旋转平移法平面绝对检测的偏心误差修正

针对旋转平移法在检测过程中存在偏心误差的问题,提出一种基于三维面形的图像配准偏心误差修正方法.首先采用旋转平移绝对检测法获得旋转0°和旋转180°两个状态下被测镜的面形;然后利用三维面形数据构建相似度函数,实现被测镜面形在0°和180°状态下的配准,从而获得偏心误差.数值仿真计算结果表明,偏心误差修正前,残余面形的峰谷值为7.783 nm,均方根值为0.578 nm;偏心误差修正后,残余面形的峰谷值为0.034 nm,均方根值为0.004 nm.结果 表明该修正方法可行,可以有效提高旋转平移法的检测精度,为高精度光学元件面形的绝对检测提供重要参考.     

采用奇偶函数法的平面面形绝对测量技术仿真分析

随着现代工业和科学技术的飞速发展,特别是近代大规模集成电路技术的不断提高,对系统精度的要求日益提高。在光刻系统中,越来越短的特征尺寸要求我们使用更高精度的光刻物镜。在这之前我们需要更高精度的检测技术来满足加工及系统集成的需要。高精度移相干涉仪的测量结果包含了待测面和参考面的误差,移相干涉测量法的测量精度受限于参考面的精度。绝对测量方法通过移除参考面的误差,从而达到提高测量精度的目的。回顾了光学平面面形绝对测量方法,重点描述了基于奇偶函数的绝对测量方法。分析了旋转角度误差对测量结果的影响,通过旋转更小的角度求出了高阶面形拟合分量,给出了求高阶面形拟合分量的通项公式。     

基于频域变换的两平晶互检求解算法

提出了一种平面绝对检验的频域面形恢复算法。算法基于两平晶互检方法,对其中一个被测面增加不同旋转角度的测量。通过频域求解算法,可以恢复出被测面的三维绝对面形分布。该数值处理重建算法利用快速傅里叶变换(FFT)和线性滤波处理测量数据。将本文算法结果同传统Zernike多项式拟合算法结果进行了对比,结果吻合较好。3个面的最大PV(peak to valley)值偏差为0.027λ,最大RMS(root mean square)值偏差为0.003λ。实验结果表明,本文算法即使在高空间分辨率的情况下,误差传递也较低,同时计算效率较高。     

Slope RMS在三镜支撑设计与面形评价中的应用

针对镜面面形均方根（RMS）无法反映表面面形的空间频域特性,借鉴了国际上先进的斜率均方根（Slope RMS）作为面形评价方法。本文以2 m级望远镜三镜作为例子,将Slope RMS作为优化目标函数,计算了支撑点的位置,给出的支撑之后面形误差RMS值为6.88 nm,在空间间隔为0.25 mm时的Slope RMS值为0.17809 μrad。利用Zernike多项式作为面形拟合基底函数,将对成像质量没有影响的刚体位移从面形误差中分离出来,得到最终的面形误差的RMS值为3.30 nm,在空间间隔为0.25 mm时的Slope RMS值为0.15943 μrad。研究结果表明,以Slope RMS为目标函数优化支撑点的支撑结果位置满足光学设计的要求,对更大口径光学元件的支撑设计提供了一种指导方法。     

平面面形绝对检验技术测量误差分析

绝对检验消除了参考面面形误差对干涉测量精度的制约,可实现纳米精度的面形测量。对现有主要平面面形绝对检验技术进行了总结比较,运用泽尼克多项式前36项构建被测平面,对边缘噪声、平面原始精度、旋转角度与偏心误差等因素对典型平面面形绝对检验技术测量精度的影响进行了模拟分析。绝对检验对被测平面原始精度、干涉图分辨率和旋转角度误差不敏感,对边缘噪声和旋转偏心误差敏感。实际测量中,旋转轴心对准误差应小于2 pixel,测量中心面积比取95%左右。     

球面绝对检测方法的误差影响分析及实验研究

球面绝对检测方法可以去除参考面面形误差的影响,从而提高了被检面的检测精度。在此高精度的检测中,被检面机构调整误差和环境扰动误差是影响检测结果的两个主要因素。将机构调整误差理解成一种特殊的面形误差,通过这一思路分析了该误差对最终检测结果的影响。为了提高检测精度,根据高阶离焦模型去除了调整误差中的离焦误差,并且设计了一种简易有效的旋转角度控制机构用来控制旋转错位误差。将环境扰动误差看作是随机误差,分析了该误差对三步检测每一步的影响,并采用多次测量取平均的办法减小其影响。基于Zygo干涉仪,使用六自由度高精度调整机构对精度优于λ/40的被检球面进行了绝对检测。绝对检测三步法测得的被检面面形误差的评价值小于单步法的测得结果对应的评价值,各评价值置信概率为0.99的置信区间长度很小,说明采用文中的装置和数据处理方法能实现绝对检测的高重复性和有效性。     

斜入射法检测平面反射镜的面形误差

为实现用小口径面形干涉仪完成对大口径光学镜面面形的检测,发展了斜入射检测方法,增大投射到待测镜上光斑的尺寸,从而增大干涉仪检测的镜面口径范围。推导了斜入射法检测平面反射镜面形的公式,并考虑了此方法可能引入的误差。对尺寸为124 mm×42 mm的平面反射镜分别在垂直和不同斜入射角条件下进行了测量,垂直入射时测得镜子工作表面面形起伏高度均方根(RMS)和峰谷(PV)值分别为16.3 nm和67.8 nm,斜入射时测得镜子工作表面的面形起伏高度RMS和PV值分别为16.8 nm和68.7 nm,相对误差分别为3%和0.9%,可以满足第三代同步辐射光束线的要求。     

GEO激光通信系统主镜组件优化设计

为保证GEO激光通信系统主镜的面形误差、主镜组件的结构刚度满足设计要求,需要进行主镜组件结构参数优化设计。由于组件的结构参数较多,为避免参数之间重复优化,提高优化设计效率,采用正交优化方法,用9种结构参数组合完成全部81种参数组合的主镜优化设计,保证了1 g重力、2℃径向温差分别作用时的面形误差RMS值满足RMS/50（=632.8 nm）的面形精度要求,并且改善了5℃均匀温升作用下的面形误差RMS值;在此基础上,进行了柔性支撑优化设计。仿真分析表明,主镜组件一阶频率为213 Hz,高于要求的200 Hz固有频率,主镜在1 g重力、2℃镜体径向温差和5℃均匀温升共同作用下的最大面形误差为10.78 nm,满足面形精度要求。经实验测试:5℃均匀温升的面形误差RMS值为7.27 nm,优于设计要求。优化设计为主镜组件的设计、加工、装校提供了技术支撑。     

高精度子孔径拼接中参考面误差的去除方法

基于最小二乘拟合的传统干涉子孔径拼接方法实现了小口径干涉仪对大口径光学元件的检测,然而在子孔径测试过程中,由于干涉仪上的参考面存在面形误差,将使获得的各子孔径的面形数据偏离真实值,所以在进行高精度面形测量时,获得参考面的面形误差并将其补偿掉是非常必要的。因此,提出了一种在拼接过程中用Zernike项对子孔径间重叠区域数据进行拟合的方法来求得参考面面形。首先在传统的目标函数上加入一系列Zernike项表征待求参考面,然后按照最小二乘法对函数进行求解得到各项系数,从而得到拟合的参考面。对平面和球面分别进行了子孔径拼接实验,拟合得到的参考面面形与QED拼接干涉仪计算得到的参考面面形的PV值偏差小于5nm,RMS值偏差小于0.2nm,拼接后的重叠区域不匹配误差值小于10nm。实验结果表明,在子孔径拼接过程中可以补偿参考面误差而得到更真实的拼接面形。     

猫眼法绝对测量干涉仪出射波前

由于非共光路误差是菲索干涉仪进行高精度检测中最重要的误差因素之一,而非共光路误差是由于非理想的光学系统即干涉仪的出射波前不理想造成的,所以为了测量干涉仪的出射波前来评估干涉仪非共光路误差的大小,提出一种利用干涉仪猫眼位置绝对测量干涉仪出射波前的方法。该方法基于干涉仪自身的面形测量功能,操作非常简单,只需要一块反射镜就能够实现干涉仪出射波前的测量。该方法通过至少三个猫眼位置的测量得到干涉仪出射波前的自身剪切数据,然后通过基于旋转平移的绝对检测算法直接得到干涉仪的出射波前的二维波前数据。实验结果表明:该方面能够实现不包括Power在内均方根(RMS)值约为15 nm的测量精度。该方法能够准确测量干涉仪出射波前,从而评估干涉仪非共光路误差。     

子孔径拼接干涉检测中机械定位误差的补偿

为减少子孔径拼接干涉检测中机械精度引起的定 位误差对检测结果造成的影响,在一般的调整误差 拼接算法上加入机械定位误差的补偿项,建立了补偿机械误差的综合优化方法。针对参考 面未知的拼接 干涉检测,研究了应用极大似然估计法拟合出用Zernike多项式表示参考面面形分布的方法 ,在除去参考面 面形后采用补偿机械误差的算法拼接。模拟对比实验表明,在相同的机械精度下,机械误 差补偿算法得 到的全口径相位差异分布均方根(RMS)值减少到近一般调整误差 拼接法的1/6,机械误差补偿算法拼接精度高于一般 调整误差拼接法。在搭建的拼接检测装置上检测口径为280mm的平面 镜,与大口径干涉仪检测的全口径相位差异分布的峰谷(PV)值为 0.099λ,R MS值为0.006λ,验证了综合优化方法在重构 参考面面形基础上能有效补偿机械定位误差。     

光学元件磁流变加工不确定度误差工艺方法

为减少磁流变抛光过程中误差对加工精度的影响,实现光学元件磁流变高精度加工,采用一种不确定度误差工艺方法对加工中的误差进行抑制。通过对磁流变加工过程中的位置误差和去除函数误差进行不确定度分析,在理论分析与实验分析的基础上进行验证实验。由仿真与实验结果可知,加工中面形误差与中频误差均存在3.5 nm的不确定度误差值,通过验证实验,得到了加工后的面形误差RMS值为20 nm,中频误差RMS值为14 nm。结果表明,采用误差不确定度的方法可优化加工工艺流程,减少误差对加工过程的影响,可以达到不确定度下的面形精度。该方法为磁流变高精度确定性加工以及面形误差与中频误差的抑制问题提供了一种解决方案。     

基于旋转平均补偿算法的旋转非对称面形绝对检测

旋转法是一种用于获得被测面旋转非对称面形的绝对检测技术。旋转平均补偿算法是在N次等间隔旋转的基础上增加一次不同角度的旋转测量,称为N+1次旋转法。通过附加的一次旋转测量,采用泽尼克多项式拟合求解旋转平均法的丢失面形。推导了理论计算公式,仿真分析了存在旋转角度和偏心误差时,补偿算法的有效性以及附加旋转角度对补偿面形计算精度的影响。验证实验的结果与仿真相符,表明在选择合适的附加角度之后,该算法可有效补偿丢失信息。与旋转平均法相比,只需增加一次旋转,就能得到更完整的面形,极大地提高了检测效率和精度,实验中补偿率达到61%,检测精度提高了约1倍。     

193nm光刻投影物镜单镜支撑仿真分析及实验研究

光刻是大规模集成电路制造过程中最为关键的工艺,光刻的分辨力主要取决于光刻投影物镜的光学性能。光刻投影物镜光学元件面形精度为纳米量级,其对光学元件的加工及物镜单镜支撑提出了极高的要求。为193nm光刻投影物镜高精度的单镜面形,设计了一种运动学单镜支撑结构。运用有限元法(FEM)分析光刻投影物镜单镜运动学支撑结构在重力下物镜镜片的面形变化量,经分析物镜镜片的峰值(PV)值为15.46nm,均方根(RMS)误差为3.62nm。为了验证有限元计算精度,建立了可去除参考面面形及被测面原始面形的方法。经过分析对比,仿真结果与实验结果面形的PV值为2.356nm,RMS误差为0.357nm。研究结果表明,所设计的基于运动学193nm光刻投影物镜单镜支撑结构能够满足193nm光刻投影物镜系统对于物镜机械支撑结构的要求。     

基于面形检测的光学元件多层膜均匀性测量

为了测量光学元件多层膜膜厚均匀性指标,基于面形检测对多层膜均匀性测量方法进行了研究。分析了均匀性的测量过程以及影响因素,评估了元件面形检测复现性对测量结果的影响,建立了多层膜结构的有限元模型,计算分析膜层内应力对基底面形带来的影响。基于高复现性面形检测装置进行了测量方法的实验验证工作,实验结果表明:元件面形测量口径范围内膜厚分布均匀性优于0.1 nm[均方根(RMS)值];将测试结果转化为沿径向的轮廓分布结果,与基于反射率计的膜厚检测数据进行了对比,表明两种方法测试数据基本吻合,验证了基于面形检测方法评估光学元件多层膜均匀性的可行性。     

高复现性面形检测支撑装置研制

为提高面形检测的复现性,研制了一套检测支撑装置,配合高重复性干涉仪实现高复现性的面形检测,对该装置的复现性效果进行了仿真计算和实验验证。利用ANSYS软件仿真分析确定了各向干扰力对面形的影响,同时推导确定不同支撑方案所能实现的复现性。仿真分析结果表明,检测支撑方案最高能够实现均方根(RMS)误差优于30 pm的面形复现性结果。确定了最终检测支撑装置的结构形式,并在高重复性干涉仪上进行了面形复现性测试,测试结果表明,由检测支撑装置引起的面形复现性指标RMS优于70 pm,满足RMS为0.1 nm的复现性设计指标要求。     

单反式光端机反射镜柔性支撑参数化设计与试验

为保证单反式光端机指向捕获跟踪(Pointing, acquisition and tracking, PAT)时反射镜在恶劣空间环境下的面形精度,设计了一种底面开槽的柔性支撑结构。由于柔性支撑结构参数较多,为避免各参数之间严重耦合,采用正交优化方法对柔性支撑结构进行参数优化设计,再利用有限元方法对反射镜组件进行热力学特性分析。仿真分析结果表明,反射镜组件一阶频率为352.61 Hz,在1g重力和10℃温升(温降)共同作用下的最大面形误差RMS为λ/54.79(λ=623.8 nm),能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。使用ZYGO干涉仪在(20±10)℃温度范围内对反射镜面形进行检测,结果表明,反射镜面形PV值优于λ/6,RMS优于λ/43,满足RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明,柔性支撑参数设计可靠,满足使用要求。     

膜基反射镜面形控制系统设计与实现

膜基反射镜的面形控制是研制膜基反射镜的关键技术之一.设计了一种基于模糊逻辑控制技术的膜基反射镜面形控制系统,包括面形设计、面形控制、面形分析和面形控制仿真等功能模块.采用Visual C#和MATLAB混合编程来实现系统功能,并在仿真系统中嵌入了ANSYS有限元分析功能.采用控制反射镜中心截面矢高的方法设计控制器,利用Zernike多项式拟合得到膜基反射镜的面形及其像差.对口径为300 mm、F15的膜基反射镜进行了面形控制和扰动响应仿真分析,最终得到面形误差RMS值为71λ(λ=632.8 nm),在相同条件下,该结果与根据薄膜大扰度形变理论得到的面形误差结果相一致.     

单屏相位测量偏折术中的透明层折射误差补偿

相位测量偏折术（PMD）面形检测中常使用液晶显示屏（LCD）作为投影设备。由于LCD的多层透明结构会对条纹投影光路产生折射而导致投影条纹位置偏离，继而影响最终检测精度，因此需要对这种误差进行点对点的校正。本文将LCD的多层透明结构简化建模为一个整体的等效透明层，建立相应的PMD模型进行透明层的误差分析和补偿。将补偿算法应用到PMD中测量标准平面镜及球面镜，与未进行补偿的情况相比，测量面形均方根误差（RMS）均减少了20%～40%。该补偿方法能显著减小单屏PMD中由LCD透明层折射效应带来的误差，补偿后的面形RMS有显著减小，检测结果更接近于实际面形误差。     

大口径精密光学元件低应力支撑结构研究

为了实现倾斜安装放置状态的大口径精密光学元件低应力支撑结构分析设计,采用有限元分析方法,对45°倾斜角安装放置的精密光学透镜在自重作用下的镜面面形进行了研究。首先,建立了光学透镜不同胶结结构的有限元模型,从镜面对角线横截面自重变形及镜面面形的波面误差两方面,分析了两种胶结分布方式及不同胶点大小对镜面面形的影响。然后,在胶结结构基础上,建立了不同镜框支撑结构有限元模型,从镜面面形的波面误差方面,分析了支撑力分布方式对镜面面形的影响。最后,设计了胶结及镜框支撑的低应力支撑结构。分析结果表明,采用胶点直径为30 mm,矩形分布形式胶结,侧面均匀方式支撑镜框时,镜面面形的波面误差PV值为16.608 nm,RMS值为7.9385 nm,满足瑞利判据的要求,验证了支撑结构的合理性。