3.2 剪切干涉仪

常用的剪切干涉仪包括横向剪切干涉仪和径向剪切干涉仪。传统迈克尔逊干涉仪或者菲索干涉仪实际上都利用了被测光束与参考光束之间的干涉，在干涉检测的过程中，需要引入高精度的参考平面或球面来产生参考光束。而剪切干涉仪是将同一束光经过横向偏移或径向缩放等变换后与自身发生干涉，相对于传统干涉仪优势在于其在不引入高精度参考平面的情况下也可以实现高精度的波前检测。下面将介绍剪切干涉仪中几种常见的共路干涉仪光路。

3.2.1 平行平板横向剪切干涉仪

基于平行平板的横向剪切干涉仪由Murty提出，在定性的像差检测尤其是准直扩束系统的装调中具有广泛的应用。图3-5为基于平行平板的横向剪切干涉仪。其主要构成为一块平行平板或者有一定楔角的平板。在实际检测中，将待测的平行光束入射在这块透明平板上，光束入射到平板前表面时将有一部分光被反射，而透过的光束继续入射到平板的后表面，此时又有一部分光被反射。由于透明平板的反射率很低，所以经前后表面反射的光强基本一致，可以产生对比度较好的干涉条纹。由于透明平板具有一定的厚度，所以平板前后表面反射回来的光束间也会引入一定的横向位移，形成横向剪切干涉条纹。和传统干涉仪中利用参考光束和被检光束发生干涉的原理不同，该条纹的解读相对而言也更加复杂。

3.2.2 萨瓦偏振镜干涉仪

萨瓦分束镜在横向剪切干涉仪检测光学系统像差中被广泛应用，萨瓦偏振镜干涉仪由Francon和Jordery在1953年所设计的光路中提出。如图3-6所示，点光源S经过被检透镜L后成像于S＇。从S＇发散的光通过透镜L1准直后平行经过萨瓦偏振镜Q。萨瓦偏振镜Q由两个完全相同的单轴晶体片组成，两个晶片的主截面(包含晶体光轴和晶片法线的平面)彼此交错，其布局使得第二个晶片相对于第一个晶片转过90°，由此经过两个晶片的寻常光(o光)和非寻常光(e光)光束的行进分别为光线EO及OE，即在两晶片中寻常光和非寻常光互换。由于出射的两光束偏振方向垂直，所以在萨瓦偏振镜Q后还需放置检偏器形成干涉。如果入射光束为自然光，则在Q前还需放置起偏器。透镜L1和L2共同组成了一个低倍的显微镜，并调焦于被检透镜L上。如果L是理想透镜，透镜L1与L2之间的光束波前即为平面，则由萨瓦偏振镜Q产生的寻常光(o光)和非寻常光(e光)波前之间有相同的光程差。在透镜L2的焦平面上观察时，全视场应为均匀一片色。而在透镜L存在像差的情况下，透镜L1和L2之间的光束波前将会产生畸变，同时观察面上的光强也就不再均匀。若存在很大的像差，则可以在成像面上观察到干涉条纹，并且像差的种类和大小可以从干涉条纹的变化信息中获得。

3.2.3 渥拉斯顿棱镜干涉仪

上述萨瓦偏振镜干涉仪也可以采用渥拉斯顿棱镜替代萨瓦分束器，从而引申出渥拉斯顿棱镜干涉仪。在萨瓦偏振镜干涉仪中，光源的尺寸受到很大的限制。如果将光路设计为光两次通过渥拉斯顿棱镜，则光源尺寸可以大幅增加，如图3-7所示。光源S成像在渥拉斯顿棱镜W上的S＇点，该点位于被检凹面镜M的曲率中心附近。成像透镜L使凹面镜M成像于成像面M＇上。通常还需要两个偏振片P使得该系统更加完善，一个置于反射镜m和渥拉斯顿棱镜W之间，另外一个置于渥拉斯顿棱镜W和成像透镜L 之间。当两个偏振片的角度相一致，采用一个放置在渥拉斯顿棱镜W和成像透镜L之间且覆盖渥拉斯顿棱镜全部口径的偏振片也可以满足要求。如果被检凹面镜M为理想反射镜，即S＇和S″对称于渥拉斯顿棱镜中央条纹放置，则两束干涉光的光程差为0，因此当两个偏振片的偏振方向垂直放置时，背景呈现均匀一片黑色，而两偏振片偏振方向平行时背景则为均匀全亮。当被检凹面镜含有较大像差时，可以在成像面M＇上观察到干涉条纹，此时条纹的背景光强可以通过垂直于条纹方向移动渥拉斯顿棱镜W进行调整。

3.2.4 交叉光栅横向剪切干涉仪

交叉光栅横向剪切干涉仪(cross grating lateral shearing interferometer, CGLSI)利用二维交叉光栅的四个衍射级次之间发生横向剪切干涉，从而实现共路干涉瞬态波前检测的目的，其分光元件交叉光栅是一种普通的二维振幅光栅。如图3-8所示，交叉光栅横向剪切干涉瞬态波前检测系统由干涉成像透镜、交叉光栅、级次选择窗口和CCD组成。在实际检测过程中，带有波前畸变的平行光经过干涉成像透镜变为会聚光束射向交叉光栅，由于交叉光栅的分光作用光束会在x和y 方向上分立为多个衍射级次，位于光束焦平面上的级次选择窗口可以将光束在x和y 方向上的±1级衍射光筛选出来，同时滤除掉其他级次的衍射光，最终这两个方向上的±1级衍射光一共四个光斑会在CCD上发生干涉，形成如图3-8所示的二维横向剪切干涉图。由于其是一个完全共路的干涉体系，所以检测的重复性好、系统稳定，目前该干涉仪在大规模集成电路光刻系统的像差检测中有重要的应用。

3.2.5 波带片径向剪切干涉仪

波带片径向剪切干涉仪由两块波带片组成，如图3-9所示。由于波带片与透镜不同，其对光束不仅具有会聚作用，部分光束还可以直接透过波带片沿原路径传播。所以当被测波前经过波带片1时，一部分光束Ⅰ被波带片1会聚而另一部分光束Ⅱ则按原路通过波带片。而到达下一个波带片2时，光束Ⅰ按原路径通过，光束Ⅱ则被波带片2会聚。需要注意的是，光束Ⅰ和光束Ⅱ会聚在同一焦点上，但是由于它们的焦距不同，两束光到达观察面时的放大率也有所不同，由此形成了扩展波面及收缩波面，从而实现了径向剪切干涉。波带片径向剪切干涉仪的优势在于这两块波带片处于同一条光路上，形成共路干涉，系统非常稳定；其次，波带片的光束口径小，结构非常紧凑，适合置于各种装置上进行在线检测。不过，波带片径向剪切干涉仪的难点在于制作形成径向剪切干涉的专用波带片。该波带片须精心计算，在成像处理中也需要经历非常严密的制作过程。

3.2.6 环形径向剪切干涉仪

由于波带片环形径向剪切干涉中的波带片加工较为困难，所以同样能达到共路、不需要参考面、结构简单的环形径向剪切干涉体系在瞬态波前检测中得到了更为广泛的利用。图3-10表示了环形径向剪切干涉检测系统的光路布局。

激光器经准直扩束系统产生平行光束，通过待测区域后将折射率的分布信息携带在其波前畸变中，经过分束镜分束平行光将分为两束光行进，其中透射光束即图中的实线光束首先入射到反射镜M1，再反射至反射镜M2，经过伽利略望远镜系统后扩展为口径更大的光束，经过分束镜透射和成像透镜成像后入射到CCD成像面，成为参与径向剪切干涉的扩展光束；而经过分束镜反射后的光束即图中的虚线光束首先入射到伽利略望远镜系统，收缩为口径较小的光束后经过反射镜M2、反射镜M1和分束镜的依次反射，再经过成像透镜成像后入射到CCD成像面上，成为参与径向剪切干涉的收缩光束。扩展光束和收缩光束最终在CCD上产生径向剪切干涉条纹。由于两路光束沿完全相反的路径行进，故环形径向剪切干涉仪也可以看作为共路干涉系统，具有较高的抗干扰能力，保证了高噪音、高振动的环境下仍然能够得到较为稳定的干涉条纹，从而确保了实验结果的正确性。