CN103234629B - 两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置 - Google Patents

Abstract

一种两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置，其特点在于该装置由半反半透镜、第一透镜组、第二透镜组、第一图像传感器、信号处理系统、第三透镜组、第四透镜组和第二图像传感器构成。本发明具有结构简单、易于维护的特点。

Description

两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置

技术领域

本发明涉及光学测量领域，是一种两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置。

技术背景

在采用激光产生等离子体的极紫外（EUV）光源中，存在多种因素可能导致预脉冲激光和主泵浦激光偏离预定的位置和角度：①激光器输出的光束自身存在位置与角度的偏移；②激光器与靶室处于不同的平台上，这两个平台的振动特性存在显著差异易导致光束位置与角度的偏移；③从激光器光束出射口至靶室的传输距离达几十米，光束在传输过程中极易受到扰动而偏离预定的位置与角度。因此需要对进入靶室的预脉冲激光和主泵浦激光的光束位置与角度进行测量，然后进行光束位置与角度的校正以实现稳定的激光打靶。

在先技术1“Optical Beam Steering and Sample Apparatus and Method”（专利号US7528364B2，此专利公开日为2007年，在2009年获得授权）采用两个探测器来测量一个波长的激光的位置与角度。对于EUV光源而言，预脉冲激光和主泵浦激光来自两个不同波长的激光器，若采用在先技术1对两个波长激光的位置与角度进行测量，则需要采用四个测量光路和四个探测器，过多的光路和元件会使得系统极其庞大，结构复杂，成本和维护难度高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置，该装置具有结构简单、易于维护的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置，其特点在于该装置由半反半透镜、第一透镜组、第二透镜组、第一图像传感器、信号处理系统、第三透镜组、第四透镜组和第二图像传感器构成，两个光束分别称为第一入射光束和第二入射光束，上述元部件的位置关系如下：

在所述的半反半透镜的透射光方向上依次是所述的第一透镜组、第二透镜组和第一图像传感器，所述的第一透镜组和第二透镜组相对于第一入射光束共焦，在所述的半反半透镜的反射光方向上依次是所述的第三透镜组、第四透镜组和第二图像传感器，所述的第三透镜组和第四透镜组相对于第二入射光束共焦，所述的第一图像传感器的光敏面位于所述的第一透镜组和第二透镜组的组合系统的后焦平面上，所述的第二图像传感器的光敏面位于所述的第三透镜组和第四透镜组的组合系统的后焦平面上，所述的第一图像传感器和所述的第二图像传感器的输出端与所述的信号处理系统的输入端相连。

所述的第一透镜组和第二透镜组是正透镜，或正、负透镜的组合。

所述的第三透镜组和第四透镜组是正透镜，或正、负透镜的组合。

当两个光束的波长相差较大（微米量级）时，设计所述的第一透镜组、所述的第二透镜组相对于第一入射光束的焦距比第二入射光束的焦距长，所述的第一透镜组和第二透镜组相对于第一入射光束共焦，则组合后的系统相对于第一入射光束成望远光路；而相对于第二入射光束由于所述的第一透镜组和所述的第二透镜组之间的距离大于两者焦距之和，则所述的第一透镜组和所述的第二透镜组的组合系统相对于第二入射光束成聚焦光路。所述的第一透镜组用来对入射光束第一次成像，所述的第二透镜组用来对通过第一次成像点的光束进行第二次成像，所成的像包括两部分：通过第一次成像点的第一入射光束经所述的第二透镜组后平行出射，在所述的第一图像传感器上形成一个光斑像，望远光路对入射光束的位置偏移敏感，而对入射光束的角度偏移不敏感，因此该光斑像可以用来测量第一入射光束实际位置相对参考位置的偏移量；通过第一次成像点的第二入射光束经所述的第二透镜组后再次聚焦，在所述的第一图像传感器上形成一个点像，聚焦光路对入射光束的角度偏移敏感，而对入射光束的位置偏移不敏感，因此该点像可以用来测量第二入射光束实际角度相对参考角度的偏移量。

同理，设计所述的第三透镜组、所述的第四透镜组相对于第二入射光束的焦距比第一入射光束的焦距长，所述的第三透镜组和所述的第四透镜组相对于第二入射光束共焦，则组合后的系统相对于第二入射光束成望远光路；而相对于第一入射光束由于所述的第三透镜组和所述的第四透镜组之间的距离大于两者焦距之和，则所述的第三透镜组和所述的第四透镜组的组合系统相对于第一入射光束成聚焦光路。所述的第三透镜组用来对入射光束第一次成像，所述的第四透镜组用来对通过第一次成像点的光束进行第二次成像，所成的像包括两部分：通过第一次成像点的第二入射光束经所述的第四透镜组后平行出射，在所述的第二图像传感器上形成一个光斑像，该光斑像可以用来测量第二入射光束实际位置相对参考位置的偏移量；通过第一次成像点的第一入射光束经所述的第四透镜组后再次聚焦，在所述的第二图像传感器上形成一个点像，该点像可以用来测量第一入射光束实际角度相对参考角度的偏移量。

与现有技术相比，该装置可以同时得到两个光束的望远光路和聚焦光路的像，可以同时测量两个光束在同一入射面的位置与角度。本发明的技术效果如下：

1.结构简单、空间利用率高。

2.节约成本、易于维护。

附图说明

图1为本发明两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置的结构框图

图2为本发明两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置中第一图像传感器的成像示意图

图3为本发明两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置中第二图像传感器的成像示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置。由图可见本发明两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置由半反半透镜01、第一透镜组02、第二透镜组03、第一图像传感器04、信号处理系统05、第三透镜组06、第四透镜组07和第二图像传感器08构成。在所述的半反半透镜01的透射光方向上依次是所述的第一透镜组02、所述的第二透镜组03和所述的第一图像传感器04，所述的第一透镜组02和第二透镜组03相对于第一入射光束共焦，在所述的半反半透镜01的反射光方向上依次是所述的第三透镜组06、所述的第四透镜组07和所述的第二图像传感器08，所述的第三透镜组和第四透镜组相对于第二入射光束共焦。所述的第一图像传感器04的光敏面位于所述的第一透镜组02、所述的第二透镜组03的组合系统的后焦平面上。所述的第二图像传感器的光敏面位于所述的第三透镜组06、所述的第四透镜组07的组合系统的后焦平面上。所述的第一图像传感器04、所述的第二图像传感器08的输出端与所述的信号处理系统05的输入端相连。

如图1所示，EUV光源的两个波长的光束在P1平面输入该测量装置中，光束到达所述的半反半透镜01后分成两部分：一部分光直接透过所述的半反半透镜01后，再依次通过所述的第一透镜组02、所述的第二透镜组03后成像到所述的第一图像传感器04上；另一部分光经所述的半反半透镜01反射后依次通过所述的第三透镜组06、所述的第四透镜组07后成像到所述的第二图像传感器08上。这两部分像经所述的信号处理系统05计算处理后可以得出两个光束的位置偏移量（Δx₁、Δx₂）和角度偏移量（Δθ₁、Δθ₂）。

设计所述的第一透镜组02、所述的第二透镜组03相对于第一入射光束的焦距比第二入射光束的焦距长，所述的第一透镜组02和所述的第二透镜组03相对于第一入射光束的焦距共焦，则组合后的系统相对于第一入射光束成望远光路；而相对于第二入射光束由于所述的第一透镜组02和所述的第二透镜组03之间的距离大于两者焦距之和，则所述的第一透镜组02和所述的第二透镜组03的组合系统相对于第二入射光束成聚焦光路。所述的第一透镜组02用来对光束第一次成像，所述的第二透镜组03用来对通过第一次成像点的光束进行第二次成像，所成的像包括两部分：通过第一次成像点的第一入射光束经所述的第二透镜组03后平行出射，在所述的第一图像传感器04上形成一个光斑像，望远光路对入射光束的位置偏移敏感，而对入射光束的角度偏移不敏感，因此该光斑像可以用来测量第一入射光束实际位置相对参考位置的偏移量；通过第一次成像点的第二入射光束经所述的第二透镜组03后再次聚焦，在所述的第一图像传感器04上形成一个点像，聚焦光路对入射光束的角度偏移敏感，而对入射光束的位置偏移不敏感，因此该点像可以用来测量第二入射光束实际角度相对参考角度的偏移量。

根据需要，可以自由给定所述的第一透镜组02、所述的第二透镜组03相对于第一入射光束的焦距f'₁₁、f'₂₁，则所述的第一透镜组02、所述的第二透镜组03相对于第二入射光束的焦距f'₁₂、f'₂₂也相应得到。因为入射光束通过所述的第一透镜组02得到的像以及第一个像通过所述的第二透镜组03的聚焦光路第二次成的像都为实像，所以f'₁₁、f'₁₂、f'₂₁、f'₂₂同为正数。所述的第一透镜组02、所述的第二透镜组03可以是正透镜或正、负透镜的组合。

同理，设计所述的第三透镜组06、所述的第四透镜组07相对于第二入射光束的焦距比第一入射光束的焦距长，所述的第三透镜组06和所述的第四透镜组07相对于第二入射光束共焦，则组合后的系统相对于第二入射光束成望远光路；而相对于第一光束由于所述的第三透镜组06和所述的第四透镜组07之间的距离大于两者焦距之和，则所述的第三透镜组06和所述的第四透镜组07的组合系统相对于第一入射光束成聚焦光路。所述的第三透镜组06用来对入射光束第一次成像，所述的第四透镜组07用来对通过第一次成像点的光束进行第二次成像，所成的像包括两部分：通过第一次成像点的第二入射光束经所述的第四透镜组07后平行出射，在所述的第二图像传感器08上形成一个光斑像，该光斑像可以用来测量第二入射光束的实际位置相对参考位置的偏移量；通过第一次成像点的第一入射光束经所述的第四透镜组07后再次聚焦，在所述的第二图像传感器08上形成一个点像，该点像可以用来测量第一入射光束的实际角度相对参考角度的偏移量。

根据需要，可以自由给定所述的第三透镜组06、所述的第四透镜组07相对于第二入射光束的焦距f'₃₂、f'₄₂，则第三透镜组06、第四透镜组07相对于第一入射光束的焦距f'₃₁、f'₄₁也相应得到。因为入射光束通过所述的第三透镜组06得到的像以及第一个像通过第四透镜组07的聚焦光路第二次成的像都为实像，所以f'₃₁、f'₃₂、f'₄₁、f'₄₂同为正数。所述的第三透镜组06、所述的第四透镜组07可以是正透镜或正、负透镜的组合。

系统各部分的距离参数如图1所示：A表示输入平面P1到所述的半反半透镜01的距离，B表示所述的半反半透镜01到所述的第二透镜组02的距离，C表示第二光束经所述的第一透镜组02后成像点到所述的第一透镜组02的距离，D表示第二光束经所述的第一透镜组02后成像点到所述的第二透镜组03的距离，E表示所述的第二透镜组03到所述的第一图像传感器04的距离，F表示所述的半反半透镜01到所述的第三透镜组06的距离，G表示第一入射光束经所述的第三透镜组06后成像点到所述的第三透镜组06的距离，H表示第一入射光束经所述的第三透镜组06后成像点到所述的第四透镜组07的距离，I表示所述的第四透镜组07到所述的第二图像传感器08的距离。

图2、图3分别为本发明两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置中第一图像传感器04、第二图像传感器08的成像示意图。如图2、图3所示，在直角坐标系中，Z轴为系统的光轴方向，P1为要测量光束的输入平面，P2、P3分别为所述的第一图像传感器04、所述的第二图像传感器08的感光面，P1、P2、P3分别位于XO₁Y平面、XO₂Y平面、XO₃Z平面，点O₁、点O₂、点O₃分别为P1、P2、P3的中心，点A₁、点B₁分别为待测量的第一入射光束、第二入射光束的中心。在P2中，图中阴影部分为待测量的第一入射光束经所述的第一透镜组02和所述的第二透镜组03组合系统的望远光路在所述的第一图像传感器04上所成的光斑像，点C₁为该光斑像的中心，点D₁为待测量的第二入射光束在所述的第一图像传感器04上所成点像的中心。在P3中，图中阴影部分为待测量的第二入射光束经所述的第三透镜组06和所述的第四透镜组07组合系统的望远光路在所述的第二图像传感器08上所成的光斑像，点C₁为该光斑像的中心，点D₂为待测量的第一入射光束在所述的第二图像传感器08上所成点像的中心。这样通过同一个系统可以同时得到两个入射光束的望远光路和聚焦光路的像，这些像经所述的信号处理系统05计算处理后可以得出两个入射光束的位置偏移量（Δx₁、Δx₂）和角度偏移量（Δθ₁、Δθ₂）。计算方法如下：

${\mathrm{\Δx}}_1=\frac{f_{11}^{\′}}{f_{21}^{\′}}{O}_2{C}_1$

${\mathrm{\Δ\θ}}_1=\arctan \left[\frac{O_2{D}_1(L_1{S}_1-f_{12}^{\′}{S}_1-L_1{f}_{12}^{\′}-f_{22}^{\′})}{f_{12}^{\′}{f}_{22}^{\′}(L_1-f_{12}^{\′})}\right]$

其中，L₁＝A+B，表示输入平面P1到所述的第一透镜组02的距离，S₁＝C+D，表示所述的第一透镜组02到所述的第二透镜组03之间的距离。

${\mathrm{\Δx}}_2=\frac{f_{42}^{\′}}{f_{32}^{\′}}{O}_3{D}_2$

${\mathrm{\Δ\θ}}_2=\arctan \left[\frac{O_3{C}_2(L_2{S}_2-f_{31}^{\′}{S}_2-L_2{f}_{31}^{\′}-f_{41}^{\′})}{f_{31}^{\′}{f}_{41}^{\′}(L_2-f_{31}^{\′})}\right]$

其中，L₂＝A+F，表示输入平面P1到所述的第三透镜组06的距离，S₂＝G+H，表示所述的第三透镜组06到所述的第四透镜组07的距离。

本发明两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置是可行的，实验表明，利用本发明两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置可以同时测量EUV光源中预脉冲激光和主泵浦激光两个波长的光束位置与角度。

Claims (3)

1.一种两个光束在同一入射面的位置与角度同时测量装置，其特征在于该装置由半反半透镜(01)、第一透镜组(02)、第二透镜组(03)、第一图像传感器(04)、信号处理系统(05)、第三透镜组(06)、第四透镜组(07)和第二图像传感器(08)构成，两个光束分别称为第一入射光束和第二入射光束，上述元部件的位置关系如下：

在所述的半反半透镜(01)的透射光方向上依次是所述的第一透镜组(02)、第二透镜组(03)和第一图像传感器(04)，所述的第一透镜组(02)、所述的第二透镜组(03)相对于第一入射光束的焦距比第二入射光束的焦距长，所述的第一透镜组(02)和第二透镜组(03)相对于第一入射光束共焦，所述的第一透镜组(02)和所述的第二透镜组(03)的组合系统相对于第二入射光束成聚焦光路，所述的第一图像传感器(04)的光敏面位于所述的第一透镜组(02)和第二透镜组(03)的组合系统的后焦平面上；在所述的半反半透镜(01)的反射光方向上依次是所述的第三透镜组(06)、第四透镜组(07)和第二图像传感器(08)，所述的第三透镜组(06)、所述的第四透镜组(07)相对于第二入射光束的焦距比第一入射光束的焦距长，所述的第三透镜组(06)和第四透镜组(07)相对于第二入射光束共焦，所述的第三透镜组(06)和所述的第四透镜组(07)的组合系统相对于第一入射光束成聚焦光路，所述的第二图像传感器(08)的光敏面位于所述的第三透镜组(06)和第四透镜组(07)的组合系统的后焦平面上，所述的第一图像传感器(04)和所述的第二图像传感器(08)的输出端与所述的信号处理系统(05)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述的第一透镜组(02)和第二透镜组(03)是正透镜，或正、负透镜的组合。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述的第三透镜组(06)和第四透镜组(07)是正透镜，或正、负透镜的组合。