摘要
為了實現光學玻璃折射率均勻性的高精度（０．２×１０－６）檢測，測量環(huán)境溫度引入的測量不確定度應小于０．０５×１０－６。對測量過程中溫度引入的不確定度進行了詳細分析，總結了溫度引起的５種誤差源，對各種誤差源進行了不確定度分析。結果表明，當測量腔中空氣、貼置板、折射率液及被測件的徑向溫差不超過±０．０１℃時，溫度引起的測量不確定度為０．０３１×１０－６，滿足精度要求。為實驗室環(huán)境的改造提出了建議，并為高精度玻璃折射率、均勻性測量提供了分析數據。
１ 引 言
光學玻璃的折射率均勻性是光學材料的重要參數之一，它的大小直接影響著系統(tǒng)的成像質量，因此，在精密光學儀器（如光刻鏡頭）的研制過程中，必須對所用的光學玻璃材料檢測折射率均勻性。目前在中國科學院光電技術研究所承擔的項目中使用的光學材料，其折射率均勻性檢測的精度要求達到０．２×１０－６。傳統(tǒng)的折射率均勻性檢測方法，如平行光管法等，測量精度均無法達到要求。貼置板法和單件干涉法的測量精度通常可以達到０．５×１０－６，但單件干涉法要求被測件必須經過精拋光處理［１～３］，其面形精度要求高，不能滿足批量快速檢測的需求。項目的檢測對象是毛坯玻璃，只能采用貼置板法。要將此方法的精度進一步提高，必須考慮溫度變化給檢測帶來的誤差。本文結合項目的需求，分析了溫度變化對折射率均勻性測量的影響。
２ 折射率均勻性測量原理
光學玻璃折射率均勻性是指同一塊光學玻璃內部折射率的一致性，通常用其內部折射率的最大差值表示。貼置板法檢測折射率均勻性原理如圖１所示。第一步，將兩貼置板用折射率液粘合，放置在干涉儀測量腔中，進行透射檢測，得出檢測結果ｗ１；第二步，將被測件夾在貼置板之間，接觸面用折射率液粘合，得到干涉儀檢測結果ｗ２，由被測件折射率不均勻性帶來的波相差為ｗ２－ｗ１。
假設貼置板１的前后表面面形誤差分別為Ｔ１，Ｔ２，折射率為ｎ１，折射率均勻性分布為Δｎ１，厚度為Ｌ１；貼置板２的前后表面面形誤差為Ｔ３，Ｔ４，折射率為ｎ２，折射率均勻性分布為Δｎ２，厚度為Ｌ２；被測件的前后表面形誤差為Ｓ１，Ｓ２，折射率為ｎ３，折射率均勻性分布為Δｎ３，厚度為Ｌ３；折射率液的折射率為ｎ４。
當測量腔中溫度均勻分布時，有ｗ１?＝Ｔ１＋Ｔ２（ｎ１－ｎ４）＋Δｎ１Ｌ１＋Ｔ３＋Ｔ４（ｎ４－ｎ１）＋Δｎ２Ｌ２，（１）ｗ２＝Ｔ１＋Ｔ２（ｎ１－ｎ４）＋Δｎ１Ｌ１＋Ｔ３＋Ｔ４（ｎ４－ｎ１）＋Δｎ２Ｌ２＋Ｓ１（ｎ４－ｎ３）＋Ｓ２（ｎ３－ｎ４）＋Δｎ３L???????３．?????????????（２）
（２）式減去（１）式得??????ｗ２－ｗ１?＝Δｎ３Ｌ３＋Ｓ２（ｎ３－ｎ４）－Ｓ１（ｎ３－n ４）． ? ? （３）
由以上推導可以看出，貼置板的面形誤差、貼置板材料的折射率均勻性以及貼置板與折射率液的折射率匹配所帶來的誤差，經過兩步測量相減后全部抵消，當折射率液與被測件折射率完全匹配，即ｎ３＝ｎ４時，Δｎ３?＝?（ｗ１－ｗ２）／Ｌ３．?（４）
利用（４）式可以精確地求出被測件的折射率均勻性分布Δｎ３。當測量腔中存在溫度差時，不僅導致了折射率ｎ１、ｎ２、ｎ３的不均勻分布，還將使貼置板和被測件的面形發(fā)生變化，從而引入波相差，為測量帶來誤差。通過以上分析可以總結出，影響該測量方法精度的因素有以下幾個：１）干涉儀的測量精度；２）折射率液與被測件的折射率匹配程度；３）被測件厚度；４）實驗環(huán)境影響（主要為溫度）。
折射率均勻性檢測的精度要達到０．２×１０－６，必須綜合考慮以上４個因素的影響。以光刻投影曝光鏡頭常用到的光學材料為檢測對象，在對以上４個誤差源進行分析計算后，得出對于厚度為５０ｍｍ的被測件，溫度所帶來的不確定度［均方根（ＲＭＳ）值］不大于０．０５×１０－６。
３ 溫度對折射率均勻性檢測的影響
高精度折射率均勻性測量通常在恒溫環(huán)境下進行，而恒溫環(huán)境往往存在溫控誤差及溫度均勻性誤差。測量光路中溫度整體變化或軸向（ｚ軸方向）溫差將引起空氣、貼置板、折射率液及被測件折射率的ｘ－ｙ?平面內的整體變化，不影響測量結果ｗ１，ｗ２；而ｘ－ｙ?平面內的溫度不均勻性，使空氣、貼置板、折射率液及被測件的折射率在ｘ－ｙ?切面內變化不一致，從而影響ｗ１，ｗ２的測量結果。除此之外，溫度發(fā)生變化，還將導致被測件與貼置板發(fā)生熱變形。熱變形是指當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，鏡子內部也產生溫度變化，由于玻璃的熱傳導系數較小，熱交換不均勻，致使鏡子內部產生熱應力，導致不均勻熱膨脹，使鏡面變形［４～６］。熱變形直接導致被測件和貼置板的面形變化，由于時間原因兩步測量的溫度分布不可能一致，由此帶來的貼置板的面形誤差就不能互相抵消，從而帶來測量誤差。
在測量環(huán)境中，測量腔用獨立密封的罩子與實驗室環(huán)境隔離開，因此，氣流擾動的影響很小，垂直（或水平）溫差幾乎可以忽略。受干涉儀光源的影響，測量腔中最容易出現徑向溫差（中心溫度高于邊緣溫度）。實際測量前，各部件在測量腔中穩(wěn)定幾小時，可以認為貼置板、被測件和折射率液內部與測量腔的溫度分布一致。下面以某投影光刻鏡頭所用材料作為檢測對象，對測量腔中徑向溫度場帶來的測量不確定度進行定量分析。
