CN108663124B - 波前传感器的检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波前传感器的检测装置和方法，该检测装置包括：球面波产生装置，用于产生球面波；光束调整单元，设置在球面波产生装置与夏克‑哈特曼波前传感器之间，用于对球面波进行调节；移动台，用于带动所述夏克‑哈特曼波前传感器沿光轴方向移动；位移干涉仪，用于测量所述夏克‑哈特曼波前传感器的位置；以及数据采集处理系统，与所述夏克‑哈特曼波前传感器和位移干涉仪分别连接，用于实时接收和计算夏克‑哈特曼波前传感器和位移干涉仪的数据。本发明采用位移干涉仪与夏克‑哈特曼波前传感器配合进行测量，实现对夏克‑哈特曼波前传感器曲率半径测量分辨率的高精度检测。
Description
技术领域
本发明涉及波前传感器，特别涉及一种波前传感器的检测装置和方法。
背景技术
夏克-哈特曼波前传感器是一种波前检测仪器，在医疗仪器、自适应光学、光学面形检测等领域有广泛的应用。其在光刻机物镜测量中，不仅可以进行物镜波像差测量，还可以实现对场曲的测量，波前传感器对入射波前曲率半径的测量分辨率，直接影响对场曲测量的分辨率。因此夏克-哈特曼波前传感器对曲率测量的分辨率也是体现其性能的一个重要指标。
夏克-哈特曼波前传感器的部件主要包括微透镜阵列和光电探测器，微透镜阵列对入射波前进行子孔径分割，当入射到每个子孔径内的波前存在倾斜时，在光电探测器上的对应会聚光斑会与理想垂直入射的平面波产生光斑偏移。因此，根据光斑阵列的分布可以重建出入射波前信息，得到入射波前的波像差及其曲率。传统的夏克-哈特曼波前传感器标定及检测方法中，一般只对一种入射波前进行检测，在调整过程测量精度较低，而且位置调整中引入的误差也不能得到有效控制。
发明内容
本发明提供一种波前传感器的检测装置和方法，实现对波前传感器曲率半径测量分辨率的高精度检测。
为解决上述技术问题，本发明提供一种波前传感器的检测装置，包括：
球面波产生装置，用于产生球面波；
光束调整单元，设置在球面波产生装置与夏克-哈特曼波前传感器之间，用于对球面波进行调节；
移动台，用于带动所述夏克-哈特曼波前传感器沿光轴方向移动；
位移干涉仪，用于测量所述夏克-哈特曼波前传感器的位置；
以及
数据采集处理系统，与所述夏克-哈特曼波前传感器和位移干涉仪分别连接，用于实时接收和处理所述夏克-哈特曼波前传感器移动过程中测得的所述球面波的波前曲率半径和位移干涉仪测得的夏克-哈特曼波前传感器的位置数据，计算所述夏克-哈特曼波前传感器对波前曲率半径的测量分辨率。
作为优选，还包括反射镜，所述反射镜固定在所述夏克-哈特曼波前传感器上。
作为优选，还包括干涉仪光源，其中，所述干涉仪光源为所述位移干涉仪提供测试光源，该测试光源经位移干涉仪投射到所述反射镜，并由所述反射镜反射回所述位移干涉仪。
作为优选，所述光束调整单元包括沿光传播方向依次设置的会聚镜、和光阑，其中，所述会聚镜设置有两个。
作为优选，所述位移干涉仪采用三轴位移干涉仪。
作为优选，球面波产生装置采用点光源。
本发明还提供一种波前传感器的检测方法，包括：
提供并调整球面波，调整后的球面波投射到夏克-哈特曼波前传感器上；
沿光轴方向移动夏克-哈特曼波前传感器，记录所述夏克-哈特曼波前传感器在每个位置测得的波前曲率半径，同时测量夏克-哈特曼波前传感器每次移动的位置；
根据夏克-哈特曼波前传感器在每个位置测得的波前曲率半径和夏克-哈特曼波前传感器每次移动的位置计算获取夏克-哈特曼波前传感器对波前曲率半径的测量分辨率。
作为优选，在测量夏克-哈特曼波前传感器每次移动的位置的同时，监测夏克-哈特曼波前传感器的角度偏差，并根据监测数据微调所述夏克-哈特曼波前传感器以减小角度偏差。
作为优选，计算获取夏克-哈特曼波前传感器对波前曲率半径的测量分辨率的步骤具体包括：
根据夏克-哈特曼波前传感器在每个位置测得的波前曲率半径计算每个位置的波前曲率半径变化量；
根据测得的夏克-哈特曼波前传感器每次移动的位置，计算夏克-哈特曼波前传感器的位移变化量；
根据该波前曲率半径变化量和位移变化量，计算得到夏克-哈特曼波前传感器对波前曲率半径的测量分辨率。
作为优选，设曲率半径变化量为△Ri，夏克-哈特曼波前传感器的位移变化量为△Pi，则夏克-哈特曼波前传感器对波前曲率半径的测量分辨率为：
其中，n为夏克-哈特曼波前传感器的移动次数。
作为优选，采用三轴位移干涉仪测量获取夏克-哈特曼波前传感器的三个测量位置，对该三个测量位置取平均，获取夏克-哈特曼波前传感器每次移动的实际位置。
作为优选，通过调整光束调整单元中的会聚镜的位置，来调整输出的球面波，使球面波具有不同的曲率半径。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的结构简单，操作方便；
2、本发明可以实现对曲率半径变化量的精确测量；
3、本发明利用高精度位移测量装置对移动量进行测试，同时对角度误差进行监测；
4、本发明可以有效缩短大曲率半径球面波的测量距离，提高抗振动能力。
附图说明
图1为本发明的波前传感器的检测装置的结构示意图；
图2为本发明采用的三轴位移干涉仪的结构示意图。
图中所示：1-球面波产生装置、2-第一会聚镜、3-第二会聚镜、4-光阑、5-夏克-哈特曼波前传感器、6-移动台、7-反射镜、8-三轴位移干涉仪、81-第一测量光控、82-第二测量光孔、83-第三测量光孔、9-干涉仪光源、10-数据采集处理系统。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明的波前传感器的检测装置，包括：球面波产生装置1、光束调整单元、反射镜7、三轴位移干涉仪8、用于对夏克-哈特曼波前传感器5进行位置调整的高灵敏的移动台6、干涉仪光源9以及数据采集处理系统10。
具体地，所述球面波产生装置1采用点光源，用于输出具有需求波长的理想球面波。
所述光束调整单元设置在球面波产生装置1与夏克-哈特曼波前传感器5之间，包括依次设置的第一会聚镜2、第二会聚镜3和光阑4，其中，通过对所述第一、第二会聚镜2、3的调整，可以实现各种不同曲率半径球面波的输出，即可以调整球面波前曲率中心的位置，实现在不同曲率半径下的测量，在测量大曲率半径的球面波时，比相对于直接使用点光源更能缩短测量距离，使本发明的结构更加紧凑，提高抗振动能力。所述光阑4用来遮挡入射到夏克-哈特曼波前传感器5的杂散光，同时控制光束口径。
所述夏克-哈特曼波前传感器5通过固定装置(图中未示出)安装到高灵敏度的移动台6上，并由移动台6带动移动。
所述反射镜7与夏克-哈特曼波前传感器5固定在一起，可以实现反射镜7与夏克-哈特曼波前传感器5的同步移动调整，三轴位移干涉仪8通过对反射镜7的位置进行测量，实现对夏克-哈特曼波前传感器5的位置测量及监测倾斜量，干涉仪光源9为三轴位移干涉仪8提供测量光源。
所述数据采集处理系统10可实时检测夏克-哈特曼波前传感器5及三轴位移干涉仪8的数据，并完成本发明提出的对不同曲率半径下的球面波曲率半径分辨率性能的检测功能。
本发明还提供一种波前传感器的检测方法，具体包括：
球面波产生装置1提供球面波，该球面波投射到夏克-哈特曼波前传感器5上；
根据需要调整第一、第二会聚镜2、3的位置，使其输出不同曲率半径的球面波，输出的球面波经光阑4后入射到夏克-哈特曼波前传感器5；
在光轴方向(Z向)移动夏克-哈特曼波前传感器5分别到位置S1，S2，…，Sn，Sn+1，夏克-哈特曼波前传感器5记录每个位置的波前曲率半径R1，R2，…，Rn，Rn+1，同时使用三轴位移干涉仪8测量夏克-哈特曼波前传感器5在Z向每次移动的位置P1，P2，…，Pn，Pn+1；
接着，根据每个位置的波前曲率半径，计算每个位置的波前曲率半径变化量△R1＝R2-R1，△R2＝R3-R2，…，△Rn＝Rn+1-Rn；
根据三轴位移干涉仪8测得的夏克-哈特曼波前传感器5每次移动的位置，计算夏克-哈特曼波前传感器5的位移变化量△P1＝P2-P1，△P2＝P3-P2，…，△Pn＝Pn+1-Pn；
根据该波前曲率半径变化量△Ri(i＝1、2、3……n)和位移变化量△Pi(i＝1、2、3……n)，计算得到夏克-哈特曼波前传感器5对波前曲率半径的测量分辨率：
进一步的，所述夏克-哈特曼波前传感器5的位置的测量步骤如下：
如图1和2所示，干涉仪光源9向所述三轴位移干涉仪8投射测试光，该测试光经反射镜7反射后投射到所述三轴位移干涉仪8上，形成三个测量光孔，为示区别分别将之称为第一测量光孔81、第二测量光孔82和第三测量光孔83。且由所述第一测量光孔81可以得到第一测量位置Z1；由所述第二测量光孔82可以得到第二测量位置Z2；由所述第三测量光孔83可以得到第三测量位置Z3。对该三个测量位置平均：
即可获得夏克-哈特曼波前传感器5的Z向具体位置。
进一步的，第一测量光孔81与第二测量光孔82在X向的距离为d1，第三测量光孔83与第一、第二测量光孔81、82在Y向上的距离为d2，则结合三轴位移干涉仪8获取的三个测量光孔的位置信息，可计算获得球面波的绕X向入射角Rx和绕Y向入射角Ry：
也即是说，本发明可以通过所述三轴位移干涉仪8对夏克-哈特曼波前传感器5的倾斜角度进行精确测量，进而可以监测其倾斜的变化，并通过微调夏克-哈特曼波前传感器的Rx、Ry减小变化量，用以控制夏克-哈特曼波前传感器5调整过程中引入的角度误差。
又由于三轴位移干涉仪8的测量精度可以达到十纳米左右的精度，因此可以实现对夏克-哈特曼波前传感器5曲率半径测量分辨率的高精度检测。同时在夏克-哈特曼波前传感器5位置调整过程中，引入的角度倾斜可以用三轴位移干涉仪8进行监测，因此，夏克-哈特曼波前传感器5角度倾斜量也可以得到有效控制。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (12)
1.一种波前传感器的检测装置，其特征在于，包括：
球面波产生装置，用于产生球面波；
光束调整单元，设置在球面波产生装置与夏克-哈特曼波前传感器之间，用于对球面波进行调节从而实现不同曲率半径球面波的输出；
移动台，用于带动所述夏克-哈特曼波前传感器沿光轴方向移动；
位移干涉仪，用于测量所述夏克-哈特曼波前传感器的位置；
以及
数据采集处理系统，与所述夏克-哈特曼波前传感器和位移干涉仪分别连接，用于实时接收和处理所述夏克-哈特曼波前传感器移动过程中测得的所述球面波的波前曲率半径和位移干涉仪测得的夏克-哈特曼波前传感器的位置数据，并用于根据夏克-哈特曼波前传感器在每个位置测得的波前曲率半径计算每个位置的波前曲率半径变化量，根据测得的夏克-哈特曼波前传感器每次移动的位置数据，计算夏克-哈特曼波前传感器的位移变化量，并根据该波前曲率半径变化量和位移变化量计算所述夏克-哈特曼波前传感器对波前曲率半径的测量分辨率。
2.如权利要求1所述的波前传感器的检测装置，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜固定在所述夏克-哈特曼波前传感器上。
3.如权利要求2所述的波前传感器的检测装置，其特征在于，还包括干涉仪光源，其中，所述干涉仪光源为所述位移干涉仪提供测试光源，该测试光源经位移干涉仪投射到所述反射镜，并由所述反射镜反射回所述位移干涉仪。
4.如权利要求1所述的波前传感器的检测装置，其特征在于，所述光束调整单元包括沿光传播方向依次设置的会聚镜和光阑。
5.如权利要求4所述的波前传感器的检测装置，其特征在于，所述会聚镜设置有两个。
6.如权利要求1所述的波前传感器的检测装置，其特征在于，所述位移干涉仪采用三轴位移干涉仪。
7.如权利要求1所述的波前传感器的检测装置，其特征在于，球面波产生装置采用点光源。
8.一种波前传感器的检测方法，采用如权利要求1～7任意一项所述的波前传感器的检测装置，其特征在于，包括：
提供并调整球面波，调整后的球面波投射到夏克-哈特曼波前传感器上，其中，调整球面波用以实现不同曲率半径球面波的输出；
沿光轴方向移动所述夏克-哈特曼波前传感器，记录所述夏克-哈特曼波前传感器在每个位置测得的波前曲率半径，同时测量夏克-哈特曼波前传感器每次移动的位置；
根据夏克-哈特曼波前传感器在每个位置测得的波前曲率半径计算每个位置的波前曲率半径变化量；
根据测得的夏克-哈特曼波前传感器每次移动的位置，计算夏克-哈特曼波前传感器的位移变化量；
根据该波前曲率半径变化量和位移变化量，计算获取夏克-哈特曼波前传感器对波前曲率半径的测量分辨率。
9.如权利要求8所述的波前传感器的检测方法，其特征在于，在测量夏克-哈特曼波前传感器每次移动的位置的同时，监测夏克-哈特曼波前传感器的角度偏差，并根据监测数据微调所述夏克-哈特曼波前传感器以减小角度偏差。
10.如权利要求8所述的波前传感器的检测方法，其特征在于，设曲率半径变化量为△Ri，夏克-哈特曼波前传感器的位移变化量为△Pi，则夏克-哈特曼波前传感器对波前曲率半径的测量分辨率为：
其中，n为夏克-哈特曼波前传感器的移动次数。
11.如权利要求8所述的波前传感器的检测方法，其特征在于，采用三轴位移干涉仪测量获取夏克-哈特曼波前传感器的三个测量位置，对该三个测量位置取平均，获取夏克-哈特曼波前传感器每次移动的实际位置。
12.如权利要求8所述的波前传感器的检测方法，其特征在于，通过调整光束调整单元中的会聚镜的位置，来调整输出的球面波，使球面波具有不同的曲率半径。
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