点衍射干涉波像差测量仪及检测方法

摘要

一种点衍射干涉波像差测量仪，由光源、分光器、第一光强与偏振态调节器、相移器、第二光强与偏振态调节器、理想波前发生单元、物方精密调节台、被测光学系统、像方波前检测单元、像方精密调节台和数据处理单元组成。本发明干涉仪具有结构简单、相移元件不产生系统误差、高干涉条纹可见和可标定系统误差的优点。

权利要求

1.一种点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于该测量仪的构成包括：光源(1)、分光器(2)、第一光强与偏振态调节器(3)、相移器(4)、第二光强与偏振态调节器(5)、理想波前发生单元(6)、物方精密调节台(7)、被测光学系统(8)、像方波前检测单元(9)、像方精密调节台(10)和数据处理单元(11)，所述的像方波前检测单元(9)由像方掩模(901)、光电传感器(902)、支架(903)构成，像方掩模(901)包括透光窗口(901b)和滤波圆孔(901a)，所述的光电传感器(902)包括一个二维探测器(902b)，上述各元部件的位置关系如下：在所述的光源(1)输出光的前进方向是所述的分光器(2)，该分光器(2)将入射光分为两路：一路为光程可调光路(2A)，另一路为光程固定光路(2B)；在光程可调光路(2A)上依次是第一光强与偏振态调节器(3)和相移器(4)，经该光程可调光路的入射光输入所述的理想波前发生单元(6)的第一输入端(6A)；所述的光程固定光路(2B)上放置第二光强与偏振态调节器(5)，经该光程固定光路(2B)的入射光输入所述的理想波前发生单元(6)的第二输入端(6B)；该理想波前发生单元(6)的第一输出端(6C)和第二输出端(6D)位于所述的被测光学系统(8)的物面；该理想波前发生单元(6)由物方精密调节台(7)支撑并精密定位；所述的像方波前检测单元(9)位于被测光学系统(8)的像方，像方波前检测单元(9)的像方掩模(901)位于被测光学系统(8)的像面，光电传感器(902)的二维探测器(902b)位于沿光前进方向像方掩模(901)之后；像方波前检测单元(9)由所述的像方精密调节台(10)支撑并精密定位；像方波前检测单元(9)的输出信号输入所述的数据处理单元(11)。

2.根据权利要求1所述的点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于所述的光源是激光器、发光二极管、超辐射发光二极管或单色仪，所述的光源是光纤输出的光源，或是自由空间准直输出的光源。

3.根据权利要求1所述的点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于所述的分光器是光纤耦合器、分光棱镜、或一面镀有分光膜的玻璃平板。

4.根据权利要求1所述的点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于所述的第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器是由可调衰减器和偏振控制器组成，或由一个可旋转的检偏器构成；所述的第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器的结构相同或不同。

5.根据权利要求1所述的点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于所述的相移器是改变光路光程的器件：包括缠绕在柱状压电陶瓷上的单模光纤环，通过改变柱状压电陶瓷的驱动电压，拉伸单模光纤，改变光程；分束棱镜、反射镜和压电陶瓷组成的可变光延迟线；或通过压电陶瓷带动反射镜或棱镜运动改变光程。

6.根据权利要求1所述的点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于所述的理想波前发生单元是将从其第一输入端和第二输入端输入的光转换成在被测光学系统的物方数值孔径范围内是标准球面波，并分别从其第一输出端或第二输出端输出的光学组件，理想波前发生单元的第一输出端和第二输出端之间的中心距离so大于被测光学系统像点弥散斑的直径除以被测光学系统的放大倍数；

所述的理想波前发生单元由第一光纤和第二光纤构成；第一光纤的输入端是理想波前发生单元的第一输入端，第一光纤的输出端是理想波前发生单元的第一输出端；第二光纤的输入端是理想波前发生单元的第二输入端，第二光纤的输出端是理想波前发生单元的第二输出端；所述的第一光纤和第二光纤是单模光纤或是保偏光纤；第一光纤和第二光纤的输出端纤芯直径Φf小于所述被测光学系统的物方衍射极限分辨率，满足Φf<λ/(2NAo)，其中λ为光源波长，NAo为被测光学系统的物方数值孔径；

或所述的理想波前发生单元由第三光纤、第四光纤、成像镜组和物面掩模构成；第三光纤的输入端是理想波前发生单元的第一输入端，第三光纤的输出端位于成像镜组的物面；

第四光纤的输入端是理想波前发生单元的第二输入端，第四光纤的输出端位于成像镜组的物面；物面掩模位于成像镜组的像面；物面掩模上有第一圆孔和第二圆孔；第一圆孔是理想波前发生单元的第一输出端，第二圆孔是理想波前发生单元的第二输出端；第三光纤的输出端经成像镜组成像在第二圆孔上，第四光纤的输出端经成像镜组成像在第一圆孔上；

第三光纤和第四光纤是单模光纤或是保偏光纤；第一圆孔和第二圆孔的直径Φo小于所述被测光学系统的物方衍射极限分辨率，满足Φo<λ/(2NAo)，其中λ为光源波长，NAo为被测光学系统的物方数值孔径；

或所述的理想波前发生单元由第一反射镜、第二反射镜、聚焦镜组、物面掩模构成；准直的第一光束和第二光束分别从理想波前发生单元的第一输入端、第二输入端输入；沿第一光束前进方向，依次经过第一反射镜、聚焦镜组和物面掩模；沿第二光束前进方向，依次经过第二反射镜、聚焦镜组和物面掩模；物面掩模位于聚焦镜组的后焦面上；物面掩模上有第一圆孔和第二圆孔；物面掩模上的第一圆孔和第二圆孔部分为透光区，其他部分为不透光区；第一圆孔是理想波前发生单元的第一输出端，第二圆孔是理想波前发生单元的第二输出端；第一圆孔和第二圆孔的直径Φo小于所述被测光学系统的物方衍射极限分辨率，满足Φo<λ/(2NAo)，其中λ为光源波长，NAo为被测光学系统的物方数值孔径；所述的第一反射镜与第二反射镜之间有一个夹角，使得第一光束通过聚焦镜组聚焦在第一输出端，第二光束通过聚焦镜组聚焦在第二输出端。

7.根据权利要求1所述的点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于所述的像方掩模位于被测光学系统的像面；像方掩模包括透光窗口和滤波圆孔；滤波圆孔是直径Φi小于所述被测光学系统的像方衍射极限分辨率的透光小孔，满足Φi<λ/(2NAi)，其中λ为光源波长，NAi为被测光学系统的像方数值孔径，所述的透光窗口是能够无遮挡的同时透过所述的理想波前发生单元的第一输出端和第二输出端经被测光学系统成像后的像点弥散斑的四边形、圆环形或其他形状的透光区域。

8.根据权利要求1所述的点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于所述的光电传感器是二维探测器或变换光学镜组和二维探测器构成，由变换光学镜组和二维探测器构成的光电传感器，像方掩模位于所述的变换光学镜组的前焦面，所述的二维探测器位于变换光学镜组的后焦面。

9.根据权利要求8所述的点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于所述的变换光学镜组是能够成像的单透镜、透镜组、反射镜组。

10.根据权利要求8所述的点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于所述的二维探测器是CCD、CMOS，或光电二极管阵列。

11.根据权利要求1所述的点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于所述的数据处理单元是存储干涉图、进行干涉图分析处理以获取波像差的计算机或嵌入式系统。

12.利用权利要求1所述的点衍射干涉波像差测量仪检测被测光学系统波像差的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)移动物方精密调节台，使理想波前发生单元的第一输出端或/和第二输出端位于被测光学系统需要测量的视场点的位置；

2)若理想波前发生单元的第一输出端所在位置是被测光学系统需要测量的视场点的位置，移动像方精密调节台，进行精密对准，使理想波前发生单元的第一输出端的像点与像方掩模的滤波圆孔的中心对准，第二输出端的像点位于像方掩模的透光窗口内部，然后进入步骤3)；若理想波前发生单元的第一输出端所在位置不是被测光学系统需要测量的视场点的位置，直接进入步骤4)；

3)调节第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器，使光电传感器采集到的干涉图的强度达到光电传感器的饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；通过所述的相移器进行相移量δ的相移，所述的光电传感器采集干涉图，重复m次，得到一组相互间依次具有相移量δ的干涉图，干涉图的光强分布依次分别表示为Ia1，Ia2，…，Iam，m为干涉图数量；按照所采用的相移干涉相位提取算法计算包裹相位分布WRa，WRa相位解包裹后得到相位分布Wa；

4)若理想波前发生单元的第二输出端所在位置是被测光学系统需要测量的视场点的位置，移动像方精密调节台，进行精密对准，使理想波前发生单元的第二输出端的像点与像方掩模的滤波圆孔的中心对准，第一输出端的像点位于像方掩模的透光窗口内部，然后进入步骤5)；若理想波前发生单元的第二输出端所在位置不是被测光学系统需要测量的视场点的位置，直接进入步骤6)；

5)调节第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器，使光电传感器采集到的干涉图的强度达到光电传感器饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；通过所述的相移器进行相移量δ的相移，所述的光电传感器采集干涉图，重复m次，得到一组相互间依次具有相移量δ的干涉图，该干涉图的光强分布依次分别表示为Ib1，Ib2，…，Ibm，m为干涉图数量；按照所采用的相移干涉相位提取算法计算包裹相位分布WRb，WRb相位解包裹后得到相位分布Wb；

6)进行精密对准，使理想波前发生单元的两个输出端的像点都位于像方掩模的透光窗口内部；

7)调节第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器，使光电传感器采集到的干涉图的强度达到光电传感器饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；通过所述的相移器进行相移量δ的相移，所述的光电传感器采集干涉图，重复m次，得到一组相互间依次具有相移量δ的干涉图，该干涉图的光强分布依次分别表示为Ic1，Ic2，…，Icm，m为干涉图数量；按照所采用的相移干涉相位提取算法计算包裹相位分布WRc，WRc相位解包裹后得到相位分布Wc；

8)如果理想波前发生单元的第一输出端所在位置是被测光学系统需要测量的视场点的位置，则利用公式W1＝Wa-Wc计算被测光学系统在该视场点的波像差W1；如果理想波前发生单元的第二输出端所在位置是被测光学系统需要测量的视场点的位置，则利用公式W2＝Wc-Wb计算该视场点的波像差W2。

13.根据权利要求12所述的检测被测光学系统波像差的方法，其特征在于所述的相移干涉相位提取算法是通过一组相互间依次具有相移量δ的干涉图的光强分布计算干涉图携带的包裹相位分布的计算方法；

当相移量δ等于π/2，干涉图数量m等于3时，所述的相移干涉相位提取算法按下式计算：

当相移量δ等于π/2，干涉图数量m等于4时，所述的相移干涉相位提取算法如下式：

当相移量δ等于π/2，干涉图数量m等于5时，所述的相移干涉相位提取算法如下式：

当相移量δ等于2π/m，干涉图数量m≥3时，所述的相移干涉相位提取算法如下式(4)所示

式(1)～(4)中*表示a，b或c。

说明书

点衍射干涉波像差测量仪及检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及干涉测量领域，特别是一种点衍射干涉波像差测量仪及检测方法。

背景技术

[0002] 波像差是描述小像差成像光学系统性能的重要参数。高品质的显微物镜和空间望远镜的波像差需小于λ/4PV或λ/14RMS（λ为工作波长，RMS为均方根值）。深紫外光刻投影物镜的波像差要求达到几个nm RMS，极紫外光刻投影物镜的波像差需达到1nm RMS以下。这对波像差检测技术提出了很高的要求。

[0003] 在先技术1（参见H.Medecki,E.Tejnil,K.A.Goldberg,“Phase-shifting point diffraction interferometer”,OPTICS LETTERS Vol.21,No.19，1526-1528,1996） 描述了一种相移点衍射干涉仪用于光学系统波像差的检测。此后，美国LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)、日本EUVA(Extreme UltraViolet Lithography System Development Association)研发的极紫外光刻投影物镜波像差检测点衍射干涉仪均采用了该技术，测试重复性达到了0.1nm RMS。该技术通过小孔滤波产生标准球面波，采用衍射光栅作为分光元件和相移元件。衍射光栅0级衍射光和1级衍射光中的任一个作为测量光波，另一个通过小孔滤波后产生参考光波。通过衍射光栅的横向移动在0级衍射光和1级衍射光间引入相移，实现高精度检测。但是，0级衍射光和1级衍射光的光强由衍射光栅的衍射效率决定，不可调。当采用1级衍射光通过小孔滤波产生参考光波时，干涉条纹可见度太低；当采用0级衍射光通过滤波小孔产生参考光波时，光栅衍射产生的彗差会影响测量精度，并且很难标定。并且，采用衍射光栅作为相移元件，衍射光栅位于被测成像系统的成像光路中，需要增加额外的位移平台进行移相，导致系统结构复杂，增加了系统成本。衍射光栅基底材料折射率不均匀、厚度不均匀、衍射光栅图形的缺陷、灰尘等因素也会产生波前畸变，产生系统误差。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种点衍射干涉波像差测量仪及检测方法，以实现对光学系统波像差的高精度检测。该干涉仪具有结构简单、相移元件不产生系统误差、高干涉条纹可见度和可标定系统误差的优点。

[0005] 本发明的技术解决方案如下：

[0006] 一种点衍射干涉波像差测量仪，其特征在于它由光源，分光器，第一光强与偏振态调节器，相移器，第二光强与偏振态调节器，理想波前发生单元，物方精密调节台，被测光学系统，像方波前检测单元，像方精密调节台，数据处理单元组成。

[0007] 上述各组成部分的位置与连接关系是：

[0008] 在光源的输出光前进方向上是分光器；分光器将入射光分为光程可调光路和光程固定光路；光程可调光路上连接第一光强与偏振态调节器，相移器，之后接入理想波前发生单元的第一输入端，第一光强与偏振态调节器可以连接在相移器之前或之后；光程固定光路上连接第二光强与偏振态调节器，之后接入理想波前发生单元的第二输入端；理想波前发生单元的第一输出端和第二输出端位于被测光学系统的物面；理想波前发生单元由物方精密调节台支撑并精密定位；像方波前检测单元位于被测光学系统的像方；像方波前检测单元由像方精密调节台支撑并精密定位；像方波前检测单元的输出信号输入数据处理单元进行处理，提取波像差信息。

[0009] 所述的光源是激光器、发光二极管、超辐射发光二极管，或单色仪。所述的光源可以是光纤输出的光源，也可以是自由空间准直输出的光源。

[0010] 所述的分光器是能够将入射光分成两束光的分光元件，如光纤耦合器，分光棱镜，一面镀有分光膜的玻璃平板。

[0011] 所述的第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器是可以调节通过光的光功率和偏振态的器件，可以由可调衰减器和偏振控制器组成，也可以仅由一个可旋转的检偏器构成；

[0012] 所述的第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器也可以只是可以调节通过光路的光功率的器件，可以由偏振控制器和检偏器组成，也可以仅由一个可调衰减器构成；

[0013] 所述的第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器可以采用相同的结构，也可以采用不同的结构。

[0014] 所述的可调衰减器是只调节光功率而不改变光的偏振态的器件，如在不同扇形区域镀有不同衰减膜的旋转玻璃片、通过遮挡光路调节光功率的可变光阑。

[0015] 所述的偏振控制器是可以改变光的偏振态的器件，如可旋转的半波片，或者依次连接的可旋转的1/4波片、可旋转的半波片，和可旋转1/4波片的组合；所述的检偏器是只允许一个方向的线偏振光透过的元件，如偏振片、偏振棱镜。

[0016] 所述的相移器是可以改变光路光程的器件，如缠绕在柱状压电陶瓷上的单模光纤环，通过改变柱状压电陶瓷的驱动电压，拉伸单模光纤，改变光程；分束棱镜、反射镜、压电陶瓷等元件组成的可变光延迟线，通过压电陶瓷带动反射镜或棱镜运动改变光程。

[0017] 所述的理想波前发生单元是将从其第一输入端和第二输入端输入的光转换成在被测光学系统的物方数值孔径范围内是标准球面波，并分别从其第一输出端或第二输出端输出的光学组件，理想波前发生单元的第一输出端和第二输出端之间的中心距离so大于被测光学系统像点弥散斑的直径除以被测光学系统的放大倍数。

[0018] 所述的理想波前发生单元由第一光纤和第二光纤构成；第一光纤的输入端是理想波前发生单元的第一输入端，输出端是理想波前发生单元的第一输出端；第二光纤的输入端是理想波前发生单元的第二输入端，输出端是理想波前发生单元的第二输出端；第一光纤和第二光纤是单模光纤，第一光纤和第二光纤也可以是保偏光纤；第一光纤和第二光纤的输出端纤芯直径Φf小于所述被测光学系统的物方衍射极限分辨率，满足Φf<λ/(2NAo)，其中λ为光源波长，NAo为被测光学系统的物方数值孔径。

[0019] 所述的理想波前发生单元也可以由第三光纤、第四光纤、成像镜组、物面掩模构成；第三光纤的输入端是理想波前发生单元的第一输入端，输出端位于成像镜组的物面；第四光纤的输入端是理想波前发生单元的第二输入端，输出端位于成像镜组的物面；物面掩模位于成像镜组的像面；物面掩模上有第一圆孔和第二圆孔；第一圆孔是理想波前发生单元的第一输出端，第二圆孔是理想波前发生单元的第二输出端；第三光纤的输出端经成像镜组成像在第二圆孔上，第四光纤的输出端经成像镜组成像在第一圆孔上；第三光纤和第四光纤是单模光纤，第三光纤和第四光纤也可以是保偏光纤；第一圆孔和第二圆孔的直径Φo小于所述被测光学系统的物方衍射极限分辨率，满足Φo<λ/(2NAo)，其中λ为光源波长，NAo为被测光学系统的物方数值孔径。

[0020] 所述的理想波前发生单元也可以由第一反射镜、第二反射镜、聚焦镜组、物面掩模构成；两束准直光第一光束和第二光束分别从理想波前发生单元的第一输入端、第二输入端输入；沿第一光束前进方向，依次经过第一反射镜、聚焦镜组和物面掩模；沿第二光束前进方向，依次经过第二反射镜、聚焦镜组和物面掩模；物面掩模位于聚焦镜组的后焦面上；物面掩模上有第一圆孔和第二圆孔；物面掩模的第一圆孔和第二圆孔部分为透光区，其他部分为不透光区；第一圆孔是理想波前发生单元的第一输出端，第二圆孔是理想波前发生单元的第二输出端；第一圆孔和第二圆孔的直径Φo小于所述被测光学系统的物方衍射极限分辨率，满足Φo<λ/(2NAo)，其中λ为光源波长，NAo为被测光学系统的物方数值孔径；第一反射镜与第二反射镜之间有一个夹角，使得第一光束通过聚焦镜组聚焦在第一输出端，第二光束通过聚焦镜组聚焦在第二输出端。

[0021] 所述的分光器、可调衰减器、偏振控制器、检偏器、相移器可以是光纤输入、光纤输出的元件，也可以是自由空间输入、自由空间输出的元件，也可以是光纤输入、自由空间输出的元件，也可以是自由空间输入、光纤输出的元件；如在光纤输入元件的输入端连接光纤耦合透镜，成为自由空间输入元件；在自由空间输入元件的输入端沿光传输方向依次连接光纤和光纤准直透镜，成为光纤输入元件；在光纤输出元件的输出端连接光纤准直透镜，成为自由空间输出元件；在自由空间输出元件的输出端沿光传输方向依次连接光纤耦合透镜和光纤，成为光纤输出元件。

[0022] 所述的光程可调光路和光程固定光路可以是光纤光路，也可以是自由空间光路，也可以一部分是光纤光路，一部分是自由空间光路；即所述的光程可调光路上第一光强与偏振态调节器、相移器、理想波前发生单元之间，以及光程固定光路上第二光强与偏振态调节器、理想波前发生单元之间可以用光纤连接，也可以用自由空间连接，也可以一部分用光纤连接，一部分用自由空间连接；自由空间光路中可以有反射镜、棱镜等调整光束传播方向的元件，也可以有扩束镜组，缩束镜组等改变光束口径的元件；光纤光路中可以有光纤法兰盘等连接光纤的元件。

[0023] 所述的物方精密调节台是可以将理想波前发生单元的第一输出端和第二输出端调节到被测光学系统物方视场内的多自由度位移台或调整架。

[0024] 所述的像方波前检测单元由像方掩模、光电传感器、支架构成。

[0025] 所述的像方掩模位于被测光学系统的像面；像方掩模包括透光窗口和滤波圆孔；滤波圆孔是直径Φi小于所述被测光学系统的像方衍射极限分辨率的透光小孔，满足Φi<λ/(2NAi)，其中λ为光源波长，NAi为被测光学系统的像方数值孔径。透光窗口是能够无遮挡的同时透过所述的理想波前发生单元的第一输出端和第二输出端经被测光学系统成像后的像点弥散斑的四边形、圆环形或其他形状的透光区域。

[0026] 当一次测量只检测被测光学系统的一个视场点位置时，透光窗口与滤波圆孔之间的位置关系满足当理想波前发生单元的第一输出端或第二输出端经被测光学系统成像后的像点中心位于滤波圆孔位置时，另一个输出端的像点弥散斑能够无遮挡的透过透光窗口，并且在滤波圆孔位置的像点弥散斑不会有光能透过透光窗口，如：透光窗口是四边形透光区域，在透光窗口一侧有滤波圆孔，滤波圆孔的中心与透光窗口距离滤波圆孔较近的边沿之间的距离略大于被测光学系统的像点弥散斑半径。

[0027] 当一次测量需要检测被测光学系统两个视场点位置时，透光窗口与滤波圆孔之间的位置关系满足当理想波前发生单元的第一输出端和第二输出端中的任意一个经被测光学系统成像后的像点中心位于滤波圆孔位置时，另一个输出端的像点弥散斑能够无遮挡的透过透光窗口，并且在滤波圆孔位置的像点弥散斑不会有光能透过透光窗口，如：透光窗口是“回”字形或圆环形透光区域，滤波圆孔位于透光窗口内侧不透光区域的中心；或者透光窗口是四边形透光区域，在透光窗口两侧分别有滤波圆孔；或者在滤波圆孔两侧都有四边形或其他形状的透光窗口区域；并且，上述结构中，滤波圆孔的中心与透光窗口距离滤波圆孔较近的边沿之间的距离略大于被测光学系统的像点弥散斑半径。

[0028] 所述的光电传感器是二维探测器或变换光学镜组和二维探测器构成，由变换光学镜组和二维探测器构成的光电传感器，像方掩模位于所述的变换光学镜组的前焦面，所述的二维探测器位于变换光学镜组的后焦面。

[0029] 所述的变换光学镜组是能够成像的单透镜、透镜组、反射镜组。

[0030] 所述的二维探测器是能将光信号转换为电信号的二维光电转换器件，如CCD、CMOS，或光电二极管阵列；二维探测器的输出信号即是像方波前检测单元的输出信号。

[0031] 所述的支架是用来支撑像方掩模和光电传感器的机械件。

[0032] 所述的支架可以包括固定部件和精密调节部件；固定部件在系统工作时固定不动，精密调节部件在系统工作中能够精密调整像方掩模的位置，实现精密对准；精密调节部件支撑在固定部件上，像方掩模支撑在精密调节部件上，光电传感器支撑在固定部件上。精密调节部件可以是压电陶瓷调整架，也可以是音圈电机调整架等能够精密调节位置的调节机构。

[0033] 所述的精密对准是通过像方掩模的位置调整，使理想波前发生单元的一个输出端通过被测光学系统的像点与像方掩模的滤波圆孔的中心对准，另一个输出端的像点位于像方掩模的透光窗口内部，或者使理想波前发生单元的两个输出端的像点都位于像方掩模的透光窗口内部。

[0034] 所述的支架也可以仅包括固定部件，不包括精密调节部件。

[0035] 所述的像方精密调节台是能够调节像方波前检测单元位置的多自由度位移台或调整架；通过像方精密调节台的调节，可以使理想波前发生单元的输出端的像点与像方掩模对准，即进入支架中的精密调节部件的精密对准调节范围。当支架中不包含精密调节部件时，所述的精密对准由像方精密调节台单独实现。

[0036] 所述的数据处理单元是存储干涉图，进行干涉图分析处理以获取波像差的计算机或嵌入式系统。

[0037] 利用上述的点衍射干涉波像差测量仪检测被测光学系统波像差的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

[0038] 1）移动物方精密调节台，使理想波前发生单元的第一输出端或/和第二输出端位于被测光学系统需要测量的视场点的位置；

[0039] 2）若理想波前发生单元的第一输出端所在位置是被测光学系统需要测量的视场点的位置，移动像方精密调节台，进行精密对准，使理想波前发生单元的第一输出端的像点与像方掩模的滤波圆孔的中心对准，第二输出端的像点位于像方掩模的透光窗口内部，然后进入步骤3）；若理想波前发生单元的第一输出端所在位置不是被测光学系统需要测量的视场点的位置，直接进入步骤4）；

[0040] 3）调节第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器，使光电传感器采集到的干涉图的强度达到光电传感器的饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；通过所述的相移器进行相移量δ的相移，所述的光电传感器采集干涉图，重复m次，得到一组相互间依次具有相移量δ的干涉图，干涉图的光强分布依次分别表示为Ia1，Ia2，…，Iam，m为干涉图数量；按照所采用的相移干涉相位提取算法计算包裹相位分布WRa，WRa相位解包裹后得到相位分布Wa；

[0041] 4）若理想波前发生单元的第二输出端所在位置是被测光学系统需要测量的视场点的位置，移动像方精密调节台，进行精密对准，使理想波前发生单元的第二输出端的像点与像方掩模的滤波圆孔的中心对准，第一输出端的像点位于像方掩模的透光窗口内部，然后进入步骤5）；若理想波前发生单元的第二输出端所在位置不是被测光学系统需要测量的视场点的位置，直接进入步骤6）；

[0042] 5）调节第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器，使光电传感器采集到的干涉图的强度达到光电传感器饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；通过所述的相移器进行相移量δ的相移，所述的光电传感器采集干涉图，重复m次，得到一组相互间依次具有相移量δ的干涉图，该干涉图的光强分布依次分别表示为Ib1，Ib2，…，Ibm，m为干涉图数量；按照所采用的相移干涉相位提取算法计算包裹相位分布WRb，WRb相位解包裹后得到相位分布Wb；

[0043] 6）进行精密对准，使理想波前发生单元的两个输出端的像点都位于像方掩模的透光窗口内部；

[0044] 7）调节第一光强与偏振态调节器和第二光强与偏振态调节器，使光电传感器采集到的干涉图的强度达到光电传感器饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；通过所述的相移器进行相移量δ的相移，所述的光电传感器采集干涉图，重复m次，得到一组相互间依次具有相移量δ的干涉图，该干涉图的光强分布依次分别表示为Ic1，Ic2，…，Icm，m为干涉图数量；按照所采用的相移干涉相位提取算法计算包裹相位分布WRc，WRc相位解包裹后得到相位分布Wc；

[0045] 8）如果理想波前发生单元的第一输出端所在位置是被测光学系统需要测量的视场点的位置，则利用公式W1＝Wa-Wc计算被测光学系统在该视场点的波像差W1；如果理想波前发生单元的第二输出端所在位置是被测光学系统需要测量的视场点的位置，则利用公式W2＝Wc-Wb计算该视场点的波像差W2。

[0046] 所述的相移干涉相位提取算法是通过一组相互间依次具有相移量δ的干涉图的光强分布计算干涉图携带的包裹相位分布的计算方法；如当相移量δ等于π/2，干涉图数量m等于3时，所述的相移干涉相位提取算法可以如式（1）所示

[0047]

[0048] 当相移量δ等于π/2，干涉图数量m等于4时，所述的相移干涉相位提取算法可以如式（2）所示

[0049]

[0050] 当相移量δ等于π/2，干涉图数量m等于5时，所述的相移干涉相位提取算法可以如式（3）所示

[0051]

[0052] 当相移量δ等于2π/m，干涉图数量m≥3时，所述的相移干涉相位提取算法可以如式（4）所示

[0053]

[0054] 式（1）～（4）中*表示a，b或c。

[0055] 本发明具有以下优点：

[0056] （1）干涉仪中参与干涉的两束光的光功率和偏振态任意可调，能够产生高的干涉可见度；

[0057] （2）所述的相移器位于被测成像系统成像光路以外，测试系统结构简单，灵活；例如将该干涉仪应用于光刻机中，不需要增加额外的位移平台，便于实现光刻投影物镜波像差的原位检测；

[0058] （3）理想波前发生单元可滤除沿光传输方向被测光学系统前面的光学元件产生的波前畸变，系统误差源少，容易实现高精度检测；

[0059] （4）可标定并消除系统误差。

附图说明

[0060] 图1是本发明点衍射干涉波像差测量仪的结构示意图；

[0061] 图2是本发明第一光强与偏振态调节器的几个实施例的结构示意图；

[0062] 图3是本发明相移器的两个实施例的结构示意图；

[0063] 图4是本发明理想波前发生单元的第一个实施例的结构示意图；

[0064] 图5是本发明理想波前发生单元的第二个实施例的结构示意图；

[0065] 图6是本发明理想波前发生单元的实施例中物面掩模的结构示意图；

[0066] 图7是本发明理想波前发生单元的第三个实施例的结构示意图；

[0067] 图8是本发明像方波前检测单元的几个实施例的结构示意图；

[0068] 图9是本发明像方掩模的几个实施例结构示意图；

[0069] 图10是本发明点衍射干涉波像差测量仪一个实施例的结构示意图；

[0070] 图11是本发明点衍射干涉波像差测量仪一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

[0071] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

[0072] 如图1所示，本发明点衍射干涉波像差测量仪包括：光源1，分光器2，第一光强与偏振态调节器3，相移器4，第二光强与偏振态调节器5，理想波前发生单元6，物方精密调节台7，被测光学系统8，像方波前检测单元9，像方精密调节台10和数据处理单元11。所述的像方波前检测单元9由像方掩模901、光电传感器902、支架903构成，像方掩模901包括透光窗口901b和滤波圆孔901a（可以有多个滤波圆孔，如第一滤波圆孔901a1、第二滤波圆孔901a2等），光电传感器902包括一个二维探测器902b。

[0073] 上述各组成部分的位置与连接关系是：

[0074] 在光源1输出光前进方向上是分光器2；分光器2将入射光分为光程可调光路2A和光程固定光路2B；光程可调光路2A上连接第一光强与偏振态调节器3，相移器4，之后接入理想波前发生单元6的第一输入端6A，第一光强与偏振态调节器3可以放置在相移器4之前或之后；光程固定光路2B上放置第二光强与偏振态调节器5，之后接入理想波前发生单元6的第二输入端6B；理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端6D位于被测光学系统8的物面；理想波前发生单元6由物方精密调节台7支撑并精密定位；像方波前检测单元9位于被测光学系统8的像方，像方波前检测单元9的像方掩模901位于被测光学系统8的像面，光电传感器902的二维探测器902b位于沿光前进方向像方掩模901之后；像方波前检测单元9由像方精密调节台10支撑并精密定位；像方波前检测单元9的输出信号输入数据处理单元11。

[0075] 本发明的工作原理和工作过程如下：

[0076] 光源1的输出光经过分光器2后分为光程可调光路2A和光程固定光路2B；经过光程可调光路2A和光程固定光路2B的光分别在理想波前发生单元6的第一输出端6C或第二输出端6D产生一个标准球面波；物方精密调节台7将理想波前发生单元6的第一输出端6C或第二输出端6D调节到被测光学系统8物方视场内需要测量的视场点的位置；标准球面波没有波像差，即标准球面波的波像差Ws=0，两个标准球面波经过被测光学系统8后会分别携带第一输出端6C和第二输出端6D所在视场点的波像差，即产生与两个视场点的波像差相同的波前畸变；被测光学系统8在理想波前发生单元6的第一输出端6C所在的视场点的波像差为W1，在理想波前发生单元6的第二输出端6D所在的视场点的波像差为W2。

[0077] 移动像方精密调节台10，使理想波前发生单元6的第一输出端6C的像点与像方掩模901的滤波圆孔901a的中心对准，第二输出端6D的像点位于像方掩模901的透光窗口901b内部；透过滤波圆孔901a的波面将重新成为标准球面波，其波像差Ws=0；通过透光窗口901b的波面不发生变化，波像差仍等于理想波前发生单元6的第二输出端6D所在的视场点的波像差W2；在像方掩模901和二维探测器902b之间的自由空间和光学元件会给通过像方掩模901的两个波面之间引入干涉仪系统误差WSYS；两个波面相互干涉，干涉图携带的相位分布Wa如式（5）所示：

[0078] Wa＝W2-WS+WSYS＝W2+WSYS。 （5）

[0079] 移动像方精密调节台10，使理想波前发生单元6的第二输出端6D的像点与像方掩模901的滤波圆孔901a的中心对准，第一输出端6C的像点位于像方掩模901的透光窗口901b内部；透过滤波圆孔901a的波面将重新成为标准球面波，其波像差Ws=0；通过透光窗口901b的波面不发生变化，波像差仍等于理想波前发生单元6的第一输出端6C所在的视场点的波像差W1；在像方掩模901和二维探测器902b之间的自由空间和光学元件仍会给通过像方掩模901的两个波面之间引入干涉仪系统误差WSYS；两个波面相互干涉，干涉图携带的相位分布Wb如式（6）所示：

[0080] Wb＝WS-W1+WSYS＝-W1+WSYS。 （6）

[0081] 移动像方精密调节台10，使理想波前发生单元6的两个输出端的像点都位于像方掩模901的透光窗口901b内部；则通过透光窗口901b的两个波面都不发生变化，分别为理想波前发生单元6的第一输出端6C所在的视场点的波像差W1、第二输出端6D所在的视场点的波像差W2；在像方掩模901和二维探测器902b之间的自由空间和光学元件仍会给通过像方掩模901的两个波面之间引入干涉仪系统误差WSYS；两个波面相互干涉，干涉图携带的相位分布Wc如式（7）所示：

[0082] Wc＝W2-W1+WSYS。 （7）

[0083] 因此，理想波前发生单元6的第一输出端6C所在的视场点的波像差W1用式（8）求得：

[0084] W1＝Wa-Wc。 （8）

[0085] 理想波前发生单元6的第二输出端6D所在的视场点的波像差W2用式（9）求得：

[0086] W2＝Wc-Wb。 （9）

[0087] 由于通过像方掩模901的两个波面分别来自于光程可调光路2A和光程固定光路2B，因此，调节光程可调光路2A上的第一光强与偏振态调节器3，可以调节一个波面的光强和偏振态，调节光程固定光路2B上的第二光强与偏振态调节器5，可以调节另一个波面的光强和偏振态；当两个波面的偏振态和光强都相同时，干涉可见度达到最大值1；当两个波面的偏振态均为线偏振光，且偏振方向互相垂直时，不发生干涉，干涉可见度为0；当两个波面的偏振态相同，一个波面的光强为Iw1，另一个波面的光强为Iw2时，干涉可见度η如式（10）所示：

[0088]

[0089] 因此，通过调节第一光强与偏振态调节器3和第二光强与偏振态调节器5可以实现较高的干涉可见度。

[0090] 同样由于通过像方掩模901的两个波面分别来自于光程可调光路2A和光程固定光路2B，相移器4调节光程可调光路2A的光程即可使一个波面的相位发生变化，产生相移，从而可以利用相移干涉实现高精度检测。

[0091] 图2是本发明第一光强与偏振态调节器3的几个实施例的结构示意图。

[0092] 图2（a）所示的第一光强与偏振态调节器3由可调衰减器301和偏振控制器302组成；沿光前进方向，可调衰减器301连接在偏振控制器302之前或之后。

[0093] 图2（b）所示的第一光强与偏振态调节器3由检偏器303和转台304组成；转台304带动检偏器303旋转，改变检偏器303的透光轴方向，改变输出光的偏振方向和光强。

[0094] 图2（c）所示的第一光强与偏振态调节器3由偏振控制器302和检偏器303组成，沿光前进方向，依次连接偏振控制器302和检偏器303；通过偏振控制器302调节通过光的偏振态，改变通过检偏器303的光强。

[0095] 图2（d）所示的第一光强与偏振态调节器3是一个可调衰减器301，只调节通过光路的光功率。

[0096] 第二光强与偏振态调节器5可以采用与第一光强与偏振态调节器3相同的结构，也可以采用不同的结构。

[0097] 图3是本发明相移器4的两个实施例的结构示意图。

[0098] 图3（a）所示的相移器4由柱状压电陶瓷401和缠绕在其上的单模光纤环402组成，通过改变柱状压电陶瓷401的驱动电压，柱状压电陶瓷401的直径会发生变化，改变单模光纤环402的长度，从而改变光程。

[0099] 图3（b）所示的相移器4由分束棱镜403，反射镜404，压电陶瓷405组成，沿入射光前进方向，放置分束棱镜403，在分束棱镜反射光方向，放置反射镜404，光线在反射镜404上反射后透过分束棱镜403出射，反射镜404安装在压电陶瓷405上，改变压电陶瓷405的驱动电压，压电陶瓷405的长度发生变化，带动反射镜404运动，从而改变光程。

[0100] 图4是本发明理想波前发生单元6的第一个实施例的结构示意图。如图4所示，理想波前发生单元6由第一光纤601和第二光纤602构成；第一光纤的输入端是理想波前发生单元6的第一输入端6A，输出端是理想波前发生单元6的第一输出端6C；第二光纤的输入端是理想波前发生单元6的第二输入端6B，输出端是理想波前发生单元6的第二输出端6D；第一光纤601和第二光纤602是单模光纤，第一光纤601和第二光纤602也可以是保偏光纤；第一光纤601和第二光纤602的输出端纤芯直径Φf小于所述被测光学系统8的物方衍射极限分辨率，满足Φf<λ/(2NAo)，其中λ为光源波长，NAo为被测光学系统8的物方数值孔径。由于第一光纤601和第二光纤602是单模光纤或保偏光纤，在光纤中只有一个模式传输，并且它们输出端纤芯直径Φf小于所述被测光学系统8的物方衍射极限分辨率，因此，它们的输出光场在被测光学系统8的物方数值孔径NAo内是标准球面波，从第一输入端6A和第二输入端6B输入的光被转换成标准球面波分别从第一输出端6C和第二输出端6D输出。第一光纤601和第二光纤602的输出端纤芯间的中心距离大于被测光学系统8像点弥散斑的直径除以被测光学系统8的放大倍数，如被测光学系统8像点弥散斑的直径为2μm，放大倍数为1/5，则第一光纤601和第二光纤602的输出端纤芯间的中心距离大于10μm。

[0101] 图5是本发明理想波前发生单元6的第二个实施例的结构示意图。理想波前发生单元6也可以由第三光纤603、第四光纤604、成像镜组605、物面掩模606构成，图6是物面掩模606的结构示意图；第三光纤603的输入端是理想波前发生单元6的第一输入端6A，输出端位于成像镜组605的物面；第四光纤的输入端是理想波前发生单元6的第二输入端6B，输出端位于成像镜组605的物面；物面掩模606位于成像镜组605的像面；物面掩模606上有第一圆孔606a和第二圆孔606b；第一圆孔606a是理想波前发生单元6的第一输出端
6C，第二圆孔606b是理想波前发生单元6的第二输出端6D；第三光纤603的输出端经成像镜组605成像在第二圆孔606b上，第四光纤604的输出端经成像镜组605成像在第一圆孔
606a上；第三光纤603和第四光纤604是单模光纤或保偏光纤；第一圆孔606a和第二圆孔
606b的直径Φo小于所述被测光学系统8的物方衍射极限分辨率，满足Φo<λ/(2NAo)，其中λ为光源波长，NAo为被测光学系统8的物方数值孔径。物面掩模606上第一圆孔606a和第二圆孔606b对光场有滤波作用，由于它们的直径Φo小于所述被测光学系统8的物方衍射极限分辨率，它们的输出光场在被测光学系统8的物方数值孔径NAo内是标准球面波。
从第一输入端6A和第二输入端6B输入的光被转换成标准球面波分别从第二输出端6D和第一输出端6C输出。物面掩模606上第一圆孔606a和第二圆孔606b之间的中心距离大于被测光学系统8像点弥散斑的直径除以被测光学系统8的放大倍数，如被测光学系统8像点弥散斑的直径为1μm，放大倍数为1/5，则第一圆孔606a和第二圆孔606b之间的中心距离大于5μm。

[0102] 图7是本发明理想波前发生单元6的第三个实施例的结构示意图。理想波前发生单元6由第一反射镜607、第二反射镜608、聚焦镜组609、物面掩模606构成；两束准直光第一光束6L1和第二光束6L2分别从理想波前发生单元6的第一输入端6A、第二输入端6B输入；沿第一光束6L1前进方向，依次经过第一反射镜607、聚焦镜组609和物面掩模606；沿第二光束6L2前进方向，依次经过第二反射镜608、聚焦镜组609和物面掩模606；物面掩模606位于聚焦镜组609的后焦面上；物面掩模606上第一圆孔606a是理想波前发生单元6的第一输出端6C，第二圆孔606b是理想波前发生单元6的第二输出端6D；第一反射镜607与第二反射镜608之间有一个夹角，使得第一光束6L1通过聚焦镜组609聚焦在第一输出端6C，第二光束6L2通过聚焦镜组609聚焦在第二输出端6D。物面掩模606的结构和作用如本发明理想波前发生单元6的第二个实施例的说明所述。在从第一输入端6A和第二输入端6B输入的光被转换成标准球面波分别从第一输出端6C和第二输出端6D输出。

[0103] 图8是本发明像方波前检测单元9的几个实施例的结构示意图。像方波前检测单元9由像方掩模901、光电传感器902、支架903构成。像方掩模901位于被测光学系统8的像面；沿光前进方向，在像方掩模901之后放置光电传感器902；支架903是用来支撑像方掩模901和光电传感器902的机械件。

[0104] 图8(a)中光电传感器902包括变换光学镜组902a和二维探测器902b。像方掩模901位于变换光学镜组902a的前焦面，二维探测器902b位于变换光学镜组902a的后焦面。变换光学镜组902a是能够成像的单透镜。二维探测器902b是CCD。

[0105] 图8(b)中支架903包括固定部件903a和精密调节部件903b。精密调节部件903b支撑在固定部件903a上，像方掩模901支撑在精密调节部件903b上，光电传感器902支撑在固定部件903a上。精密调节部件903b在系统工作中能够精密调整像方掩模901的位置，实现精密对准；固定部件903a在系统工作时固定不动。精密调节部件903b采用具有XYZ三个调节自由度的压电陶瓷纳米分辨率调节台。

[0106] 所述的精密对准是通过像方掩模901的位置调整，使理想波前发生单元6的一个输出端（第一输出端6C，或第二输出端6D）通过被测光学系统8的像点与像方掩模901的滤波圆孔901a的中心对准，另一个输出端（第二输出端6D，或第一输出端6C）的像点位于像方掩模901的透光窗口901b内部，或者使理想波前发生单元6的两个输出端（第一输出端6C和第二输出端6D）的像点都位于像方掩模901的透光窗口901b内部。

[0107] 图8(c)中光电传感器902只包含二维探测器902b。二维探测器902b放置在沿光前进方向上像方掩模901之后；并与像方掩模901平行。

[0108] 图8(a)、图8(c)中支架903只包括固定部件903a，不包括精密调节部件903b。

[0109] 当支架903中包括精密调节部件903b时，所述的像方精密调节台10是能够调节像方波前检测单元9位置的多自由度位移台或调整架；通过像方精密调节台10的调节，可以使理想波前发生单元6的输出端（第一输出端6C和第二输出端6D）通过被测光学系统8的像点与像方掩模901对准，即进入支架903的精密调节部件903b的精密对准调节范围。

[0110] 当支架903只包括固定部件903a，不包括精密调节部件903b时，所述的精密对准由像方精密调节台10单独实现。

[0111] 图9是本发明像方掩模901的几个实施例结构示意图。

[0112] 图9(a)、图9(b)中像方掩模901包括一个透光窗口901b和一个滤波圆孔901a；滤波圆孔901a是直径Φi小于所述被测光学系统的像方衍射极限分辨率的透光小孔，满足Φi<λ/(2NAi)，其中λ为光源波长，NAi为被测光学系统8的像方数值孔径。透光窗口
901b是能够无遮挡的同时透过所述的理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端
6D经被测光学系统8成像后的像点弥散斑的透光区域，图9(a)中透光窗口901b是“回”字形，图9(b)中透光窗口901b是圆环形。像方掩模901中透光窗口901b和滤波圆孔901a的部分是透光区域，其他部分为有遮光层不透光区。滤波圆孔901a位于透光窗口901b内侧的不透光区域的中心。透光窗口901b有两个边沿，内侧边沿901b_S1距离滤波圆孔901a较近，滤波圆孔901a的中心与透光窗口901b内侧边沿901b_S1之间的最短距离略大于被测光学系统8的像点弥散斑半径。像方掩模901采用图9(a)、图9(b)结构时，可以在一次测量中检测被测光学系统两个视场点位置。

[0113] 所述的遮光层可以是铬、铝等金属层，或Mo/Si多层膜等对透过光线有明显衰减的膜层。

[0114] 图9(c)中像方掩模901的透光窗口901b由两个分离的区域组成，第一透光窗口区域901b1和第二透光窗口区域901b2，像方掩模901还包含一个滤波圆孔901a；滤波圆孔901a的特征与图9(a)、图9(b)中的滤波圆孔901a相同；第一透光窗口区域901b1和第二透光窗口区域901b2都是能够无遮挡的同时透过所述的理想波前发生单元6的第一输出端
6C和第二输出端6D经被测光学系统8成像后的像点弥散斑的四边形透光区域。像方掩模
901中第一透光窗口区域901b1、第二透光窗口区域901b2、滤波圆孔901a的部分是透光区域，其他部分为有遮光层不透光区。第一透光窗口区域901b1和第二透光窗口区域901b2分别位于滤波圆孔901a左右两侧。第一透光窗口区域901b1和第二透光窗口区域901b2均只有1个边沿，分别为901b1_S1、901b2_S1，滤波圆孔901a的中心与边沿901b1_S1、901b2_S1之间的最短距离均略大于被测光学系统8的像点弥散斑半径。像方掩模901采用图9(c)结构时，可以在一次测量中检测被测光学系统两个视场点位置。

[0115] 图9(d)中像方掩模901包括一个透光窗口901b，第一滤波圆孔901a1和第二滤波圆孔901a2；第一滤波圆孔901a1和第二滤波圆孔901a2的特征与图9(a)、图9(b)中的滤波圆孔901a相同；透光窗口901b是能够无遮挡的同时透过所述的理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端6D经被测光学系统8成像后的像点弥散斑的四边形透光区域。像方掩模901中透光窗口901b，第一滤波圆孔901a1和第二滤波圆孔901a2的部分是透光区域，其他部分为有遮光层不透光区。第一滤波圆孔901a1和第二滤波圆孔901a2分别位于透光窗口901b左右两侧。透光窗口901b只有1个边沿901b_S1，第一滤波圆孔901a1和第二滤波圆孔901a2与边沿901b_S1之间的最短距离均略大于被测光学系统8的像点弥散斑半径。像方掩模901采用图9(d)结构时，可以在一次测量中检测被测光学系统两个视场点位置。

[0116] 图9(e)中像方掩模901包括一个透光窗口901b，一个滤波圆孔901a。与图9(d)不同的是，只有一个滤波圆孔901a，滤波圆孔901a可以位于图9(d)中第一滤波圆孔901a1的位置，也可以位于第二滤波圆孔901a2的位置；其他特征与图9(d)相同；像方掩模901采用图9(e)结构时，一次测量只能检测被测光学系统一个视场点位置。

[0117] 图10是本发明点衍射干涉波像差测量仪一个实施例的结构示意图。光源1是单模光纤输出的激光器。分光器2是光纤耦合器。第一光强与偏振态调节器3由可调衰减器301和偏振控制器302组成，可调衰减器301和偏振控制器302都采用光纤器件，沿光前进方向，可调衰减器301连接在偏振控制器302之前；可调衰减器301由依次连接的光纤、光纤准直透镜、可调光阑、光纤耦合透镜、光纤组成；偏振控制器302由依次连接的光纤四分之一波片、光纤半波片、光纤四分之一波片组成。相移器4采用图3（a）所示的结构。第二光强与偏振态调节器5的结构与第一光强与偏振态调节器3相同。光程可调光路2A和光程固定光路2B是光纤光路。理想波前发生单元6采用图4所示结构。物方精密调节台7是具有X、Y、Z三个线性自由度和Xθ、Yθ、Zθ三个旋转自由度的六维精密位移台实现。被测光学系统8是微缩投影物镜。像方波前检测单元9采用图8(c)所示结构；像方掩模901采用图9(b)所示结构，透光窗口901b采用圆环形的优点是能够降低测试过程中步骤2）的对准难度。像方精密调节台10也是具有X、Y、Z三个线性自由度和Xθ、Yθ、Zθ三个旋转自由度的六维精密位移台。数据处理单元11是存储干涉图，进行干涉图分析处理以获取波像差的计算机。

[0118] 图11是本发明点衍射干涉波像差测量仪第二个实施例的结构示意图。光源1是自由空间平行光输出的激光器。分光器2是分束棱镜。第一光强与偏振态调节器3是仅调节光功率的在不同扇形区域镀有不同衰减膜的旋转玻璃片。相移器4采用图3（b）所示的结构。第二光强与偏振态调节器5是仅调节光功率的可变光阑。光程可调光路2A和光程固定光路2B是自由空间光路；光程可调光路2A上的反射镜M1和M2，光程固定光路2B上的反射镜M3、M4、M5、M6仅用来改变光的传输方向。理想波前发生单元6采用图7所示结构。像方波前检测单元9采用图8(a)所示结构；像方掩模901采用图9(a)所示结构。其他与图10第一个实施例相同。

[0119] 当一次测量只测量一个视场点时，利用图10或图11所述的点衍射干涉波像差测量仪检测被测光学系统波像差的方法，其特征在于包括下列步骤：

[0120] 1)移动物方精密调节台7，使理想波前发生单元6的第一输出端6C位于被测光学系统8需要测量的视场点的位置；

[0121] 2)移动像方精密调节台10，使理想波前发生单元6的第一输出端6C的像点与像方掩模901的滤波圆孔901a的中心对准，第二输出端6D的像点位于像方掩模901的透光窗口901b内部；

[0122] 3)调节第一光强与偏振态调节器3和第二光强与偏振态调节器5，使光电传感器902采集到的干涉图的最大光强达到光电传感器902饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；相移器4和光电传感器902重复4次相移量π/2的相移和干涉图采集，得到
4幅相互间依次具有相移量π/2的干涉图，干涉图的光强分布依次分别表示为Ia1，Ia2，Ia3，Ia4；按照式（11）所示的相移干涉相位提取算法计算包裹相位分布WRa，WRa相位解包裹后得到相位分布Wa；

[0123]

[0124] 4)进入步骤6）；

[0125] 6)移动像方精密调节台10，进行精密对准，使理想波前发生单元的第一输出端6C和第二输出端6D的像点都位于像方掩模901的透光窗口901b内部；

[0126] 7)调节第一光强与偏振态调节器3和第二光强与偏振态调节器5，使光电传感器902采集到的干涉图的最大光强达到光电传感器902饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；相移器4和光电传感器902重复4次相移量π/2的相移和干涉图采集，得到
4幅相互间依次具有相移量π/2的干涉图，干涉图的光强分布依次分别表示为Ic1，Ic2，Ic3，Ic4；按照式（12）所示的相移干涉相位提取算法计算包裹相位分布WRc，WRc相位解包裹后得到相位分布Wc；

[0127]

[0128] 8)利用公式W1＝Wa-Wc计算被测光学系统8在所测量的视场点的波像差W1。

[0129] 所述的相移干涉相位提取算法用反正切函数的形式表示，得到的相位分布被截断成为多个2π范围内变化的区域，称为包裹相位；为最终得到连续的相位信息，将多个截断相位的区域拼接展开成连续相位，这个过程称为相位解包裹。

[0130] 当一次测量两个视场点时，利用图10或图11所述的点衍射干涉波像差测量仪检测被测光学系统波像差的方法，其特征在于包括下列步骤：

[0131] 1)移动物方精密调节台7，使理想波前发生单元6的第一输出端6C和第二输出端6D位于被测光学系统8需要测量的视场点的位置；

[0132] 2)移动像方精密调节台10，进行精密对准，使理想波前发生单元6的第一输出端6C的像点与像方掩模901的滤波圆孔901a的中心对准，第二输出端6D的像点位于像方掩模901的透光窗口901b内部；

[0133] 3)调节第一光强与偏振态调节器3和第二光强与偏振态调节器5，使光电传感器902采集到的干涉图的最大光强达到光电传感器902饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；相移器4和光电传感器902重复5次相移量π/2的相移和干涉图采集，得到
5幅相互间依次具有相移量π/2的干涉图，干涉图的光强分布依次分别表示为Ia1，Ia2，Ia3，Ia4，Ia5；按照式（13）所示的相移干涉相位提取算法计算包裹相位分布WRa，WRa相位解包裹后得到相位分布Wa；

[0134]

[0135] 4)移动像方精密调节台10，进行精密对准，使理想波前发生单元6的第二输出端6D的像点与像方掩模901的滤波圆孔901a的中心对准，第一输出端6C的像点位于像方掩模901的透光窗口901b内部；

[0136] 5)调节第一光强与偏振态调节器3和第二光强与偏振态调节器5，使光电传感器902采集到的干涉图的最大光强达到光电传感器902饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；相移器4和光电传感器902重复5次相移量π/2的相移和干涉图采集，得到
5幅相互间依次具有相移量π/2的干涉图，干涉图的光强分布依次分别表示为Ib1，Ib2，Ib3，Ib4，Ib5；按照式（14）所示的相移干涉相位提取算法计算包裹相位分布WRb，WRb相位解包裹后得到相位分布Wb；

[0137]

[0138] 6)移动像方精密调节台10，进行精密对准，使理想波前发生单元的第一输出端6C和第二输出端6D的像点都位于像方掩模901的透光窗口901b内部；

[0139] 7)调节第一光强与偏振态调节器3和第二光强与偏振态调节器5，使光电传感器902采集到的干涉图的最大光强达到光电传感器902饱和光强的0.6～0.9，干涉可见度达到0.6以上；相移器4和光电传感器902重复5次相移量π/2的相移和干涉图采集，得到
5幅相互间依次具有相移量π/2的干涉图，干涉图的光强分布依次分别表示为Ic1，Ic2，Ic3，Ic4，Ic5；按照式（15）所示的相移干涉相位提取算法计算包裹相位分布WRc，WRc相位解包裹后得到相位分布Wc；

[0140]

[0141] 8)利用公式W1＝Wa-Wc计算被测光学系统8在理想波前发生单元6的第一输出端6C所在视场点的波像差W1；利用公式W2＝Wc-Wb计算被测光学系统8在理想波前发生单元
6的第二输出端6D所在视场点的波像差W2。