3.2 剪切干涉儀

常用的剪切干涉儀包括橫向剪切干涉儀和徑向剪切干涉儀。傳統邁克爾遜干涉儀或者菲索干涉儀實際上都利用了被測光束與參考光束之間的干涉，在干涉檢測的過程中，需要引入高精度的參考平面或球面來產生參考光束。而剪切干涉儀是將同一束光經過橫向偏移或徑向縮放等變換后與自身發生干涉，相對于傳統干涉儀優勢在于其在不引入高精度參考平面的情況下也可以實現高精度的波前檢測。下面將介紹剪切干涉儀中幾種常見的共路干涉儀光路。

3.2.1 平行平板橫向剪切干涉儀

基于平行平板的橫向剪切干涉儀由Murty提出，在定性的像差檢測尤其是準直擴束系統的裝調中具有廣泛的應用。圖3-5為基于平行平板的橫向剪切干涉儀。其主要構成為一塊平行平板或者有一定楔角的平板。在實際檢測中，將待測的平行光束入射在這塊透明平板上，光束入射到平板前表面時將有一部分光被反射，而透過的光束繼續入射到平板的后表面，此時又有一部分光被反射。由于透明平板的反射率很低，所以經前后表面反射的光強基本一致，可以產生對比度較好的干涉條紋。由于透明平板具有一定的厚度，所以平板前后表面反射回來的光束間也會引入一定的橫向位移，形成橫向剪切干涉條紋。和傳統干涉儀中利用參考光束和被檢光束發生干涉的原理不同，該條紋的解讀相對而言也更加復雜。

3.2.2 薩瓦偏振鏡干涉儀

薩瓦分束鏡在橫向剪切干涉儀檢測光學系統像差中被廣泛應用，薩瓦偏振鏡干涉儀由Francon和Jordery在1953年所設計的光路中提出。如圖3-6所示，點光源S經過被檢透鏡L后成像于S＇。從S＇發散的光通過透鏡L1準直后平行經過薩瓦偏振鏡Q。薩瓦偏振鏡Q由兩個完全相同的單軸晶體片組成，兩個晶片的主截面(包含晶體光軸和晶片法線的平面)彼此交錯，其布局使得第二個晶片相對于第一個晶片轉過90°，由此經過兩個晶片的尋常光(o光)和非尋常光(e光)光束的行進分別為光線EO及OE，即在兩晶片中尋常光和非尋常光互換。由于出射的兩光束偏振方向垂直，所以在薩瓦偏振鏡Q后還需放置檢偏器形成干涉。如果入射光束為自然光，則在Q前還需放置起偏器。透鏡L1和L2共同組成了一個低倍的顯微鏡，并調焦于被檢透鏡L上。如果L是理想透鏡，透鏡L1與L2之間的光束波前即為平面，則由薩瓦偏振鏡Q產生的尋常光(o光)和非尋常光(e光)波前之間有相同的光程差。在透鏡L2的焦平面上觀察時，全視場應為均勻一片色。而在透鏡L存在像差的情況下，透鏡L1和L2之間的光束波前將會產生畸變，同時觀察面上的光強也就不再均勻。若存在很大的像差，則可以在成像面上觀察到干涉條紋，并且像差的種類和大小可以從干涉條紋的變化信息中獲得。

3.2.3 渥拉斯頓棱鏡干涉儀

上述薩瓦偏振鏡干涉儀也可以采用渥拉斯頓棱鏡替代薩瓦分束器，從而引申出渥拉斯頓棱鏡干涉儀。在薩瓦偏振鏡干涉儀中，光源的尺寸受到很大的限制。如果將光路設計為光兩次通過渥拉斯頓棱鏡，則光源尺寸可以大幅增加，如圖3-7所示。光源S成像在渥拉斯頓棱鏡W上的S＇點，該點位于被檢凹面鏡M的曲率中心附近。成像透鏡L使凹面鏡M成像于成像面M＇上。通常還需要兩個偏振片P使得該系統更加完善，一個置于反射鏡m和渥拉斯頓棱鏡W之間，另外一個置于渥拉斯頓棱鏡W和成像透鏡L 之間。當兩個偏振片的角度相一致，采用一個放置在渥拉斯頓棱鏡W和成像透鏡L之間且覆蓋渥拉斯頓棱鏡全部口徑的偏振片也可以滿足要求。如果被檢凹面鏡M為理想反射鏡，即S＇和S″對稱于渥拉斯頓棱鏡中央條紋放置，則兩束干涉光的光程差為0，因此當兩個偏振片的偏振方向垂直放置時，背景呈現均勻一片黑色，而兩偏振片偏振方向平行時背景則為均勻全亮。當被檢凹面鏡含有較大像差時，可以在成像面M＇上觀察到干涉條紋，此時條紋的背景光強可以通過垂直于條紋方向移動渥拉斯頓棱鏡W進行調整。

3.2.4 交叉光柵橫向剪切干涉儀

交叉光柵橫向剪切干涉儀(cross grating lateral shearing interferometer, CGLSI)利用二維交叉光柵的四個衍射級次之間發生橫向剪切干涉，從而實現共路干涉瞬態波前檢測的目的，其分光元件交叉光柵是一種普通的二維振幅光柵。如圖3-8所示，交叉光柵橫向剪切干涉瞬態波前檢測系統由干涉成像透鏡、交叉光柵、級次選擇窗口和CCD組成。在實際檢測過程中，帶有波前畸變的平行光經過干涉成像透鏡變為會聚光束射向交叉光柵，由于交叉光柵的分光作用光束會在x和y 方向上分立為多個衍射級次，位于光束焦平面上的級次選擇窗口可以將光束在x和y 方向上的±1級衍射光篩選出來，同時濾除掉其他級次的衍射光，最終這兩個方向上的±1級衍射光一共四個光斑會在CCD上發生干涉，形成如圖3-8所示的二維橫向剪切干涉圖。由于其是一個完全共路的干涉體系，所以檢測的重復性好、系統穩定，目前該干涉儀在大規模集成電路光刻系統的像差檢測中有重要的應用。

3.2.5 波帶片徑向剪切干涉儀

波帶片徑向剪切干涉儀由兩塊波帶片組成，如圖3-9所示。由于波帶片與透鏡不同，其對光束不僅具有會聚作用，部分光束還可以直接透過波帶片沿原路徑傳播。所以當被測波前經過波帶片1時，一部分光束Ⅰ被波帶片1會聚而另一部分光束Ⅱ則按原路通過波帶片。而到達下一個波帶片2時，光束Ⅰ按原路徑通過，光束Ⅱ則被波帶片2會聚。需要注意的是，光束Ⅰ和光束Ⅱ會聚在同一焦點上，但是由于它們的焦距不同，兩束光到達觀察面時的放大率也有所不同，由此形成了擴展波面及收縮波面，從而實現了徑向剪切干涉。波帶片徑向剪切干涉儀的優勢在于這兩塊波帶片處于同一條光路上，形成共路干涉，系統非常穩定；其次，波帶片的光束口徑小，結構非常緊湊，適合置于各種裝置上進行在線檢測。不過，波帶片徑向剪切干涉儀的難點在于制作形成徑向剪切干涉的專用波帶片。該波帶片須精心計算，在成像處理中也需要經歷非常嚴密的制作過程。

3.2.6 環形徑向剪切干涉儀

由于波帶片環形徑向剪切干涉中的波帶片加工較為困難，所以同樣能達到共路、不需要參考面、結構簡單的環形徑向剪切干涉體系在瞬態波前檢測中得到了更為廣泛的利用。圖3-10表示了環形徑向剪切干涉檢測系統的光路布局。

激光器經準直擴束系統產生平行光束，通過待測區域后將折射率的分布信息攜帶在其波前畸變中，經過分束鏡分束平行光將分為兩束光行進，其中透射光束即圖中的實線光束首先入射到反射鏡M1，再反射至反射鏡M2，經過伽利略望遠鏡系統后擴展為口徑更大的光束，經過分束鏡透射和成像透鏡成像后入射到CCD成像面，成為參與徑向剪切干涉的擴展光束；而經過分束鏡反射后的光束即圖中的虛線光束首先入射到伽利略望遠鏡系統，收縮為口徑較小的光束后經過反射鏡M2、反射鏡M1和分束鏡的依次反射，再經過成像透鏡成像后入射到CCD成像面上，成為參與徑向剪切干涉的收縮光束。擴展光束和收縮光束最終在CCD上產生徑向剪切干涉條紋。由于兩路光束沿完全相反的路徑行進，故環形徑向剪切干涉儀也可以看作為共路干涉系統，具有較高的抗干擾能力，保證了高噪音、高振動的環境下仍然能夠得到較為穩定的干涉條紋，從而確保了實驗結果的正確性。