點(diǎn)衍射干涉檢測(cè)技術(shù)

李 瑤, 楊甬英, 王 晨, 陳元愷, 陳曉鈺

(浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院 現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027)

點(diǎn)衍射干涉檢測(cè)技術(shù)

李 瑤, 楊甬英*, 王 晨, 陳元愷, 陳曉鈺

(浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院 現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027)

本文介紹了點(diǎn)衍射干涉儀不同發(fā)展階段的特點(diǎn)和應(yīng)用。點(diǎn)衍射干涉儀由波長(zhǎng)量級(jí)的針孔產(chǎn)生高質(zhì)量的球面波作為參考波前，能夠得到衍射極限性能的分辨率。按照不同的光路特點(diǎn)，點(diǎn)衍射干涉儀可分為點(diǎn)衍射共路干涉和點(diǎn)衍射非共路干涉兩種結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于高精度波前檢測(cè)和面形檢測(cè)。共路干涉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，對(duì)環(huán)境振動(dòng)不敏感，對(duì)光源相干度要求不高，可利用光束偏振態(tài)及光柵衍射分束的特性對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)衍射板進(jìn)行改造，在全共路點(diǎn)衍射干涉儀中引入時(shí)間相位調(diào)制技術(shù)和干涉對(duì)比度可調(diào)技術(shù)，可進(jìn)一步提高波前檢測(cè)精度。采用反射式針孔和各種光纖結(jié)構(gòu)發(fā)展了非共路點(diǎn)衍射干涉儀，實(shí)現(xiàn)了大口徑、高精度球面反射鏡面形的測(cè)量。本文重點(diǎn)闡述了用于極紫外光刻投影物鏡中高精度球面反射鏡面形檢測(cè)的反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀，并展望了點(diǎn)衍射檢測(cè)技術(shù)在生物檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)。

點(diǎn)衍射；光纖點(diǎn)衍射；針孔點(diǎn)衍射；波前測(cè)量；生物檢測(cè)

1 引 言

干涉檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域中用于光學(xué)系統(tǒng)波像差檢測(cè)和鏡片面形檢測(cè)的最常用的檢測(cè)方法。傳統(tǒng)的干涉檢測(cè)儀器主要有邁克耳遜干涉儀(Michelson interferometer)、泰曼-格林干涉儀(Twyman-Green interferometer)以及菲佐干涉儀(Fizeau interferometer)等，它們均為非共路或準(zhǔn)共路的干涉結(jié)構(gòu)，易受到機(jī)械振動(dòng)和空氣擾動(dòng)的影響而不能形成較穩(wěn)定的干涉模式；而且它們要求系統(tǒng)光源具有較長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度，無(wú)法使用白光光源、紫外波段甚至X射線照明。而用于制作極大規(guī)模集成電路的光刻投影物鏡的像差檢測(cè)要求使用在線式光源(波長(zhǎng)為13.5～193 nm)，其相干長(zhǎng)度較短，只能使用全共路干涉儀。傳統(tǒng)的干涉檢測(cè)需依靠光路中的某一標(biāo)準(zhǔn)鏡來(lái)產(chǎn)生參考波前，不僅限制了干涉系統(tǒng)的檢測(cè)口徑，而且受標(biāo)準(zhǔn)參考鏡加工精度的限制而難以產(chǎn)生高質(zhì)量的參考球面波前，無(wú)法進(jìn)行高精度光學(xué)檢測(cè)。

點(diǎn)衍射干涉儀采用尺寸接近于檢測(cè)波長(zhǎng)的微小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生近乎理想的球面波作為干涉檢測(cè)系統(tǒng)中的參考波前，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的干涉檢測(cè)。按照不同的光路結(jié)構(gòu)，可將點(diǎn)衍射干涉儀分為點(diǎn)衍射共路干涉儀和點(diǎn)衍射非共路干涉儀。共路干涉儀主要分為傳統(tǒng)點(diǎn)衍射干涉儀和相移點(diǎn)衍射干涉儀，最早應(yīng)用于波前檢測(cè)上，后來(lái)才拓展到光學(xué)元件面形的高精度檢測(cè)領(lǐng)域。應(yīng)用于反射鏡面形檢測(cè)的非共路干涉儀大致可分為兩類(lèi)：光纖點(diǎn)衍射干涉儀和反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀。

點(diǎn)衍射共路干涉儀為新型的全共路干涉儀，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，對(duì)環(huán)境振動(dòng)不敏感，對(duì)光源相干度要求不高，甚至可以使用星光光源[1]，而且無(wú)需滿(mǎn)足傳統(tǒng)干涉儀特殊的干涉結(jié)構(gòu)要求，允許測(cè)試光學(xué)元件或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有極大的自由度。點(diǎn)衍射共路干涉儀可用于干涉顯微鏡[2]和大型天文望遠(yuǎn)鏡的在線檢測(cè)和校準(zhǔn)[3-4]，并已成功地對(duì)反射式日晷儀的3個(gè)連續(xù)像面進(jìn)行了像差檢測(cè)[5]。點(diǎn)衍射非共路干涉儀充分利用波長(zhǎng)量級(jí)的微孔產(chǎn)生高質(zhì)量的參考球面波前(偏離理想球面的波前誤差RMS優(yōu)于0.000 1λ，λ為波長(zhǎng))，不需要借助精密加工的標(biāo)準(zhǔn)平面鏡或標(biāo)準(zhǔn)球面鏡，從而打破了標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件加工精度對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)精度的限制，因而可以得到衍射極限性能的分辨率，實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)精度的檢測(cè)，成為了高精度光學(xué)檢測(cè)技術(shù)中極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N技術(shù)手段。除此之外，隨著點(diǎn)衍射干涉技術(shù)的不斷發(fā)展，它已成功用于構(gòu)建白光干涉顯微鏡[2]、全息相位顯微鏡[6]、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)[7]，以及生物細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)的干涉檢測(cè)[8]。可見(jiàn)，開(kāi)展點(diǎn)衍射干涉技術(shù)的研究對(duì)于輔助光刻技術(shù)、空間光學(xué)、生物檢測(cè)、顯微技術(shù)等的發(fā)展具有重要意義。

本文對(duì)不同發(fā)展階段的點(diǎn)衍射干涉檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分類(lèi)和歸納，分析了點(diǎn)衍射共路干涉儀、光纖點(diǎn)衍射非共路干涉儀以及反射式針孔點(diǎn)衍射非共路干涉儀的特點(diǎn)及應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了用于高精度光刻系統(tǒng)像差或面形檢測(cè)的反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀以及針孔遠(yuǎn)場(chǎng)衍射波前質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法，并展望了點(diǎn)衍射干涉技術(shù)在生物檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

2 點(diǎn)衍射共路干涉檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的干涉檢測(cè)系統(tǒng)用于波前測(cè)量時(shí)，大多采用非共路干涉結(jié)構(gòu)，參考光束和測(cè)量光束在彼此分開(kāi)的光路中行進(jìn)，或者采用準(zhǔn)共路的干涉結(jié)構(gòu)，使標(biāo)準(zhǔn)面與檢測(cè)面盡量靠近，但光程差仍受環(huán)境振動(dòng)和溫度的影響，導(dǎo)致觀察面或接收面上的干涉條紋不穩(wěn)定。因此，采用全共路的點(diǎn)衍射共路干涉儀進(jìn)行高效、精確的波前像差檢測(cè)就顯得尤為重要。其參考波前是取檢測(cè)波前的一部分進(jìn)行小孔衍射后得到的，波前分離與再結(jié)合均發(fā)生在像平面。因此在對(duì)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行波前檢測(cè)時(shí)，只需將點(diǎn)衍射板放置在像平面的像點(diǎn)處，就可給予測(cè)試組件甚至是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)極大的自由度。

根據(jù)是否可以在共路干涉中引入移相技術(shù)，可將點(diǎn)衍射共路干涉儀分為傳統(tǒng)點(diǎn)衍射共路干涉儀和相移點(diǎn)衍射共路干涉儀。傳統(tǒng)點(diǎn)衍射共路干涉儀未采用相位調(diào)制技術(shù)進(jìn)行干涉圖的解調(diào)，仍以干涉條紋的形狀來(lái)獲取波前像差[5]。利用此種干涉儀進(jìn)行波前檢測(cè)時(shí)，探測(cè)器采集到的干涉條紋對(duì)比度會(huì)受到環(huán)境、干涉系統(tǒng)裝調(diào)誤差的影響。另一方面，由于其參考波前是針對(duì)一部分檢測(cè)波前采樣后得到的，因此難以采用在兩波面間引入可變相位差的方式進(jìn)行移相，檢測(cè)精度不高。而相移點(diǎn)衍射共路干涉儀在保留傳統(tǒng)點(diǎn)衍射共路干涉儀優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)的點(diǎn)衍射分束板將參考光束和檢測(cè)光束適當(dāng)分離[9-11]，引入時(shí)間相位調(diào)制技術(shù)和干涉條紋對(duì)比度可調(diào)技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)點(diǎn)衍射共路干涉儀不能移相的缺陷，進(jìn)一步提高了波前像差的檢測(cè)精度。

2.1 傳統(tǒng)的點(diǎn)衍射共路干涉檢測(cè)技術(shù)

1933年，Linnik首次提出了點(diǎn)衍射干涉儀的理論雛形。1975年Smartt和Steel提出了一種典型的衍射針孔板[5]，如圖1(a)所示，該板為一個(gè)鍍有金屬吸收膜層的透明基底(通常選用經(jīng)拋光的玻璃平板或者云母片)，在金屬吸收膜層上還有一個(gè)透明針孔。應(yīng)用此種衍射針孔板進(jìn)行點(diǎn)衍射干涉測(cè)量的原理如圖1(b)所示，待測(cè)波前聚焦在點(diǎn)衍射針孔板上形成彌散斑，通過(guò)吸收膜層直接透射的光的波前形狀不變，但其振幅被吸收膜層衰減，這部分光保留了原來(lái)的待測(cè)波前形狀，將其作為檢測(cè)波，而另一部分光則透過(guò)針孔衍射而形成接近理想球面的參考波前，兩路光束在針孔板的后方干涉形成干涉條紋。但是，此種干涉儀尚未采用移相技術(shù)解調(diào)干涉條紋，只能通過(guò)觀察干涉條紋的形狀來(lái)判斷相位差。對(duì)于大型天文望遠(yuǎn)鏡波前的實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，這是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效的檢測(cè)手段[1]。

圖1 點(diǎn)衍射分束器的(a)結(jié)構(gòu)和(b)原理圖Fig. 1 Structure (a) and principle (b) diagrams of point diffraction beam splitter plater

由于微米量級(jí)的針孔透過(guò)的光強(qiáng)較弱，為了得到高對(duì)比度的干涉條紋，需要衰減檢測(cè)光波的光強(qiáng)來(lái)匹配參考波前。理論上，入射波前像差、傾斜量、離焦量和針孔尺寸不同時(shí)，金屬吸收膜層的透過(guò)率不同，傾斜、離焦方向在如圖2所示的實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)原理示意圖中進(jìn)行了標(biāo)注。針對(duì)于無(wú)像差的理想待測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)針孔位于像面中心，并且針孔直徑與金屬吸收膜層透射系數(shù)滿(mǎn)足式(1)關(guān)系時(shí)，Smartt采用傅里葉變換的方法計(jì)算得到了檢測(cè)波前和參考波前的振幅相等，即保證了干涉圖有最佳的對(duì)比度[4]。

式中，α=aR/(λf)，a為針孔直徑，R為出瞳半徑，λ為入射光波長(zhǎng)，f為會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)的焦距，t1為針孔板吸收膜層的振幅透過(guò)率，t2為衍射針孔的有效振幅透過(guò)率。

1996年，QianGong對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)衍射共路干涉儀進(jìn)行了仿真研究，分析了不同入射波前像差以及針孔離焦、傾斜情況下對(duì)針孔掩模板透過(guò)率的要求[12]。

圖2 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)原理圖Fig. 2 Testing principle diagram of practical optical system

由于點(diǎn)衍射干涉儀不需要標(biāo)準(zhǔn)參考鏡，可通過(guò)點(diǎn)衍射產(chǎn)生大數(shù)值孔徑參考波前，因此對(duì)所測(cè)系統(tǒng)的孔徑?jīng)]有特殊限制，對(duì)顯微物鏡(具有較小的系統(tǒng)孔徑)和大型天文望遠(yuǎn)鏡(具有極大的系統(tǒng)孔徑)均能進(jìn)行有效檢測(cè)。1979年，Smartt和Steel以星體為光源，通過(guò)天文望遠(yuǎn)鏡把星光聚焦于點(diǎn)衍射板上，通過(guò)觀察由此產(chǎn)生的干涉圖來(lái)檢測(cè)位于帕洛馬山海耳天文臺(tái)(Haleobservatory)的152cm天文望遠(yuǎn)鏡的像質(zhì)[4]。他們還利用點(diǎn)衍射干涉儀和激光光源對(duì)一個(gè)61cm口徑的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了波前像差檢測(cè)[4]。

應(yīng)用點(diǎn)衍射共路干涉儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)只需將其置于像平面處，因此對(duì)于光學(xué)元件面形或系統(tǒng)波前像差的檢測(cè)均不難實(shí)現(xiàn)。1975年，Smartt和Steel應(yīng)用點(diǎn)衍射共路干涉儀成功地對(duì)反射式日冕儀中4個(gè)連續(xù)像面中的3個(gè)進(jìn)行了像差檢測(cè)[5]。點(diǎn)衍射共路干涉儀不僅可以用于檢測(cè)凹球面的面形[5]，還可以用于凸球面和平面鏡面形的檢測(cè)，其原理圖如圖3所示。

圖3 用于單個(gè)光學(xué)元件面形檢測(cè)的原理圖Fig. 3 Principle diagram of surface shape testing for single optical component

1985年，Smartt和Steel研究了點(diǎn)衍射干涉顯微鏡[2]，他們采用2W的點(diǎn)弧光燈(不需要進(jìn)一步濾波)，其在透過(guò)率為0.005的金膜層上的針孔尺寸為50μm。此低功率的白光干涉顯微鏡的分辨能力得以提高，彌補(bǔ)了白光干涉顯微鏡采用拓展光源而導(dǎo)致的較多背景光和低對(duì)比度的缺陷。2004年，Smartt和Paez將點(diǎn)衍射干涉儀用于檢測(cè)紅外成像系統(tǒng)[13]，其中的點(diǎn)衍射板采用云母基底，利用蒸發(fā)鍍膜的方式在基底上鍍金膜層，該成像系統(tǒng)可進(jìn)行紅外太空望遠(yuǎn)鏡、近紅外太陽(yáng)日晷的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。2005年，QianGong利用點(diǎn)衍射干涉儀同時(shí)對(duì)大型拼接望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了平移誤差校正和像差測(cè)量[14]，系統(tǒng)原理如圖4所示，其中的M1和M2為反射鏡。利用長(zhǎng)相干長(zhǎng)度變化到短相干長(zhǎng)度的光源，基于其在不同光譜寬度下干涉條紋對(duì)比度隨光程差變化的規(guī)律，進(jìn)行平移誤差的粗校正，然后采用變換不同波長(zhǎng)的光源邊緣相位的連續(xù)性進(jìn)行精校正，簡(jiǎn)化了校正過(guò)程。此方法在同一幅干涉圖中提供了平移誤差和傳統(tǒng)的像差信息，還指導(dǎo)了像差、平移誤差和安裝誤差之間的最佳平衡。

圖4 用于拼接鏡面的安裝校正系統(tǒng)Fig. 4 Installation calibration system used for segmented mirror

2.2 相移點(diǎn)衍射共路干涉檢測(cè)技術(shù)

隨著點(diǎn)衍射干涉技術(shù)的發(fā)展，對(duì)波前測(cè)量的精度提出了更高的要求。靜態(tài)條紋很難采用高精度的方法進(jìn)行測(cè)量，但可以采用移相的方法來(lái)提高檢測(cè)精度。由于傳統(tǒng)點(diǎn)衍射共路干涉儀的參考波前是取自待測(cè)波前的一部分，因此無(wú)法在兩波前中引入可變的相位差來(lái)進(jìn)行移相操作。為了進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，美國(guó)亞利桑那大學(xué)(UniversityofArizona，USA)[15-17]、羅徹斯特大學(xué)(UniversityofRochester，USA)[18-20]、日本京都大學(xué)[21-23]、北京理工大學(xué)[24]等研究機(jī)構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)衍射共路干涉儀進(jìn)行了完善，發(fā)展了相移點(diǎn)衍射共路干涉儀。

相移點(diǎn)衍射共路干涉儀對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)衍射分束板進(jìn)行改進(jìn)，利用光束偏振態(tài)以及光柵衍射分束的特性進(jìn)行檢測(cè)光束的移相操作，并引入干涉條紋對(duì)比度可調(diào)技術(shù)，提高了系統(tǒng)測(cè)量的精度，適用于實(shí)時(shí)高精度的波前檢測(cè)。

根據(jù)點(diǎn)衍射分束板結(jié)構(gòu)材料的不同,可將相移點(diǎn)衍射共路干涉儀歸納為液晶相移點(diǎn)衍射干涉儀、光柵相移點(diǎn)衍射干涉儀以及偏振相移點(diǎn)衍射干涉儀。

2.2.1 液晶相移點(diǎn)衍射干涉檢測(cè)技術(shù)

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)亞利桑那大學(xué)針對(duì)液晶相移點(diǎn)衍射干涉儀進(jìn)行了一系列研究。1994年，Mercer等人[10]提出了一種液晶點(diǎn)衍射移相干涉儀，將嵌入了透明玻璃球的液晶元件作為點(diǎn)衍射針孔板，分析了其在會(huì)聚光束中產(chǎn)生的移相誤差，采用Hariharan五步移相算法進(jìn)行干涉條紋的解調(diào)。液晶點(diǎn)衍射板(Liquidcrystalpointdiffractionplate，LCPDP)的結(jié)構(gòu)和原理如圖5所示，含有染色體分子的向列相液晶夾在內(nèi)側(cè)沉積有透明電極的2塊玻璃平板之間，將作為衍射點(diǎn)的玻璃微球嵌入到液晶中心，并將交流電施加于電極上。入射到微球上的一部分待測(cè)波前經(jīng)玻璃微球衍射成為參考光束，其余光線穿透液晶分子成為檢測(cè)光束，通過(guò)改變液晶層之間的電壓間接改變雙折射向列相液晶的折射率，從而改變檢測(cè)光束的光程，進(jìn)而可以在檢測(cè)光束和參考光束之間引入任意的相移，進(jìn)行移相操作，提高點(diǎn)衍射干涉儀的檢測(cè)精度。

圖5 液晶點(diǎn)衍射板的結(jié)構(gòu)和原理示意圖Fig. 5 Structure and principle diagram of liquid crystal point diffraction plate

但是，Hariharan五步移相算法要求物光束和參考光束的振幅強(qiáng)度在每幅干涉圖之間都保持一致，而染色體分子的方向也會(huì)隨著液晶層之間電壓的變化而改變，進(jìn)而改變物光束的透過(guò)率，因而引入了大量的相位測(cè)量誤差。1995年，Mercer和Creath等人[17,25]提出了改進(jìn)的Hariharan五步移相算法，采用強(qiáng)度歸一化的方法對(duì)周期性相位調(diào)制誤差進(jìn)行了校正。1996年，Mercer和Creath等人[15]采用理論建模仿真了實(shí)際離焦量和實(shí)驗(yàn)測(cè)得離焦量的一致性，驗(yàn)證了改進(jìn)的Hariharan五步移相算法的準(zhǔn)確性。

此外，液晶點(diǎn)衍射干涉儀(Liquidcrystalpointdiffractioninterferometer,LCPDI)可用于航天飛機(jī)上的微重力研究和流體研究。1996年，Mercer和Rashidnia[26]使用LCPDI來(lái)測(cè)量充滿(mǎn)硅油的加熱室中的溫度分布。2012年，Mercer和Raman[16]在共振超音速飛機(jī)中進(jìn)行了噴嘴處氣體震動(dòng)場(chǎng)的測(cè)量。

2003年，美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的Marshall提出了使用可壓縮的塑料微球代替嵌入式的玻璃球制備了第一代可壓縮塑料微球LCPDI(如圖6所示)，采用可壓縮的塑料微球可以確?；缀臀⑶蛑g的親密聯(lián)系，并避免液晶分子的混入[19-20]。2006年，Marshall對(duì)第一代LCPDI進(jìn)行了改進(jìn)，提出了使用結(jié)構(gòu)化基底的二代LCPDI[27]，如圖7所示，液晶掩模板的參考衍射元件和隔離器都是基底的一部分，可采用傳統(tǒng)的光刻方法批量生產(chǎn)，克服了第一代LCPDI依靠人工經(jīng)驗(yàn)不可重復(fù)性批量生產(chǎn)的缺陷。

圖6 第一代可壓縮塑料微球液晶點(diǎn)衍射板示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the first-generation liquid crystal point diffraction plate using a deformable plastic microsphere

圖7 第二代結(jié)構(gòu)化基底液晶點(diǎn)衍射板示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the second-generation liquid crystal point diffraction plate using one structured substrate

2006年和2007年,M.Paturzo等人[28-29]提出了基于鐵電晶體電光效應(yīng)的LCPDI干涉儀，其點(diǎn)衍射板是基于Z方向切割的鈮酸鋰晶體(Lithium niobate crystal，LNC)。如圖8(a)所示，點(diǎn)衍射板是通過(guò)光刻的方法制作的，薄的有圓形開(kāi)口的鋁層沉積在鈮酸鋰晶體的一側(cè)，在鈮酸鋰晶體的另一側(cè)也沉積有薄的均勻的平面鋁層，其厚度約為0.2 μm，其抗蝕劑圓斑的光學(xué)顯微圖像和鈮酸鋰晶體表面鋁層開(kāi)口結(jié)構(gòu)如圖8(b)、(c)所示。在鈮酸鋰晶體兩側(cè)的鋁層充當(dāng)電極，鈮酸鋰晶體相當(dāng)于液晶點(diǎn)衍射板中的液晶分子，在晶體出射面上的圓形開(kāi)口起到了針孔濾波器的作用。但事實(shí)上，由于電極邊緣場(chǎng)的作用，電場(chǎng)也存在于電極之外的圓形開(kāi)口區(qū)域內(nèi)，因此電極的內(nèi)邊緣也會(huì)受到相位調(diào)制的作用，相位調(diào)制的貢獻(xiàn)不是一個(gè)階梯函數(shù)，而是逐漸變化的，這會(huì)降低移相的精度。

圖8 鈮酸鋰晶體點(diǎn)衍射板示意圖。(a)針孔制造過(guò)程;(b)抗蝕劑圓斑的光學(xué)顯微圖像;(c)鈮酸鋰晶體表面鋁層的開(kāi)口結(jié)構(gòu)Fig. 8 Schematic diagram of point diffraction plate using lithium niobate crystal. (a) Schematic diagram of pinhole fabrication process; (b) Optical microscope image of resist dot; (c) Opening structure of aluminum on lithium niobate crystal surface

2014年，都柏林大學(xué)學(xué)院(University college Dublin)的Akondi等人設(shè)計(jì)出了數(shù)字相移點(diǎn)衍射干涉儀，將8位透射式液晶空間光調(diào)制器(Liquid crystal spatial light modulator, LCSLM)作為點(diǎn)衍射掩模板，如圖9所示，其在產(chǎn)生參考波前的同時(shí)亦能使待測(cè)波前透過(guò)[30]。

圖9 液晶空間光調(diào)制器示意圖Fig. 9 Schematic diagram of liquid crystal spatial light modulator

2.2.2 光柵相移點(diǎn)衍射干涉技術(shù)

光柵相移點(diǎn)衍射干涉儀為緊湊的全共路結(jié)構(gòu)，對(duì)光源的相干長(zhǎng)度要求不高，可以在寬光譜范圍內(nèi)(可見(jiàn)光到X射線)實(shí)現(xiàn)高精度的波前檢測(cè)。這些特性使其可以對(duì)多種光學(xué)系統(tǒng)在其相應(yīng)工作波長(zhǎng)下進(jìn)行波像差檢測(cè)，尤其是高精度極紫外光刻系統(tǒng)的波像差檢測(cè)。

圖10 帶有透明針孔和窗口的不透明掩模板示意圖Fig. 10 Schematic diagram of opaque mask plate with transparent pinhole and window

1996年，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)精度要求極高的極紫外投影光刻系統(tǒng)中的多層鍍膜反射式光學(xué)系統(tǒng)的高精度檢測(cè)，美國(guó)勞倫斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley national laboratory，LBNL)的H.Medecki等人提出并搭建了一種用于波前相位精確檢測(cè)的光柵相移點(diǎn)衍射干涉儀(Phase-shifting point diffraction interferometer，PS/PDI)[11]。與以帶針孔的吸收膜片作為點(diǎn)衍射分束器的傳統(tǒng)點(diǎn)衍射干涉儀不同，光柵PS/PDI結(jié)合衍射光柵和帶有透明針孔及窗口的不透明掩模板來(lái)實(shí)現(xiàn)分束的目的，該掩模板示意圖如圖10所示。系統(tǒng)原理如圖11(a)所示，其中，改變光柵的占空比可以改變光柵不同級(jí)次衍射光的光強(qiáng)比，達(dá)到兩波前光強(qiáng)的最佳匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)干涉條紋的對(duì)比度可調(diào)。將衍射光柵沿垂直于光柵柵距的方向移動(dòng)一個(gè)或幾個(gè)光柵周期，可以在零級(jí)衍射光和一級(jí)衍射光之間引入可變的相位差，從而達(dá)到移相的目的。但是，該系統(tǒng)僅適用于像差較小的精密光學(xué)系統(tǒng)的波前測(cè)量。

圖11 光柵移相點(diǎn)衍射干涉儀的原理圖。(a)分束光柵在物方針孔后;(b)分束光柵在物方針孔前Fig. 11 Principle diagrams of grating phase-shifting point diffraction interferometer. (a) Splitting grating location behind object pinhole; (b) Splitting grating in the front of object pinhole

1999年，Patrick P. Naulleau等人[31]基于圖11(b)所示的系統(tǒng)方案，研究了用于極紫外(EUV)光刻工作波長(zhǎng)的相移點(diǎn)衍射干涉儀的參考波前，其在數(shù)值孔徑不大于0.082時(shí)的準(zhǔn)確度優(yōu)于λEUV/350。到2005年，Kenneth A. Goldber和Patrick P. Naulleau等人[32]研制的用于極紫外光刻光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)的相移點(diǎn)衍射干涉儀，已經(jīng)對(duì)數(shù)值孔徑為0.08～0.30的9個(gè)全反射極紫外光刻原型光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了RMS為0.05～0.1 nm的波前檢測(cè)精度。2000年，Kenneth A. Goldber所在實(shí)驗(yàn)室基于圖11(b)所示的系統(tǒng)方案研制了工作波長(zhǎng)在深紫外波段193 nm的相移點(diǎn)衍射干涉儀，并實(shí)現(xiàn)了RMS為0.004λ的重復(fù)性檢測(cè)精度。

圖12 Schwarzschild系統(tǒng)波前檢測(cè)示意圖Fig. 12 Schematic diagram of Schwarzschild system wavefront measurement

2000年，日本超尖端電子技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(Association of super-advanced electronics Technologies ASET)進(jìn)行了曝光波長(zhǎng)(λ=13.5 nm)下的Schwarzschild反射式光學(xué)系統(tǒng)的波前測(cè)量[33]，示意圖如圖12所示。2013年，于長(zhǎng)淞和向陽(yáng)等人[34]對(duì)點(diǎn)衍射窗口掩模板加工技術(shù)進(jìn)行了闡述，指出了掩模對(duì)準(zhǔn)精度對(duì)測(cè)量重復(fù)性精度的影響。

與傳統(tǒng)點(diǎn)衍射干涉儀相比，光柵PS/PDI不再需要靠參考針孔與光束焦點(diǎn)之間的位置偏差來(lái)引入?yún)⒖疾ㄇ暗膬A斜，而且可以實(shí)現(xiàn)移相和干涉條紋對(duì)比度的可調(diào)操作，提高了波前檢測(cè)精度，可用于極紫外光刻投影物鏡波前像差的精確測(cè)量。

2.2.3 偏振相移點(diǎn)衍射干涉技術(shù)

圖13 雙折射硅晶體點(diǎn)衍射板結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 13 Structure diagram of birefringence silicon crystal point diffraction plate

2003年，美國(guó)亞利桑那大學(xué)的Neal和Wyant搭建了一種使用雙折射針孔板的新型偏振相移點(diǎn)衍射干涉儀(Polarization phase-shifting point-diffraction interferometer，PPSPDI)[9,35]。傳統(tǒng)針孔點(diǎn)衍射分束器的針孔周?chē)前胪该鞯慕饘倌?，而偏振相移點(diǎn)衍射干涉儀使用的針孔點(diǎn)衍射分束器是在半波片的雙折射硅晶體薄膜上刻蝕針孔，如圖13所示。當(dāng)橢圓偏振光入射到雙折射偏振點(diǎn)衍射針孔板時(shí)，其橢圓偏振態(tài)保持不變，而其余入射光經(jīng)λ/2波片衰減和透射后波前形狀保持不變，但偏振態(tài)將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，s光和p光均旋轉(zhuǎn)90°，從而實(shí)現(xiàn)了參考波和檢測(cè)波的分離，使兩個(gè)正交偏振態(tài)發(fā)生干涉。僅僅通過(guò)改變激光源的偏振態(tài)，即在s光和p光之間引入可變的相位差，即可實(shí)現(xiàn)移相操作，大大簡(jiǎn)化了針孔板的結(jié)構(gòu),而且降低了引入誤差源的可能性。

2006年，Neal和Wyant根據(jù)圖13所述的雙折射點(diǎn)衍射板，提出了偏振相移點(diǎn)衍射干涉儀的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖14所示，圖中的HWP為1/2波片。通過(guò)改變施加到電光調(diào)制器EOM上的電壓可以改變檢測(cè)波和參考波之間的相位差，從而產(chǎn)生移相，解調(diào)干涉條紋，提取波前信息[35]。

2004年，James和Stephen等研究了瞬時(shí)移相點(diǎn)衍射干涉儀，他們發(fā)現(xiàn)采用導(dǎo)電線柵的點(diǎn)衍射分束板，可使單脈沖激光照明下數(shù)值孔徑大于0.8的物光波像差達(dá)到很高的測(cè)量精度[36]。其中，線柵點(diǎn)衍射針孔板的結(jié)構(gòu)如圖15所示，針孔板的環(huán)形區(qū)域?yàn)榫€柵結(jié)構(gòu)的偏振片，中心為透明針孔或偏振方向與周?chē)h(huán)形區(qū)域垂直的線柵結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到很高的偏振對(duì)比度，允許極寬范圍的入射角，進(jìn)而可以測(cè)量大數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)的會(huì)聚光束。導(dǎo)電線柵相當(dāng)于偏振片，能有效地透射與線柵垂直的偏振態(tài)的光，反射吸收偏振態(tài)與光柵平行的光，產(chǎn)生偏振態(tài)垂直于非衍射透射光束的參考光束。此外，還可以通過(guò)改變輸入光的偏振態(tài)，控制參考光束相對(duì)于待測(cè)光束的能量，來(lái)達(dá)到調(diào)整對(duì)比度的目的。

圖15 線柵點(diǎn)衍射針孔板結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 15 Structure diagram of wire grid point diffraction pinhole plate

綜上所述，點(diǎn)衍射共路干涉儀是一種單光路干涉儀，使含有波前像差信息的檢測(cè)波前會(huì)聚到吸收性針孔掩模板上，取其會(huì)聚光斑的一部分，經(jīng)針孔衍射產(chǎn)生參考光束，與透射的檢測(cè)光束直接干涉，從而獲取被測(cè)表面或系統(tǒng)的缺陷信息。此種干涉儀主要用于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)波前像差檢測(cè)以及在線裝配校正。但是，由于該檢測(cè)系統(tǒng)入射波前像差的影響，以及加工微孔尺寸的限制，導(dǎo)致衍射參考波前的質(zhì)量不高，對(duì)單個(gè)光學(xué)元件進(jìn)行高精度面形測(cè)量尚有困難。

隨著光刻技術(shù)的不斷發(fā)展，投影鏡頭的數(shù)值孔徑不斷增大，入射波長(zhǎng)不斷縮小，研究人員已經(jīng)逐步開(kāi)展了極紫外光刻投影系統(tǒng)的研究工作。極紫外光刻(EUVL)投影物鏡多采用4～6片式反射式光學(xué)系統(tǒng)，并對(duì)單個(gè)反射式光學(xué)元件的加工精度提出了極高的要求，進(jìn)而對(duì)相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備提出了亞納米量級(jí)的檢測(cè)精度要求。為了滿(mǎn)足更高檢測(cè)精度的要求，美國(guó)的LBNL、勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore national laboratory)和日本的超尖端電子技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(ASET)、極紫外光刻系統(tǒng)發(fā)展協(xié)會(huì)(EUVA)[37-38]，以及國(guó)內(nèi)的浙江大學(xué)[39-43]、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所[44]、西安交通大學(xué)[45-48]等機(jī)構(gòu)均開(kāi)展了點(diǎn)衍射非共路干涉檢測(cè)技術(shù)的研究，為進(jìn)一步提高衍射參考波前的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高精度反射鏡面形檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

點(diǎn)衍射非共路干涉檢測(cè)技術(shù)利用尺寸與工作波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)奈⒖籽苌洚a(chǎn)生近似理想的球面波前(RMS優(yōu)于0.000 1λ)，并將其同時(shí)作為檢測(cè)光束和參考光束，減少了檢測(cè)系統(tǒng)入射波前像差的影響，達(dá)到近乎衍射極限性能的分辨率，實(shí)現(xiàn)了亞納米級(jí)的檢測(cè)精度。在點(diǎn)衍射非共路干涉儀中，已報(bào)道的點(diǎn)衍射波前獲取結(jié)構(gòu)可分為光纖型和反射式針孔型兩類(lèi)。

3 光纖點(diǎn)衍射非共路干涉檢測(cè)技術(shù)

隨著光纖制造工藝以及耦合技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了采用柔性光纖纖芯端面獲得理想點(diǎn)衍射波前的光纖點(diǎn)衍射干涉技術(shù)[49]。光纖點(diǎn)衍射干涉儀將纖芯直徑為幾倍波長(zhǎng)量級(jí)的細(xì)光纖端面作為點(diǎn)衍射器件，產(chǎn)生類(lèi)似于針孔的點(diǎn)衍射球面波，具有很高的出射光強(qiáng)。光纖的引入不僅減少了光路占據(jù)的空間，而且減少了空氣擾動(dòng)對(duì)光路的影響，提高了信噪比。此外，單模光纖只能傳輸基模模式，相當(dāng)于一個(gè)空間濾波器，相應(yīng)的衍射波前質(zhì)量不受入射波前像差和光學(xué)系統(tǒng)機(jī)械調(diào)整的影響。相較于針孔衍射板而言，將針孔變成了單模光纖的一個(gè)端面，降低了聚焦光斑與針孔之間的對(duì)準(zhǔn)誤差。

但是，一般單模光纖纖芯的直徑為3～5 μm，纖芯直徑小于2～3 μm時(shí)就很難制作，即光纖纖芯的直徑不可能做成如針孔那么小，這會(huì)導(dǎo)致光纖衍射球面波的可用數(shù)值孔徑一般小于0.2，因此無(wú)法滿(mǎn)足大數(shù)值孔徑光學(xué)元件的面形檢測(cè)。為了彌補(bǔ)此缺陷，各研究機(jī)構(gòu)相繼發(fā)展了斜面光纖[50-51]和雙光纖點(diǎn)衍射干涉儀[52-53]。另一方面，隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，可以將光纖拉成光纖錐[54-55]，使纖芯直徑進(jìn)一步減小，從而衍射出大數(shù)值孔徑和高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)球面波。目前，俄羅斯的物理微觀研究所已經(jīng)將這種技術(shù)應(yīng)用到極紫外投影物鏡單個(gè)反射鏡面形的高精度檢測(cè)中[55]。

本章主要概括比較了傳統(tǒng)光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀、斜面光纖、錐形光纖和雙光纖點(diǎn)衍射干涉儀的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，為高精度光學(xué)元件的面形檢測(cè)提供參考。

3.1 傳統(tǒng)光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀

1996年，美國(guó)勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Sommargren首次提出和實(shí)現(xiàn)了光纖點(diǎn)衍射干涉儀[56]，他采用纖芯直徑為4～5 μm的單模光纖得到了理想的點(diǎn)衍射球面波前，并于2002年研制出了工作波長(zhǎng)為532 nm的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖16所示，并用于極紫外反射式光學(xué)元件的高精度檢測(cè)，測(cè)量精度(RMS)優(yōu)于0.50 nm[57]。圖中的PBS為偏振分光棱鏡，ND為中性密度濾光片，PBS為偏振分束器，A為起偏器，M為顯微物鏡，R1和R2分別為角錐棱鏡。

圖16 光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀測(cè)量極紫外球面鏡面形的原理圖Fig. 16 Principle diagram of phase-shifting point diffraction interferometer used for testing surface shape of extreme-ultraviolet spherical mirror

圖17 光纖點(diǎn)衍射干涉儀的相干原理Fig. 17 Coherent principle of fiber point diffraction interferometer

圖16中的相移光纖點(diǎn)衍射干涉儀采用短相干長(zhǎng)度的激光器(相干長(zhǎng)度約為2 mm)和鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)進(jìn)行檢測(cè)光束的移相，將可調(diào)延遲器用于調(diào)節(jié)參考光束的相位延遲，使其等于被測(cè)球面到光纖出射端面的往返光程。如圖17所示，最終發(fā)生干涉的只有待測(cè)鏡反射的檢測(cè)光束和光纖衍射后直接到達(dá)CCD的延遲參考光束，而待測(cè)鏡反射的參考光束與直接到達(dá)CCD的檢測(cè)光束不產(chǎn)生干涉，僅僅增加一個(gè)光強(qiáng)信號(hào)[58]。

2010年,西安工業(yè)大學(xué)的聶亮等人[59]基于圖16所示的光纖點(diǎn)衍射干涉儀進(jìn)行了EUV球面鏡面形的高精度測(cè)量，采用相干長(zhǎng)度(約為5 cm)的激光光源(波長(zhǎng)λ=532 nm)，且光纖的纖芯直徑為3.5 μm，測(cè)得其面形誤差的PV值(Peak value)為0.4124λ，RMS值為0.0554λ。

但是傳統(tǒng)光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀因受到光纖纖芯尺寸的限制，衍射波前的可用數(shù)值孔徑一般都小于0.2,實(shí)現(xiàn)大數(shù)值孔徑光學(xué)元件的測(cè)量尚有困難。

3.2 斜面光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀

為了進(jìn)一步提高光纖點(diǎn)衍射干涉儀數(shù)值孔徑的檢測(cè)范圍，2002年，韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院(Korea advanced institute of science and technology，KAIST)的H.Kihm和S.W.Kim提出了一種斜面光纖點(diǎn)衍射源[49-51]，如圖18所示。這種點(diǎn)衍射源光纖端面的法線與光軸成一定的夾角θi，其衍射波的傳播方向不再與端面的法線方向一致，而是成一定夾角θo。

圖18 斜面光纖點(diǎn)衍射源結(jié)構(gòu)及衍射光傳播角的示意圖Fig. 18 Schematic diagram of angled end-face fiber point diffraction source structure and diffracted ray from the angled end-face fiber

使用這種斜面光纖點(diǎn)衍射源對(duì)透射式光學(xué)系統(tǒng)或元件波前進(jìn)行檢測(cè)，不僅可以提高光纖點(diǎn)衍射干涉系統(tǒng)的可測(cè)數(shù)值孔徑，同時(shí)也能有效分離檢測(cè)光路與成像光路，便于系統(tǒng)的布局[51]，如圖19所示。與傳統(tǒng)的相移光纖點(diǎn)衍射干涉儀相比，斜面的相移光纖點(diǎn)衍射儀避免了參考波和檢測(cè)波發(fā)生不必要的重疊，使單模光纖的衍射波在全數(shù)值孔徑范圍內(nèi)均可作為檢測(cè)波，從而使其可測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑增大一倍。在斜面光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀中，起關(guān)鍵作用的是提供參考波的斜面光纖點(diǎn)衍射源，而提供球面檢測(cè)波的一個(gè)點(diǎn)衍射源可以使用普通的水平端面光纖。

圖19 傾斜面光纖點(diǎn)衍射源的優(yōu)勢(shì)。(a)傳統(tǒng)的相移光纖點(diǎn)衍射干涉儀;(b)斜面的相移光纖點(diǎn)衍射干涉儀Fig. 19 Advantage of angled end-face fiber point diffraction source. (a) Traditional phase-shifting fiber point diffraction interferometer; (b) Phase-shifting angled end-face fiber point diffraction interferometer

2005年，H.Kihm和S.W.Kim[49-50]提出將斜面光纖點(diǎn)衍射源用于構(gòu)建檢測(cè)高精度球面鏡面形的光纖點(diǎn)衍射干涉儀，其系統(tǒng)原理如圖20所示，圖中的BS1是由中間夾有一玻璃平板的兩個(gè)棱鏡組成的，其中玻璃平板的作用在于保護(hù)下層棱鏡斜面上起分束作用的電介質(zhì)膜層；BS2為普通的立方分束器。

圖20 斜面光纖點(diǎn)衍射干涉儀球面面形檢測(cè)原理圖Fig. 20 Principle diagram of angled end-face fiber point diffraction interferometer used for testing spherical mirror surface

與傳統(tǒng)光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀相比，斜面光纖點(diǎn)衍射干涉儀可測(cè)元件的數(shù)值孔徑更大，且系統(tǒng)簡(jiǎn)單，使用的光學(xué)元件較少，特別適用于拋光過(guò)程中被加工工件面形的在線檢測(cè)。

3.3 錐形光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀

為了提高衍射波前的數(shù)值孔徑，可以采用微納加工技術(shù)使光纖的端面變窄，其形狀類(lèi)似于近場(chǎng)顯微鏡的探針。2008年，俄羅斯的物理微觀結(jié)構(gòu)研究所(Institute for physics of microstructures)的N.I.Chkhalo等提出了基于狹窄出口的錐形單模光纖點(diǎn)衍射結(jié)構(gòu)，使單模光纖出射端的口徑降低到亞微米量級(jí)(可達(dá)到0.2～0.3 μm)，采用He-Ne激光器光源作為輸入光源，產(chǎn)生數(shù)值孔徑為0.27的參考球面波前，RMS值可達(dá)到0.25 nm[54]。在掃描電鏡下觀察到的錐型光纖如圖21所示，(a)為錐形光纖宏觀結(jié)構(gòu)圖，(b)錐型光纖出射端面的放大圖。

圖21 掃描電鏡下觀察到的錐型光纖。(a)宏觀形貌;(b)出射端面放大圖Fig. 21 Tapered fiber observed by the scanning electron microscope. (a) Macrograph; (b) Scaled up view of the end face of tapered fiber

2010年，N.I.Chkhalo等[55]提出可以將這種錐型光纖用于凹球面鏡和小球面度的非球面鏡檢測(cè)。如圖22所示，錐型光纖點(diǎn)衍射干涉儀系統(tǒng)的原理類(lèi)似于反射式針孔系統(tǒng)，不同的是其將高反射率的金屬膜層換成了斜面光楔平面鏡，從待測(cè)鏡反射回來(lái)的光波通過(guò)一個(gè)斜面光楔平面鏡反射到CCD上，與參考光束發(fā)生干涉，從而獲得反射鏡的面形信息。由于該干涉儀是非共路點(diǎn)衍射干涉儀，為了降低空氣振動(dòng)的影響，干涉儀被置于大氣壓力為1 Pa的真空室內(nèi)。

圖22 錐型光纖點(diǎn)衍射干涉儀系統(tǒng)的原理圖Fig. 22 Principle diagram of tapered fiber point diffraction interferometer

3.4 雙光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀

為了增大待測(cè)波前的數(shù)值孔徑，美國(guó)勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Sommargren于1996年對(duì)傳統(tǒng)光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀進(jìn)行了改進(jìn)，他采用兩根柔性光纖代替小孔，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)波前像差的檢測(cè)[56]，系統(tǒng)原理如圖23所示，圖中的ND為可調(diào)中性密度濾光片，PBS為偏振分光棱鏡，R1和R2為角錐棱鏡，A為起偏器，M為顯微物鏡。但是，采用PZT進(jìn)行移相時(shí)會(huì)導(dǎo)致相移系統(tǒng)中的角錐棱鏡產(chǎn)生平移誤差，從而引起聚焦光斑的對(duì)準(zhǔn)誤差，進(jìn)而影響光纖的耦合效率。

雖然雙光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀已經(jīng)取得了很多成熟的研究成果，但是還存在著許多可以完善或改進(jìn)的地方，尤其是在檢測(cè)裝置的裝調(diào)方面，技術(shù)還不夠成熟，還需要對(duì)此進(jìn)行深入研究。2012年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的張宇等人[59]對(duì)圖23所示的雙光纖點(diǎn)衍射干涉儀的波前參考源的系統(tǒng)誤差進(jìn)行了標(biāo)定，得出其測(cè)試誤差的RMS小于0.01 nm。此外，還對(duì)其檢測(cè)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如：在相移和光程差調(diào)節(jié)系統(tǒng)中引入了平面反射鏡，如圖24所示，使得干涉儀對(duì)相移過(guò)程中角錐棱鏡的橫移誤差不敏感；減小了整個(gè)干涉儀的機(jī)械尺寸；對(duì)光纖端面進(jìn)行拋光鍍膜處理，提高了光纖端面的反射率。對(duì)同一被檢光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了512次測(cè)量，得到系統(tǒng)的重復(fù)精度誤差能夠達(dá)到0.13 nm，優(yōu)于λ/4 000[60]。圖24中的ND為可調(diào)中性密度濾光片，HWP為1/2波片，QWP為1/4波片，PBS為偏振分光棱鏡，EPC1和EPC2均為電驅(qū)動(dòng)偏振控制器。

圖24 改進(jìn)的雙光纖點(diǎn)衍射干涉儀檢測(cè)透射式波前原理圖Fig. 24 Principle diagram of advanced double fibers point diffraction interferometer used for testing transmission wavefront

雙光纖點(diǎn)衍射干涉儀不僅可以應(yīng)用于透射式波前像差檢測(cè)，還可以用于單個(gè)反射式元件的面形測(cè)量。2010年，日本大阪大學(xué)的T.Matsuura等人[52-53]提出了雙光纖點(diǎn)衍射干涉大口徑球面面形的檢測(cè)法，該方法的基本思想是將一根單模光纖的點(diǎn)衍射波前作為參考波前，而將另一根單模光纖的點(diǎn)衍射波前在經(jīng)待測(cè)球面反射后作為檢測(cè)波前。圖25所示為用于球面(凹面)反射鏡測(cè)量的雙光纖移相點(diǎn)衍射干涉儀的布局示意圖[52-53]，其中的F1和F2為單模光纖，M1和M2為反射鏡，QWP為1/4波片，L1和L2為顯微物鏡，HWP為1/2波片，PBS為偏振分光棱鏡，ND為可調(diào)中性密度濾光片。首先采用對(duì)干涉圖連續(xù)多次采集并取平均的方法，減小CCD中隨機(jī)噪聲的影響，然后利用七步移相算法從干涉圖中提取出初步相位分布圖。利用該系統(tǒng)對(duì)200 mm口徑、1 500 mm曲率半徑的凹球面鏡的面形進(jìn)行檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)RMS為0.15 nm(λ/4 000)的面形檢測(cè)精度。

圖25 雙光纖點(diǎn)衍射干涉儀球面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig. 25 Principle scheme of double fibers point diffraction interferometer used for testing spherical mirror surface shape

這種雙光纖點(diǎn)衍射干涉檢測(cè)方法充分利用光纖的數(shù)值孔徑，進(jìn)一步提高了透射系統(tǒng)以及可測(cè)球面或非球面反射鏡的數(shù)值孔徑。由于兩光纖可同時(shí)耦合傳輸不同性質(zhì)的光束，因而可以很容易地調(diào)節(jié)干涉條紋的對(duì)比度。

3.5 結(jié)合針孔技術(shù)改進(jìn)光纖點(diǎn)衍射源

2005年，Canon公司和美國(guó)勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合報(bào)道了如圖26(a)所示的用于極紫外光刻系統(tǒng)波前像差檢測(cè)的雙光纖相移點(diǎn)衍射干涉儀[61-62]，圖中的M1、M2、M3、M4、M5為極紫外光刻投影系統(tǒng)中的反射鏡。該結(jié)構(gòu)在1996年所提方案(如圖23所示)的基礎(chǔ)上添加了偏振控制器，從而可以隨意調(diào)節(jié)兩束光的偏振態(tài)，增強(qiáng)條紋的對(duì)比度。同時(shí)，在光纖末端引入了波前參考源(Wavefront reference source，WRS)，如圖26(b)所示，這種將光纖和針孔技術(shù)結(jié)合起來(lái)的新型點(diǎn)衍射源大幅增加了衍射波前的數(shù)值孔徑，擴(kuò)大了被檢光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)量范圍。經(jīng)測(cè)量，此WRS產(chǎn)生的球面衍射波前(在數(shù)值孔徑0.3內(nèi))與理想球面的RMS偏差小于0.2 nm，且其標(biāo)定的重復(fù)性的RMS精度優(yōu)于0.05 nm。

圖26 新型點(diǎn)衍射源在檢測(cè)極紫外光刻系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。(a)檢測(cè)系統(tǒng)原理圖;(b)新型參考球面波源結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 26 Typical application of new wavefront reference source in testing extreme ultraviolet lithography system. (a) Principle diagram of testing system; (b) Structure schematic diagram of new wavefront reference source

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所也搭建了類(lèi)似的WRS原理光路，并對(duì)WRS的系統(tǒng)誤差標(biāo)定算法進(jìn)行了詳細(xì)的研究[63]。改進(jìn)的參考球面波源如圖27所示，此種WRS由3部分組成：光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、偏振檢測(cè)部分和微孔對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)圖26(b)所示的WRS進(jìn)行了完善，引入了針孔對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，減小了針孔對(duì)準(zhǔn)引起的入射波前像差。

圖27 改進(jìn)的參考球面波源結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 27 Structure diagram of advanced wavefront reference source

以光纖端面作為點(diǎn)衍射源難以實(shí)現(xiàn)大數(shù)值孔徑的檢測(cè)，而WRS結(jié)合針孔衍射的技術(shù)則突破這一難題，并主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)極紫外光刻元件及系統(tǒng)的高精度檢測(cè)。因此，在非共路點(diǎn)衍射干涉儀中采用針孔衍射技術(shù)，對(duì)于大尺寸光學(xué)元件的高精度測(cè)量具有重要意義。

4 反射式針孔點(diǎn)衍射非共路干涉技術(shù)

隨著電子束曝光、聚焦離子束刻蝕(Focused ion-beam etching，F(xiàn)IBE)等微細(xì)加工技術(shù)發(fā)展，目前已能加工尺寸在亞微米量級(jí)(甚至更小)的理想圓形針孔，能夠產(chǎn)生更大數(shù)值孔徑和更高精度的理想球面波前?；诖朔N針孔結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外多個(gè)單位[64-69]都已開(kāi)展了反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀的研究，以應(yīng)對(duì)新的大口徑光學(xué)元件更高精度的檢測(cè)要求，實(shí)現(xiàn)EUV光刻投影物鏡波像差在亞納米量級(jí)精度的測(cè)量。

反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀基于鍍有金屬反射膜層的點(diǎn)衍射掩模板上的圓形針孔得到理想的點(diǎn)衍射波前，并利用點(diǎn)衍射掩模板上的金屬反射面來(lái)反射經(jīng)待測(cè)球面反射回的檢測(cè)波，進(jìn)而與針孔得到的參考波前匯合，再經(jīng)成像系統(tǒng)成像于CCD上得到干涉條紋，其原理示意圖如圖28所示。

圖28 反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀原理示意圖Fig. 28 Principle diagram of reflected pinhole point diffraction interferometer

本章主要介紹了用于大口徑、高精度球面面形檢測(cè)的反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀系統(tǒng)，以及系統(tǒng)誤差的標(biāo)定方法，并對(duì)可進(jìn)一步提高檢測(cè)精度的相位解調(diào)算法進(jìn)行了總結(jié)。當(dāng)采用反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀進(jìn)行低反射率鏡片的面形檢測(cè)時(shí)，可利用偏振元件的特性引入對(duì)比度可調(diào)技術(shù)，增強(qiáng)干涉條紋的對(duì)比度，提高系統(tǒng)的適用范圍。

4.1 反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀系統(tǒng)

最早用于實(shí)現(xiàn)高精度球面面形檢測(cè)的針孔點(diǎn)衍射干涉儀是由日本Nikon公司的K.Otaki等人[70]于1999年提出的，隨后該公司和ASET等單位和組織對(duì)該針孔點(diǎn)衍射干涉儀的相關(guān)理論和裝置等進(jìn)行了深入研究。

2002年,K.Otaki等人[71-73]開(kāi)始投入到極紫外光刻機(jī)元件的高精度檢測(cè)中，采用直徑為0.5 μm的針孔，對(duì)數(shù)值孔徑(NA)為0.15的反射式球面鏡實(shí)現(xiàn)了RMS值為0.16 nm(λ/4 000)的面形檢測(cè)精度。圖29所示為ASET搭建的針孔點(diǎn)衍射干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖和裝置實(shí)物圖。由于該點(diǎn)衍射干涉儀系統(tǒng)為非共路結(jié)構(gòu)，因此空氣擾動(dòng)對(duì)其檢測(cè)結(jié)果的再現(xiàn)性會(huì)有明顯的影響。為了盡可能消除這一影響，在儀器的非共路部分設(shè)置風(fēng)箱，并在風(fēng)箱中泵入氦氣。由于氦氣的折射率nHe=1.000 035，而空氣的折射率nAir=1.000 292，故而(nAir-1)/(nHe-1)=3.88。可見(jiàn)，氦氣引入的擾動(dòng)約比空氣引入的小很多，減小了非共路結(jié)構(gòu)中空氣擾動(dòng)對(duì)干涉條紋的影響。

圖29 ASET搭建的針孔點(diǎn)衍射干涉儀(a)結(jié)構(gòu)示意圖和(b)裝置實(shí)物圖Fig. 29 Structure diagram (a) and device physical figure (b) of pinhole point diffraction interferometer built by ASET

針孔衍射波前的質(zhì)量是限制點(diǎn)衍射干涉儀檢測(cè)精度的主要因素，因此針孔直徑、厚度的設(shè)計(jì)，針孔的加工、裝調(diào)誤差以及入射波前像差的分析就顯得尤為重要。

K.Otaki[71,74]利用標(biāo)量衍射理論和嚴(yán)格耦合波理論(RCW)對(duì)針孔衍射波前誤差進(jìn)行了仿真，分析了針孔尺寸、入射會(huì)聚光誤差、入射光與針孔的對(duì)準(zhǔn)誤差、針孔粗糙度以及偏振效應(yīng)等對(duì)針孔衍射波前質(zhì)量的影響。

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所用標(biāo)量衍射理論研究了針孔衍射誤差[75]，并用時(shí)域有限差分方法結(jié)合矢量衍射理論分析了極紫外光入射下的針孔衍射[76]，研究了微孔直徑和厚度對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)衍射波前質(zhì)量的影響，分析了衍射波前誤差中的像散和彗差成分，以及衍射波面的強(qiáng)度均勻性。之后，還分析了微小針孔加工、裝調(diào)誤差[77]，以及照明會(huì)聚物鏡像差對(duì)衍射波前質(zhì)量的影響[78]。

中國(guó)科學(xué)院成都光電技術(shù)研究所利用時(shí)域有限差分方法對(duì)針孔衍射波前進(jìn)行了仿真[79-80]，比較了標(biāo)量衍射理論和矢量衍射理論的差別，分析了針孔直徑和厚度對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)波前誤差的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)針孔直徑和厚度都是影響衍射波前誤差的主要因素，需要綜合分析它們對(duì)衍射波前質(zhì)量的影響。此外，還分析了系統(tǒng)誤差對(duì)衍射波前的影響，如入射的會(huì)聚光斑與針孔的對(duì)準(zhǔn)誤差，包括平移、傾斜和離焦等情況，還有針孔加工誤差對(duì)于衍射波前的影響，包括針孔邊緣的粗糙度和針孔的橢圓度等[81]。

浙江大學(xué)楊甬英教授課題組基于時(shí)域有限差分算法分析了針孔衍射波前誤差[82]，研究了不同數(shù)值孔徑下，針孔參數(shù)對(duì)衍射波前質(zhì)量的影響，綜合考慮了衍射波前誤差、衍射光強(qiáng)和光強(qiáng)均勻性等對(duì)點(diǎn)衍射干涉系統(tǒng)檢測(cè)精度的影響，分析了關(guān)鍵光學(xué)參數(shù)(如會(huì)聚物鏡數(shù)值孔徑、針孔尺寸、待測(cè)球面鏡的數(shù)值孔徑等)的相互制約作用，對(duì)點(diǎn)衍射干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和參數(shù)選取具有一定的指導(dǎo)意義[83]。

4.2 系統(tǒng)誤差的分析與標(biāo)定

由于入射波前像差、針孔的有限孔徑和加工誤差、系統(tǒng)幾何調(diào)整誤差的影響，針孔衍射波與理想球面波存在一定的偏差，這部分偏差會(huì)被帶入到求解面形中，從而引入系統(tǒng)誤差，降低測(cè)量精度。

2013年，許嘉俊、邢廷文等[84]提出了基于反射鏡分光的雙孔干涉原理，對(duì)反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀進(jìn)行了系統(tǒng)誤差標(biāo)定。如圖30所示，M1和M2為平面反射鏡，M2與轉(zhuǎn)臺(tái)相連，通過(guò)偏轉(zhuǎn)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)光斑的位置，避免了兩個(gè)光斑同時(shí)對(duì)準(zhǔn)所引起的對(duì)準(zhǔn)校正難題,圖中的BS為分光棱鏡。

圖30 基于雙孔干涉標(biāo)定系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig. 30 Sketch of calibration system based on two-hole interference

2013年，西安交通大學(xué)的研究人員提出了利用被檢鏡旋轉(zhuǎn)法標(biāo)定反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀的系統(tǒng)誤差，推導(dǎo)出了可同時(shí)分離被檢鏡面旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)面形誤差和旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱(chēng)面形誤差的詳細(xì)公式。仿真結(jié)果表明：此算法估計(jì)的被檢面形誤差與仿真輸入值相吻合，RMS誤差的差值均小于0.03 nm，殘差均小于0.3 nm，滿(mǎn)足亞納米級(jí)標(biāo)定精度的要求[47]。2014年，研究人員又提出了非球面測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)將點(diǎn)衍射干涉儀與環(huán)形亞口徑拼接技術(shù)相結(jié)合，可對(duì)非球面鏡進(jìn)行極高精度的測(cè)量，達(dá)到了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)非球面納米、亞納米量級(jí)的測(cè)量精度[48]。

4.3 位相解調(diào)算法的研究

為了進(jìn)一步提高點(diǎn)衍射干涉儀的檢測(cè)精度，研究人員除了對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行標(biāo)定外，還對(duì)位相解調(diào)算法進(jìn)行了深入研究。2011年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的邵晶等[85]，提出了一種基于奈波爾-澤尼克(Zernike)多項(xiàng)式的相位恢復(fù)算法，利用澤尼克多項(xiàng)式對(duì)光瞳函數(shù)進(jìn)行展開(kāi)，從噪聲和模數(shù)轉(zhuǎn)換的角度，通過(guò)模擬證實(shí)了這種方法對(duì)實(shí)現(xiàn)小孔衍射波前超高精度光學(xué)檢測(cè)具有可行性。

2012年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的張宇等[44]采用十三步移相算法對(duì)干涉圖進(jìn)行解調(diào)，結(jié)果表明其重復(fù)性精度優(yōu)于五步移相算法。圖31為張宇等構(gòu)建的可見(jiàn)光相移點(diǎn)衍射干涉儀實(shí)驗(yàn)原理圖，實(shí)現(xiàn)了RMS值優(yōu)于λ/10 000(λ=632.8 nm)的檢測(cè)重復(fù)性精度，也給出了實(shí)現(xiàn)干涉儀超高檢測(cè)精度應(yīng)該限定的測(cè)試組件的性能參數(shù)。同時(shí)，為了提高可見(jiàn)光針孔相移點(diǎn)衍射干涉儀的測(cè)量精度，對(duì)空氣擾動(dòng)誤差的分析以及有效抑制是非常有必要的。通過(guò)采用十三步移相算法對(duì)空氣擾動(dòng)誤差進(jìn)行理論分析與仿真計(jì)算，得到了干涉儀工作的環(huán)境控制條件：空氣溫度變化控制在±0.005 ℃以?xún)?nèi)，壓強(qiáng)變化控制在±1 Pa以?xún)?nèi)等。

圖31 可見(jiàn)光相移點(diǎn)衍射干涉儀原理圖Fig. 31 Principle diagram of visible light phase-shifting point diffraction interferometer

4.4 對(duì)比度可調(diào)系統(tǒng)

由于上述的點(diǎn)衍射球面面形檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)光是由針孔衍射光在待測(cè)鏡表面上反射后形成的，因此檢測(cè)光的光強(qiáng)與待測(cè)鏡表面的反射率有關(guān)。當(dāng)待測(cè)鏡表面的反射率較高時(shí)，檢測(cè)光和參考光的光強(qiáng)比較接近，因此可以得到對(duì)比度比較理想的干涉條紋。但當(dāng)待測(cè)鏡表面的反射率較低時(shí)，檢測(cè)光的光強(qiáng)會(huì)遠(yuǎn)低于參考光，難以得到對(duì)比度理想的干涉條紋，進(jìn)而增大CCD量化誤差引入的波面誤差，最終影響系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

圖32 高精度點(diǎn)衍射球面面形干涉檢測(cè)系統(tǒng)的原理圖Fig. 32 Principle scheme of high precision point diffraction interferometric system for spherical surface testing

為了保證系統(tǒng)對(duì)低反射率待測(cè)鏡的檢測(cè)精度，在原有的點(diǎn)衍射球面面形檢測(cè)系統(tǒng)中引入圖32中虛線所示的3個(gè)偏振元件，并且通過(guò)調(diào)節(jié)波片元件組合HWP-QWP1將其調(diào)節(jié)為不同的偏振態(tài)，從而對(duì)參考光束和檢測(cè)光束的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)整，繼而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)干涉條紋對(duì)比度的調(diào)整[87]。將其用于高反射率和低反射率的實(shí)際面形檢測(cè)，并與Zygo干涉儀進(jìn)行比較，精度PV值和RMS值分別優(yōu)于0.010 0λ和0.002 0λ，重復(fù)性精度PV值和RMS值分別優(yōu)于0.005 0λ和0.001 0λ，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。之后對(duì)所提出的檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)論證[87]。

點(diǎn)衍射掩模板作為點(diǎn)衍射球面干涉檢測(cè)系統(tǒng)中至關(guān)重要的一個(gè)器件，利用其得到的衍射參考波前直接決定了系統(tǒng)所能達(dá)到的檢測(cè)精度。點(diǎn)衍射掩模板的主要結(jié)構(gòu)包括衍射針孔、反射鏡以及承載整個(gè)結(jié)構(gòu)的玻璃基底，如圖33所示，圖中的W為針孔衍射波前。

圖33 針孔掩模板的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 33 Structure scheme of pinhole mask plate

由于石英玻璃具有硬度大、耐高溫、膨脹系數(shù)低以及化學(xué)穩(wěn)定性良好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而可將石英玻璃作為玻璃基底。玻璃基底采用石英玻璃平行平板，其厚度為0.5 mm左右。針孔反射鏡不僅可以吸收衍射針孔邊界以外的入射光，還可以反射檢測(cè)光，使其得以與參考光會(huì)合。針孔反射鏡是通過(guò)在石英玻璃基底上鍍金屬反射介質(zhì)膜層得到的，選用鉻作為金屬反射膜層的鍍膜材料，其厚度約為380 nm。衍射針孔的重要加工設(shè)計(jì)參數(shù)是針孔尺寸和圓度誤差，目前利用聚焦離子束刻蝕工藝(FIBE)已能加工出圓度非常理想的針孔，圖34所示為加工出的直徑為0.5 μm的衍射針孔圖片。

圖34 在鉻膜上用FIBE刻蝕針孔的掃描電鏡圖。(a)斜視圖;(b)正視圖Fig. 34 SEM pictures of FIBE-etched pinhole in a chromium film. (a) Oblique view; (b) Front view

然而，在應(yīng)用反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀進(jìn)行球面面形檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)待測(cè)鏡從小數(shù)值孔徑球面鏡發(fā)展到大數(shù)值孔徑球面鏡時(shí)，系統(tǒng)誤差明顯增大。因此，隨著對(duì)大數(shù)值孔徑球面面形檢測(cè)需求的增多以及對(duì)檢測(cè)精度要求的提高，對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行標(biāo)定和抑制的研究就顯得必不可少。針對(duì)反射式針孔點(diǎn)衍射干涉系統(tǒng)，浙江大學(xué)楊甬英教授課題組研究了斜反射誤差[42]、高階球差[39]以及畸變或彗差[41]等系統(tǒng)誤差的校正和消除，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

點(diǎn)衍射球面面形檢測(cè)系統(tǒng)中的會(huì)聚光束以一定的角度斜入射到針孔板反射鏡上，點(diǎn)衍射掩模板上金屬反射介質(zhì)的偏振效應(yīng)會(huì)引入斜反射波前像差，從而了影響系統(tǒng)的檢測(cè)精度。為了消除斜反射波前像差，浙江大學(xué)楊甬英教授課題組分析了不同偏振態(tài)光束在不同孔徑角范圍下引入的斜反射波前誤差，提出采用圓偏振光入射，其引起的斜反射誤差可以忽略，校正后的面形偏差PV值和RMS值分別低于0.019 4λ和0.002 1λ[42]。

相對(duì)于大數(shù)值孔徑球面的高精度檢測(cè)，待測(cè)球面的調(diào)整誤差會(huì)使待測(cè)球面相對(duì)參考面引入一定的橫向或軸向偏移，即分別對(duì)應(yīng)波前傾斜(傾斜和橫向偏移)和波前離焦(軸向偏移)，如圖35所示，進(jìn)而在面形檢測(cè)結(jié)果中引入對(duì)應(yīng)的調(diào)整誤差。

圖35 待測(cè)球面調(diào)整誤差的分析模型。(a)傾斜;(b)橫向偏移;(c)軸向偏移Fig. 35 Analysis model of spherical surface adjustment error under test. (a) Tilt; (b) Lateral shift; (c) Axial shift

浙江大學(xué)楊甬英教授課題組根據(jù)球面干涉檢測(cè)中待測(cè)球面調(diào)整誤差的高階近似模型，提出了一種新的基于澤尼克多項(xiàng)式擬合的球面調(diào)整誤差校正方法，依據(jù)測(cè)得的原始面形數(shù)據(jù)的澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)以及待測(cè)面的數(shù)值孔徑，得到了調(diào)整誤差引入的低階和高階像差量，實(shí)現(xiàn)了高精度球面調(diào)整誤差的校正[39]。通過(guò)Zygo干涉儀及大數(shù)值孔徑待測(cè)球面對(duì)提出的校正方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)校正，校正精度的RMS值約為0.001λ，峰谷值為0.011λ。該方法無(wú)需知道實(shí)際的調(diào)整誤差，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理，降低了檢測(cè)裝置中對(duì)待測(cè)面調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)精度的要求[39]。

由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的針孔是透光的，因此攜帶有待測(cè)鏡面形信息的檢測(cè)波前在針孔板上的反射點(diǎn)應(yīng)位于針孔周邊的高反區(qū)域。也就是說(shuō)，待測(cè)鏡的球心與針孔中心之間存在一定的水平偏移，這會(huì)引入畸變和彗差，進(jìn)而影響到檢測(cè)精度。因此，針對(duì)點(diǎn)衍射球面面形干涉檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)大數(shù)值孔徑球面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)遇到的系統(tǒng)誤差增大這一問(wèn)題，陳曉鈺等[41]應(yīng)用仿真建模的方法對(duì)導(dǎo)致誤差增大的原因及影響這一誤差的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了分析，提出了一種對(duì)稱(chēng)側(cè)檢測(cè)誤差校正(Systematic position aberration cancellation，SPAC)方法，給出了完整的誤差校正實(shí)驗(yàn)流程，并對(duì)該方法的有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

5 生物細(xì)胞檢測(cè)

以上介紹的點(diǎn)衍射干涉檢測(cè)技術(shù)多用于光學(xué)系統(tǒng)像差和單個(gè)反射式光學(xué)元件的面形檢測(cè)。近年來(lái)，隨著生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)铙w細(xì)胞動(dòng)態(tài)特征定量測(cè)量需求的增多，普通的相位對(duì)比顯微系統(tǒng)(PCM)和微分干涉對(duì)比顯微系統(tǒng)(DIC)已無(wú)法滿(mǎn)足這一需求。傅里葉相位顯微技術(shù)(FPM)、希爾伯特相位顯微技術(shù)(HPM)和衍射相位顯微技術(shù)(DPM)可以定量獲取生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特征[89]，而應(yīng)用了點(diǎn)衍射干涉技術(shù)的衍射相位顯微技術(shù)，結(jié)合了HPM單次拍攝和FPM共路傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，可以得到定量的納米量級(jí)的穩(wěn)定相位圖，而且細(xì)胞動(dòng)態(tài)特征的識(shí)別時(shí)間只受探測(cè)器靈敏度的限制。

2008年，Gabriel Popescu和Young Keun Park等人[90]將衍射相位顯微系統(tǒng)用于紅細(xì)胞結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特征的檢測(cè)，該系統(tǒng)不需要物理接觸和外源性對(duì)比劑，實(shí)現(xiàn)了完全的無(wú)創(chuàng)活細(xì)胞測(cè)量。DPM的光學(xué)原理如圖36所示(L1、L2、L3和L4均為透鏡)，氬激光器發(fā)出的514 nm的激光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束器準(zhǔn)直照明紅細(xì)胞樣本后耦合到高數(shù)值孔徑的顯微物鏡中，而后經(jīng)振幅衍射光柵生成全部空間的多級(jí)衍射光束經(jīng)L3-L4標(biāo)準(zhǔn)空間濾光透鏡系統(tǒng)后篩選出0級(jí)和1級(jí)衍射級(jí)次光波，將0級(jí)光經(jīng)針孔衍射產(chǎn)生的理想球面波作為參考波前，將攜帶紅細(xì)胞相位信息的1級(jí)衍射光作為檢測(cè)波前，兩束光進(jìn)行干涉，在CCD上形成干涉條紋。該DPM為共路干涉結(jié)構(gòu)，可以有效隔離噪聲，保持信號(hào)穩(wěn)定。2014年，韓國(guó)在衍射相位顯微系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用了光學(xué)全息微層析成像技術(shù)獲取了生物細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特征，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)細(xì)胞膜波動(dòng)的亞10 nm靈敏度的測(cè)定[91-92]。

圖36 衍射相位光學(xué)顯微系統(tǒng)的原理圖Fig. 36 Principle diagram of diffraction phase microscopy system

采用衍射相位顯微技術(shù)對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè)，具有快速、非接觸、非侵入性等特點(diǎn)，可以得到細(xì)胞膜在納米尺寸和毫秒的動(dòng)態(tài)特征。同時(shí)，該技術(shù)不需要引入化學(xué)或熒光染料等外源因子，保持了細(xì)胞的分子結(jié)構(gòu)，可以得到細(xì)胞的物理特性和健康狀況，為臨床細(xì)胞檢測(cè)打開(kāi)了新局面，是生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究的有力工具，具有廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)束語(yǔ)

點(diǎn)衍射干涉儀以其特有的光學(xué)性質(zhì)在干涉檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用和認(rèn)可，由最初的波前像差檢測(cè)拓展到高精度光學(xué)元件面形檢測(cè)領(lǐng)域。點(diǎn)衍射干涉儀克服了標(biāo)準(zhǔn)參考鏡面形精度的限制，采用微孔衍射產(chǎn)生近乎理想的球面波前，有望達(dá)到衍射極限的分辨率，實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)。

根據(jù)點(diǎn)衍射干涉儀不同發(fā)展階段的特點(diǎn)，可將其分為點(diǎn)衍射共路干涉儀和點(diǎn)衍射非共路干涉儀。最早的點(diǎn)衍射干涉儀為點(diǎn)衍射共路干涉儀，主要應(yīng)用于波前像差檢測(cè)上，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境振動(dòng)不敏感，對(duì)光源相干度的要求不高。其裝置調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，只需將點(diǎn)衍射板放置于像平面的像點(diǎn)處，波前分離與再結(jié)合均發(fā)生在像平面上，給予測(cè)試組件極大的自由度。但由于技術(shù)條件等限制因素，最初的傳統(tǒng)點(diǎn)衍射共路干涉儀尚未引入移相技術(shù)進(jìn)行干涉圖相位的解調(diào)，仍然通過(guò)觀察干涉條紋的形狀來(lái)檢測(cè)波前像差，特別是對(duì)于大型天文望遠(yuǎn)鏡波前像差的實(shí)施檢測(cè)和校正來(lái)說(shuō)，這是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效的檢測(cè)手段。

隨著波前檢測(cè)精度的提高，國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)基于偏振技術(shù)和光柵衍射分光的特性對(duì)點(diǎn)衍射分束板進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建了相移點(diǎn)衍射共路干涉儀，因引入了相位調(diào)制技術(shù)和對(duì)比度可調(diào)技術(shù)，進(jìn)一步提高了波前像差的檢測(cè)精度，可用于航天飛機(jī)上微重力以及流體的研究，亦可用于超音速飛機(jī)噴嘴處氣體震動(dòng)場(chǎng)的測(cè)量。但受限于點(diǎn)衍射共路干涉儀的結(jié)構(gòu)及其移相方式，很難將其應(yīng)用于高精度反射鏡的面形檢測(cè)中。不同于點(diǎn)衍射共路干涉儀，點(diǎn)衍射非共路干涉儀側(cè)重于通過(guò)減小衍射微孔的尺寸和優(yōu)化掩模的厚度等一系列措施來(lái)提高遠(yuǎn)場(chǎng)衍射波前質(zhì)量，將近乎理想球面的衍射波前同時(shí)作為檢測(cè)光束和參考光束，減小了檢測(cè)系統(tǒng)入射波前像差對(duì)參考波前質(zhì)量的影響，主要用于光學(xué)元件面形的高精度檢測(cè)。

根據(jù)點(diǎn)衍射波前獲取結(jié)構(gòu)的不同，將此種干涉儀分為光纖點(diǎn)衍射干涉儀和反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀。光纖點(diǎn)衍射干涉儀采用單模光纖，雖然有很強(qiáng)的出射光強(qiáng)和濾波特性，可以消除入射波前像差對(duì)衍射波前質(zhì)量的影響，但光纖纖芯的直徑一般只有3～5 μm，導(dǎo)致光纖衍射波前的可用數(shù)值孔徑小于0.2，無(wú)法滿(mǎn)足大數(shù)值孔徑光學(xué)元件或光學(xué)系統(tǒng)的檢測(cè)。為了進(jìn)一步縮小光纖出射端面的尺寸，韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院、俄羅斯物理微觀結(jié)構(gòu)研究所以及日本大阪大學(xué)等科研單位相繼提出了斜面光纖點(diǎn)衍射干涉儀、錐形光纖點(diǎn)衍射干涉儀和雙光纖點(diǎn)衍射干涉儀。另一方面，隨著電子束曝光、聚焦離子束刻蝕等微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，目前已能加工出尺寸在亞微米量級(jí)(甚至更小)的理想圓形針孔，從而產(chǎn)生更高精度的理想球面波前?；诖朔N針孔結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外許多單位均針對(duì)反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀開(kāi)展了進(jìn)一步提高其檢測(cè)精度的研究，以實(shí)現(xiàn)EUV光刻物鏡波像差的高精度檢測(cè)。反射式針孔點(diǎn)衍射干涉儀雖然可以得到較大數(shù)值孔徑的理想球面衍射波前，但其偏離理想球面的誤差也受到聚焦物鏡像差、聚焦光斑對(duì)準(zhǔn)誤差以及針孔加工圓度誤差等的影響。相較于光纖點(diǎn)衍射干涉儀，其出射光強(qiáng)較弱，裝置復(fù)雜，且聚焦光斑的對(duì)準(zhǔn)校正調(diào)整困難。此外，點(diǎn)衍射干涉儀以其高精度參考波前的優(yōu)勢(shì)，在生物細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)和動(dòng)態(tài)特征檢測(cè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

在眾多的光學(xué)檢測(cè)方法中，點(diǎn)衍射干涉檢測(cè)技術(shù)作為一種可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于亞納米級(jí)檢測(cè)精度的技術(shù)手段，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ母呔葯z測(cè)方法之一。其中，針孔點(diǎn)衍射干涉儀可較為便利地建立不同工作波段的在線檢測(cè)裝置，可獲得大數(shù)值孔徑的高精度參考波前，已成為高精度光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，發(fā)展得較為成熟。下一步的工作是要研究完善針孔衍射波前質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系，使用與實(shí)際檢測(cè)相同的檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)一步減小環(huán)境振動(dòng)等對(duì)非共路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，建立完善的點(diǎn)衍射干涉儀，有效地進(jìn)行大數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)元件的加工、鍍膜，及在系統(tǒng)裝調(diào)階段于系統(tǒng)工作波長(zhǎng)下提供高精度的在線檢測(cè)。

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《中國(guó)光學(xué)》征稿啟事

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歡迎投稿、薦稿。

主管單位：中國(guó)科學(xué)院

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編輯出版：《中國(guó)光學(xué)》編輯部

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Point diffraction in terference detection technology

LI Yao, YANG Yong-ying*, WANG Chen, CHEN Yuan-kai, CHEN Xiao-yu

(State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation,College of Optical Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)*Corresponding author, E-mail:yyyang07@163.com

In this paper, several characteristics and applications of point diffraction interferometer at different development stages are introduced. In interferometers, high quality spherical wave as a reference wave is produced by pinhole with wavelength scale, which can achieve diffraction limited resolution. According to different light path characteristics, interferometers used for high-precision wavefront testing and surface shape testing are mainly divided into point diffraction common path interferometer and noncommon path interferometer. The former has the advantages of simple structure, low sensitivity to ambient vibration and low requirement for coherence light source. Based on beam polarization and diffraction grating characteristics, the traditional point diffraction splitter plate is improved. Moreover, the temporal phase modulation technology and adjustable interference contrast technology introduced to common path point diffraction interferometer can further improve the measurement accuracy of wavefront. In addition, reflex pinhole and various kinds of fiber structures are employed to develop noncommon point diffraction interferometer, realizing the high-accuracy measurement of large aperture spherical surface. Especially, the reflex pinhole point diffraction interferometer for high-accuracy spherical surface testing in extreme ultraviolet lithography is illustrated in detail. Finally, the wide prospects of application and development of point diffraction interference detection technology are forecasted in many fields, such as biological detection.

point diffraction;fiber point diffraction;pinhole point diffraction;wavefront measurement;biological detection

2017-02-23；

2017-03-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61627825，No.11275172)；現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(No.MOI2015B06) Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61627825, No. 11275172); Innovation Fund of State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation of China (No. MOI2015B06)

2095-1531(2017)04-0391-24

TN247; TH741

A

10.3788/CO.20171004. 0391

李 瑤(1992—)，女，河北保定人，碩士研究生，2015年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事點(diǎn)衍射干涉檢測(cè)方面的研究。E-mail:liyao_0927@163.com

楊甬英(1954—)，女，山東萊蕪人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事精密測(cè)試與計(jì)量技術(shù)、光電信息傳感與納米技術(shù)、氣動(dòng)光學(xué)及瞬態(tài)波前檢測(cè)等方面的研究。E-mail:yyyang07@163.com