高精度干涉仪镜头支撑结构的光机集成分析

　　0 引 言

　　近几年来，随着国内大型光学项目的开展，对光学元件的面型精度提出了更高的要求，这也相应的对检测精度的提高提出了要求。特别是极紫外 (EUV)光刻技术的发展，对光学表面提出了达到均方根(RMS)值为 0.1 nm 的面形要求，随之而来的是，检测设备的精度要求需要高于 0.1 nm[1]。光学仪器的特殊要求和特定任务，决定了光学仪器必须在检测环境下具有可靠地光学性能，为了提高干涉仪检测精度，最大限度减小由镜头机械结构本 身变形引起镜头光学元件表面面形发生变化从而导致系统光学性能的下降，因此，分析实验环境下镜头的光学表面变形是很有必要的。

　　镜面表面的变形引起了系统光学性能的降低，因此，可以用光机系统光学性能降低的程度来评价镜面表面变形。众所周知，光滑和连续的波面可以用一个 完备的基底函数或一个线性无关的基底函数的线性组合来表示，而 Zernike 多项式由于具有互为正交、线性无关以及与 Seidel 像差的对应关系等特性，目前被广泛地用来表示波前[2]。

　　本文结合项目高精度镜头的像质要求，分析了口径Φ50 mm 的一组高精度干涉仪共焦标准镜头在平放时镜头由重力、支撑结构所导致的面形变化，为高精度干涉仪的研制提供参考。

　　1 高精度干涉仪镜头光机集成分析

　　本文以高精度干涉仪镜头为例，应用光机集成分析方法[3-7]，以 Zernike 多项式为接口工具将结构和光分析程序集成一体，应用各种分析软件对镜面变形进行分析，实现光机系统在外载荷作用下的光学性能评估。集成分析法包括结构和光 的分析。集成分析首先进行各功能模块软件的独自分析，再进行数据传输、交换，最后进行集成分析。图1 为本文分析采用的技术路线图。

　　首先，由光学设计给出的尺寸建立结构 Solidworks 模型。然后建立结构分析有限元模型, 计算出镜头由重力和支撑结构所导致的镜面的变形量。并以多项式为接口工具对镜面位移进行拟合[8]，将拟合系数代入光学设计(ZEMAX)程序，得到变形 后光学系统模型，对其进行像质评价。期间，要经过多次的反复修改和结构的优化，最终，整个设计分析形成一个闭环的反馈，从而实现了高精度干涉仪镜头的光机 集成分析研究。

　　2 高精度干涉仪共焦标准镜头光学系统

　　本文研究的对象为一组高精度干涉仪共焦标准镜头，系统由 ZF7、ZK10 和 K9 组成的四片式结构，其结构如图2 所示。本文设计的镜头指标为：入瞳直径 50 mm;像方视场大于±10 s，波长范围(633±0.3) nm，PV< λ/50，λ = 632.8 nm。光学元件材料 ZF7，K9，ZK10，镜筒材料为殷钢，设计完成后光学系统达到的像质指标见图3。