CN102297759A - 基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法，具体步骤为：步骤一、在扩束准直系统出射光束的光路上依次设置一维位相光栅和光电探测单元；步骤二、采集对应0、π/2、π、3π/2相移的x方向剪切干涉图

采集对应0、π/2、π、3π/2相移的y方向剪切干涉图步骤三、根据x方向剪切干涉图

和y方向剪切干涉图

获取扩束准直系统的波面像差。本发明所述方法可以消除±3级及±3的倍级衍射光的影响，使得所形成的干涉光波主要集中在±1级衍射光中，从而提高了检测精度。

Description

基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法。

背景技术

激光器发出的光束虽然具有很好的方向性，但是仍然存在一定的发散角。现有通常采用扩束准直系统来改善其方向性，即将扩束准直系统设置于激光前进的光路上，利用其压缩激光器发出光束的发散角且扩大光束尺寸，此过程就称为激光光束的扩束准直。激光光束的扩束准直在光学精密测量方面及光学成像方面均具有广泛地应用。在光学成像方面，激光扩束准直是激光直写光刻技术中的重要技术，激光光束经过扩束准直系统后光波的像质将直接影响到激光直写的效果，即直接影响激光直写光刻的成像性能，为此，必须对扩束准直系统的波面像差进行检测、校正及控制，从而保证激光直写光刻的高质量的曝光成像。

目前，在光学检测技术领域中，主要采用哈特曼法和五棱镜扫描法实现对扩束准直系统的波面像差检测。但上述两种方法都存在着不足，针对于哈特曼法：一方面由于其采用较低波面采样能力的阵列孔径进行波面采样，因此影响了待测波面的检测精度；另一方面由于哈特曼板制作难度大，加工工艺限制了哈特曼板的尺寸，从而使其难以测量口径较大的光束。针对于五棱镜扫描法：本质上是一种串行的哈特曼法，其通过五棱镜扫描整个待测光波波面实现对待测波面的检测；由于五棱镜面型误差及角度制造误差会对待测波面产生影响，进而影响待测波面的检测精度，为此对五棱镜的加工要求很高，导致加工难度大、成本高。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法，该方法可以消除±3级及±3的倍级衍射光的影响，使得所形成的干涉光波主要集中在±1级衍射光中，从而提高了检测精度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法，具体步骤为：

步骤一、在扩束准直系统出射光束的光路上依次设置一维位相光栅和光电探测单元；并设定扩束准直系统出射光束的传播方向为z轴，并以z轴建立左手坐标系，则水平方向为x轴，竖直方向y轴；

其中，一维位相光栅上相邻透光部分设置不同的刻蚀深度使透过相邻透光部分的光波存在180°相位差；同时，两相邻透光部分之间的非透光部分的宽度为p/6，透光部分的宽度为p/3，p为一维位相光栅的周期；且为了保证光电探测单元对剪切干涉图的采样，设定p≥16β，β为光电探测单元203的像元尺寸；

步骤二、旋转一维位相光栅，使光栅线条与y轴平行，进一步控制一维位相光栅使其沿x轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4，图像探测单元依次采集对应0、π/2、π、3π/2相移的x方向剪切干涉图

旋转一维位相光栅，使光栅线条与x轴平行，进一步控制一维位相光栅使其沿y轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4，图像探测单元依次采集对应0、π/2、π、3π/2相移的y方向剪切干涉图

步骤三、根据x方向剪切干涉图

和y方向剪切干涉图

获取扩束准直系统的波面像差。

本发明所述步骤二进一步包括当检测波面像差较小的扩束准直系统时，调节一维位相光栅使其沿z轴向靠近光电探测单元方向移动；当检测波面像差较大的扩束准直系统时，调节单元一维位相光栅使其沿z轴向远离光电探测单元方向移动。

本发明所述获取扩束准直系统的波面像差的具体步骤为：

步骤401、对剪切干涉图

和进行傅里叶变换，获得

和

的频谱分布；并进一步从

和

的频谱分布中分别获取x，y方向的+1级频谱的中心坐标

和的值；

步骤402、利用值获得x方向的仅含载波位相分布

利用值获得y方向的仅含载波位相分布

步骤403、根据x方向剪切干涉图及y方向剪切干涉图

得到x方向含有载波位相

的包裹位相

和y方向含有载波位相的包裹位相

利用位相展开技术对x、y方向的包裹位相

和

进行解包裹处理，获得x方向含有载波位相

的差分位相

和y方向含有载波位相

的差分位相

步骤404、利用位相减去载波位相

获得x方向差分待测位相Φ^x，利用差分位相

减去载波位相

获得y方向差分待测位相Φ^y；

步骤405、利用基于差分泽尼克的波面重构技术对x，y方向的差分波位相Φ^x和Φ^y进行重构，此时可以获得用37项泽尼克系数及其对应泽尼克多项式的线性组合表示的待测波面，其中，37项泽尼克系数的大小表示波面像差。

本发明所述步骤405进一步利用波面像差中表示离焦像差的第4项泽尼克系数获取扩束准直波面的曲率半径为及光波发散角。

有益效果

本发明采用在一维位相光栅的相邻透光部分设置不同的刻蚀深度使相邻透光部分的透过光波存在180°相位差；同时，两相邻透光部分之间的非透光部分的宽度为p/6，透光部分的宽度为p/3，p为一维位相光栅的周期，使得一维位相光栅对扩束准直系统出射的光波进行横向剪切后，消除±3级及±3的倍级衍射光的影响，所形成的干涉波光的能量主要集中在±1级衍射光波中，消除了其他倍数级衍射光波对波面像差检测的影响，从而提高了检测精度。

其次，本发明通过调节一维位相光栅和光电探测单元的间距，对于检测波面像差较小的扩束准直系统时，增大上述间距，以实现高检测灵敏度；对于检测波面像差较大的扩束准直系统时，减小上述间距，以实现较大的动态检测范围。因此本检测方法使用灵活，可适应于不同的扩束准直系统。

再次，相对于现有的扩束准直系统的波面像差检测技术，本检测方法采用一维位相光栅对光波进行剪切，并利用各相移在x方向剪切干涉图和y方向剪切干涉图计算获取波面像差，检测过程简单。

附图说明

图1为本发明检测方法的流程图。

图2为本发明一维位相光栅的结构示意图。

图3为本发明水平方向剪切波面示意图。

图4为本发明竖直方向剪切波面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明一种基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法，如图1所示，具体步骤为：

步骤一、在扩束准直系统出射光束的光路上依次设置一维位相光栅和光电探测单元；并设定扩束准直系统出射光束的传播方向为z轴，并以z轴建立左手坐标系，则水平方向为x轴，竖直方向y轴；

其中，一维位相光栅上相邻透光部分设置不同的刻蚀深度使透过相邻透光部分的光波存在180°相位差；同时，两相邻透光部分之间的非透光部分的宽度为p/6，透光部分的宽度为p/3，p为一维位相光栅的周期；且为了保证光电探测单元对剪切干涉图的采样，设定p≥16β，β为光电探测单元203的像元尺寸。

如图2所示，黑色条纹表示非透光部分，白色条纹和灰色条纹表示透光部分；其中通过白色透光部分光线的相位为0°，通过灰色透光部分光线的相位为180°。

结合附图2对本发明所采用的一维位相光栅理论分析如下：

设x方向一维位相光栅的周期为p，透光部分的宽度为a，假设

其中，l为设定常数。

则x方向一维位相光栅的复振幅透射系数f(x)可以表示为公式(1)：

$f\left(x\right)=f^{\′}\left(x\right)\⊗\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(\frac{x}{p}-m)---\left(1\right)$

其中，

m为一维位相光栅衍射光的级次；

表示卷积运算，θ表示灰色透光部分光线的相位。

对公式(1)进行傅里叶变换得到x方向一维位相光栅的衍射光强度分布如公式(2)：

$I=\frac{4}{{\mathrm{\π}}^2}{\left|\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m}\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}+\mathrm{\πm}}{2}\right)\sin \left(\frac{\mathrm{\πml}}{2}\right)\right|}^2---\left(2\right)$

从公式(2)中可以看出：当相邻透光部分的相位差θ＝180°，此时一维位相光栅衍射的0级及所有偶数级次衍射光均消失；当l＝2/3，即a＝p/3时，一维位相光栅衍射的±3级及±3的倍级衍射光均消失，一维位相光栅将入射的光波主要衍射成±1级衍射光。因此采用上述设计得到的一维位相光栅可以将来自扩束准直系统的光波主要衍射成±1级衍射光。

步骤二、旋转一维位相光栅，使光栅线条与y轴平行，扩束准直系统出射的光波经过一维位相光栅产生的±1级衍射光干涉形成x方向的剪切干涉图；进一步控制一维位相光栅使其沿x轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4，光电探测单元依次采集对应0、π/2、π、3π/2相移的x方向剪切干涉图

旋转一维位相光栅，使光栅线条与x轴平行；扩束准直系统的出射光波经过一维位相光栅产生的±1级衍射光干涉形成y方向的剪切干涉图；进一步控制一维位相光栅使其沿y轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4，光电探测单元依次采集对应0、π/2、π、3π/2相移的y方向剪切干涉图

为了适应具有不同波面像差的扩束准直系统所述步骤二可以进一步对一维位相光栅与光电探测单元之间的距离进行调节。当检测波面像差较小的扩束准直系统时，调节一维位相光栅使其沿z轴向靠近光电探测单元方向移动，用于提高所述检测装置的灵敏度；当检测波面像差较大的扩束准直系统时，调节一维位相光栅使其沿z轴向远离光电探测单元方向移动，用于增大所述检测装置的动态检测范围。

上述提高灵敏度以及增大动态检测范围的具体理论论述如下：

剪切比是剪切干涉仪的一种重要参数，小的剪切比可以实现大的动态检测范围，大的剪切比又可以实现高的检测灵敏度。所述剪切比为剪切量与扩束准直系出射的光波的直径之比，如公式(3)

δ＝s/D    (3)

其中，s为水平方向或竖直方向两剪切干涉波面间的剪切量，D为准直扩束系统出射光束的直径大小。

本检测方法中剪切比如公式(4)

δ＝2λd/pD     (4)

其中，λ为激光光源发出光波的波长；d为一维位相光栅到光电探测单元之间的距离。从公式中可以看出，在扩束准直系统出射光束直径D以及一维位相光栅周期p一定时，则剪切比δ随着一维位相光栅到光电探测单元2的间距d呈线性变化，从而实现剪切比δ的连续可调，从而本检测方法可以通过改变剪切比实现高的检测灵敏度及大的检测动态范围。

针对于大的剪切比可以实现高的检测灵敏度的原理如下：以x方向剪切干涉原理为例，假设来自扩束准直系统的光波的波面像差为w(x，y)，则±1级衍射光干涉的位相差可以表示为：其中

为±1级衍射光引入的载波位相，

为x方向剪切干涉图的载波频率，

为待测波面像差在x方向的微分。当检测的扩束准直系统的波面像差w(x，y)在x方向上变化较小时，即

较小时，利用调节一维位相光栅的z轴位置，实现增大一维位相光栅到光电探测单元之间的距离d，从而增大一维位相光栅相移剪切干涉仪的剪切比δ，因此本发明检测方法通过增大剪切比δ，实现对小像差的扩束准直系统的波面检测，即提高本发明检测方法的检测灵敏度。

针对于小的剪切比可以实现大的动态检测范围的原理如下：以x方向剪切干涉原理为例，假设来自扩束准直系统的光波的波面像差为w(x，y)，则±1级衍射光干涉的位相差可以表示为：其中

为±1级衍射光引入的载波位相，

为x方向剪切干涉图的载波频率，

为待测波面像差在x方向的微分。当检测的扩束准直系统的波面像差w(x，y)在x方向上变化较大时，即较大时，利用调节一维位相光栅的z轴位置，实现减小一维位相光栅到光电探测单元之间的距离d，从而减小一维位相光栅相移剪切干涉仪的剪切比δ，由于针对于每一剪切干涉仪，其所检测的位相差的最大值是相对固定的，因此本发明检测方法通过减小剪切比δ使得其具有大的动态检测范围。

步骤三、根据x方向剪切干涉图

和y方向剪切干涉图

获取扩束准直系统的波面像差。其中获取上述波面像差的方法有多种，本发明采用如下步骤获取：

步骤401、对剪切干涉图

和

进行傅里叶变换，获得

和

的频谱分布；并进一步从和

的频谱分布中分别获取x，y方向的+1级频谱的中心坐标

和

的值。

步骤402、利用

值获得x方向的仅含载波位相分布为

利用值获得y方向的仅含载波位相分布为

步骤403、根据x方向剪切干涉图

及y方向剪切干涉图得到x方向含有载波位相

的包裹位相

和y方向含有载波位相

的包裹位相

利用位相展开技术对x、y方向的包裹位相和进行解包裹处理，获得x方向含有载波位相

的差分位相和y方向含有载波位相的差分位相

步骤404、利用位相

减去载波位相

获得x方向差分待测位相Φ^x，利用差分位相减去载波位相

获得y方向差分待测位相Φ^y。

步骤405、利用基于差分泽尼克的波面重构技术对x，y方向的差分波位相Φ^x和Φ^y进行重构，此时可以获得用37项泽尼克系数及其对应泽尼克多项式的线性组合表示的待测波面，其中，37项泽尼克系数的大小表示波面像差。根据波面像差与扩束准直系统失调量之间的灵敏度矩阵关系，获得扩束准直系统的失调量，并根据此失调量值对扩束准直系统进行校正。

本发明可进一步利用波面像差中表示离焦像差的第4项泽尼克系数获取扩束准直波面的曲率半径为及光波发散角。假设扩束准直系统待测波面的直径为ξ，离焦像差大小为σ，扩束准直波面的曲率半径为R，光波发散角为

则根据公式σ＝1/2R和

可以获得扩束准直系统的波面曲率半径为R及波面的发散角

其中，离焦像差为波面像差的一个参量。可以根据波面曲率半径对扩束准直系统的出射的光波进行判断，例如当波面曲率半径为无穷大时，则判定扩束准直系统的出射光波为平行平面波。

虽然结合了附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、在扩束准直系统出射光束的光路上依次设置一维位相光栅和光电探测单元；并设定扩束准直系统出射光束的传播方向为z轴，并以z轴建立左手坐标系，则水平方向为x轴，竖直方向y轴；

其中，一维位相光栅上相邻透光部分设置不同的刻蚀深度使透过相邻透光部分的光波存在180°相位差；同时，两相邻透光部分之间的非透光部分的宽度为p/6，透光部分的宽度为p/3，p为一维位相光栅的周期；且为了保证光电探测单元对剪切干涉图的采样，设定p≥16β，β为光电探测单元203的像元尺寸；

步骤二、旋转一维位相光栅，使光栅线条与y轴平行，进一步控制一维位相光栅使其沿x轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4，图像探测单元依次采集对应0、π/2、π、3π/2相移的x方向剪切干涉图

旋转一维位相光栅，使光栅线条与x轴平行，进一步控制一维位相光栅使其沿y轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4，图像探测单元依次采集对应0、π/2、π、3π/2相移的y方向剪切干涉图

步骤三、根据x方向剪切干涉图

和y方向剪切干涉图

获取扩束准直系统的波面像差。

2.根据权利要求1所述的波面像差检测方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括当检测波面像差较小的扩束准直系统时，调节一维位相光栅使其沿z轴向靠近光电探测单元方向移动；当检测波面像差较大的扩束准直系统时，调节单元一维位相光栅使其沿z轴向远离光电探测单元方向移动。

3.根据权利要求1所述的波面像差检测方法，其特征在于，所述获取扩束准直系统的波面像差的具体步骤为：

步骤401、对剪切干涉图

和

进行傅里叶变换，获得和

的频谱分布；并进一步从

和

的频谱分布中分别获取x，y方向的+1级频谱的中心坐标

和

的值；

步骤402、利用

值获得x方向的仅含载波位相分布

利用值获得y方向的仅含载波位相分布

步骤403、根据x方向剪切干涉图

及y方向剪切干涉图

得到x方向含有载波位相

的包裹位相

和y方向含有载波位相

的包裹位相

利用位相展开技术对x、y方向的包裹位相

和

进行解包裹处理，获得x方向含有载波位相

的差分位相

和y方向含有载波位相

的差分位相

步骤404、利用位相

减去载波位相

获得x方向差分待测位相Φ^x，利用差分位相

减去载波位相

获得y方向差分待测位相Φ^y；

步骤405、利用基于差分泽尼克的波面重构技术对x，y方向的差分波位相Φ^x和Φ^y进行重构，此时可以获得用37项泽尼克系数及其对应泽尼克多项式的线性组合表示的待测波面，其中，37项泽尼克系数的大小表示波面像差。

4.根据权利要求1所述的波面像差检测方法，其特征在于，所述步骤405进一步利用波面像差中表示离焦像差的第4项泽尼克系数获取扩束准直波面的曲率半径为及光波发散角。

Images