基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法
【專利摘要】一種基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法,該方法采用的朗奇剪切干涉儀結(jié)構(gòu)包括光源、聚焦透鏡、散射光學(xué)元件、一維衍射光柵板、被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)、棋盤(pán)光柵、二維光電傳感器和計(jì)算機(jī)。在被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)物平面和像平面分別放置一維衍射光柵和棋盤(pán)光柵,通過(guò)采集相移間隔為π/4的9幅干涉條紋圖計(jì)算相位,消除朗奇剪切干涉中多級(jí)衍射光干涉對(duì)相位提取精度的影響。本發(fā)明的相位提取方法,消除0級(jí)與±1級(jí)以外的較高級(jí)次衍射項(xiàng)的影響,降低波像差檢測(cè)中相位提取的系統(tǒng)誤差,提高光學(xué)系統(tǒng)的波像差檢測(cè)精度。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及剪切干涉儀,特別是一種基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法。 基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法
【背景技術(shù)】
[0002] 朗奇剪切干涉是一種采用了擴(kuò)展光源調(diào)制光場(chǎng)空間相干性的剪切干涉,具有不需 要單獨(dú)的理想?yún)⒖疾妗⒁讓?shí)現(xiàn)共光路干涉、沒(méi)有空間光程誤差、檢測(cè)精度高、靈敏度高等 優(yōu)點(diǎn)。朗奇剪切干涉引入了相移干涉技術(shù),通過(guò)橫向移動(dòng)光柵,在剪切波面和〇級(jí)波面之間 引入穩(wěn)定的相位差,通過(guò)改變相移量得到多幅干涉圖,計(jì)算被測(cè)相位分布,求出被測(cè)光學(xué)系 統(tǒng)波像差。為了獲得原始波前,需要對(duì)干涉圖進(jìn)行相位提取,相位提取是干涉測(cè)量的重要步 驟,相位提取精度直接影響到最終的檢測(cè)精度。常用的干涉圖相位提取方法包括兩類,分別 是頻域法和時(shí)域法。頻域法主要采用傅里葉變換法,而時(shí)域法主要采用相移干涉技術(shù)。朗 奇剪切干涉儀采用相移干涉技術(shù)進(jìn)行相位提取,相移干涉技術(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單、速度快、精度高, 但影響測(cè)量精度的誤差因素較多:一方面來(lái)自外界環(huán)境,如空氣清潔度、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)震動(dòng)、空 氣擾動(dòng)等;另一方面來(lái)自干涉儀內(nèi)部,如相移器壓電晶體的標(biāo)定誤差與非線性誤差、光學(xué)系 統(tǒng)的加工誤差和裝調(diào)后的剩余誤差、光電傳感器的非線性誤差等。對(duì)于朗奇剪切干涉儀,當(dāng) 剪切率較小時(shí),剪切光柵除了 ± 1級(jí)與〇級(jí)發(fā)生干涉獲得需要的干涉條紋之外,更高級(jí)次的 衍射項(xiàng)也會(huì)與〇級(jí)光發(fā)生干涉,嚴(yán)重影響相位提取的精度。朗奇剪切干涉儀對(duì)相移器的要 求不高,光柵位移量在幾百nm量級(jí),因此相移誤差較小,在保證較好的測(cè)量環(huán)境的情況下, 光柵多級(jí)衍射光的相互影響可以看作是朗奇剪切干涉儀的主要誤差源,因此消除多級(jí)衍射 誤差是朗奇剪切干涉儀應(yīng)用于高精度光學(xué)系統(tǒng)波像差檢測(cè)的前提。
[0003] Joseph Braat等提出一種用擴(kuò)展光源改進(jìn)的朗奇剪切干涉儀(在先 技術(shù)[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)。此干涉儀采用+1級(jí)與-1級(jí)衍射光的干涉進(jìn)行提取相 位,但沒(méi)有考慮高次衍射級(jí)次的影響,從而引入了一定的系統(tǒng)誤差,進(jìn)而降低了位移的測(cè)量 精度;并且該方法只適用于數(shù)值孔徑較小的光學(xué)系統(tǒng)中,在對(duì)大數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)的檢 測(cè)過(guò)程中會(huì)引入大量的測(cè)量誤差。
[0004] Yucong Zhu等提出一種二維光柵相移干涉儀的相位提取算法(在先技術(shù) [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)。該二維光柵干涉儀米用 物面光柵作為擴(kuò)展光源,其周期為像面光柵周期與被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)成像放大倍數(shù)的乘積,物 面光柵和像面光柵都是正交光柵,算法只采用〇級(jí)光與± 1級(jí)的干涉進(jìn)行相位提取,通過(guò)相 移消除不需要的光柵±3級(jí)和±5級(jí)衍射項(xiàng)的影響。但是該方法以正交光柵作為物面光柵, 對(duì)光場(chǎng)空間相干性的調(diào)制結(jié)果復(fù)雜,出現(xiàn)了許多X軸和y軸之外的衍射項(xiàng),從而引入了大量 的噪聲項(xiàng),嚴(yán)重影響檢測(cè)精度。
[0005] Matthieu Visser等提出一種應(yīng)用于EUV光刻物鏡波像差檢測(cè)的擴(kuò)展光源干涉儀 (在先技術(shù)[3],Matthieu Visser,Marti jn K.Dekker,Petra Hegeman,et al·,"Extended source interferometry for at-wavelength test of EUV-〇ptics,',Emerging Lithographic Technologies Iii,Pts 1 and 2, 1999. 3676:p. 253-263)。該干涉儀物面光 柵和像面光柵都是采用一維朗奇光柵,采用5步相移法可以減小±3級(jí)與0級(jí)衍射光干涉 引入的對(duì)相位提取的影響,但是難以消除其他較高級(jí)次的衍射項(xiàng)與〇級(jí)的干涉。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足,提供一種基于朗奇剪切干涉儀的相 位提取方法。該方法消除朗奇剪切干涉儀檢測(cè)過(guò)程中像面光柵多級(jí)衍射光對(duì)相位提取精度 的影響,提高被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的波像差檢測(cè)準(zhǔn)確度。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0008] -種基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法,該方法采用的檢測(cè)裝置是朗奇剪切干 涉儀,該朗奇剪切干涉儀的結(jié)構(gòu)包括:沿光源輸出光束方向依次是聚焦透鏡、散射光學(xué)元 件、一維衍射光柵板、被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)、棋盤(pán)光柵和二維光電傳感器;所述的一維衍射光 柵板置于物面光柵位移臺(tái)上,所述的棋盤(pán)光柵置于像方光柵位移臺(tái)上,所述的二維光電傳 感器與計(jì)算機(jī)相連;
[0009] 所述的散射光學(xué)元件是毛玻璃、微透鏡陣列等使照明光束在被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔 徑內(nèi)均勻照明的光學(xué)元件;
[0010] 所述的一維衍射光柵板由周期P。且占空比為50%的兩個(gè)物面一維衍射光柵組成, 分別是光柵線沿y方向的第一光柵和光柵線沿X方向的第二光柵。
[0011] 所述的第一光柵和第二光柵是相位光柵或振幅光柵。
[0012] 所述的物面一維衍射光柵的周期P。與所述的像面棋盤(pán)光柵的周期Pi滿足如下關(guān) 系,
[0013] P。= Pi · Μ
[0014] 其中,Μ為被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的成像放大倍數(shù);
[0015] 所述的被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑為ΝΑ,成像放大倍數(shù)為Μ: 1 ;
[0016] 所述的棋盤(pán)光柵是具有棋盤(pán)形布局,透光單元與遮光單元均為大小相同的正方 形,每個(gè)透光單元周圍為4個(gè)遮光單元,每個(gè)遮光單元周圍為4個(gè)透光單元;所述的棋盤(pán)光 柵的周期Pi等于正方形的對(duì)角線長(zhǎng)度;所述的棋盤(pán)光柵透光單元和遮光單元的對(duì)角線方向 平行于X軸和y軸方向;周期Pi的大小由光源的波長(zhǎng)λ、被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA、剪 切率s確定,
[0017]
【權(quán)利要求】
1. 一種基于朗奇剪切干涉儀的相位提取方法,該方法采用的檢測(cè)裝置是朗奇剪切干涉 儀,該朗奇剪切干涉儀的結(jié)構(gòu)包括:沿光源(1)輸出光束方向依次是聚焦透鏡(2)、散射光 學(xué)元件(3)、一維衍射光柵板(4)、被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)、棋盤(pán)光柵(7)和二維光電傳感器(9); 所述的一維衍射光柵板(4)置于物面光柵位移臺(tái)(5)上,所述的棋盤(pán)光柵(7)置于像方光 柵位移臺(tái)(8)上,所述的二維光電傳感器(9)與計(jì)算機(jī)(10)相連;其特征在于該方法的步 驟如下: ① 將被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)(6)置于所述的被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)上,調(diào)整朗奇剪切干涉儀,使所 述的光源(1)位于被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)(6)的物面,選擇周期等于光源(1)的波長(zhǎng)λ除以兩倍被 測(cè)光學(xué)系統(tǒng)(6)的數(shù)值孔徑ΝΑ與剪切率s的乘積的像面棋盤(pán)光柵(7),再選擇周期為被測(cè) 光學(xué)系統(tǒng)(6)工作距離處的放大倍數(shù)乘以像面光柵(7)周期的一維衍射光柵板(4);一維 衍射光柵板(4)置于物面光柵位移臺(tái)(5)上,并調(diào)整到被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)(6)的物面上,移動(dòng)物 面光柵位移臺(tái)(5),將一維衍射光柵板(4)上的第一光柵(401)移入被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)(6)的物 方視場(chǎng)點(diǎn)位置;棋盤(pán)光柵(7)置于像面光柵位移臺(tái)(8)上,并調(diào)整到被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)(6)的像 面上,移動(dòng)像面光柵位移臺(tái)(8),將棋盤(pán)光柵(7)移入被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)¢)的像方光路; ② 調(diào)整物面光柵位移臺(tái)(5)和像面光柵位移平臺(tái)(8),對(duì)準(zhǔn)第一光柵(401)和棋盤(pán)光柵 (701),并調(diào)整二維光電傳感器(9)的位置,使探測(cè)面上獲得條紋清晰的干涉圖; ③ 像面光柵位移臺(tái)(8)沿X方向移動(dòng)棋盤(pán)光柵(701),移動(dòng)9次,每次移動(dòng)1/8光柵周 期,每次移動(dòng)后二維光電傳感器(9)采集一幅剪切干涉圖I xk,其中k = 1,2, 3. ..,9 ;根據(jù)9 幅干涉條紋圖,按下列公式計(jì)算相位:
其中,Λ為被測(cè)波前沿X方向的相位,代表被測(cè)波前在X方向上的梯度信息; ④ 移動(dòng)所述的物面光柵位移臺(tái)(5),將一維衍射光柵板(4)上的第二光柵(402)移入 被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)¢)的物方視場(chǎng)點(diǎn)位置,重新調(diào)整物面光柵位移臺(tái)(5)和像面光柵位移平臺(tái) (8),對(duì)準(zhǔn)第二光柵(402)和棋盤(pán)光柵(701); ⑤ 像面光柵位移臺(tái)(8)沿y方向移動(dòng)棋盤(pán)光柵(701),移動(dòng)9次,每次移動(dòng)1/8光柵周 期,每次移動(dòng)后二維光電傳感器(9)采集一幅剪切干涉圖Iyk,其中k = 1,2, 3. ..,9 ;根據(jù)9 幅干涉條紋圖,按下列公式計(jì)算相位:
其中,%為被測(cè)波前沿y方向的相位,代表被測(cè)波前在y方向上的梯度信息; ⑥ 對(duì)上述相位提取結(jié)果解包裹,分別得到X方向和y方向的差分波前Λ Wx和Λ Wy進(jìn)行 剪切干涉波前重建,獲得被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)(6)波前。
【文檔編號(hào)】G01J9/02GK104111120SQ201410360070
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】吳飛斌, 唐鋒, 王向朝, 李 杰, 李永 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所