CN103471725A - 基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置 - Google Patents

基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置，包括光源模块、透镜、正负衍射级分离光路、接收及数据处理模块；光源模块包括氦-氖激光光源、针孔、光纤自准直器、一维周期振幅光栅和圆形窗口；正负衍射级分离光路中，在一维周期相位光栅下面放置分离反射镜；波前经过一维周期相位光栅产生的正负衍射级光线经过分离反射镜和四象限偏振片分别进入正负衍射级图像传感器；图像传感器通过数据线将这些数据送到电脑中，再经过软件分析，可获得任意正负衍射级之间的干涉条纹，从而得到波前的相位分布。本发明所提出的检测方法和检测系统操作简单，对检测环境和待检测光学系统要求低，且检测精度过度不依赖于干涉图样的清晰度。

Description

基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置
技术领域
本发明涉及一种基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置，用于检测不同光学系统或元件的光学参数，实现高精度波像差检测。
背景技术
随着纳米技术包括极大规模集成电路制造技术的快速发展，对光学应用系统如光刻机和显微系统等的解析度的要求也在不断的提高，对系统物镜的波前进行精确调控是进一步提高上述光学系统精度的关键环节之一，而对波像差的精确测量是波前调控的必要前提。
衍射光栅是一种由密集、等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件，分反射和透射两大类；它利用多缝衍射和干涉作用，将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散，再经成像镜聚焦而形成光谱。在波前检测系统中，当经过待测光学系统的波前与光栅作用时，其带有的待测光学系统的光学参数也会发生有规律的变化，我们便可以通过分析这种变化，得到一系列的关于该待测光学系统的光学信息。
现在市场上所使用的波前检测设备操作复杂，对测量环境和干涉图案的要求比较高，另外价格都相对比较高，所以亟需一种操作简单，测量精度足够高，并且成本低廉的波前检测设备。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中光学剪切干涉方法操作复杂困难，对检测环境和待检测光学系统要求高，且检测精度过度依赖干涉图样的清晰度的问题，提出了一种基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置，包括中心线沿光轴依次设置的氦-氖激光光源、针孔、自准直器、一维周期幅度光栅、圆形窗口、透镜、一维周期相位光栅和分离反射镜，还包括四象限偏振片和图像传感器，所述四象限偏振片的中心也位于光轴上；所述氦-氖激光光源、针孔、自准直器、一维周期幅度光栅和圆形窗口构成调制光源，所述一维周期相位光栅、分离反射镜和四象限偏振片构成正负衍射级分开探测结构；
所述圆形窗口设置在透镜的前焦面位置，所述一维周期相位光栅设置在透镜的后焦面位置；所述一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅的光栅线方向相互垂直；
记氦-氖激光光源产生的光波长为λ；所述针孔为圆形针孔（一般要求圆形针孔的半径R比波长λ大即可，比如Nλ，N为整数）；所述自准直器为产生与圆形窗口形状一致且波前为球面的高斯光束的自准直器；所述一维周期幅度光栅的周期d1与圆形窗口的半径R满足d1=2λf/R，其中f为透镜的焦距；
所述一维周期相位光栅的周期d2满足d2=nλ，其中n=0,4,8,12,16,…；所述分离反射镜包括位于光轴两侧位置并与光轴之间存在间隙可调（该间隙视测量情况及测量对象而定，通过三维旋转平台实现调整）的两块反射镜，所述两块反射镜各自安装在一个三维旋转平台上；所述四象限偏振片包括围绕光轴前后左右放置的四片偏振片，按逆时针方向所述四片偏振片的偏振角度依次间隔45°，所述偏振片接收反射镜反射的光；每个偏置片均固定连接有一个图像传感器，图像传感器和相应的偏振片之间存在间隙，且采集透过该偏振片的光信号。
优选的，所述自准直器为光纤自准直器。
优选的，所述一维周期幅度光栅为二值一维周期幅度光栅、正弦一维周期幅度光栅或余弦一维周期幅度光栅。
优选的，所述一维周期相位光栅为相位为0或π的二值光栅。
优选的，所述圆形窗口的直径可调，其厚度为1～10mm，该厚度范围内的圆形窗口可有效阻挡有效光束宽度以外的杂光。
优选的，所述反射镜表面的膜系由M层膜构成，所述膜的单层厚度范围为5～8000nm，所述膜有两种，分别为二氧化钛薄膜和二氧化硅薄膜，所述反射镜表面的膜系由上述两种膜交替填充结构构成；所述反射镜表面的膜系还可以为单层的二氧化钛薄膜或单层的二氧化硅薄膜。
本案通过添加自准直器、一维周期幅度光栅和圆形窗口的方式，实现了对光源的调制，在远场被复制成多个具有不同传播方向、同一形状的球面波前；使用正负衍射级分离光路，对正负衍射级分离采集和四象限偏振片处理，可以实现对波前更高精度的测量和分析，使得检测精度得到大幅度提高。
使用时，打开光源，激光在针孔和自准直器的作用下成为具有一定宽度的平行光束，被一维周期幅度光栅和圆形窗口调制成为多个不用传播方向、同一形状的球面波前，这些波前经过透镜的聚焦，投射在一维周期相位光栅7上。根据衍射定理d(sinθi+sinθt)=mλ，m=…，-2,-1,0,+1,+2,…，d为光栅狭缝的宽度，θi为入射角，调节三维旋转平台上的反射镜的角度，让不同衍射级朝着不同的方向传播。正负衍射级别分别经过两个反射镜，到达四象限偏振片，被图像传感器收集，这样便可得到不通过衍射级的光学信息。由四象限偏振片得到四幅波前信息图，从左上角开始，按逆时针方向排布，其光强分布依次为I1、I2、I3和I4，波前相位分布为：
Figure BDA0000388534620000031
图像传感器通过数据线将这些数据送到电脑中，再经过软件分析，可获得任意正负衍射级之间的干涉条纹，从而得到波前的相位分布。
有益效果：本发明提供的一种基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置，克服了现有技术中光学剪切干涉方法操作复杂困难、对检测环境和待检测光学系统要求高、且检测精度过度依赖干涉图样的清晰度的问题，操作简单，对检测环境和待检测光学系统要求低，且检测精度过度不依赖于干涉图样的清晰度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中调制光源部分的示意图；
图3为图1中正负衍射级分开探测结构部分的示意图；
图4为四象限偏振片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2、图3、图4所示为一种基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置，其特征在于：包括中心线沿光轴依次设置的氦-氖激光光源1、针孔2、自准直器3、一维周期幅度光栅4、圆形窗口5、透镜6、一维周期相位光栅7和分离反射镜8，还包括四象限偏振片9和图像传感器10，所述四象限偏振片9的中心也位于光轴上；所述氦-氖激光光源1、针孔2、自准直器3、一维周期幅度光栅4和圆形窗口5构成调制光源，所述一维周期相位光栅7、分离反射镜8和四象限偏振片9构成正负衍射级分开探测结构。
所述圆形窗口5设置在透镜6的前焦面位置，所述一维周期相位光栅7设置在透镜的后焦面位置；所述一维周期幅度光栅4和一维周期相位光栅7的光栅线方向相互垂直；所述一维周期幅度光栅4为二值一维周期幅度光栅、正弦一维周期幅度光栅或余弦一维周期幅度光栅；所述一维周期相位光栅7为相位为0或π的二值光栅。
记氦-氖激光光源1产生的光波长为λ；所述针孔2为圆形针孔，其半径为Nλ，N为整数；所述自准直器3为产生与圆形窗口5形状一致且波前为球面的高斯光束的光纤自准直器；所述一维周期幅度光栅4的周期d1与圆形窗口5的半径R满足d1=2λf/R，其中f为透镜6的焦距；所述圆形窗口5的直径可调，其厚度为1～10mm。
所述一维周期相位光栅7的周期d2满足d2=nλ，其中n=0,4,8,12,16,…；所述分离反射镜8包括位于光轴两侧位置的两块反射镜，所述两块反射镜各自安装在一个三维旋转平台11上，所述三维旋转平台11通过步进电机驱动；所述四象限偏振片9包括围绕光轴前后左右放置的四片偏振片，按逆时针方向所述四片偏振片的偏振角度依次间隔45°，所述偏振片接收反射镜反射的光；每个偏置片均固定连接有一个图像传感器10，图像传感器10和相应的偏振片之间存在间隙，且采集透过该偏振片的光信号。
所述反射镜表面的膜系由M层膜构成，所述膜的单层厚度范围为5～8000nm，所述膜有两种，分别为二氧化钛薄膜和二氧化硅薄膜，所述反射镜表面的膜系由所述两种膜交替填充构成。
图像传感器10通过数据线12将这些数据送到电脑13中，再经过软件分析，可获得任意正负衍射级之间的干涉条纹，从而得到波前的相位分布。
使用时，打开光源1，激光在针孔2和自准直器3的作用下成为具有一定宽度的平行光束，被一维周期幅度光栅4和圆形窗口5调制成为多个不用传播方向、同一形状的球面波前，这些波前经过透镜6的聚焦，投射在一维周期相位光栅7上。根据衍射定理d(sinθi+sinθt)=mλ，m=…,-2,-1,0,+1,+2,…，d为光栅狭缝的宽度，θi为入射角，通过步进电机精确调节三维旋转平台上的反射镜的角度，可分别得到在任意衍射级的波前，最高级次为不同衍射级朝着不同的方向传播。正负衍射级别分别经过两个反射镜，到达四象限偏振片9，被图像传感器10收集，这样便可得到不通过衍射级的光学信息。由四象限偏振片9得到四幅波前信息图，从左上角开始，按逆时针方向排布，其光强分布依次为I1、I2、I3和I4，波前相位分布为：
Figure BDA0000388534620000051
图像传感器10将收集到的图像信息通过数据线12穿到电脑12上进行数据分析，可获得任意正负衍射级之间的干涉条纹，从而得到波前的相位分布。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置，其特征在于：包括中心线沿光轴依次设置的氦-氖激光光源（1）、针孔（2）、自准直器（3）、一维周期幅度光栅（4）、圆形窗口（5）、透镜（6）、一维周期相位光栅（7）和分离反射镜（8），还包括四象限偏振片（9）和图像传感器（10），所述四象限偏振片（9）的中心也位于光轴上；所述氦-氖激光光源（1）、针孔（2）、自准直器（3）、一维周期幅度光栅（4）和圆形窗口（5）构成调制光源，所述一维周期相位光栅（7）、分离反射镜（8）和四象限偏振片（9）构成正负衍射级分开探测结构；
所述圆形窗口（5）设置在透镜（6）的前焦面位置，所述一维周期相位光栅（7）设置在透镜的后焦面位置；所述一维周期幅度光栅（4）和一维周期相位光栅（7）的光栅线方向相互垂直；
记氦-氖激光光源（1）产生的光波长为λ；所述针孔（2）为圆形针孔；所述自准直器（3）为产生与圆形窗口（5）形状一致且波前为球面的高斯光束的自准直器；所述一维周期幅度光栅（4）的周期d1与圆形窗口（5）的半径R满足d1=2λf/R，其中f为透镜（6）的焦距；
所述一维周期相位光栅（7）的周期d2满足d2=nλ，其中n=0,4,8,12,16,…；所述分离反射镜（8）包括位于光轴两侧位置并与光轴之间存在间隙可调的两块反射镜，所述两块反射镜各自安装在一个三维旋转平台（11）上；所述四象限偏振片（9）包括围绕光轴前后左右放置的四片偏振片，按逆时针方向所述四片偏振片的偏振角度依次间隔45°，所述偏振片接收反射镜反射的光；每个偏置片均固定连接有一个图像传感器（10），图像传感器（10）和相应的偏振片之间存在间隙，且采集透过该偏振片的光信号。
2.根据权利要求1所述的基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置，其特征在于：所述自准直器（3）为光纤自准直器。
3.根据权利要求1所述的基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置，其特征在于：所述一维周期幅度光栅（4）为二值一维周期幅度光栅、正弦一维周期幅度光栅或余弦一维周期幅度光栅。
4.根据权利要求1所述的基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置，其特征在于：所述一维周期相位光栅（7）为相位为0或π的二值光栅。
5.根据权利要求1所述的基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置，其特征在于：所述圆形窗口（5）的直径可调，其厚度为1～10mm。
6.根据权利要求1所述的基于调制光源及正负衍射级分开探测结构的波前检测装置，其特征在于：所述反射镜表面的膜系由M层膜构成，所述膜的单层厚度范围为5～8000nm，所述膜有两种，分别为二氧化钛薄膜和二氧化硅薄膜，所述反射镜表面的膜系由所述两种膜交替填充结构构成或者由其中的一种膜的单层结构构成。
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