基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法
【專利摘要】一種基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法，該方法采用的朗奇剪切干涉儀結構包括光源、聚焦透鏡、散射光學元件、一維衍射光柵板、被測光學系統平臺、棋盤光柵、二維光電傳感器和計算機。在被測光學系統物平面和像平面分別放置一維衍射光柵和棋盤光柵，通過采集相移間隔為π/4的9幅干涉條紋圖計算相位，消除朗奇剪切干涉中多級衍射光干涉對相位提取精度的影響。本發明的相位提取方法，消除0級與±1級以外的較高級次衍射項的影響，降低波像差檢測中相位提取的系統誤差，提高光學系統的波像差檢測精度。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及剪切干涉儀，特別是一種基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法。 基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法
【背景技術】
[0002] 朗奇剪切干涉是一種采用了擴展光源調制光場空間相干性的剪切干涉，具有不需 要單獨的理想參考波面、易實現共光路干涉、沒有空間光程誤差、檢測精度高、靈敏度高等 優點。朗奇剪切干涉引入了相移干涉技術，通過橫向移動光柵，在剪切波面和〇級波面之間 引入穩定的相位差，通過改變相移量得到多幅干涉圖，計算被測相位分布，求出被測光學系 統波像差。為了獲得原始波前，需要對干涉圖進行相位提取，相位提取是干涉測量的重要步 驟，相位提取精度直接影響到最終的檢測精度。常用的干涉圖相位提取方法包括兩類，分別 是頻域法和時域法。頻域法主要采用傅里葉變換法，而時域法主要采用相移干涉技術。朗 奇剪切干涉儀采用相移干涉技術進行相位提取，相移干涉技術計算簡單、速度快、精度高， 但影響測量精度的誤差因素較多：一方面來自外界環境，如空氣清潔度、實驗平臺震動、空 氣擾動等；另一方面來自干涉儀內部，如相移器壓電晶體的標定誤差與非線性誤差、光學系 統的加工誤差和裝調后的剩余誤差、光電傳感器的非線性誤差等。對于朗奇剪切干涉儀，當 剪切率較小時，剪切光柵除了 ± 1級與〇級發生干涉獲得需要的干涉條紋之外，更高級次的 衍射項也會與〇級光發生干涉，嚴重影響相位提取的精度。朗奇剪切干涉儀對相移器的要 求不高，光柵位移量在幾百nm量級，因此相移誤差較小，在保證較好的測量環境的情況下， 光柵多級衍射光的相互影響可以看作是朗奇剪切干涉儀的主要誤差源，因此消除多級衍射 誤差是朗奇剪切干涉儀應用于高精度光學系統波像差檢測的前提。
[0003] Joseph Braat等提出一種用擴展光源改進的朗奇剪切干涉儀（在先 技術[1], Joseph Braat, Augustus J. E. Janssen, "Improved Ronchi test with extended source，'，Journal of the Optical Society of America A Vol. 16, No. 1，1999, pp: 131-140)。此干涉儀采用+1級與-1級衍射光的干涉進行提取相 位，但沒有考慮高次衍射級次的影響，從而引入了一定的系統誤差，進而降低了位移的測量 精度；并且該方法只適用于數值孔徑較小的光學系統中，在對大數值孔徑的光學系統的檢 測過程中會引入大量的測量誤差。
[0004] Yucong Zhu等提出一種二維光柵相移干涉儀的相位提取算法（在先技術 [2],Yucong Zhu,Satoru Odate, Ayako Sugaya, et al., "Method for designing phase-calculation algorithms for two-dimensional grating phase shifting interferometry"，Applied Optics, 2011, 50 (18) :p. 2815-2822)。該二維光柵干涉儀米用 物面光柵作為擴展光源，其周期為像面光柵周期與被測光學系統成像放大倍數的乘積，物 面光柵和像面光柵都是正交光柵，算法只采用〇級光與± 1級的干涉進行相位提取，通過相 移消除不需要的光柵±3級和±5級衍射項的影響。但是該方法以正交光柵作為物面光柵， 對光場空間相干性的調制結果復雜，出現了許多X軸和y軸之外的衍射項，從而引入了大量 的噪聲項，嚴重影響檢測精度。
[0005] Matthieu Visser等提出一種應用于EUV光刻物鏡波像差檢測的擴展光源干涉儀 (在先技術[3]，Matthieu Visser，Marti jn K.Dekker，Petra Hegeman，et al·，"Extended source interferometry for at-wavelength test of EUV-〇ptics，'，Emerging Lithographic Technologies Iii，Pts 1 and 2, 1999. 3676:p. 253-263)。該干涉儀物面光 柵和像面光柵都是采用一維朗奇光柵，采用5步相移法可以減小±3級與0級衍射光干涉 引入的對相位提取的影響，但是難以消除其他較高級次的衍射項與〇級的干涉。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服上述在先技術的不足，提供一種基于朗奇剪切干涉儀的相 位提取方法。該方法消除朗奇剪切干涉儀檢測過程中像面光柵多級衍射光對相位提取精度 的影響，提高被測光學系統的波像差檢測準確度。
[0007] 本發明的技術解決方案如下：
[0008] -種基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法，該方法采用的檢測裝置是朗奇剪切干 涉儀，該朗奇剪切干涉儀的結構包括：沿光源輸出光束方向依次是聚焦透鏡、散射光學元 件、一維衍射光柵板、被測光學系統平臺、棋盤光柵和二維光電傳感器；所述的一維衍射光 柵板置于物面光柵位移臺上，所述的棋盤光柵置于像方光柵位移臺上，所述的二維光電傳 感器與計算機相連；
[0009] 所述的散射光學元件是毛玻璃、微透鏡陣列等使照明光束在被測光學系統數值孔 徑內均勻照明的光學元件；
[0010] 所述的一維衍射光柵板由周期P。且占空比為50%的兩個物面一維衍射光柵組成， 分別是光柵線沿y方向的第一光柵和光柵線沿X方向的第二光柵。
[0011] 所述的第一光柵和第二光柵是相位光柵或振幅光柵。
[0012] 所述的物面一維衍射光柵的周期P。與所述的像面棋盤光柵的周期Pi滿足如下關 系，
[0013] P。= Pi · Μ
[0014] 其中，Μ為被測光學系統的成像放大倍數；
[0015] 所述的被測光學系統數值孔徑為ΝΑ，成像放大倍數為Μ: 1 ;
[0016] 所述的棋盤光柵是具有棋盤形布局，透光單元與遮光單元均為大小相同的正方 形，每個透光單元周圍為4個遮光單元，每個遮光單元周圍為4個透光單元；所述的棋盤光 柵的周期Pi等于正方形的對角線長度；所述的棋盤光柵透光單元和遮光單元的對角線方向 平行于X軸和y軸方向；周期Pi的大小由光源的波長λ、被測光學系統的數值孔徑NA、剪 切率s確定，
[0017]
【權利要求】
1. 一種基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法，該方法采用的檢測裝置是朗奇剪切干涉 儀，該朗奇剪切干涉儀的結構包括：沿光源（1)輸出光束方向依次是聚焦透鏡（2)、散射光 學元件（3)、一維衍射光柵板（4)、被測光學系統平臺、棋盤光柵（7)和二維光電傳感器（9); 所述的一維衍射光柵板（4)置于物面光柵位移臺（5)上，所述的棋盤光柵（7)置于像方光 柵位移臺（8)上，所述的二維光電傳感器（9)與計算機（10)相連；其特征在于該方法的步 驟如下： ① 將被測光學系統（6)置于所述的被測光學系統平臺上，調整朗奇剪切干涉儀，使所 述的光源（1)位于被測光學系統（6)的物面，選擇周期等于光源（1)的波長λ除以兩倍被 測光學系統（6)的數值孔徑ΝΑ與剪切率s的乘積的像面棋盤光柵（7)，再選擇周期為被測 光學系統（6)工作距離處的放大倍數乘以像面光柵（7)周期的一維衍射光柵板（4);一維 衍射光柵板（4)置于物面光柵位移臺（5)上，并調整到被測光學系統（6)的物面上，移動物 面光柵位移臺（5)，將一維衍射光柵板（4)上的第一光柵（401)移入被測光學系統（6)的物 方視場點位置；棋盤光柵（7)置于像面光柵位移臺（8)上，并調整到被測光學系統（6)的像 面上，移動像面光柵位移臺（8)，將棋盤光柵（7)移入被測光學系統￠)的像方光路； ② 調整物面光柵位移臺（5)和像面光柵位移平臺（8)，對準第一光柵（401)和棋盤光柵 (701)，并調整二維光電傳感器（9)的位置，使探測面上獲得條紋清晰的干涉圖； ③ 像面光柵位移臺（8)沿X方向移動棋盤光柵（701)，移動9次，每次移動1/8光柵周 期，每次移動后二維光電傳感器（9)采集一幅剪切干涉圖I xk，其中k = 1，2, 3. ..，9 ;根據9 幅干涉條紋圖，按下列公式計算相位：
其中，Λ為被測波前沿X方向的相位，代表被測波前在X方向上的梯度信息； ④ 移動所述的物面光柵位移臺（5)，將一維衍射光柵板（4)上的第二光柵（402)移入 被測光學系統￠)的物方視場點位置，重新調整物面光柵位移臺（5)和像面光柵位移平臺 (8)，對準第二光柵（402)和棋盤光柵（701); ⑤ 像面光柵位移臺（8)沿y方向移動棋盤光柵（701)，移動9次，每次移動1/8光柵周 期，每次移動后二維光電傳感器（9)采集一幅剪切干涉圖Iyk，其中k = 1，2, 3. ..，9 ;根據9 幅干涉條紋圖，按下列公式計算相位：
其中，％為被測波前沿y方向的相位，代表被測波前在y方向上的梯度信息； ⑥ 對上述相位提取結果解包裹，分別得到X方向和y方向的差分波前Λ Wx和Λ Wy進行 剪切干涉波前重建，獲得被測光學系統（6)波前。
【文檔編號】G01J9/02GK104111120SQ201410360070
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】吳飛斌, 唐鋒, 王向朝, 李 杰, 李永 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所