[發明專利]光針式共光路干涉共焦位移測量裝置與方法

有效

• 申請號: 202110540897.7
• 申請日: 2021-05-18
• 公開（公告）號: CN113218312B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 黃向東;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/24;G01B9/02015
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 李長春

1.一種光針式共光路干涉共焦位移測量裝置，其特征在于：線偏振光源(101)、1/2波片(102)組成的光源模塊發出平行光，偏振方向與分光棱鏡PBS(103)透光軸x向一致，光束經PBS(103)透射后經第一1/4波片(104)照射到環形參考反射鏡(105)上，參考光按原光路返回；測量光經物鏡(106)形成聚焦光針照射到樣品表面(107)，然后再經樣品表面反射按原光路返回；由于測量光和參考光均兩次經過第一1/4波片(104)，所述第一1/4波片(104)光軸與x方向夾角45°，返回光束偏振方向變為y向，則返回光經PBS(103)反射；參考光經過環形1/2波片(108)，偏振方向旋轉90°，而測量光由所述環形1/2波片(108)中心穿過，此時測量光與參考光偏振方向相互垂直；再經過第二1/4波片(109)分別變為左旋、右旋圓偏振光，經二維Ronchi光柵(110)與偏振移相陣列(111),參考光與測量光發生移相；進一步，光分別經過2對相互共軛的移焦光瞳陣列(112)，選出四路[±1,±1]衍射光，其中2束光經移焦光瞳濾波器后，經透鏡(113)匯聚,其焦面位置會發生正移焦，而另外2束光經共軛移焦光瞳濾波器后，其焦面會發生負移焦；同時，測量光與參考光在透鏡(113)焦面附近發生干涉，由變區域光強探測器(114)分別對四路干涉光進行探測，并經數據處理后獲得位移測量值。

2.根據權利要求1所述的光針式共光路干涉共焦位移測量裝置，其特征在于：環形參考反射鏡(105)，其中心孔面積與外環面積相同，且放置于物鏡前方。

3.根據權利要求1所述的光針式共光路干涉共焦位移測量裝置，其特征在于：環形1/2波片(108)，其外輪廓半徑和內孔半徑均與環形參考反射鏡(105)相同，波片快/慢軸與參考光偏振方向夾角45°。

4.根據權利要求1所述的光針式共光路干涉共焦位移測量裝置，其特征在于：移焦光瞳陣列(112)，其結構中包括4個關于中心對稱的子光瞳區，每個子光瞳濾波器為圓對稱相位光瞳，二環或多環結構，子光瞳外輪廓半徑與環形參考鏡外輪廓半徑相同，子光瞳之外的區域不透光，其作用是選出四路[±1,±1]衍射光；其中，相鄰子光瞳為相位共軛光瞳可分別實現正向移焦和負向移焦。

5.根據權利要求1所述的光針式共光路干涉共焦位移測量裝置，其特征在于：變區域光強探測器(114)，可由成像管鏡(115)和CCD(116)構成。

6.根據權利要求1所述的光針式共光路干涉共焦位移測量裝置，其特征在于：變區域光強探測器(114)，可由半反半透鏡片(601)，4個針孔構成的針孔陣列(602)，第一四象限光電探測器PSD(603)和第二四象限光電探測器PSD(604)構成，其中針孔后的所述第一四象限光電探測器PSD(603)為共焦分系統探測器，所述第二四象限光電探測器PSD(604)為干涉分系統探測器。

7.一種使用權利要求1所述裝置的測量方法，其特征在于：光強采集時，分別以四個干涉光斑重心為中心，通過采集設定的4個大區域內光強，獲得干涉分系統輸出，即為I_A，I_B，I_C，I_D；相應地，采集設定的4個小針孔內光強獲得共焦分系統輸出，即為：I'_A，I'_B，I'_C，I'_D，并通過公式(1)：

可獲得測量光與參考光的相位差及其對應軸向光程差z；

通過公式(2)計算共焦分系統輸出I_CMS(u)：

并可由共焦分系統軸向測量特性獲得對應位移的粗測值u，其中u為歸一化軸向光學坐標；進而可獲得軸向離焦位置其中α是物鏡數值孔徑；

利用所述測量裝置對物面當前a位置和b位置進行測量，從而獲得其對應位置z_a、l_a和z_b、l_b；最后，利用公式(3)計算物面高度差H_ab：

H_ab＝kT+z_b-z_a (3)

其中，T＝λ/2為干涉分系統的測量周期，k是l_b-l_a所包含的干涉測量周期數，為整數。