摘要
為了實現光（guāng）學玻璃（lí）折射率均勻性（xìng）的高精（jīng）度（０．２×１０－６）檢（jiǎn）測，測量環境溫度引入的測量不確定度應小於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（xī），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（zhōng）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（yǐn）起的測量不（bú）確定度為０．０３１×１０－６，滿（mǎn）足精度要求。為實驗室環境的改造提出了建（jiàn）議，並為高精度玻璃折射率、均勻性（xìng）測量提供了分析數據。
１ 引（yǐn） 言
光學（xué）玻璃的折射率均勻（yún）性（xìng）是光學材料的重要參數之一（yī），它的大小直接影響著（zhe）係統的成像質量，因此，在精密光學儀器（如光刻鏡頭）的研製（zhì）過（guò）程中，必須對所用的光學玻（bō）璃材（cái）料（liào）檢測折射率均勻性。目前在（zài）中國科學（xué）院光電技術研究所（suǒ）承擔的項目（mù）中使用的光學材（cái）料，其折（shé）射率均勻性檢測的（de）精度要求達（dá）到０．２×１０－６。傳統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（dá）到要求。貼置板法和單件幹涉法的測（cè）量精度通常可以達到０．５×１０－６，但單件（jiàn）幹涉法（fǎ）要求被測件必須經過精拋光處理［１～３］，其麵形精度要求高，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，隻（zhī）能采用貼置板法。要將此方法的精度（dù）進一步提高，必須考慮（lǜ）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（lǜ）均勻性測量（liàng）的影響。
２ 折射率均勻性測量原理
光學（xué）玻璃折射率均勻性是指同一（yī）塊光學（xué）玻璃內部折射率的一致性，通常用其內部折射率的最大（dà）差值（zhí）表（biǎo）示。貼置板法檢測折射率均勻性原（yuán）理如圖１所示（shì）。第一步，將兩貼置板用折射率液粘合，放置在幹（gàn）涉（shè）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，接觸麵用折射率液粘（zhān）合，得到幹涉儀檢測結果ｗ２，由被測件折射率不均勻性（xìng）帶來的波相差（chà）為ｗ２－ｗ１。
假設貼置（zhì）板１的前後表麵麵形誤差分別為Ｔ１，Ｔ２，折射率為ｎ１，折射率均勻性分（fèn）布為Δｎ１，厚度為Ｌ１；貼置板２的前後表麵麵形誤差為Ｔ３，Ｔ４，折射（shè）率為ｎ２，折射率均勻（yún）性分布為Δｎ２，厚度為Ｌ２；被測件的前後表麵形誤差為Ｓ１，Ｓ２，折射率（lǜ）為ｎ３，折射率均勻性（xìng）分布為（wéi）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（fèn）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，貼置板的麵形誤差、貼置板材料的折射率（lǜ）均勻性以及貼置板與（yǔ）折射率液的（de）折射率（lǜ）匹配所帶來的（de）誤差，經過兩步測量相減後全部抵消，當折射率液與被測件（jiàn）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（qiú）出被（bèi）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（cè）件的麵形發生變化，從而引入波（bō）相（xiàng）差，為測量（liàng）帶來誤差（chà）。通過以上分析可以總結出，影響（xiǎng）該測量方法精（jīng）度的因素有以下幾個：１）幹涉儀的測量精度；２）折射率液與被測件的折射（shè）率匹配程度；３）被測件厚度；４）實驗環境影（yǐng）響（主要為溫度）。
折射率均勻性檢測的精（jīng）度要達到０．２×１０－６，必須綜合考（kǎo）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（cái）料為檢測對象，在對以上４個誤差源進行（háng）分析計算後，得出對於厚（hòu）度為５０ｍｍ的被測件，溫度所帶來的不確定度［均方根（ＲＭＳ）值］不大於０．０５×１０－６。
３ 溫度對（duì）折射（shè）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境下進行（háng），而恒溫環（huán）境（jìng）往往存在溫控（kòng）誤差及溫度均勻性（xìng）誤差。測量光路中溫（wēn）度整體變化或軸向（xiàng）（ｚ軸方向）溫差將引起空氣、貼置（zhì）板、折射率液及被測件折射率的ｘ－ｙ 平麵內的整體變化，不影響測量結果ｗ１，ｗ２；而ｘ－ｙ 平麵（miàn）內的溫（wēn）度不均勻性，使空（kōng）氣、貼置板、折射率（lǜ）液及被測件的折射率在ｘ－ｙ 切麵內變化不一致，從而影響ｗ１，ｗ２的（de）測（cè）量結果。除此之外，溫度發生變化，還將導致被測件與貼置板發生熱變形。熱變形是（shì）指當環境溫度發生變化時，鏡子內（nèi）部也產生溫（wēn）度變化，由於（yú）玻璃（lí）的熱傳（chuán）導係數（shù）較小，熱交換不均勻，致使鏡子（zǐ）內部產生熱應力，導（dǎo）致不均勻熱膨脹，使鏡麵變形［４～６］。熱（rè）變形直接導致被測件（jiàn）和貼置板的麵形變化，由於時間原因兩步測量的溫度分布不可能一致，由此帶來的（de）貼置板的麵形誤差就不能互相抵消（xiāo），從而帶來測量誤差。
在測量環境中（zhōng），測（cè）量腔用獨立密（mì）封的罩子與實驗室環境隔離開，因此，氣流擾動的影（yǐng）響很小（xiǎo），垂直（或水平）溫差幾乎可以忽略。受幹涉儀光源的（de）影響，測量腔中最容易出現徑向溫差（中心（xīn）溫度高（gāo）於邊緣溫度）。實際測量前，各部件在測量腔中穩定幾小時，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。下麵以某投影（yǐng）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（lái）的測量不確定度進行定量（liàng）分析。
