撰稿人：罗聪
论文题目：基于双PD采样的涡旋光干涉位移快速测量方法研究（特邀）
作者：罗聪1，袁群1*，丁辰1，马燚岑1，侯湘楠1，杨文卓1，高志山1，郭珍艳1，徐尧2
完成单位：
1.南京理工大学电子工程与光电技术学院
2.江苏曙光光电有限公司
导读
精密位移测量技术是高端装备制造的核心技术，在半导体产业晶圆制造、集成电路生产及封装测试等核心环节中，均需依赖高精度和稳定性的位移测量技术，以满足精密加工和制造领域的标准要求。光学测量方法因其非接触性而广泛应用于精密位移测量，其中激光干涉测量技术因其高精度、高灵敏度、非接触以及大测量范围等优点，在精密位移测量中发挥重要作用，应用于众多领域。根据频率不同，可分为单频和双频激光干涉仪，以双频激光干涉为典型的测量技术，光路结构相对复杂，需要精确控制和处理两种不同频率的激光，增加了系统的成本和制造难度。本文介绍的涡旋光束是一种具有特殊相位结构的光束，具有螺旋形的相位波前及轨道角动量，使得光束在传播过程中呈现出旋转的特性。仅需在光路中增加一个产生涡旋光的光学元件并解调丰富的螺旋相位信息便可获得高精度的光学参数结果。因此，研究基于涡旋光束的位移测量技术，简化光路且保证测量的精度与效率，对促进半导体制造业的持续发展具有重要的科学意义与实用价值。
图1 不同拓扑荷数涡旋光束的光强分布及螺旋相位图
研究背景
基于涡旋光束的激光干涉位移测量技术是指用涡旋光与平面波、球面波及涡旋光干涉，通过对干涉图案进行解调获得高精度位移结果。涡旋光束利用其自由度和螺旋相位信息，在不需要对干涉光路进行过多修改的情况下，提高了测量精度和鲁棒性。因此，基于涡旋光束的激光干涉测量已成为最有效的优化策略之一。
图2 (a) 传统干涉测量系统 (b) 涡旋光束干涉测量系统
与传统干涉测量技术相比，基于涡旋光束的激光干涉测量方法具有若干显著优势：
（i）该技术能够通过直接观测涡旋光束产生的干涉图样，实时可视化亚波长尺度的干涉变换，避免了繁琐的后处理计算。这有助于提升依赖直接模式分析的测量分辨率。
（ii）相比于平面波，涡旋光束具备多自由度，这使其在相位噪声及环境震动的抑制方面更为有效，从而增强系统的鲁棒性。
（iii）该技术具备良好的兼容性与可扩展性，能够与现有的传统激光干涉测量系统相结合，以实现设备性能的提升和功能的扩展。
虽然在干涉仪中引入涡旋光带来了丰富的相位信息，提升了激光干涉位移测量的精度及测量范围，但受限于面阵探测器帧率，面阵探测器帧率通常为百帧，最快速度仅为25.15 μm/s。因此，在确保高精度与大测量范围的前提下，优化涡旋光干涉位移测量技术以提升测量速度，进而提高整体测量效率具有重要意义
主要内容
将原有的面阵探测器替换为高速的点式光电探测器（Photodetector, PD），其帧率通常可达到兆赫兹。然而，由于PD的结构特性，仅能进行点式探测，从而只能获取干涉图案的局部信号。为了实现干涉图案与PD之间的关联，首先需要从涡旋光干涉位移测量原理出发，建立涡旋光花瓣形干涉图案与PD的数量、尺寸以及几何布局的关联关系。
图3 (a) 干涉原理；(b) PD几何布局
图3(a)中测试镜M移动时，整个光路光程的变化表现为干涉图案花瓣的旋转。此时PD采集的信号是与靶面尺寸一致的光强信号，该信号既包含随光程变化（即位移变化）的时间调制，也包含由空间方位角分布引起的初相位调制。由于相位是位移的函数，从信号求解角度出发，至少需要两路干涉信号才能解算待测相位。为简化光路并减少光学元件自身影响，采用两个光电探测器接收信号。根据空间方位角与初相位的关系，在干涉图上选取初始相位差为π/2的两个点（如图3(b)所示），此时两个PD采集的信号即为两路正交信号。对这两路信号进行滤波、去直流及归一化处理后，通过反正切函数计算得到包裹相位（位于-π与π之间）。为获得实际相位值，需对包裹相位进行解包裹处理，最终将位移变化转化为相位变化进行测量。
图4 实验光路
据此采用改进的马赫-曾德尔干涉仪结构，并结合涡旋光与平面波的干涉模型，设计并搭建出一个高效率、高精度的精密位移测量系统。通过调节右旋圆偏振片来保证两臂光强接近，提高干涉图的对比度。同时对PD靶面大小不同及空间布局偏移带来的误差进行了仿真分析，并提出了一种三角函数校正算法进行误差校正，校正前后相对误差分别为1.5%与0.2%。由此可得，所提出的校正算法能够有效地纠正非正交信号，从而提升该精密位移测量方案的准确性。
分别对系统的测量精度和大范围位移测量能力进行评估。使用PZT、数据采集卡及采集卡配套软件对采集信号进行分析处理，该设备将采集到的模拟信号转化为数字信号并传输至计算机软件进行分析处理。在标准位移50 μm下，得到纳米级测量精度。将PZT替换为数十毫米级行程的电机，搭配数据采集卡及PD对大范围位移测量能力进行评估，在不同速度下进行多次重复性实验，测量重复性误差为微米级，重复性结果鲁棒性较好，进一步验证了大范围位移快速测量的可靠性。
图5 不同速度下重复性实验结果
结论
本文基于涡旋光与平面波干涉图案的高灵敏度、高分辨率及均匀对称性，改进了马赫-曾德尔干涉仪的光路结构，采用高速光电探测器替代传统面阵探测器，在保证测量精度的前提下显著提升了测量效率。该方案在毫米级量程下实现了2.6 mm/s的测量速率，能够有效完成快速位移测量。系统具有结构简单、抗干扰能力强等优势，展现出良好的普适性。值得注意的是，本文采用的采集卡与PD组合可实现316.5 mm/s的极限位移测量速率，结合激光超过100米的相干长度优势，使该方法具备毫米级以上测量速率和米级以上测量范围的双重性能。
团队及作者介绍
南京理工大学先进光学设计与精密光学测试团队依托光学工程A类学科，由高志山教授和袁群教授领衔，在复杂系统的光学设计与极端元件的光学检测方向凝心聚力，面向先进光学制造与半导体加工背景下国家战略对于光学系统设计和测试的重大需求，以创新和解读先进光学设计方向的新理论、新方法和新工艺的科学内涵，突破和解决精密光学测试方向核心技术，研制具有自主知识产权的高端光学系统和测试仪器为使命，重点围绕基础科学仪器、半导体工艺线、航天载荷等方向开展科研工作，承担了包括国家重点研发计划、国家自然科学基金重大科研仪器在内的多项高层次科研项目，研制了用于微观形貌测量的系列倍率干涉显微物镜和白光干涉仪，用于MEMS器件高深宽比结构特征参数无损检测的近红外显微干涉仪，用于米级口径光学元件与系统质量检测的大口径激光干涉仪，用于空间载荷地面标定的太阳模拟器、回波模拟光源等多台套精密光学仪器。
高志山
高志山，教授，博士生导师，王大珩光学奖中青年科技人员奖获得者，主要从事跨尺度精密光学测试技术、光电系统仪器技术、眼视光学理论与技术等方面的研究工作，国家重点研发计划项目负责人，光学测试专委会副主任委员，全国光电标准化技术委员会委员，新版《光学手册》编委，出版《现代光学设计实用方法》、《现行光学元件检测与国际标准》。
袁群
袁群，教授，博士生导师，国家高层次青年人才，主要从事精密光学测试和先进光学设计方面的研究，承担国家自然科学基金、国家重点研发计划课题等项目，在ACS Photonics等期刊发表高水平论文二十余篇，研究成果获省部级二等奖，担任《红外与激光工程》青年编委会执行委员会委员。
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有意者简历发送至yuanqun@njust.edu.cn
文章信息
罗聪, 袁群, 丁辰, 等. 基于双PD采样的涡旋光干涉位移快速测量方法研究（特邀）[J]．红外与激光工程, 2025, 54(3): 20240594. DOI: 10.3788/IRLA20240594