[发明专利]基于光场探测器的偏振移相动态干涉仪

说明书

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。

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。