工作原理

 

球面鏡(透鏡表面是球面的一部分)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科研等范疇，特別是半導(dǎo)體制程中的光刻機、航天攝像系統(tǒng)、望遠鏡等對內(nèi)部光學(xué)組件有極嚴格要求的應(yīng)用，每個組件的微小加工誤差對系統(tǒng)的成像質(zhì)量都有著極大的影響(球面鏡圖解如圖1所示,)。在北京理工大學(xué)成功開發(fā)激光差動共焦干涉組件測量儀之前，市場上沒有能同時進行相關(guān)參數(shù)測量的儀器。在解釋測量儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理時，北京理工大學(xué)光電學(xué)院教授趙維謙教授說：“我們應(yīng)客戶的要求來定制不同規(guī)格配置的測量儀器，基本機構(gòu)主要由差動共焦干涉測量主機(包含差動共焦干涉光路)、標準透鏡、氣浮導(dǎo)軌、多維調(diào)整架、機電移動平臺和雷尼紹XL-80激光干涉儀組成。差動共焦干涉測量主機向被測鏡射出測量光束并聚于標準透鏡焦點處，被測透鏡通過多維調(diào)整架架設(shè)在氣浮導(dǎo)軌上，由機電移動平臺帶動調(diào)整架與被測透鏡沿光軸方向移動。當測量光束匯聚點與被測透鏡前表面頂點或后表面頂點重合時，光束由被測鏡表面反射，沿路返回進行數(shù)據(jù)分析，同時測長激光干涉儀(XL-80)實時采集被測透鏡的位置坐標數(shù)據(jù)。”該測量儀器的系統(tǒng)工作原理如圖2所示，所使用的二維調(diào)整工作臺如圖3所示。

 

 

圖1. 球面鏡圖解

 

 

圖2. 系統(tǒng)工作原理

 

 

圖3. 二維調(diào)整工作臺

 

趙維謙教授說：“該技術(shù)的重點就是將激光差動共焦測量技術(shù)與面形干涉測量技術(shù)有機融合，設(shè)計并構(gòu)建一臺對球面鏡組組件進行綜合參數(shù)測量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面利用差動共焦強度響應(yīng)特性曲線的零點位置，對被測組件進行精確定位，實現(xiàn)對透鏡的表面曲率半徑、焦距、折射率、厚度和鏡組軸向間隙的高精度測量;另一方面則利用多歩移相干涉測量技術(shù)實現(xiàn)對組件面形的高精度測量。”以下是幾個典型參數(shù)的測量原理：

 

• 曲率半徑：通過差動共焦系統(tǒng)精確定位被測球面表面的頂點和球心，計算這兩點之間的距離;

• 厚度/折射率：精確定位被測透鏡前表面與光軸交點、后表面與光軸交點以及有無被測透鏡時測量鏡的位置，然后利用測量鏡的位置和預(yù)先測得的測量鏡的曲率半徑等，對被測透鏡兩球面及參考反射面進行逐面光線追跡計算，繼而實現(xiàn)被測透鏡的折射率和厚度的高精度測量;

• 元件面形：面形干涉測量系統(tǒng)配合參考光束移相，測得多幅被測組件反射回來的光與參考光束形成的干涉圖像，并通過移相算法處理干涉圖像，得到被測組件的表面面形;

• 焦距：精確定位被測透鏡的焦點，測量被測透鏡的焦點與被測透鏡后頂點的距離;

• 軸向間隙：精確定位被測鏡組內(nèi)透鏡各表面的頂點，然后結(jié)合測量光束的數(shù)值孔徑角、被測鏡組內(nèi)各表面的曲率半徑和各透鏡的折射率，通過光線追跡的方法獲得被測鏡組內(nèi)各透光表面之間的軸向間隙。

產(chǎn)品優(yōu)勢

 

業(yè)界早已存在多種測量球面組件參數(shù)的方法，部分領(lǐng)域如面形測量，國外廠商的技術(shù)早已十分成熟，市場上也不乏測量個別參數(shù)的高端儀器，產(chǎn)地大多來自歐美地區(qū)，但價格十分昂貴。北京理工大學(xué)當初就是看到業(yè)界有提升測量效率的必要，從而開發(fā)出多功能和高性價的相關(guān)測量儀器。他們的激光差動共焦干涉測量儀的優(yōu)勢在于能夠在同一臺儀器上同時進行多個參數(shù)測量，這意味著可以大幅降低用戶購買不同儀器的支出，同時減少因更換儀器重新進行裝調(diào)所花費的時間。其非接觸式測量更避免了擠壓或磨損被測鏡組組件表面，而且裝調(diào)簡便，測量新參數(shù)時無需拆卸被測組件和重新調(diào)整光路，而統(tǒng)一的參數(shù)溯源體系也提升了數(shù)據(jù)的可靠性。測量儀器的大部分關(guān)鍵零部件，包括氣浮回轉(zhuǎn)軸、多維工作臺和直線導(dǎo)軌等精密運動部件以及激光差動共焦干涉主機等，均由北京理工大學(xué)自主研發(fā)，獲得多項國家發(fā)明專利。測量儀精度規(guī)格屬國際水平，如測量一個約5mm厚度的鏡組組件，誤差僅0.75µm。

 

業(yè)界廣泛認可的雷尼紹XL-80激光干涉儀

 

雷尼紹設(shè)計、制造和提供激光系統(tǒng)已有超過25年的歷史。XL-80正是雷尼紹多年設(shè)計和制造經(jīng)驗的結(jié)晶，具有真正領(lǐng)先的系統(tǒng)性能和操作優(yōu)點，XL-80、XC-80及使用的傳感器如圖4所示。趙維謙教授說：“之所以選擇XL-80系列，是因為它是市場上為數(shù)不多能夠同時提供精度性能和穩(wěn)定可靠性的激光干涉儀。事實上，雷尼紹多年來都是國際測量界公認的權(quán)威指標之一，無論在規(guī)格還是系統(tǒng)穩(wěn)定性層面均給予我們充足的信心。”XL-80激光頭可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的激光光束，采用的波長可溯源至國家和國際標準。精確穩(wěn)定的激光源和準確的環(huán)境補償，保證了±0.5ppm的線性測量精度?？梢愿哌_50kHZ頻率讀取數(shù)據(jù)，最高線性測量速度可達4m/s，即使在最高速度下線性分辨率仍可達1nm。不僅僅是直線測量，所有測量選項(如回轉(zhuǎn)軸)均采用干涉法測量，使用戶對記錄數(shù)據(jù)的精度有信心。

 

圖4. 雷尼紹的XL-80、XC-80及傳感器

 

XL-80激光干涉儀作為球面組件測量儀的核心組件之一，在系統(tǒng)兼容性方面也十分出色，允許測量數(shù)據(jù)與客戶端系統(tǒng)進行整合。在開發(fā)軟件過程中，北理工工程師編程時就是通過使用XL-80專屬動態(tài)連接函數(shù)庫，把實時數(shù)據(jù)從XL-80激光干涉儀整合到自家的系統(tǒng)里。趙教授繼續(xù)說：“事實上雷尼紹提供眾多的分析軟件功能已足夠強大，不過這項功能卻能把實時測量數(shù)據(jù)完美地整合到我們自主設(shè)計的分析軟件中，讓我們在開發(fā)定制儀器時的靈活性更大。另外，在系統(tǒng)整合調(diào)試過程中難免需要與供貨商進行緊密溝通，雷尼紹在售后服務(wù)方面做得也非常到位，工程師們都十分愿意花時間與我們討論相關(guān)技術(shù)問題，為我們提供寶貴、專業(yè)的建議。”