为了抑制环境振动引入的测量误差,实现对球面光学元件面形的动态检测,提出了一种基于微偏振片阵列的反射式针孔点衍射干涉系统。该干涉系统使用短相干激光光源获得两束相干光,通过调节两束偏振光的光强比调节干涉条纹的对比度,利用集成微偏振片阵列CCD相机采集的单帧图像获得4幅相移干涉图,实现动态检测。用该干涉系统和ZYGO干涉仪测量同一凹面镜样品,得到的面形结果相吻合,验证了该干涉系统测量结果的准确性。在实验测量平台上外加电动机产生振动条件,结果表明,当振动速度小于16 μm/s时,都可得到较准确的面形测量结果,表明该干涉系统的抗振性能较好。

不同步数相移算法下被测件径向相移不均匀引入的误差不同,对测量的影响也将不同。基于点衍射干涉测量光路,构建了误差分析模型,以5、6、7和13步相移算法为例,对不同相移算法下被测件径向相移不均匀引入的移相误差进行了分析,并将该移相误差的影响引入到实际干涉测量模型中,进一步分析比较了该误差对最终面形检测结果的影响,进而提出了一种基于误差预估计的多项式误差校正新方法。研究结果表明,相移算法步数越多,被测件径向相移不均匀引入的面形检测误差越大,误差均呈类抛物面分布;最终面形检测结果经Zernike多项式拟合消离焦项后已等同于进行了二次多项式校正,对于数值孔径为0.3以下的被测件,经二次多项式校正后该误差对测量的影响基本可以忽略。

为瞬态测量大口径光学元件波前，提出一种基于斜入射结构的近红外反射式错位点衍射干涉原理的Φ400 mm瞬态波前检测方法。该方案将待测光分成两束互相错位的参考光与测试光，从而在干涉图中引入高线性载频，采集到对比度良好的干涉图后，利用傅里叶变换相位解调法从单幅干涉图中提取待测波前相位，实现瞬态波前动态测量。实验光路总长近20 m，极易受气流的影响，且由于气流干扰随时间变化，该系统本身可以看作是大口径光学元件瞬态波前发生与检测装置。测试结果与SID4 波前传感器比较，波前均方根（RMS）小于1/50 λ，可知所提方法可以实现大口径瞬态波前的高分辨率与高精度检测。

考虑有限距光学系统的成像质量与系统垂轴放大率相关, 本文提出了基于系统波像差检测的垂轴放大率测量方案。以给定的光学系统中像平面位置与物平面位置满足高斯公式和牛顿公式的原理为出发点, 通过系统波像差中离焦量的变化监控物点移动微小量后像点的移动距离。然后, 对牛顿公式或高斯公式微分导出轴向放大率, 最终求出系统垂轴放大率。建立了垂轴放大率测量模型, 给出物点的微小位移量和初始离焦量的选取标准, 并系统地分析了光学元件形位公差和像点定位精度对垂轴放大率测量结果的影响。搭建了基于点衍射干涉仪的微缩投影系统波像差检测平台, 测量了系统的垂轴放大率。 实验显示, 系统垂轴放大率的测量值与理论值的偏差优于0.24%, 验证了提出的垂轴放大率测量方法的可行性和理论分析的准确性。

利用马赫-曾德尔点衍射干涉仪，通过一幅干涉图，直接恢复激光模式的强度和相位信息，重建模式复振幅。在理论上分析了利用快速傅里叶变换的点衍射干涉法重建激光复振幅分布的原理；推导了激光模式在自由空间中传输时强度和相位的分布情况。将模拟的分布与实验结果做了比较，结果表明，点衍射干涉法可以恢复激光模式的强度和相位信息。

为了研究点衍射干涉仪中针孔的横向离焦与轴向离焦对衍射光的强度与衍射参考波面误差的影响，基于菲涅耳衍射理论，建立了会聚光束经针孔衍射的数学模型，提出了将针孔衍射光的强度与衍射波面误差相结合以分析针孔衍射波前的方法，并综合考虑了会聚光束F 数、针孔直径等参数的影响。研究表明：会聚光束F 数越大，衍射光强度与波面误差越小；横向离焦的距离应小于艾里斑半径与针孔半径之差；横向离焦的允许范围与波长和F 数成正相关，与针孔直径成负相关；当光束F=10 时，在0~35 mm 横向离焦范围内，直径1 mm 以内的针孔可以全程满足波面误差峰谷(PV)值优于0.1λ 的要求；可以通过调整轴向离焦来调整参考光的强度，并且针孔直径越小调整越灵敏；选择直径小于艾里斑半径的针孔可以保证衍射波前误差PV 值优于10-2 λ ，测试光的强度控制在针孔有效衍射光强的1/10附近。仿真结果为设计点衍射干涉仪和分析其精度提供了理论和数据参考。

建立了一种基于偏振掩膜板与环形共路结构的点衍射干涉仪, 通过旋转偏振片可以改变参考光与测试光之间的相对光强, 实现干涉条纹对比度的调节, 能够获得最高对比度的干涉条纹, 并且针对条纹对比度进行了详细的理论分析; 由于系统中线性载频幅度极易调节, 可以有效地改善傅里叶变换法的相位提取精度; 验证性实验被完成。

研制点衍射干涉仪时,小孔的形貌和装调误差会对衍射波前质量产生影响,故本文研究了采用相位复原对小孔衍射波前质量进行测评的方法。设计并搭建了衍射波前测试装置,对光纤衍射波前进行了测评实验。为了验证测试方法的有效性,分别对采集的衍射图像与重构的衍射图像,以及测试获得的振幅分布与理论计算获得的振幅分布进行了对比。结果显示。采集图像与重构图像之间的差异为0.32%,验证了采用相位复原技术进行衍射波前测试方法的有效性。同时,对干涉方法测量与相位复原结果进行了对比,二者差异仅为0.001 4λ RMS。

为了保留光纤点衍射干涉仪容易对准以及衍射光束易于控制的优点，同时又能实现大数值孔径(NA)光学系统的检测，设计了一种新型的波面参考源(WRS)，它保留了光纤点衍射和微孔点衍射的优点，可满足大NA极紫外光刻物镜系统波像差检测的要求。本文在分析各种误差的基础上，搭建了WRS原理光路并对WRS的系统误差标定算法进行详细的研究，得到WRS标定时旋转平台的角度公差为0.5°，跳径时偏离系数为0.5%。这一新型WRS误差分析及标定对于实现高精度的检测具有十分重要的意义，最终为实现WRS系统误差标定提供理论基础。