CN113865480A - 一种基于zemax仿真的外差式光栅干涉仪读头系统信号分析方法 - Google Patents

一种基于zemax仿真的外差式光栅干涉仪读头系统信号分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ZEMAX仿真的外差式光栅干涉仪读头系统信号分析方法，用于分析光学系统中经过光学元件后探测器接收到的测量信号，在ZEMAX中需对各个光学元件建立仿真模型，根据光栅干涉仪位移测量的原理，在ZEMAX非序列模式下进行光栅干涉仪读头结构设计、光学元件选择，搭建光栅干涉仪测量系统仿真模型进行信号分析。根据光路的需求以及不同光学元件的特性，分别设置相应参数，得到光学元件参数对光学系统能量的影响。利用仿真结果对光学系统进行系统优化。

Description

一种基于ZEMAX仿真的外差式光栅干涉仪读头系统信号分析 方法
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于ZEMAX仿真的外差式光栅干涉仪读头系统信号分析方法，可用于双频激光光栅干涉仪读头系统的信号仿真，属于精密测量技术领域。
(二)背景技术
近年来，随着集成电路芯片技术节点的不断收缩，光刻机超精密硅片台对测量精度的需求不断提高，但激光干涉仪测量技术因其测量精度对环境的敏感性而难以满足测量需求。针对该问题，ASML、NIKON等光刻机厂商在其高端光刻机中均采用平面光栅测量技术取代以往的激光干涉测量技术。相比于激光干涉测量技术，平面光栅测量技术凭借其极短的光路而具有极高的环境鲁棒性，从而在实现亚纳米级测量重复性上更具优势。光刻机超精密平面光栅测量技术极为复杂，包括平面光栅干涉仪位移测量技术、大面积高精度二维平面光栅制造技术等多项关键单元技术及光刻机超精密平面光栅测量系统集成技术。平面光栅干涉仪位移测量技术作为最为基础的核心单元技术，是我国光刻机超精密平面光栅测量技术实现突破的关键所在。因此，开展平面光栅干涉仪位移测量技术的相关研究具有重要意义。
ZEMAX Optical Design Program是一种专用光学设计的软件，其广泛应用于光刻物镜、投影物镜等成像设计，光路仿真，以及各种车灯照明设计领域。由于可靠性高，具有强大的光学设计和仿真分析功能。ZEMAX光学设计软件得到光学界的广泛认可和青睐，为光学器件的设计、研究、攻关、仿真做出了重要贡献。
为此有必要设计一种基于ZEMAX仿真的外差式光栅干涉仪读头系统信号分析方法，利用ZEMAX软件强大的光学设计和仿真分析功能对光栅干涉仪位移测量信号进行分析，对光栅干涉仪测量系统的精度提升、可靠性评估、光路设计和光学元件的选择具有指导意义。
(三)发明内容
本发明的目的首先设计了光栅干涉仪位移测量系统的读头结构，然后应用该系统实现光栅干涉仪位移测量；然后基于该系统建立光栅干涉仪位移测量系统仿真模型，利用仿真模型分析最后的测量光束拍频信号情况，对光栅干涉仪位移测量系统的动态仿真提供了重要数据。
本发明的目的是这样实现的：
实现该分析方法的光学系统包括双频激光器Laser，分光镜即BS，偏振分光镜即PBS，检偏器1即P1，检偏器2即P2，波片1即QW1，波片2即QW2，平面反射镜1即M1，平面反射镜2即M2，平面反射镜3即M3，平面反射镜4即M4，透射光栅即Grating，角锥镜1即R1，角锥镜2即R2，光电探测器1即PD1，光电探测器2即PD2；根据光栅干涉位移测量系统读头测量原理，由Laser发射的双频激光束经过BS分束后一部分光透射，一部分光反射，在BS处反射的光Fr经过检偏器P1由PD1接收作为参考信号，在BS处透射的光作为测量光束，经过PBS后，P光透射，S光反射，作为两路测量光束，Fm1光经过QW1转换成圆偏振光，经过M1以利特罗角入射至Grating发生衍射，取Fm1光衍射之后-1级光经过R1再次入射至Grating，Fm1经过Grating被M3反射以原光路返回，依次经过Grating、R1、M1、QW1，Fm1最终在PBS被反射至经过P2由PD2接收，Fm2光经过QW2转换成圆偏振光，经过M2以利特罗角入射至Grating发生衍射，取Fm2衍射之后+1级光经过R2再次入射至Grating，Fm2经过Grating，被M4反射以原路返回依次经过Grating、R2、M2、QW2，Fm2最终在PBS被透射至经过P2由PD2接收。Fm1与Fm2作为两路测量光形成干涉光由PD2接收，经PD1，PD2光电处理后进行解算。由于整套系统仿真在非序列模式下进行设计，所以每个光学元器件都有自身的坐标位置和旋转角度(X,Y,Z)、(Rx,Ry,Rz)。
该方法的具体实施流程如下：
步骤一：设定光栅干涉仪位移测量读头的光学系统参数，即双波长、光源偏振态。
步骤二：在非序列模式中插入多边形物体完成BS模拟模型；
步骤三：利用琼斯矩阵对检偏器P1进行模拟仿真；设检偏器入射光的偏振状态表示为：
Figure BDA0003279271230000021
通过检偏器P1的透射光表示为：
Figure BDA0003279271230000022
Figure BDA0003279271230000031
与
Figure BDA0003279271230000032
之间的通过矩阵J来起转换,则用矩阵表示如下：
Figure BDA0003279271230000033
设μ为检偏器P1透光轴与坐标轴的x轴成的角度，则检偏器P1的琼斯矩阵如下所示：
Figure BDA0003279271230000034
在ZEMAX中非序列透镜参数编辑栏内输入参数，检偏器表面类型选择“琼斯矩阵”。
步骤四：在P1下插入探测面面型作为PD1。
步骤五：在非序列模式中插入多边形物体完成对PBS的仿真模型。
步骤六：利用琼斯矩阵对检偏器P2进行模拟仿真，如步骤三所述；
步骤七：在P2下插入探测面面型作为PD2。
步骤八：利用琼斯矩阵对四分之一波片QW1、QW2进行模拟仿真；
Figure BDA0003279271230000035
其中
Figure BDA0003279271230000036
θ＝45°，其琼斯矩阵为：
Figure BDA0003279271230000037
建立琼斯面型，输入相应参数。
步骤九：插入标准面型，材料输入MIRROR为M1、M2平面反射镜。
步骤十：插入衍射光栅，在衍射中设置±1级衍射级次。
步骤十一：插入多边形物体，建立角锥镜R1、R2仿真模型，选择各个面膜层。
步骤十二：插入标准面型，材料输入MIRROR为M3、M4平面反射镜。
根据光栅干涉仪位移测量系统的原理，分别进行如上所述各个光学元件的仿真，设置相应参数，以及各个光学元件之间的结构设计，得到最后测量信号的仿真相干相位图样。
(四)附图说明
图1光栅干涉仪位移测量系统原理图
图2本发明中双波长设定示意图
图3本发明中光源偏振态设定示意图
图4本发明中系统模型仿真示意图
图5本发明中得到的相干相位图样示意图
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
步骤一：设定光栅干涉仪位移测量系统的参数，即双波长、光源偏振态、光源坐标位置。根据系统要求。双波长选择为632.8nm和632.8001nm，光源设置中选择偏振状态，其中一个光源Jx＝90、Jy＝0，另一个光源Jx＝0、Jy＝90。如图2、3所示。光源坐标为(0，10，0)、(0，10，-5)。
步骤二：在ZEMAX非序列模式下插入多边形物体完成对BS的仿真模型。
具体操作步骤如下：
(1)设置表面类型选择“多边形物体、Prism45.POB”。
(2)两个多边形物体坐标位置：(X,Y,Z)＝(0,0,50)、(Rx,Ry,Rz)＝(270,0,0)，(X,Y,Z)＝(0,20,50)、(Rx,Ry,Rz)＝(90,0,0)。
(3)玻璃类型设定为：H-K9L。
(4)分光处镀膜设定为：“I.95”，其他面镀膜为“AR”。
步骤三：利用琼斯矩阵对检偏器P1进行模拟仿真；设检偏器入射光的偏振状态表示为：
Figure BDA0003279271230000041
通过检偏器P1的透射光表示为：
Figure BDA0003279271230000042
Figure BDA0003279271230000043
与
Figure BDA0003279271230000044
之间的通过矩阵J来起转换,则用矩阵表示如下：
Figure BDA0003279271230000045
设μ为检偏器P1透光轴与坐标轴的x轴成的角度，则检偏器P1的琼斯矩阵如下所示：
Figure BDA0003279271230000051
在ZEMAX中非序列透镜参数编辑栏内输入参数，检偏器表面类型选择“琼斯矩阵”。
具体操作步骤如下：
(1)设置表面类型选择“Jones Matrix”。
(2)P1坐标位置：(X,Y,Z)＝(0,-20,50)(Rx,Ry,Rz)＝(0,0,45)。
(3)在ZEMAX中“(A)(B)(C)(D)”实部和虚部所在位置设定对应参数，分别为“A实部：0.5虚部：0.5”，“B实部：0.5虚部：0”，“C实部：0.5虚部：0”，“D实部：0.5虚部：0.5”。
步骤四：在P1下插入探测面面型作为PD1。
具体操作步骤如下：
(1)设置表面类型选择“矩形探测器”。
(2)PD1坐标位置：(X,Y,Z)＝(0,-30,50)(Rx,Ry,Rz)＝(89,0,0)。
(3)材料选择：“ABSORB”。
步骤五：在非序列模式中插入两个多边形物体完成对PBS的仿真模型。
具体操作步骤如下：
(1)设置表面类型选择“多边形物体、Prism45.POB”。
(2)两个多边形物体坐标位置：(X,Y,Z)＝(0,10,90)、(Rx,Ry,Rz)＝(0,0,0)，(X,Y,Z)＝(0,10,110)、(Rx,Ry,Rz)＝(180,0,0)。
(3)玻璃类型设定为：H-K9L。
(4)分光处镀膜设定为：“PASS-P”，其他面镀膜为“AR”。
步骤六：利用琼斯矩阵对检偏器P2进行模拟仿真，如步骤三所述。
具体操作步骤如下：
(1)设置表面类型选择“Jones Matrix”。
(2)P2坐标位置：(X,Y,Z)＝(0,-20,100)(Rx,Ry,Rz)＝(90,0,45)。
(3)在ZEMAX中“(A)(B)(C)(D)”实部和虚部所在位置设定对应参数，分别为“A实部：0.5虚部：0.5”，“B实部：0.5虚部：0”，“C实部：0.5虚部：0”，“D实部：0.5虚部：0.5”。
步骤七：在P2下插入探测面面型作为PD2；
具体操作步骤如下：
(1)设置表面类型选择“矩形探测器”。
(2)PD2坐标位置：(X,Y,Z)＝(0,-30,100)(Rx,Ry,Rz)＝(89,0,0)。
(3)材料选择；“ABSORB”。
步骤八：利用琼斯矩阵对四分之一波片QW1、QW2进行模拟仿真；
Figure BDA0003279271230000061
其中
Figure BDA0003279271230000062
θ＝45°，其琼斯矩阵为：
Figure BDA0003279271230000063
建立琼斯面型，输入相应参数；
具体操作步骤如下：
(1)设置表面类型选择“Jones Matrix”。
(2)QW1坐标位置：(X,Y,Z)＝(0,10,120)、(Rx,Ry,Rz)＝(0,0,0)，QW2坐标位置：(X,Y,Z)＝(0,30,100)、(Rx,Ry,Rz)＝(-90,0,0)。
(3)在ZEMAX中“(A)(B)(C)(D)”实部和虚部所在位置设定对应参数，QW1参数分别为为“A实部：0.707虚部：0”，“B实部：0虚部：-0.071”，“C实部：0虚部：-0.071”，“D实部：0.707虚部：0”，QW2参数分别为为“A实部：0.707虚部：0”，“B实部：0虚部：-0.071”，“C实部：0虚部：-0.071”，“D实部：0.707虚部：0”。
步骤九：插入标准面型，材料输入MIRROR为M1、M2平面反射镜；
具体操作步骤如下：
(1)设置表面类型选择“标准面”
(2)M1坐标位置(X,Y,Z)＝(0,10,135)、(Rx,Ry,Rz)＝(56.343,0,0)，M2坐标位置(X,Y,Z)＝(0,58,100)、(Rx,Ry,Rz)＝(33.658,0,0)
(3)M1玻璃类型设定：MIRROR，M2玻璃类型设定：MIRROR。
步骤十：插入衍射光栅，在衍射中设置±1级衍射级次；
具体操作步骤如下：
(1)设置表面类型选择“衍射光栅”
(2)衍射光栅坐标：(X,Y,Z)＝(0,35,145)、(Rx,Ry,Rz)＝(-45,0,0)。
(3)玻璃类型设定：BK7。
(4)衍射级次设置：±1级。
步骤十一：插入多边形物体，建立角锥镜R1、R2仿真模型，选择各个面膜层。
具体操作步骤如下：
(1)设置表面类型选择“多边形物体、Prism45.POB”
(2)R1坐标位置：(X,Y,Z)＝(0,50,160)、(Rx,Ry,Rz)＝(112.257,0,0)，R2坐标位置：(X,Y,Z)＝(0,75,120)、(Rx,Ry,Rz)＝(67.805,0,0).
(3)玻璃类型设定：BK7。
步骤十二：插入标准面型，材料输入MIRROR为M3、M4平面反射镜；
具体操作步骤如下：
(1)设置表面类型选择“标准面”
(2)M3坐标位置(X,Y,Z)＝(0,30,135)、(Rx,Ry,Rz)＝(112.7,0,0)，M4坐标位置(X,Y,Z)＝(0,53,110)、(Rx,Ry,Rz)＝(-22.686,0,0)
(3)M3玻璃类型设定：MIRROR，M4玻璃类型设定：MIRROR。
完成每个光学元件的仿真后，根据光栅干涉仪位移测量的光学系统原理，进行坐标空间位置调整，参考光束Fr由PD1接收；测量光束Fm1与测量光束Fm2形成干涉光由PD2接收，在非序列模式下进行设置对应参数，实现整个光学系统的仿真完成。整个光学系统的仿真图如图4所示。两路干涉信号得到的干涉图如图5所示。
根据建立的模型进行光路系统仿真，可以实现对于接收的两路干涉信号的能量分析，根据实际需求，更改某个光学元件的对应参数，进行相应的模型仿真，可以得到该参数对整个系统最后接收的信号的影响，实现对系统优化和可靠性的评估。

Claims (2)

1.基于ZEMAX仿真的外差式光栅干涉仪读头系统信号分析方法，实现该分析方法的光学系统包括双频激光器Laser，分光镜即BS，偏振分光镜即PBS，检偏器1即P1，检偏器2即P2，波片1即QW1，波片2即QW2，平面反射镜1即M1，平面反射镜2即M2，平面反射镜3即M3，平面反射镜4即M4，透射光栅即Grating，角锥镜1即R1，角锥镜2即R2，光电探测器1即PD1，光电探测器2即PD2；根据光栅干涉位移测量系统读头测量原理，由Laser发射的双频激光束经过BS分束后一部分光透射，一部分光反射，在BS处反射的光Fr经过检偏器P1由PD1接收作为参考信号，在BS处透射的光作为测量光束，经过PBS后，P光透射，S光反射，作为两路测量光束，Fm1光经过QW1转换成圆偏振光，经过M1以利特罗角入射至Grating发生衍射，取Fm1光衍射之后-1级光经过R1再次入射至Grating，Fm1经过Grating被M3反射以原光路返回，依次经过Grating、R1、M1、QW1，Fm1最终在PBS被反射至经过P2由PD2接收，Fm2光经过QW2转换成圆偏振光，经过M2以利特罗角入射至Grating发生衍射，取Fm2衍射之后+1级光经过R2再次入射至Grating，Fm2经过Grating，被M4反射以原路返回依次经过Grating、R2、M2、QW2，Fm2最终在PBS被透射至经过P2由PD2接收。Fm1与Fm2作为两路测量光形成干涉光由PD2接收，经PD1，PD2光电处理后进行解算。由于整套系统仿真在非序列模式下进行设计，所以每个光学元器件都有自身的坐标位置和旋转角度(X,Y,Z)、(Rx,Ry,Rz)。其特征在于：根据光栅干涉仪位移测量读头系统的原理，在ZEMAX中进行仿真；
该方法的具体实施流程如下：
步骤一：设定光栅干涉仪位移测量读头的光学系统参数，即双波长、光源偏振态；
步骤二：在ZEMAX非序列模式下插入多边形物体完成对BS的仿真模型；
步骤三：利用琼斯矩阵对检偏器P1进行模拟仿真；设检偏器入射光的偏振状态表示为：
Figure FDA0003279271220000011
通过检偏器P1的透射光表示为：
Figure FDA0003279271220000012
Figure FDA0003279271220000013
与
Figure FDA0003279271220000014
之间的通过矩阵J来起转换,则用矩阵表示如下：
Figure FDA0003279271220000015
设μ为检偏器P1透光轴与坐标轴的x轴成的角度，则检偏器P1的琼斯矩阵如下所示：
Figure FDA0003279271220000021
在ZEMAX中非序列透镜参数编辑栏内输入参数，检偏器表面类型选择“琼斯矩阵”；
步骤四：在P1下插入探测面面型作为PD1；
步骤五：在非序列模式中插入多边形物体完成对PBS的仿真模型；
步骤六：利用琼斯矩阵对检偏器P2进行模拟仿真，如步骤三所述；
步骤七：在P2下插入探测面面型作为PD2；
步骤八：利用琼斯矩阵对四分之一波片QW1、QW2进行模拟仿真；
Figure FDA0003279271220000022
其中
Figure FDA0003279271220000023
θ＝45°，其琼斯矩阵为：
Figure FDA0003279271220000024
建立琼斯面型，输入相应参数；
步骤九：插入标准面型，材料输入MIRROR为M1、M2平面反射镜；
步骤十：插入衍射光栅，在衍射中设置±1级衍射级次；
步骤十一：插入多边形物体，建立角锥镜R1、R2仿真模型，选择各个面膜层；
步骤十二：插入标准面型，材料输入MIRROR为M3、M4平面反射镜。
2.根据权利要求1所述的基于ZEMAX仿真的外差式光栅干涉仪读头系统信号分析方法，其特征在于：根据光栅干涉仪测量原理，在非序列模式下分别对整个系统中每个光学元件建立模型，再对各光学元件空间位置设置，以及其中读头的结构设计，得到最后的仿真效果图。
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