CN109556531A - 一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统及方法，包括分光棱镜、扩束准直系统、衍射孔板、波前传感器、透镜、光功率计、三维精密电控平移台及其驱动器、CCD1和计算机，利用瑞利索末菲衍射理论分析得到对准误差与衍射波前偏差间的数学关系；根据需求设计精确光路校准系统，采集得到光斑小孔对准图像与衍射孔板前后光强；然后通过图像处理算法分析并测量对准偏差信息，建立测量量‑控制量间数学模型；最后依据系统实现原理实现精确校准。本发明实现了可视化环境下衍射孔‑光斑的精确对准，在一定程度上消除了对准偏差对点衍射干涉仪检测精度的影响，具有对准精度与效率高等特点，同时降低了实验操作中激光对操作人员视力的损伤。

Description

一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统及方法

技术领域

本发明属于激光干涉精密测量技术领域，具体涉及一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，高精度光学元件及光学系统广泛应用于精密光刻技术(EUVL)、航空航天、军事武器、高端民用设备等领域，其制造精度影响着仪器性能。干涉测量法是一种重要的光学元件面形检测方法，通常应用于加工后期的精抛光阶段。当前主流的干涉仪有菲索型及泰曼-格林型干涉仪，其检测精度RMS约为λ/60～λ/100(λ＝632.8nm),PV＜λ/20的水平。受限于干涉仪配备的标准球面镜头精度，此类干涉仪无法满足纳米甚至亚纳米级检测精度的需求。点衍射干涉技术是近年来行业发展的一类新的检测方法，该技术利用小孔衍射原理，产生近似理想的衍射球面波前来对待测光学元件进行相对检测，波前理论精度可达PV＜λ/10⁴。点衍射技术可分为光纤点衍射(FPDI)与针孔点衍射(PPDI)，由于衍射数值孔径通常小于0.2，光纤点衍射技术难以胜任大口径光学元件的检测，故针孔点衍射的应用更加广泛。针孔点衍射干涉检测技术具有检测精度高、数值孔径大等优势，但与此同时其实验装置易受多种因素的影响，使得检测精度下降。空气流扰动、温度变化、光束与针孔对准偏差、环境振动、光源输出不稳定等因素都是造成检测精度下降的误差源。其中，光束针孔对准偏差是一项重要的影响因素，通过理论分析可知该因素将导致点衍射系统检测精度指数下降。因此开发一种辅助光路校准装置是十分必要的。

传统实验操作中，实验人员多以视觉观察衍射孔板后侧出射衍射斑光强判定入射汇聚光斑是否与衍射孔对准。该方式校准效率低、精度较差，且长期操作对视力损害较大。Kenneth A,Patrick Naulleau等利用傅立叶变换对光电探测器采集到的衍射场图像进行频域信息分析，以零级衍射光通过衍射孔板的光能量为参照依据实现针孔对准。ShenzhenWang,Qiang Yuan等基于二维功率谱密度函数方法分析针孔对准近场图像以实现光斑与针对之间对准。该方法主要应用于激光空间滤波器针孔对准方面的应用。孔晨晖，张运海等设计了一种精密针孔对准调试系统，系统中分别用两个分光棱镜引出衍射孔两侧(入射与出射端)光束，然后用透镜聚焦引出光束并通过不同CCD记录光斑在传感器靶面上的位移量从而实现对准。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统及方法，以消除光斑-衍射孔对准误差引起的衍射波前偏差，从消除误差的角度提高相对测量精度。

本发明采用以下技术方案：

一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统，包括分光棱镜BS1、BS2、BS3、扩束准直系统、衍射孔板、波前传感器、透镜L1、L2和L3、光功率计PM1、PM2、三维精密电控平移台及其驱动器、CCD1和计算机，扩束准直系统包括第一扩束准直镜和第二扩束准直镜，激光器发出的光束经分光棱镜BS1后分两路，一路依次经可调衰减片、第一扩束准直镜、成像镜头和CCD1连接，CCD1与计算机连接；第二路光束经分光棱镜BS2后分两路，一路经光功率计PM2与计算机连接，另一路依次经第二扩束准直镜、显微物镜、衍射孔板、透镜L1和分光棱镜BS3连接，分光棱镜BS3分两路，一路经透镜L2和波前传感器后与计算机连接，另一路依次经透镜L3和光功率计PM1后与计算机连接；衍射孔板设置在三维精密电控平移台上，计算机通过三维精密电控平移台驱动器与三维精密电控平移台连接；校准系统以对准图像中光斑-衍射孔偏差信息以及衍射孔板出射入射光强为测量依据，结合测量量-控制量间数学模型实现光路的精确校准。

具体的，激光器发出的光束经第二扩束准直镜及显微物镜后聚焦至衍射孔板上，由衍射孔板表面反射回的光束，一部分返回至分光棱镜BS2，被分光棱镜BS2反射至光功率计PM2的传感器上，用于记录经反射后的入射光强度并发送至计算机；另一部分穿过BS2再次被BS1反射，并经第一扩束准直镜及成像镜头后在CCD1上形成光斑对准图像。

具体的，在衍射孔板出射端，透镜L1将衍射波前转换为平行光束入射至分光棱镜BS3，衍射光被分光棱镜BS3分为两部分，一部分被透镜L2汇聚至波前传感器，用于监测衍射波前的质量并发送至计算机；另一部分被分光棱镜BS2反射并经过透镜L3将部分衍射光汇聚至光功率计PM1的传感器处，用于记录其衍射光光强并发送至计算机；计算机通过分析采集到的对准图像信息与衍射光强计算得到相应的偏移量。

一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准方法，利用瑞利索末菲衍射理论分析得到对准误差与衍射波前偏差间的数学关系；利用所述基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统，采集光斑小孔对准图像与衍射孔板前后光强；然后通过对准图像处理算法分析并测量对准偏差信息，建立测量量-控制量间数学模型；最后依据系统实现原理实现精确校准。

具体的，利用瑞利索末菲衍射理论分析得到对准误差与衍射波前偏差间的数学关系具体为：

采用球面坐标形式的衍射公式计算如下：

式中，λ为激光波长、r为衍射球面半径、u为衍射孔半径、w₁为汇聚光斑半径、θ为衍射半角、k为波数，k＝2π/λ，J_n(*)为贝塞尔函数，n为其阶数；

衍射场中某点P(x,y,z)处的衍射场矢量强度分布为：

E(x,y,z)＝E_x(x,y,z)i+E_y(x,y,z)j+E_z(x,y,z)k

式中，i,j,k为单位方向矢量，E_x,E_y,E_z为各方向的分量强度；

衍射波面偏差表示为衍射半径r的球面上任意两点q(x_q,y_q,z_q)与之间的相位差ΔW为：

其中，φ_q和分别为q与q₀处的相位；

最后，对不同对准偏移量与衍射波前偏差之间的关系进行分析，确定对准偏移量Δs＜70nm。

具体的，对准图像处理算法具体为：

首先通过预处理环节得到二值化的小孔对准图，然后对预处理图像进行去噪处理，提取轮廓得到相对规则的图像；最后分别计算图像中光斑与衍射孔的质心坐标及其偏差以观测衍射孔对准情况；建立测量量-控制量间数学模型以实现光斑的自动对准。

进一步的，设通过自适应阈值分割法截取图像中光斑区域s(x_j,y_j)及针孔区域p(x_k,y_k)，计算几何中心坐标(x_s,y_s)与(x_p,y_p)如下：

确定汇聚光斑与衍射孔几何中心沿X方向，Y方向，直线方向L的像素偏差距离为：

利用电子显微镜观测并测量衍射孔实际尺寸为长轴a、短轴b；若其在对准图像中所占区域尺寸为宽w、高h，则物与像之间的像素分辨率为：

通过校准后像素偏差满足关系如下：

精密电控位移台的步进精度为M，向设备分别输入给进脉冲控制其沿X轴、Y轴调整孔板，使图像中光斑与衍射孔基本对准，最后根据图像信息利用位移台配备的压电陶瓷微动元件进行微调直至几何中心重合，X,Y方向需输出的调整脉冲数N_x、N_y为：

进一步的，入射光束由物镜汇聚投射至衍射孔上，束腰尺寸大于衍射孔直径，一部分光束将被衍射孔板反射，另一部分则通过小孔衍射，若出射入射光强比最大，则衍射效率达到最大值，Z轴方向对准完成，光强比Q为：

其中，I_PM1、I_PM2分别为光功率计PM1、PM2采集得到的出射反射光强，沿Z轴微调小孔板相对物镜的距离，直至Q达到最大值。

具体的，衍射孔板的衍射孔孔径与测量数值孔径满足如下关系：

Na＝n₀sinθ＝n₀sin(0.61λ/2u)

其中，Na为数值孔径，n₀为空气折射率；

在衍射孔板的针孔两侧设置两个粗定位孔h1、h2，粗定位孔h1、h2的直径为针孔Pinhole的10倍。

进一步的，衍射孔对准流程为：

设精密电控平移台的步进精度不小于10nm，CCD1的分辨率高于500万像素，执行阶段包括以下环节：

1)通过观测入射光束与反射光束是否共轴以判断入射光是否与衍射孔板垂直；

2)根据衍射孔板中设置的辅助定位孔h1,h2在图像中的位置，在XOY平面上平移衍射孔板，搜索衍射针孔直至调试出外圈亮内圈暗的对准图像；

3)对采集到的衍射孔对准图像进行处理并计算其对准偏差量；

4)根据建立的偏差量-控制量数学模型，通过计算机控制精密位移台进行可视化精确校准环节；

5)以光功率计PM1,PM2采集的衍射孔板前后光强比为依据对孔板进行Z轴方向微调环节，直至光强比达到最大值。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明涉及一种基于图像信息的点衍射干涉仪针孔光路精确校准系统，在基础点衍射干涉仪光路中加入了辅助对准光路，通过辅助光路可以采集到衍射针孔-光斑的对准图像与衍射输入输出光强比，利用这些信息可以实现仪器的可视化精确光路校准。该方案中还加入了精密电控位移台，较现有人工调校方式，精度、效率更高。同时该方法无需人眼直接观测激光光斑，克服了传统方法对人眼视觉的损伤。

进一步的，可采集得到点衍射干涉仪中衍射针孔-汇聚光斑对准偏差的图像，该图像是后续偏差量计算与校准控制的主要信息来源。

进一步的，利用衍射孔板输入输出侧光功率计采集得到被反射与被衍射的光强，根据二者比值信息的变化进行后续沿光轴方向的对准。

本发明还公开了一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准方法，以CCD1采集到的衍射孔-光斑对准图像为判断依据，同时结合衍射孔板出射入射光强比值信息实现精确校准。上述信息可量化对准偏移量，方便后续数学模型的建立与误差校准。

进一步的，通过瑞利索末菲衍射理论分析得到了对准误差与波前偏差之间的数学关系。由此可知，要使得干涉仪满足一定检测精度需求，则须保证对准误差在对应上限范围内。

进一步的，对衍射针孔-光斑对准图像进行分析，得到偏移信息，并进一步根据该信息建立连接偏移量-控制量之间的数学模型，这样便实现了基于图像信息中的对准偏差利用精密位移驱动器对该偏差进行校正。

进一步的，衍射孔板设置了两个粗定位孔，作用在于方便实现针孔-光斑位置的前期搜索定位，实现精确对准。

进一步的，针对于发明建立的系统，提出了一种精确校准方法，方便使用者操作系统，逐步实现粗对准、精对准直至满足需求。

综上所述，本发明基于图像信息，实现了可视化环境下衍射孔-光斑的精确对准，在一定程度上消除了对准偏差对点衍射干涉仪检测精度的影响。为激光点衍射干涉仪光路调试提供了一种科学有效的方法。该系统具有对准精度与效率高等特点，同时降低了实验操作中激光对操作人员视力的损伤。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为不同对准偏移量与衍射波前偏差之间的关系图，其中，(a)光斑-衍射孔对准误差与波前偏差关系，(b)固定对准偏差下不同衍射孔尺寸与波前偏差关系；

图2为针孔光路精确校准系统原理图；

图3为光斑-衍射孔对准图像及其处理过程，其中，(a)为原始小孔对准图像，(b)为二值化的小孔对准，(c)为提取轮廓得到相对规则的图像，(d)为质心偏差；

图4为对准图像处理算法流程图；

图5为电子显微镜下衍射孔图；

图6为点衍射干涉仪中衍射孔板设计图；

图7为针孔光路校准流程。

具体实施方式

本发明提供了一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统及方法，利用瑞利索末菲衍射理论分析得到对准误差与衍射波前偏差间的数学关系；根据需求设计精确光路校准系统，采集得到光斑小孔对准图像与衍射孔板前后光强；然后通过图像处理算法分析并测量对准偏差信息，建立测量量-控制量间数学模型；最后依据系统实现原理实现精确校准。

本发明一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准方法，包括以下步骤：

S1、衍射理论分析

首先利用矢量瑞利索末菲衍射积分公式分析点衍射干涉仪中不同光斑-衍射孔对准偏差与波前偏差之间的关系。

采用已经过化简变形的球面坐标形式的衍射公式计算，如下式所示：

式中，λ为激光波长、r为衍射球面半径、u为衍射孔半径、w₁为汇聚光斑半径、θ为衍射半角、k为波数，k＝2π/λ。J_n(*)为贝塞尔函数，其中n为其阶数。对于衍射场中某点P(x,y,z)处，其衍射场矢量强度分布为式(2)：

E(x,y,z)＝E_x(x,y,z)i+E_y(x,y,z)j+E_z(x,y,z)k (2)

式中i,j,k为单位方向矢量，E_x,E_y,E_z为各方向的分量强度。

衍射波面偏差可表示为衍射半径为r的球面上任意两点q(x_q,y_q,z_q)与之间的相位差如式(3)所示：

其中，φ_q和分别为q与q₀处的相位；

基于上述理论，对不同对准偏移量与衍射波前偏差之间的关系进行分析，设激光波长λ＝632.8nm，衍射孔半径u＝1μm、聚焦光斑尺寸w₁＝2u、球面波前半径r＝800mm，衍射数值孔径Na＝n₀sinθ＝0.3。

分析结果如图1所示，根据实验分析数据可知，要保证原始衍射球面波前的偏差ΔW＜λ×10^-3，则须控制对准偏移量Δs＜70nm。

S2、可视化针孔光路校准

由瑞利索末菲衍射理论分析可知，为满足极紫外光刻物镜纳米级检测精度需求，汇聚光斑与衍射孔的偏移量应控制在70nm以内。

鉴于此，本发明提出了一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统，该系统以对准图像中光斑-衍射孔偏差信息以及衍射孔板出射入射光强为测量依据，结合后续建立的测量量-控制量间数学模型实现光路的精确校准。

请参阅图2，整个系统包括分光棱镜BS1、BS2、BS3、可调衰减片、扩束准直系统、成像镜头及CCD1、波前传感器、光功率计PM1、PM2、透镜L1、L2、L3三维精密电控平移台及其驱动器。

由激光器发出的光束经扩束准直系统及显微物镜后聚焦至衍射孔板上，由衍射孔板表面反射回的光束，一部分返回至分光棱镜BS2，被其反射至光功率计PM2的传感器上，记录经反射后的入射光强度；另一部分穿过BS2再次被BS1反射，并经扩束准直系统及成像镜头后在CCD1上形成光斑对准图像。

由于衍射孔板上刻蚀掉的小孔部分几乎不反射光束，在小孔精确对准的情况下，CCD1上获得的图像将是中央暗外圈亮的同心光斑，中央暗斑对应小孔图像，外圈亮斑对应显微物镜汇聚光斑图像。而在衍射孔板出射端，利用透镜L1将衍射波前转换为平行光束入射至棱镜BS3，此时衍射光被其分为两部分，一部分被透镜L2汇聚至波前传感器，监测衍射波前的质量，另一部分被BS2反射并经过透镜L3将部分衍射光汇聚至光功率计PM1的传感器处，记录其衍射光光强。此时通过分析采集得到的对准图像信息与衍射光强即可计算得到相应的偏移量。结合后续建立的测量量-控制量数学模型方可实现光斑-衍射孔精确自动对准。

S3、对准图像处理算法

通过CCD1获得中央暗外圈亮的同心光斑图，该图即为光斑-衍射孔对准的原始图像。由于激光器输出功率不稳定、光路中其他光学元件表面不均匀、外界光线变化等扰动因素的存在，使得CCD1中采集到的小孔对准原始图像夹杂较强噪声，且像质模糊不均匀，影响小孔与光斑的质心定位精度，故需要对这些图像进行预处理。原始小孔对准图像如图3a所示，为了提取图像中衍射孔中心与光斑中心的偏移量，

请参阅图4，图像处理算法具体为：首先通过算法中高斯滤波，直方图均衡化，自适应阈值分割构成的图像预处理环节得到二值化的小孔对准图3b，然后对预处理图像进行去噪处理，并提取轮廓得到相对规则的图像3c，该环节涉及中值滤波，填充瑕疵与形态学闭运算；最后分别计算图像中光斑(亮斑)与衍射孔(黑洞)的质心坐标及其偏差以观测衍射孔对准情况。质心偏差如图3d所示，红色十字准星分别为光斑几何中心与小孔几何中心。

基于上述已处理的光斑-针孔对准图像，建立测量量-控制量间数学模型以实现光斑的自动对准。

设通过自适应阈值分割法截取图像中光斑区域s(x_j,y_j)及针孔区域p(x_k,y_k)，则由式(4)可分别得到二者的几何中心坐标(x_s,y_s)与(x_p,y_p)如下：

则汇聚光斑与衍射孔几何中心沿X方向，Y方向，直线方向L的像素偏差距离如式(5)所示：

根据瑞利索末菲衍射理论分析的结论可知，要实现点衍射干涉仪纳米级测量精度，则须将波前偏差控制在λ×10^-3以下，这就要求对准偏差E_a＜70nm。利用电子显微镜观测并测量衍射孔实际尺寸为a(长轴)、b(短轴)，如图5所示。

若其在对准图像中所占区域尺寸为w(宽)、h(高)。则物与像之间的像素分辨率为：

为了满足对准精度需求，则通过校准后像素偏差须满足如下关系。

系统中精密电控位移台的步进精度为M(nm/step)，则须向设备分别输入给进脉冲控制其沿X轴、Y轴调整孔板，使图像中光斑与衍射孔基本对准，最后根据图像信息利用位移台配备的压电陶瓷微动元件(PZT)进行微调直至几何中心重合。

X,Y方向需输出的调整脉冲数如式(8)所示：

将式(5)、(6)带入(8)中可得其最终表达式(9)。

至此已完成汇聚光斑、衍射孔XOY平面上的精确对准。

此时为了提高衍射效率、降低汇聚光斑尺寸引起的波前偏差，需要微调显微物镜与小孔板沿光轴Z轴之间的距离(焦距)。入射光束由物镜汇聚投射至衍射孔上，由于束腰尺寸略大于衍射孔直径，故一部分光束将被衍射孔板反射，而另一部分则通过小孔衍射，若出射入射光强比最大，则可认为衍射效率达到最大值，Z轴方向对准完成。

光强比如式(10)所示：

式中，I_PM1、I_PM2分别为光功率计PM1、PM2采集得到的出射反射光强。沿Z轴微调小孔板相对物镜的距离，直至Q达到最大值。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

1、衍射孔板设计

衍射孔的孔径尺寸影响着点衍射干涉仪的测量数值孔径，衍射孔孔径越小测量数值孔径则越大，二者满足如下关系：

Na＝n₀sinθ＝n₀sin(0.61λ/2u)。

其中，Na为数值孔径，n₀为空气折射率；

通常衍射孔尺寸为直径2u＜5μm，如此细小的针孔尺寸在进行精确对准调校前依旧不易被搜索观测，为此本发明在衍射孔板的针孔两侧设置了两个粗定位孔h1、h2，如图6所示：

粗定位孔的直径为针孔Pinhole的10倍，这样在精确校准前的粗略搜索阶段，操作人员可以更加方便的在CCD1采集的监测图像中搜索定位至针孔附近的位置，然后通过一定的微调即可定位针孔，进行后续的精密调整对准。

2、衍射孔对准流程

根据上述理论分析与光路校准方案图，进行适合的组件选型并搭建实验平台。其中精密电控平移台的步进精度应不小于10nm，CCD1的分辨率应高于500万像素。在执行阶段，依照图7所示的流程图实现汇聚光斑-衍射孔精确校准，其中分为四个环节，包括：

1)衍射孔板倾斜校正环节通过观测入射光束与反射光束是否共轴以判断入射光是否与衍射孔板垂直；

2)衍射孔搜索，根据衍射孔板中设置的辅助定位孔h1,h2在图像中的位置，在XOY平面上平移衍射孔板，搜索衍射针孔直至调试出外圈亮内圈暗的对准图像

3)对采集到的衍射孔对准图像进行处理并计算其对准偏差量；

4)根据前期建立的偏差量-控制量数学模型，通过计算机控制精密位移台进行可视化精确校准环节；

5)以光功率计PM1,PM2采集的衍射孔板前后光强比为依据对孔板进行Z轴方向微调环节，直至光强比达到最大值。

此外，在光路校准方案中加入了波前传感器，可以实时观测校准过程中衍射波前的像差情况，保证校准精度。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统，其特征在于，包括分光棱镜BS1、BS2、BS3、扩束准直系统、衍射孔板、波前传感器、透镜L1、L2和L3、光功率计PM1、PM2、三维精密电控平移台及其驱动器、CCD1和计算机，扩束准直系统包括第一扩束准直镜和第二扩束准直镜，激光器发出的光束经分光棱镜BS1后分两路，一路依次经可调衰减片、第一扩束准直镜、成像镜头和CCD1连接，CCD1与计算机连接；第二路光束经分光棱镜BS2后分两路，一路经光功率计PM2与计算机连接，另一路依次经第二扩束准直镜、显微物镜、衍射孔板、透镜L1和分光棱镜BS3连接，分光棱镜BS3分两路，一路经透镜L2和波前传感器后与计算机连接，另一路依次经透镜L3和光功率计PM1后与计算机连接；衍射孔板设置在三维精密电控平移台上，计算机通过三维精密电控平移台驱动器与三维精密电控平移台连接；校准系统以对准图像中光斑-衍射孔偏差信息以及衍射孔板出射入射光强为测量依据，结合测量量-控制量间数学模型实现光路的精确校准。

2.根据权利要求1所述的基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统，其特征在于，激光器发出的光束经第二扩束准直镜及显微物镜后聚焦至衍射孔板上，由衍射孔板表面反射回的光束，一部分返回至分光棱镜BS2，被分光棱镜BS2反射至光功率计PM2的传感器上，用于记录经反射后的入射光强度并发送至计算机；另一部分穿过BS2再次被BS1反射，并经第一扩束准直镜及成像镜头后在CCD1上形成光斑对准图像。

3.根据权利要求1或2所述的基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统，其特征在于，在衍射孔板出射端，透镜L1将衍射波前转换为平行光束入射至分光棱镜BS3，衍射光被分光棱镜BS3分为两部分，一部分被透镜L2汇聚至波前传感器，用于监测衍射波前的质量并发送至计算机；另一部分被分光棱镜BS2反射并经过透镜L3将部分衍射光汇聚至光功率计PM1的传感器处，用于记录其衍射光光强并发送至计算机；计算机通过分析采集到的对准图像信息与衍射光强计算得到相应的偏移量。

4.一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准方法，其特征在于，利用瑞利索末菲衍射理论分析得到对准误差与衍射波前偏差间的数学关系；利用权利要求1或2或3所述基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统，采集光斑小孔对准图像与衍射孔板前后光强；然后通过对准图像处理算法分析并测量对准偏差信息，建立测量量-控制量间数学模型；最后依据系统实现原理实现精确校准。

5.根据权利要求4所述的基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准方法，其特征在于，利用瑞利索末菲衍射理论分析得到对准误差与衍射波前偏差间的数学关系具体为：

采用球面坐标形式的衍射公式计算如下：

式中，λ为激光波长、r为衍射球面半径、u为衍射孔半径、w₁为汇聚光斑半径、θ为衍射半角、k为波数，k＝2π/λ，J_n(*)为贝塞尔函数，n为其阶数；

衍射场中某点P(x,y,z)处的衍射场矢量强度分布为：

E(x,y,z)＝E_x(x,y,z)i+E_y(x,y,z)j+E_z(x,y,z)k

式中，i,j,k为单位方向矢量，E_x,E_y,E_z为各方向的分量强度；

衍射波面偏差表示为衍射半径r的球面上任意两点q(x_q,y_q,z_q)与之间的相位差ΔW为：

其中，φ_q和分别为q与q₀处的相位；

最后，对不同对准偏移量与衍射波前偏差之间的关系进行分析，确定对准偏移量Δs＜70nm。

6.根据权利要求4所述的基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准方法，其特征在于，对准图像处理算法具体为：

首先通过预处理环节得到二值化的小孔对准图，然后对预处理图像进行去噪处理，提取轮廓得到相对规则的图像；最后分别计算图像中光斑与衍射孔的质心坐标及其偏差以观测衍射孔对准情况；建立测量量-控制量间数学模型以实现光斑的自动对准。

7.根据权利要求6所述的基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准方法，其特征在于，设通过自适应阈值分割法截取图像中光斑区域s(x_j,y_j)及针孔区域p(x_k,y_k)，计算几何中心坐标(x_s,y_s)与(x_p,y_p)如下：

确定汇聚光斑与衍射孔几何中心沿X方向，Y方向，直线方向L的像素偏差距离为：

利用电子显微镜观测并测量衍射孔实际尺寸为长轴a、短轴b；若其在对准图像中所占区域尺寸为宽w、高h，则物与像之间的像素分辨率为：

通过校准后像素偏差满足关系如下：

精密电控位移台的步进精度为M，向设备分别输入给进脉冲控制其沿X轴、Y轴调整孔板，使图像中光斑与衍射孔基本对准，最后根据图像信息利用位移台配备的压电陶瓷微动元件进行微调直至几何中心重合，X,Y方向需输出的调整脉冲数N_x、N_y为：

8.根据权利要求7所述的基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准方法，其特征在于，入射光束由物镜汇聚投射至衍射孔上，束腰尺寸大于衍射孔直径，一部分光束将被衍射孔板反射，另一部分则通过小孔衍射，若出射入射光强比最大，则衍射效率达到最大值，Z轴方向对准完成，光强比Q为：

其中，I_PM1、I_PM2分别为光功率计PM1、PM2采集得到的出射反射光强，沿Z轴微调小孔板相对物镜的距离，直至Q达到最大值。

9.根据权利要求6所述的基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准方法，其特征在于，衍射孔板的衍射孔孔径与测量数值孔径满足如下关系：

Na＝n₀sinθ＝n₀sin(0.61λ/2u)

其中，Na为数值孔径，n₀为空气折射率；

在衍射孔板的针孔两侧设置两个粗定位孔h1、h2，粗定位孔h1、h2的直径为针孔Pinhole的10倍。

10.根据权利要求9所述的基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准方法，其特征在于，衍射孔对准流程为：

设精密电控平移台的步进精度不小于10nm，CCD1的分辨率高于500万像素，执行阶段包括以下环节：

1)通过观测入射光束与反射光束是否共轴以判断入射光是否与衍射孔板垂直；

2)根据衍射孔板中设置的辅助定位孔h1,h2在图像中的位置，在XOY平面上平移衍射孔板，搜索衍射针孔直至调试出外圈亮内圈暗的对准图像；

3)对采集到的衍射孔对准图像进行处理并计算其对准偏差量；

4)根据建立的偏差量-控制量数学模型，通过计算机控制精密位移台进行可视化精确校准环节；

5)以光功率计PM1,PM2采集的衍射孔板前后光强比为依据对孔板进行Z轴方向微调环节，直至光强比达到最大值。