CN105424325A - 点衍射干涉波像差测量仪及光学系统波像差的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种点衍射干涉波像差测量仪及光学系统波像差的检测方法,所述的点衍射干涉波像差测量仪由光源、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、理想波前发生单元、物方精密调节台、被测光学系统、像方波前检测单元、像方精密调节台和数据处理单元组成，特点在于理想波前发生单元的第一输出端和第二输出端之间的中心距离小于被测光学系统的等晕区的直径，大于被测光学系统像点弥散斑的直径除以被测光学系统的放大倍数。本发明测量仪具有检测步骤简单、测量过程具有平均效果、可实现完整数值孔径的系统误差标定和消除等优点。

Description

点衍射干涉波像差测量仪及光学系统波像差的检测方法

技术领域

本发明涉及干涉测量领域，特别是一种点衍射干涉波像差测量仪及光学系统波像差的检测方法。

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的波像差要求达到几个nmRMS，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，申请号：201310126148.5)提出了一种点衍射干涉波像差测量仪及检测方法，(参见图1)在被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，在该技术中，当像方波前检测单元中光电传感器不采用变换光学镜组，只是二维探测器时，被测光学系统数值孔径边缘小部分区域会存在干涉数据缺失，不能实现完整数值孔径的系统误差消除，而且测量步骤较为复杂。

此外，当被测光学系统波像差很小时，上述在先技术系统误差将远大于被测光学系统波像差，检测结果受系统随机噪声影响较大，需要进行多次测量求平均以提高检测精度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种点衍射干涉波像差测量仪及光学系统波像差的检测方法，以实现对光学系统波像差的高精度检测。该测量仪检测步骤简单、检测方法具有平均效应、随机噪声影响小的优点，并且被测光学系统的数值孔径边缘不存在干涉数据缺失，可实现完整数值孔径的系统误差标定和消除。

本发明的技术解决方案如下：

一种点衍射干涉波像差测量仪，构成包括：光源、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、理想波前发生单元、物方精密调节台、被测光学系统、像方波前检测单元、像方精密调节台和数据处理单元；所述的理想波前发生单元是将从其第一输入端和第二输入端输入的光转换成在待测光学系统的物方数值孔径范围内是标准球面波，并分别从其第一输出端或第二输出端输出的光学组件；其特点在于所述的理想波前发生单元的第一输出端和第二输出端之间的中心距离s_o小于被测光学系统的等晕区的直径，而大于被测光学系统像点弥散斑的直径除以被测光学系统的放大倍数。

利用上述点衍射干涉波像差测量仪对被测光学系统波像差的检测方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

1)移动物方精密调节台，使理想波前发生单元的第一输出端或第二输出端位于被测光学系统需要测量的视场点的位置；

2)移动像方精密调节台，进行精密对准，使理想波前发生单元的第一输出端的像点与像方掩模的滤波圆孔的中心对准，第二输出端的像点位于像方掩模的透光窗口内部；

3)调节第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器，使光电传感器采集到的干涉图的强度达到光电传感器的饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；通过所述的相移器进行相移量δ的相移，所述的光电传感器采集干涉图，再通过所述的相移器进行相移量δ的相移，所述的光电传感器采集另一幅干涉图，重复m次，得到一组依次相应的m幅干涉图：Ia1，Ia2，…，Iam；对该组干涉图进行相位提取和相位解包裹后得到相位分布W_a；

4)移动像方精密调节台，进行精密对准，使理想波前发生单元的第二输出端的像点与像方掩模的滤波圆孔的中心对准，第一输出端的像点位于像方掩模的透光窗口内部；

5)调节第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器，使光电传感器采集到的干涉图的强度达到光电传感器饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；通过所述的相移器进行相移量δ的相移共m次，每次所述的光电传感器采集一幅干涉图，得到一组干涉图的光强分布依次为Ib1，Ib2，…，Ibm；对该组干涉图进行相位提取和相位解包裹后得到相位分布W_b；

6)利用公式计算被测光学系统在所测量的视场点的波像差W，利用公式计算点衍射干涉波像差测量仪的系统误差。

本发明具有以下优点：

(1)检测结果可标定及消除被测光学系统完整数值孔径范围内的系统误差；

(2)测量方法具有平均效果，能够获得更高的测量精度和测量重复性；

(3)检测步骤简单。

附图说明

图1是本发明点衍射干涉波像差测量仪的结构示意图；

图2是本发明第一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的第一个实施例的结构示意图；

图5是本发明理想波前发生单元的第二个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的第三个实施例的结构示意图；

图8是本发明像方波前检测单元的几个实施例的结构示意图；

图9是本发明像方掩模的几个实施例结构示意图；

图10是本发明点衍射干涉波像差测量仪一个实施例的结构示意图；

图11是本发明点衍射干涉波像差测量仪一个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，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明点衍射干涉波像差测量仪包括：光源1，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，理想波前发生单元6，物方精密调节台7，被测光学系统8，像方波前检测单元9，像方精密调节台10和数据处理单元11。所述的像方波前检测单元9由像方掩模901、光电传感器902、支架903构成，像方掩模901包括透光窗口901b和滤波圆孔901a(可以有多个滤波圆孔，如第一滤波圆孔901a1、第二滤波圆孔901a2等)，光电传感器902包括一个二维探测器902b；理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端6D之间的中心距离s_o小于被测光学系统8的等晕区的直径，而大于被测光学系统8像点弥散斑的直径除以被测光学系统8的放大倍数。

上述各组成部分的位置与连接关系是：

在光源1输出光前进方向上是分光器2；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，之后接入理想波前发生单元6的第一输入端6A，第一光强与偏振态调节器3可以放置在相移器4之前或之后；光程固定光路2B上放置第二光强与偏振态调节器5，之后接入理想波前发生单元6的第二输入端6B；理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端6D位于被测光学系统8的物面；理想波前发生单元6由物方精密调节台7支撑并精密定位；像方波前检测单元9位于被测光学系统8的像方，像方波前检测单元9的像方掩模901位于被测光学系统8的像面，光电传感器902的二维探测器902b位于沿光前进方向像方掩模901之后；像方波前检测单元9由像方精密调节台10支撑并精密定位；像方波前检测单元9的输出信号输入数据处理单元11。

本发明的工作原理和工作过程如下：

光源1的输出光经过分光器2后分为光程可调光路2A和光程固定光路2B；经过光程可调光路2A和光程固定光路2B的光分别在理想波前发生单元6的第一输出端6C或第二输出端6D产生一个标准球面波；物方精密调节台7将理想波前发生单元6的第一输出端6C或第二输出端6D调节到被测光学系统8物方视场内需要测量的视场点的位置；理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端6D之间的中心距离s_o小于被测光学系统8的等晕区的直径，因此，被测光学系统8在理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端6D所在的视场点具有相同的波像差，该波像差即是需要测量的波像差W，即被测光学系统8对这两个视场点的波面产生相同的波前畸变W；标准球面波没有波像差，即标准球面波的波像差Ws＝0，两个标准球面波经过被测光学系统8后会产生相同的波前畸变，波像差都等于需要测量的波像差W。

移动像方精密调节台10，使理想波前发生单元6的第一输出端6C的像点与像方掩模901的滤波圆孔901a的中心对准，第二输出端6D的像点位于像方掩模901的透光窗口901b内部；透过滤波圆孔901a的波面将重新成为标准球面波，其波像差Ws＝0；通过透光窗口901b的波面不发生变化，波像差仍等于需要测量的波像差W；在像方掩模901和二维探测器902b之间的自由空间和光学元件会给通过像方掩模901的两个波面之间引入干涉仪系统误差W_SYS；两个波面相互干涉，干涉图携带的相位分布W_a如式(1)所示：

W_a＝W-W_S+W_SYS＝W+W_SYS。(1)

移动像方精密调节台10，使理想波前发生单元6的第二输出端6D的像点与像方掩模901的滤波圆孔901a的中心对准，第一输出端6C的像点位于像方掩模901的透光窗口901b内部；透过滤波圆孔901a的波面将重新成为标准球面波，其波像差Ws＝0；通过透光窗口901b的波面不发生变化，波像差仍等于需要测量的波像差W；在像方掩模901和二维探测器902b之间的自由空间和光学元件仍会给通过像方掩模901的两个波面之间引入干涉仪系统误差W_SYS；两个波面相互干涉，干涉图携带的相位分布W_b如式(2)所示：

W_b＝W_S-W+W_SYS＝-W+W_SYS。(2)

因此，利用公式可以计算被测光学系统8在所测量的视场点的波像差W，利用公式可得到点衍射干涉波像差测量仪的系统误差。测得的波像差相当与两次测量的平均值，能获得更高的检测重复性和检测精度。

由于通过像方掩模901的两个波面分别来自于光程可调光路2A和光程固定光路2B，因此，调节光程可调光路2A上的第一光强与偏振态调节器3，可以调节一个波面的光强和偏振态，调节光程固定光路2B上的第二光强与偏振态调节器5，可以调节另一个波面的光强和偏振态；当两个波面的偏振态和光强都相同时，干涉可见度达到最大值1；当两个波面的偏振态均为线偏振光，且偏振方向互相垂直时，不发生干涉，干涉可见度为0；当两个波面的偏振态相同，一个波面的光强为I_w1，另一个波面的光强为I_w2时，干涉可见度η如式(3)所示：

$\mathrm{\η}=\frac{2\sqrt{I_{W1}{I}_{W2}}}{I_{W1}+I_{W2}},---\left(3\right)$

因此，通过调节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可以实现较高的干涉可见度。

同样由于通过像方掩模901的两个波面分别来自于光程可调光路2A和光程固定光路2B，相移器4调节光程可调光路2A的光程即可使一个波面的相位发生变化，产生相移，从而可以利用相移干涉实现高精度检测。

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；沿光前进方向，可调衰减器301连接在偏振控制器302之前或之后。

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可以采用与第一光强与偏振态调节器3相同的结构，也可以采用不同的结构。

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。

图4是本发明理想波前发生单元6的第一个实施例的结构示意图。如图4所示，理想波前发生单元6由第一光纤601和第二光纤602构成；第一光纤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的第一输出端6C；第二光纤的输入端是理想波前发生单元6的第二输入端6B，输出端是理想波前发生单元6的第二输出端6D；第一光纤601和第二光纤602是单模光纤，第一光纤601和第二光纤602也可以是保偏光纤；第一光纤601和第二光纤602的输出端纤芯直径Φ_f小于所述被测光学系统8的物方衍射极限分辨率，满足Φ_f<λ/(2NAo)，其中λ为光源波长，NAo为被测光学系统8的物方数值孔径。由于第一光纤601和第二光纤602是单模光纤或保偏光纤，在光纤中只有一个模式传输，并且它们输出端纤芯直径Φ_f小于所述被测光学系统8的物方衍射极限分辨率，因此，它们的输出光场在被测光学系统8的物方数值孔径NAo内是标准球面波，从第一输入端6A和第二输入端6B输入的光被转换成标准球面波分别从第一输出端6C和第二输出端6D输出。第一光纤601和第二光纤602的输出端纤芯间的中心距离小于被测光学系统8的等晕区的直径，大于被测光学系统8像点弥散斑的直径除以被测光学系统8的放大倍数，如被测光学系统8像点弥散斑的直径为1μm，等晕区的直径为300μm，放大倍数为1/5，则第一光纤601和第二光纤602的输出端纤芯间的中心距离小于300μm，大于5μm。

图5是本发明理想波前发生单元6的第二个实施例的结构示意图。理想波前发生单元6也可以由第三光纤603、第四光纤604、成像镜组605、物面掩模606构成，图6是物面掩模606的结构示意图；第三光纤603的输入端是理想波前发生单元6的第一输入端6A，输出端位于成像镜组605的物面；第四光纤的输入端是理想波前发生单元6的第二输入端6B，输出端位于成像镜组605的物面；物面掩模606位于成像镜组605的像面；物面掩模606上有第一圆孔606a和第二圆孔606b；第一圆孔606a是理想波前发生单元6的第一输出端6C，第二圆孔606b是理想波前发生单元6的第二输出端6D；第三光纤603的输出端经成像镜组605成像在第二圆孔606b上，第四光纤604的输出端经成像镜组605成像在第一圆孔606a上；第三光纤603和第四光纤604是单模光纤或保偏光纤；第一圆孔606a和第二圆孔606b的直径Φo小于所述被测光学系统8的物方衍射极限分辨率，满足Φo<λ/(2NAo)，其中λ为光源波长，NAo为被测光学系统8的物方数值孔径。物面掩模606上第一圆孔606a和第二圆孔606b对光场有滤波作用，由于它们的直径Φo小于所述被测光学系统8的物方衍射极限分辨率，它们的输出光场在被测光学系统8的物方数值孔径NAo内是标准球面波。从第一输入端6A和第二输入端6B输入的光被转换成标准球面波分别从第二输出端6D和第一输出端6C输出。物面掩模606上第一圆孔606a和第二圆孔606b之间的中心距离小于被测光学系统8的等晕区的直径，大于被测光学系统8像点弥散斑的直径除以被测光学系统8的放大倍数，如被测光学系统8像点弥散斑的直径为1μm，等晕区的直径为50μm，放大倍数为1/5，则第一圆孔606a和第二圆孔606b之间的中心距离小于50μm，大于5μm。

图7是本发明理想波前发生单元6的第三个实施例的结构示意图。理想波前发生单元6由第一反射镜607、第二反射镜608、聚焦镜组609、物面掩模606构成；两束准直光第一光束6L1和第二光束6L2分别从理想波前发生单元6的第一输入端6A、第二输入端6B输入；沿第一光束6L1前进方向，依次经过第一反射镜607、聚焦镜组609和物面掩模606；沿第二光束6L2前进方向，依次经过第二反射镜608、聚焦镜组609和物面掩模606；物面掩模606位于聚焦镜组609的后焦面上；物面掩模606上第一圆孔606a是理想波前发生单元6的第一输出端6C，第二圆孔606b是理想波前发生单元6的第二输出端6D；第一反射镜607与第二反射镜608之间有一个夹角，使得第一光束6L1通过聚焦镜组609聚焦在第一输出端6C，第二光束6L2通过聚焦镜组609聚焦在第二输出端6D。物面掩模606的结构和作用如本发明理想波前发生单元6的第二个实施例的说明所述。在从第一输入端6A和第二输入端6B输入的光被转换成标准球面波分别从第一输出端6C和第二输出端6D输出。

图8是本发明像方波前检测单元9的几个实施例的结构示意图。像方波前检测单元9由像方掩模901、光电传感器902、支架903构成。像方掩模901位于被测光学系统8的像面；沿光前进方向，在像方掩模901之后放置光电传感器902；支架903是用来支撑像方掩模901和光电传感器902的机械件。

图8(a)中光电传感器902包括变换光学镜组902a和二维探测器902b。像方掩模901位于变换光学镜组902a的前焦面，二维探测器902b位于变换光学镜组902a的后焦面。变换光学镜组902a是能够成像的单透镜。二维探测器902b是CCD。

图8(b)中支架903包括固定部件903a和精密调节部件903b。精密调节部件903b支撑在固定部件903a上，像方掩模901支撑在精密调节部件903b上，光电传感器902支撑在固定部件903a上。精密调节部件903b在系统工作中能够精密调整像方掩模901的位置，实现精密对准；固定部件903a在系统工作时固定不动。精密调节部件903b采用具有XYZ三个调节自由度的压电陶瓷纳米分辨率调节台。

所述的精密对准是通过像方掩模901的位置调整，使理想波前发生单元6的一个输出端(第一输出端6C，或第二输出端6D)通过被测光学系统8的像点与像方掩模901的滤波圆孔901a的中心对准，另一个输出端(第二输出端6D，或第一输出端6C)的像点位于像方掩模901的透光窗口901b内部。

图8(c)中光电传感器902只包含二维探测器902b。二维探测器902b放置在沿光前进方向上像方掩模901之后；并与像方掩模901平行。

图8(a)、图8(c)中支架903只包括固定部件903a，不包括精密调节部件903b。

当支架903中包括精密调节部件903b时，所述的像方精密调节台10是能够调节像方波前检测单元9位置的多自由度位移台或调整架；通过像方精密调节台10的调节，可以使理想波前发生单元6的输出端(第一输出端6C和第二输出端6D)通过被测光学系统8的像点与像方掩模901对准，即进入支架903的精密调节部件903b的精密对准调节范围。

当支架903只包括固定部件903a，不包括精密调节部件903b时，所述的精密对准由像方精密调节台10单独实现。

图9是本发明像方掩模901的几个实施例结构示意图。

图9(a)、图9(b)中像方掩模901包括一个透光窗口901b和一个滤波圆孔901a；滤波圆孔901a是直径Φi小于所述被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为被测光学系统8的像方数值孔径。透光窗口901b是能够无遮挡的分别透过所述的理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端6D经被测光学系统8成像后的像点弥散斑的透光区域，图9(a)中透光窗口901b是“回”字形，图9(b)中透光窗口901b是圆环形。像方掩模901中透光窗口901b和滤波圆孔901a的部分是透光区域，其他部分为有遮光层不透光区。滤波圆孔901a位于透光窗口901b内侧的不透光区域的中心。透光窗口901b有两个边沿，内侧边沿901b_S1距离滤波圆孔901a较近，滤波圆孔901a的中心与透光窗口901b内侧边沿901b_S1之间的最短距离略大于被测光学系统8的像点弥散斑半径。

所述的遮光层可以是铬、铝等金属层，或Mo/Si多层膜等对透过光线有明显衰减的膜层。

图9(c)中像方掩模901的透光窗口901b由两个分离的区域组成，第一透光窗口区域901b1和第二透光窗口区域901b2，像方掩模901还包含一个滤波圆孔901a；滤波圆孔901a的特征与图9(a)、图9(b)中的滤波圆孔901a相同；第一透光窗口区域901b1和第二透光窗口区域901b2都是能够无遮挡的分别透过所述的理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端6D经被测光学系统8成像后的像点弥散斑的四边形透光区域。像方掩模901中第一透光窗口区域901b1、第二透光窗口区域901b2、滤波圆孔901a的部分是透光区域，其他部分为有遮光层不透光区。第一透光窗口区域901b1和第二透光窗口区域901b2分别位于滤波圆孔901a左右两侧。第一透光窗口区域901b1和第二透光窗口区域901b2均只有1个边沿，分别为901b1_S1、901b2_S1，滤波圆孔901a的中心与边沿901b1_S1、901b2_S1之间的最短距离均略大于被测光学系统8的像点弥散斑半径。

图9(d)中像方掩模901包括一个透光窗口901b，第一滤波圆孔901a1和第二滤波圆孔901a2；第一滤波圆孔901a1和第二滤波圆孔901a2的特征与图9(a)、图9(b)中的滤波圆孔901a相同；透光窗口901b是能够无遮挡的分别透过所述的理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端6D经被测光学系统8成像后的像点弥散斑的四边形透光区域。像方掩模901中透光窗口901b，第一滤波圆孔901a1和第二滤波圆孔901a2的部分是透光区域，其他部分为有遮光层不透光区。第一滤波圆孔901a1和第二滤波圆孔901a2分别位于透光窗口901b左右两侧。透光窗口901b只有1个边沿901b_S1，第一滤波圆孔901a1和第二滤波圆孔901a2与边沿901b_S1之间的最短距离均略大于被测光学系统8的像点弥散斑半径。

图10是本发明点衍射干涉波像差测量仪一个实施例的结构示意图。光源1是单模光纤输出的激光器。分光器2是光纤耦合器。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，可调衰减器301和偏振控制器302都采用光纤器件，沿光前进方向，可调衰减器301连接在偏振控制器302之前；可调衰减器301由依次连接的光纤、光纤准直透镜、可调光阑、光纤耦合透镜、光纤组成；偏振控制器302由依次连接的光纤四分之一波片、光纤半波片、光纤四分之一波片组成。相移器4采用图3(a)所示的结构。第二光强与偏振态调节器5的结构与第一光强与偏振态调节器3相同。光程可调光路2A和光程固定光路2B是光纤光路。理想波前发生单元6采用图4所示结构。物方精密调节台7是具有X、Y、Z三个线性自由度和Xθ、Yθ、Zθ三个旋转自由度的六维精密位移台实现。被测光学系统8是微缩投影物镜。像方波前检测单元9采用图8(c)所示结构；像方掩模901采用图9(b)所示结构，透光窗口901b采用圆环形的优点是能够降低测试过程中步骤2)的对准难度。像方精密调节台10也是具有X、Y、Z三个线性自由度和Xθ、Yθ、Zθ三个旋转自由度的六维精密位移台。数据处理单元11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。

图11是本发明点衍射干涉波像差测量仪第二个实施例的结构示意图。光源1是自由空间平行光输出的激光器。分光器2是分束棱镜。第一光强与偏振态调节器3是仅调节光功率的在不同扇形区域镀有不同衰减膜的旋转玻璃片。相移器4采用图3(b)所示的结构。第二光强与偏振态调节器5是仅调节光功率的可变光阑。光程可调光路2A和光程固定光路2B是自由空间光路；光程可调光路2A上的反射镜M1和M2，光程固定光路2B上的反射镜M3、M4、M5、M6仅用来改变光的传输方向。理想波前发生单元6采用图7所示结构。像方波前检测单元9采用图8(a)所示结构；像方掩模901采用图9(a)所示结构。其他与图10第一个实施例相同。

利用图10或图11所述的点衍射干涉波像差测量仪检测被测光学系统波像差的方法，其特征在于包括下列步骤：

1)移动物方精密调节台7，使理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端6D位于被测光学系统8需要测量的视场点的位置；

2)移动像方精密调节台10，进行精密对准，使理想波前发生单元6的第一输出端6C的像点与像方掩模901的滤波圆孔901a的中心对准，第二输出端6D的像点位于像方掩模901的透光窗口901b内部；

3)调节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，使光电传感器902采集到的干涉图的最大光强达到光电传感器902饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；相移器4和光电传感器902重复5次相移量π/2的相移和干涉图采集，得到5幅相互间依次具有相移量π/2的干涉图，干涉图的光强分布依次分别表示为Ia1，Ia2，Ia3，Ia4，Ia5；按照式(4)所示的算法对该组干涉图进行相位提取得到包裹相位分布WR_a，WR_a相位解包裹后得到相位分布W_a；

${\mathrm{WR}}_a={\tan }^{-1}\left(\frac{2(I_{a4}-I_{a2})}{I_{a1}-2I_{a3}+I_{a5}}\right).---\left(4\right)$

4)移动像方精密调节台10，进行精密对准，使理想波前发生单元6的第二输出端6D的像点与像方掩模901的滤波圆孔901a的中心对准，第一输出端6C的像点位于像方掩模901的透光窗口901b内部；

5)调节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，使光电传感器902采集到的干涉图的最大光强达到光电传感器902饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；相移器4和光电传感器902重复5次相移量π/2的相移和干涉图采集，得到5幅相互间依次具有相移量π/2的干涉图，干涉图的光强分布依次分别表示为Ib1，Ib2，Ib3，Ib4，Ib5；按照式(5)所示的算法对该组干涉图进行相位提取得到包裹相位分布WR_b，WR_b相位解包裹后得到相位分布W_b；

${\mathrm{WR}}_b={\tan }^{-1}\left(\frac{2\left(I_{b4}-I_{b2}\right)}{I_{b1}-2I_{b3}+I_{b5}}\right).---\left(5\right)$

6)利用公式计算计算被测光学系统8在所测量的视场点的波像差W，利用公式可得到点衍射干涉波像差测量仪的系统误差。

所述的进行相位提取的算法采用反正切形式表示，得到的相位分布被截断成为多个2π范围内变化的区域，称为包裹相位；为最终得到连续的相位信息，将多个截断相位的区域拼接展开成连续相位，这个过程称为相位解包裹。

上述的实施例具有高干涉条纹可见度、可标定及消除完整被测范围内的系统误差、测量过程具有平均效果、检测步骤简单等优点。

Claims (2)

1.一种点衍射干涉波像差测量仪，构成包括：光源(1)、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)、理想波前发生单元(6)、物方精密调节台(7)、被测光学系统(8)、像方波前检测单元(9)、像方精密调节台(10)和数据处理单元(11)；所述的理想波前发生单元(6)是将从其第一输入端(6A)和第二输入端(6B)输入的光转换成在被测光学系统(8)的物方数值孔径范围内是标准球面波，并分别从其第一输出端(6C)或第二输出端(6D)输出的光学组件；其特征在于所述的理想波前发生单元(6)的第一输出端(6C)和第二输出端(6D)之间的中心距离s_o小于被测光学系统(8)的等晕区的直径，而大于被测光学系统(8)像点弥散斑的直径除以被测光学系统(8)的放大倍数。

2.利用权利要求1所述的点衍射干涉波像差测量仪对被测光学系统波像差的检测方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)移动物方精密调节台(7)，使理想波前发生单元(6)的第一输出端或第二输出端位于被测光学系统(8)需要测量的视场点的位置；

2)移动像方精密调节台(10)，进行精密对准，使理想波前发生单元(6)的第一输出端的像点与像方掩模的滤波圆孔的中心对准，第二输出端的像点位于像方掩模的透光窗口内部；

3)调节第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器，使光电传感器采集到的干涉图的强度达到光电传感器的饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；通过所述的相移器进行相移量δ的相移，所述的光电传感器采集干涉图，再通过所述的相移器进行相移量δ的相移，所述的光电传感器采集另一幅干涉图，重复m次，得到一组依次相应的m幅干涉图：Ia1，Ia2，…，Iam；对该组干涉图进行相位提取和相位解包裹后得到相位分布W_a；

4)移动像方精密调节台，进行精密对准，使理想波前发生单元的第二输出端的像点与像方掩模的滤波圆孔的中心对准，第一输出端的像点位于像方掩模的透光窗口内部；

5)调节第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器，使光电传感器采集到的干涉图的强度达到光电传感器饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；通过所述的相移器进行相移量δ的相移共m次，每次所述的光电传感器采集一幅干涉图，得到一组干涉图的光强分布依次为Ib1，Ib2，…，Ibm；对该组干涉图进行相位提取和相位解包裹后得到相位分布W_b；

6)利用公式计算被测光学系统在所测量的视场点的波像差W，利用公式计算点衍射干涉波像差测量仪的系统误差。