高志山 趙雨晴 馬劍秋 袁 群

(南京理工大學(xué)電光學(xué)院，江蘇南京 210094)

1 引 言

表面輪廓形貌，在光學(xué)、機(jī)械、半導(dǎo)體、醫(yī)學(xué)人造關(guān)節(jié)等國民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域有著廣泛的檢測需求，通過高精度檢測，得到輪廓形貌數(shù)據(jù)偏差，可以促進(jìn)中國相關(guān)領(lǐng)域先進(jìn)制造工藝技術(shù)水平的進(jìn)步，提高產(chǎn)品的性能。但由于每一種檢測儀器都存在一定的頻率響應(yīng)帶寬限制，依靠單臺或單品種光學(xué)檢測儀器，很難覆蓋較大的頻率寬度。當(dāng)前，光學(xué)檢測領(lǐng)域常用頻譜分段銜接思路，獲得較寬頻譜輪廓形貌的檢測能力。

本文以光學(xué)表面寬譜輪廓形貌的檢測技術(shù)及儀器為例，闡述國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)與儀器的發(fā)展概貌，期望對有興趣的產(chǎn)業(yè)界、制造業(yè)、儀器研發(fā)領(lǐng)域的研究人員，具有參考價(jià)值。

2 跨尺度表面形貌空間頻譜

對于光學(xué)成像系統(tǒng)，瑞利判據(jù)決定的光學(xué)分辨力，分別用角分辨、線分辨兩種指標(biāo)，可以表示成如式(1)～式(2)所示

(1)

(2)

式中：

λ

——工作波長；

D

——光學(xué)系統(tǒng)主鏡口徑或入瞳直徑；

k

——與系統(tǒng)照明方式有關(guān)的工藝因子；

NA

——成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。式(1)適用于目標(biāo)位于無窮遠(yuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)，如望遠(yuǎn)鏡、空間光學(xué)載荷、機(jī)載光學(xué)載荷；式(2)適用于目標(biāo)位于有限遠(yuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)，如顯微鏡、光刻投影物鏡。如果要提高系統(tǒng)分辨力，需要增大主鏡口徑、增大

NA

、縮短工作波長。當(dāng)前，國外空基望遠(yuǎn)鏡中James Webb Space Telescope主鏡的口徑為6.5m，地基望遠(yuǎn)鏡多國正在聯(lián)合研發(fā)30m望遠(yuǎn)鏡；中國正計(jì)劃研發(fā)4m空基望遠(yuǎn)鏡和12m地基望遠(yuǎn)鏡。光刻投影物鏡中，國外工作波長已到EUV(13.5nm)，中國研發(fā)成功DUV(193nm)，

NA

=0.93光刻物鏡。

同時，通過表面微結(jié)構(gòu)(俗稱超表面)的調(diào)制光波機(jī)理，形成的超表面透鏡(簡稱超透鏡)或者二元光學(xué)衍射透鏡，在手機(jī)超薄鏡頭模組、微創(chuàng)醫(yī)用內(nèi)窺，以及集成光學(xué)領(lǐng)域，表現(xiàn)出強(qiáng)勁的變革性技術(shù)趨勢和應(yīng)用前景，為光學(xué)成像系統(tǒng)提供了新穎的光學(xué)元件，美國DARPA的薄膜反射鏡，就是這種元件驅(qū)動下的太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)展方向。

以上這些光學(xué)系統(tǒng)，其特征尺度跨度大，從幾米到亞毫米，需要檢測完整的三維輪廓形貌；檢測精度要求高，縱向要納米級，橫向從波長級到原子級。這些特征，要求三維輪廓的檢測儀器適應(yīng)不同特征尺度下的空間頻率響應(yīng)。

關(guān)于空間頻率譜段的劃分，與光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)，如美國從事NIF系統(tǒng)研究的利夫莫爾-伯克利國際實(shí)驗(yàn)室(LLBL)對光學(xué)元件表面輪廓空間頻率譜段的劃分如圖1所示。

圖1 LLBL研發(fā)的光學(xué)元件表面輪廓空間頻率譜段的劃分示意圖Fig.1 Division of spatial frequency spectrum of surface profile of optical elements by LLBL

用表面輪廓的周期性長度

L

來分段，其中，高頻譜

L

<0.12mm，中頻段0.12mm≤

L

≤33mm，低頻譜

L

>33mm。德國Zeiss從事成像光學(xué),尤其光刻物鏡的研發(fā)，對光學(xué)表面輪廓空間頻率譜段劃分如圖2所示。

圖2 Zeiss研發(fā)的光學(xué)元件表面輪廓空間頻率譜段的劃分示意圖Fig.2 Division of spatial frequency spectrum of surface profile of optical elements by Zeiss

高頻段(HSFR)周期在1μm～3nm；中頻段(MSFR)周期在1.5mm～1μm；低頻段周期在全口徑～1/10全口徑，若成像系統(tǒng)口徑為20mm，則低頻段(Figure)周期在(20.0～1.0)mm。圖2中還給出了不同頻段檢測常用的儀器，如低頻段用干涉儀、中頻段用顯微干涉儀、高頻段用原子力顯微鏡(AFM)。

以光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量指標(biāo)PSF(Point Spread Function)為評價(jià)指標(biāo)，不同頻段光學(xué)表面輪廓誤差引起的PSF變化如圖3所示，圖3中實(shí)線表示理想的PSF曲線，虛線表示獨(dú)立存在低、中、高頻段輪廓誤差時PSF的下降情形。當(dāng)物體為方形網(wǎng)絡(luò)時，如果存在低、中、高頻輪廓誤差，則方形網(wǎng)絡(luò)成像的襯度變化情況如圖4所示，其中低頻誤差帶來網(wǎng)格的變形，中頻誤差使網(wǎng)格襯度降低，高頻誤差引入背景和噪聲，降低成像對比度。

圖3 不同頻段下系統(tǒng)成像質(zhì)量指標(biāo)的變化示意圖Fig.3 Changes of PSF in different frequency bands

圖4 方形網(wǎng)絡(luò)成像的襯度變化示意圖Fig.4 Contrast change of square network imaging

因此，需要設(shè)計(jì)合適的檢測方案和檢測儀器，實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)跨尺度寬頻譜表面輪廓形貌誤差的檢測與加工控制。

3 輪廓形貌與空間頻率評價(jià)理論

圖1和圖2中的橫軸為空間頻率或空間周期(空間頻率的倒數(shù)，也稱為空間周期性起伏的“波長”)，縱軸一般為PSD(Power Spectral Density)，涉及到光學(xué)表面輪廓的表征函數(shù)與空間頻率譜段描述的評價(jià)理論。

一般地，由非接觸光學(xué)測量方法，可以得到光學(xué)表面的輪廓形貌函數(shù)

Z

(

x

,

y

)，其中

Z

是表面某一點(diǎn)(

x

,

y

)的輪廓高度起伏函數(shù)。如果測量結(jié)果用像素坐標(biāo)(

j

,

k

)表示，則表面輪廓高度為

Z

(

j

,

k

)；如果像素陣列為

N

×

M

，則

j

=1,2,…，

N

，

k

=1,2,…，

M

。

式(4)為表面二維輪廓函數(shù)

Z

(

j

,

k

)的功率譜函數(shù)，其中實(shí)施了二維傅立葉變換。式中，

Δx

為二維輪廓函數(shù)

Z

(

j

,

k

)在

j

，

k

二個方向的采樣間隔，對像素單元為正方形的陣列探測器，映射到樣品表面的二維采樣間隔是相等的。

m

,

n

為空間頻率

D

,

D

在正交二維方向上的頻率采樣序號，

D

=

m/MΔx

，

D

=

n/NΔx

。另一種可以表征輪廓形貌函數(shù)包含周期性起伏特征的評價(jià)指標(biāo)，為梯度變化均方根，英文符號為GRMS，其計(jì)算公式如式(5)所示。常見情況，陣列探測器像素單元為正方形，

Δx

=

Δy

。

(3)

(4)

(5)

4 國外寬頻譜表面輪廓形貌檢測技術(shù)進(jìn)展

美國亞歷桑那大學(xué)光學(xué)中心的James H Burge教授指導(dǎo)的多篇博士學(xué)位論文，對光學(xué)鏡面不同加工階段的表面輪廓形貌檢測技術(shù)按頻率范圍劃分如圖5所示。其中，粗磨階段使用長波紅外結(jié)構(gòu)光掃描檢測系統(tǒng)(SLOTS-Scanning Long-wave Optical Test System)、精磨階段使用軟件結(jié)構(gòu)化光學(xué)檢測系統(tǒng)(SCOTS-the Software Configurable Optical Test System)、精拋光階段使用數(shù)字波面干涉儀(Interferometer)；使用小口徑梯度測量便攜式光學(xué)檢測系統(tǒng)(SPOTS-Slope Measuring Portable Optical Test System)檢測(0.1～1)mm的鏡面波紋度誤差，該檢測系統(tǒng)很好地填補(bǔ)了全口徑輪廓干涉檢測與表面粗糙度顯微干涉測量(MFT-the Micro Finish Topographer)之間的空間頻段檢測空白。

圖5 對不同加工階段的光學(xué)鏡面采用的表面形貌檢測技術(shù)Fig.5 Surface topography detection technology for optical mirrors in different processing stages

4.1 長波紅外結(jié)構(gòu)光掃描檢測系統(tǒng)(SLOTS)

光學(xué)制造過程中，粗磨是實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件表面成型的重要工藝階段，光學(xué)檢測關(guān)注的是表面面型與光學(xué)鏡面理想形狀的逼近程度，屬于光學(xué)表面形狀的低頻檢測。此時，因光學(xué)表面粗糙，對可見光波段的檢測光散射嚴(yán)重，一般采用長波紅外光構(gòu)建檢測系統(tǒng)，如長波紅外10.6μm干涉儀或者結(jié)構(gòu)光掃描檢測系統(tǒng)，檢測粗磨鏡面的面形誤差。美國亞歷桑那大學(xué)的SLOTS檢測系統(tǒng)，光路如圖6所示。

圖6 亞歷桑那大學(xué)SLOTS檢測系統(tǒng)光路圖Fig.6 Optical path diagram of SLOTS in the University of Arizona

采用溫度約為300℃的熱電阻絲輻射(7～14)μm的熱紅外光，并沿虛線方向掃描，在與熱電阻絲共軛的成像位置，由長波紅外探測器采集電阻絲的像，如圖7所示，是四個掃描位置的圖像。據(jù)此可以計(jì)算出鏡面的面形分布。

圖7 四個掃描位置采集的鏡面上四幅電阻絲像圖Fig.7 Four images of resistance wires on tested surface collected at four scanning positions

在SLOTS的檢測結(jié)果引導(dǎo)下，用25μm研磨砂，通過精密定位鏡面中高頻誤差區(qū)域，經(jīng)過97h，將4.2m離軸拋物面主鏡表面面形誤差從15μm(RMS)降低到2μm(RMS)，如圖8所示。

圖8 4.2m離軸拋物面主鏡表面面形誤差隨精研磨3次過程的收斂趨勢圖Fig.8 Convergence trend of surface profile error of 4.2m off-axis parabolic primary mirror with grinding process

4.2 軟件結(jié)構(gòu)化光學(xué)檢測系統(tǒng)(SCOTS)

當(dāng)表面面形誤差進(jìn)入2μm(RMS)量級后，還沒有達(dá)到可見光干涉儀的量程范圍。美國亞歷桑那大學(xué)采用了一種梯度測量的技術(shù)，稱之為軟件結(jié)構(gòu)化光學(xué)檢測系統(tǒng)，其光路原理如圖9所示。由微顯示器產(chǎn)生一組調(diào)制條紋圖案，經(jīng)被檢鏡面反射后，被帶有鏡頭的面陣探測器接收，微顯示器與探測器都位于被檢鏡面的曲率中心(均存在適量離軸)。

圖9 SCOTS光路原理圖Fig.9 Optical schematic diagram of SCOTS

4.3 梯度測量便攜式光學(xué)測量系統(tǒng)(SPOTS)

前面SLOTS與SCOTS都完整檢測了4.2m主鏡的面形誤差，檢測的是光學(xué)鏡面的低頻誤差。對于光學(xué)鏡面上更高頻段的中頻誤差，SLOTS和SCOTS無法檢測。為了控制4.2m主鏡面上進(jìn)一步拋光引入的中頻誤差，美國亞歷桑那大學(xué)研制了基于莫爾偏折術(shù)的梯度測量便攜式光學(xué)測量系統(tǒng)，其針對不同曲率被測球面的光學(xué)原理如圖10所示，用OLED顯示屏產(chǎn)生條紋圖案，與SCOTS不同之處，系統(tǒng)使用了一塊輔助透鏡，適應(yīng)被檢鏡面的曲率半徑符號，為被檢鏡面提供無窮遠(yuǎn)(鏡面為平面)、有限遠(yuǎn)(鏡面為凹或凸面)的條紋圖案。SPOTS在檢測口徑為127mm時，具有0.18mm的空間分辨力。SPOTS檢測系統(tǒng)實(shí)物如圖11所示。

圖10 基于莫爾偏折術(shù)的SPOTS光路原理圖Fig.10 Optical schematic diagram of SPOTS based on Moir deflector

圖11 SPOTS檢測儀器實(shí)物圖Fig.11 SPOTS testing instrument

4.4 多種檢測口徑與工作原理的數(shù)字波面干涉儀

對于精拋光階段的光學(xué)鏡面寬頻譜表面輪廓形貌誤差的檢測，公認(rèn)的高精度方法為相移干涉檢測方法，在光學(xué)領(lǐng)域影響較大的國外干涉儀有美國Zygo公司生產(chǎn)的φ100mm，φ150m，φ450m，φ600m，φ800m相移干涉儀和美國4D公司生產(chǎn)的同步相移干涉儀。這些干涉儀主要檢測低頻段的光學(xué)表面面形誤差。Zygo公司的φ600m干涉儀與4D公司的同步相移干涉儀實(shí)物如圖12和圖13所示，其工作波長通常為632.8nm。

圖12 Zygo公司研發(fā)的φ600m干涉儀實(shí)物圖Fig.12 Photo of φ600m interferometer by Zygo

圖13 美國4D公司研發(fā)的同步相移干涉儀實(shí)物圖Fig.13 Synchronous phase shifting interferometer by 4D

為了檢測高頻段的光學(xué)表面微觀形貌誤差，一般要用到白光顯微干涉測量儀器，美國Veeco公司研發(fā)的白光干涉儀照片如圖14所示，其物鏡可以配置2.5，5，10，20，50等幾種視場不同的干涉顯微物鏡，其最大采樣視場是2.5物鏡，僅為φ8mm，如果CCD采用1024×1024像素分辨力，則其理論上可以檢測的極限空間頻率范圍為：1/

L

～

N/

2

L

，這里采樣長度

L

=8mm，

N

=1024，所以頻率范圍為(0.125～64)mm。實(shí)際情況中，由于圖像噪聲與擾動影響，2.5物鏡可以檢測的有效頻率范圍確定為(0.125～32)mm，應(yīng)該是可信的。

圖14 Veeco公司研發(fā)的白光干涉儀實(shí)物圖Fig.14 Photo of white light interferometer by Veeco

5 國內(nèi)寬頻譜表面輪廓形貌檢測技術(shù)進(jìn)展

在粗磨階段的表面成型檢測方法，與國外類似，有基于結(jié)構(gòu)光掃描的檢測方法和10.6μm的長波紅外干涉檢測方法。在光學(xué)拋光階段的表面輪廓形貌檢測方法，主要的高精度手段，也是光干涉檢測技術(shù)，為了解決表面輪廓形貌檢測的寬頻譜銜接問題，國內(nèi)研制不同口徑(即不同采樣長度)的數(shù)字波面干涉儀，如口徑有φ25.4mm，φ60mm，φ100mm，φ150mm，φ300mm，φ450mm，φ600mm。目前，國內(nèi)已有單位投資研發(fā)φ800mm，甚至是更大口徑的干涉儀。某公司研發(fā)的φ25.4mm干涉儀實(shí)物如圖15所示，可以配置

f/

0

.

6，

f/

0

.

65，

f/

0

.

75，

f/

1

.

0，

f/

1

.

5，

f/

3

.

0，

f/

5

.

0等，多種

F

數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡，適應(yīng)不同彎曲程度的球面或非球面檢測要求。

圖15 φ25.4mm干涉儀實(shí)物圖Fig.15 φ25.4mm interferometer

南京理工大學(xué)研制完成的移相式數(shù)字球面干涉儀如圖16所示，光源采用

λ

=632.8nm的穩(wěn)頻激光器，主機(jī)口徑為φ100mm，平面光學(xué)質(zhì)量為

λ

/20PV、球面光學(xué)質(zhì)量

λ

/10PV，測量不確定度：平面為

λ

/55、球面為

λ

/25。該成果獲得國防科技進(jìn)步一等獎。

圖16 移相式數(shù)字球面干涉儀實(shí)物圖Fig.16 Phase shifting digital spherical interferometer

南京理工大學(xué)研制完成的近紅外(1 053nm)大口徑(φ600mm)相移平面干涉儀實(shí)物如圖17所示，在國內(nèi)首次利用波長調(diào)諧相移技術(shù)研制成功的φ600mm平面干涉儀，其工作波長為1 053nm，面形檢測空腔精度為63nm。該成果獲得國防技術(shù)發(fā)明二等獎。

圖17 近紅外大口徑相移平面干涉儀實(shí)物圖Fig.17 Near infrared large aperture phase shifting plane interferometer

為了適應(yīng)大口徑光學(xué)元件對表面中頻誤差的檢測需求，南京理工大學(xué)于2011年研制了口徑φ15mm、工作波長632.8nm的PSD2干涉儀，其空間頻率檢測范圍覆蓋(0.067～20)mm，PSD2干涉儀實(shí)物、臺階表面干涉圖及其頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)曲線圖如圖18所示。

圖18 PSD2干涉儀實(shí)物及測試結(jié)果圖Fig.18 Photo and test results of PSD2 interferometer

當(dāng)前，隨著加工技術(shù)的多元化，元件光學(xué)性能的表面微納結(jié)構(gòu)形貌和超光滑表面形貌明顯提升，屬于光學(xué)元件表面輪廓形貌的高空間頻率成份，需要利用寬光譜顯微干涉技術(shù)來檢測表面輪廓形貌的高頻分量。與國內(nèi)某些研究單位“核心組件——顯微干涉物鏡采購國外、僅聚焦于圖像處理軟件”的思路不同，南京理工大學(xué)立足于國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)，攻克了系列倍率的顯微干涉物鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)裝調(diào)、白光干涉圖掃描與微觀輪廓提取等關(guān)鍵技術(shù)，2017年研制成功白光顯微干涉儀，系統(tǒng)配置了5、10、20、50顯微干涉物鏡，解決了光學(xué)表面高頻輪廓形貌的檢測技術(shù)難題。在光學(xué)、機(jī)械、集成電路、生物醫(yī)療行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。白光顯微干涉儀及干涉顯微物鏡、軟件界面如圖19所示，顯微干涉物鏡的技術(shù)參數(shù)見表1。該成果獲得國防技術(shù)發(fā)明二等獎。

圖19 白光顯微干涉儀、干涉顯微物鏡和軟件界面圖Fig.19 White light microscope interferometer,interferencemicroscope objective lens and software interface

表1 干涉顯微物鏡的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of interference microscope objective倍率有效焦距(mm)工作距離(mm)齊焦距離(mm)數(shù)值孔徑視場范圍(mm)光學(xué)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 結(jié)束語

在光學(xué)精密檢測領(lǐng)域，大量程同時高精度的檢測技術(shù)亟待發(fā)展，在寬頻譜表面輪廓形貌檢測方面，同樣如此。如果要求檢測儀器具有很寬頻率響應(yīng)范圍，其空間(時間)跨度就會受限，換言之，空間(時間)跨度不受限，檢測效率就很低。當(dāng)前先進(jìn)制造領(lǐng)域已向兩個極端方向發(fā)展：1)超大尺寸的元件制造技術(shù)，如我國SiC單體反射鏡最大口徑已經(jīng)達(dá)到4.5m；2)表面微納結(jié)構(gòu)或超小元件的制造技術(shù)，如在手機(jī)鏡頭和醫(yī)用內(nèi)窺領(lǐng)域具有應(yīng)用前景的超透鏡，其口徑與焦距均小于1mm。這樣的極端發(fā)展方向，對高精度的干涉檢測技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

多年來，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)努力通過多種檢測技術(shù)或儀器的相互銜接，解決寬頻譜表面輪廓形貌的檢測難題，國內(nèi)在干涉檢測領(lǐng)域，研制基于時間相移或空間相移技術(shù)，工作波長從可見、近紅外、到中波紅外、長波紅外，檢測口徑從φ15mm，φ25.4mm，φ60mm，φ100mm，一直到φ800mm的數(shù)字波面干涉儀，為光學(xué)表面寬頻譜輪廓形貌的高精度檢測，做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。這些干涉檢測儀器，為中國神光III、LAMOST望遠(yuǎn)鏡、國家高分專項(xiàng)等重大光學(xué)工程裝備，以及手機(jī)攝像模組、基因芯片檢測等民用光學(xué)產(chǎn)品，解決了鏡面加工與系統(tǒng)裝校中的高精度檢測技術(shù)問題。

當(dāng)前，受西方國家技術(shù)打壓，我們需要集智廣慧，迎接挑戰(zhàn)，為滿足包括大口徑光學(xué)材料、半導(dǎo)體制程等行業(yè)生產(chǎn)所需的高精度檢測需求保駕護(hù)航；努力解決卡脖子問題，突破西方霸權(quán)帶來的技術(shù)封鎖，自主研制國產(chǎn)高端裝備已勢在必得。