基于针孔-板相位移动的点衍射干涉测量系统

《Optics & Laser Technology》：Point diffraction interferometry system based on Pinhole-Plate phase-shifting

本研究开发了一种基于折叠光路和孔板相位移位的紧凑型点衍射干涉仪系统，替代传统大孔径压电陶瓷驱动镜的相位移位方法。实验表明，该系统具有优于λ/5000的重复性误差和≤1 nm的表面测量精度，并与商业设备（ZYGO、D7）的结果一致，展示了良好的稳定性和可商业化前景。

　　本研究介绍了一种基于折叠光路和针孔板相位调制技术的紧凑型点衍射干涉仪（Point Diffraction Interferometry, PDI）系统。该系统的设计突破了传统点衍射干涉仪依赖大口径、重载压电陶瓷（PZT）移动测试镜以引入相位变化的限制，从而实现了设备的小型化与商业化应用。通过将相位调制机制集成到针孔板中，系统不再需要移动测试镜，而是利用小口径、轻载的PZT驱动针孔板沿衍射光轴方向移动，实现相位变化。此外，通过引入反射镜折叠参考光路，有效减小了仪器的体积，同时避免了测试光路与参考光路之间的相互遮挡问题。这种设计不仅提高了系统的操作便利性，也使设备更加适合实际应用环境。整个系统的光学路径经过优化，使得测试光路的光轴与仪器端面垂直，这一设计更符合操作人员的习惯，提升了设备的实用性与易用性。

该系统具备多种优势，包括结构紧凑、成本较低、测量精度高、操作简便以及商业化潜力大。通过与自主研发的干涉图采集与处理软件相结合，系统实现了表面测量精度小于等于1纳米（RMS）。为了验证系统的精度和稳定性，研究者将该系统与传统测试镜相位调制点衍射干涉仪、商用ZYGO干涉仪以及商用D7点衍射干涉仪进行了对比实验。实验结果表明，四组测量结果高度一致，系统在PV（峰谷值）重复性精度方面优于λ/3000，RMS重复性精度优于λ/5000。这充分说明了该系统在测量精度和稳定性方面的优越性。

点衍射干涉仪作为一种新兴的高精度表面测量技术，其核心原理是利用微米级别的针孔产生的衍射波作为参考波，无需标准参考镜即可实现超高精度的波前测量。这一特性使其在极端紫外光刻、激光核聚变等高精度光学测量领域具有广泛的应用前景。然而，传统的点衍射干涉仪通常需要通过移动测试镜来实现相位调制，这不仅增加了设备的体积和重量，也提高了制造与维护成本，限制了其在实际应用中的推广。为了解决这一问题，研究者提出了一种基于针孔板相位调制的新方案，将相位调制引入针孔板的内部结构，从而减少了对大口径PZT的依赖。

在系统设计方面，针孔板的相位调制方法通过小尺寸、低负载的PZT驱动实现，使得设备整体更加轻便和易于控制。同时，系统采用了折叠光路技术，将参考光路通过反射镜折叠，不仅减少了设备的体积，还有效避免了测试光路与参考光路之间的干扰。此外，系统还对测试光路进行了倾斜设计，使得测试光路的光轴垂直于仪器的端面，这一设计更符合操作人员的使用习惯，提高了系统的操作效率和测量精度。

为了确保针孔板与测试光路之间的精确对齐，系统引入了一种视觉对齐技术。该技术通过将光束分成两部分，一部分经过针孔衍射后形成干涉图，另一部分则被反射到视觉对齐路径中，从而实现了对针孔位置的实时监测和调整。通过对干涉图像中亮斑与暗斑中心位置的对比，可以精确调整针孔的位置，确保测量过程的准确性。这一视觉对齐系统在实际操作中起到了关键作用，为系统的稳定运行提供了保障。

在干涉图处理方面，系统采用了一种自主研发的软件，具备手动和自动采集干涉图像、PZT相位控制、手动和自动掩膜、实时和离线处理、以及2D和3D表面形状显示等功能。该软件还支持多种相位提取算法，包括5到13步的相位提取方法，以及区域增长法等波前解包裹技术。通过与ESDI公司的IntelliWave专业干涉图处理软件进行对比实验，结果显示两种软件在处理精度上基本一致，进一步验证了该系统在干涉图处理方面的有效性。

在实验验证方面，研究者使用了两种不同的相位调制方法对同一测试镜进行了测量，即传统的测试镜相位调制方法和新型的针孔板相位调制方法。通过对比两种方法的测量结果，发现它们在表面形状测量上几乎完全一致，且测量精度相近。这表明针孔板相位调制方法能够有效替代传统的测试镜相位调制方式，为点衍射干涉仪的进一步发展提供了新的思路。

此外，为了全面评估该系统的测量性能，研究者还将其与商用ZYGO干涉仪和D7点衍射干涉仪进行了对比实验。实验结果显示，该系统在PV和RMS测量精度上与这两款商用设备相比具有竞争力，且在重复性精度方面表现更为优异。特别是与ZYGO干涉仪相比，该系统在PV测量上的平均差异仅为0.0223λ（约14.1纳米），在RMS测量上的平均差异仅为0.0002λ（约0.13纳米）。与D7点衍射干涉仪相比，该系统的PV测量平均差异为0.0180λ（约11.4纳米），RMS测量平均差异为0.0007λ（约0.44纳米）。这些结果进一步证明了该系统在测量精度和稳定性方面的优势。

总体而言，本研究提出了一种基于针孔板相位调制和折叠光路的紧凑型点衍射干涉仪系统，其在结构设计、相位调制方式、对齐技术以及干涉图处理等方面均展现出显著的创新性。该系统不仅实现了高精度的表面测量，还具备良好的商业化潜力，能够满足现代光学制造和检测领域对高精度、小型化设备的需求。未来，研究者计划进一步优化系统配置，并引入绝对测量技术以消除附加透镜带来的表面误差，从而推动点衍射干涉仪技术在更多高精度光学应用中的发展。