[发明专利]基于朗奇剪切干涉仪的相位提取方法

说明书

技术领域

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。

背景技术

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0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0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0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。

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。

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)。该二维光栅干涉仪采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0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。

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,Martijn K.Dekker,Petra Hegeman,et al.,“Extended source interferometry for at-wavelength test of EUV-optics”,Emerging Lithographic Technologies Iii,Pts 1and 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0级的干涉。

发明内容

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。

本发明的技术解决方案如下：