TW202122740A - 用於波前測量之共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀 - Google Patents

Abstract

在一光纖尖端繞射干涉儀中依一共同路徑模式導引參考及測試波。一第一光纖可用於產生該參考波且一第二光纖可用於產生該測試波。各光纖可包含在端面上無塗層之一端處界定一楔形之一單模光纖尖端或一錐形光纖尖端。該光纖尖端繞射干涉儀可包含經安置以接收該測試波及該參考波兩者之一齊明光瞳成像透鏡或系統及經組態以接收該測試波及該參考波兩者之一感測器。

Description

用於波前測量之共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀

本發明係關於光學單模光纖(SMF)尖端波繞射及干涉儀。

光學干涉儀廣泛用於測量一光學元件之表面形狀或一成像系統(折射或反射)之波前像差。在測量中，需要具有已知波前之一球面參考波。可校準球面參考波。在一斐索(Fizeau)干涉儀中，參考波由來自一透射球之一特殊表面之反射產生。表面被稱為參考面，其呈球面且與所產生之球面參考波同心。攜載測量光學器件或成像系統之波前像差資訊的測試波在一2D感測器上干涉參考波以產生稱為干涉圖之干涉圖案。分析干涉圖給出測量光學器件之表面形狀或測量成像系統之波前像差之準確資訊。半導體技術之不斷進步給干涉測量帶來挑戰，即，EUV微影或EUV遮罩檢測中之投影或成像光學系統需要具有比0.1 nm均方根(RMS)提高之一準確度的干涉波前度量方法。為達到亞nmRMS級之波前測量準確度，必須將參考波前校準至亞nmRMS級，且必須儘可能消除來自干涉儀之光學元件及感測器之系統誤差。消除系統誤差之一理念係共同路徑模式，其中測試及參考波在一干涉儀中沿相同路徑行進且兩個波之系統誤差因此在一2D感測器上之干涉程序期間抵消。

例如，在一斐索干涉儀中校準一參考波係一複雜及耗時程序。另一方面，一理想參考波(即，一完美球面波前)無需此複雜校準程序。可藉由使用一單模光纖尖端之遠場繞射波來產生一近乎完美球面參考波用於干涉測量。取決於不同設計，SMF尖端可呈楔形及經超級拋光，經塗覆或未經塗覆。其亦可呈錐形、楔形及經金屬膜側塗覆。

一些先前設計使用塗覆有薄金屬膜之SMF尖端來提高SMF尖端表面之反射率。金屬膜塗層粗糙度或膜塗層之任何曲率會劣化自一SMF尖端透射之遠場繞射參考波之理想球度。即使具有一完美塗層品質，但來自金屬膜塗層之兩個表面之多重反射會使繞射波前失真。即使針對一完全均勻金屬膜塗層，源自尖端之不同行進角之繞射光線將經歷不同路徑長度且因此經歷自一完全均勻金屬膜塗層之不同相移，其使球面繞射波前失真。此外，光纖尖端上之一金屬膜塗層在一寬波長範圍內比一未經塗覆二氧化矽光纖尖端吸收更多光功率，其將在光功率密度足夠大時引起對準之熱效應。因此，使用一經金屬膜塗覆之SMF光纖尖端引起來自光纖尖端之繞射波之球度之不必要問題。

一些先前設計使用兩個不同SMF尖端來分別產生一測試波及參考波。尖端表面經超級拋光且未經塗覆。然而，當兩個波組合在一起以產生干涉圖時，使用一額外光束組合器(例如立方體或板形分束器)，其中測試及參考波在干涉儀中不沿相同路徑行進，因此不在共同路徑模式中。因此，由額外光束組合器引起之兩個波之系統誤差無法抵消以導致波前測量之系統誤差。

一些先前設計使用兩個不同SMF尖端來分別產生測試及參考波。然而，在波前測量程序中，引入兩個波之間自數十微米至數百微米範圍內之一剪切。因此，兩個波在干涉儀中不沿相同路徑行進且其等之系統誤差無法抵消。

因此，需要改良光纖尖端設計及使用方法。

在一第一實施例中，揭示一種光纖尖端繞射干涉儀。該光纖尖端繞射干涉儀包括產生一參考波之一第一光纖及產生一測試波之一第二光纖或一針孔。將該測試波聚焦至其中反射該測試波之一點。在反射該測試波之後，該測試波及該參考波處於一共同路徑模式中。一齊明成像透鏡或一光瞳成像系統經安置以接收該測試波及該參考波兩者。一感測器經組態以接收該測試波及該參考波兩者。該感測器安置於與該第一光纖對置之該齊明成像透鏡或一光瞳成像系統之一側上。

該第一光纖及/或該第二光纖可包含在一端處界定一楔形之一單模光纖尖端。該楔形之一平坦表面不垂直於該光纖之一軸線。該楔形之該平坦表面上不具有一塗層。該平坦表面可安置成相對於該光纖之該軸線成自14°至25°之一角度。該光纖可具有125 μm之一直徑。該平坦表面之表面粗糙度可為自0 nm RMS至0.8 nm RMS，諸如0.4 nm RMS或更小。該光纖可界定一外圓周表面，使得該外圓周表面之至少部分上不具有一塗層。

在一例項中，該光纖界定相鄰於安置該楔形之位置之一點處之一第一直徑及遠離該第一直徑之一非零點處之一第二直徑。該第一直徑及該第二直徑相同。

在另一例項中，該光纖界定相鄰於安置該楔形之位置之一點處之一第一直徑及遠離該第一直徑之一非零點處之一第二直徑。該第一直徑大於該第二直徑。例如，該第一直徑係至少1 mm，且該第二直徑係125 μm。

該第一光纖及/或該第二光纖可為二氧化矽。該第一光纖及/或該第二光纖之一核心可經摻雜。

該光纖尖端繞射干涉儀可進一步包含一成像系統。該測試波可自該第二光纖穿過該成像系統。

該第一光纖及/或該第二光纖可具有含一側金屬塗層之一錐形光纖尖端。

該光纖尖端繞射干涉儀可進一步包含該測試波之一路徑中經組態以校準該測試波及該參考波之一球度之一校準光學器件。

該測試波可自該第一光纖之一端面反射。

該光纖尖端繞射干涉儀可進一步包含一薄膜。該測試波自該薄膜反射且該參考波經導引穿過該薄膜。該薄膜之一表面包含一抗反射塗層。在一例項中，該第一光纖尖端及該第二光纖尖端相對於該薄膜之一反射表面彼此共軛。

該光纖尖端繞射干涉儀可進一步包含與該第一光纖及該第二光纖光學通信之一雷射。

該光纖尖端繞射干涉儀亦可包含：一分束器，其與該雷射光學通信；一第一偏光控制單元，其沿第一雷射路徑；一第二偏光控制單元，其沿第二雷射路徑；一功率控制單元，其沿該第二雷射路徑；一時間延遲控制單元，其沿該第二雷射路徑；及一相移控制單元，其沿該第二雷射路徑。該分束器形成至該第二光纖或該針孔之一第一雷射路徑及至該第一光纖之一第二雷射路徑。

在一第二實施例中，提供一種方法。該方法包括由一第一光纖產生一參考波。由一第二光纖或一針孔產生一測試波。使該測試波自一點反射而沿該參考波之一方向。在該反射之後，該測試波及該參考波係在一共同路徑模式中。在該反射之後，使該參考波及該測試波指向一2D感測器。

該第一光纖可包含在一端處界定一楔形之一單模光纖尖端。該楔形之一平坦表面不垂直於該光纖之一軸線。該楔形之該平坦表面上不具有一塗層。該測試波指向該第一光纖之該平坦表面且用於反射該測試波之該點係在該平坦表面上。

該方法可進一步包含導引該測試波及該參考波穿過一齊明成像透鏡或系統。

該測試波可指向一薄膜且該參考波可經導引穿過該薄膜。用於反射該測試波之該點可在該薄膜上。該薄膜之一表面包含一抗反射塗層。在一例項中，可校準該測試波之一繞射波前。

該第一光纖及/或該第二光纖可具有含一側金屬塗層之一錐形光纖尖端。

該方法可進一步包含使用一校準光學器件來校準該測試波之一繞射波前。

相關申請案之交叉參考 本申請案主張2019年10月28日申請且讓與美國申請案第62/927,118號之臨時專利申請案之優先權，該案之揭示內容以引用的方式併入本文中。

儘管將依據特定實施例來描述本發明，但其他實施例(其包含未提供本文中所闡述之所有益處及特徵的實施例)亦在本發明之範疇內。可在不背離本發明之範疇的情況下作出各種結構、邏輯、程序步驟及電子改變。因此，僅藉由參考隨附申請專利範圍來界定本發明之範疇。

在本發明中，一楔形、端面超級拋光及未經塗覆之SMF尖端用於產生一近乎完美球面參考波。在此，術語「近乎完美」意謂所產生之繞射波在消除平移(piston)、傾斜及散焦之後與波前測量準確度目標相比僅略微偏離一理想球面波，例如，10 pm RMS波前球面偏差遠小於0.1 nm RMS準確度目標。另一類似SMF尖端或一針孔用於藉由繞射來產生一近乎完美測試波，其首先穿過測量光學器件(例如一單一透鏡)或一折射或反射成像系統。測試波攜載測量光學器件或成像系統之像差資訊。接著，測量光學器件或成像系統將測試波聚焦至參考SMF尖端之端面上，端面將測試波反射至參考波傳播之方向。在反射之後，兩個波在干涉儀中沿相同路徑行進，即，其等依共同路徑模式行進。兩個波之系統誤差抵消。在此共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀(FTDI)中，參考SMF尖端之端面用作光束組合器且無需額外光束組合器。反射中不引入兩個波之間的剪切。設計完全利用SMF繞射波前之理想球度及共同路徑模式干涉儀之優點。可使參考SMF尖端表面之橫向大小為mm級或更大以提高測量波前之空間解析度。

在共同路徑模式FTDI之另一設計中，一端面超級拋光及未經塗覆之SMF尖端或一錐形及經金屬膜側塗覆之SMF尖端用於產生一球面參考波。尖端可呈楔形或不呈楔形。參考波透射穿過具有高表面粗糙度及平坦度品質之一傾斜薄膜。類似於第一設計，待測量之攜載像差資訊之測試波由薄膜之前表面(自測試波觀察)反射至參考波傳播之方向。在反射之後，兩個波依共同路徑模式行進。薄膜之後表面經抗反射(AR)塗覆以儘可能自其移除反射。薄膜用作兩個波之一光束組合器。為減小由薄膜所致之系統誤差，將其厚度控制至數百nm或微米級。由參考波透射穿過薄膜引起之參考波之波前誤差可由諸如Zemax之光學設計軟體準確模型化。測試波之焦點不在薄膜之反射表面上。事實上，其係藉由反射膜表面之參考尖端之鏡像。薄膜橫向大小係mm級或更大以達到測量波前之高空間解析度。與共同路徑模式FTDI之第一設計相比，此設計具有參考波SMF尖端設計之完全靈活性。

藉由使用兩個所提出之共同路徑模式FTDI設計，可藉由使用具有已知像差之一透射透鏡(即，其像差已藉由其他方法或藉由將一高品質薄膜用作光束組合器來準確校準)來準確校準SMF尖端繞射波前之球度。

圖1係一楔形、端面超級拋光及未經塗覆SMF尖端之一示意圖。一光纖100包含在一端處界定一楔形之一單模光纖尖端。楔形之一平坦表面101不垂直於光纖100之一軸線102。楔形之平坦表面101上不具有一塗層。因此，光纖100之材料暴露於環境(例如空氣、真空等等)且與該環境接觸。平坦表面101被超級拋光成一平坦表面。超級拋光之後的表面粗糙度通常好於0.4 nm RMS。表面之平坦度應儘可能地高，且應儘可能避免表面之低空間頻率圖形誤差。可使用一專業超級拋光程序達成亞nm峰谷(PV)級之一表面平坦度。

平坦表面101相對於光纖之軸線102成一角度107。軸線102沿光纖100之一中心延伸。103係表面101之法線方向，且104係根據菲涅爾(Fresnel)定律之折射方向。角度107經挑選以產生104之足夠大折射角以完全分離測試波與參考波光錐(參閱圖9、圖13及圖16)。14°及25°之角度107已用於波前模擬中(參閱圖2、圖3、圖4、圖5、圖6A及圖6B)。

在一例項中，光纖100由二氧化矽製成。光纖100包含沿軸線102之光纖100之一中心附近之一光纖核心108及圍繞光纖核心108之一包層109。光纖核心108因摻雜而具有高於包層109之折射率。取決於所使用之光波長，針對一SMF，光纖核心108與包層109之間的折射率差及光纖核心108之直徑兩者將不同。光纖100產生一遠場繞射波前105。SMF 100中之模場(圖1中未展示)亦產生由表面101反射之一光106。

一階變折射率SMF模型用於繞射波前模擬中。標量場惠更斯-菲涅爾(Huygens-Fresnel)繞射理論經數值整合以計算遠場繞射波前。模型包含非近軸效應。首先分析計算光纖中之LP01模場。在尖端平坦表面處，孔徑場(即，尖端表面外之透射場)經計算為LP01模場之菲涅爾透射，其包含光纖核心與包層之間的小折射率差之效應。在此計算中，滿足核心-包層界面及光纖端面處之邊界條件，僅忽略為核心-包層界面與尖端平坦表面之間的相交之無限薄環。經計算孔徑場根據惠更斯-菲涅爾原理來數值傳播至遠場繞射波前。在模擬中，端面上之計算柵格大小係數nm。整合面積與約數µm之LP01模場直徑(MFD)相比足夠大以確保數值誤差可忽略。典型SMF包層直徑係125 µm，但其他直徑係可能的。

此繞射波球度模擬係針對實例性波長355 nm及633 nm兩者及14°及25°之楔角來執行。楔角經界定為SMF軸線(例如圖1中之軸線102)與平坦端面之法線方向之間的角度。除透射波之外，存在自光纖內部之端面反射之波(如由圖1中之反射光106所展示)，其透射穿過光纖100之包層且不會干涉波前測量。當劈開一SMF時，若無端面拋光，則核心區域可包含具有若干nm之深度的一凹陷。此凹陷影響繞射波球度。需要表面拋光尖端，且拋光之品質會影響理想球度。在模擬中，包含0.1 nm之一殘餘凹陷深度。使用0.4 nm RMS之一表面粗糙度。圖2至圖5展示對應於兩個波長及兩個楔角之SMF尖端繞射波之球面波前誤差之澤尼克光譜之實例。圖2至圖5之以下圖表說明中包含SMF尖端參數。在圖2至圖5中，等於0.3之數值孔徑(NA)之繞射波之球度經量化為和方根(RSS)值(以自Z5至Z36之澤尼克項之毫波(一波之1/1000，mWave)為單位)。RSS值中不包含波前之平移、傾斜及散焦誤差。在將RSS mWave轉換成nm RMS之後，所有四個球度實例給出相較於一理想球面波之個位pm RMS波前誤差。即使在光纖核心區域處具有0.3 nm深凹陷，但633 nm及25°情況之模擬僅給出自Z5至Z36之18 pm RMS波前誤差。光纖核心凹陷主要影響散焦Z4。模擬表明，繞射波之最高品質球度之尖端平坦表面上之理想孔徑場係一平面波。尖端拋光程序將儘可能移除表面上之低空間頻率表面結構。模擬亦表明，球度對表面粗糙度(例如小於0.8 nm RMS)不太敏感。

圖2係模擬SMF尖端遠場繞射波之球面波前誤差之澤尼克光譜之一實例。在該實例中，波長係355 nm，光纖核心半徑係571 nm，相對核心-包層折射率差係0.008，波前球面半徑係5 cm，端面粗糙度係0.4 nm RMS，且表面平坦度核心凹陷深度係0.1 nm。尖端表面傾斜角係14°。在圖2中，Z5至Z36和方根(RSS)=0.023 mWave=8 pm RMS。

圖3係模擬SMF尖端遠場繞射波之球面波前誤差之澤尼克光譜之另一實例。在該實例中，波長係355 nm，光纖核心半徑係571 nm，相對核心-包層折射率差係0.008，波前球面半徑係5 cm，端面粗糙度係0.4 nm RMS，且表面平坦度核心凹陷深度係0.1 nm。尖端表面傾斜角係25°。在圖3中，Z5至Z36 RSS=0.018 mWave=6 pm RMS。

圖4係模擬SMF尖端遠場繞射波之球面波前誤差之澤尼克光譜之另一實例。在該實例中，波長係633 nm，光纖核心半徑係931 nm，相對核心-包層折射率差係0.01，波前球面半徑係5 cm，端面粗糙度係0.4 nm RMS，且表面平坦度核心凹陷深度係0.1 nm。尖端表面傾斜角係14°。在圖4中，Z5至Z36 RSS=0.0083 mWave=5 pm RMS。

圖5係模擬SMF尖端遠場繞射波之球面波前誤差之澤尼克光譜之另一實例。在該實例中，波長係633 nm，光纖核心半徑係931 nm，相對核心-包層折射率差係0.01，波前球面半徑係5 cm，端面粗糙度係0.4 nm RMS，且表面平坦度核心凹陷深度係0.1 nm。尖端表面傾斜角係25°。在圖5中，Z5至Z36 RSS=0.013 mWave=8 pm RMS。

圖6A係模擬繞射場之一2D圖，且圖6B係SMF尖端遠場繞射波之模擬場之一1D切片。在圖6A及圖6B之實例中，波長係355 nm，光纖核心半徑係571 nm，相對核心-包層折射率差係0.008，波前球面半徑係5 cm，端面粗糙度係0.4 nm RMS，且表面平坦度核心凹陷深度係0.1 nm。尖端表面傾斜角係25°。

圖6A及圖6B提供355 nm及25°楔角之繞射波之振幅形狀之一典型實例。振幅形狀係近高斯的。峰值振幅方向對應於由史奈爾(Snell)折射定律預測之角度。圖6A及圖6B中之0°角經界定為尖端平坦表面之法線方向(圖1中之103)。圖6A中之圓對應於0.3之NA之光錐大小。在此圓處，儘管波前誤差很低，但振幅下降至峰值之百分之幾。針對0.2之NA，振幅下降至峰值之約10%且波前誤差甚至更低。為測量更大NA光學器件且達成更均勻參考波振幅，針對相同波長，吾人可使用具有一亞微米孔徑之錐形光纖尖端或經金屬膜側塗覆之錐形光纖尖端。另一選項係藉由增大核心-包層折射率差來設計具有較小LP01 MFD之一SMF。波長與MFD之間的比率判定一繞射波之可用測量NA。

圖7係一非共同路徑模式FTDI之一實施例之一圖式。在圖7中，曲線代表SMF。低NA側係影像側且與場側對置。成像系統將源自一影像點之一球面波聚焦至場側之一點。圖7中之光纖尖端可為本文中所揭示之實施例。將在以下段落中解釋此實施例之細節。

圖7中之FTDI係在具有參考光纖尖端與測試波焦點之間的非零剪切的非共同路徑模式中，但圖7中之一些或所有組件可與一共同路徑模式實施例一起使用。使用兩個波源可完全使用兩個波之NA。成像系統可為反射或透射的或可僅為一單一正透射透鏡。球面探測波可在偏光控制之後由來自影像側之SMF尖端繞射或針孔繞射產生。此尖端可呈楔形以將不必要光回饋從成像系統反射離開。在參考光纖尖端側上，雷射在其透過繞射來產生球面參考波之前循序穿過功率控制單元、時間延遲控制單元、相移控制單元及偏光控制單元。圖7之系統可使用自355 nm至近紅外線之一波長。在一實例中，波長係633 nm。功率控制單元可提供干涉圖之最佳對比。若雷射具有寬頻寬且因此具有短同調長度，則時間延遲控制單元準確匹配兩個分支之光學路徑長度。相移控制單元提供測試波前誤差測量中之準確相移步階。此準確相移可在雷射-SMF耦合之前實現於自由空間中或由一SMF線圈實現。在參考分支中，偏光控制單元針對最佳干涉圖對比來匹配兩個波之間的偏光狀態。

使用準確相位步階之記錄2D干涉圖，可藉由使用相移干涉儀之演算法來測量一2D光學相位差(OPD)圖。假定一理想球面參考波前，若已知參考尖端及感測器之各像素兩者之XYZ位置(其包含感測器移位、傾斜、像素XY誤差及表面翹曲誤差)，則可準確計算感測器表面上之測試波前。因為感測器表面不與經測量成像系統之出射光瞳共軛，所以經測量測試波前(相位及振幅兩者)需要自感測器表面準確傳播至出射光瞳(圖7中未展示)。

圖8係繪示用於非共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀中之一楔形光纖尖端之一實施例的一圖式。長粗箭頭將參考波指向與測試波之主光線方向平行之折射方向。自光纖尖端指向遠處之細箭頭表示自光纖中之尖端表面反射之光。

若場側上之測試波NA係0.2，則需要25°之一楔角，其中光纖軸線與根據史奈爾定律之光折射方向之間的角度小至足以使光纖尖端不會遮蔽測試波光錐。參考波折射方向經對準以與測試波之主光線方向平行。2D感測器表面垂直於主光線方向。一典型包層直徑係125 µm以使最小剪切距離為約70 µm。若成像系統光瞳具有邊緣遮蔽，則可減小楔角，因為遮蔽提供更多空間用於尖端適配。

然而，2D感測器之製程誤差會使一感測器自一理想2D均勻像素柵格偏離至一略微伸展像素柵格且可能使感測器表面不平坦(例如歸因於翹曲誤差)。感測器像素亦可具有XY及Z隨機誤差。在校準此等誤差之前，其引起藉由上述非共同路徑光纖尖端繞射干涉儀之波前測量之系統誤差。模擬表明，一1英寸大小感測器之一像素之1/10之一XY伸展或3 µm峰谷表面翹曲已引起約0.1 nm RMS之一系統波前測量誤差。

可藉由使用一白光干涉儀及兩個理想球面波源(諸如兩個SMF尖端)來準確校準一2D感測器之像素XY誤差及表面翹曲誤差。白光干涉儀用於測量感測器表面之Z輪廓。可藉由拼接多個測量圖來獲得整個Z輪廓。可在一典型兩球面波干涉零點測試中使用感測器之多個旋轉定向來測量各像素之像素XY誤差。Z輪廓測量步驟打破上述零點測試中之Z誤差校準與XY誤差校準之間的關聯。

若正確校準上述感測器誤差，則圖8中之測試波可由另一相同楔形SMF尖端暫時替換。在此零點測試中，兩個尖端之XYZ位置可被準確測量至nm級。此可建立參考波源與感測器之間的一準確XYZ座標系。由測試波替換第二光纖尖端可繼續測試波前測量。一準確度限制係測試波焦點之對準。為減小由被測量之成像系統中之邊緣繞射引起之干涉圖中之振鈴效應，可使用具有短同調長度之一寬頻寬光源。

可藉由使用一共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀來避免所有此等複雜感測器校準程序。

圖9係繪示一共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀之一圖式。測試波依相同於圖7之方式自上側耦合至待測量之成像系統中。測試波聚焦至光纖尖端上且由光纖尖端反射。光纖尖端亦產生參考波。圖9中未展示光纖內部藉由光纖尖端端面之反射參考波及透射測試波。反射測試波及產生參考波係在共同路徑模式中。

模擬表明，一楔形及未經塗覆SMF尖端藉由繞射來產生一近乎完美球面波。參考光纖尖端之超級拋光、未經塗覆平坦表面係一高品質反射鏡(例如約125 µm大小)。其功率反射率係約4%，取決於偏光、楔角、波長及光纖材料。在圖9中，尖端楔角可經組態以產生參考波之足夠大折射角，使得測試波及參考波完全分離。測試波聚焦至參考尖端之表面上且反射至折射參考波之方向。參考尖端之楔角係靈活的。藉由測試波之對準(諸如兩個波之間的剪切及聚焦調整)，兩個波在反射之後處於共同路徑模式中，使得光瞳成像光學器件及感測器之系統誤差抵消。此比一非共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀之設計有利。兩個干涉分支之光強度經控制以產生干涉圖之最佳對比。

參考尖端平坦表面上之反射之後的測試波之一相位跳變係約零，且入射角(AOI)甚至高達布魯斯特(Brewster)角，其係約55°。此係因為光纖材料(例如二氧化矽)之折射率之虛部較小。針對355 nm及633 nm兩種波長，此數量分別為1E-9及1E-10數量級。因為參考尖端平坦表面上之斜反射，線性偏光光用於測量。此包含參考測試波反射面(圖9中之頁面平面)之p或s偏光。圓偏光態將由此反射之p偏光與s偏光之間的反射率差改變。若參考SMF尖端由一薄金屬膜塗覆，則膜將引起反射測試波與透射參考波之間的一相位差以產生波前測量之系統誤差。

當測試及參考波之NA在一共同路徑模式設計中接近時，尖端表面上之兩個波之大小接近且反射測試波與透射參考波之間的尖端表面之小不平坦度(例如0.1 nm凹陷)之波前效應將抵消約一半。尖端表面粗糙度(例如小於0.8 nm RMS)對繞射參考波球度影響很小，反射測試波亦如此，因為其等係在共同路徑模式中且遵循相同繞射物理定律。

圖9中之單一成像透鏡代表使測量成像系統之出射光瞳成像至平坦2D感測器之一光瞳觀察系統。為使出射光瞳(其係一球面)不失真地成像至2D感測器，光瞳觀察系統需為齊明的(即，設計遵循正弦條件)。此一系統之一實例係一斐索干涉儀中之一透射球。在圖9中，具有一凹形參考球面之一透射球可結合與參考光纖尖端同心之參考面使用。因為參考波由參考SMF尖端產生，所以透射球之參考面需要AR塗層來自其移除反射干涉。當透射球之參考面未經AR塗覆時，由此表面反射之測試及參考波聚焦回至參考SMF尖端端面(例如圖9中之光纖尖端1)且部分在第二次穿過測量成像系統之後退回至光纖尖端2之尖端端面。一楔形光纖尖端2在波前測量中反射此光學回饋。

當測量成像系統之波前像差較大時，尖端上之聚焦測試波之光點大小亦將較大。一典型125 μm光纖尖端直徑將非常小。成像系統之出射光瞳成像至感測器。當光瞳遠離圖9中之光纖尖端時，因為光纖端等效於光瞳成像路徑中之一極限孔徑，所以其大小將限制感測器上之光瞳解析度。此係因為光瞳成像路徑之NA取決於光纖端大小與出射光瞳與尖端之間的距離之間的比率。

圖10繪示具有mm級或更大端直徑之一楔形及未經塗覆SMF尖端。左側SMF具有典型包層直徑(例如125微米)，但端側具有一較大直徑。與圖1相比，未展示自光纖內部之端面反射之光。圖11繪示一楔形SMF尖端嵌入於一凸緣中。凸緣端面具有mm級或更大之一直徑。左側SMF具有典型包層直徑(例如125微米)。光纖包層及凸緣光學接觸，且凸緣端面依相同楔角超級拋光且未經塗覆。圖11中未展示自光纖內部之端面反射之光。

可使用一楔形及未經塗覆SMF尖端，諸如圖10中所展示之SMF尖端。當光纖核心大小保持相同且左側包層直徑係約125 μm時，尖端直徑係約1 mm或甚至更大。此較大直徑之光纖長度可為約1 cm以易於安裝SMF尖端。此一光纖尖端將具有足夠大之反射面積。

圖11係大反射面積之另一設計。一楔形SMF尖端嵌入於一凸緣中。凸緣之材料應儘可能相同於包層材料。在凸緣內部，包層表面及凸緣(諸如)藉由與包層材料折射率匹配之環氧樹脂來光學接觸。凸緣之端面依相同於SMF尖端之楔角超級拋光且未經塗覆。凸緣端直徑係約1 mm或更大。包層直徑係約125 μm。沿光纖軸線之凸緣厚度可為約若干mm或1 cm以易於安裝。

圖12係具有一金屬側塗層之一錐形光纖尖端。錐形區域之長度可為約數毫米。錐形端之一直徑可小於約1 μm。金屬塗層可為諸如鋁、鎳或鉻之材料。金屬塗層可具有約100 nm之一厚度。尖端平坦端可經超級拋光且可呈楔形或不呈楔形。

圖1、圖9、圖10及圖11中所揭示之實施例描述一折射或反射成像系統或一透射正透鏡之波前測量之共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀(FTDI)。在此等實施例中，一單模光纖(SMF)尖端呈楔形。因此，平坦端面不垂直於光纖軸線。SMF尖端產生干涉儀之一近乎完美球面參考波。一近乎完美球面測試波可由來自一第二SMF尖端或一小型針孔之波繞射或圖12中所展示之具有一金屬側塗層之一錐形光纖尖端產生。在測試波穿過被測量之成像系統或正透鏡之後，其聚焦至楔形參考光纖尖端平坦表面上。在表面上，測試波被反射至傳出參考波之方向。在反射之後，測試及參考波係在共同路徑模式中且在一2D感測器上產生干涉圖。為提高光瞳測量解析度，可使用具有毫米或更大端直徑之專門設計之參考光纖尖端。

圖13繪示共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀之另一實施例。在實施例中，一參考SMF尖端(光纖尖端1)用於產生一近乎完美球面參考波，且一第二SMF尖端(光纖尖端2)或一小型針孔或具有一金屬側塗層之一錐形光纖尖端(如圖12中所展示)用於產生一近乎完美測試波。測試波依相同於圖7或圖9之方式自上側耦合至被測量之成像系統中。一高品質薄膜用作參考波與測試波之間的光束組合器。在圖13中，參考波透射穿過薄膜。面向聚焦測試波之膜表面將測試波反射至參考波之方向。在反射之後，參考及測試波係在共同路徑模式中。薄膜之傾斜角大至足以完全分離聚焦測試波與透射參考波。

反射測試波之薄膜表面未經塗覆，但面向參考光纖尖端之表面經AR塗覆。一高品質AR塗層可將經塗覆表面之反射率降低至小於0.0001以抑制來自此表面之不必要反射。為減小參考波透射穿過薄膜時之波前效應，將薄膜之厚度減小至數百nm。例如，可製成數百nm厚及mm橫向大小之Si₃ N₄ 單晶膜、SiO₂ 膜、金剛石膜或其他材料。由於單晶結構，其表面完全平坦。薄膜對參考波之波前效應可由諸如Zemax之光學設計軟體準確模型化。針對此一薄膜且在自透射參考波移除傾斜及散焦項之後，由於薄膜之波前失真與0.1 nm RMS之準確度目標相比可忽略。圖13中未展示藉由薄膜之未經塗覆表面之反射參考波及透射測試波。此一薄膜可由標準半導體製程製成。兩個干涉分支之光強度及偏光態經控制以產生干涉圖之最佳對比。

圖13中之實施例提供一光纖尖端參考波源之設計靈活性。可使用錐形及經金屬膜側塗覆之光纖尖端(如圖12中所展示)。此類型之參考尖端可產生較大NA之一近乎完美參考波且可用於測量較大NA之成像系統。參考尖端與經AR塗覆薄膜表面之間的距離係mm數量級。如圖13中所展示，測試波之焦點不在薄膜表面上。測試波焦點及參考尖端係薄膜之反射表面之一對共軛影像。在共同路徑模式FTDI之此實施例中，波前測量準確度會受限於薄膜之品質。圖13中之設計可用於無需最高準確度之波前度量應用。如同圖9中之實施例，影像透鏡代表使被測量之成像系統之出射光瞳不失真地成像至一2D感測器之一齊明光瞳觀察系統。參考SMF尖端位於光瞳觀察系統之前焦點之位置處。前焦點包含薄膜之波前效應。

一第二光瞳成像系統可添加至透射測試波(圖13中未展示)之方向上以藉由使用透射測試波與反射參考波之間的干涉來用於對準或波前度量目的。總言之，圖13繪示共同路徑模式FTDI之一第二實施例。

使用一光纖尖端繞射參考波前之優點係其近乎完美球度。因此，吾人可避免一干涉儀(例如一斐索干涉儀)中之一真實參考面之複雜校準程序。當追求亞nm RMS數量級之一波前測量準確度時，必須在使用其之前仔細測量此參考波前(球度)之品質。此參考波前之當前校準法受限於光瞳成像光學器件及2D感測器中之系統誤差。如本文中所揭示，可藉由使用所提出之共同路徑模式FTDI方法來執行光纖尖端繞射波前之球度之新校準法。所揭示之方法移除由於光瞳成像光學器件及2D感測器中之系統誤差之校準準確度限制。

圖14展示一先前設計中之光纖尖端繞射波前之一校準法。兩個類似光纖尖端並排對準且來自其等之兩個波在定位成與兩個尖端相距一距離之一2D感測器上直接干涉。尖端與感測器之間無其他光學元件，其可避免來自其他光學元件之額外誤差。藉由兩個球面波干涉之理想情況模型化測量干涉圖，殘餘可提供繞射波之球度。此校準法假定已知感測器上之各像素之位置之測量XYZ座標。需要亞微米級準確度來達到一亞nm級波前校準準確度。此外，若準確知道感測器像素XYZ，則可使用兩球面波干涉之模型來準確判定兩個源點之位置。然而，一真實2D感測器會具有像素位置平面內誤差，使得像素無法形成一理想均勻2D取樣柵格。感測器表面通常不完全平坦，而是具有翹曲誤差。可準確執行一真實2D感測器之此等兩個誤差之校準。

圖15繪示使用由成像透鏡表示之一成像系統來校準光纖尖端繞射波前。來自兩個類似光纖尖端之兩個波前並排對準。來自其等之兩個波在其穿過成像系統之後於一2D感測器上干涉。兩個波之間的橫向剪切無法為零以使其無法在成像系統中準確依共同路徑模式行進。與圖14中之方法相比，兩個波在成像系統中大致依共同路徑模式行進且成像光學器件及2D感測器之誤差基本上抵消。然而，兩個波之間的此非零橫向剪切使成像程序不完全依共同路徑模式，其將成像光學器件之系統誤差引入至校準中。此系統誤差可由成像系統之光線追蹤模型化基於關於成像系統之詳細資訊校正。

圖16之校準法使用圖9中所揭示之共同路徑模式FTDI。在此干涉儀中，楔形光纖端(光纖尖端1)產生參考波且其平坦端面亦充當一高品質反射鏡。光纖尖端2產生測試波，其首先穿過一校準光學器件(例如一聚焦透鏡)，且接著聚焦至光纖尖端1之端面上。聚焦測試波被反射至參考波傳播之方向。在反射之後，兩個波係在共同路徑模式中且成像系統之系統誤差抵消。校準光學器件之大小大至足以覆蓋測試波之整個NA。為提高光瞳解析度，如同圖10或圖11之一光纖尖端設計可用於替換圖16中之參考光纖尖端1。光纖尖端1位於光瞳成像系統之前焦點之位置處。

校準光學器件塊可在光纖尖端繞射之相同光波長及偏光下校準。針對一單一透鏡，其像差之校準準確度可由諸如一斐索干涉儀之方法達到高達亞nm級。此處所使用之校準光學器件之像差準確度判定所提出之光纖尖端繞射波前校準之準確度。在校準程序中，圍繞其軸線之一旋轉對稱校準光學器件塊可在360°範圍內旋轉多次以平均化其像差，其可進一步提高校準準確度。

在圖16中，光纖尖端2可圍繞測試波之光軸旋轉180°。當使用線性偏光光(例如s偏光)時，不推薦其他旋轉定向，因為旋轉將破壞測試波與參考波之間的偏光匹配條件。光纖尖端2可為具有薄金屬側塗層及亞微米孔徑之一錐形光纖尖端，諸如圖12中所繪示之錐形光纖尖端。可藉由校準多個SMF光纖尖端對來選擇具有最佳波前品質之SMF光纖尖端對。

圖17繪示藉由使用圖13中所揭示之基於薄膜之共同路徑模式FTDI之光纖尖端繞射波前之一第二校準法。在此方法中，無需校準光學器件塊。如同圖13，一高品質薄膜用作來自光纖尖端1及2之兩個繞射波之光束組合器。面向光纖尖端1之薄膜表面經AR塗覆，其可將反射率降低至小於0.0001。面向光纖尖端2之薄膜表面未經塗覆且將來自尖端2之波反射至尖端1波之方向。在反射之後，兩個波依共同路徑模式行進。如之前所討論，薄膜厚度係數百nm。當使用諸如Si₃ N₄ 、SiO₂ 、金剛石膜或其他材料之單晶薄膜時，薄膜表面平坦度品質較高。光纖尖端1之波透射穿過薄膜時之波前效應可由諸如Zemax之軟體工具準確模型化，且在移除傾斜及散焦項之後，參考波之波前失真可忽略。與第一校準法相比，儘管此方法未使用一校準光學器件塊，但其需要一高品質薄膜。兩個尖端至薄膜之距離係mm數量級。兩個尖端相對於薄膜反射鏡彼此共軛。薄膜之傾斜角大至足以完全分離輸入光纖尖端2波與反射光纖尖端2波。光纖尖端1位於成像系統之前焦點處。前焦點包含薄膜之波前效應。

圖18繪示一方法200之一實施例之一流程圖。在201產生一測試波且在202產生一參考波。參考波由一光纖產生，光纖包含在一端處界定一楔形之一單模光纖尖端。楔形之一平坦表面不垂直於光纖之一軸線。楔形之平坦表面上不具有一塗層。在203，使參考波及測試波指向一2D感測器。測試波及參考波可在一共同路徑模式中，測試波及參考波在其等組合在一起之前完全分離。

在一例項中，使測試波指向參考光纖之平坦表面。方法200進一步包含沿參考波之一方向反射測試波。測試波及參考波係在一共同路徑模式中。

在另一例項中，方法200包含導引測試波及參考波穿過一齊明成像透鏡或一光瞳成像系統。

可使用參考光纖、一小型針孔繞射或具有金屬膜側塗層之一錐形SMF尖端之一第二者來產生測試波。測試波及參考波係在一共同路徑模式中。

測試波可指向一薄膜且參考波可經導引穿過薄膜。薄膜之一表面包含一AR塗層。測試波及參考波在薄膜下游處於一共同路徑模式中。在此情況中，參考波可由具有金屬膜側塗層之一錐形SMF尖端產生。

儘管已相對於一或多個特定實施例描述本發明，但應瞭解，可在不背離本發明之範疇的情況下進行本發明之其他實施例。因此，本發明應被視為僅受限於隨附申請專利範圍及其合理解譯。

100:光纖 101:平坦表面 102:軸線 103:法線方向 104:折射方向 105:遠場繞射波前 106:反射光 107:角度 108:光纖核心 109:包層 200:方法 201:產生一測試波 202:產生一參考波 203:使參考波及測試波在共同路徑模式中指向一2D感測器

為更完全理解本發明之性質及目的，應參考結合附圖之以下詳細描述，其中： 圖1係一楔形、超級拋光及未經塗覆之單模光纖(SMF)尖端之一示意圖； 圖2係模擬SMF尖端遠場繞射波之球面波前誤差之澤尼克(Zernike)光譜之一第一實例； 圖3係模擬SMF尖端遠場繞射波之球面波前誤差之澤尼克光譜之一第二實例； 圖4係模擬SMF尖端遠場繞射波之球面波前誤差之澤尼克光譜之一第三實例； 圖5係模擬SMF尖端遠場繞射波之球面波前誤差之澤尼克光譜之一第四實例； 圖6A係模擬繞射場之一實例，且圖6B係SMF尖端遠場繞射波之模擬振幅形狀之一實例； 圖7係一非共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀之一實施例之一圖式； 圖8係繪示用於非共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀中之一楔形光纖尖端之一實施例的一圖式； 圖9係繪示一共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀之一圖式； 圖10係繪示具mm級或更大之端直徑之一楔形SMF尖端的一圖式； 圖11係繪示具有mm級或更大之端直徑之嵌入於一凸緣中之一楔形SMF尖端的一圖式； 圖12係具有一金屬側塗層之一楔形光纖尖端之一示意圖； 圖13係繪示將一高品質薄膜用作一光束組合器之一共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀的一圖式； 圖14係繪示不使用一成像透鏡或一成像系統來校準光纖尖端繞射波前之一圖式； 圖15係繪示使用一成像透鏡或一成像系統來校準光纖尖端繞射波前之一圖式； 圖16繪示藉由使用一共同路徑模式光纖尖端繞射干涉儀(FTDI)來校準光纖尖端繞射波前； 圖17繪示藉由使用基於薄膜之共同路徑模式FTDI來校準光纖尖端繞射波前；及 圖18繪示根據本發明之一方法之一實施例之一流程圖。

Claims (26)

1. 一種光纖尖端繞射干涉儀，其包括： 一第一光纖，其產生一參考波； 一第二光纖或一針孔，其產生一測試波，其中將該測試波聚焦至其中反射該測試波之一點，且其中該測試波及該參考波在反射該測試波之後處於一共同路徑模式中； 一齊明成像透鏡或一光瞳成像系統，其經安置以接收該測試波及該參考波兩者；及 一感測器，其經組態以接收該測試波及該參考波兩者，其中該感測器安置於與該第一光纖對置之該齊明成像透鏡或一光瞳成像系統之一側上。
2. 如請求項1之光纖尖端繞射干涉儀，其中該第一光纖及/或該第二光纖包含在一端處界定一楔形之一單模光纖尖端，其中該楔形之一平坦表面不垂直於該光纖之一軸線，且其中該楔形之該平坦表面上不具有一塗層。
3. 如請求項2之光纖尖端繞射干涉儀，其中該平坦表面安置成相對於該光纖之該軸線成自14°至25°之一角度。
4. 如請求項2之光纖尖端繞射干涉儀，其中該光纖具有125 μm之一直徑。
5. 如請求項2之光纖尖端繞射干涉儀，其中該平坦表面之表面粗糙度係自0 nm RMS至0.8 nm RMS。
6. 如請求項5之光纖尖端繞射干涉儀，其中該平坦表面之一表面粗糙度係0.4 nm RMS或更小。
7. 如請求項2之光纖尖端繞射干涉儀，其中該光纖界定一外圓周表面，且其中該外圓周表面之至少部分上不具有一塗層。
8. 如請求項2之光纖尖端繞射干涉儀，其中該光纖界定相鄰於安置該楔形之位置之一點處之一第一直徑及遠離該第一直徑之一非零點處之一第二直徑，其中該第一直徑及該第二直徑相同。
9. 如請求項2之光纖尖端繞射干涉儀，其中該光纖界定相鄰於安置該楔形之位置之一點處之一第一直徑及遠離該第一直徑之一非零點處之一第二直徑，其中該第一直徑大於該第二直徑。
10. 如請求項9之光纖尖端繞射干涉儀，其中該第一直徑係至少1 mm，且該第二直徑係125 μm。
11. 如請求項1之光纖尖端繞射干涉儀，其中該第一光纖及/或該第二光纖係二氧化矽，且其中該第一光纖及/或該第二光纖之一核心經摻雜。
12. 如請求項1之光纖尖端繞射干涉儀，其進一步包括一成像系統，其中該測試波自該第二光纖穿過該成像系統。
13. 如請求項1之光纖尖端繞射干涉儀，其中該第一光纖及/或該第二光纖具有含一側金屬塗層之一錐形光纖尖端。
14. 如請求項1之光纖尖端繞射干涉儀，其進一步包括該測試波之一路徑中之一校準光學器件，該校準光學器件經組態以校準該測試波及該參考波之一球度。
15. 如請求項1之光纖尖端繞射干涉儀，其中該測試波自該第一光纖之一端面反射。
16. 如請求項1之光纖尖端繞射干涉儀，其進一步包括一薄膜，其中該測試波自該薄膜反射且該參考波經導引穿過該薄膜，且其中該薄膜之一表面包含一抗反射塗層。
17. 如請求項16之光纖尖端繞射干涉儀，其中該第一光纖尖端及該第二光纖尖端相對於該薄膜之一反射表面彼此共軛。
18. 如請求項1之光纖尖端繞射干涉儀，其進一步包括與該第一光纖及該第二光纖光學通信之一雷射。
19. 如請求項18之光纖尖端繞射干涉儀，其進一步包括： 一分束器，其與該雷射光學通信，其中該分束器形成至該第二光纖或該針孔之一第一雷射路徑及至該第一光纖之一第二雷射路徑； 一第一偏光控制單元，其沿該第一雷射路徑； 一第二偏光控制單元，其沿該第二雷射路徑； 一功率控制單元，其沿該第二雷射路徑； 一時間延遲控制單元，其沿該第二雷射路徑；及 一相移控制單元，其沿該第二雷射路徑。
20. 一種方法，其包括： 由一第一光纖產生一參考波； 由一第二光纖或一針孔產生一測試波； 使該測試波自一點反射而沿該參考波之一方向，其中該測試波及該參考波在該反射之後處於一共同路徑模式中；及 在該反射之後，使該參考波及該測試波指向一2D感測器。
21. 如請求項20之方法，其中該第一光纖包含在一端處界定一楔形之一單模光纖尖端，其中該楔形之一平坦表面不垂直於該光纖之一軸線，其中該楔形之該平坦表面上不具有一塗層，且其中測試波指向該第一光纖之該平坦表面且用於反射該測試波之該點不在該平坦表面上。
22. 如請求項20之方法，其進一步包括導引該測試波及該參考波穿過一齊明成像透鏡或系統。
23. 如請求項20之方法，其中該測試波指向一薄膜且其中該參考波經導引穿過該薄膜，其中用於反射該測試波之該點位於該薄膜上，且其中該薄膜之一表面包含一抗反射塗層。
24. 如請求項23之方法，其進一步包括校準該測試波之一繞射波前。
25. 如請求項20之方法，其中該第一光纖及/或該第二光纖具有含一側金屬塗層之一錐形光纖尖端。
26. 如請求項20之方法，其進一步包括使用一校準光學器件來校準該測試波之一繞射波前。

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