角数条太第45卷第3期■专题综述 D0L:10.3969/.issn.0253-9608.2023.03.002 超精密平面光学元件检测技术 周永昊0，常林②，何婷婷0，于瀛洁 ①上海大学机电工程与自动化学院，精密机械工程系，上海200444：②湖州师范学院工学院，浙江湖州313000 摘要超精密光学元件是决定高端装备性能的核心元件，在大科学装置、精密仪器等领域中被广泛应用。对光学元件进行高 精度检测是保证元件质量的重要途径。光学检测技术因具有非破坏性、高精度而成为光学元件检测的有效技术。首先，对超 精密光学元件主要检测技术进行了综述，重点介绍技术原理、研究现状和应用瓶颈：其次，针对光学检测技术中的相位解调 问题，以波长移相测量技术为例，结合超精密平面光学元件检测，概述了相位解调算法的原理与实现过程，并对其性能进行 综合评估；最后，展望光学元件检测技术的未来发展趋势。 关键词超精密平面光学元件；光学干涉测量：波长移相：相位解调 超精密光学元件是决定先进制造领域高端 度、非接触、实时性、高灵敏度等特点被广泛应 装备性能的核心部件，光学元件检测技术与仪器 用于航空航天、集成电路芯片、天文观测、医疗 装备是实现高质量光学元件制造的重要保证。目 器械、光学引导头等先进制造领域-0。例如， 前，我国在超精密光学元件检测技术与仪器方面 我国神光高功率固体激光装置及美国国家点火设 相较于国际前沿水平还存在一定差距，国内超精 施光学系统中使用的光学平行平板，要求元件各 密光学元件检测仪器主要依赖于进口。在精密检 表面具有高质量的形貌分布和平行度，因此，平 测领域比较著名的国外厂商有ZYGO、QED等公 面光学元件表面的高精度检测对量化和检验平 司。然而国外在一些关键技术或仪器方面对我国 行平板的光学性能具有重要意义。此外，作为 实施了禁运，因此超精密光学元件检测技术的自 集成电路工艺控制和良率管理的关键环节，高 主可控正是解决我国高端装备制造所面临“卡脖 精度检测技术始终贯穿整个制造过程。其中， 子”技术的重要环节，是实现诸多大科学装置、 前道工艺量测包括对形成的各种晶圆与硅片薄 高端装备应用的必由之路山。 膜厚度进行监控，是降低生产成本、提高产品 精密平面光学元件具有高平行度、高形貌精 良率的重要环节，对芯片的高质量制造起着至 度和材料均匀一致性等加工要求，其厚度分布与形 关重要的作用231。光学千涉测量技术作为一 貌参数是影响各种工业器件性能的重要特征2-4。 种重要的光学检测技术，通过将待测信息转换 然而，在其制备和加工过程中，材料自身缺陷、 为相位信息对测量参数进行间接求解。相较于 工艺参数不稳定及外界干扰等因素导致成型元 接触式轮廓测量仪，该技术能够实现高精度无 件的内部或表面存在缺陷，使元件质量不能满 损测量，被公认为检测光学元件参数最准确和 足应用要求。因此，必须采用高精度检测手段以 最有效的非接触式测量方法之一。在传统干涉 保证光学元件制造质量。光学检测技术因其高精 技术中，人工采用标注序号的计数方式直接判 *国家重点研发计划项目课题(2016YFF0101905) t通信作者，研究方向：精密光学检测技术及仪器。E-mail:yingjieyu@staff.shu.edu.cn 157■157 Chinese Journal of Nature Vol. 45 No. 3 REVIEW ARTICLE 第 45 卷第 3 期 ■专题综述 超精密光学元件是决定先进制造领域高端 装备性能的核心部件，光学元件检测技术与仪器 装备是实现高质量光学元件制造的重要保证。目 前，我国在超精密光学元件检测技术与仪器方面 相较于国际前沿水平还存在一定差距，国内超精 密光学元件检测仪器主要依赖于进口。在精密检 测领域比较著名的国外厂商有ZYGO、QED等公 司。然而国外在一些关键技术或仪器方面对我国 实施了禁运，因此超精密光学元件检测技术的自 主可控正是解决我国高端装备制造所面临“卡脖 子”技术的重要环节，是实现诸多大科学装置、 高端装备应用的必由之路[1]。 精密平面光学元件具有高平行度、高形貌精 度和材料均匀一致性等加工要求，其厚度分布与形 貌参数是影响各种工业器件性能的重要特征[2-4]。 然而，在其制备和加工过程中，材料自身缺陷、 工艺参数不稳定及外界干扰等因素导致成型元 件的内部或表面存在缺陷，使元件质量不能满 足应用要求。因此，必须采用高精度检测手段以 保证光学元件制造质量。光学检测技术因其高精 度、非接触、实时性、高灵敏度等特点被广泛应 用于航空航天、集成电路芯片、天文观测、医疗 器械、光学引导头等先进制造领域[5-10]。例如， 我国神光高功率固体激光装置及美国国家点火设 施光学系统中使用的光学平行平板，要求元件各 表面具有高质量的形貌分布和平行度，因此，平 面光学元件表面的高精度检测对量化和检验平 行平板的光学性能具有重要意义[11]。此外，作为 集成电路工艺控制和良率管理的关键环节，高 精度检测技术始终贯穿整个制造过程。其中， 前道工艺量测包括对形成的各种晶圆与硅片薄 膜厚度进行监控，是降低生产成本、提高产品 良率的重要环节，对芯片的高质量制造起着至 关重要的作用[12-13]。光学干涉测量技术作为一 种重要的光学检测技术，通过将待测信息转换 为相位信息对测量参数进行间接求解。相较于 接触式轮廓测量仪，该技术能够实现高精度无 损测量，被公认为检测光学元件参数最准确和 最有效的非接触式测量方法之一。在传统干涉 技术中，人工采用标注序号的计数方式直接判 *国家重点研发计划项目课题(2016YFF0101905) †通信作者，研究方向：精密光学检测技术及仪器。E-mail: yingjieyu@staff.shu.edu.cn DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2023.03.002 超精密平面光学元件检测技术* 周永昊①，常林②，何婷婷①，于瀛洁①† ①上海大学 机电工程与自动化学院，精密机械工程系，上海 200444； ②湖州师范学院 工学院，浙江 湖州 313000 摘要 超精密光学元件是决定高端装备性能的核心元件，在大科学装置、精密仪器等领域中被广泛应用。对光学元件进行高 精度检测是保证元件质量的重要途径。光学检测技术因具有非破坏性、高精度而成为光学元件检测的有效技术。首先，对超 精密光学元件主要检测技术进行了综述，重点介绍技术原理、研究现状和应用瓶颈；其次，针对光学检测技术中的相位解调 问题，以波长移相测量技术为例，结合超精密平面光学元件检测，概述了相位解调算法的原理与实现过程，并对其性能进行 综合评估；最后，展望光学元件检测技术的未来发展趋势。 关键词 超精密平面光学元件；光学干涉测量；波长移相；相位解调