点衍射波像差检测干涉仪及其检测方法与流程

本发明涉及干涉测量领域，特别是一种点衍射干涉波像差检测干涉仪及其检测方法。

背景技术：

波像差是描述小像差成像光学系统性能的重要参数。高品质的显微物镜和空间望远镜的波像差需小于λ/4pv或λ/14rms(λ为工作波长，rms为均方根值)。深紫外光刻投影物镜和极紫外光刻投影物镜的波像差需达到1nmrms以下。这对波像差检测技术提出了很高的要求。

在先技术(参见在先技术一：唐锋、王向朝等，点衍射干涉波像差测量仪及检测方法，发明专利201310126148.5)提出了一种点衍射干涉波像差测量仪及检测方法，在待测光学系统物面产生两个标准球面波，两个标准球面波的光强、偏振态、光程差可调，能够产生高的干涉可见度，测量结果可消除系统误差。但是，由于该技术方案需要在成像系统物面同时放置两个点光源，由于光电传感器空间分辨率的限制，两个点光源不能相距太远，由于点衍射干涉仪光窗噪声问题，需要采用低通滤波器限制数据测量频带，使得系统的测量空间分辨率收到制约(参见在先技术二：patrickp.naulleau,kennetha.goldberg,dual-domainpointdiffractioninterferometer,appliedoptics,38(16),3523-3533(1999).)；并且，由于采用双点光源，使得系统无法实现零条纹检测，采用相移算法时，对振动、相移器非线性等噪声因素更加敏感；另一方面，双点光源间间距固定后，干涉条纹数量无法调整，无法灵活的利用条纹载波算法，空间载波相移算法等多种干涉测量数据处理算法以提高检测速度，使得干涉仪的使用条件受到一定制约。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种点衍射波像差检测干涉仪及其检测方法，它具有测量空间分辨率高、干涉条纹密度可调、能够利用相移、空间载波相移等多种干涉相位提取算法、能够标定干涉仪系统误差和干涉对比度可调等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种点衍射波像差检测干涉仪，其特点在于构成包括：光源、第一分光器、第一光强与偏振态调节器、相移器、第二光强与偏振态调节器、点光源发生单元、理想波前发生单元、待测光学系统、精密调节台、小孔光窗器件、第二分光器、二维光电探测器和数据处理单元；

上述各部分的位置关系如下：

在光源输出光前进方向上是第一分光器，第一分光器将入射光分为光程可调光路和光程固定光路；在光程可调光路上依次是所述的第一光强与偏振态调节器、相移器、连接点光源发生单元；所述的光程固定光路上依次是第二光强与偏振态调节器、理想波前发生单元；所述的理想波前发生单元的输出端位于所述的待测光学系统的物方视场点；所述的理想波前发生单元的输出方向依次是待测光学系统、位于所述的精密调节台上的小孔光窗器件、第二分光器和二维光电探测器，所述的小孔光窗器件位于待测光学系统的像面；所述的点光源发生单元的输出光经第二分光器被所述的二维光电探测器探测，所述的二维光电探测器的输出端与所述的数据处理单元的输入端相连；所述的数据处理单元的输出端分别与第一光强与偏振态调节器、相移器、第二光强与偏振态调节器、精密调节台的控制端通过电缆连接，所述的小孔光窗器件包括滤波圆孔和透光窗口，所述的滤波圆孔是直径φi小于待测光学系统的像方衍射极限分辨率的透光小孔，满足φi<λ/(2nai)，其中λ为光源波长，nai为待测光学系统的像方数值孔径；所述的透光窗口是能够无遮挡的透过所述的理想波前发生单元的输出端经待测光学系统成像后的像点弥散斑的四边形透光区域。

所述的光源是激光器、发光二极管、超辐射发光二极管，或单色仪；所述的光源是光纤输出的光源，或是自由空间准直输出的光源；

所述的第一分光器、第二分光器是将入射光分成两束光的分光元件：包括光纤耦合器、分光棱镜、或一面镀有分光膜的玻璃平板；

所述的第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器是调节通过光的光功率和偏振态的器件，是由可调衰减器和偏振控制器组成，或由一个可旋转的检偏器构成；第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器的结构相同或不同；

所述的相移器是改变光路光程的器件：包括缠绕在柱状压电陶瓷上的单模光纤环，通过改变柱状压电陶瓷的驱动电压，拉伸单模光纤，改变光程；分束棱镜、反射镜和压电陶瓷组成的可变光延迟线；或通过压电陶瓷带动反射镜或棱镜运动改变光程；

所述的理想波前发生单元是将从其输入端输入的光转换成输出端的在输出数值孔径范围内是标准球面波的器件；理想波前发生单元的输出数值孔径的最小值为待测光学系统的物方数值孔径；

所述的理想波前发生单元由光纤构成；光纤的输出端纤芯直径φf小于所述的输出数值孔径对应的衍射极限分辨率，满足φf<λ/(2nao)，其中λ为光源波长，nao为输出数值孔径；

或所述的理想波前发生单元由光纤、成像镜组和小孔掩模构成；光纤的输入端是理想波前发生单元的输入端，光纤的输出端位于成像镜组的物面；小孔掩模位于成像镜组的像面；小孔掩模上有一个圆孔，圆孔是理想波前发生单元的输出端；光纤的输出端经成像镜组成像在圆孔上；圆孔的直径φo小于所述的输出数值孔径对应的衍射极限分辨率，满足φo<λ/(2nao)，其中λ为光源波长，nao为输出数值孔径；

或所述的理想波前发生单元由聚焦镜组、小孔掩模构成；准直光束从理想波前发生单元的输入端输入；经过聚焦镜组，汇聚在小孔掩模的圆孔上；圆孔是理想波前发生单元的输出端；圆孔的直径φo小于所述的输出数值孔径对应的衍射极限分辨率，满足φo<λ/(2nao)，其中λ为光源波长，nao为输出数值孔径；

所述的点光源发生单元是将从其输入端输入的光转换成输出数值孔径大于待测光学系统的像方数值孔径的点光源的器件：是输出数值孔径大于待测光学系统的像方数值孔径的光学系统，或光纤器件，或衍射小孔，或光学系统与衍射小孔的组合系统；

所述的光程可调光路和光程固定光路是光纤光路，或自由空间光路，或一部分是光纤光路，一部分是自由空间光路；

所述的小孔光窗器件包括透光窗口和滤波圆孔；滤波圆孔是直径φi小于待测光学系统的像方衍射极限分辨率的透光小孔，满足φi<λ/(2nai)，其中λ为光源波长，nai为待测光学系统的像方数值孔径；透光窗口是能够无遮挡的透过所述的理想波前发生单元的输出端经待测光学系统成像后的像点弥散斑的四边形、圆环形或其他形状的透光区域；

所述的精密调节台是安装小孔光窗器件，并可以将小孔光窗器件上的滤波圆孔和透光窗口分别调节至理想波前发生单元的输出端经待测光学系统成像后的像点位置的多自由度位移台；

所述的二维光电探测器是ccd、cmos、二维光电池阵列、二维光电二极管阵列、具有针孔或狭缝光阑的二维光电探测器阵列、具有荧光转换片的二维光电探测器阵列、具有光纤面板的二维光电探测器阵列；

所述的数据处理单元是存储干涉图、进行干涉图分析处理以获取波像差的计算机或嵌入式系统；

利用上述的点衍射波像差检测干涉仪检测待测光学系统波像差的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)使理想波前发生单元的输出端位于所述的待测光学系统的物方视场内需要测量的视场点位置；

2)移动所述的精密调节台，使理想波前发生单元的输出光经待测光学系统成像后的像点与所述的小孔光窗器件的滤波圆孔的中心对准；

3)调节第一光强与偏振态调节器、第二光强与偏振态调节器，使所述的二维光电探测器采集到清晰的干涉图；调节点光源发生单元输出端的位置，使所述的二维光电探测器采集的干涉条纹的数量满足拟采用的干涉图相位提取算法的要求，参见在先技术(manuelservin,j.antonioquiroga,moisespadilla,fringepatternanalysisforopticalmetrology:theory,algorithms,andapplications,wiley,2014,isbn:978-3-527-41152-8；danielmalacara,opticalshoptesting,3rdedition,wiley,2007,isbn:978-0-471-48404-2)，采用相移法干涉图相位提取算法时，干涉条纹数量满足采样定律即可，采用傅里叶变换法或空间载波相移法时，干涉条纹有一定数量要求；

4)所述的二维光电探测器采集干涉图输入所述的数据处理单元，所述的数据处理单元通过干涉图相位提取算法求解相位，进行相位解包裹，得到的相位即检测系统系统误差标定结果wsys；

5)移动所述的精密调节台，使所述的理想波前发生单元的输出光经待测光学系统成像后的像点在所述的小孔光窗器件的透光窗口内；

6)调节第一光强与偏振态调节器、第二光强与偏振态调节器，使所述的二维光电探测器采集到清晰的干涉图；

7)所述的二维光电探测器采集干涉图输入所述的数据处理单元，所述的数据处理单元通过干涉图相位提取算法求解相位，进行相位解包裹，得到的相位即包含检测系统系统误差的波像差测量结果wtest；

8)所述的数据处理单元通过公式w＝wtest-wsys计算待测光学系统在理想波前发生单元的输出端所在视场点的光学系统波像差w；

所述的干涉图相位提取方法是相移法、傅里叶变换法、空间载波相移法；所述的干涉图相位提取方法及相位解包裹方法(参见在先技术manuelservin,j.antonioquiroga,moisespadilla,fringepatternanalysisforopticalmetrology:theory,algorithms,andapplications,wiley,2014,isbn:978-3-527-41152-8；danielmalacara,opticalshoptesting,3rdedition,wiley,2007,isbn:978-0-471-48404-2)。

本发明的原理是，使理想波前发生单元的输出端位于待测光学系统的物方视场内需要测量的视场点，则经待测光学系统成像后的波前携带了待测光学系统的波像差信息w，w透过透光窗口后，与点光源发生单元的光经第二分光器合束，发生干涉，干涉相位信息为：

wtest＝w+wr+win，(1)

其中，wr为点光源发生单元的输出波像差，win为第二分光器及干涉光路引入的干涉仪内部光程误差；即wtest步骤7)测量结果；步骤(2)中，理想波前发生单元的输出端经待测光学系统成像后的像点与小孔光窗器件上的滤波圆孔的中心对准，使得波前经小孔滤波再次成为理想球面波，与点光源发生单元的光经第二分光器合束，发生干涉，干涉相位信息为：

wsys＝wr+win，(1)

因此，待测光学系统在理想波前发生单元的输出端所在视场点的波像差w＝wtest-wsys；在步骤3)，调节点光源发生单元输出端的位置，相当于调节干涉光路引入的干涉仪内部光程误差win，可以实现不同的载波条纹，当win最小，且wr可忽略时，可实现零条纹干涉；由于本发明小孔光窗器件上的滤波圆孔和透光窗口之间的距离只受限于精密调节台的调节能力，因此，滤波圆孔和透光窗口可以相距足够远，消除点衍射干涉时透光窗口透过光对测量空间分辨率的影响，实现高测量空间分辨率。

本发明具有以下优点：

本发明具有测量空间分辨率高、干涉条纹密度可调、能够利用相移、空间载波相移等多种干涉相位提取算法、能够标定干涉仪系统误差和干涉对比度可调等优点。

附图说明

图1为本发明点衍射波像差检测干涉仪的结构示意图；

图2是本发明第一光强与偏振态调节器、第二光强与偏振态调节器的几个实施例的结构示意图；

图3是本发明相移器的两个实施例的结构示意图；

图4是本发明理想波前发生单元第一实施例的结构示意图；

图5是本发明理想波前发生单元第二实施例的结构示意图；

图6是本发明理想波前发生单元的实施例中物面掩模的结构示意图；

图7是本发明理想波前发生单元第三实施例的结构示意图；

图8是本发明小孔光窗器件实施例的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，但不以此实施例限制本发明的保护范围。

图1为本发明点衍射波像差检测干涉仪的结构示意图，本发明点衍射波像差检测干涉仪包括：光源1、第一分光器2、第一光强与偏振态调节器3、相移器4、第二光强与偏振态调节器5、点光源发生单元10、理想波前发生单元6、待测光学系统7、精密调节台8、小孔光窗器件9、第二分光器11、二维光电探测器12和数据处理单元13；

上述各部分的位置关系如下：

在光源1输出光前进方向上是第一分光器2，第一分光器2将入射光分为光程可调光路2a和光程固定光路2b；在光程可调光路上依次是所述的第一光强与偏振态调节器3、相移器4、点光源发生单元10；所述的光程固定光路上依次是第二光强与偏振态调节器5、理想波前发生单元6；所述的理想波前发生单元6的输出端位于所述的待测光学系统7的物方视场点；所述的理想波前发生单元6的输出方向依次是待测光学系统7、位于所述的精密调节台8上的小孔光窗器件9、第二分光器11和二维光电探测器12，所述的小孔光窗器件9位于待测光学系统7的像面；所述的点光源发生单元10的输出光经第二分光器11被所述的二维光电探测器12探测，所述的二维光电探测器12的输出端与所述的数据处理单元13的输入端相连；所述的数据处理单元13的输出端分别与第一光强与偏振态调节器3、相移器4、第二光强与偏振态调节器5、精密调节台8的控制端通过电缆连接，所述的小孔光窗器件9包括滤波圆孔9a和透光窗口9b，参见图8，所述的滤波圆孔9a是直径φi小于待测光学系统7的像方衍射极限分辨率的透光小孔，满足φi<λ/(2nai)，其中λ为光源波长，nai为待测光学系统的像方数值孔径；所述的透光窗口9b是能够无遮挡的透过所述的理想波前发生单元6的输出端6b经待测光学系统7成像后的像点弥散斑的四边形透光区域。

在光源1输出光前进方向上是第一分光器2；第一分光器2将入射光分为光程可调光路2a和光程固定光路2b；光程可调光路2a上连接第一光强与偏振态调节器3、相移器4，之后连接点光源发生单元10的输入端；光程固定光路2b上连接第二光强与偏振态调节器5，之后连接理想波前发生单元6的输入端；理想波前发生单元6的输出端位于待测光学系统7的物方视场点；理想波前发生单元6的输出端经待测光学系统7成像，成像至待测光学系统7像面；安装在精密调节台8上的小孔光窗器件9位于待测光学系统7像面；点光源发生单元10的输出光，和经待测光学系统7成像后的理想波前发生单元6的输出光均被第二分光器11分光，分光后各有一束光光路重叠继续传输，由二维光电探测器12接收；二维光电探测器12的输出信号输入数据处理单元13进行处理；数据处理单元13也与第一光强与偏振态调节器3、相移器4、第二光强与偏振态调节器5、精密调节台8通过电缆连接，对它们进行控制；

所述的光源1是保偏光纤输出的激光器，波长λ＝532nm；

所述的第一分光器2是光纤耦合器；

所述的第二分光器是分光棱镜；

所述的第一光强与偏振态调节器3和第二光强与偏振态调节器5是调节通过光的光功率和偏振态的器件；图2是本发明第一光强与偏振态调节器3的几个实施例的结构示意图；图2(a)所示的第一光强与偏振态调节器3由可调衰减器301和偏振控制器302组成；图2(b)所示的第一光强与偏振态调节器3由检偏器303和转台304组成；转台304带动检偏器303旋转，改变检偏器303的透光轴方向，改变输出光的偏振方向和光强；图2(c)所示的第一光强与偏振态调节器3由偏振控制器302和检偏器303组成，沿光前进方向，依次连接偏振控制器302和检偏器303；通过偏振控制器302调节通过光的偏振态，改变通过检偏器303的光强；图2(d)所示的第一光强与偏振态调节器3是一个可调衰减器301，只调节通过光路的光功率；

第二光强与偏振态调节器5采用与第一光强与偏振态调节器3相同的结构，或采用不同的结构；

所述的相移器4是改变光路光程的器件；图3是本发明相移器4的两个实施例的结构示意图；图3(a)所示的相移器4由柱状压电陶瓷401和缠绕在其上的单模光纤环402组成，通过改变柱状压电陶瓷401的驱动电压，柱状压电陶瓷401的直径会发生变化，改变单模光纤环402的长度，从而改变光程；图3(b)所示的相移器4由分束棱镜403，反射镜404，压电陶瓷405组成，沿入射光前进方向，放置分束棱镜403，在分束棱镜反射光方向，放置反射镜404，光线在反射镜404上反射后透过分束棱镜403出射，反射镜404安装在压电陶瓷405上，改变压电陶瓷405的驱动电压，压电陶瓷405的长度发生变化，带动反射镜404运动，从而改变光程；

所述的理想波前发生单元6是将从其输入端6a输入的光转换成输出端6b的在输出数值孔径范围内是标准球面波的器件；理想波前发生单元6的输出数值孔径的最小值为待测光学系统7的物方数值孔径；所述的待测光学系统7的物方数值孔径为0.06；

图4是本发明理想波前发生单元6的第一实施例的结构示意图；如图4所示，理想波前发生单元6由光纤601构成；光纤601的输入端是理想波前发生单元6的第一输入端6a，输出端是理想波前发生单元6的输出端6b；光纤601的输出端纤芯直径φf小于所述的输出数值孔径对应的衍射极限分辨率，满足φf<λ/(2nao)，其中λ为光源波长，nao为输出数值孔径；

图5是本发明理想波前发生单元6的第二实施例的结构示意图；如图5所示，理想波前发生单元6包括光纤601、成像镜组603和小孔掩模604；光纤601的输入端是理想波前发生单元6的输入端6a，光纤601的输出端位于成像镜组603的物面；小孔掩模604位于成像镜组603的像面；小孔掩模604上有一个圆孔604a(见图6)，圆孔604a是理想波前发生单元6的输出端6b；光纤601的输出端经成像镜组603成像在圆孔604a上；圆孔604a的直径φo小于所述的输出数值孔径对应的衍射极限分辨率，满足φo<λ/(2nao)，其中λ为光源波长，nao为输出数值孔径；

图7是本发明理想波前发生单元6的第三实施例的结构示意图；如图7所示，理想波前发生单元6包括聚焦镜组605、小孔掩模604；准直光束6l从理想波前发生单元6的输入端6a输入；经过聚焦镜组605，汇聚在小孔掩模604的圆孔604a上(见图6)；圆孔604a是理想波前发生单元6的输出端6b；圆孔604a的直径φo小于所述的输出数值孔径对应的衍射极限分辨率，满足φo<λ/(2nao)，其中λ为光源波长，nao为输出数值孔径；

所述的点光源发生单元10是将从其输入端输入的光转换成输出数值孔径大于待测光学系统的像方数值孔径的点光源的器件，采用图7所示的理想波前发生单元6相同的结构；所述的待测光学系统7的像方数值孔径为0.3；

所述的光程可调光路2a和光程固定光路2b一部分是光纤光路，一部分是自由空间光路；

图8是本发明小孔光窗器件9的实施例的结构示意图；所述的小孔光窗器件9包括透光窗口9b和滤波圆孔9a；滤波圆孔9a是直径φi小于待测光学系统7的像方衍射极限分辨率的透光小孔，满足φi<λ/(2nai)，其中λ为光源波长，nai为待测光学系统的像方数值孔径；透光窗口9b是能够无遮挡的透过所述的理想波前发生单元6的输出端6b经待测光学系统7成像后的像点弥散斑的四边形透光区域；

所述的精密调节台8是安装小孔光窗器件9，并可以将小孔光窗器件9上的滤波圆孔9a和透光窗口9b分别调节至理想波前发生单元6的输出端6b经待测光学系统7成像后的像点位置的xyz3自由度纳米位移台；

所述的二维光电探测器12是ccd；

所述的数据处理单元13是存储干涉图、进行干涉图分析处理以获取波像差的计算机；

利用上述的点衍射波像差检测干涉仪检测待测光学系统7波像差的方法的第一个实施例，包括下列步骤：

1)使理想波前发生单元6的输出端6b位于待测光学系统7的物方视场内需要测量的视场点位置；

2)移动所述的精密调节台8，使理想波前发生单元6的输出光经待测光学系统7成像后的像点与所述的小孔光窗器件9的滤波圆孔9a的中心对准；

3)调节第一光强与偏振态调节器3、第二光强与偏振态调节器5，使得二维光电探测器12采集到的干涉图光强最大值达到饱和光强的80％左右，干涉对比度达到80％以上；调节点光源发生单元10输出端的位置，使得干涉条纹数量<3根；

4)所述的二维光电探测器12采集5副相移90度的干涉图输入所述的数据处理单元13，数据处理单元13通过相移法干涉相位提取算法求解相位，进行相位解包裹，得到的相位即检测系统系统误差标定结果wsys；

5)移动所述的精密调节台8，使所述的理想波前发生单元6的输出光经待测光学系统7成像后的像点在小孔光窗器件9的透光窗口9b内；

6)调节第一光强与偏振态调节器3、第二光强与偏振态调节器5使得二维光电探测器12采集到的干涉图光强最大值达到饱和光强的80％左右，干涉对比度达到80％以上；

7)所述的二维光电探测器12采集5副相移90度的干涉图输入所述的数据处理单元13，数据处理单元13通过相移法干涉相位提取算法求解相位，进行相位解包裹，得到的相位即包含检测系统系统误差的波像差测量结果wtest；

8)所述的数据处理单元13通过公式w＝wtest-wsys计算待测光学系统7在理想波前发生单元6的输出端6b所在视场点的光学系统波像差w。

利用上述的点衍射波像差检测干涉仪检测待测光学系统7波像差的方法的第二个实施例，包括下列步骤：

1)使理想波前发生单元6的输出端6b位于待测光学系统7的物方视场内需要测量的视场点位置；

2)移动所述的精密调节台8，使理想波前发生单元6的输出光经待测光学系统7成像后的像点与所述的小孔光窗器件9的滤波圆孔9a的中心对准；

3)调节第一光强与偏振态调节器3、第二光强与偏振态调节器5使得二维光电探测器12采集到的干涉图光强最大值达到饱和光强的80％左右，干涉对比度达到80％以上；调节点光源发生单元10输出端的位置，使得干涉条纹数量在50根和80根之间；

4)所述的二维光电探测器12采集1副干涉图输入所述的数据处理单元13，数据处理单元13通过傅里叶变换法干涉相位提取算法求解相位，进行相位解包裹，得到的相位即检测系统系统误差标定结果wsys；

5)移动所述的精密调节台8，使所述的理想波前发生单元6的输出光经待测光学系统7成像后的像点在小孔光窗器件9的透光窗口9b内；

6)调节第一光强与偏振态调节器3、第二光强与偏振态调节器5使得二维光电探测器12采集到的干涉图光强最大值达到饱和光强的80％左右，干涉对比度达到80％以上；

7)所述的二维光电探测器12采集1副干涉图输入所述的数据处理单元13，数据处理单元13通过傅里叶变换法干涉相位提取算法求解相位，进行相位解包裹，得到的相位即包含检测系统系统误差的波像差测量结果wtest；

8)所述的数据处理单元13通过公式w＝wtest-wsys计算待测光学系统7在理想波前发生单元6的输出端6b所在视场点的光学系统波像差w。

本实施例具有以下优点：具有测量空间分辨率高，干涉条纹密度可调，能够利用相移、空间载波相移等多种干涉相位提取算法的优点，并且仍具有在先技术能够标定干涉仪系统误差，干涉对比度可调等优点。