微表面形貌检测中Mirau干涉物镜的优化设计.docx

微表面形貌检测中 mira u 干涉物镜的优化设计 3张红霞 3 3 , 张以谟 , 井文才 , 周革 , 李朝辉(天津大学精密仪器与光电子工程学院 ,光电信息技术科学教育部重点实验室 ,天津 300072)摘要 :提出了实用的 mirau 干涉头结构 ,降低了制作工艺要求 。物镜为长工作距物镜 ,由光焦度较大的正光组和光焦度较小的负光组组成 。设计了 5 种不同透射/ 反射率的分束板 ,平衡了干涉光强 。mirau 干涉物镜的 n a = 0 . 3 ,= - 10 , 工作距 5 mm ,横向分辨率 x 0 . 887 m ,景深 = 2 . 956 m 。 关键词 : mirau 干涉物镜 ; 长工作距物镜 ; 像差校正 ; 光强平衡中图分类号 : t h74文献标识码 :a文章编号 :100520086 (2003) 1221292204optimized design of mira u interf erence objective in microsurface topogra phymea surementzhan g ho ng2xia 3 3 , zhan g yi2mo , j in g wen2cai , zhou ge , l i zhao2hui( college of precisio n inst rument & op to2elect ro nics engineering , key l aboratory of op to2elect ro nic informa2tio n technical science , emc , tianjin u niversit y , tianjin 300072 ,china)abstract : practic al mirau int e rf e re nc e he a d structure wa s de velop e d to re duc e f a bric atio n require me nt s. alo ng wo rking2di st anc e o bje ctive wa s de signe d which co nsi st s of a large r po sitive powe r le ns and a smalle r ne gative powe r le ns. the int e nsity of the int e rf e re nc e p att e rn wa s balanc e d using be am splitt e r s with diff e r2 e nt transmi s sio n/ refle ctio n ratio . the p aramet e r s of the mirau int e rf e re nc e o bje ctive are a s follow s : nume ri2c al ap e rture na = 0 . 3 ,the magnific atio n = - 10 ,wo rking di st anc e 5 mm ,lat e ral re solutio nx 0 . 887mand depth of field = 2 . 956m.key words : mirau int e rf e re nc e o bje ctive ; lo ng wo rking2di st anc e o bje ctive ; a be rratio n co rre cting ; int e nsity balancing2no 提出的分束板是 80 nm 厚的 si3 n4 薄膜 ,参考面是在 si3 n4 薄膜上沉积的 pt 圆盘 , 但这种结构的制 作工艺要求高 。本文对 mirau 干涉物镜进行整体优化设计 ,提出了实用的 mirau 干涉头结构 ,降低了制作工艺要求 ,mirau 干涉头引起的像差用后面的物镜 补偿 ,并且设计了 5 种不同透射/ 反射率的分束板平 衡了干涉光强 。1引言分光路干涉的 michelso n 、mirau 和 linnik1 3 种形式中 ,mirau 干涉以抗干扰能力强 、结构紧凑而得 到了广泛的应用 。s. s. c. chim 和 g. s. kino 等2 5 对 mirau 干涉的发展作出了巨大的贡献 ,发展了 mi2rau 干涉仪 。mirau 干涉仪再加上 相 移 技 术6 7能够进行微表面形貌检测8 ,9 。第 一 个 提 出 mirau 干 涉 的 是 法 国 的 a . h. mi2 rau10 ,这时的参考面是透镜前表面上的金 属 沉 积 , 一般很难保证其是平面 。分束板和补偿板之间是析 光膜 ,则分束面恰在透镜工作距的 1/ 2 处 。为了减小mirau 干涉头引起的像差 , s. s. c. chim 和 g. s. ki2, 就mira u 干涉成像系统mirau 干涉仪加上压电陶瓷传感器 ( pzt ,piezo2 elect ric t ransducer) 作相移 ,就能够进行微表面形貌检 测 。其中的 mirau 干涉成像系统如图 1 所示 ,被测面 和参考面经过干涉物镜和辅助透镜 ,形成的干涉条纹2收稿日期 :2003204223 修订日期 :20032062163基金项目 :天津市“131”人才工程第一层次人选资助项目 ;天津市自然科学基金资助项目 ( 023602411)3 3 e2ma il :zhangho ngxia t wt mail . tju. cn1293 第 12 期 张红霞等 :微表面形貌检测中 mirau 干涉物镜的优化设计用 ccd 接收 。系统包括 mirau 干涉物镜 、辅助透镜 、pzt 和 ccd 。因为 pzt 带动干涉物镜移动时 ,干涉 系统仍应产生清晰的 、对比度好的干涉条纹 ,即干涉 物镜的移动对光学系统的成像位置关系和像差没有 影响 。所以 , 从干涉 物 镜 出 射 的 光 束 应 该 是 平 行 光 束 ,则干涉成像系统的放大率为和物镜一起加工 ,降低了以往的制作工艺要求 。它对干涉物镜的光焦度没有贡献 ,引起的像差用后面的物 镜进行补偿 。3 . 2 物 镜物镜的工作距是透镜组的第 1 面到被测面的距 离 。而干涉物镜的工作距是包括了干涉头的第 1 面到被测面的距离 。对于零光程差的 mirau 干涉结构 , 参考面和被测面关于分束面对称 ,这时干涉物镜的工 作距小于物镜工作距的 1/ 2 ,所以物镜必须是长工作 距物镜 。 f 2 = -( )1f 1式中 , f 1 为干涉物镜焦距 ; f 2 为辅助透镜焦距 。根据系统的尺寸和结构要求 , 则 = - 10 、n a = 0 . 3 。mira u 干涉物镜3如图 1 所示 , mirau 干涉物镜由 mirau 干涉头和物镜组成 。图 1 mirau 干涉成像系统fig. 1 mirau interf erence imaging system图 2 mirau 干涉头结构fig. 2 mirau interf erence hea d structure3 . 1 mira u 干涉头mirau 干涉头是指在物镜和被测面间的分束板 和参考面 。在显微物镜前加上 mirau 干涉头 ,其缺点是在大孔径系统中 ,分束板会引起严重的像差 。在光 轴方向上 ,分束板引起的球差随着数值孔径的 3 次方增加2 。s. s. c. chim 和 g. s. kino 建立了一种新的分束板 ,它是 1 块 80 nm 厚的低应力的 si3 n4 薄膜 , 首先在 si 基底上沉积 si3 n4 , 然后把中间的 si 刻蚀 掉 。参考面是在 si3 n4 薄膜上沉积的 pt 圆盘 , 直径400 m ,比显微镜的视场 200 m 大 。这么薄的分束板和参考面构成的 mirau 干涉头引起的像差非常的 小 ,但其制作工艺水平要求高 。图 2 是 mirau 干涉头结构11 。支撑板是普通的光学平板 ,它在发生干涉的元件前面不会引起两支光 路的光程差 ,没有严格的表面质量要求 。参考面是镀 在支撑板中间的 al 反射膜 ,直径和干涉系统的视场 相当 。为了平衡光程 ,增加了补偿板 ,它和分束板用 析光膜胶合 。分束板和补偿板的厚度 、面型精度和平 行度完 全 一 样 。分 束 板 和 补 偿 板 的 厚 度 都 为 1 . 0 mm ,支撑板的厚度为 1 . 5 mm ,则 mirau 干涉头可以图 3 是长工作距物镜原理图 。其由前后两组透镜组成 ,工作距为 l ; 而用一个等效透镜的话 , 工作距 则为 l 1 , 显然 l 比 l 1 长多了 。前组透镜为正透镜组 , 焦距为 f 3 ; 后组透镜为负透镜组 , 焦距为 f 4 ; 且前组透 镜 光 焦 度 的 数 值 必 须 大 于 后 组 透 镜 光 焦 度 的 数值 。图 3 长工作距物镜原理图fig. 3 the principle of long working2distance objective初始选定一组无限远长工作距显微物镜结构 ,然后根据系统要求 ,逐步修改透镜的结构参数 ,不断优 化 ,符合放大率 、工作距和像差要求 。表 1 是优化设 计后的长工作距物镜参数 ,焦距为 16 . 680 mm ,工作距为 16 . 048 mm 。光 电 子 激 光 2003 年 第 14 卷1294 表 1 长工作距物镜参数ta b. 1 the para meters of long2working distance objective/ mm的 3 个波长的值一样 ,都很小 。4平衡设计被测面的反射率和参考面的反射率不一致会引f 3 f 4f 1dl hl hw d20 . 387 - 317 . 468 16 . 68065 . 953 - 3 . 464 - 53 . 94516 . 048起光强不平衡 。参考面的反射率能达到 85 % ,如果参考和测量光路的光强比 4 ,就会导致图像的对比 度下降 ,从而使得干涉条纹模糊 。光强比为f 3 : focal lengt h of f ro nt lens ; f 4 : focal lengt h of back lens ; f 1 :focal lengt h of o bjective ; d : distance of t he rear p rinciple point of f ro nt lens to t he first p rinciple point of back lens ; l h :distance of t he first p rinci2 ple point of o bjective to f ro nt lens ; lh :distance of t he rear p rinciple point of back lens to o bjective ; w d : wo r king distance .2 i 1= r t ( 2)k0 . 85 ( 1 - t ) 2i2式中 , i 1 为测量光路光强 ; i 2 为参考光路光强 ; r 为被测面反射率 ; t 为分束板透射率 。在分束板和补 偿板之间镀不同透射/ 反射率的析光膜 , 就能够平衡 干涉光强 。表 3 是不同的透射/ 反射率的分束板对应的被测面反射率 ,其中参考面的反射率为 0 . 85 。设计了透 射/ 反射率为 90/ 10 、80/ 20 、70/ 30 、60/ 40 和 50/ 50 的分束板 ,对应的被测面反射率从低到高 ,包括了整个反射率范围 ,平衡后的光强比在 0 . 431 . 69 内 。所 以根据表 3 就可以对不同反射率的被测面使用不同透射/ 反射率的分束板 。3 . 3mira u 干涉物镜结构mirau 干涉物镜结构如图 4 所示 。前后组透镜 间的距离较大 ,有利于减小场曲 。图 4 mirau 干涉物镜结构fig. 4 mirau interf erence objective structure表 3 不同的透射/ 反射率的分束板对应的被测面反射率ta b. 3 the ref lectivity of test surface corresponding to bea m spl itters with diff erent transmission/ ref lect ion rat io 3 . 4 干涉成像系统的像差辅助透镜的 n a 为 1 14 , 为双胶合透镜 。干涉 成像系统属于小视场大孔径系统 , 主要考虑球差 、正 弦差和位置色差 , 对场曲 、像散和垂轴色差也要考虑 。系统各面的 i z ( 第二近轴光线的入射角) 均很小 , 轴 外像差能够校正得很好 。从初级像差考虑 , 干涉物镜 的变量主要有 10 个曲率和透镜之间的间隔 , 用 2 个 变数校正位置色差和倍率色差 , 用 2 个 变 数 校 正 球 差 、正弦差 ; 用间隔校正场曲 ; 其余的变量用来校正高 级像差 , 并考虑像散和畸变 。表 2 是 干 涉 成 像 系 统 的 像 差 数 据 。522 nm 和542 nm 在 0 . 707 孔径处的球差为 - 3 . 50 10 - 1 mm 和 - 3 . 54 10 - 1 mm ,说明系统对带光校正了位置色 差 ;532 nm 的光在 0 . 707 孔径处的球差为 - 3 . 74 10 - 1 mm ,说明系统的二级光谱也很小 。像散和畸变beam split terswit h different t ransmissio nratio of test beam intensit y to referencereflectivit y of testsurface / reflectio n ratio beam int ensit y 50/ 5060/ 4070/ 3080/ 200 . 541 . 000 . 240 . 540 . 090 . 240 . 0230 . 090 . 641 . 180 . 641 . 430 . 581 . 540 . 431 . 69 90/ 10 0 . 023 2 . 19 5干涉物镜的横向分辨率和景深mirau 干涉物镜的横向分辨率用能分辨的两点间的最小距离表示 ,即有0 . 532 x0 . 5 = 0 . 5 = 0 . 887/m0 . 3n a( 3) 当被测面两点间的距离远大于 x 时 , 会分辨得 很清楚 ; 当两点间的距离小于 x 时 , 会引起图像模糊而分辨不开 。mirau 干涉系统用 ccd 接收 ,则景深为表 2 mirau 干涉成像系统的像差ta b. 2 the a berration of mirau interf erence imaging systemwavelengt h/ nmlongit udinal aberration/ mmastigmatic/mdistortion/ % n 1 0 . 5320 . 0000 . 7071 . 000 = = = 2 . 956/m ( 4)- 1 . 39 10 - 4 - 3 . 74 10 - 1 - 1. 66 10 - 1- 1 . 28 10 - 1 - 3 . 50 10 - 1 5 . 93 10 - 21 . 61 10 - 1 - 3 . 54 10 - 1 - 3. 30 10 - 12 ( n a ) 22 0 . 325325225423 . 33 . 33 . 30 . 0830 . 0830 . 083式中 ,为波长 ; n 为物方折射率 。mirau 干 涉 物 镜 的 参 数 如 表 4 所 示 , 数 值 孔 径1295 第 12 期 张红霞等 :微表面形貌检测中 mirau 干涉物镜的优化设计n a = 0 . 3 , 放大率 = - 10 , 工作距 5 mm ,横向分辨率 x 0 . 887 m ,景深 = 2 . 956 m 。st anley siu2cho r chim , g s kino . pha se me a sure me nt s using the mirau co rrelatio n micro scop e j . applie d op2 tic s ,1991 ,30 (16) :219722201.fang che ng chang , go rdo n s kino . 3252nm int e rf e re nc e 4 表 4 mirau 干涉物镜的参数ta b. 4 the para meters of mirau interf erence objective 5 applie d optic s , 1998 , 37 ( 16 ) : 34712micro scop e j .3479 .wo r king distance/ mml ateral resolutio n/mtype ofmagnificatio ndept h of field/minterference n a 6 hui mei , li qing2xiang , wan g do ng2she ng , et al. the manuf acture of a p ha se st epping diff e re ntial int e rf e re nc e co ntra st micro scop y me a suring syst e mj . j ournal of op2to ele ctro nic sl a se r (光电子激光) ,2002 ,13 ( 11) : 114121144 . (in chinese)su n ping , zhan g xi . st udy o n p hase2shif ting tech2 niques in esp ij . j ournal of opto ele ctro nic sl a se r ( 光 电子激光) ,2001 ,12 (11) :117421176 . (in chinese)chim stanley siu2chor . the mirau correlatio n microsc2 ope : a new tool for op tical met rology d . u sa : stanford u niversit y ,1991 .bharat bhushan , j ames c wyant , chris l koliopoulos. measurement of surface topograp hy of magnetic tapes by mirau interfero met ryj . applie d optic