CN102607719B - 基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测装置 - 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装置，包括一维位相光栅、调节单元、光电探测单元、存储单元以及信号处理单元；其中，一维位相光栅和光电探测单元依次设于扩束准直系统出射光束的光路上，且一维位相光栅位于扩束准直系统和光电探测单元之间；一维位相光栅上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；设定p≥16β，β为光电探测单元的像元尺寸。本发明检测装置可消除±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。

Description

基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测装置

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装置。 

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基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测装置，该检测装置可以消除±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装置，包括一维位相光栅、调节单元、光电探测单元、存储单元以及信号处理单元;其中，一维位相光栅和光电探测单元依次设于扩束准直系统出射光束的光路上，且一维位相光栅位于扩束准直系统和光电探测单元之间; 

一维位相光栅用于实现对扩束准直系统出射光波的横向剪切;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;设定p≥16β，β为光电探测单元的像元尺寸; 

调节单元与一维位相光栅相连，用于实现对一维位相光栅的旋转以及位置的调节: 

光电探测单元与存储单元相连，用于采集一维位相光栅产生的剪切干涉图并传输给存储单元; 

存储单元与信号处理单元相连，用于存储光电探测单元传输过来的剪切干涉图，以及用于存储信号处理单元传输过来的扩束准直系统的波面像差; 

信号处理单元用于根据存储单元存储的剪切干涉图计算扩束准直系统的波面像差; 

π/2、π、3π/2位移所对应的x方向剪切干涉图调节单元控制一维位相光栅的旋转，使其光栅线条与x轴平行；调节单元进一步控制一维位相光栅使其沿y轴方向移动，光电探测单元依次采集0、π/2、π、3π/2相移所对应的y方向剪切干涉图

信号处理单元根据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并传输给存储装置进行存储。 

本发明对于检测波面像差较小的扩束准直系统时，利用调节单元控制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；对于检测波面像差较大的扩束准直系统时，利用调节单元控制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。 

本发明所述存储单元与光电探测单元以及信号处理单元之间采用红外或蓝牙方式进行通信。 

本发明所述信号处理单元根据剪切干涉图进一步获取扩束准直系统的波面曲率半径以及光波发散角，并传输给存储单元进行存储。 

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，本发明利用调节单元调节一维位相光栅和光电探测单元的间距，当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； 当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。因此本检测装置使用灵活，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，本检测装置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，结构简单且生成成本低。 

附图说明

图1为本发明检测装置的结构示意图。 

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。 

101-激光光源、102-扩束准直系统、201-一维位相光栅、202-调节单元、203-光电探测单元、204存储单元、205-信号处理单元。 

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。 

首先设定扩束准直系统出射光束的传播方向设为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。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装置，如图1所示，包括一维位相光栅201、调节单元202、光电探测单元203、存储单元204以及信号处理单元205；其中，一维位相光栅201和光电探测单元203依次设于扩束准直系统出射光束的光路上，且一维位相光栅201位于扩束准直系统和光电探测单元203之间； 

一维位相光栅201用于实现对扩束准直系统出射光波的横向剪切；一维位相光栅201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；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士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。 

调节单元202与一维位相光栅201相连，用于实现对一维位相光栅201的旋转以及位置的调节。调节单元202包括旋转模块、水平调节模块、竖直调节模块以及轴向调节模块。当在对扩束准直系统的波面像差进行检测时；为了获取x方向干涉图，旋转模块控制一维位相光栅201的旋转，使光栅线条与y轴平行，这样来自扩束准直系统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。水平调节模块进一步控制一维位相光栅201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。为了获取y方向干涉图，旋转模块控制一维位相光栅201的旋转，使光栅线条与x轴平行；竖直调节模块进一步控制一维位相光栅201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。 

由于一维位相光栅201可以在轴向调节模块的控制下进行轴向调整，因此本发明检测装置的剪切比可以连续可调。剪切比是剪切干涉仪（本发明检测装置实际上是一种基于一维位相光栅横向剪切的干涉仪）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统102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102出射光束的直径大小。 

本检测装置中剪切比如公式（4） 

δ=2λd/pD     (4) 

其中，λ为激光光源101的发出光波的波长；d为一维位相光栅201到光电探测单元203之间的距离。从公式中可以看出，在扩束准直系统102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201到光电探测单元204的间距d呈线性变化，从而实现剪切比δ的连续可调，从而本检测装置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102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，利用轴向调节模块实现增大一维位相光栅201到光电探测单元203之间的距离d，从而增大一维位相光栅201相移剪切干涉仪的剪切比δ，因此本发明检测装置通过增大剪切比δ，实现对小像差的扩束准直系统的波面检测，即提高本发明检测装置的检测灵敏度。 

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102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，利用轴向调节单元202实现减小一维位相光栅201到光电探测单元之间的距离d，从而减小一维位相光栅201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，因此本发明检测装置通过减小剪切比δ使得其具有大的动态检测范围。 

光电探测单元203与存储单元204相连，用于采集一维位相光栅201产生的 剪切干涉图并传输给存储单元204。当来自扩束准直系统102的光波经过一维位相光栅201后主要产生±1级衍射光，此两束衍射光在光电探测单元203处的重叠区域内发生干涉。光电探测单元203依次采集0、π/2、π、3π/2相移所对应的x方向剪切干涉图

x方向剪切干涉示意图如图3所示。光电探测单元203依次采集0、π/2、π、3π/2相移所对应的y方向干涉图

y方向剪切干涉示意图如图4所示。光电探测单元203将采集的剪切干涉图传输给存储单元204进行存储，其中光电探测单元203与存储单元204之间可以通过蓝牙或红外等无线的方式进行图像传输。 

存储单元204与信号处理单元205相连，用于存储光电探测单元203传输过来的剪切干涉图，以及用于存储信号处理单元205传输过来的扩束准直系统的波面像差、波面曲率半径以及激光发散角。 

扩束准直系统的波面像差、波面曲率半径以及激光发散角。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。同时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；其中，根据剪切干涉图计算波面像差、波面曲率半径以及激光发散角的方法如下： 

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。 

步骤406、利用波面像差中表示离焦像差的第4项泽尼克系数获取曲率半径为及发散角。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=l／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

利用本检测装置检测扩束准直系统波面像差的过程为： 

首先，调节单元202控制一维位相光栅201的旋转，使其光栅线条与y轴平行。调节单元202进一步控制一维位相光栅201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。再次，调节单元202控制一维位相光栅201的旋转，使其光栅线条与x轴平行；调节单元202进一步控制一维位相光栅201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。 

光电探测单元203采集x方向干涉图和y方向干涉图；信号处理单元205对x，y方向的干涉图进行处理。

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装置，其特征在于，包括一维位相光栅、调节单元、光电探测单元、存储单元以及信号处理单元；其中，一维位相光栅和光电探测单元依次设于扩束准直系统出射光束的光路上，且一维位相光栅位于扩束准直系统和光电探测单元之间；

一维位相光栅用于实现对扩束准直系统出射光波的横向剪切；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；设定p≥16β，β为光电探测单元的像元尺寸；

调节单元与一维位相光栅相连，用于实现对一维位相光栅的旋转以及位置的调节；

光电探测单元与存储单元相连，用于采集一维位相光栅产生的剪切干涉图并传输给存储单元；

存储单元与信号处理单元相连，用于存储光电探测单元传输过来的剪切干涉图，以及用于存储信号处理单元传输过来的扩束准直系统的波面像差；

信号处理单元用于根据存储单元存储的剪切干涉图计算扩束准直系统的波面像差；

当对扩束准直系统的波面像差进行检测时，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；调节单元控制一维位相光栅的旋转，使其光栅线条与y轴平行；调节单元进一步控制一维位相光栅使其沿x轴方向移动，光电探测单元依次采集0、π/2、π、3π/2位移所对应的x方向剪切干涉图调节单元控制一维位相光栅的旋转，使其光栅线条与x轴平行；调节单元进一步控制一维位相光栅使其沿y轴方向移动，光电探测单元依次采集0、π/2、π、3π/2相移所对应的y方向剪切干涉图

信号处理单元根据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并传输给存储装置进行存储。

2.根据权利要求1所述的基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测装置，其特征在于，对于检测波面像差较小的扩束准直系统时，利用调节单元控制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；对于检测波面像差较大的扩束准直系统时，利用调节单元控制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。

3.根据权利要求1所述的基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测装置，其特征在于，所述存储单元与光电探测单元以及信号处理单元之间采用红外或蓝牙方式进行通信。

4.根据权利要求1所述的基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测装置，其特征在于，所述信号处理单元根据剪切干涉图进一步获取扩束准直系统的波面曲率半径以及光波发散角，并传输给存储单元进行存储。

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