CN108387172A - 基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪，其针对现有技术中微米级尺度偏振编码板制作难度大成本高的问题，提出的光场偏振移相动态干涉仪方案偏振码板尺度可以放松到毫米量级，要求降低2‑3个数量级，且不需要制造阵列结构的偏振片码板，难度大大降低。针对现有循环编码偏振码板技术需要与探测器像元严格对准匹配，耦合难度大的问题，本发明采用的光场偏振移相动态干涉仪方案对偏振片与探测对应配准没有要求，更容易实现高精度的偏振移相探测。

Description

基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪。
背景技术
以深紫外光刻机投影曝光系统为代表的高端光学设备，对光学元件的加工、光学系统的集成提出了极大挑战。干涉仪作为高精度光学元件加工和光学系统集成不可或缺的核心检测设备，检测精度要求不断提高。
传统光学加工中采用的光学面形检测方法包括哈特曼传感器法、刀口法和轮廓法等。这些方法分别存在着非数字化需主观判读或接触损伤待测件等不同的缺点，且很难达到较高的测量精度，是简单测量方法。
干涉检测法早在百年前就已经被使用，属于非接触式测量，且具有大量程、高灵敏度、高精度等特点，在高精度检测时被广泛应用，其原理是一束光照射标准的参考平面作为参考光，另一束光照射被测面返回带有面形信息作为测量光，两束光干涉时由于光斑不同位置相位不同产生光程差从而产生弯曲的干涉条纹，即可判断待测面的面形起伏。直到1974年Bruning等人提出移相干涉技术，把通讯理论中同步相位探测技术引入到光学干涉术中，使得干涉检测球面面形的精度大大提高。其基本原理是经过四步或多步移动待测元件，以改变测试波和参考波之间的位相差，光强也随之改变，从而得到一系列的方程。最后，通过求解方程组得到待测元件(或系统)的位相值。移相干涉技术已经相当成熟，在光学检测领域具有不可替代的地位。
实现移相的方法有多种，主要分为机械移相(PZT压电陶瓷器件推动参考镜)、波长移相(改变光源波长从而改变光程差与相位差)、外差移相(两束光频率不同而相位连续变化)以及偏振移相(通过偏振器件产生不同延迟来产生相位差)等，其它几种移相方式都需要一定时间的多次采样，因此环境存在振动与气流干扰时测量会引入较多的不确定性。其中偏振移相通过一定的光路设计，容易实现一次拍照获得多步移相的干涉图，从而可以用于大口径长焦距镜面的快照式动态测量，降低振动与空气湍流扰动对测量的影响。
目前主要有如下两种方案：
现有方案一：如图1所述，前端干涉仪为传统的泰曼格林型干涉仪，从单纵模激光器出射的激光经扩束与PBS(偏振分光棱镜)被一分为二，一束作为测量光照射被测镜，一束作为参考光照射参考镜，经测量镜与参考镜反射回的光再在PBS处合束，为两互相垂直的偏振光，经1/4波片以及空间滤波后到达相位编码板，最后被高分辨率相机探测。
根据偏振移相原理，相互垂直的偏振光经过1/4波片后变为方向相反的圆偏振光，经过偏振片后相干，两束光干涉相位差随偏振片的偏振方向变化而变化，产生不同移相的相位图。偏振片如果分别摆放为0°、90°、180°、270°时，就产生等间距的标准四步移相的相位差，利用常规的四步移相算法可以处理出干涉相位，从而对应被测面相对于参考面的面型起伏。
为了达到一次探测就能得到四步移相的干涉图，现有方案一中用一个全息元件将合束的两圆偏振光衍射分为四个方向的四束，且相对相位关系不改变，在探测器前分别放置四个不同偏振方向的偏振片，每个偏振片后的像元就记录了一种移相的干涉图。相当于将探测器的视场分为四份，因此一次拍照就得到四张干涉图，实现动态测量。
该方案的缺陷在于：1、由于采用了分视场的思路，将探测器的整个画幅分为了四份，所以相当于干涉图的分辨率降低了2倍，对大口径镜面探测分辨率过低。2、干涉图的四步移相处理需要空间采样点的严格位置对应，由于四张干涉图花样不同，因此图像的配准难度大，精度低，容易造成空间采样位置不对应带来测量误差。
现有方案二：如图2所示，与现有方案一相似，前端干涉仪系统和移相原理相同，为了解决干涉图分辨率低与难以配准的问题，现有方案二改进采用了一种循环编码的偏振编码板来实现移相，原理类似于彩色相机中的拜尔滤光片。偏振编码板上每个元素大小与探测器像元大小一致，一一对应耦合安装。其中编码板每个像素是一个微型的偏振片，其偏振方向按照A、B、C、D的位置关系分别为0°、45°、90°、135°，依次循环，分别可以产生0°、90°、180°与270°的相移。这样采用彩色相机相同的插值循环处理，每个像素周围的三个像素与自己本身，可以探测一组四步移相求得相位，如图3所示，这样处理后相当于可以得到四幅分辨率不下降的移相干涉图，计算出的相位图则分辨率几乎不下降，同时也不需要进行配准。
该方案的缺陷在于：1、偏振循环编码板结构复杂，制造难度大。2、偏振循环编码板像元需要与探测器像元严格的尺寸与位置对准耦合，精度要求高，装调难度大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪，制造难度低，且容易实现高精度的偏振移相探测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪，包括：激光器、半波片、空间滤波器、偏振分光棱镜、第一至第三1/4波片、标准透镜、参考反射镜、被测镜、成像镜、旋转漫散片、以及微透镜型光场探测器；其中：
激光器发出的激光经过半波片与空间滤波器滤波，进入偏振分光棱镜被分为偏振方向互相垂直的两束，一束作为干涉仪的参考光，一束作为测量光；
测量光与参考光分别对应经过光轴方向为45°的第一与第二1/4波片后变换为方向相反的圆偏振光，测量光再经过标准透镜被被测镜面反射后原路返回，返回途中被第一1/4波片重新变为线偏振光进入偏振分光棱镜；参考光则被参考反射镜反射后原路返回，返回途中被第二1/4波片重新变为线偏振光进入偏振分光棱镜；
这样两束光在偏振分光棱镜分光膜处完全合束，再经过第三1/4波片，变换为旋向相反的圆偏振光，经成像镜后在旋转漫散片上重合强度叠加，最终被微透镜型光场探测器探测。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，针对现有技术中微米级尺度偏振编码板制作难度大成本高的问题，提出的光场偏振移相动态干涉仪方案偏振码板尺度可以放松到毫米量级，要求降低2-3个数量级，且不需要制造阵列结构的偏振片码板，难度大大降低。针对现有循环编码偏振码板技术需要与探测器像元严格对准匹配，耦合难度大的问题，本发明采用的光场偏振移相动态干涉仪方案对偏振片与探测对应配准没有要求，更容易实现高精度的偏振移相探测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明背景技术提供的现有方案一中干涉仪结构图；
图2为本发明背景技术提供的现有方案二中干涉仪结构图；
图3为本发明背景技术提供的插值循环编码原理图；
图4为本发明实施例提供的一种基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的两种偏振片布置方式示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪，如图4所示，其主要包括：激光器、半波片、空间滤波器、偏振分光棱镜(PBS棱镜)、第一至第三1/4波片、标准透镜、参考反射镜、被测镜、成像镜、旋转漫散片、以及微透镜型光场探测器；其中：
激光器发出的激光经过半波片与空间滤波器滤波，进入偏振分光棱镜被分为偏振方向互相垂直的两束，一束作为干涉仪的参考光，一束作为测量光；半波片与PBS棱镜的组合使用可以任意调节两束光光强的分光比，使测量不同反射率的被测件时可以方便调节光强，以保证较好的干涉条纹对比度。
测量光与参考光分别对应经过光轴方向为45°的第一与第二1/4波片后变换为方向相反的圆偏振光，测量光再经过标准透镜被被测镜面反射后原路返回，返回途中被第一1/4波片(即图1最右侧的1/4波片)重新变为线偏振光进入偏振分光棱镜(偏振方向与出射时相对旋转90°)；参考光则被参考反射镜反射后原路返回，返回途中被第二1/4波片(即图1最上方的1/4波片)重新变为线偏振光进入偏振分光棱镜(偏振方向与出射时也相对旋转90°)；
这样两束光在偏振分光棱镜分光膜处完全合束，再经过第三1/4波片(即图1最下方的1/4波片)，变换为旋向相反的圆偏振光，经成像镜后在旋转漫散片(透明毛玻璃)上重合强度叠加，最终被微透镜型光场探测器探测。
本发明实施例中，由于两束光的偏振方向不一致暂时观测不到干涉的条纹，旋转漫散片不改变光的偏振特性，同时起到干涉图中继面的作用。此之前光路部分为传统的泰曼格林型干涉仪。
与现有方案干涉仪结构不同，后端采用结合不同方向偏振片的微透镜型光场探测器探测(光场多模式相机)作为干涉图的探测器，其主要包括：多个偏振片、成像镜头、微透镜阵列以及面阵探测器；其中，成像镜头的像面处设有微透镜阵列，面阵探测器的感光面放置在微透镜阵列的焦面处，成像镜头的光瞳处设置有多个偏振片，每个偏振片的方向不同。根据偏振移相的原理，经过偏振片后测量光与参考光偏振方向一致，可以产生干涉，不同偏振方向的偏振片可以产生不同的相移。为了便于绘制，图4中示出了三个偏振片的原理。
实际上四步移相的方案比三步移相计算精度高，为了采用精度更高的四步移相算法，一般可在光瞳处以2*2的布局放置四个偏振片，如图5a所示，其中各方向偏振片位置可以互换。为了进一步减少因光瞳利用不完整造成的探测感光单元的信息损失，还可以改进设计成如图5b的方形光瞳，偏振片紧凑布置，充分利用每个感光像素。
本发明实施例中，用微透镜型光场探测器来记录干涉图，根据光场成像原理，微透镜阵列中的每个微透镜看作一个宏像素，与旋转漫散片处干涉图上一点成共轭关系，而一个微透镜下每个面阵探测器的感光像元记录的是经过对应成像镜头子孔径的光线，因此记录了某一步移相的干涉强度，对光瞳上不同方向偏振片的子孔径干涉强度分别记录，从而得到干涉图上这一点的每步移相；再利用多步移相干涉算法，解出该点测量光与参考光的相位差，从而得到对应面型的起伏。
本发明也可以利用如图3所示的插值循环编码方法，实现相位图分辨率的低损失，同时也不需要进行配准。
本发明实施例上述方案，针对现有技术中微米级尺度偏振编码板制作难度大成本高的问题，提出的光场偏振移相动态干涉仪方案偏振码板尺度可以放松到毫米量级，要求降低2-3个数量级，且不需要制造阵列结构的偏振片码板，难度大大降低。同时，针对现有循环编码偏振码板技术需要与探测器像元严格对准匹配，耦合难度大的问题，本发明采用的光场偏振移相动态干涉仪方案对偏振片与探测对应配准没有要求，更容易实现高精度的偏振移相探测。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪，其特征在于，包括：激光器、半波片、空间滤波器、偏振分光棱镜、第一至第三1/4波片、标准透镜、参考反射镜、被测镜、成像镜、旋转漫散片、以及微透镜型光场探测器；其中：
激光器发出的激光经过半波片与空间滤波器滤波，进入偏振分光棱镜被分为偏振方向互相垂直的两束，一束作为干涉仪的参考光，一束作为测量光；
测量光与参考光分别对应经过光轴方向为45°的第一与第二1/4波片后变换为方向相反的圆偏振光，测量光再经过标准透镜被被测镜面反射后原路返回，返回途中被第一1/4波片重新变为线偏振光进入偏振分光棱镜；参考光则被参考反射镜反射后原路返回，返回途中被第二1/4波片重新变为线偏振光进入偏振分光棱镜；
这样两束光在偏振分光棱镜分光膜处完全合束，再经过第三1/4波片，变换为旋向相反的圆偏振光，经成像镜后在旋转漫散片上重合强度叠加，最终被微透镜型光场探测器探测。
2.根据权利要求1所述的一种基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪，其特征在于，所述微透镜型光场探测器探测包括：多个偏振片、成像镜头、微透镜阵列以及面阵探测器；
其中，成像镜头的像面处设有微透镜阵列，面阵探测器的感光面放置在微透镜阵列的焦面处，成像镜头的光瞳处设置有多个偏振片，每个偏振片的方向不同。
3.根据权利要求1所述的一种基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪，其特征在于，
根据偏振移相的原理，经过偏振片后测量光与参考光偏振方向一致，产生干涉，不同偏振方向的偏振片产生不同的相移；
用微透镜型光场探测器来记录干涉图，根据光场成像原理，微透镜阵列中的每个微透镜看作一个宏像素，与旋转漫散片处干涉图上一点成共轭关系，而一个微透镜下每个面阵探测器的感光像元记录的是经过对应成像镜头子孔径的光线，因此记录了某一步移相的干涉强度，对光瞳上不同方向偏振片的子孔径干涉强度分别记录，从而得到干涉图上这一点的每步移相；再利用多步移相干涉算法，解出该点测量光与参考光的相位差，从而得到对应面型的起伏。
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