量将是干涉仪自带的系统误差w
int
、球透镜引起的波前像差(固定球差ws和面形不均匀引入误差w
i,s
)、球面反射镜的面形误差w
ss
和随机误差w
i,n
的组合。如果球透镜是球形的，均匀的，并且以光轴为中心，那么它只会对测量的波前产生球差，所有其他测量的像差都可归因于系统偏差和随机误差。
36.球透镜的固有球差是孔径、球半径和折射率的函数。现实中的球透镜具有形状误差和折射率不均匀性，这会引入额外的像差，需要将固有球差与其他因素引起的额外像差分开。因此透射波前的每次测量wi可以表示为：
37.wi＝w
int
+w
ss
+w
i,s
+ws+w
i,n
ꢀꢀ
(1)
38.其中，w
int
是双通道干涉仪的系统误差，w
ss
是球面反射镜的面形误差，w
i,s
由于球透镜的面形误差引起的第i次测量的波像差，ws是球透镜的固有球差，w
i,n
是第i次测量时系统产生的随机误差；
39.对球透镜随机旋转n次，并对n次测量的数据进行平均，其效果将是消除随机变化的分量，表示为：
40.(w
i,s
+w
i,n
)
→0ꢀꢀ
(2)
41.则n次测量数据的平均波前可以表示为：
[0042][0043]
一种通用于双通道干涉仪的系统误差标定装置使用的是已知面形误差为w
ss
的球面反射镜。再根据球透镜的孔径、曲率半径和焦距参数可以计算或者模拟球透镜的固有球
差ws，则双通道干涉仪的系统误差可表示为：
[0044][0045]
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。