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)儀器國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

點衍射干涉檢測技術(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)儀器國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

本文介紹了點衍射干涉儀不同發(fā)展階段的特點和應(yīng)用。點衍射干涉儀由波長量級的針孔產(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，點衍射干涉儀可分為點衍射共路干涉和點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和面形檢測。共路干涉結(jié)構(gòu)簡單緊湊，對環(huán)境振動不敏感，對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傳統(tǒng)點衍射板進行改造，在全共路點衍射干涉儀中引入時間相位調(diào)制技術(shù)和干涉對比度可調(diào)技術(shù)，可進一步提高波前檢測精度。采用反射式針孔和各種光纖結(jié)構(gòu)發(fā)展了非共路點衍射干涉儀，實現(xiàn)了大口徑、高精度球面反射鏡面形的測量。本文重點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的反射式針孔點衍射干涉儀，并展望了點衍射檢測技術(shù)在生物檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。

點衍射；光纖點衍射；針孔點衍射；波前測量；生物檢測

1 引 言

干涉檢測技術(shù)是光學(xué)檢測領(lǐng)域中用于光學(xué)系統(tǒng)波像差檢測和鏡片面形檢測的最常用的檢測方法。傳統(tǒng)的干涉檢測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)，易受到機械振動和空氣擾動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)光源具有較長的相干長度，無法使用白光光源、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要求使用在線式光源(波長為13.5～193 nm)，其相干長度較短，只能使用全共路干涉儀。傳統(tǒng)的干涉檢測需依靠光路中的某一標(biāo)準(zhǔn)鏡來產(chǎn)生參考波前，不僅限制了干涉系統(tǒng)的檢測口徑，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，無法進行高精度光學(xué)檢測。

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

點衍射共路干涉儀為新型的全共路干涉儀，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，對環(huán)境振動不敏感，對光源相干度要求不高，甚至可以使用星光光源[1]，而且無需滿足傳統(tǒng)干涉儀特殊的干涉結(jié)構(gòu)要求，允許測試光學(xué)元件或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有極大的自由度。點衍射共路干涉儀可用于干涉顯微鏡[2]和大型天文望遠鏡的在線檢測和校準(zhǔn)[3-4]，并已成功地對反射式日晷儀的3個連續(xù)像面進行了像差檢測[5]。點衍射非共路干涉儀充分利用波長量級的微孔產(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)，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)元件加工精度對檢測系統(tǒng)精度的限制，因而可以得到衍射極限性能的分辨率，實現(xiàn)亞納米級精度的檢測，成為了高精度光學(xué)檢測技術(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]，以及生物細胞三維結(jié)構(gòu)的干涉檢測[8]?？梢?，開展點衍射干涉技術(shù)的研究對于輔助光刻技術(shù)、空間光學(xué)、生物檢測、顯微技術(shù)等的發(fā)展具有重要意義。

本文對不同發(fā)展階段的點衍射干涉檢測技術(shù)進行了分類和歸納，分析了點衍射共路干涉儀、光纖點衍射非共路干涉儀以及反射式針孔點衍射非共路干涉儀的特點及應(yīng)用，重點介紹了用于高精度光刻系統(tǒng)像差或面形檢測的反射式針孔點衍射干涉儀以及針孔遠場衍射波前質(zhì)量評價的方法，并展望了點衍射干涉技術(shù)在生物檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

2 點衍射共路干涉檢測技術(shù)

傳統(tǒng)的干涉檢測系統(tǒng)用于波前測量時，大多采用非共路干涉結(jié)構(gòu)，參考光束和測量光束在彼此分開的光路中行進，或者采用準(zhǔn)共路的干涉結(jié)構(gòu)，使標(biāo)準(zhǔn)面與檢測面盡量靠近，但光程差仍受環(huán)境振動和溫度的影響，導(dǎo)致觀察面或接收面上的干涉條紋不穩(wěn)定。因此，采用全共路的點衍射共路干涉儀進行高效、精確的波前像差檢測就顯得尤為重要。其參考波前是取檢測波前的一部分進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。因此在對實際光學(xué)系統(tǒng)進行波前檢測時，只需將點衍射板放置在像平面的像點處，就可給予測試組件甚至是整個光學(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)，可將點衍射共路干涉儀分為傳統(tǒng)點衍射共路干涉儀和相移點衍射共路干涉儀。傳統(tǒng)點衍射共路干涉儀未采用相位調(diào)制技術(shù)進行干涉圖的解調(diào)，仍以干涉條紋的形狀來獲取波前像差[5]。利用此種干涉儀進行波前檢測時，探測器采集到的干涉條紋對比度會受到環(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一部分檢測波前采樣后得到的，因此難以采用在兩波面間引入可變相位差的方式進行移相，檢測精度不高。而相移點衍射共路干涉儀在保留傳統(tǒng)點衍射共路干涉儀優(yōu)點的基礎(chǔ)上，通過改進的點衍射分束板將參考光束和檢測光束適當(dāng)分離[9-11]，引入時間相位調(diào)制技術(shù)和干涉條紋對比度可調(diào)技術(shù)，彌補了傳統(tǒng)點衍射共路干涉儀不能移相的缺陷，進一步提高了波前像差的檢測精度。

2.1 傳統(tǒng)的點衍射共路干涉檢測技術(shù)

1933年，Linnik首次提出了點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透明針孔。應(yīng)用此種衍射針孔板進行點衍射干涉測量的原理如圖1(b)所示，待測波前聚焦在點衍射針孔板上形成彌散斑，通過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的待測波前形狀，將其作為檢測波，而另一部分光則透過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，只能通過觀察干涉條紋的形狀來判斷相位差。對于大型天文望遠鏡波前的實時檢測來說，這是一種簡單、經(jīng)濟、有效的檢測手段[1]。

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

由于微米量級的針孔透過的光強較弱，為了得到高對比度的干涉條紋，需要衰減檢測光波的光強來匹配參考波前。理論上，入射波前像差、傾斜量、離焦量和針孔尺寸不同時，金屬吸收膜層的透過率不同，傾斜、離焦方向在如圖2所示的實際光學(xué)系統(tǒng)檢測原理示意圖中進行了標(biāo)注。針對于無像差的理想待測系統(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)滿足式(1)關(guān)系時，Smartt采用傅里葉變換的方法計算得到了檢測波前和參考波前的振幅相等，即保證了干涉圖有最佳的對比度[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，f為會聚光學(xué)系統(tǒng)的焦距，t1為針孔板吸收膜層的振幅透過率，t2為衍射針孔的有效振幅透過率。

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

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

由于點衍射干涉儀不需要標(biāo)準(zhǔn)參考鏡，可通過點衍射產(chǎn)生大數(shù)值孔徑參考波前，因此對所測系統(tǒng)的孔徑?jīng)]有特殊限制，對顯微物鏡(具有較小的系統(tǒng)孔徑)和大型天文望遠鏡(具有極大的系統(tǒng)孔徑)均能進行有效檢測。1979年，Smartt和Steel以星體為光源，通過天文望遠鏡把星光聚焦于點衍射板上，通過觀察由此產(chǎn)生的干涉圖來檢測位于帕洛馬山海耳天文臺(Haleobservatory)的152cm天文望遠鏡的像質(zhì)[4]。他們還利用點衍射干涉儀和激光光源對一個61cm口徑的卡塞格林望遠鏡進行了波前像差檢測[4]。

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

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

1985年，Smartt和Steel研究了點衍射干涉顯微鏡[2]，他們采用2W的點弧光燈(不需要進一步濾波)，其在透過率為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比度的缺陷。2004年，Smartt和Paez將點衍射干涉儀用于檢測紅外成像系統(tǒng)[13]，其中的點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)可進行紅外太空望遠鏡、近紅外太陽日晷的實時在線測量。2005年，QianGong利用點衍射干涉儀同時對大型拼接望遠鏡進行了平移誤差校正和像差測量[14]，系統(tǒng)原理如圖4所示，其中的M1和M2為反射鏡。利用長相干長度變化到短相干長度的光源，基于其在不同光譜寬度下干涉條紋對比度隨光程差變化的規(guī)律，進行平移誤差的粗校正，然后采用變換不同波長的光源邊緣相位的連續(xù)性進行精校正，簡化了校正過程。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 相移點衍射共路干涉檢測技術(shù)

隨著點衍射干涉技術(shù)的發(fā)展，對波前測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行測量，但可以采用移相的方法來提高檢測精度。由于傳統(tǒng)點衍射共路干涉儀的參考波前是取自待測波前的一部分，因此無法在兩波前中引入可變的相位差來進行移相操作。為了進一步提高檢測精度，美國亞利桑那大學(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]等研究機構(gòu)對傳統(tǒng)點衍射共路干涉儀進行了完善，發(fā)展了相移點衍射共路干涉儀。

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

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

2.2.1 液晶相移點衍射干涉檢測技術(shù)

自20世紀(jì)90年代以來，美國亞利桑那大學(xué)針對液晶相移點衍射干涉儀進行了一系列研究。1994年，Mercer等人[10]提出了一種液晶點衍射移相干涉儀，將嵌入了透明玻璃球的液晶元件作為點衍射針孔板，分析了其在會聚光束中產(chǎn)生的移相誤差，采用Hariharan五步移相算法進行干涉條紋的解調(diào)。液晶點衍射板(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光束，通過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，從而改變檢測光束的光程，進而可以在檢測光束和參考光束之間引入任意的相移，進行移相操作，提高點衍射干涉儀的檢測精度。

圖5 液晶點衍射板的結(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隨著液晶層之間電壓的變化而改變，進而改變物光束的透過率，因而引入了大量的相位測量誤差。1995年，Mercer和Creath等人[17,25]提出了改進的Hariharan五步移相算法，采用強度歸一化的方法對周期性相位調(diào)制誤差進行了校正。1996年，Mercer和Creath等人[15]采用理論建模仿真了實際離焦量和實驗測得離焦量的一致性，驗證了改進的Hariharan五步移相算法的準(zhǔn)確性。

此外，液晶點衍射干涉儀(Liquidcrystalpointdiffractioninterferometer,LCPDI)可用于航天飛機上的微重力研究和流體研究。1996年，Mercer和Rashidnia[26]使用LCPDI來測量充滿硅油的加熱室中的溫度分布。2012年，Mercer和Raman[16]在共振超音速飛機中進行了噴嘴處氣體震動場的測量。

2003年，美國羅徹斯特大學(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保基底和微球之間的親密聯(lián)系，并避免液晶分子的混入[19-20]。2006年，Marshall對第一代LCPDI進行了改進，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，點衍射板是通過光刻的方法制作的，薄的有圓形開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)于液晶點衍射板中的液晶分子，在晶體出射面上的圓形開口起到了針孔濾波器的作用。但事實上，由于電極邊緣場的作用，電場也存在于電極之外的圓形開口區(qū)域內(nèi)，因此電極的內(nèi)邊緣也會受到相位調(diào)制的作用，相位調(diào)制的貢獻不是一個階梯函數(shù)，而是逐漸變化的，這會降低移相的精度。

圖8 鈮酸鋰晶體點衍射板示意圖。(a)針孔制造過程;(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)計出了數(shù)字相移點衍射干涉儀，將8位透射式液晶空間光調(diào)制器(Liquid crystal spatial light modulator, LCSLM)作為點衍射掩模板，如圖9所示，其在產(chǎn)生參考波前的同時亦能使待測波前透過[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 光柵相移點衍射干涉技術(shù)

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

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，為了實現(xiàn)對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，美國勞倫斯-伯克利國家實驗室(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的光柵相移點衍射干涉儀(Phase-shifting point diffraction interferometer，PS/PDI)[11]。與以帶針孔的吸收膜片作為點衍射分束器的傳統(tǒng)點衍射干涉儀不同，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實現(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次衍射光的光強比，達到兩波前光強的最佳匹配，進而實現(xiàn)干涉條紋的對比度可調(diào)。將衍射光柵沿垂直于光柵柵距的方向移動一個或幾個光柵周期，可以在零級衍射光和一級衍射光之間引入可變的相位差，從而達到移相的目的。但是，該系統(tǒng)僅適用于像差較小的精密光學(xué)系統(tǒng)的波前測量。

圖11 光柵移相點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)光刻工作波長的相移點衍射干涉儀的參考波前，其在數(shù)值孔徑不大于0.082時的準(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)檢測的相移點衍射干涉儀，已經(jīng)對數(shù)值孔徑為0.08～0.30的9個全反射極紫外光刻原型光學(xué)系統(tǒng)進行了檢測，并實現(xiàn)了RMS為0.05～0.1 nm的波前檢測精度。2000年，Kenneth A. Goldber所在實驗室基于圖11(b)所示的系統(tǒng)方案研制了工作波長在深紫外波段193 nm的相移點衍射干涉儀，并實現(xiàn)了RMS為0.004λ的重復(fù)性檢測精度。

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

2000年，日本超尖端電子技術(shù)開發(fā)機構(gòu)(Association of super-advanced electronics Technologies ASET)進行了曝光波長(λ=13.5 nm)下的Schwarzschild反射式光學(xué)系統(tǒng)的波前測量[33]，示意圖如圖12所示。2013年，于長淞和向陽等人[34]對點衍射窗口掩模板加工技術(shù)進行了闡述，指出了掩模對準(zhǔn)精度對測量重復(fù)性精度的影響。

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

2.2.3 偏振相移點衍射干涉技術(shù)

圖13 雙折射硅晶體點衍射板結(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衍射干涉儀(Polarization phase-shifting point-diffraction interferometer，PPSPDI)[9,35]。傳統(tǒng)針孔點衍射分束器的針孔周圍是半透明的金屬膜層，而偏振相移點衍射干涉儀使用的針孔點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衍射針孔板時，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°，從而實現(xiàn)了參考波和檢測波的分離，使兩個正交偏振態(tài)發(fā)生干涉。僅僅通過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，即可實現(xiàn)移相操作，大大簡化了針孔板的結(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所述的雙折射點衍射板，提出了偏振相移點衍射干涉儀的實驗系統(tǒng)，如圖14所示，圖中的HWP為1/2波片。通過改變施加到電光調(diào)制器EOM上的電壓可以改變檢測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等研究了瞬時移相點衍射干涉儀，他們發(fā)現(xiàn)采用導(dǎo)電線柵的點衍射分束板，可使單脈沖激光照明下數(shù)值孔徑大于0.8的物光波像差達到很高的測量精度[36]。其中，線柵點衍射針孔板的結(jié)構(gòu)如圖15所示，針孔板的環(huán)形區(qū)域為線柵結(jié)構(gòu)的偏振片，中心為透明針孔或偏振方向與周圍環(huán)形區(qū)域垂直的線柵結(jié)構(gòu)，可以達到很高的偏振對比度，允許極寬范圍的入射角，進而可以測量大數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)的會聚光束。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，還可以通過改變輸入光的偏振態(tài)，控制參考光束相對于待測光束的能量，來達到調(diào)整對比度的目的。

圖15 線柵點衍射針孔板結(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波前會聚到吸收性針孔掩模板上，取其會聚光斑的一部分，經(jīng)針孔衍射產(chǎn)生參考光束，與透射的檢測光束直接干涉，從而獲取被測表面或系統(tǒng)的缺陷信息。此種干涉儀主要用于整個光學(xué)系統(tǒng)波前像差檢測以及在線裝配校正。但是，由于該檢測系統(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，對單個光學(xué)元件進行高精度面形測量尚有困難。

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，入射波長不斷縮小，研究人員已經(jīng)逐步開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)，并對單個反射式光學(xué)元件的加工精度提出了極高的要求，進而對相應(yīng)的檢測設(shè)備提出了亞納米量級的檢測精度要求。為了滿足更高檢測精度的要求，美國的LBNL、勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore national laboratory)和日本的超尖端電子技術(shù)開發(fā)機構(gòu)(ASET)、極紫外光刻系統(tǒng)發(fā)展協(xié)會(EUVA)[37-38]，以及國內(nèi)的浙江大學(xué)[39-43]、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所[44]、西安交通大學(xué)[45-48]等機構(gòu)均開展了點衍射非共路干涉檢測技術(shù)的研究，為進一步提高衍射參考波前的質(zhì)量，實現(xiàn)高精度反射鏡面形檢測奠定了基礎(chǔ)。

點衍射非共路干涉檢測技術(shù)利用尺寸與工作波長相當(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)，并將其同時作為檢測光束和參考光束，減少了檢測系統(tǒng)入射波前像差的影響，達到近乎衍射極限性能的分辨率，實現(xiàn)了亞納米級的檢測精度。在點衍射非共路干涉儀中，已報道的點衍射波前獲取結(jié)構(gòu)可分為光纖型和反射式針孔型兩類。

3 光纖點衍射非共路干涉檢測技術(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衍射波前的光纖點衍射干涉技術(shù)[49]。光纖點衍射干涉儀將纖芯直徑為幾倍波長量級的細光纖端面作為點衍射器件，產(chǎn)生類似于針孔的點衍射球面波，具有很高的出射光強。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對光路的影響，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端面，降低了聚焦光斑與針孔之間的對準(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，因此無法滿足大數(shù)值孔徑光學(xué)元件的面形檢測。為了彌補此缺陷，各研究機構(gòu)相繼發(fā)展了斜面光纖[50-51]和雙光纖點衍射干涉儀[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反射鏡面形的高精度檢測中[55]。

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

3.1 傳統(tǒng)光纖相移點衍射干涉儀

1996年，美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的Sommargren首次提出和實現(xiàn)了光纖點衍射干涉儀[56]，他采用纖芯直徑為4～5 μm的單模光纖得到了理想的點衍射球面波前，并于2002年研制出了工作波長為532 nm的實驗裝置，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，測量精度(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 光纖相移點衍射干涉儀測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中的相移光纖點衍射干涉儀采用短相干長度的激光器(相干長度約為2 mm)和鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)進行檢測光束的移相，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)生干涉的只有待測鏡反射的檢測光束和光纖衍射后直接到達CCD的延遲參考光束，而待測鏡反射的參考光束與直接到達CCD的檢測光束不產(chǎn)生干涉，僅僅增加一個光強信號[58]。

2010年,西安工業(yè)大學(xué)的聶亮等人[59]基于圖16所示的光纖點衍射干涉儀進行了EUV球面鏡面形的高精度測量，采用相干長度(約為5 cm)的激光光源(波長λ=532 nm)，且光纖的纖芯直徑為3.5 μm，測得其面形誤差的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,實現(xiàn)大數(shù)值孔徑光學(xué)元件的測量尚有困難。

3.2 斜面光纖相移點衍射干涉儀

為了進一步提高光纖點衍射干涉儀數(shù)值孔徑的檢測范圍，2002年，韓國先進科學(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衍射源[49-51]，如圖18所示。這種點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衍射源對透射式光學(xué)系統(tǒng)或元件波前進行檢測，不僅可以提高光纖點衍射干涉系統(tǒng)的可測數(shù)值孔徑，同時也能有效分離檢測光路與成像光路，便于系統(tǒng)的布局[51]，如圖19所示。與傳統(tǒng)的相移光纖點衍射干涉儀相比，斜面的相移光纖點衍射儀避免了參考波和檢測波發(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)均可作為檢測波，從而使其可測光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑增大一倍。在斜面光纖相移點衍射干涉儀中，起關(guān)鍵作用的是提供參考波的斜面光纖點衍射源，而提供球面檢測波的一個點衍射源可以使用普通的水平端面光纖。

圖19 傾斜面光纖點衍射源的優(yōu)勢。(a)傳統(tǒng)的相移光纖點衍射干涉儀;(b)斜面的相移光纖點衍射干涉儀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]提出將斜面光纖點衍射源用于構(gòu)建檢測高精度球面鏡面形的光纖點衍射干涉儀，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棱鏡組成的，其中玻璃平板的作用在于保護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 斜面光纖點衍射干涉儀球面面形檢測原理圖Fig. 20 Principle diagram of angled end-face fiber point diffraction interferometer used for testing spherical mirror surface

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

3.3 錐形光纖相移點衍射干涉儀

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，其形狀類似于近場顯微鏡的探針。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(可達到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。如圖22所示，錐型光纖點衍射干涉儀系統(tǒng)的原理類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，從待測鏡反射回來的光波通過一個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衍射干涉儀，為了降低空氣振動的影響，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 雙光纖相移點衍射干涉儀

為了增大待測波前的數(shù)值孔徑，美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的Sommargren于1996年對傳統(tǒng)光纖相移點衍射干涉儀進行了改進，他采用兩根柔性光纖代替小孔，實現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)波前像差的檢測[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進行移相時會導(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準(zhǔn)誤差，進而影響光纖的耦合效率。

雖然雙光纖相移點衍射干涉儀已經(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的地方，尤其是在檢測裝置的裝調(diào)方面，技術(shù)還不夠成熟，還需要對此進行深入研究。2012年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的張宇等人[59]對圖23所示的雙光纖點衍射干涉儀的波前參考源的系統(tǒng)誤差進行了標(biāo)定，得出其測試誤差的RMS小于0.01 nm。此外，還對其檢測方案進行了優(yōu)化設(shè)計，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，使得干涉儀對相移過程中角錐棱鏡的橫移誤差不敏感；減小了整個干涉儀的機械尺寸；對光纖端面進行拋光鍍膜處理，提高了光纖端面的反射率。對同一被檢光學(xué)系統(tǒng)進行了512次測量，得到系統(tǒng)的重復(fù)精度誤差能夠達到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)動偏振控制器。

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

雙光纖點衍射干涉儀不僅可以應(yīng)用于透射式波前像差檢測，還可以用于單個反射式元件的面形測量。2010年，日本大阪大學(xué)的T.Matsuura等人[52-53]提出了雙光纖點衍射干涉大口徑球面面形的檢測法，該方法的基本思想是將一根單模光纖的點衍射波前作為參考波前，而將另一根單模光纖的點衍射波前在經(jīng)待測球面反射后作為檢測波前。圖25所示為用于球面(凹面)反射鏡測量的雙光纖移相點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。首先采用對干涉圖連續(xù)多次采集并取平均的方法，減小CCD中隨機噪聲的影響，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200 mm口徑、1 500 mm曲率半徑的凹球面鏡的面形進行檢測，可以實現(xiàn)RMS為0.15 nm(λ/4 000)的面形檢測精度。

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

這種雙光纖點衍射干涉檢測方法充分利用光纖的數(shù)值孔徑，進一步提高了透射系統(tǒng)以及可測球面或非球面反射鏡的數(shù)值孔徑。由于兩光纖可同時耦合傳輸不同性質(zhì)的光束，因而可以很容易地調(diào)節(jié)干涉條紋的對比度。

3.5 結(jié)合針孔技術(shù)改進光纖點衍射源

2005年，Canon公司和美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室聯(lián)合報道了如圖26(a)所示的用于極紫外光刻系統(tǒng)波前像差檢測的雙光纖相移點衍射干涉儀[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)，增強條紋的對比度。同時，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)合起來的新型點衍射源大幅增加了衍射波前的數(shù)值孔徑，擴大了被檢光學(xué)系統(tǒng)的測量范圍。經(jīng)測量，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 新型點衍射源在檢測極紫外光刻系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。(a)檢測系統(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

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所也搭建了類似的WRS原理光路，并對WRS的系統(tǒng)誤差標(biāo)定算法進行了詳細的研究[63]。改進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)、偏振檢測部分和微孔對準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對圖26(b)所示的WRS進行了完善，引入了針孔對準(zhǔn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，減小了針孔對準(zhǔn)引起的入射波前像差。

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

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

4 反射式針孔點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)等微細加工技術(shù)發(fā)展，目前已能加工尺寸在亞微米量級(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)，國內(nèi)外多個單位[64-69]都已開展了反射式針孔點衍射干涉儀的研究，以應(yīng)對新的大口徑光學(xué)元件更高精度的檢測要求，實現(xiàn)EUV光刻投影物鏡波像差在亞納米量級精度的測量。

反射式針孔點衍射干涉儀基于鍍有金屬反射膜層的點衍射掩模板上的圓形針孔得到理想的點衍射波前，并利用點衍射掩模板上的金屬反射面來反射經(jīng)待測球面反射回的檢測波，進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的反射式針孔點衍射干涉儀系統(tǒng)，以及系統(tǒng)誤差的標(biāo)定方法，并對可進一步提高檢測精度的相位解調(diào)算法進行了總結(jié)。當(dāng)采用反射式針孔點衍射干涉儀進行低反射率鏡片的面形檢測時，可利用偏振元件的特性引入對比度可調(diào)技術(shù)，增強干涉條紋的對比度，提高系統(tǒng)的適用范圍。

4.1 反射式針孔點衍射干涉儀系統(tǒng)

最早用于實現(xiàn)高精度球面面形檢測的針孔點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等單位和組織對該針孔點衍射干涉儀的相關(guān)理論和裝置等進行了深入研究。

2002年,K.Otaki等人[71-73]開始投入到極紫外光刻機元件的高精度檢測中，采用直徑為0.5 μm的針孔，對數(shù)值孔徑(NA)為0.15的反射式球面鏡實現(xiàn)了RMS值為0.16 nm(λ/4 000)的面形檢測精度。圖29所示為ASET搭建的針孔點衍射干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖和裝置實物圖。由于該點衍射干涉儀系統(tǒng)為非共路結(jié)構(gòu)，因此空氣擾動對其檢測結(jié)果的再現(xiàn)性會有明顯的影響。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?？梢?，氦氣引入的擾動約比空氣引入的小很多，減小了非共路結(jié)構(gòu)中空氣擾動對干涉條紋的影響。

圖29 ASET搭建的針孔點衍射干涉儀(a)結(jié)構(gòu)示意圖和(b)裝置實物圖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)量是限制點衍射干涉儀檢測精度的主要因素，因此針孔直徑、厚度的設(shè)計，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)對針孔衍射波前誤差進行了仿真，分析了針孔尺寸、入射會聚光誤差、入射光與針孔的對準(zhǔn)誤差、針孔粗糙度以及偏振效應(yīng)等對針孔衍射波前質(zhì)量的影響。

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機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遠場衍射波前質(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]，以及照明會聚物鏡像差對衍射波前質(zhì)量的影響[78]。

中國科學(xué)院成都光電技術(shù)研究所利用時域有限差分方法對針孔衍射波前進行了仿真[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遠場波前誤差的影響，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衍射波前質(zhì)量的影響。此外，還分析了系統(tǒng)誤差對衍射波前的影響，如入射的會聚光斑與針孔的對準(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、衍射光強和光強均勻性等對點衍射干涉系統(tǒng)檢測精度的影響，分析了關(guān)鍵光學(xué)參數(shù)(如會聚物鏡數(shù)值孔徑、針孔尺寸、待測球面鏡的數(shù)值孔徑等)的相互制約作用，對點衍射干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(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，這部分偏差會被帶入到求解面形中，從而引入系統(tǒng)誤差，降低測量精度。

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，對反射式針孔點衍射干涉儀進行了系統(tǒng)誤差標(biāo)定。如圖30所示，M1和M2為平面反射鏡，M2與轉(zhuǎn)臺相連，通過偏轉(zhuǎn)可以獨立調(diào)節(jié)光斑的位置，避免了兩個光斑同時對準(zhǔn)所引起的對準(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)定反射式針孔點衍射干涉儀的系統(tǒng)誤差，推導(dǎo)出了可同時分離被檢鏡面旋轉(zhuǎn)對稱面形誤差和旋轉(zhuǎn)非對稱面形誤差的詳細公式。仿真結(jié)果表明：此算法估計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，滿足亞納米級標(biāo)定精度的要求[47]。2014年，研究人員又提出了非球面測量技術(shù)，該技術(shù)將點衍射干涉儀與環(huán)形亞口徑拼接技術(shù)相結(jié)合，可對非球面鏡進行極高精度的測量，達到了旋轉(zhuǎn)對稱非球面納米、亞納米量級的測量精度[48]。

4.3 位相解調(diào)算法的研究

為了進一步提高點衍射干涉儀的檢測精度，研究人員除了對系統(tǒng)誤差進行標(biāo)定外，還對位相解調(diào)算法進行了深入研究。2011年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機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)多項式的相位恢復(fù)算法，利用澤尼克多項式對光瞳函數(shù)進行展開，從噪聲和模數(shù)轉(zhuǎn)換的角度，通過模擬證實了這種方法對實現(xiàn)小孔衍射波前超高精度光學(xué)檢測具有可行性。

2012年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的張宇等[44]采用十三步移相算法對干涉圖進行解調(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)建的可見光相移點衍射干涉儀實驗原理圖，實現(xiàn)了RMS值優(yōu)于λ/10 000(λ=632.8 nm)的檢測重復(fù)性精度，也給出了實現(xiàn)干涉儀超高檢測精度應(yīng)該限定的測試組件的性能參數(shù)。同時，為了提高可見光針孔相移點衍射干涉儀的測量精度，對空氣擾動誤差的分析以及有效抑制是非常有必要的。通過采用十三步移相算法對空氣擾動誤差進行理論分析與仿真計算，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 ℃以內(nèi)，壓強變化控制在±1 Pa以內(nèi)等。

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

4.4 對比度可調(diào)系統(tǒng)

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

圖32 高精度點衍射球面面形干涉檢測系統(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)對低反射率待測鏡的檢測精度，在原有的點衍射球面面形檢測系統(tǒng)中引入圖32中虛線所示的3個偏振元件，并且通過調(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)，從而對參考光束和檢測光束的光強進行調(diào)整，繼而實現(xiàn)系統(tǒng)干涉條紋對比度的調(diào)整[87]。將其用于高反射率和低反射率的實際面形檢測，并與Zygo干涉儀進行比較，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，達到了預(yù)期的實驗結(jié)果。之后對所提出的檢測技術(shù)及系統(tǒng)進行了原理性實驗論證[87]。

點衍射掩模板作為點衍射球面干涉檢測系統(tǒng)中至關(guān)重要的一個器件，利用其得到的衍射參考波前直接決定了系統(tǒng)所能達到的檢測精度。點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，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，還可以反射檢測光，使其得以與參考光會合。針孔反射鏡是通過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)用反射式針孔點衍射干涉儀進行球面面形檢測的實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)待測鏡從小數(shù)值孔徑球面鏡發(fā)展到大數(shù)值孔徑球面鏡時，系統(tǒng)誤差明顯增大。因此，隨著對大數(shù)值孔徑球面面形檢測需求的增多以及對檢測精度要求的提高，對系統(tǒng)誤差進行標(biāo)定和抑制的研究就顯得必不可少。針對反射式針孔點衍射干涉系統(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，進一步提高了系統(tǒng)的檢測精度。

點衍射球面面形檢測系統(tǒng)中的會聚光束以一定的角度斜入射到針孔板反射鏡上，點衍射掩模板上金屬反射介質(zhì)的偏振效應(yīng)會引入斜反射波前像差，從而了影響系統(tǒng)的檢測精度。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]。

相對于大數(shù)值孔徑球面的高精度檢測，待測球面的調(diào)整誤差會使待測球面相對參考面引入一定的橫向或軸向偏移，即分別對應(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，進而在面形檢測結(jié)果中引入對應(yīng)的調(diào)整誤差。

圖35 待測球面調(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)球面干涉檢測中待測球面調(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式擬合的球面調(diào)整誤差校正方法，依據(jù)測得的原始面形數(shù)據(jù)的澤尼克多項式系數(shù)以及待測面的數(shù)值孔徑，得到了調(diào)整誤差引入的低階和高階像差量，實現(xiàn)了高精度球面調(diào)整誤差的校正[39]。通過Zygo干涉儀及大數(shù)值孔徑待測球面對提出的校正方法進行了實驗校正，校正精度的RMS值約為0.001λ，峰谷值為0.011λ。該方法無需知道實際的調(diào)整誤差，可以實現(xiàn)自動化處理，降低了檢測裝置中對待測面調(diào)節(jié)機構(gòu)精度的要求[39]。

由于實際實驗系統(tǒng)中的針孔是透光的，因此攜帶有待測鏡面形信息的檢測波前在針孔板上的反射點應(yīng)位于針孔周邊的高反區(qū)域。也就是說，待測鏡的球心與針孔中心之間存在一定的水平偏移，這會引入畸變和彗差，進而影響到檢測精度。因此，針對點衍射球面面形干涉檢測系統(tǒng)對大數(shù)值孔徑球面進行檢測時遇到的系統(tǒng)誤差增大這一問題，陳曉鈺等[41]應(yīng)用仿真建模的方法對導(dǎo)致誤差增大的原因及影響這一誤差的系統(tǒng)參數(shù)進行了分析，提出了一種對稱側(cè)檢測誤差校正(Systematic position aberration cancellation，SPAC)方法，給出了完整的誤差校正實驗流程，并對該方法的有效性進行了仿真驗證。

5 生物細胞檢測

以上介紹的點衍射干涉檢測技術(shù)多用于光學(xué)系統(tǒng)像差和單個反射式光學(xué)元件的面形檢測。近年來，隨著生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)铙w細胞動態(tài)特征定量測量需求的增多，普通的相位對比顯微系統(tǒng)(PCM)和微分干涉對比顯微系統(tǒng)(DIC)已無法滿足這一需求。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胞的結(jié)構(gòu)和動態(tài)特征[89]，而應(yīng)用了點衍射干涉技術(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，可以得到定量的納米量級的穩(wěn)定相位圖，而且細胞動態(tài)特征的識別時間只受探測器靈敏度的限制。

2008年，Gabriel Popescu和Young Keun Park等人[90]將衍射相位顯微系統(tǒng)用于紅細胞結(jié)構(gòu)和動態(tài)特征的檢測，該系統(tǒng)不需要物理接觸和外源性對比劑，實現(xiàn)了完全的無創(chuàng)活細胞測量。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)直擴束器準(zhǔn)直照明紅細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級和1級衍射級次光波，將0級光經(jīng)針孔衍射產(chǎn)生的理想球面波作為參考波前，將攜帶紅細胞相位信息的1級衍射光作為檢測波前，兩束光進行干涉，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，保持信號穩(wěn)定。2014年，韓國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)獲取了生物細胞的三維結(jié)構(gòu)和動態(tài)特征，實現(xiàn)了對動態(tài)細胞膜波動的亞10 nm靈敏度的測定[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)對生物細胞進行檢測，具有快速、非接觸、非侵入性等特點，可以得到細胞膜在納米尺寸和毫秒的動態(tài)特征。同時，該技術(shù)不需要引入化學(xué)或熒光染料等外源因子，保持了細胞的分子結(jié)構(gòu)，可以得到細胞的物理特性和健康狀況，為臨床細胞檢測打開了新局面，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

點衍射干涉儀以其特有的光學(xué)性質(zhì)在干涉檢測中得到了廣泛應(yīng)用和認可，由最初的波前像差檢測拓展到高精度光學(xué)元件面形檢測領(lǐng)域。點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，有望達到衍射極限的分辨率，實現(xiàn)高精度檢測。

根據(jù)點衍射干涉儀不同發(fā)展階段的特點，可將其分為點衍射共路干涉儀和點衍射非共路干涉儀。最早的點衍射干涉儀為點衍射共路干涉儀，主要應(yīng)用于波前像差檢測上，其結(jié)構(gòu)簡單，對環(huán)境振動不敏感，對光源相干度的要求不高。其裝置調(diào)節(jié)簡單，可實現(xiàn)在線測量，只需將點衍射板放置于像平面的像點處，波前分離與再結(jié)合均發(fā)生在像平面上，給予測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)點衍射共路干涉儀尚未引入移相技術(shù)進行干涉圖相位的解調(diào)，仍然通過觀察干涉條紋的形狀來檢測波前像差，特別是對于大型天文望遠鏡波前像差的實施檢測和校正來說，這是一種簡單、經(jīng)濟、有效的檢測手段。

隨著波前檢測精度的提高，國內(nèi)外一些研究機構(gòu)基于偏振技術(shù)和光柵衍射分光的特性對點衍射分束板進行改進，構(gòu)建了相移點衍射共路干涉儀，因引入了相位調(diào)制技術(shù)和對比度可調(diào)技術(shù)，進一步提高了波前像差的檢測精度，可用于航天飛機上微重力以及流體的研究，亦可用于超音速飛機噴嘴處氣體震動場的測量。但受限于點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中。不同于點衍射共路干涉儀，點衍射非共路干涉儀側(cè)重于通過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提高遠場衍射波前質(zhì)量，將近乎理想球面的衍射波前同時作為檢測光束和參考光束，減小了檢測系統(tǒng)入射波前像差對參考波前質(zhì)量的影響，主要用于光學(xué)元件面形的高精度檢測。

根據(jù)點衍射波前獲取結(jié)構(gòu)的不同，將此種干涉儀分為光纖點衍射干涉儀和反射式針孔點衍射干涉儀。光纖點衍射干涉儀采用單模光纖，雖然有很強的出射光強和濾波特性，可以消除入射波前像差對衍射波前質(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，無法滿足大數(shù)值孔徑光學(xué)元件或光學(xué)系統(tǒng)的檢測。為了進一步縮小光纖出射端面的尺寸，韓國先進科學(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衍射干涉儀、錐形光纖點衍射干涉儀和雙光纖點衍射干涉儀。另一方面，隨著電子束曝光、聚焦離子束刻蝕等微細加工技術(shù)的發(fā)展，目前已能加工出尺寸在亞微米量級(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。基于此種針孔結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外許多單位均針對反射式針孔點衍射干涉儀開展了進一步提高其檢測精度的研究，以實現(xiàn)EUV光刻物鏡波像差的高精度檢測。反射式針孔點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、聚焦光斑對準(zhǔn)誤差以及針孔加工圓度誤差等的影響。相較于光纖點衍射干涉儀，其出射光強較弱，裝置復(fù)雜，且聚焦光斑的對準(zhǔn)校正調(diào)整困難。此外，點衍射干涉儀以其高精度參考波前的優(yōu)勢，在生物細胞的三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)和動態(tài)特征檢測等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

在眾多的光學(xué)檢測方法中，點衍射干涉檢測技術(shù)作為一種可以實現(xiàn)優(yōu)于亞納米級檢測精度的技術(shù)手段，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ母呔葯z測方法之一。其中，針孔點衍射干涉儀可較為便利地建立不同工作波段的在線檢測裝置，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)檢測領(lǐng)域的研究熱點，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)量的實驗評價體系，使用與實際檢測相同的檢測系統(tǒng)，并進一步減小環(huán)境振動等對非共路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，建立完善的點衍射干涉儀，有效地進行大數(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)工作波長下提供高精度的在線檢測。

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《中國光學(xué)》征稿啟事

《中國光學(xué)》為雙月刊，A4開本;刊號：ISSN 2095-1531/CN 22-1400/O4；國內(nèi)外公開發(fā)行，郵發(fā)代號：國內(nèi)12-140，國外BM6782。

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主要欄目：微納光學(xué)、信息光學(xué)、集成光電子、光譜學(xué)和光譜儀器、激光技術(shù)與應(yīng)用、光學(xué)功能材料、光學(xué)設(shè)計與工藝、大氣與空間光學(xué)、光學(xué)儀器與測試、綜述、前沿動態(tài)、產(chǎn)業(yè)資訊、科普教學(xué)、實驗室介紹、自然科學(xué)基金項目進展、前沿?zé)狳c訪談、熱點論文等。

發(fā)稿類型：學(xué)術(shù)價值顯著、實驗數(shù)據(jù)完整的原創(chuàng)性論文；研究前景廣闊，具有實用、推廣價值的技術(shù)報告；有創(chuàng)新意識，能夠反映當(dāng)前先進水平的階段性研究簡報；對當(dāng)前學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點和前沿問題的專題報告；以及綜合評述國內(nèi)外光學(xué)技術(shù)研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)和未來發(fā)展趨勢的綜述性論文。

歡迎投稿、薦稿。

主管單位：中國科學(xué)院

主辦單位：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所

協(xié)辦單位：激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室

編輯出版：《中國光學(xué)》編輯部

投稿網(wǎng)址：http://chineseoptics.net.cn

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聯(lián)系電話：0431-86176852； 0431-84627061 傳 真：0431-84627061

編輯部地址：長春市東南湖大路3888號(130033)

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

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.61627825，No.11275172)；現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點創(chuàng)新基金資助項目(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年于長春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事點衍射干涉檢測方面的研究。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，主要從事精密測試與計量技術(shù)、光電信息傳感與納米技術(shù)、氣動光學(xué)及瞬態(tài)波前檢測等方面的研究。E-mail:yyyang07@163.com