一种微孔衍射波前质量的测量装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学测量技术领域，特别是涉及一种进行波前的高精度测量的微孔 衍射波前质量的测量装置与方法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体、航空航天等技术的发展，高精度光学元件的需求和应用越来越广。纳 米/亚纳米精度的光学元件在光刻投影物镜、X射线显微镜、重力波探测用迈克尔逊干涉仪 等研宄领域具有极为重要的作用。因此，发展超高精度面形检测技术是实现这些领域中高 精度光学元件成功应用的重要保证。
[0003] 普通商业菲索干涉仪和泰曼-格林干涉仪由于受参考元件的限制，其检测精度不 高。点衍射干涉仪（roi)作为目前面形绝对测量领域中精度最高的设备，是解决超高精度 光学元件面形检测的重要方法，同时，PDI也是高精度系统集成装调中系统波像差高精度检 测的重要设备。微孔衍射波前质量是影响点衍射干涉仪测量精度的一个重要因素。
[0004] 专利号ZL201110129360. 8名称为"可见光点衍射干涉仪中参考球面波偏差检测 装置与方法"的发明专利介绍了一种采用剪切干涉的方法进行微孔衍射波前偏差的测量技 术。它是采用两个完全一致的微孔衍射产生的两个近于理想的球面波进行剪切干涉，从而 获得单个微孔衍射产生的球面波前的偏差。其中两个微孔由光栅±1级光照明。会聚光束 经过光栅后，其±1级光将会引入彗差，小孔对彗差的滤除效果不是特别理想，光栅零级的 能量也会从两个小孔中泄露。另外，由于两个小孔之间的间距会给测量结果中引入彗差，探 测器的倾斜会给测量结果中引入像散，因此，需要对这两个系统误差进行标定。
[0005] 文章〈〈Extreme-ultraviolet phase-shifting point-diffraction interferometer a wave-front metrology tool with sub-angstrom reference-wave accuracy》（Appl Opt，1999, 38(35) :7252-7263)详细描述了上述系统误差的标定方法，前 者的标定比较容易，而后者则由于探测器的倾斜难以精确测量，标定难度较大。
[0006] 文章 《点衍射干涉仪系统误差标定》（光学学报，2013, 33(7) :0712003)采用迈克 尔孙干涉仪结构，由分光棱镜和平面镜来实现两个微孔照明光束的独立控制，避免了光栅 弓丨入误差，但还是存在双孔间距引入彗差和探测器倾斜引入像散的问题，且后者较难去除。
[0007] 采用夏克-哈特曼波前传感器法进行有限远共轭距光学系统波像差测量时，准直 物镜和夏克-哈特曼波前传感器系统误差的高精度标定是实现高精度系统误差测量的关 键。通过微孔衍射产生高质量的球面波是实现准直物镜和夏克-哈特曼波前传感器系统误 差高精度标定的重要前提。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于，提供一种新的微孔衍射波前质量的测量装置与方法，使其采 用夏克-哈特曼波前传感器法进行微孔衍射波前质量的测量，通过高精度平面参考波前实 现夏克-哈特曼波前传感器的高精度标定，再根据高精度系统误差的标定结果进行微孔衍 射波前形状的精确测量，将微孔衍射波前形状与最佳参考球比较求得微孔衍射波前的偏 差，只需要在标定装置的基础上直接加入聚焦物镜和微孔便可实现微孔衍射波前质量的测 量，操作简便，与剪切干涉法测量相比，引入的系统误差较小并且容易实现系统误差的高精 度标定。
[0009] 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出 的一种微孔衍射波前质量的测量装置，用于测量微孔衍射波前的质量，所述装置包括依次 设置的高精度平面波生成器、聚焦物镜、微孔板、可变光阑和夏克-哈特曼波前传感器，所 述高精度平面波生成器产生的高精度平面参考波前经所述聚焦物镜后在所述聚焦物镜的 焦平面上得到一个微小的艾里斑，所述微孔板设置于所述聚焦物镜的焦平面，且所述微孔 板的微孔位于所述聚焦物镜的焦点处，所述艾里斑在经所述微孔衍射后产生一个近于理想 的球面波，所述球面波经所述可变光阑到达所述夏克-哈特曼波前传感器，被所述夏克-哈 特曼波前传感器中的微透镜阵列聚焦在探测器上形成光斑阵列，根据所述光斑阵列（803) 的位置信息通过图像处理能够获得所述微孔板衍射产生的所述球面波波前的强度和相位 信息。
[0010] 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
[0011] 前述的微孔衍射波前质量的测量装置，其中所述聚焦物镜是能够补偿所述微孔板 的厚度引入的球差的具备球差补偿功能的物镜。
[0012] 前述的微孔衍射波前质量的测量装置，其所述微孔板包括玻璃基底和金属涂覆 层，所述金属涂覆层覆盖于所述玻璃基底一侧的表面上，所述微孔形成于所述金属涂覆层 上，穿过所述金属涂覆层显露出所述玻璃基底，所述金属涂覆层的厚度应足以对所述微孔 之外的光波起到屏蔽作用，所述微孔的直径要足够小。
[0013] 前述的微孔衍射波前质量的测量装置，其中所述高精度平面波生成器和所述夏 克-哈特曼波前传感器组成系统误差的标定单元，当所述高精度平面波生成器产生的所述 高精度平面参考波前直接照射到所述夏克-哈特曼波前传感器时，被所述夏克-哈特曼波 前传感器中的微透镜阵列聚焦在探测器上形成参考光斑阵列，所述参考光斑阵列的位置信 息是作为微孔衍射波前质量测量的参考进行系统误差的标定。
[0014] 本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的 一种微孔衍射波前质量的测量方法，所述方法包括以下步骤：
[0015] 步骤a，以高精度平面波生成器产生的高精度平面参考波前直接照射夏克-哈特 曼波前传感器，被所述夏克-哈特曼波前传感器中的微透镜阵列聚焦在探测器上形成参考 光斑阵列，记录所述参考光斑阵列的位置信息；
[0016] 步骤b，在所述高精度平面波生成器与所述夏克-哈特曼波前传感器之间依次设 置聚焦物镜、微孔板和可变光阑，使所述微孔板位于所述聚焦物镜的焦平面，所述微孔板的 微孔位于所述聚焦物镜的焦点处，所述可变光阑位于所述微孔板与所述夏克-哈特曼波前 传感器之间，且与所述微孔板相距一定距离；
[0017] 步骤c，所述高精度平面波生成器产生的高精度平面参考波前经所述聚焦物镜后 在所述聚焦物镜的焦平面上得到一个微小的艾里斑，所述艾里斑经所述微孔衍射后产生的 一个近于理想的球面波，所述球面波经所述可变光阑到达所述夏克-哈特曼波前传感器， 被所述夏克-哈特曼波前传感器中的所述微透镜阵列聚焦在所述探测器上形成光斑阵列， 记录所述光斑阵列的位置信息；
[0018] 步骤d，根据所述光斑阵列的位置信息与所述参考光斑阵列的位置信息通过区域 法进行波前的重建，计算获得微孔衍射波前W ;
[0019] 步骤e，根据所述微孔衍射波前W通过最小二乘的方法计算获得最佳参考波前WO， 所述微孔衍射波前W与所述最佳参考波前WO之间的偏差AW为微孔衍射波前的偏差；以及
[0020] 步骤f，根据所述探测器上的所述光斑阵列的强度分布，计算所述微孔衍射波前W 的强度均匀性。
[0021] 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
[0022] 前述的微孔衍射波前质量的测量方法，其中在所述步骤c之前还包括步骤g，调节 所述可变光阑的通光孔口径、所述微孔板的位置和所述夏克-哈特曼波前传感器的俯仰和 偏摆角，使所述探测器上的光强最大，分布接近于旋转对称，且所述聚焦物镜、所述微孔板 和所述夏克-哈特曼波前传感器的中心在一条线