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点衍射干涉检测技术

李瑶 杨甬英 王晨 陈元恺 陈晓钰

李瑶, 杨甬英, 王晨, 陈元恺, 陈晓钰. 点衍射干涉检测技术[J]. 中国光学, 2017, 10(4): 391-414. doi: 10.3788/CO.20171004.0391
引用本文: 李瑶, 杨甬英, 王晨, 陈元恺, 陈晓钰. 点衍射干涉检测技术[J]. 中国光学, 2017, 10(4): 391-414. doi: 10.3788/CO.20171004.0391
LI Yao, YANG Yong-ying, WANG Chen, CHEN Yuan-kai, CHEN Xiao-yu. Point diffraction in terference detection technology[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 391-414. doi: 10.3788/CO.20171004.0391
Citation: LI Yao, YANG Yong-ying, WANG Chen, CHEN Yuan-kai, CHEN Xiao-yu. Point diffraction in terference detection technology[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 391-414. doi: 10.3788/CO.20171004.0391

点衍射干涉检测技术

doi: 10.3788/CO.20171004.0391
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 61627825

国家自然科学基金资助项目 11275172

现代光学仪器国家重点创新基金资助项目 MOI2015B06

详细信息
    作者简介:

    李瑶(1992-), 女, 河北保定人, 硕士研究生, 2015年于长春理工大学获得学士学位, 主要从事点衍射干涉检测方面的研究。E-mail:liyao_0927@163.com

    杨甬英(1954-), 女, 山东莱芜人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事精密测试与计量技术、光电信息传感与纳米技术、气动光学及瞬态波前检测等方面的研究

    通讯作者: 杨甬英, E-mail:yyyang07@163.com
  • 中图分类号: TN247;TH741

Point diffraction in terference detection technology

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61627825

National Natural Science Foundation of China 11275172

Innovation Fund of State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation of China MOI2015B06

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-02-23
  • 修回日期:  2017-03-31
  • 刊出日期:  2017-08-01

点衍射干涉检测技术

doi: 10.3788/CO.20171004.0391
    基金项目:

    国家自然科学基金资助项目 61627825

    国家自然科学基金资助项目 11275172

    现代光学仪器国家重点创新基金资助项目 MOI2015B06

    作者简介:

    李瑶(1992-), 女, 河北保定人, 硕士研究生, 2015年于长春理工大学获得学士学位, 主要从事点衍射干涉检测方面的研究。E-mail:liyao_0927@163.com

    杨甬英(1954-), 女, 山东莱芜人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事精密测试与计量技术、光电信息传感与纳米技术、气动光学及瞬态波前检测等方面的研究

    通讯作者: 杨甬英, E-mail:yyyang07@163.com
  • 中图分类号: TN247;TH741

摘要: 本文介绍了点衍射干涉仪不同发展阶段的特点和应用。点衍射干涉仪由波长量级的针孔产生高质量的球面波作为参考波前,能够得到衍射极限性能的分辨率。按照不同的光路特点,点衍射干涉仪可分为点衍射共路干涉和点衍射非共路干涉两种结构,主要应用于高精度波前检测和面形检测。共路干涉结构简单紧凑,对环境振动不敏感,对光源相干度要求不高,可利用光束偏振态及光栅衍射分束的特性对传统点衍射板进行改造,在全共路点衍射干涉仪中引入时间相位调制技术和干涉对比度可调技术,可进一步提高波前检测精度。采用反射式针孔和各种光纤结构发展了非共路点衍射干涉仪,实现了大口径、高精度球面反射镜面形的测量。本文重点阐述了用于极紫外光刻投影物镜中高精度球面反射镜面形检测的反射式针孔点衍射干涉仪,并展望了点衍射检测技术在生物检测等领域的应用前景和发展趋势。

English Abstract

李瑶, 杨甬英, 王晨, 陈元恺, 陈晓钰. 点衍射干涉检测技术[J]. 中国光学, 2017, 10(4): 391-414. doi: 10.3788/CO.20171004.0391
引用本文: 李瑶, 杨甬英, 王晨, 陈元恺, 陈晓钰. 点衍射干涉检测技术[J]. 中国光学, 2017, 10(4): 391-414. doi: 10.3788/CO.20171004.0391
LI Yao, YANG Yong-ying, WANG Chen, CHEN Yuan-kai, CHEN Xiao-yu. Point diffraction in terference detection technology[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 391-414. doi: 10.3788/CO.20171004.0391
Citation: LI Yao, YANG Yong-ying, WANG Chen, CHEN Yuan-kai, CHEN Xiao-yu. Point diffraction in terference detection technology[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 391-414. doi: 10.3788/CO.20171004.0391
    • 干涉检测技术是光学检测领域中用于光学系统波像差检测和镜片面形检测的最常用的检测方法。传统的干涉检测仪器主要有迈克耳逊干涉仪(Michelson interferometer)、泰曼-格林干涉仪(Twyman-Green interferometer)以及菲佐干涉仪(Fizeau interferometer)等,它们均为非共路或准共路的干涉结构,易受到机械振动和空气扰动的影响而不能形成较稳定的干涉模式;而且它们要求系统光源具有较长的相干长度,无法使用白光光源、紫外波段甚至X射线照明。而用于制作极大规模集成电路的光刻投影物镜的像差检测要求使用在线式光源(波长为13.5~193 nm),其相干长度较短,只能使用全共路干涉仪。传统的干涉检测需依靠光路中的某一标准镜来产生参考波前,不仅限制了干涉系统的检测口径,而且受标准参考镜加工精度的限制而难以产生高质量的参考球面波前,无法进行高精度光学检测。

      点衍射干涉仪采用尺寸接近于检测波长的微小结构产生近乎理想的球面波作为干涉检测系统中的参考波前,从而实现了高精度的干涉检测。按照不同的光路结构,可将点衍射干涉仪分为点衍射共路干涉仪和点衍射非共路干涉仪。共路干涉仪主要分为传统点衍射干涉仪和相移点衍射干涉仪,最早应用于波前检测上,后来才拓展到光学元件面形的高精度检测领域。应用于反射镜面形检测的非共路干涉仪大致可分为两类:光纤点衍射干涉仪和反射式针孔点衍射干涉仪。

      点衍射共路干涉仪为新型的全共路干涉仪,其结构简单紧凑,对环境振动不敏感,对光源相干度要求不高,甚至可以使用星光光源[1],而且无需满足传统干涉仪特殊的干涉结构要求,允许测试光学元件或系统结构具有极大的自由度。点衍射共路干涉仪可用于干涉显微镜[2]和大型天文望远镜的在线检测和校准[3-4],并已成功地对反射式日晷仪的3个连续像面进行了像差检测[5]。点衍射非共路干涉仪充分利用波长量级的微孔产生高质量的参考球面波前(偏离理想球面的波前误差RMS优于0.000 1λλ为波长),不需要借助精密加工的标准平面镜或标准球面镜,从而打破了标准光学元件加工精度对检测系统精度的限制,因而可以得到衍射极限性能的分辨率,实现亚纳米级精度的检测,成为了高精度光学检测技术中极具发展潜力的一种技术手段。除此之外,随着点衍射干涉技术的不断发展,它已成功用于构建白光干涉显微镜[2]、全息相位显微镜[6]、自适应光学系统[7],以及生物细胞三维结构的干涉检测[8]。可见,开展点衍射干涉技术的研究对于辅助光刻技术、空间光学、生物检测、显微技术等的发展具有重要意义。

      本文对不同发展阶段的点衍射干涉检测技术进行了分类和归纳,分析了点衍射共路干涉仪、光纤点衍射非共路干涉仪以及反射式针孔点衍射非共路干涉仪的特点及应用,重点介绍了用于高精度光刻系统像差或面形检测的反射式针孔点衍射干涉仪以及针孔远场衍射波前质量评价的方法,并展望了点衍射干涉技术在生物检测等领域的应用前景。

    • 传统的干涉检测系统用于波前测量时,大多采用非共路干涉结构,参考光束和测量光束在彼此分开的光路中行进,或者采用准共路的干涉结构,使标准面与检测面尽量靠近,但光程差仍受环境振动和温度的影响,导致观察面或接收面上的干涉条纹不稳定。因此,采用全共路的点衍射共路干涉仪进行高效、精确的波前像差检测就显得尤为重要。其参考波前是取检测波前的一部分进行小孔衍射后得到的,波前分离与再结合均发生在像平面。因此在对实际光学系统进行波前检测时,只需将点衍射板放置在像平面的像点处,就可给予测试组件甚至是整个光学系统极大的自由度。

      根据是否可以在共路干涉中引入移相技术,可将点衍射共路干涉仪分为传统点衍射共路干涉仪和相移点衍射共路干涉仪。传统点衍射共路干涉仪未采用相位调制技术进行干涉图的解调,仍以干涉条纹的形状来获取波前像差[5]。利用此种干涉仪进行波前检测时,探测器采集到的干涉条纹对比度会受到环境、干涉系统装调误差的影响。另一方面,由于其参考波前是针对一部分检测波前采样后得到的,因此难以采用在两波面间引入可变相位差的方式进行移相,检测精度不高。而相移点衍射共路干涉仪在保留传统点衍射共路干涉仪优点的基础上,通过改进的点衍射分束板将参考光束和检测光束适当分离[9-11],引入时间相位调制技术和干涉条纹对比度可调技术,弥补了传统点衍射共路干涉仪不能移相的缺陷,进一步提高了波前像差的检测精度。

    • 1933年,Linnik首次提出了点衍射干涉仪的理论雏形。1975年Smartt和Steel提出了一种典型的衍射针孔板[5],如图 1(a)所示,该板为一个镀有金属吸收膜层的透明基底(通常选用经抛光的玻璃平板或者云母片),在金属吸收膜层上还有一个透明针孔。应用此种衍射针孔板进行点衍射干涉测量的原理如图 1(b)所示,待测波前聚焦在点衍射针孔板上形成弥散斑,通过吸收膜层直接透射的光的波前形状不变,但其振幅被吸收膜层衰减,这部分光保留了原来的待测波前形状,将其作为检测波,而另一部分光则透过针孔衍射而形成接近理想球面的参考波前,两路光束在针孔板的后方干涉形成干涉条纹。但是,此种干涉仪尚未采用移相技术解调干涉条纹,只能通过观察干涉条纹的形状来判断相位差。对于大型天文望远镜波前的实时检测来说,这是一种简单、经济、有效的检测手段[1]

      图  1  点衍射分束器的(a)结构和(b)原理图

      Figure 1.  Structure (a) and principle (b) diagrams of point diffraction beam splitter plater

      由于微米量级的针孔透过的光强较弱,为了得到高对比度的干涉条纹,需要衰减检测光波的光强来匹配参考波前。理论上,入射波前像差、倾斜量、离焦量和针孔尺寸不同时,金属吸收膜层的透过率不同,倾斜、离焦方向在如图 2所示的实际光学系统检测原理示意图中进行了标注。针对于无像差的理想待测系统,当针孔位于像面中心,并且针孔直径与金属吸收膜层透射系数满足式(1) 关系时,Smartt采用傅里叶变换的方法计算得到了检测波前和参考波前的振幅相等,即保证了干涉图有最佳的对比度[4]

      图  2  实际光学系统检测原理图

      Figure 2.  Testing principle diagram of practical optical system

      (1)

      式中,α=aR/(λf),a为针孔直径,R为出瞳半径,λ为入射光波长,f为会聚光学系统的焦距,t1为针孔板吸收膜层的振幅透过率,t2为衍射针孔的有效振幅透过率。

      1996年,Qian Gong对传统点衍射共路干涉仪进行了仿真研究,分析了不同入射波前像差以及针孔离焦、倾斜情况下对针孔掩模板透过率的要求[12]

      由于点衍射干涉仪不需要标准参考镜,可通过点衍射产生大数值孔径参考波前,因此对所测系统的孔径没有特殊限制,对显微物镜(具有较小的系统孔径)和大型天文望远镜(具有极大的系统孔径)均能进行有效检测。1979年,Smartt和Steel以星体为光源,通过天文望远镜把星光聚焦于点衍射板上,通过观察由此产生的干涉图来检测位于帕洛马山海耳天文台(Hale observatory)的152 cm天文望远镜的像质[4]。他们还利用点衍射干涉仪和激光光源对一个61 cm口径的卡塞格林望远镜进行了波前像差检测[4]

      应用点衍射共路干涉仪进行检测时只需将其置于像平面处,因此对于光学元件面形或系统波前像差的检测均不难实现。1975年,Smartt和Steel应用点衍射共路干涉仪成功地对反射式日冕仪中4个连续像面中的3个进行了像差检测[5]。点衍射共路干涉仪不仅可以用于检测凹球面的面形[5],还可以用于凸球面和平面镜面形的检测,其原理图如图 3所示。

      图  3  用于单个光学元件面形检测的原理图

      Figure 3.  Principle diagram of surface shape testing for single optical component

      1985年,Smartt和Steel研究了点衍射干涉显微镜[2],他们采用2 W的点弧光灯(不需要进一步滤波),其在透过率为0.005的金膜层上的针孔尺寸为50 μm。此低功率的白光干涉显微镜的分辨能力得以提高,弥补了白光干涉显微镜采用拓展光源而导致的较多背景光和低对比度的缺陷。2004年,Smartt和Paez将点衍射干涉仪用于检测红外成像系统[13],其中的点衍射板采用云母基底,利用蒸发镀膜的方式在基底上镀金膜层,该成像系统可进行红外太空望远镜、近红外太阳日晷的实时在线测量。2005年,Qian Gong利用点衍射干涉仪同时对大型拼接望远镜进行了平移误差校正和像差测量[14],系统原理如图 4所示,其中的M1和M2为反射镜。利用长相干长度变化到短相干长度的光源,基于其在不同光谱宽度下干涉条纹对比度随光程差变化的规律,进行平移误差的粗校正,然后采用变换不同波长的光源边缘相位的连续性进行精校正,简化了校正过程。此方法在同一幅干涉图中提供了平移误差和传统的像差信息,还指导了像差、平移误差和安装误差之间的最佳平衡。

      图  4  用于拼接镜面的安装校正系统

      Figure 4.  Installation calibration system used for segmented mirror

    • 随着点衍射干涉技术的发展,对波前测量的精度提出了更高的要求。静态条纹很难采用高精度的方法进行测量,但可以采用移相的方法来提高检测精度。由于传统点衍射共路干涉仪的参考波前是取自待测波前的一部分,因此无法在两波前中引入可变的相位差来进行移相操作。为了进一步提高检测精度,美国亚利桑那大学(University of Arizona,USA)[15-17]、罗彻斯特大学(University of Rochester,USA)[18-20]、日本京都大学[21-23]、北京理工大学[24]等研究机构对传统点衍射共路干涉仪进行了完善,发展了相移点衍射共路干涉仪。

      相移点衍射共路干涉仪对传统点衍射分束板进行改进,利用光束偏振态以及光栅衍射分束的特性进行检测光束的移相操作,并引入干涉条纹对比度可调技术,提高了系统测量的精度,适用于实时高精度的波前检测。

      根据点衍射分束板结构材料的不同, 可将相移点衍射共路干涉仪归纳为液晶相移点衍射干涉仪、光栅相移点衍射干涉仪以及偏振相移点衍射干涉仪。

    • 自20世纪90年代以来,美国亚利桑那大学针对液晶相移点衍射干涉仪进行了一系列研究。1994年,Mercer等人[10]提出了一种液晶点衍射移相干涉仪,将嵌入了透明玻璃球的液晶元件作为点衍射针孔板,分析了其在会聚光束中产生的移相误差,采用Hariharan五步移相算法进行干涉条纹的解调。液晶点衍射板(Liquid crystal point diffraction plate,LCPDP)的结构和原理如图 5所示,含有染色体分子的向列相液晶夹在内侧沉积有透明电极的2块玻璃平板之间,将作为衍射点的玻璃微球嵌入到液晶中心,并将交流电施加于电极上。入射到微球上的一部分待测波前经玻璃微球衍射成为参考光束,其余光线穿透液晶分子成为检测光束,通过改变液晶层之间的电压间接改变双折射向列相液晶的折射率,从而改变检测光束的光程,进而可以在检测光束和参考光束之间引入任意的相移,进行移相操作,提高点衍射干涉仪的检测精度。

      图  5  液晶点衍射板的结构和原理示意图

      Figure 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参考光束的振幅强度在每幅干涉图之间都保持一致,而染色体分子的方向也会随着液晶层之间电压的变化而改变,进而改变物光束的透过率,因而引入了大量的相位测量误差。1995年,Mercer和Creath等人[17, 25]提出了改进的Hariharan五步移相算法,采用强度归一化的方法对周期性相位调制误差进行了校正。1996年,Mercer和Creath等人[15]采用理论建模仿真了实际离焦量和实验测得离焦量的一致性,验证了改进的Hariharan五步移相算法的准确性。

      此外,液晶点衍射干涉仪(Liquid crystal point diffraction interferometer, LCPDI)可用于航天飞机上的微重力研究和流体研究。1996年,Mercer和Rashidnia[26]使用LCPDI来测量充满硅油的加热室中的温度分布。2012年,Mercer和Raman[16]在共振超音速飞机中进行了喷嘴处气体震动场的测量。

      2003年,美国罗彻斯特大学的Marshall提出了使用可压缩的塑料微球代替嵌入式的玻璃球制备了第一代可压缩塑料微球LCPDI(如图 6所示),采用可压缩的塑料微球可以确保基底和微球之间的亲密联系,并避免液晶分子的混入[19-20]。2006年,Marshall对第一代LCPDI进行了改进,提出了使用结构化基底的二代LCPDI[27],如图 7所示,液晶掩模板的参考衍射元件和隔离器都是基底的一部分,可采用传统的光刻方法批量生产,克服了第一代LCPDI依靠人工经验不可重复性批量生产的缺陷。

      图  6  第一代可压缩塑料微球液晶点衍射板示意图

      Figure 6.  Schematic diagram of the first-generation liquid crystal point diffraction plate using a deformable plastic microsphere

      图  7  第二代结构化基底液晶点衍射板示意图

      Figure 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]提出了基于铁电晶体电光效应的LCPDI干涉仪,其点衍射板是基于Z方向切割的铌酸锂晶体(Lithium niobate crystal,LNC)。如图 8(a)所示,点衍射板是通过光刻的方法制作的,薄的有圆形开口的铝层沉积在铌酸锂晶体的一侧,在铌酸锂晶体的另一侧也沉积有薄的均匀的平面铝层,其厚度约为0.2 μm,其抗蚀剂圆斑的光学显微图像和铌酸锂晶体表面铝层开口结构如图 8(b)(c)所示。在铌酸锂晶体两侧的铝层充当电极,铌酸锂晶体相当于液晶点衍射板中的液晶分子,在晶体出射面上的圆形开口起到了针孔滤波器的作用。但事实上,由于电极边缘场的作用,电场也存在于电极之外的圆形开口区域内,因此电极的内边缘也会受到相位调制的作用,相位调制的贡献不是一个阶梯函数,而是逐渐变化的,这会降低移相的精度。

      图  8  铌酸锂晶体点衍射板示意图。(a)针孔制造过程; (b)抗蚀剂圆斑的光学显微图像; (c)铌酸锂晶体表面铝层的开口结构

      Figure 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,都柏林大学学院(University college Dublin)的Akondi等人设计出了数字相移点衍射干涉仪,将8位透射式液晶空间光调制器(Liquid crystal spatial light modulator, LCSLM)作为点衍射掩模板,如图 9所示,其在产生参考波前的同时亦能使待测波前透过[30]

      图  9  液晶空间光调制器示意图

      Figure 9.  Schematic diagram of liquid crystal spatial light modulator

    • 光栅相移点衍射干涉仪为紧凑的全共路结构,对光源的相干长度要求不高,可以在宽光谱范围内(可见光到X射线)实现高精度的波前检测。这些特性使其可以对多种光学系统在其相应工作波长下进行波像差检测,尤其是高精度极紫外光刻系统的波像差检测。

      1996年,为了实现对精度要求极高的极紫外投影光刻系统中的多层镀膜反射式光学系统的高精度检测,美国劳伦斯-伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley national laboratory,LBNL)的H.Medecki等人提出并搭建了一种用于波前相位精确检测的光栅相移点衍射干涉仪(Phase-shifting point diffraction interferometer,PS/PDI)[11]。与以带针孔的吸收膜片作为点衍射分束器的传统点衍射干涉仪不同,光栅PS/PDI结合衍射光栅和带有透明针孔及窗口的不透明掩模板来实现分束的目的,该掩模板示意图如图 10所示。系统原理如图 11(a)所示,其中,改变光栅的占空比可以改变光栅不同级次衍射光的光强比,达到两波前光强的最佳匹配,进而实现干涉条纹的对比度可调。将衍射光栅沿垂直于光栅栅距的方向移动一个或几个光栅周期,可以在零级衍射光和一级衍射光之间引入可变的相位差,从而达到移相的目的。但是,该系统仅适用于像差较小的精密光学系统的波前测量。

      图  10  带有透明针孔和窗口的不透明掩模板示意图

      Figure 10.  Schematic diagram of opaque mask plate with transparent pinhole and window

      图  11  光栅移相点衍射干涉仪的原理图。(a)分束光栅在物方针孔后; (b)分束光栅在物方针孔前

      Figure 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]基于图 11(b)所示的系统方案,研究了用于极紫外(EUV)光刻工作波长的相移点衍射干涉仪的参考波前,其在数值孔径不大于0.082时的准确度优于λEUV/350。到2005年,Kenneth A. Goldber和Patrick P. Naulleau等人[32]研制的用于极紫外光刻光学系统检测的相移点衍射干涉仪,已经对数值孔径为0.08~0.30的9个全反射极紫外光刻原型光学系统进行了检测,并实现了RMS为0.05~0.1 nm的波前检测精度。2000年,Kenneth A. Goldber所在实验室基于图 11(b)所示的系统方案研制了工作波长在深紫外波段193 nm的相移点衍射干涉仪,并实现了RMS为0.004λ的重复性检测精度。

      2000年,日本超尖端电子技术开发机构(Association of super-advanced electronics Technologies ASET)进行了曝光波长(λ=13.5 nm)下的Schwarzschild反射式光学系统的波前测量[33],示意图如图 12所示。2013年,于长淞和向阳等人[34]对点衍射窗口掩模板加工技术进行了阐述,指出了掩模对准精度对测量重复性精度的影响。

      图  12  Schwarzschild系统波前检测示意图

      Figure 12.  Schematic diagram of Schwarzschild system wavefront measurement

      与传统点衍射干涉仪相比,光栅PS/PDI不再需要靠参考针孔与光束焦点之间的位置偏差来引入参考波前的倾斜,而且可以实现移相和干涉条纹对比度的可调操作,提高了波前检测精度,可用于极紫外光刻投影物镜波前像差的精确测量。

    • 2003年,美国亚利桑那大学的Neal和Wyant搭建了一种使用双折射针孔板的新型偏振相移点衍射干涉仪(Polarization phase-shifting point-diffraction interferometer,PPSPDI)[9, 35]。传统针孔点衍射分束器的针孔周围是半透明的金属膜层,而偏振相移点衍射干涉仪使用的针孔点衍射分束器是在半波片的双折射硅晶体薄膜上刻蚀针孔,如图 13所示。当椭圆偏振光入射到双折射偏振点衍射针孔板时,其椭圆偏振态保持不变,而其余入射光经λ/2波片衰减和透射后波前形状保持不变,但偏振态将发生翻转,s光和p光均旋转90°,从而实现了参考波和检测波的分离,使两个正交偏振态发生干涉。仅仅通过改变激光源的偏振态,即在s光和p光之间引入可变的相位差,即可实现移相操作,大大简化了针孔板的结构, 而且降低了引入误差源的可能性。

      图  13  双折射硅晶体点衍射板结构示意图

      Figure 13.  Structure diagram of birefringence silicon crystal point diffraction plate

      2006年,Neal和Wyant根据图 13所述的双折射点衍射板,提出了偏振相移点衍射干涉仪的实验系统,如图 14所示,图中的HWP为1/2波片。通过改变施加到电光调制器EOM上的电压可以改变检测波和参考波之间的相位差,从而产生移相,解调干涉条纹,提取波前信息[35]

      图  14  偏振相移点衍射干涉仪原理图

      Figure 14.  Principle diagram of polarization phase-shifting point diffraction interferometer

      2004年,James和Stephen等研究了瞬时移相点衍射干涉仪,他们发现采用导电线栅的点衍射分束板,可使单脉冲激光照明下数值孔径大于0.8的物光波像差达到很高的测量精度[36]。其中,线栅点衍射针孔板的结构如图 15所示,针孔板的环形区域为线栅结构的偏振片,中心为透明针孔或偏振方向与周围环形区域垂直的线栅结构,可以达到很高的偏振对比度,允许极宽范围的入射角,进而可以测量大数值孔径光学系统的会聚光束。导电线栅相当于偏振片,能有效地透射与线栅垂直的偏振态的光,反射吸收偏振态与光栅平行的光,产生偏振态垂直于非衍射透射光束的参考光束。此外,还可以通过改变输入光的偏振态,控制参考光束相对于待测光束的能量,来达到调整对比度的目的。

      图  15  线栅点衍射针孔板结构示意图

      Figure 15.  Structure diagram of wire grid point diffraction pinhole plate

      综上所述,点衍射共路干涉仪是一种单光路干涉仪,使含有波前像差信息的检测波前会聚到吸收性针孔掩模板上,取其会聚光斑的一部分,经针孔衍射产生参考光束,与透射的检测光束直接干涉,从而获取被测表面或系统的缺陷信息。此种干涉仪主要用于整个光学系统波前像差检测以及在线装配校正。但是,由于该检测系统入射波前像差的影响,以及加工微孔尺寸的限制,导致衍射参考波前的质量不高,对单个光学元件进行高精度面形测量尚有困难。

      随着光刻技术的不断发展,投影镜头的数值孔径不断增大,入射波长不断缩小,研究人员已经逐步开展了极紫外光刻投影系统的研究工作。极紫外光刻(EUVL)投影物镜多采用4~6片式反射式光学系统,并对单个反射式光学元件的加工精度提出了极高的要求,进而对相应的检测设备提出了亚纳米量级的检测精度要求。为了满足更高检测精度的要求,美国的LBNL、劳伦斯-利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore national laboratory)和日本的超尖端电子技术开发机构(ASET)、极紫外光刻系统发展协会(EUVA)[37-38],以及国内的浙江大学[39-43]、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所[44]、西安交通大学[45-48]等机构均开展了点衍射非共路干涉检测技术的研究,为进一步提高衍射参考波前的质量,实现高精度反射镜面形检测奠定了基础。

      点衍射非共路干涉检测技术利用尺寸与工作波长相当的微孔衍射产生近似理想的球面波前(RMS优于0.000 1λ),并将其同时作为检测光束和参考光束,减少了检测系统入射波前像差的影响,达到近乎衍射极限性能的分辨率,实现了亚纳米级的检测精度。在点衍射非共路干涉仪中,已报道的点衍射波前获取结构可分为光纤型和反射式针孔型两类。

    • 随着光纤制造工艺以及耦合技术的发展,出现了采用柔性光纤纤芯端面获得理想点衍射波前的光纤点衍射干涉技术[49]。光纤点衍射干涉仪将纤芯直径为几倍波长量级的细光纤端面作为点衍射器件,产生类似于针孔的点衍射球面波,具有很高的出射光强。光纤的引入不仅减少了光路占据的空间,而且减少了空气扰动对光路的影响,提高了信噪比。此外,单模光纤只能传输基模模式,相当于一个空间滤波器,相应的衍射波前质量不受入射波前像差和光学系统机械调整的影响。相较于针孔衍射板而言,将针孔变成了单模光纤的一个端面,降低了聚焦光斑与针孔之间的对准误差。

      但是,一般单模光纤纤芯的直径为3~5 μm,纤芯直径小于2~3 μm时就很难制作,即光纤纤芯的直径不可能做成如针孔那么小,这会导致光纤衍射球面波的可用数值孔径一般小于0.2,因此无法满足大数值孔径光学元件的面形检测。为了弥补此缺陷,各研究机构相继发展了斜面光纤[50-51]和双光纤点衍射干涉仪[52-53]。另一方面,随着微纳加工技术的发展,可以将光纤拉成光纤锥[54-55],使纤芯直径进一步减小,从而衍射出大数值孔径和高质量的标准球面波。目前,俄罗斯的物理微观研究所已经将这种技术应用到极紫外投影物镜单个反射镜面形的高精度检测中[55]

      本章主要概括比较了传统光纤相移点衍射干涉仪、斜面光纤、锥形光纤和双光纤点衍射干涉仪的研究现状和应用前景,为高精度光学元件的面形检测提供参考。

    • 1996年,美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的Sommargren首次提出和实现了光纤点衍射干涉仪[56],他采用纤芯直径为4~5 μm的单模光纤得到了理想的点衍射球面波前,并于2002年研制出了工作波长为532 nm的实验装置,如图 16所示,并用于极紫外反射式光学元件的高精度检测,测量精度(RMS)优于0.50 nm[57]。图中的PBS为偏振分光棱镜,ND为中性密度滤光片,PBS为偏振分束器,A为起偏器,M为显微物镜,R1和R2分别为角锥棱镜。

      图  16  光纤相移点衍射干涉仪测量极紫外球面镜面形的原理图

      Figure 16.  Principle diagram of phase-shifting point diffraction interferometer used for testing surface shape of extreme-ultraviolet spherical mirror

      图 16中的相移光纤点衍射干涉仪采用短相干长度的激光器(相干长度约为2 mm)和锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)进行检测光束的移相,将可调延迟器用于调节参考光束的相位延迟,使其等于被测球面到光纤出射端面的往返光程。如图 17所示,最终发生干涉的只有待测镜反射的检测光束和光纤衍射后直接到达CCD的延迟参考光束,而待测镜反射的参考光束与直接到达CCD的检测光束不产生干涉,仅仅增加一个光强信号[58]

      图  17  光纤点衍射干涉仪的相干原理

      Figure 17.  Coherent principle of fiber point diffraction interferometer

      2010年, 西安工业大学的聂亮等人[59]基于图 16所示的光纤点衍射干涉仪进行了EUV球面镜面形的高精度测量,采用相干长度(约为5 cm)的激光光源(波长λ=532 nm),且光纤的纤芯直径为3.5 μm,测得其面形误差的PV值(Peak value)为0.4124λ,RMS值为0.0554λ

      但是传统光纤相移点衍射干涉仪因受到光纤纤芯尺寸的限制,衍射波前的可用数值孔径一般都小于0.2, 实现大数值孔径光学元件的测量尚有困难。

    • 为了进一步提高光纤点衍射干涉仪数值孔径的检测范围,2002年,韩国先进科学技术研究院(Korea advanced institute of science and technology,KAIST)的H.Kihm和S.W.Kim提出了一种斜面光纤点衍射源[49-51],如图 18所示。这种点衍射源光纤端面的法线与光轴成一定的夹角θi,其衍射波的传播方向不再与端面的法线方向一致,而是成一定夹角θo

      图  18  斜面光纤点衍射源结构及衍射光传播角的示意图

      Figure 18.  Schematic diagram of angled end-face fiber point diffraction source structure and diffracted ray from the angled end-face fiber

      使用这种斜面光纤点衍射源对透射式光学系统或元件波前进行检测,不仅可以提高光纤点衍射干涉系统的可测数值孔径,同时也能有效分离检测光路与成像光路,便于系统的布局[51],如图 19所示。与传统的相移光纤点衍射干涉仪相比,斜面的相移光纤点衍射仪避免了参考波和检测波发生不必要的重叠,使单模光纤的衍射波在全数值孔径范围内均可作为检测波,从而使其可测光学系统的数值孔径增大一倍。在斜面光纤相移点衍射干涉仪中,起关键作用的是提供参考波的斜面光纤点衍射源,而提供球面检测波的一个点衍射源可以使用普通的水平端面光纤。

      图  19  倾斜面光纤点衍射源的优势。(a)传统的相移光纤点衍射干涉仪; (b)斜面的相移光纤点衍射干涉仪

      Figure 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]提出将斜面光纤点衍射源用于构建检测高精度球面镜面形的光纤点衍射干涉仪,其系统原理如图 20所示,图中的BS1是由中间夹有一玻璃平板的两个棱镜组成的,其中玻璃平板的作用在于保护下层棱镜斜面上起分束作用的电介质膜层;BS2为普通的立方分束器。

      图  20  斜面光纤点衍射干涉仪球面面形检测原理图

      Figure 20.  Principle diagram of angled end-face fiber point diffraction interferometer used for testing spherical mirror surface

      与传统光纤相移点衍射干涉仪相比,斜面光纤点衍射干涉仪可测元件的数值孔径更大,且系统简单,使用的光学元件较少,特别适用于抛光过程中被加工工件面形的在线检测。

    • 为了提高衍射波前的数值孔径,可以采用微纳加工技术使光纤的端面变窄,其形状类似于近场显微镜的探针。2008年,俄罗斯的物理微观结构研究所(Institute for physics of microstructures)的N.I.Chkhalo等提出了基于狭窄出口的锥形单模光纤点衍射结构,使单模光纤出射端的口径降低到亚微米量级(可达到0.2~0.3 μm),采用He-Ne激光器光源作为输入光源,产生数值孔径为0.27的参考球面波前,RMS值可达到0.25 nm[54]。在扫描电镜下观察到的锥型光纤如图 21所示,(a)为锥形光纤宏观结构图,(b)锥型光纤出射端面的放大图。

      图  21  扫描电镜下观察到的锥型光纤。(a)宏观形貌; (b)出射端面放大图

      Figure 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]提出可以将这种锥型光纤用于凹球面镜和小球面度的非球面镜检测。如图 22所示,锥型光纤点衍射干涉仪系统的原理类似于反射式针孔系统,不同的是其将高反射率的金属膜层换成了斜面光楔平面镜,从待测镜反射回来的光波通过一个斜面光楔平面镜反射到CCD上,与参考光束发生干涉,从而获得反射镜的面形信息。由于该干涉仪是非共路点衍射干涉仪,为了降低空气振动的影响,干涉仪被置于大气压力为1 Pa的真空室内。

      图  22  锥型光纤点衍射干涉仪系统的原理图

      Figure 22.  Principle diagram of tapered fiber point diffraction interferometer

    • 为了增大待测波前的数值孔径,美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的Sommargren于1996年对传统光纤相移点衍射干涉仪进行了改进,他采用两根柔性光纤代替小孔,实现了光学系统波前像差的检测[56],系统原理如图 23所示,图中的ND为可调中性密度滤光片,PBS为偏振分光棱镜,R1和R2为角锥棱镜,A为起偏器,M为显微物镜。但是,采用PZT进行移相时会导致相移系统中的角锥棱镜产生平移误差,从而引起聚焦光斑的对准误差,进而影响光纤的耦合效率。

      图  23  双光纤点衍射干涉仪检测透射波前原理图

      Figure 23.  Principle diagram of double fibers point diffraction interferometer used for testing transmission wavefront

      虽然双光纤相移点衍射干涉仪已经取得了很多成熟的研究成果,但是还存在着许多可以完善或改进的地方,尤其是在检测装置的装调方面,技术还不够成熟,还需要对此进行深入研究。2012年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的张宇等人[59]图 23所示的双光纤点衍射干涉仪的波前参考源的系统误差进行了标定,得出其测试误差的RMS小于0.01 nm。此外,还对其检测方案进行了优化设计,如:在相移和光程差调节系统中引入了平面反射镜,如图 24所示,使得干涉仪对相移过程中角锥棱镜的横移误差不敏感;减小了整个干涉仪的机械尺寸;对光纤端面进行抛光镀膜处理,提高了光纤端面的反射率。对同一被检光学系统进行了512次测量,得到系统的重复精度误差能够达到0.13 nm,优于λ/4 000[60]图 24中的ND为可调中性密度滤光片,HWP为1/2波片,QWP为1/4波片,PBS为偏振分光棱镜,EPC1和EPC2均为电驱动偏振控制器。

      图  24  改进的双光纤点衍射干涉仪检测透射式波前原理图

      Figure 24.  Principle diagram of advanced double fibers point diffraction interferometer used for testing transmission wavefront

      双光纤点衍射干涉仪不仅可以应用于透射式波前像差检测,还可以用于单个反射式元件的面形测量。2010年,日本大阪大学的T.Matsuura等人[52-53]提出了双光纤点衍射干涉大口径球面面形的检测法,该方法的基本思想是将一根单模光纤的点衍射波前作为参考波前,而将另一根单模光纤的点衍射波前在经待测球面反射后作为检测波前。图 25所示为用于球面(凹面)反射镜测量的双光纤移相点衍射干涉仪的布局示意图[52-53],其中的F1和F2为单模光纤,M1和M2为反射镜,QWP为1/4波片,L1和L2为显微物镜,HWP为1/2波片,PBS为偏振分光棱镜,ND为可调中性密度滤光片。首先采用对干涉图连续多次采集并取平均的方法,减小CCD中随机噪声的影响,然后利用七步移相算法从干涉图中提取出初步相位分布图。利用该系统对200 mm口径、1 500 mm曲率半径的凹球面镜的面形进行检测,可以实现RMS为0.15 nm(λ/4 000) 的面形检测精度。

      图  25  双光纤点衍射干涉仪球面镜面形检测系统原理图

      Figure 25.  Principle scheme of double fibers point diffraction interferometer used for testing spherical mirror surface shape

      这种双光纤点衍射干涉检测方法充分利用光纤的数值孔径,进一步提高了透射系统以及可测球面或非球面反射镜的数值孔径。由于两光纤可同时耦合传输不同性质的光束,因而可以很容易地调节干涉条纹的对比度。

    • 2005年,Canon公司和美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室联合报道了如图 26(a)所示的用于极紫外光刻系统波前像差检测的双光纤相移点衍射干涉仪[61-62],图中的M1、M2、M3、M4、M5为极紫外光刻投影系统中的反射镜。该结构在1996年所提方案(如图 23所示)的基础上添加了偏振控制器,从而可以随意调节两束光的偏振态,增强条纹的对比度。同时,在光纤末端引入了波前参考源(Wavefront reference source,WRS),如图 26(b)所示,这种将光纤和针孔技术结合起来的新型点衍射源大幅增加了衍射波前的数值孔径,扩大了被检光学系统的测量范围。经测量,此WRS产生的球面衍射波前(在数值孔径0.3内)与理想球面的RMS偏差小于0.2 nm,且其标定的重复性的RMS精度优于0.05 nm。

      图  26  新型点衍射源在检测极紫外光刻系统中的典型应用。(a)检测系统原理图; (b)新型参考球面波源结构示意图

      Figure 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

      中国科学院长春光学精密机械与物理研究所也搭建了类似的WRS原理光路,并对WRS的系统误差标定算法进行了详细的研究[63]。改进的参考球面波源如图 27所示,此种WRS由3部分组成:光束准直系统、偏振检测部分和微孔对准系统,该系统对图 26(b)所示的WRS进行了完善,引入了针孔对准调节系统,减小了针孔对准引起的入射波前像差。

      图  27  改进的参考球面波源结构示意图

      Figure 27.  Structure diagram of advanced wavefront reference source

      以光纤端面作为点衍射源难以实现大数值孔径的检测,而WRS结合针孔衍射的技术则突破这一难题,并主要用于实现对极紫外光刻元件及系统的高精度检测。因此,在非共路点衍射干涉仪中采用针孔衍射技术,对于大尺寸光学元件的高精度测量具有重要意义。

    • 随着电子束曝光、聚焦离子束刻蚀(Focused ion-beam etching,FIBE)等微细加工技术发展,目前已能加工尺寸在亚微米量级(甚至更小)的理想圆形针孔,能够产生更大数值孔径和更高精度的理想球面波前。基于此种针孔结构,国内外多个单位[64-69]都已开展了反射式针孔点衍射干涉仪的研究,以应对新的大口径光学元件更高精度的检测要求,实现EUV光刻投影物镜波像差在亚纳米量级精度的测量。

      反射式针孔点衍射干涉仪基于镀有金属反射膜层的点衍射掩模板上的圆形针孔得到理想的点衍射波前,并利用点衍射掩模板上的金属反射面来反射经待测球面反射回的检测波,进而与针孔得到的参考波前汇合,再经成像系统成像于CCD上得到干涉条纹,其原理示意图如图 28所示。

      图  28  反射式针孔点衍射干涉仪原理示意图

      Figure 28.  Principle diagram of reflected pinhole point diffraction interferometer

      本章主要介绍了用于大口径、高精度球面面形检测的反射式针孔点衍射干涉仪系统,以及系统误差的标定方法,并对可进一步提高检测精度的相位解调算法进行了总结。当采用反射式针孔点衍射干涉仪进行低反射率镜片的面形检测时,可利用偏振元件的特性引入对比度可调技术,增强干涉条纹的对比度,提高系统的适用范围。

    • 最早用于实现高精度球面面形检测的针孔点衍射干涉仪是由日本Nikon公司的K.Otaki等人[70]于1999年提出的,随后该公司和ASET等单位和组织对该针孔点衍射干涉仪的相关理论和装置等进行了深入研究。

      2002年, K.Otaki等人[71-73]开始投入到极紫外光刻机元件的高精度检测中,采用直径为0.5 μm的针孔,对数值孔径(NA)为0.15的反射式球面镜实现了RMS值为0.16 nm(λ/4 000) 的面形检测精度。图 29所示为ASET搭建的针孔点衍射干涉仪的结构示意图和装置实物图。由于该点衍射干涉仪系统为非共路结构,因此空气扰动对其检测结果的再现性会有明显的影响。为了尽可能消除这一影响,在仪器的非共路部分设置风箱,并在风箱中泵入氦气。由于氦气的折射率nHe=1.000 035,而空气的折射率nAir=1.000 292,故而(nAir-1)/(nHe-1)=3.88。可见,氦气引入的扰动约比空气引入的小很多,减小了非共路结构中空气扰动对干涉条纹的影响。

      图  29  ASET搭建的针孔点衍射干涉仪(a)结构示意图和(b)装置实物图

      Figure 29.  Structure diagram (a) and device physical figure (b) of pinhole point diffraction interferometer built by ASET

      针孔衍射波前的质量是限制点衍射干涉仪检测精度的主要因素,因此针孔直径、厚度的设计,针孔的加工、装调误差以及入射波前像差的分析就显得尤为重要。

      K.Otaki[71, 74]利用标量衍射理论和严格耦合波理论(RCW)对针孔衍射波前误差进行了仿真,分析了针孔尺寸、入射会聚光误差、入射光与针孔的对准误差、针孔粗糙度以及偏振效应等对针孔衍射波前质量的影响。

      中国科学院长春光学精密机械与物理研究所用标量衍射理论研究了针孔衍射误差[75],并用时域有限差分方法结合矢量衍射理论分析了极紫外光入射下的针孔衍射[76],研究了微孔直径和厚度对远场衍射波前质量的影响,分析了衍射波前误差中的像散和彗差成分,以及衍射波面的强度均匀性。之后,还分析了微小针孔加工、装调误差[77],以及照明会聚物镜像差对衍射波前质量的影响[78]

      中国科学院成都光电技术研究所利用时域有限差分方法对针孔衍射波前进行了仿真[79-80],比较了标量衍射理论和矢量衍射理论的差别,分析了针孔直径和厚度对远场波前误差的影响,结果发现针孔直径和厚度都是影响衍射波前误差的主要因素,需要综合分析它们对衍射波前质量的影响。此外,还分析了系统误差对衍射波前的影响,如入射的会聚光斑与针孔的对准误差,包括平移、倾斜和离焦等情况,还有针孔加工误差对于衍射波前的影响,包括针孔边缘的粗糙度和针孔的椭圆度等[81]

      浙江大学杨甬英教授课题组基于时域有限差分算法分析了针孔衍射波前误差[82],研究了不同数值孔径下,针孔参数对衍射波前质量的影响,综合考虑了衍射波前误差、衍射光强和光强均匀性等对点衍射干涉系统检测精度的影响,分析了关键光学参数(如会聚物镜数值孔径、针孔尺寸、待测球面镜的数值孔径等)的相互制约作用,对点衍射干涉系统结构设计的优化和参数选取具有一定的指导意义[83]

    • 由于入射波前像差、针孔的有限孔径和加工误差、系统几何调整误差的影响,针孔衍射波与理想球面波存在一定的偏差,这部分偏差会被带入到求解面形中,从而引入系统误差,降低测量精度。

      2013年,许嘉俊、邢廷文等[84]提出了基于反射镜分光的双孔干涉原理,对反射式针孔点衍射干涉仪进行了系统误差标定。如图 30所示,M1和M2为平面反射镜,M2与转台相连,通过偏转可以独立调节光斑的位置,避免了两个光斑同时对准所引起的对准校正难题, 图中的BS为分光棱镜。

      图  30  基于双孔干涉标定系统的基本结构

      Figure 30.  Sketch of calibration system based on two-hole interference

      2013年,西安交通大学的研究人员提出了利用被检镜旋转法标定反射式针孔点衍射干涉仪的系统误差,推导出了可同时分离被检镜面旋转对称面形误差和旋转非对称面形误差的详细公式。仿真结果表明:此算法估计的被检面形误差与仿真输入值相吻合,RMS误差的差值均小于0.03 nm,残差均小于0.3 nm,满足亚纳米级标定精度的要求[47]。2014年,研究人员又提出了非球面测量技术,该技术将点衍射干涉仪与环形亚口径拼接技术相结合,可对非球面镜进行极高精度的测量,达到了旋转对称非球面纳米、亚纳米量级的测量精度[48]

    • 为了进一步提高点衍射干涉仪的检测精度,研究人员除了对系统误差进行标定外,还对位相解调算法进行了深入研究。2011年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的邵晶等[85],提出了一种基于奈波尔-泽尼克(Zernike)多项式的相位恢复算法,利用泽尼克多项式对光瞳函数进行展开,从噪声和模数转换的角度,通过模拟证实了这种方法对实现小孔衍射波前超高精度光学检测具有可行性。

      2012年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的张宇等[44]采用十三步移相算法对干涉图进行解调,结果表明其重复性精度优于五步移相算法。图 31为张宇等构建的可见光相移点衍射干涉仪实验原理图,实现了RMS值优于λ/10 000(λ=632.8 nm)的检测重复性精度,也给出了实现干涉仪超高检测精度应该限定的测试组件的性能参数。同时,为了提高可见光针孔相移点衍射干涉仪的测量精度,对空气扰动误差的分析以及有效抑制是非常有必要的。通过采用十三步移相算法对空气扰动误差进行理论分析与仿真计算,得到了干涉仪工作的环境控制条件:空气温度变化控制在±0.005 ℃以内,压强变化控制在±1 Pa以内等。

      图  31  可见光相移点衍射干涉仪原理图

      Figure 31.  Principle diagram of visible light phase-shifting point diffraction interferometer

    • 由于上述的点衍射球面面形检测系统的检测光是由针孔衍射光在待测镜表面上反射后形成的,因此检测光的光强与待测镜表面的反射率有关。当待测镜表面的反射率较高时,检测光和参考光的光强比较接近,因此可以得到对比度比较理想的干涉条纹。但当待测镜表面的反射率较低时,检测光的光强会远低于参考光,难以得到对比度理想的干涉条纹,进而增大CCD量化误差引入的波面误差,最终影响系统的检测精度。

      2011年,浙江大学光电学院现代光学仪器国家重点实验室的陈晓钰等人[86-88]提出了对比度可调的点衍射球面面形检测系统,如图 32所示,来自偏振稳频激光器的线偏振光束经可调节衰减器调节后,能够得到所需的光束能量。细光束经1/2波片HWP和1/4波片QWP1组合(HWP-QWP1) 调节后,可以得到不同偏振态的光束,再经准直扩束器扩束后由显微物镜会聚到衍射掩模板的衍射针孔上。入射光经针孔衍射后可得到理想球面的点衍射球面波,其中一部分作为参考波前W1,另一部分作为检测波前W2。衍射针孔位于待测球面的球心位置处,经待测镜反射回的检测光W′2会聚于针孔反射镜上,再经其反射后得到检测光W″2,并与参考光W1会合。后经准直透镜准直后变为平面波,二者经过成像系统后可在CCD探测器上得到干涉条纹。

      图  32  高精度点衍射球面面形干涉检测系统的原理图

      Figure 32.  Principle scheme of high precision point diffraction interferometric system for spherical surface testing

      为了保证系统对低反射率待测镜的检测精度,在原有的点衍射球面面形检测系统中引入图 32中虚线所示的3个偏振元件,并且通过调节波片元件组合HWP-QWP1将其调节为不同的偏振态,从而对参考光束和检测光束的光强进行调整,继而实现系统干涉条纹对比度的调整[87]。将其用于高反射率和低反射率的实际面形检测,并与Zygo干涉仪进行比较,精度PV值和RMS值分别优于0.010 0λ和0.002 0λ,重复性精度PV值和RMS值分别优于0.005 0λ和0.001 0λ,达到了预期的实验结果。之后对所提出的检测技术及系统进行了原理性实验论证[87]

      点衍射掩模板作为点衍射球面干涉检测系统中至关重要的一个器件,利用其得到的衍射参考波前直接决定了系统所能达到的检测精度。点衍射掩模板的主要结构包括衍射针孔、反射镜以及承载整个结构的玻璃基底,如图 33所示,图中的W为针孔衍射波前。

      图  33  针孔掩模板的结构示意图

      Figure 33.  Structure scheme of pinhole mask plate

      由于石英玻璃具有硬度大、耐高温、膨胀系数低以及化学稳定性良好等诸多优点,因而可将石英玻璃作为玻璃基底。玻璃基底采用石英玻璃平行平板,其厚度为0.5 mm左右。针孔反射镜不仅可以吸收衍射针孔边界以外的入射光,还可以反射检测光,使其得以与参考光会合。针孔反射镜是通过在石英玻璃基底上镀金属反射介质膜层得到的,选用铬作为金属反射膜层的镀膜材料,其厚度约为380 nm。衍射针孔的重要加工设计参数是针孔尺寸和圆度误差,目前利用聚焦离子束刻蚀工艺(FIBE)已能加工出圆度非常理想的针孔,图 34所示为加工出的直径为0.5 μm的衍射针孔图片。

      图  34  在铬膜上用FIBE刻蚀针孔的扫描电镜图。(a)斜视图; (b)正视图

      Figure 34.  SEM pictures of FIBE-etched pinhole in a chromium film. (a) Oblique view; (b) Front view

      然而,在应用反射式针孔点衍射干涉仪进行球面面形检测的实验过程中发现,当待测镜从小数值孔径球面镜发展到大数值孔径球面镜时,系统误差明显增大。因此,随着对大数值孔径球面面形检测需求的增多以及对检测精度要求的提高,对系统误差进行标定和抑制的研究就显得必不可少。针对反射式针孔点衍射干涉系统,浙江大学杨甬英教授课题组研究了斜反射误差[42]、高阶球差[39]以及畸变或彗差[41]等系统误差的校正和消除,进一步提高了系统的检测精度。

      点衍射球面面形检测系统中的会聚光束以一定的角度斜入射到针孔板反射镜上,点衍射掩模板上金属反射介质的偏振效应会引入斜反射波前像差,从而了影响系统的检测精度。为了消除斜反射波前像差,浙江大学杨甬英教授课题组分析了不同偏振态光束在不同孔径角范围下引入的斜反射波前误差,提出采用圆偏振光入射,其引起的斜反射误差可以忽略,校正后的面形偏差PV值和RMS值分别低于0.019 4λ和0.002 1λ[42]

      相对于大数值孔径球面的高精度检测,待测球面的调整误差会使待测球面相对参考面引入一定的横向或轴向偏移,即分别对应波前倾斜(倾斜和横向偏移)和波前离焦(轴向偏移),如图 35所示,进而在面形检测结果中引入对应的调整误差。

      图  35  待测球面调整误差的分析模型。(a)倾斜; (b)横向偏移; (c)轴向偏移

      Figure 35.  Analysis model of spherical surface adjustment error under test. (a) Tilt; (b) Lateral shift; (c) Axial shift

      浙江大学杨甬英教授课题组根据球面干涉检测中待测球面调整误差的高阶近似模型,提出了一种新的基于泽尼克多项式拟合的球面调整误差校正方法,依据测得的原始面形数据的泽尼克多项式系数以及待测面的数值孔径,得到了调整误差引入的低阶和高阶像差量,实现了高精度球面调整误差的校正[39]。通过Zygo干涉仪及大数值孔径待测球面对提出的校正方法进行了实验校正,校正精度的RMS值约为0.001λ,峰谷值为0.011λ。该方法无需知道实际的调整误差,可以实现自动化处理,降低了检测装置中对待测面调节机构精度的要求[39]

      由于实际实验系统中的针孔是透光的,因此携带有待测镜面形信息的检测波前在针孔板上的反射点应位于针孔周边的高反区域。也就是说,待测镜的球心与针孔中心之间存在一定的水平偏移,这会引入畸变和彗差,进而影响到检测精度。因此,针对点衍射球面面形干涉检测系统对大数值孔径球面进行检测时遇到的系统误差增大这一问题,陈晓钰等[41]应用仿真建模的方法对导致误差增大的原因及影响这一误差的系统参数进行了分析,提出了一种对称侧检测误差校正(Systematic position aberration cancellation,SPAC)方法,给出了完整的误差校正实验流程,并对该方法的有效性进行了仿真验证。

    • 以上介绍的点衍射干涉检测技术多用于光学系统像差和单个反射式光学元件的面形检测。近年来,随着生命科学和医学领域对活体细胞动态特征定量测量需求的增多,普通的相位对比显微系统(PCM)和微分干涉对比显微系统(DIC)已无法满足这一需求。傅里叶相位显微技术(FPM)、希尔伯特相位显微技术(HPM)和衍射相位显微技术(DPM)可以定量获取生物细胞的结构和动态特征[89],而应用了点衍射干涉技术的衍射相位显微技术,结合了HPM单次拍摄和FPM共路传输的优势,可以得到定量的纳米量级的稳定相位图,而且细胞动态特征的识别时间只受探测器灵敏度的限制。

      2008年,Gabriel Popescu和Young Keun Park等人[90]将衍射相位显微系统用于红细胞结构和动态特征的检测,该系统不需要物理接触和外源性对比剂,实现了完全的无创活细胞测量。DPM的光学原理如图 36所示(L1、L2、L3和L4均为透镜),氩激光器发出的514 nm的激光束经准直扩束器准直照明红细胞样本后耦合到高数值孔径的显微物镜中,而后经振幅衍射光栅生成全部空间的多级衍射光束经L3-L4标准空间滤光透镜系统后筛选出0级和1级衍射级次光波,将0级光经针孔衍射产生的理想球面波作为参考波前,将携带红细胞相位信息的1级衍射光作为检测波前,两束光进行干涉,在CCD上形成干涉条纹。该DPM为共路干涉结构,可以有效隔离噪声,保持信号稳定。2014年,韩国在衍射相位显微系统的基础上,采用了光学全息微层析成像技术获取了生物细胞的三维结构和动态特征,实现了对动态细胞膜波动的亚10 nm灵敏度的测定[91-92]

      图  36  衍射相位光学显微系统的原理图

      Figure 36.  Principle diagram of diffraction phase microscopy system

      采用衍射相位显微技术对生物细胞进行检测,具有快速、非接触、非侵入性等特点,可以得到细胞膜在纳米尺寸和毫秒的动态特征。同时,该技术不需要引入化学或荧光染料等外源因子,保持了细胞的分子结构,可以得到细胞的物理特性和健康状况,为临床细胞检测打开了新局面,是生物学和生物医学研究的有力工具,具有广阔的应用前景。

    • 点衍射干涉仪以其特有的光学性质在干涉检测中得到了广泛应用和认可,由最初的波前像差检测拓展到高精度光学元件面形检测领域。点衍射干涉仪克服了标准参考镜面形精度的限制,采用微孔衍射产生近乎理想的球面波前,有望达到衍射极限的分辨率,实现高精度检测。

      根据点衍射干涉仪不同发展阶段的特点,可将其分为点衍射共路干涉仪和点衍射非共路干涉仪。最早的点衍射干涉仪为点衍射共路干涉仪,主要应用于波前像差检测上,其结构简单,对环境振动不敏感,对光源相干度的要求不高。其装置调节简单,可实现在线测量,只需将点衍射板放置于像平面的像点处,波前分离与再结合均发生在像平面上,给予测试组件极大的自由度。但由于技术条件等限制因素,最初的传统点衍射共路干涉仪尚未引入移相技术进行干涉图相位的解调,仍然通过观察干涉条纹的形状来检测波前像差,特别是对于大型天文望远镜波前像差的实施检测和校正来说,这是一种简单、经济、有效的检测手段。

      随着波前检测精度的提高,国内外一些研究机构基于偏振技术和光栅衍射分光的特性对点衍射分束板进行改进,构建了相移点衍射共路干涉仪,因引入了相位调制技术和对比度可调技术,进一步提高了波前像差的检测精度,可用于航天飞机上微重力以及流体的研究,亦可用于超音速飞机喷嘴处气体震动场的测量。但受限于点衍射共路干涉仪的结构及其移相方式,很难将其应用于高精度反射镜的面形检测中。不同于点衍射共路干涉仪,点衍射非共路干涉仪侧重于通过减小衍射微孔的尺寸和优化掩模的厚度等一系列措施来提高远场衍射波前质量,将近乎理想球面的衍射波前同时作为检测光束和参考光束,减小了检测系统入射波前像差对参考波前质量的影响,主要用于光学元件面形的高精度检测。

      根据点衍射波前获取结构的不同,将此种干涉仪分为光纤点衍射干涉仪和反射式针孔点衍射干涉仪。光纤点衍射干涉仪采用单模光纤,虽然有很强的出射光强和滤波特性,可以消除入射波前像差对衍射波前质量的影响,但光纤纤芯的直径一般只有3~5 μm,导致光纤衍射波前的可用数值孔径小于0.2,无法满足大数值孔径光学元件或光学系统的检测。为了进一步缩小光纤出射端面的尺寸,韩国先进科学技术研究院、俄罗斯物理微观结构研究所以及日本大阪大学等科研单位相继提出了斜面光纤点衍射干涉仪、锥形光纤点衍射干涉仪和双光纤点衍射干涉仪。另一方面,随着电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等微细加工技术的发展,目前已能加工出尺寸在亚微米量级(甚至更小)的理想圆形针孔,从而产生更高精度的理想球面波前。基于此种针孔结构,国内外许多单位均针对反射式针孔点衍射干涉仪开展了进一步提高其检测精度的研究,以实现EUV光刻物镜波像差的高精度检测。反射式针孔点衍射干涉仪虽然可以得到较大数值孔径的理想球面衍射波前,但其偏离理想球面的误差也受到聚焦物镜像差、聚焦光斑对准误差以及针孔加工圆度误差等的影响。相较于光纤点衍射干涉仪,其出射光强较弱,装置复杂,且聚焦光斑的对准校正调整困难。此外,点衍射干涉仪以其高精度参考波前的优势,在生物细胞的三维结构重构和动态特征检测等方面具有广阔的应用前景。

      在众多的光学检测方法中,点衍射干涉检测技术作为一种可以实现优于亚纳米级检测精度的技术手段,成为最具发展潜力的高精度检测方法之一。其中,针孔点衍射干涉仪可较为便利地建立不同工作波段的在线检测装置,可获得大数值孔径的高精度参考波前,已成为高精度光学检测领域的研究热点,发展得较为成熟。下一步的工作是要研究完善针孔衍射波前质量的实验评价体系,使用与实际检测相同的检测系统,并进一步减小环境振动等对非共路结构产生的影响,建立完善的点衍射干涉仪,有效地进行大数值孔径光学系统元件的加工、镀膜,及在系统装调阶段于系统工作波长下提供高精度的在线检测。

参考文献 (92)

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