基于朗奇剪切干涉仪的相位提取方法
【专利摘要】一种基于朗奇剪切干涉仪的相位提取方法，该方法采用的朗奇剪切干涉仪结构包括光源、聚焦透镜、散射光学元件、一维衍射光栅板、被测光学系统平台、棋盘光栅、二维光电传感器和计算机。在被测光学系统物平面和像平面分别放置一维衍射光栅和棋盘光栅，通过采集相移间隔为π/4的9幅干涉条纹图计算相位，消除朗奇剪切干涉中多级衍射光干涉对相位提取精度的影响。本发明的相位提取方法，消除0级与±1级以外的较高级次衍射项的影响，降低波像差检测中相位提取的系统误差，提高光学系统的波像差检测精度。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及剪切干涉仪，特别是一种基于朗奇剪切干涉仪的相位提取方法。 基于朗奇剪切干涉仪的相位提取方法
【背景技术】
[0002] 朗奇剪切干涉是一种采用了扩展光源调制光场空间相干性的剪切干涉，具有不需 要单独的理想参考波面、易实现共光路干涉、没有空间光程误差、检测精度高、灵敏度高等 优点。朗奇剪切干涉引入了相移干涉技术，通过横向移动光栅，在剪切波面和〇级波面之间 引入稳定的相位差，通过改变相移量得到多幅干涉图，计算被测相位分布，求出被测光学系 统波像差。为了获得原始波前，需要对干涉图进行相位提取，相位提取是干涉测量的重要步 骤，相位提取精度直接影响到最终的检测精度。常用的干涉图相位提取方法包括两类，分别 是频域法和时域法。频域法主要采用傅里叶变换法，而时域法主要采用相移干涉技术。朗 奇剪切干涉仪采用相移干涉技术进行相位提取，相移干涉技术计算简单、速度快、精度高， 但影响测量精度的误差因素较多：一方面来自外界环境，如空气清洁度、实验平台震动、空 气扰动等；另一方面来自干涉仪内部，如相移器压电晶体的标定误差与非线性误差、光学系 统的加工误差和装调后的剩余误差、光电传感器的非线性误差等。对于朗奇剪切干涉仪，当 剪切率较小时，剪切光栅除了 ± 1级与〇级发生干涉获得需要的干涉条纹之外，更高级次的 衍射项也会与〇级光发生干涉，严重影响相位提取的精度。朗奇剪切干涉仪对相移器的要 求不高，光栅位移量在几百nm量级，因此相移误差较小，在保证较好的测量环境的情况下， 光栅多级衍射光的相互影响可以看作是朗奇剪切干涉仪的主要误差源，因此消除多级衍射 误差是朗奇剪切干涉仪应用于高精度光学系统波像差检测的前提。
[0003] Joseph Braat等提出一种用扩展光源改进的朗奇剪切干涉仪（在先 技术[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)。此干涉仪采用+1级与-1级衍射光的干涉进行提取相 位，但没有考虑高次衍射级次的影响，从而引入了一定的系统误差，进而降低了位移的测量 精度；并且该方法只适用于数值孔径较小的光学系统中，在对大数值孔径的光学系统的检 测过程中会引入大量的测量误差。
[0004] Yucong Zhu等提出一种二维光栅相移干涉仪的相位提取算法（在先技术 [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)。该二维光栅干涉仪米用 物面光栅作为扩展光源，其周期为像面光栅周期与被测光学系统成像放大倍数的乘积，物 面光栅和像面光栅都是正交光栅，算法只采用〇级光与± 1级的干涉进行相位提取，通过相 移消除不需要的光栅±3级和±5级衍射项的影响。但是该方法以正交光栅作为物面光栅， 对光场空间相干性的调制结果复杂，出现了许多X轴和y轴之外的衍射项，从而引入了大量 的噪声项，严重影响检测精度。
[0005] Matthieu Visser等提出一种应用于EUV光刻物镜波像差检测的扩展光源干涉仪 (在先技术[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)。该干涉仪物面光 栅和像面光栅都是采用一维朗奇光栅，采用5步相移法可以减小±3级与0级衍射光干涉 引入的对相位提取的影响，但是难以消除其他较高级次的衍射项与〇级的干涉。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种基于朗奇剪切干涉仪的相 位提取方法。该方法消除朗奇剪切干涉仪检测过程中像面光栅多级衍射光对相位提取精度 的影响，提高被测光学系统的波像差检测准确度。
[0007] 本发明的技术解决方案如下：
[0008] -种基于朗奇剪切干涉仪的相位提取方法，该方法采用的检测装置是朗奇剪切干 涉仪，该朗奇剪切干涉仪的结构包括：沿光源输出光束方向依次是聚焦透镜、散射光学元 件、一维衍射光栅板、被测光学系统平台、棋盘光栅和二维光电传感器；所述的一维衍射光 栅板置于物面光栅位移台上，所述的棋盘光栅置于像方光栅位移台上，所述的二维光电传 感器与计算机相连；
[0009] 所述的散射光学元件是毛玻璃、微透镜阵列等使照明光束在被测光学系统数值孔 径内均匀照明的光学元件；
[0010] 所述的一维衍射光栅板由周期P。且占空比为50%的两个物面一维衍射光栅组成， 分别是光栅线沿y方向的第一光栅和光栅线沿X方向的第二光栅。
[0011] 所述的第一光栅和第二光栅是相位光栅或振幅光栅。
[0012] 所述的物面一维衍射光栅的周期P。与所述的像面棋盘光栅的周期Pi满足如下关 系，
[0013] P。= Pi · Μ
[0014] 其中，Μ为被测光学系统的成像放大倍数；
[0015] 所述的被测光学系统数值孔径为ΝΑ，成像放大倍数为Μ: 1 ;
[0016] 所述的棋盘光栅是具有棋盘形布局，透光单元与遮光单元均为大小相同的正方 形，每个透光单元周围为4个遮光单元，每个遮光单元周围为4个透光单元；所述的棋盘光 栅的周期Pi等于正方形的对角线长度；所述的棋盘光栅透光单元和遮光单元的对角线方向 平行于X轴和y轴方向；周期Pi的大小由光源的波长λ、被测光学系统的数值孔径NA、剪 切率s确定，
[0017]
【权利要求】
1. 一种基于朗奇剪切干涉仪的相位提取方法，该方法采用的检测装置是朗奇剪切干涉 仪，该朗奇剪切干涉仪的结构包括：沿光源（1)输出光束方向依次是聚焦透镜（2)、散射光 学元件（3)、一维衍射光栅板（4)、被测光学系统平台、棋盘光栅（7)和二维光电传感器（9); 所述的一维衍射光栅板（4)置于物面光栅位移台（5)上，所述的棋盘光栅（7)置于像方光 栅位移台（8)上，所述的二维光电传感器（9)与计算机（10)相连；其特征在于该方法的步 骤如下： ① 将被测光学系统（6)置于所述的被测光学系统平台上，调整朗奇剪切干涉仪，使所 述的光源（1)位于被测光学系统（6)的物面，选择周期等于光源（1)的波长λ除以两倍被 测光学系统（6)的数值孔径ΝΑ与剪切率s的乘积的像面棋盘光栅（7)，再选择周期为被测 光学系统（6)工作距离处的放大倍数乘以像面光栅（7)周期的一维衍射光栅板（4);一维 衍射光栅板（4)置于物面光栅位移台（5)上，并调整到被测光学系统（6)的物面上，移动物 面光栅位移台（5)，将一维衍射光栅板（4)上的第一光栅（401)移入被测光学系统（6)的物 方视场点位置；棋盘光栅（7)置于像面光栅位移台（8)上，并调整到被测光学系统（6)的像 面上，移动像面光栅位移台（8)，将棋盘光栅（7)移入被测光学系统￠)的像方光路； ② 调整物面光栅位移台（5)和像面光栅位移平台（8)，对准第一光栅（401)和棋盘光栅 (701)，并调整二维光电传感器（9)的位置，使探测面上获得条纹清晰的干涉图； ③ 像面光栅位移台（8)沿X方向移动棋盘光栅（701)，移动9次，每次移动1/8光栅周 期，每次移动后二维光电传感器（9)采集一幅剪切干涉图I xk，其中k = 1，2, 3. ..，9 ;根据9 幅干涉条纹图，按下列公式计算相位：
其中，Λ为被测波前沿X方向的相位，代表被测波前在X方向上的梯度信息； ④ 移动所述的物面光栅位移台（5)，将一维衍射光栅板（4)上的第二光栅（402)移入 被测光学系统￠)的物方视场点位置，重新调整物面光栅位移台（5)和像面光栅位移平台 (8)，对准第二光栅（402)和棋盘光栅（701); ⑤ 像面光栅位移台（8)沿y方向移动棋盘光栅（701)，移动9次，每次移动1/8光栅周 期，每次移动后二维光电传感器（9)采集一幅剪切干涉图Iyk，其中k = 1，2, 3. ..，9 ;根据9 幅干涉条纹图，按下列公式计算相位：
其中，％为被测波前沿y方向的相位，代表被测波前在y方向上的梯度信息； ⑥ 对上述相位提取结果解包裹，分别得到X方向和y方向的差分波前Λ Wx和Λ Wy进行 剪切干涉波前重建，获得被测光学系统（6)波前。
【文档编号】G01J9/02GK104111120SQ201410360070
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】吴飞斌, 唐锋, 王向朝, 李 杰, 李永 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所