CN113654656A - 一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置与方法 - Google Patents

一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置与方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113654656A
CN113654656A CN202111209478.1A CN202111209478A CN113654656A CN 113654656 A CN113654656 A CN 113654656A CN 202111209478 A CN202111209478 A CN 202111209478A CN 113654656 A CN113654656 A CN 113654656A
Authority
CN
China
Prior art keywords
incident
light beam
light
interference
beam splitter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111209478.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113654656B (zh
Inventor
丁晨良
匡翠方
杨臻垚
孙秋媛
徐良
刘旭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Zhejiang Lab
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Zhejiang Lab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU, Zhejiang Lab filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202111209478.1A priority Critical patent/CN113654656B/zh
Publication of CN113654656A publication Critical patent/CN113654656A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113654656B publication Critical patent/CN113654656B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置与方法，该装置包括分束镜、反射镜、道威棱镜、图像传感器等部件。装置将入射光束均分成三束光束，然后让三光束进行干涉形成干涉图案，将入射光束的微小角度与位置的变化转换为干涉图案的变化，位置角度变化将引起光栅条纹周期的变化，光束位置变化将引起干涉图案能量分布的变化。装置将结合图像传感器与分析算法，获得高精度光束漂移的检测，为高精密光学系统中光束的实时校正提供技术支持，可以广泛用于超分辨显微成像、高精度激光直写光刻等高精密激光技术中。

Description

一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置与方法
技术领域
本发明属于超精密光学测量领域，尤其涉及一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置与方法。
背景技术
随着激光技术的不断发展，光学系统的精度要求也在不断地提高，由各种因素综合叠加引起的光束指向漂移问题，逐渐成为激光技术朝高精密发展的阻碍。引起光束漂移的因素复杂且繁多，如外界机械的漂移、系统内空气的扰动、环境温度的变化、光源本身的漂移等都会导致光束在空间位置与角度指向的不规则微小移动。并且，光束最终的漂移效果是上述所有因素的叠加效果。为了让系统能够达到理想的效果，一般将光学系统放置于相对理想的环境，如利用光学平台进行被动减震，减弱外界振动的影响。或通过整体进行温湿度控制，降低温度变化引起的误差，以及采用空间密闭的方式减少气流与灰尘的影响等。然而，一方面高精密的环境控制成本非常高，另一方面由于目前各领域技术的发展都已经接近极限，之前可忽略的微小漂移逐渐阻碍了各技术领域的进一步发展，单纯的环境控制也难以满足需求，光束的漂移成为急需解决的问题。
高精密激光技术中光束漂移问题的解决，首先依赖于检测能力的提升。最常用的检测方法是透镜与位置探测器的组合，其利用透镜聚焦效应将角度信息转换成位置信息进行测量，并且由于位置漂移聚焦于同一点，此方法可以去除位置漂移的影响；其次，日本东北大学的Huang教授团队提出了一种基于全反射临界角效应的高精度角度检测方法，可以同时兼顾高精度与短光程，实现了约0.97μrad的测量精度；此外，墨西哥国立自治大学的Garcia-Valenzuela教授团队利用了激光的干涉效应，将入射光束的角度变化转换为光栅条纹位置的变化，将测量精度提高到了0.1μrad以下，但是该方法只能测量一个维度的角度漂移信息，在光束角度漂移检测中需要运用两套方向垂直的系统进行检测，并且该方案只测量了两个条纹来判断周期变化，容易受到外界干扰的影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置与方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置，包括第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、道威棱镜、第四分束镜和图像传感器；
入射光束首先通过第一分束镜分解为第一光束与第二光束；第一光束经过第二分束镜反射后，入射到图像传感器的探测面上；第二光束经过第三分束镜后，分解为第三光束与第四光束；第三光束经过第四分束镜反射后，再经过第二分束镜透射，入射到图像传感器的探测面上；第四光束经过道威棱镜后，透射经过第四分束镜和第二分束镜后，入射到图像传感器的探测面上；第四光束与第一光束、第三光束形成干涉图案。
进一步地，所述第一分束镜对入射的光束反射与透射的能量比例为1:4。
进一步地，所述第二分束镜对入射的光束反射与透射的能量比例为1:1。
进一步地，所述第三分束镜对入射的光束反射与透射的能量比例为1:1。
进一步地，所述第四分束镜对入射的光束反射与透射的能量比例为1:1。
进一步地，所述道威棱镜将入射的光束在Y方向上进行反向操作，对入射光束X方向保持不变。
进一步地，所述图像传感器采用CCD相机或者CMOS相机。
进一步地，还包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜；第一光束经过第一反射镜和第二反射镜后，到达第二分束镜；第四光束经过第三反射镜后到达道威棱镜；第四光束从道威棱镜出射后，经过第四反射镜到达第四分束镜。
一种基于三光束干涉的光束漂移检测方法，上述基于三光束干涉的光束漂移检测装置中，第四光束、第一光束、第三光束，在X方向与Y方向上，都存在多个周期的干涉图案信号；将每个干涉光斑对应的像素区域分为左上、右上、左下、右下4个部分；其中，每个干涉光斑对应的像素区域上的能量相同；干涉光斑左上与左下部分、右上与右下部分之间的能量变化情况用于计算入射光束Y方向的位移量，干涉光斑左上与右上部分、左下与右下部分之间的能量变化情况用于计算X方向的位移量。
进一步地，入射光束角度变化与光栅周期变化的公式如下：
Figure 934582DEST_PATH_IMAGE001
Figure 179618DEST_PATH_IMAGE002
其中，λ为入射光束的波长；
Figure 224935DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 948040DEST_PATH_IMAGE004
分别表示干涉图案在X方向与Y方向上的光栅周 期变化，
Figure 27992DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 178350DEST_PATH_IMAGE006
分别表示入射光束在X方向与Y方向上的角度变化。
本发明的有益效果是：本发明利用三光束干涉图案的变化去分析入射光束的位置与角度的变化，具有高精度检测的潜力，角度精度可达到0.1 μrad以下，位置精度可达1 μm以下。并且在前人研究的基础上解决了光路设计问题，将原先只有一个维度的检测能力拓展到具有二维检测的能力。装置将结合图像传感器与分析算法，采用多周期分析方法提升检测精度与稳定度，获得高精度光束漂移的检测，为高精密光学系统中光束的实时校正提供技术支持，可以广泛用于超分辨显微成像、高精度激光直写光刻等高精密激光技术中。
附图说明
图1是本发明基于三光束干涉的光束漂移检测装置示意图；
图2是本发明入射光束分解的三束干涉光的空间位置示意图；
图3是本发明三光束干涉图案与图像传感器的检测方式示意图；
图中，1-第一分束镜，2-第一反射镜，3-第二反射镜，4-第二分束镜，5-第三分束镜，6-第三反射镜，7-道威棱镜，8-第四反射镜，9-第四分束镜，10-图像传感器。
具体实施方式
下面通过实施例和附图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。
如图1所示，本发明一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置，包括：第一分束镜1、第一反射镜2、第二反射镜3、第二分束镜4、第三分束镜5、第三反射镜6、道威棱镜7、第四反射镜8、第四分束镜9和图像传感器10。
入射光束首先通过第一分束镜1分解为第一光束B1与第二光束B2；第一分束镜1对入射光束反射与透射的能量比例为1:4。第一光束B1经过第一反射镜2和第二反射镜3后，再经过第二分束镜4反射后入射到图像传感器10的探测面上；其中第二分束镜4对入射光束反射与透射的能量比例为1:1，所以入射到图像传感器10上的第一光束B1的能量为入射光束的1/10。图像传感器10可以采用CCD相机或者CMOS相机；本实施例中选取CCD作为图像传感器10。
第二光束B2经过第三分束镜5后分解为第三光束B3与第四光束B4，第三分束镜5对入射光束反射与透射的能量比例为1:1。第三光束B3经过第四分束镜9反射后，再经过第二分束镜4透射入射到图像传感器10的探测面上；其中第四分束镜9对入射光束反射与透射的能量比例为1:1，所以入射到图像传感器10上的第三光束B3的能量为入射光束的1/10。
第四光束B4经过第三反射镜6反射后，再经过道威棱镜7与第四反射镜8反射，再透射经过第四分束镜9和第二分束镜4入射到图像传感器10的探测面上。道威棱镜7将入射光束（第四光束B4）在Y方向上进行反向操作，对入射光束（第四光束B4）X与Z方向保持不变。经过计算，入射到图像传感器10上的第三光束B4的能量约为入射光束的1/10，从而三束入射光（第四光束B4、第一光束B1、第三光束B3）的能量基本相等，干涉后形成干涉图案。
本发明一种基于三光束干涉的光束漂移检测方法，包括如下步骤：
如图2所示，对于沿着空间某一方向
Figure 976542DEST_PATH_IMAGE007
传播的单色均匀平面波，若用
Figure 706601DEST_PATH_IMAGE008
表示波面上任 一点P(x,y,z)的位置矢量，则该平面波的波动公式可以表示为：
Figure 641059DEST_PATH_IMAGE009
(1)
其中，E表示平面波的电场强度，A为平面波的振幅，ω为角频率，t为传播时间，i为虚数单位。
当多束光束发生干涉时，干涉场内的光强I分布可以表示为：
Figure 165581DEST_PATH_IMAGE010
(2)
其中，m=1~n，表示第m束光束。
对于三光束干涉系统，可以根据公式（2）得到：
Figure 247806DEST_PATH_IMAGE011
(3)
其中，*表示共轭函数，Re表示取计算的实部。
当三个光束的角频率都相同时，公式（3）可以简化为以下公式：
Figure 515977DEST_PATH_IMAGE012
(4)
如图2所示，干涉图案位于x-y平面内，定义光束与z轴夹角θ为入射角，在x-y平面的投影相对于x轴的夹角φ为方位角，并且三束干涉光束的波长相同则公式（4）可以进一步推导为：
Figure 570520DEST_PATH_IMAGE013
(5)
Figure 265944DEST_PATH_IMAGE014
Figure 38728DEST_PATH_IMAGE015
Figure 641747DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 816377DEST_PATH_IMAGE017
。
本实施例中，入射激光波长λ为600nm，通过调节第二反射镜3与第四分束镜9，使第一光束B1与第三光束B3的方位角差120°，第一光束B1与第三光束B3的入射角差设置为0.5mad；再通过调节第四反射镜8，使第四光束B4相对于第一光束B1与第三光束B3的方位角差为120°，同时第一光束B1与第三光束B3两束光的入射角差设置为0.5mad。
图3是边长为10mm的图像传感器上获得的干涉图案仿真结果，可以发现在X方向与Y方向上都存在多个周期的干涉图案信号。其中，图3中右图为区域放大图，将单个干涉光斑对应的像素区域分为4个部分，如图中标注1、2、3、4所示。并且针对整个干涉图案都进行该操作，所以整个探测面被分为N个子区域，每个子区域上总能量基本相同，所有子区域被分成4组。测试中，区域1与3、2与4之间能量变化情况用于计算Y方向的位移量，区域1与2、3与4之间的能量变化情况用于计算X方向的位移量。
当入射光束角度变化很小时，可以获得角度变化与光栅周期变化的近似公式如下：
Figure 417122DEST_PATH_IMAGE018
Figure 677203DEST_PATH_IMAGE019
(6)
其中，
Figure 83913DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 113049DEST_PATH_IMAGE004
分别表示干涉图案在X方向与Y方向上的光栅周期变化，
Figure 421714DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 637931DEST_PATH_IMAGE006
分别 表示入射光束在X方向与Y方向上的角度变化。
所以本发明可以通过干涉图案的获取，计算周期变化的情况，再利用公式（6）计算获得入射光束角度变化的实际值，入射光束抖动1μrad对应X与Y方向周期的变化约为1.6μm和2.77μm。并且利用计算整个干涉图案的重心变化，获得入射光束的位置变化信息，从而实现入射光束漂移的高精度检测。

Claims (10)

1.一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置，其特征在于，包括第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、道威棱镜、第四分束镜和图像传感器；
入射光束首先通过第一分束镜分解为第一光束与第二光束；第一光束经过第二分束镜反射后，入射到图像传感器的探测面上；第二光束经过第三分束镜后，分解为第三光束与第四光束；第三光束经过第四分束镜反射后，再经过第二分束镜透射，入射到图像传感器的探测面上；第四光束经过道威棱镜后，透射经过第四分束镜和第二分束镜后，入射到图像传感器的探测面上；第四光束与第一光束、第三光束形成干涉图案。
2.根据权利要求1所述基于三光束干涉的光束漂移检测装置，其特征在于，所述第一分束镜对入射的光束反射与透射的能量比例为1:4。
3.根据权利要求1所述基于三光束干涉的光束漂移检测装置，其特征在于，所述第二分束镜对入射的光束反射与透射的能量比例为1:1。
4.根据权利要求1所述基于三光束干涉的光束漂移检测装置，其特征在于，所述第三分束镜对入射的光束反射与透射的能量比例为1:1。
5.根据权利要求1所述基于三光束干涉的光束漂移检测装置，其特征在于，所述第四分束镜对入射的光束反射与透射的能量比例为1:1。
6.根据权利要求1所述基于三光束干涉的光束漂移检测装置，其特征在于，所述道威棱镜将入射的光束在Y方向上进行反向操作，对入射光束X方向保持不变。
7.根据权利要求1所述基于三光束干涉的光束漂移检测装置，其特征在于，所述图像传感器采用CCD相机或者CMOS相机。
8.根据权利要求1所述基于三光束干涉的光束漂移检测装置，其特征在于，还包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜；第一光束经过第一反射镜和第二反射镜后，到达第二分束镜；第四光束经过第三反射镜后到达道威棱镜；第四光束从道威棱镜出射后，经过第四反射镜到达第四分束镜。
9.一种基于三光束干涉的光束漂移检测方法，其特征在于，权利要求1所述基于三光束干涉的光束漂移检测装置中，第四光束、第一光束、第三光束，在X方向与Y方向上，都存在多个周期的干涉图案信号；将每个干涉光斑对应的像素区域分为左上、右上、左下、右下4个部分；其中，每个干涉光斑对应的像素区域上的能量相同；干涉光斑左上与左下部分、右上与右下部分之间的能量变化情况用于计算入射光束Y方向的位移量，干涉光斑左上与右上部分、左下与右下部分之间的能量变化情况用于计算X方向的位移量。
10.如权利要求9所述基于三光束干涉的光束漂移检测方法，其特征在于，入射光束角度变化与光栅周期变化的公式如下：
Figure 896474DEST_PATH_IMAGE001
Figure 780117DEST_PATH_IMAGE002
其中，λ为入射光束的波长；
Figure 50561DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 19654DEST_PATH_IMAGE004
分别表示干涉图案在X方向与Y方向上的光栅周期变 化，
Figure 971430DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 709578DEST_PATH_IMAGE006
分别表示入射光束在X方向与Y方向上的角度变化。
CN202111209478.1A 2021-10-18 2021-10-18 一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置与方法 Active CN113654656B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111209478.1A CN113654656B (zh) 2021-10-18 2021-10-18 一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置与方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111209478.1A CN113654656B (zh) 2021-10-18 2021-10-18 一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置与方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113654656A true CN113654656A (zh) 2021-11-16
CN113654656B CN113654656B (zh) 2022-02-11

Family

ID=78494611

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111209478.1A Active CN113654656B (zh) 2021-10-18 2021-10-18 一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置与方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113654656B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024050877A1 (zh) * 2022-09-06 2024-03-14 台湾积体电路制造股份有限公司 用于制造半导体的激光角度辅助调节装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201033583A (en) * 2009-03-10 2010-09-16 Univ Nat Cheng Kung Interferometer and interference method for generating stable vortex beam
CN102259826A (zh) * 2011-06-22 2011-11-30 上海电机学院 飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法及装置
CN108020179A (zh) * 2017-12-28 2018-05-11 西安应用光学研究所 一种高精度角度测量装置及方法
CN111457843A (zh) * 2019-04-26 2020-07-28 上海微电子装备（集团）股份有限公司 位移测量装置、位移测量方法及光刻设备
US20200306879A1 (en) * 2018-01-03 2020-10-01 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Optical arrangement for direct laser inteference structuring

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201033583A (en) * 2009-03-10 2010-09-16 Univ Nat Cheng Kung Interferometer and interference method for generating stable vortex beam
CN102259826A (zh) * 2011-06-22 2011-11-30 上海电机学院 飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法及装置
CN108020179A (zh) * 2017-12-28 2018-05-11 西安应用光学研究所 一种高精度角度测量装置及方法
US20200306879A1 (en) * 2018-01-03 2020-10-01 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Optical arrangement for direct laser inteference structuring
CN111457843A (zh) * 2019-04-26 2020-07-28 上海微电子装备（集团）股份有限公司 位移测量装置、位移测量方法及光刻设备

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
马丽娜 等: "入射光束角度及强度偏差对多光束干涉光刻结果的影响", 《光子学报》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024050877A1 (zh) * 2022-09-06 2024-03-14 台湾积体电路制造股份有限公司 用于制造半导体的激光角度辅助调节装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN113654656B (zh) 2022-02-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shimizu et al. An insight into optical metrology in manufacturing
Georges et al. Digital holographic interferometry with CO 2 lasers and diffuse illumination applied to large space reflector metrology
US20100188669A1 (en) Laser beam centering and pointing system
Matsukuma et al. Reduction in cross-talk errors in a six-degree-of-freedom surface encoder
CN112577446A (zh) 大口径平面光学元件在位面形拼接测量装置及方法
Shimizu et al. Design and testing of a four-probe optical sensor head for three-axis surface encoder with a mosaic scale grating
Dashti et al. Measurement and statistical analysis of the wavefront distortions induced by atmospheric turbulence using two-channel moiré deflectometry
JP2003519786A (ja) 表面輪郭測定のための装置および方法
Wang et al. Nano-precision metrology of X-ray mirrors with laser speckle angular measurement
CN113654656B (zh) 一种基于三光束干涉的光束漂移检测装置与方法
US10989524B2 (en) Asymmetric optical interference measurement method and apparatus
Heikkinen et al. A geometric model of surface motion measurement by objective speckle imaging
Park et al. Measurement of fine 6-degrees-of-freedom displacement of rigid bodies through splitting a laser beam: experimental investigation
CN106840030B (zh) 一种二维长程面形检测装置及检测方法
CN110927116B (zh) 一种测量标记结构的方法、装置及系统
Canabal et al. Laser beam deflectometry based on a subpixel resolution algorithm
Shimizu et al. Accurate polarization control in nonorthogonal two-axis Lloyd’s mirror interferometer for fabrication of two-dimensional scale gratings
KR101554205B1 (ko) 파장주사 층밀리기 간섭계를 이용한 자유곡면의 삼차원 형상 측정 장치
JP2002040368A (ja) 光駆動型波面補正映像方法及び装置
Heikkinen Defocused speckle imaging for remote surface motion measurements
Reeves et al. Dynamic shape measurement system for laser materials processing
Csencsics et al. Speckle simulation tool for the design of laser-based displacement sensors
CN211452292U (zh) 一种动态目标的三维角度测量装置
Zhao et al. Angles-centroids fitting calibration and the centroid algorithm applied to reverse Hartmann test
Ma et al. Nondiffracting beam based technology for an attitude measurement system for automatic orientation of shield

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant