干涉仪透射球面镜的选择

Zygo透射球面选择介绍Zygo公司的GPI干涉仪(包括MARK/PTI)的一个典型应用就是检测球面表面。将被测凹面或凸面样品曲面中心与透射球面的焦点重合放置，我们就可以检测样品的表面面形及不规则性。下文将主要介绍如何在球面测量中选择透射球面。什么是透射球面？透射球面是用于将自主机输出的平行波前转变为球形波前，同时也用于将激光分离为参考光束和测量光束两部分。Zygo的透射球面可以安装在主机的附件调整架上，也可以安装在位于平行输出光束中，远离主机的辅助调整架中。每个透射球面的最后一个球面称为“主表面”，一般是指一个消球差的表面。参考波前的质量就取决于主表面的质量。主表面大约将4%的激光反射回主机，形成参考波前。余下的激光，以高质量球面波前的形式，是作为测量波前。如图1所示，测量波前在透射球面前焦点汇聚后，然后发散。光束中汇聚和发散的两部分可以看作一个有有限曲率半径的汇聚球面波前和一个由无限曲率半径的发散球面波前。透射球面是一组透镜，可以用传统的术语描述。透镜最重要一个参数就是它的相关孔径，或称为速度。它是指焦距和输入光瞳的比例，通常表示为f/number。如果一个透镜的焦距是8英寸（200mm）,入射光瞳是4英寸（100mm），那么这就是一个f/2的透镜。如图2所示，一个f/1的透镜相比图1f/2的透镜有更大的相关孔径（两倍），更快的速度。f/1比f/2更快。相关孔径或f/No.实际上描述的是透镜以其焦点为顶点的光锥的张角。一个“窄”的光锥传统上是指一个“慢”透镜，一个“宽”光锥是指一个“快”透镜。这些用于透镜和镜头的传统术语是我们比较熟悉的。为了使大范围变化曲率半径地凸面或凹面透镜都可以测量，我们就需要f/No.同样有很大变化范围的透射球面。下文中我们将解释原因。Zygo的标准附件提供各种各样孔径和f/No.的透射球面。您当然也可以向Zygo就特殊参数的透射球面提出订货。描述被测样品的表面：虽然f/No.描述透镜产生的光锥是很方便的。但是对于描述凸面和凹面的“速度”时，就不是那么方便了。因此，使用到R/No.这个参数。R/No.类似于f/No.，它是用曲率半径除以球面的净孔径，如图3所示。因此，f/No.和R/No.如果数值相同的话（如f/2和R/2），就描述的是速度相等的光锥。测量方案：在测量球面时，需要样品放置在光束中。并使它的曲面中心与透射球面的焦点精确重合。这样做的结果就是将样品与一个已知半径的波前重合。凹面样品应该放置在光束发散部分测试（图4），凸面样品则放在测量光束的汇聚部分测量。（图5）测量光束从样品表面反射，经过透射球面回到GPI主机与参考波面发生干涉形成干涉条纹。实际限制：为了测量到整个表面，透射球面的光锥必须足够“快”，可以覆盖（取样）测量区域。换句话说，透射球面的f/No.必须等于或“快”（小）于样品被测面的R/No.。如果f/No.“慢”（大）于R/No.，那么仅样品的一部分能测量（图6）。R/No.与f/No.的比例描述了表面尺寸的多大范围可被测量，比如说，对于f/2和R/1，那么有50%的范围可测量。相反，如果f/No.比R/No.更“快”（大），那透射球面就可以“覆盖”被测表面（图7）。这会使在干涉仪监视器上的样品表面图像比f/No.与R/No.一样大时监视器上的样品图像小。此时图像与f/No.=R/No.时图像缩小的百分比可以通过f/No.和R/No.的比例计算得出。例如：在f/5和R/6情况下，干涉图将是全范围的83.3%。当然，如果干涉仪装备有缩放功能，比如GPI-XP及Mark干涉仪的6倍缩放功能，那83.3%的干涉图就可以放大到全范围。缩放功能在f/No.与R/No.不匹配时是非常重要的，它可以补偿干涉图大小，但只在f/No.小于（快于）R/No时有效。6倍缩放可以将R/No.6倍于f/No.的被测样品表面的干涉图补偿至全范围。比如说，使用6倍缩放功能。R/12的表面可以在使用f/2的透射球面测量时，使监视器上干涉图保持全范围充满CCD状态。由于多数情况下，全范围干涉图缩小50%是可以接受的，所以最大R/24的表面也可以测量。从覆盖范围的角度出发，只有在测量那些特别“快”或特别“慢”范围的表面时，才会使用那些必要的特殊透射球面。再次参看图1，注意在使用合适的f/No.的透射球面后，对于被测凹面，在直径，孔径或R/No.上都没有限制。不幸的是，在测量凸面时情况不会这么简单，因为被测样品的曲率半径必须小于透射球面到其焦点的距离。这个距离是透射球面的主表面的曲率半径，对于同样孔径大小的透射球面，随着f/No.越来越慢(大)，曲率半径将增加，如果所测凸面样品的曲率半径仍超出这个调节范围，那么就必须更换更大口径的透射球面。（比如说6英寸系列），来提高可测样品曲率半径范围而不减小覆盖范围。在图8中，虽然透射球面的f/No.稍比凸面样品的R/No.“快”（小）一点，但以此透射球面测试样品就完全不可能，因为样品表面的曲率半径大于透射球面的曲率半径。图9演示了在使用同样f/No.但更大孔径的透射球面的摄制。此时样品表面的曲率中心就可以放置在透射球面的焦点上，这使样品表面测量成为可能。图10演示了使用图8同样孔径系列，但使用更长焦距的透射球面的设置。这样也可以用于大曲率半径的样品。此时，透射球面的f/No.要“慢”（大）于样品被测表面的R/No.，但是同时也不能测量样品被测面的全部区域。在某些情况下，我们必须接受非全范围取样的方案来测量那些大曲率半径而且又非常“快”的表面。凸面样品测量设置决定了为什么需要多种规格的透射球面。在测量凸面样品时，相比凹面测量，会有诸多的限制因素。表1提供了所有已有透射球面的焦点距离。有关全范围的覆盖百分比的算法与前文所述凹面样品一样。综上所述，已经概述了在通常测量环境中的重要设置，读者或许可以跳过下一段，直接参阅实践帮助，尝试一些实例。标准系列：透射球面有不同的孔径，如4英寸和6英寸，在这些孔径下有不同的f/No.每个透射球面都放置在一个专用保护储放盒中。在净孔径下，最大的系统误差是λ/10（λ=632。8nm）。您甚至可以订购更高质量的透射球面。在大多数应用中，4英寸的透射球面f/No.从0.75直至11的选择范围，为测量凹面和凸面提供了足够的灵活性。此外，我们可以为您的特殊目的的测试设计专用的透射球面。在表1中提供了每个透射球面最大可适用的凸面样品的尺寸和曲率半径。R1的值就是透射球面主表面的实际曲率半径。如果凸面的孔径小于D1，那么最大可测量的曲率半径就是R1。如果凸面的孔径大于D1，那么最大可以测量的曲率半径为R2。在测量某些高反射率的表面时，必须使用衰减器，此时相应可以测量的最大凸面曲率半径为R3(因为必须有放置衰减器的空间)。输入孔径输出f/No.R1D1R2R34英寸0.6538.24mm51.0mm36mm10mm4英寸0.7548.24mm60.9mm44mm10mm4英寸1.5121.21mm80.9mm115mm101mm4英寸3.3298.03mm97.5mm272mm263mm4英寸7.2681.70mm97.5mm676mm670mm4英寸11.01043.0mm97.5mm1016mm1011mm6英寸.7780.00mm104.0mm78.mm43mm6英寸1.11043.00mm117.0mm121mm95mm6英寸2.2298.03mm136.1mm281mm265mm6英寸3.2475.82mm144.0mm454mm442mm6英寸5.3776.44mm144.5mm473mm734mm6英寸7.21039.25mm144.5mm1005mm996mm特殊汇聚发散系列:一个发散的透射球面的测量波前是发散的，它有一个虚焦点，一半用于测量大曲率半径范围的凹球面。（图11）被测表面的曲率半径必须大于等于透射球面的曲率半径，以满足透射球面的焦点与样品被测面中心重合的测量条件。因为这一系列的透射球面主平面曲率半径都大于1米，这使在测量很多样品时，测量光路会大大短于1米，而不象原来那么长。大曲率半径汇聚球面可以产生一个汇聚波面用于测量大曲率半径凸面。每个这样的透射球面都有一个实焦点，因而被测表面的曲率半径因该小于或等于汇聚透射球面的曲率半径。特殊大曲率半径汇聚发散系列透射球面，及其相关数据见表2。曲率半径（mm）尺寸输出f/No.最大（或更短）最小（或更长）4英寸f/15发散-1500凹面4英寸f/15汇聚+1500凸面4英寸f/25发散-2500凹面4英寸f/25汇聚+2500凸面4英寸f/35发散-3500凹面4英寸f/35汇聚+3500凸面4英寸f/45发散-4500凹面4英寸f/45汇聚+4500凸面4英寸f/80发散-8000凹面4英寸f/80汇聚+8000凸面实践帮助：在订购干涉仪时，我们就应该确认所需最适合的透射球面，以便测量更大参数范围的样品表面。以下是经过多年实践经验总结的实际原则。如果您面临如何选择最合适的透射球面的问题，我们建议您填写本文后所附的表格。您可以参考示例，注意前6列构成了您所需测样品表面的相关信息。没有这些信息，您就不能为您的测量应用选择合适的透射球面。它们是：样品部分编号，直径（净孔径），曲率半径，表面R/No.（曲率半径除以直径）以及凹面还是凸面。在下面几列中，选择f/No.等于或快于（小于）被测面R/No.的透射球面，这样可以确保完全检测样品表面。象示例那样将结果填入表格，并在附录中说明。实际上，一个凹面或凸面可以用很多型号的透射球面测量，尤其是具有6倍缩放功能时。每个透射球面的R1都列在表中，以避免在凸面测量时忽视曲率半径的限制。当您完成相关数据时，重新观察结果就可以轻松得出透射球面选择的最佳方案。在图例中，一个6英寸F/1.1的透射球面适用于所有表面的测量。因为使用4英寸系列要经济的多，因而最好的是使用4英寸f/1.5的透射球面，当然也应该考虑到，在两个样品表面测量中，没有完全覆盖样品。可以使用4英寸f/0.75加上4英寸f/1.5，除了一个样品表面提供97%覆盖率以外，其余都可以完全覆盖。如果您已经仔细阅读了本文，我们衷心希望它将有助于您选择合适的透射球面。最后，如果您需要帮助，或需要协助完成您的表格，您可以和Zygo的工程师联系，他们将非常乐于帮助您。已填好的表格示例4英寸6英寸被测表面的相关参数R1{mm}38.2448.24121.21298.03681.701043.3080.00123.26298.03475.82776.441039.25编号直径曲率半径R/No.CCCXF/No..65.751.53.37.211.771.12.23.25.37.21-1501002＋＋＋60＋＋911-250781.6＋！＋48＋＋＋＋＋＋7-1221004.6＋！＋＋64！＋＋＋＋＋7-222642.9＋＋＋88＋＋＋919-140451.1＋＋73＋＋509-2402005＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋9416-162901.45＋16-2622403.9＋17-17411816＋17-2741782.4＋附录：“！”表示凸面样品的曲率半径太大，不适用于此测量腔。“+”表示表面可以完全测量。“73”表示当透射球面慢于R/No.时，可以测量的区域的百分比。{2.4÷3.3=73%}表格4英寸6英寸被测表面的相关参数R1{mm}38.2448.24121.21298.03681.701043.3080.00123.26298.03475.82776.441039.25编号直径曲率半径R/No.CCCXF/No..65.751.53.37.211.771.12.23.25.37.2