复杂光滑表面形变的瞬态干涉测量理论与方法研究

High precision dynamic measurement of the deformation and strain in smooth surfaces, including optical surface, semiconductor material and MEMS thin film, is an urgent requirement in the ultra-precision machining and material characteristics research field. Based on the previous research on surface figure error measurement of optical surfaces, this project proposes digital phase-shifting transient interferometry based on deformable mirror, in order to solve the problems brought by dynamic measurement including various nominal surface shape, large measurement dynamic range and high measurement speed. The key breakthroughs of the project will be design of off-axis catadioptric compensation system with the deformable mirror as the core element, high speed deformation strategy of deformable mirror adapting to the dynamic measurement range, and phase retrieval under the condition of high frequency aliasing interferogram. Transient measurement of complicated surface deformation and strain will be realized, with the maximum deformation of 100 micron, the measurement accuracy better than 0.4 micron, and the measurement speed higher than 20fps. The project will lay the theoretical and technical basis for the in-situ measurement of the smooth surface during fabrication, growth monitoring of semiconductor materials and research on the properties of MEMS films.

包括光学元件表面、半导体和MEMS薄膜材料表面在内的复杂光滑表面的形变动态测量是超精密加工、材料特性研究领域的迫切需求。本项目在前期光学元件面形误差干涉测量研究基础上，针对复杂表面形变动态检测所带来的基准面形变化大、形变动态范围大、检测速度要求高等难题，提出一种基于可变形镜的数字移相瞬态干涉测量方法。重点突破以可变形镜为核心元件的离轴折反式部分补偿器优化设计理论和方法，适应大动态测量范围的可变形镜高速变形策略，频谱混叠条件下高频干涉图相位求解等科学问题。实现复杂表面形变瞬态测量，最大形变量可达150微米，精度优于0.4微米，测量速度优于20帧每秒。为复杂光滑表面形变过程动态监测、面形加工原位测量、半导体材料生长监控、MEMS膜层材料特性研究提供新的技术手段，奠定理论和技术基础。

材料表面形变的光测理论和技术是保障高精度加工、装调和材料特性研究的基本技术手段。其中，各种材质的光滑表面需要避免表面接触和划伤，只能采用非接触的光测手段进行形变的测量。应用最广泛的光滑表面是各类成像系统中的光学元件表面，对其形变的实时动态检测是保障其正确安装和固紧的基础。除了光学元件表面，半导体材料、微机电系统（MEMS）薄膜材料如能在其高温生长过程及冷却过程中实时监控其应变，则对薄膜应力物理模型的完善、工艺过程的监控有极大帮助。.综上所述，超精密加工、材料特性研究领域实践表明，复杂光滑表面形变测试是光学系统高精度加工、装调，半导体和MEMS薄膜材料生长监控和应力等力学性能测试的迫切需求。.本项目在前期非球面面形误差干涉测量研究基础上，针对动态检测所带来的基准面形变化大、形变动态范围大、检测速度要求高等难题，提出了一种基于可变形镜补偿系统或柔性参考面的结合深度学习、数字移相和偏振同步移相的瞬态干涉测量方法。研究了基于矢量像差理论的离轴折反式部分补偿器设计方法，基于深度学习的可变形镜开环、高速、高精度变形策略，基于深度学习及迭代优化的高频单帧干涉图相位求解等关键技术，突破了以可变形镜为核心元件的离轴折反式部分补偿器设计，适应大动态测量范围的可变形镜高速变形策略，频谱混叠条件下高频干涉图相位求解等科学问题。实现了复杂表面形变瞬态测量，最大形变量可达158微米，研制了实验样机，测量精度0.146微米，测量速度20帧每秒。在光学表面加工原位测量、半导体光刻膜层材料特性研究等方面开展了初步应用。.本项目发表了标注本项目资助的三大检索收录论文49篇，其中SCI收录22篇；即将出版学术专著1部；申请国家发明专利26项，授权25项，申请PCT专利3项；培养研究生17名；人才获奖或晋升5人次；获得省部级及一级学会科研奖励5项。全面达到了项目的研究目标。