CN101183042A - 点衍射干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种点衍射干涉仪，包括光源模块、可产生理想球面波的掩模、可产生多级次衍射光的光学衍射元件、图像传感器以及光学元件，将被测光学元件放置于所述掩模与光学衍射元件之间，所述光学元件可以全部透过部分级次的衍射光，而其中某一级次的衍射光的一部分透过而另外一部分被衍射，所述光学元件还可以全部透过部分级次的衍射光，而其中某一级次的衍射光被衍射，或者所述光学元件由多个窗口与小孔构成，所述窗口可以选择性的透过部分级次的衍射光，而未被衍射的光则经过所述光学元件上的小孔衍射。本发明的点衍射干涉仪通过同时产生的多幅干涉图进行测量，提高采样频率，简化了整个系统的设计和操作，并且避免了移相元件的运动误差。

Description

点衍射干涉仪

技术领域

本发明涉及一种光学系统波像差测量技术，特别是一种通过同时产生的多幅干涉图进行测量的点衍射干涉仪。

背景技术

光学元件及系统的检测是光学加工中的一个重要的、不可或缺的环节。近年来，随着光学技术的不断发展，对光学仪器精度的要求不断提高。为了满足这种精度上的要求，光学设计对光学元件的面形精度提出了更高的要求。光学加工中一个基本的原则是：光学加工的精度不可能超过检测精度。随着光学加工技术的不断发展，光学检测能力成为高面形精度的光学元件加工的瓶颈。与此同时，对光学系统总体质量的检测也是高精度光学仪器制造与装调中的重要环节。通过对光学系统总体质量的检测可以得出光学系统的成像质量，从而为光学系统提供衡量标准以及校准依据，同时也可以反映光学设计的合理性。因此，光学系统总体质量的检测精度的提高对于光学系统的总体质量具有重要意义。

光学元件面形的检测以及光学系统像质的检测均属于光学平滑波面的检测。光学元件面形的检测主要包括平面、凹凸球面及非球面的测量，给出加工表面的几何特性，采用反射方式检测；对光学系统像质的检测主要包括棱镜、透镜及其组成的光学系统的检测，给出元件及系统的总的像质，采用透射方式检测。实现光学平滑波面检测的方法很多，尤其是激光光源被引入后，计量系统和方法大大简化，功能也得到增强。常用的干涉计量技术有：Fizeau干涉仪、Twyman-Green干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪及剪切干涉仪。点衍射干涉仪是一种较特殊的干涉仪，随着光学检测精度的要求不断提高，正日益显现出其优点并广泛应用于各种光学平滑波面的高精度检测。

现有技术中公开的移相点衍射干涉仪可以归结为两类不同结构的测量光学系统(元件)波前相位的移相点衍射干涉仪(Phase-Shifting Point DiffractionInterferometer，以下简称PS/PDI)。

一种PS/PDI由设有一小孔的物面板、透射光栅、设有一对小孔的像面板，以及CCD探测器所组成。由物衍射小孔产生理想的空间相干的球面波照明被测光学系统(元件)，由被测光学系统(元件)会聚光经过透射光栅发生衍射在像面板上形成不同级次的衍射光。其中，透射光栅的作用相当于小角度分束器，把干涉所需要的参考光从物光中分离出来。+1级(或0级)衍射光经过在像面板上的一个小孔衍射产生理想的球面波作为参考光；0级(或+1级)衍射光作为物光则经过像面板上一个窗口(即较大的孔)因而可以几乎不受影响；其它的衍射级次被像面板的不透明部分阻挡。物光和参考光发生干涉并在CCD探测器上形成干涉条纹。移相的光程是通过沿光轴移动光栅控制各级次之间的相位差来完成的。光栅移动一个光栅周期，+1级衍射光的位相移动一个周期，而0级衍射光的位相保持不变。这种PS/PDI通常采用+1级衍射光进行小孔滤波作为参考光，从而降低了对所使用的透射光栅的光学性能要求。但由于+1级衍射光的光强小于0级衍射光，且经过小孔滤波，故所得到干涉图样对比度较低。如采用+1级衍射光作为物光，虽然能提高干涉条纹的对比度，但对投射光栅的光学性能要求较高。

另一种PS/PDI的被测透镜前的照明系统焦点位于被测光学系统(元件)的物面上。作为分束器的透射光栅放置于物面之前，在物面上产生多个焦点。一个含有小孔以及窗口(即较大的孔)的物面板放在物面上，0级衍射光经过小孔产生理想的球面波，+1级衍射光则基本上无衰减的直接通过窗口。两束光经被测光学系统(元件)后，被聚焦于像面上两点。像面上放置另一个含有小孔以及窗口的像面板，这里0级衍射光经过窗口作为物光，而+1级衍射光经过小孔衍射作为参考光。这种PS/PDI的参考光和物光都只经过了一次小孔滤波，相对于前一种PS/PDI来说提高了参考光的光强，在不增加对透射光栅性能要求的同时提高了对比度。但由于照射在物面的光束间距必须小于物面上两光束之间的距离，这对于EUV是很困难的，而对于可见光和深紫外可以采用普通的透镜和激光器来达到这一点。所以，第一种PS/PDI主要用于EUV波段投影物镜系统的检测，而第二种PS/PDI应用于可见光、紫外以及深紫外波段的广大频谱区域。

然而，在上述的现有技术中均采用了通过移动光栅或者其它分束器件的方法产生相移，因此测量结果较易受到环境的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单并且测量结果稳定的点衍射干涉仪。

为了达到上述的目的，本发明提供一种点衍射干涉仪，包括光源模块、可产生理想球面波的掩模、可产生多级次衍射光的光学衍射元件、图像传感器以及光学元件，将一被测光学系统放置于所述掩模与光学衍射元件之间，其中，所述光学元件可以全部透过部分级次的衍射光，而其中某一级次的衍射光的一部分透过而另外一部分被衍射。

根据本发明所述的点衍射干涉仪，其中，所述的光学元件包括多个可透过衍射光的窗口，其中至少有一个窗口为双通道窗口，该双通道窗口由小孔以及透过率较低的区域组成，用于选择0级衍射光。

根据本发明所述的点衍射干涉仪，其中，所述光学衍射元件为振幅光栅或位相光栅。

本发明所述的点衍射干涉仪对多路带有不同相移的衍射光的光信号信息求解，以获取所述被测光学系统的波像差。

根据本发明所述的点衍射干涉仪，其中，所述掩模上设有能产生理想球面波小孔，或者可由小孔阵列，通过同时移动所述光学衍射元件、图像传感器以及光学元件，以获取所述被测光学系统在不同视场位置处的波像差。

根据本发明所述的点衍射干涉仪，其中，所述光源模块产生的光包括相干光与非相干光。

本发明还提供一种点衍射干涉仪，其包括光源模块、可产生理想球面波的掩模、可产生多级次衍射光的光学衍射元件、图像传感器以及光学元件，将一被测光学系统放置于所述掩模与光学衍射元件之间，其中，所述光学元件可以全部透过部分级次的衍射光，而其中某一级次的衍射光被衍射，其中，所述的光学元件包括多个可透过衍射光的窗口以及可通过衍射产生理想球面波的小孔。

本发明还提供一种点衍射干涉仪，其包括：光源模块，可产生空间相干光，使得掩模上的小孔以及窗口的光空间相干，具有可通过衍射产生理想球面波的小孔以及高透过率窗口的掩模、可产生多级次衍射光的光学衍射元件、图像传感器以及光学元件，将一被测光学系统放置于所述掩模与光学衍射元件之间，所述光学元件由多个窗口与小孔构成，其中，所述窗口可以选择性的透过部分级次的衍射光，而未被衍射的光则经过所述光学元件上的小孔衍射。

本发明的点衍射干涉仪通过同时产生的多幅干涉图进行测量，提高采样频率，简化了整个系统的设计和操作，并且避免了移相元件的运动误差。

附图说明

通过以下对本发明的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1为本发明的第一实施例的点衍射干涉仪的总体结构图；

图2a及图2b为本发明的第一实施例点衍射干涉仪的掩模与光学元件的形态示意图；

图3为本发明的第二实施例的点衍射干涉仪的总体结构图；

图4为本发明的第二实施例点衍射干涉仪的光学元件的形态示意图；

图5a及图5b为本发明的第三实施例点衍射干涉仪的掩模与光学元件的形态示意图。

具体实施方式

以下将结合几个较佳的实施例对本发明的点衍射干涉仪作进一步的详细描述。在以下各实施例中，本发明点衍射干涉仪具体为一物镜检测干涉仪，其是利用光纤作为传输光路，产生标准波前，并采用共路干涉系统实现投影物镜的像差检测。具体装置如下：

首先请参阅图1，图1是本发明的第一实施例的投影物镜检测系统的总体结构图。光源模块1发出的光经过掩模2，掩模上放置有小孔，小孔产生衍射，衍射光进入被测光学系统3，经过被测光学系统3后经过衍射光学元件4产生多束衍射光，多束光线经过光学元件5，光学元件5可以全部透过部分级次的衍射光，而其中某一级次的衍射光(如0级光)部分透过部分被衍射。

可对通过调整衍射光学元件4在XY和Z方向进行调整，以便找到最佳位置。测量光从光学元件5中的小孔衍射出来后产生近似标准的球面波前，对小孔的直径要求是测量小孔小于投影物镜分辨率。

经过小孔衍射的参考光和直接透射的测量光进行干涉，被CCD6接收到干涉条纹。CCD6可以为1个CCD，也可以为多个CCD对干涉图样进行接收。

由于需要将CCD上接收的光强控制在合适的能量下，所以需要对光源的能量进行控制，可通过直接控制激光器能量或者在光路中增加可调衰减片进行。

掩模2和光学元件5的设计可如图2a以及图2b所示，掩模2上设有小孔21，光学元件5包括窗口51与54，小孔53以及透过率较低的0极光区域52。这样窗口51与54透过的+1级与-1级以及透过率较低的0级光可以和小孔53的衍射光形成在CCD进行干涉，同时得到3幅干涉条纹。可以通过改变衍射光学元件4的设计在各级次产生不同的能量分布，并通过调整0级光的透过率从而使得+1级与-1级以及透过率较低的0级光可以和小孔53的衍射光的光强近似，从而提高CCD上干涉图样的对比度。此外，在本实施例中，可在光学元件5与CCD6之间增加光学元件61，使得干涉模块CCD位置和被测物镜的光瞳为共轭成像关系。

本干涉仪除分光模块外，其它均为共路部分，所以除分光模块外其它元件的误差基本不会引起波前测量误差，而标准球面波本身由小孔衍射得来，所以引入的波前误差也非常小，所以该干涉仪只要精确控制分光模块的质量就可以得到较好的检测精度。

由于小孔衍射光强不均匀，相移条纹分析方法可以最大程度消除CCD面的光强不均匀性的导致的波前分析误差，另外相移条纹分析还可以有效减小CCD背景噪声，固有电子和光子噪声等影响，对于上述光学元件可以采用三步相移。

CCD采集到的干涉图样的光强分布可以表示为：

I(x，y，P)＝I_d(x，y)+I_a(x，y)cos[φ(x，y)-δ(P)]式中，I_d(x，y)为干涉场的直流光强分布；

I_a(x，y)为干涉场的交流光强分布；

φ(x，y)为被检波面与参考波面的相位差分布，即相移干涉的测量对象波像差；

δ(P)为不同级次中的可变相位。

可通过光栅设计确定三个不同窗口得到的干涉图形相位δ(P)，测量三幅相位变化的干涉图中的光强分布I(x，y，P)，并对φ(x，y)进行精确求解。上式可改写为：

I(x，y，δ_i)＝a₀(x，y)+a₁(x，y)cosδ_i+a₂(x，y)sinδ_i

式中a₀(x，y)＝I_d(x，y)

a₁(x，y)＝I_a(x，y)cos[φ(x，y)]

a₂(x，y)＝-I_a(x，y)sin[φ(x，y)]

被测相位φ(x，y)可以通过a₂(x，y)与a₁(x，y)的比值求得：

$\mathrm{\φ}(x,y)=\mathrm{arctg}\left(\frac{a_2(x,y)}{a_1(x,y)}\right)$

如适当设计光栅以及光学元件5，使得三个不同窗口得到的干涉图形相位δ(P)分别为：δ₁＝π/4，δ₂＝3π/4，δ₃＝5π/4，带入以上公式得到：

$\mathrm{\φ}(x,y)=\mathrm{atctg}\left(\frac{I_3(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_2(x,y)}\right)$

上式中I₁、I₂、I₃分别为三幅图像中的光强值，这样通过每个象素位置的三个光强值得到波前每个点的相位值，可通过拟和得到整个波前的相位值。

在本发明的第二实施例中，光学元件5的设计可如图4所示，光学元件5可包括窗口51、54、55、56，以及直径较小的小孔52。这样窗口51与54透过的+1级、-1级、+2级、-2级以及小孔53的衍射光形成在CCD进行干涉，同时得到4幅干涉条纹。可以通过改变衍射光学元件4的设计在各级次产生不同的能量分布，并通过调整0级光的透过率从而使得+1级与-1级以及透过率较低的0级光可以和小孔53的衍射光的光强近似，从而提高CCD上干涉图样的对比度。此外，在本实施例中，可在光学元件5与CCD6之间增加光学元件61，使得干涉模块CCD位置和被测物镜的光瞳为共轭成像关系。

CCD采集到的干涉图样的光强分布可以表示为：

I(x，y，P)＝I_d(x，y)+I_a(x，y)cos[φ(x，y)-δ(P)]

式中，I_d(x，y)为干涉场的直流光强分布；

I_a(x，y)为干涉场的交流光强分布；

φ(x，y)为被检波面与参考波面的相位差分布，即相移干涉的测量对象波像差；

δ(P)为不同级次中的可变相位。

可通过光栅设计确定四个不同窗口得到的干涉图形相位δ(P)，测量四幅相位变化的干涉图中的光强分布I(x，y，P)，并对φ(x，y)进行精确求解。上式可改写为：

I(x，y，δ_i)＝a₀(x，y)+a₁(x，y)cosδ_i+a₂(x，y)sinδ_i

式中a₀(x，y)＝I_d(x，y)

    a₁(x，y)＝I_a(x，y)cos[φ(x，y)]

    a₂(x，y)＝-I_a(x，y)sin[φ(x，y)]

被测相位φ(x，y)可以通过a₂(x，y)与a₁(x，y)的比值求得：

$\mathrm{\φ}(x,y)=\mathrm{arctg}\left(\frac{a_2(x,y)}{a_1(x,y)}\right)$

如适当设计光栅以及光学元件5，使得四个不同窗口得到的干涉图形相位δ(P)分别为：δ₁＝0，δ₂＝π/2，δ₃＝π，δ₄＝3π/2，带入以上公式得到：

$\mathrm{\φ}(x,y)=\mathrm{arctg}\left(\frac{I_4(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_3(x,y)}\right)$

上式中I₁、I₂、I₃、I₄分别四幅图像中的光强值，这样通过每个象素位置的四个光强值得到波前每个点的相位值，最好通过拟和得到整个波前的相位值。

在第三实施例中，为了获得较好的对比度，掩模2与光学元件5的设计可如图5a及图5b所示。掩模2上包括两个透光区域：小孔21与窗口22。光学元件5可包括窗口51、57、54，与小孔58。通过小孔21的光线经过衍射后经被测光学系统3，被衍射光学元件4衍射后，这样窗口51、57、54分别透过的+1级、0级、-1级衍射光，即三束物光。通过窗口22的光线经过衍射后经被测光学系统3后会聚于小孔58，经过小孔衍射后形成理想的球面波为参考光。三束物光与参考光在CCD进行干涉，同时得到3幅干涉条纹。可以通过改变衍射光学元件4的设计在各级次产生不同的能量分布，并通过调整0级光的透过率从而使得+1级与-1级以及透过率较低的0级光可以和小孔58的衍射光的光强近似，从而提高CCD上干涉图样的对比度。

Claims (19)

1.一种点衍射干涉仪，包括沿光路依次排列的光源模块、可产生理想球面波的掩模、可产生多级次衍射光的光学衍射元件、光学元件以及图像传感器，将一被测光学系统放置于所述掩模与光学衍射元件之间，其特征在于，所述光学元件可以全部透过部分级次的衍射光，而其中某一级次的衍射光的一部分透过而另外一部分被衍射。

2.如权利要求1所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述光学元件包括多个可透过衍射光的窗口，其中至少有一个窗口为双通道窗口，所述双通道窗口由小孔以及透过率较低的区域组成。

3.如权利要求2所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述双通道窗口用于选择0级衍射光。

4.如权利要求1所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述光学衍射元件为振幅光栅或位相光栅。

5.如权利要求1所述的点衍射干涉仪，其特征在于，对多路带有不同相移的衍射光的光信号信息求解，以获取所述被测光学系统的波像差。

6.如权利要求1所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述掩模上设有能产生理想球面波小孔。

7.如权利要求1所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述掩模上设有小孔阵列，通过同时移动所述光学衍射元件、图像传感器以及光学元件，以获取所述被测光学系统在不同视场位置处的波像差。

8.如权利要求1所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述的光源模块产生的光包括相干光与非相干光。

9.一种点衍射干涉仪，其包括光源模块、可产生理想球面波的掩模、可产生多级次衍射光的光学衍射元件，图像传感器以及光学元件，将一被测光学系统放置于所述掩模与光学衍射元件之间，其特征在于，所述光学元件可以全部透过部分级次的衍射光，而其中某一级次的衍射光被衍射。

10.如权利要求9所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述的光学元件包括多个可透过衍射光的窗口以及可通过衍射产生理想球面波的小孔。

11.如权利要求9所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述光学衍射元件为振幅光栅或位相光栅。

12.如权利要求9所述的点衍射干涉仪，其特征在于，对多路带有不同相移的衍射光的光信号信息求解，以获取所述被测光学系统的波像差。

13.如权利要求9所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述掩模上设有能产生理想球面波小孔。

14.如权利要求9所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述掩模上设有小孔阵列，通过同时移动所述光学衍射元件、图像传感器以及光学元件，以获取所述被测光学系统在不同视场位置处的波像差。

15.如权利要求9所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述的光源模块产生的光包括相干光与非相干光。

16.一种点衍射干涉仪，其包括：光源模块，可产生空间相干光，使得掩模上的小孔以及窗口的光空间相干，具有可通过衍射产生理想球面波的小孔以及高透过率窗口的掩模、可产生多级次衍射光的光学衍射元件、图像传感器以及光学元件，将一被测光学系统放置于所述掩模与光学衍射元件之间，其特征在于，所述光学元件由多个窗口与小孔构成，其中，所述窗口可以选择性的透过部分级次的衍射光，而未被衍射的光则经过所述光学元件上的小孔衍射。

17.如权利要求16所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述光源模块可由非相干光源与可产生衍射的光学元件构成。

18.如权利要求16所述的点衍射干涉仪，其特征在于，对多路带有不同相移的衍射光的光信号信息求解，以获取所述被测光学系统的波像差。

19.如权利要求16所述的点衍射干涉仪，其特征在于，所述掩模上设有多个小孔与窗口的阵列，通过同时移动所述光学衍射元件、图像传感器以及光学元件，以获取所述成像系统在不同视场位置处的波像差。

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