表面疵病是高精度光学元件质量评价的重要指标。疵病的存在会带来光束的散射,造成衍射条纹、热像差、膜系破坏、能量聚集等现象,并最终影响高精度光学元件的成像质量和使用寿命。投影物镜作为光刻机的核心部件,对成像质量有着严苛的要求,即使元件表面的细小疵病也将严重影响物镜最终的曝光成像效果。光刻投影物镜中光学元件的尺寸大都在几百毫米,且有平面/球面/非球面等多种元件类型,要实现大口径光学元件上的微米量级疵病的客观量化检测,亟需一套高效率、高可靠性的光学元件表面疵病自动化检测装置。目前,对疵病检测的方法主要还是人工目视法,这种方法受主观影响比较大,可靠性和复现性低,在大批量检测时并不适用。尽管国内外文献中提及了多种疵病检测方法,但大都无法兼顾光刻投影镜片检测大口径、高检测效率、多镜片类型、高精度定量检测的多方面要求。暗场显微成像法平衡了多方面的需求,且具有系统构成简单、检测结果直观、检测效率高等优势,已成为了自动化表面疵病检测的重要方法。然而,暗场显微成像法的疵病散射理论尚不完备,在系统选型和参数设置时多依靠经验或几何光学仿真结论,不满足微米级疵病缺陷的高精度仿真需求,无法有效指导高信噪比图像的获取。在进行大口径元件子孔径图像拼接时,由于机械运动误差、图像重叠区域少/无特征等原因,现有拼接方法存在拼接效率低、误拼接、位置偏移等问题。本文面向光刻投影物镜大口径高精度光学元件表面疵病检测的需求,基于暗场显微成像法,设计搭建了高精度光学元件疵病检测系统,研究了表面疵病散射的成像过程,解决了获取高信噪比单帧图像和多子孔径高效准确拼接等关键问题。具体工作内容包括:(1)论述了表面疵病缺陷检测技术在大口径高精度光学元件检测——尤其是光刻投影物镜检测中的重要性;比对了精密表面疵病缺陷检测的常用标准,并说明了这些标准并不适用于疵病自动化检测的原因;调研了现有的疵病检测方法和研究进展;介绍了工业领域推出的高精度表面疵病检测仪器;总结了精密表面疵病检测面临的主要问题。(2)介绍了基于暗场显微成像法的精密表面疵病缺陷检测的原理和系统构成方案。分析了使用暗场显微成像法进行大口径光学元件高精度疵病检测所面临的关键问题:一是如何获得高信噪比单帧暗场显微图像,二是如何快速准确得到全口径图像。明确了解决关键问题的技术路线:通过建立表面疵病缺陷散射仿真模型进行信号分析,结合噪声分析,明确提升暗场显微成像信噪比的方法;优化子孔径扫描方案和子孔径图像拼接算法,以得到准确的全口径图像。(3)建立基于有限时域差分算法(FDTD)的光学元件表面疵病缺陷散射模型。设计了电磁场近场计算、近场-远场投射、远场散射强度分析的总体仿真方案。分析了疵病截面形状、疵病深度、疵病宽度、光源入射角度、光源入射方向等对远场散射强度造成的影响。根据仿真结果,提出应采用主、次双角度环形光源作为系统光源。疵病缺陷散射仿真为系统散射成像过程分析、系统参数优化、疵病定量研究等提供了理论参考依据。(4)开展大口径光学元件疵病检测子孔径拼接技术研究。详细分析了现有拼接方法所面临的问题及问题产生的原因,提出了一种基于目标跟踪和自适应扫描路径修正的疵病拼接方法,从而有效减少了拼接错位等误拼接现象,降低了运动精度对检测结果的影响,提升了系统对弱疵病目标的检测能力。(5)搭建了基于暗场显微成像法的大口径高精度光学元件疵病检测系统;开展了疵病散射分析实验,将探测器实测数据与使用FDTD模型仿真得到的远场散射分布数据进行了比对,验证了模型的有效性;使用本文介绍的基于目标跟踪和自适应扫描路径修正的疵病拼接方法获取全口径图像,对麻点和划痕进行了拼接修复,并与其它拼接方法进行了比较,验证了该拼接方法能有效减少误拼接和位置偏差;使用疵病检测系统对大口径光刻镜片进行了实测评估,并与人工目视法进行比对。(6)总结了本文开展的相关工作,并对下一步研究工作进行展望。