CN101371181A - 光束转向和采样设备及方法 - Google Patents

Abstract

在光(光学)束转向/采样系统中，使用矩阵变换控制技术来去耦合驱动转向反射镜的制动器的操作。该控制技术使用两个虚拟变量，每一个具有以非交叉耦合方式操作的相关联的独立的反馈环，每一个变量和两个转向反射镜之一相关联。

Description

光束转向和采样设备及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时申请，申请日为2006年1月20日，申请号为60/760,521的优先权，在此参考其全部内容。

技术领域

本发明公开的内容涉及光学领域，尤其涉及光学系统的控制方法和设备。

背景技术

控制典型是光束的电磁束在光学领域中是公知的。通常必需对光束的一部分采样以用于之后的控制目的。这典型地涉及到一些种类的探测器和反馈环。光束被典型地检测其偏移和角度。在现有技术中，举例而言，为了控制光束，当前在此系统中的透镜有时连同转向镜一起使用。典型地，举例而言，系统有两个转向镜和两个探测器。在已知的系统中，这种设置使得一个探测器只观察因第一转向镜的倾斜而引起的光束变化。但是之后发现仅仅基于第二转向镜的倾斜使第二探测器输出信号是不可能的。换句话说，这种设置有不受欢迎的反馈，使得反馈复杂化并且几乎不可能去除所有的交叉耦合(cross coupling)。举例而言，当输入光束的位置或角度发生变化时，这被第一探测器读取到的非零读数捕获而第二探测器的读数保持不变，第一转向镜将不得不移动以去除非零的读数。这导致输出光束角度的改变将会被第二探测器探测到，又会引起校正信号被施加到第二转向镜。即使系统仔细地调节以达到稳定，转向镜和探测器相对位置的改变也需要完全的重新调节，而且可能甚至会造成不可能的稳定调节的结构。特别地，基于被插入透镜的焦点长度只有在转向镜和探测器之间为一个特定的距离处放置一个探测器只能观察到因一个转向镜倾斜导致的变化的布置。这通常是一个复杂的系统，并且已经被不希望地证明几乎不可能去除它所有的错误，或者需要在应用场所重新配置，而这需要光学布局的改变。

发明内容

根据本发明，使用矩阵转换控制技术来解耦驱动光束转向/采样系统中的转向镜的致动器的操作。转向镜致动器的解耦允许进一步的校准技术以识别物理结构和重新配置结构的方法。校准更进一步允许对光束位置采样的固定采样模块放置在相对致动器的任意位置。因此，通过使用矩阵转换解耦控制，可能几乎去除所有错误的系统不仅能通过工厂调整提供，之后如果需要，也可以在现场校准。

根据本发明，两个虚拟变量被构造用于反馈控制的目的，每个变量与独立的反馈环关联，以非交叉耦合的方式操作。因此，这些变量的每一个都分别地被标识为一个并且只有一个转向镜，以使一个转向镜的状态的改变(例如，倾斜)不影响其他变量。因此，每个反馈环能独立地操作。虚拟变量一般不对应于光束指向和偏移，虽然其可以被用来计算所述的指向和偏移。

此系统可用于例如半导体制造的光刻设备，典型地提供紫外线形式的光束以曝光晶片上的抗蚀剂。这只是一个应用实例。当前的系统和方法可以应用在任何类型的准直光束处理包括例如激光(相干的)但不限于此。当前的方法和设备通常可用于具有连续或脉冲光束，红外线到紫外线的波长，较大或较小直径的光束的光学系统以及不同的系统结构。示例的应用包括波长多路复用技术和多路分解信号技术，能量分离和监控，光束测量和监控，激光切割，机械加工或外科手术，干涉测量，以及多通道光的管理。

附图说明

图1表示本发明的光学系统的一个例子的方框图。

图2表示使用两个反馈环的反馈控制方法的方框图。

图3表示图1系统的光轴。

具体实施方式

当前的光束转向采样系统，用于两受控平面之一，如图1所示。举例而言，其描述了在x—z平面中的系统。控制环(未显示)包括两个附加的致动器，每一个对应于一个转向镜，和两个附加的探测器，用于在y—z平面中相似的控制。简而言之，此描述将其本身限制到一个这样的平面，但扩展到另一个平面是常规的并且以在此描述的相同的方法完成。图1中所有的光学元件都是传统的并且适合安装在光具座(Optical bench)或其他的支承上。在一个具体实施例中，探测器Det1、Det2安装在与其他光学元件分开的单独支持元件上。在一个具体实施例中，Det1、Det2源于传统四分光电探测器的四个部分。也可以使用位置感应光电探测器或其他类型的光电探测器。转向镜是R1，R2，每个都被在图1中描述的平面中的适当的精密致动器A1，A2驱动。输入光束(所示的平行虚线描述其光束宽度)在输入平面内。还提供有光束分离器BS1，BS2。在输出平面处提供主光束(从探测器上的入射部分分开)。镜子R3被定位于引导光束到探测器Det2。如果在图1中定义距离A，B，C，D，E，F，G和H(其中D是光束分离器BS1和聚焦透镜L1之间沿光轴的距离，而D+F同样是光束分离器BS1和聚焦透镜L2之间的距离)，透镜U和透镜L2的焦距分别为f₁和f₂，反射角度到转移耦合系数T≡dz/dθ，并且转向镜R1和R2的角度为θ₁和θ₂，光束分别相对于光轴的位置和角度是Xout和θout，作为光束输入位置Xin和光束角度θin的函数通过下式给出：

$\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{out}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& A+B+C+H\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{in}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}\end{array}\right]+2\left[\begin{array}{cc}A+B-T+H& B-T+H\\ 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]$

同样地，在两个探测器的致动元件中的每一个处光束位置x₁，x₂通过下式给出：

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_1& {\mathrm{\β}}_1\\ {\mathrm{\α}}_2& {\mathrm{\β}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{in}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\γ}}_1& {\mathrm{\δ}}_1\\ {\mathrm{\γ}}_2& {\mathrm{\δ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right].$

其中：

${\mathrm{\α}}_1\≡1-\frac{E}{f_1},$

${\mathrm{\β}}_1\≡A+B+C+D+E(1-\frac{A+B+C+D}{f_1}),$

${\mathrm{\γ}}_1\≡2[A+B-T+D+E(1-\frac{A+B-T+D}{f_1})],$

${\mathrm{\δ}}_1\≡2[B-T+D+E(1-\frac{B-T+D}{f_1})],$

并且：

${\mathrm{\α}}_2\≡1-\frac{G}{f_2},$

${\mathrm{\β}}_2\≡A+B+C+D+F+G(1-\frac{A+B+C+D+F}{f_2}),$

${\mathrm{\γ}}_2\≡2[A+B-T+D+F+G(1-\frac{A+B-T+D+F}{f_2})],$

${\mathrm{\δ}}_1\≡2[B-T+D+F+G(1-\frac{B-T+D+F}{f_2})].$

如果定义两个新的变量，u和v，如下式：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_1{\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\γ}}_2{\mathrm{\δ}}_1}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\δ}}_2& -{\mathrm{\δ}}_1\\ -{\mathrm{\γ}}_2& {\mathrm{\γ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]$

$=M1\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right],$

那么：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_1{\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\γ}}_2{\mathrm{\δ}}_1}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\δ}}_1& {\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{\δ}}_1\\ -{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\γ}}_2+{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\γ}}_1& -{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\γ}}_2+{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{\γ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{in}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cc}M3A& M3B\\ M3C& M3D\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{in}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]$

而且可以使用与θ₂没有冲突的θ₁来控制u。同样地，能使用与θ₁没有冲突的θ₂来控制控制v。由此，u，v是通过两个转向镜控制的两个没有交叉耦合的虚拟变量。

以上等式对应于控制系统方框图，在图2中被显示。图2的控制系统接收作为输入的光束参数如x_in，θ_in。该控制系统通常以模拟电子电路实现，或通常以数字电路通过可编程微处理器或微控制器实现。根据本发明公开的内容给这种设备编程是常规的。图2中的每个方框或节点代表一个函数，带有的节点为求和节点。控制输出信号θ₁和θ₂通常被控制系统传输以用于驱动转向镜致动器，以此提供闭环反馈控制。因为控制环增益G_u(s)和G_v(s)远大于1，对于任意的x_in和θ_in都有u＝v≈0，且X_out＝θ_out≈0。

在另一个具体实施例中，控制环使用下列方法实现。通过下式给出对光束位置误差进行校正所需要的反射镜角度变化：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]=-M1\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{offset}}\\ v_{\mathrm{offset}}\end{array}\right],$

其中偏差(设定点)值由下式给出：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{offset}}\\ v_{\mathrm{offset}}\end{array}\right]=\frac{1}{2A}\left[\begin{array}{cc}-1& B+H\\ 1& A+B+H\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{offset}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{offset}}\end{array}\right],$

其中x_offset和θ_offset是所需要的光束位置和指在输出平面。这些偏差的最大值由探测器的可用的检测量程限制。镜子R1，和R2的角度变化(倾斜)被转换成致动器的驱动脉冲的估计数字，通过P#＝kLΔθ/k#给出，其中kL是全局增益常数，用来加速或减慢环，#是适当的致动器的占位符，并且k#是所述致动器的将致动器位置与向致动器驱动器提供的信号相关联的增益常数。

该光束采样系统中的误差的主要来源例如是：位置—传感探测器Det1、Det2的散粒噪声和约翰森噪声，用于数字化探测器输出信号的传统模数转换器(未显示)中的量化错误，温度改变时，光束采样系统的物理未对准，以及驱动镜子R1，R2的致动器A1，A2的最小增量运动。所有的这些误差来源可以被容易地引回到x₁和x₂，其将被加入到具有增益的u和v求和节点中：

$\frac{\mathrm{du}}{d{x}_1}=\frac{1}{2A}\frac{B-T+D+F+(1+M_2)(f_2-A-B+T-D-F)}{M_2{f}_1-M_1{f}_2+M_1{M}_2(f_1-f_2+F)},$

$\frac{\mathrm{du}}{d{x}_2}=-\frac{1}{2A}\frac{B-T+D+(1+M_1)(f_1-A-B+T-D)}{M_2{f}_1-M_1{f}_2+M_1{M}_2(f_1-f_2+F)},$

$\frac{\mathrm{dv}}{d{x}_1}=-\frac{1}{2A}\frac{A+B-T+D+F+(1+M_2)(f_2-A-B+T-D-F)}{M_2{f}_1-M_1{f}_2+M_1{M}_2(f_1-f_2+F)},$

$\frac{\mathrm{dv}}{d{x}_2}=\frac{1}{2A}\frac{A+B-T+D+(1+M_1)(f_1-A-B+T-D)}{M_2{f}_1-M_1{f}_2+M_1{M}_2(f_1-f_2+F)}.$

假定在x₁和x₂中相等并且独立波动δx，输出光束位置和角度中的波动δX_out和δθ_out，由下式给出：

$\mathrm{\δ}{x}_{\mathrm{out}}=2\sqrt{{[(A+B-T)\frac{\mathrm{du}}{d{x}_1}+(B-T)\frac{\mathrm{dv}}{d{x}_1}]}^2+{[(A+B-T)\frac{\mathrm{du}}{d{x}_2}+(B-T)\frac{\mathrm{dv}}{d{x}_2}]}^2}\mathrm{\δx},$

$\mathrm{\δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{out}}=2\sqrt{{[\frac{\mathrm{du}}{d{x}_1}+\frac{\mathrm{dv}}{d{x}_1}]}^2+{[\frac{\mathrm{du}}{d{x}_2}+\frac{\mathrm{dv}}{d{x}_2}]}^2}\mathrm{\δx},$

致动器的A1，A2最小步进的大小δZ_pico导致的输出误差和由下式给出：

${\mathrm{\δx}}_{\mathrm{out}}=2(A+B-T)\frac{{\mathrm{\δz}}_{\mathrm{pico}}}{d_{\mathrm{MM}}},$

${\mathrm{\δ\θ}}_{\mathrm{out}}=2\sqrt{2}\frac{{\mathrm{\δz}}_{\mathrm{pico}}}{d_{\mathrm{MM}}},$

其中d_MM是在致动器的螺杆和光学元件中心之间的杠杆臂。致动器是例如驱动的螺杆，例如Picomotor^TM，New Focus公司出售的压电致动器。最后，输出对分量BS1，BS2，R3，L1，L2，Det1和Det2的扭矩和转移敏感。假定光束采样系统的温度均匀，这些误差可以忽略。然而，光束通过每个光束分离器BS1和BS2被转移一个距离d_BS：

$d_{\mathrm{BS}}=t_{\mathrm{BS}}\sin \mathrm{\φ}(1-\frac{\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\φ}}{n_{\mathrm{FS}}\sqrt{{n_{\mathrm{FS}}}^2-{\sin }^2\mathrm{\φ}}}),$

其中t_BS是每个光束分离器的厚度，Φ是入射光束的角度，n_FS是光束分离器的材料的折射系数。该转移随周围温度的改变而变化：

$\frac{{\mathrm{dd}}_{\mathrm{BS}}}{\mathrm{dT}}=d_{\mathrm{BS}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{FS}}+\frac{t_{\mathrm{BS}}\cos \mathrm{\φ}{\sin }^2\mathrm{\φ}}{\sqrt{{n_{\mathrm{FS}}}^2-{\sin }^2\mathrm{\φ}}}(\frac{1}{{n_{\mathrm{FS}}}^2}+\frac{1}{{n_{\mathrm{FS}}}^2-{\sin }^2\mathrm{\φ}})\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{FS}}}{\mathrm{dT}},$

其中α_FS是光束分离器材料的热膨胀系数，导致的误差为：

${\mathrm{\δx}}_{\mathrm{out}}=[1+2(A+B-T)\frac{\mathrm{du}}{d{x}_2}+2(B-T)\frac{\mathrm{dv}}{d{x}_2}]\frac{{\mathrm{dd}}_{\mathrm{BS}}}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔT},$

${\mathrm{\δ\θ}}_{\mathrm{out}}=2(\frac{\mathrm{du}}{d{x}_2}+\frac{\mathrm{dv}}{{\mathrm{dx}}_2})\frac{{\mathrm{dd}}_{\mathrm{BS}}}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔT}.$

峰值系统温度变化了

将x₁和x₂关联于u和v的矩阵变换可以在系统制造时被设置，但是装配中即使是很小的变化也会在反馈环之间引入很大的交叉耦合。因此，可以使用原位的校准程序，但是这不是被要求的。校准通过使得x₁和x₂归零开始(或至少验证光束在位置探测器Det1、Det2的线性范围内)，并且施加给定的角度变化到每个转向镜R1，R2，分别为

控制系统将会记录四个量：因θ₁改变而引起的x₁的改变

因θ₁改变而引起的x₂的改变

因θ₂改变而引起的x₁的改变

因θ₂改变而引起的x₂的改变

现在校准矩阵可通过下式计算：

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{{\mathrm{\Δx}}_{11}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_1},$

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{{\mathrm{\Δx}}_{12}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_2},$

${\mathrm{\γ}}_2=\frac{{\mathrm{\Δx}}_{21}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_1},$

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{{\mathrm{\Δx}}_{22}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_2},$

以及如上面的：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_1{\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\γ}}_2{\mathrm{\δ}}_1}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\δ}}_2& -{\mathrm{\δ}}_1\\ -{\mathrm{\γ}}_2& {\mathrm{\γ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right].$

校准程序可合并过滤，即多次改变角度和对结果求平均值，并且递归，即使用反馈环在校准尝试之间使u和v归零。

一旦系统被安装并且校准，并且位置和角度偏差设置为零，输出光束将会被驱向光轴，X_out＝θ_out＝0。光轴由探测器Det1、Det2的物理位置定义，如透镜L1，L2的成像，并且如图3所示。图3表示光轴被定义为穿过两个探测器中心I₁和I₂的图像的直线。如果透镜和探测器的相关位置上的对准容限为

光束图像的位置将会被偏移：

其中假定放大倍率M＝M₁＝M₂。这些偏移量将会在输出平面导致最大的位置和角度变化，和

由下式给出：

${\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{axis}}=\frac{{\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{align}}}{M}-[A+B+C-f_1(1+\frac{1}{M})]{\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{axis}},$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{axis}}=\frac{2{\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{align}}}{(1+M)(f_1-f_2)}.$

当前系统和控制信号处理造成两个独立的满足高性能需求的反馈环。上述的场校准可以在安装之后执行并且之后可以定期地执行。

本发明公开的内容包括两个轴(两个转向镜分别有一个轴)中的控制。光束指向和转移系统(第二轴在两个转向镜的每一个上)的第三轴和第四轴的下面程序是相同的。整个效果是对于转向镜的两个倾斜轴，同时产生两个控制环用于u₁，v₁和u₂，v₂。在此公开的内容中，致动器A1，A2如图所示被平行设置，但这并不是受限制的。致动器的上述的校准程序和/或软件控制可以用于映射致动器(两个，或四个包括用于转向镜的第二轴的那些)到四个控制变量u₁，v₁和u₂，v₂中的每一个。

在此公开的内容是用于说明而不是用于限制；本领域技术人员参照本发明公开的内容而做出进一步的改进将会是显而易见的，并且落在附加的权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

第一转向反射器，光束入射在其上；

第二转向反射器，从第一转向反射器反射的光束入射在其上；

第一光束分离器，从第二转向反射器反射的光束入射在其上；

第二光束分离器，从第一光束分离器反射的光束入射在其上；

第一探测器，从第一光束分离器反射的光束入射在其上；以及

第二探测器，被第二光束分离器透射的光束入射在其上；

其中为这两个探测器的输出信号的函数的第一值指示第一转向反射器的状态，而为这两个探测器的输出信号的函数的第二值指示第二转向反射器的状态。

2.如权利要求1的设备，进一步包括耦合在探测器和转向反射器之间的控制器，由此该控制器响应于第一值和第二值而分别地改变第一和第二转向反射器的状态。

3.如权利要求1的设备，其中每一个转向反射器包括耦合到致动器的反射器。

4.如权利要求3的设备，其中每个转向反射器具有耦合到反射器的第二致动器以使该反射器倾斜到一个基本上垂直于第一致动器使所述反射器倾斜的方向的方向。

5.如权利要求1的设备，其中被第一光束分离器透射的光束被导出所述设备。

6.如权利要求1的设备，进一步包括定位成反射被第二光束分离器透射到第二探测器的光束的第三反射器。

7.如权利要求2的设备，其中该控制器包括两个控制环，一个控制环与第一值和第二值中的一个相关联。

8.如权利要求1的设备，其中第一值和第二值的每一个都是入射到所述设备上的光束的偏移和角度的函数。

9.如权利要求2的设备，其中该控制器包括用于校正所述设备的装置。

10.如权利要求1的方法，进一步比较定位成将光束聚焦到第一探测器的第一透镜和定位成将光束聚焦到第二探测器的第二透镜。

11.一种操作具有两个转向反射器的光学设备的方法，包括步骤：

将连续地从两个转向反射器反射的光束分离；

将分光束分离为两个部分；

检测二次分光束的第一部分；

检测二次分光束的第二部分；

获取来自两次检测步骤中的为输出信号的函数的第一值，该第一值指示第一转向反射器的状态；以及

获取来自两次检测步骤中的为输出信号的函数的第二值，该第二值指示第二转向反射器的状态。

12.如权利要求11的方法，进一步包括步骤：

响应于第一值和第二值分别地控制第一和第二转向反射器的状态。

13.如权利要求11的方法，进一步包括通过致动器改变每个转向反射器的状态的步骤。

14.如权利要求13的方法，进一步包括提供与每个转向反射器相关联的第二致动器以使转向反射器倾斜到垂直于第一致动器使所述反射器倾斜的方向的方向。

15.如权利要求11的方法，进一步包括将从第一分光步骤中分离的光束的一部分向外导出的步骤。

16.如权利要求11的方法，进一步包括在检测二次分光光束之前将该二次分光光束的第二部分反射的步骤。

17.如权利要求12的方法，所述控制包括：

提供两个控制环，一个控制环与第一值和第二值中的一个相关联。

18.如权利要求11的方法，其中第一值和第二值的每一个都是入射到第一转向反射器的光束的偏移和角度的函数。

19.如权利要求11的方法，进一步包括校正光学设备的步骤。

20.如权利要求11的方法，进一步包括在检测光束之前聚焦该光束的步骤。

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