寬頻譜表面輪廓形貌干涉檢測技術進展

高志山 趙雨晴 馬劍秋 袁 群

(南京理工大學電光學院，江蘇南京 210094)

1 引 言

表面輪廓形貌，在光學、機械、半導體、醫學人造關節等國民經濟諸多領域有著廣泛的檢測需求，通過高精度檢測，得到輪廓形貌數據偏差，可以促進中國相關領域先進制造工藝技術水平的進步，提高產品的性能。但由于每一種檢測儀器都存在一定的頻率響應帶寬限制，依靠單臺或單品種光學檢測儀器，很難覆蓋較大的頻率寬度。當前，光學檢測領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。

本文以光學表面寬譜輪廓形貌的檢測技術及儀器為例，闡述國內外相關技術與儀器的發展概貌，期望對有興趣的產業界、制造業、儀器研發領域的研究人員，具有參考價值。

2 跨尺度表面形貌空間頻譜

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

(1)

(2)

式中：

λ

——工作波長；

D

——光學系統主鏡口徑或入瞳直徑；

k

——與系統照明方式有關的工藝因子；

NA

——成像系統的數值孔徑。式(1)適用于目標位于無窮遠的光學系統，如望遠鏡、空間光學載荷、機載光學載荷；式(2)適用于目標位于有限遠的光學系統，如顯微鏡、光刻投影物鏡。如果要提高系統分辨力，需要增大主鏡口徑、增大

NA

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

NA

=0.93光刻物鏡。

同時，通過表面微結構(俗稱超表面)的調制光波機理，形成的超表面透鏡(簡稱超透鏡)或者二元光學衍射透鏡，在手機超薄鏡頭模組、微創醫用內窺，以及集成光學領域，表現出強勁的變革性技術趨勢和應用前景，為光學成像系統提供了新穎的光學元件，美國DARPA的薄膜反射鏡，就是這種元件驅動下的太空望遠鏡發展方向。

以上這些光學系統，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不同特征尺度下的空間頻率響應。

關于空間頻率譜段的劃分，與光學系統的應用領域有關，如美國從事NIF系統研究的利夫莫爾-伯克利國際實驗室(LLBL)對光學元件表面輪廓空間頻率譜段的劃分如圖1所示。

圖1 LLBL研發的光學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,尤其光刻物鏡的研發，對光學表面輪廓空間頻率譜段劃分如圖2所示。

圖2 Zeiss研發的光學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)。

以光學系統成像質量指標PSF(Point Spread Function)為評價指標，不同頻段光學表面輪廓誤差引起的PSF變化如圖3所示，圖3中實線表示理想的PSF曲線，虛線表示獨立存在低、中、高頻段輪廓誤差時PSF的下降情形。當物體為方形網絡時，如果存在低、中、高頻輪廓誤差，則方形網絡成像的襯度變化情況如圖4所示，其中低頻誤差帶來網格的變形，中頻誤差使網格襯度降低，高頻誤差引入背景和噪聲，降低成像對比度。

圖3 不同頻段下系統成像質量指標的變化示意圖Fig.3 Changes of PSF in different frequency bands

圖4 方形網絡成像的襯度變化示意圖Fig.4 Contrast change of square network imaging

因此，需要設計合適的檢測方案和檢測儀器，實現成像系統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，也稱為空間周期性起伏的“波長”)，縱軸一般為PSD(Power Spectral Density)，涉及到光學表面輪廓的表征函數與空間頻率譜段描述的評價理論。

一般地，由非接觸光學測量方法，可以得到光學表面的輪廓形貌函數

Z

(

x

,

y

)，其中

Z

是表面某一點(

x

,

y

)的輪廓高度起伏函數。如果測量結果用像素坐標(

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

Z

(

j

,

k

)的功率譜函數，其中實施了二維傅立葉變換。式中，

Δx

為二維輪廓函數

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包含周期性起伏特征的評價指標，為梯度變化均方根，英文符號為GRMS，其計算公式如式(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進展

美國亞歷桑那大學光學中心的James H Burge教授指導的多篇博士學位論文，對光學鏡面不同加工階段的表面輪廓形貌檢測技術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構光掃描檢測系統(SLOTS-Scanning Long-wave Optical Test System)、精磨階段使用軟件結構化光學檢測系統(SCOTS-the Software Configurable Optical Test System)、精拋光階段使用數字波面干涉儀(Interferometer)；使用小口徑梯度測量便攜式光學檢測系統(SPOTS-Slope Measuring Portable Optical Test System)檢測(0.1～1)mm的鏡面波紋度誤差，該檢測系統很好地填補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鏡面采用的表面形貌檢測技術Fig.5 Surface topography detection technology for optical mirrors in different processing stages

4.1 長波紅外結構光掃描檢測系統(SLOTS)

光學制造過程中，粗磨是實現光學元件表面成型的重要工藝階段，光學檢測關注的是表面面型與光學鏡面理想形狀的逼近程度，屬于光學表面形狀的低頻檢測。此時，因光學表面粗糙，對可見光波段的檢測光散射嚴重，一般采用長波紅外光構建檢測系統，如長波紅外10.6μm干涉儀或者結構光掃描檢測系統，檢測粗磨鏡面的面形誤差。美國亞歷桑那大學的SLOTS檢測系統，光路如圖6所示。

圖6 亞歷桑那大學SLOTS檢測系統光路圖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。據此可以計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的檢測結果引導下，用25μm研磨砂，通過精密定位鏡面中高頻誤差區域，經過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 軟件結構化光學檢測系統(SCOTS)

當表面面形誤差進入2μm(RMS)量級后，還沒有達到可見光干涉儀的量程范圍。美國亞歷桑那大學采用了一種梯度測量的技術，稱之為軟件結構化光學檢測系統，其光路原理如圖9所示。由微顯示器產生一組調制條紋圖案，經被檢鏡面反射后，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測量系統(SPOTS)

前面SLOTS與SCOTS都完整檢測了4.2m主鏡的面形誤差，檢測的是光學鏡面的低頻誤差。對于光學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主鏡面上進一步拋光引入的中頻誤差，美國亞歷桑那大學研制了基于莫爾偏折術的梯度測量便攜式光學測量系統，其針對不同曲率被測球面的光學原理如圖10所示，用OLED顯示屏產生條紋圖案，與SCOTS不同之處，系統使用了一塊輔助透鏡，適應被檢鏡面的曲率半徑符號，為被檢鏡面提供無窮遠(鏡面為平面)、有限遠(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檢測系統實物如圖11所示。

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

圖11 SPOTS檢測儀器實物圖Fig.11 SPOTS testing instrument

4.4 多種檢測口徑與工作原理的數字波面干涉儀

對于精拋光階段的光學鏡面寬頻譜表面輪廓形貌誤差的檢測，公認的高精度方法為相移干涉檢測方法，在光學領域影響較大的國外干涉儀有美國Zygo公司生產的φ100mm，φ150m，φ450m，φ600m，φ800m相移干涉儀和美國4D公司生產的同步相移干涉儀。這些干涉儀主要檢測低頻段的光學表面面形誤差。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公司研發的φ600m干涉儀實物圖Fig.12 Photo of φ600m interferometer by Zygo

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

為了檢測高頻段的光學表面微觀形貌誤差，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，應該是可信的。

圖14 Veeco公司研發的白光干涉儀實物圖Fig.14 Photo of white light interferometer by Veeco

5 國內寬頻譜表面輪廓形貌檢測技術進展

在粗磨階段的表面成型檢測方法，與國外類似，有基于結構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，為了解決表面輪廓形貌檢測的寬頻譜銜接問題，國內研制不同口徑(即不同采樣長度)的數字波面干涉儀，如口徑有φ25.4mm，φ60mm，φ100mm，φ150mm，φ300mm，φ450mm，φ600mm。目前，國內已有單位投資研發φ800mm，甚至是更大口徑的干涉儀。某公司研發的φ25.4mm干涉儀實物如圖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

數的標準球面透鏡，適應不同彎曲程度的球面或非球面檢測要求。

圖15 φ25.4mm干涉儀實物圖Fig.15 φ25.4mm interferometer

南京理工大學研制完成的移相式數字球面干涉儀如圖16所示，光源采用

λ

=632.8nm的穩頻激光器，主機口徑為φ100mm，平面光學質量為

λ

/20PV、球面光學質量

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步一等獎。

圖16 移相式數字球面干涉儀實物圖Fig.16 Phase shifting digital spherical interferometer

南京理工大學研制完成的近紅外(1 053nm)大口徑(φ600mm)相移平面干涉儀實物如圖17所示，在國內首次利用波長調諧相移技術研制成功的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發明二等獎。

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

為了適應大口徑光學元件對表面中頻誤差的檢測需求，南京理工大學于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干涉儀實物、臺階表面干涉圖及其頻率響應傳遞函數曲線圖如圖18所示。

圖18 PSD2干涉儀實物及測試結果圖Fig.18 Photo and test results of PSD2 interferometer

當前，隨著加工技術的多元化，元件光學性能的表面微納結構形貌和超光滑表面形貌明顯提升，屬于光學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來檢測表面輪廓形貌的高頻分量。與國內某些研究單位“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，南京理工大學立足于國內自主知識產權，攻克了系列倍率的顯微干涉物鏡的光學設計、系統裝調、白光干涉圖掃描與微觀輪廓提取等關鍵技術，2017年研制成功白光顯微干涉儀，系統配置了5、10、20、50顯微干涉物鏡，解決了光學表面高頻輪廓形貌的檢測技術難題。在光學、機械、集成電路、生物醫療行業具有廣闊的應用前景。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參數見表1。該成果獲得國防技術發明二等獎。

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參數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)數值孔徑視場范圍(mm)光學分辨力(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 結束語

在光學精密檢測領域，大量程同時高精度的檢測技術亟待發展，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。當前先進制造領域已向兩個極端方向發展：1)超大尺寸的元件制造技術，如我國SiC單體反射鏡最大口徑已經達到4.5m；2)表面微納結構或超小元件的制造技術，如在手機鏡頭和醫用內窺領域具有應用前景的超透鏡，其口徑與焦距均小于1mm。這樣的極端發展方向，對高精度的干涉檢測技術提出了新的挑戰。

多年來，國內外研究機構努力通過多種檢測技術或儀器的相互銜接，解決寬頻譜表面輪廓形貌的檢測難題，國內在干涉檢測領域，研制基于時間相移或空間相移技術，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的數字波面干涉儀，為光學表面寬頻譜輪廓形貌的高精度檢測，做出了應有的貢獻。這些干涉檢測儀器，為中國神光III、LAMOST望遠鏡、國家高分專項等重大光學工程裝備，以及手機攝像模組、基因芯片檢測等民用光學產品，解決了鏡面加工與系統裝校中的高精度檢測技術問題。

當前，受西方國家技術打壓，我們需要集智廣慧，迎接挑戰，為滿足包括大口徑光學材料、半導體制程等行業生產所需的高精度檢測需求保駕護航；努力解決卡脖子問題，突破西方霸權帶來的技術封鎖，自主研制國產高端裝備已勢在必得。