专利名称：基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法
技术领域：
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法。
背景技术：
激光器发出的光束虽然具有很好的方向性，但是仍然存在一定的发散角。现有通常采用扩束准直系统来改善其方向性，即将扩束准直系统设置于激光前进的光路上，利用其压缩激光器发出光束的发散角且扩大光束尺寸，此过程就称为激光光束的扩束准直。激光光束的扩束准直在光学精密测量方面及光学成像方面均具有广泛地应用。在光学成像方面，激光扩束准直是激光直写光刻技术中的重要技术，激光光束经过扩束准直系统后光波的像质将直接影响到激光直写的效果，即直接影响激光直写光刻的成像性能，为此，必须对扩束准直系统的波面像差进行检测、校正及控制，从而保证激光直写光刻的高质量的曝光成像。目前，在光学检测技术领域中，主要采用哈特曼法和五棱镜扫描法实现对扩束准直系统的波面像差检测。但上述两种方法都存在着不足，针对于哈特曼法一方面由于其采用较低波面采样能力的阵列孔径进行波面采样，因此影响了待测波面的检测精度；另一方面由于哈特曼板制作难度大，加工工艺限制了哈特曼板的尺寸，从而使其难以测量口径较大的光束。针对于五棱镜扫描法本质上是一种串行的哈特曼法，其通过五棱镜扫描整个待测光波波面实现对待测波面的检测；由于五棱镜面型误差及角度制造误差会对待测波面产生影响，进而影响待测波面的检测精度，为此对五棱镜的加工要求很高，导致加工难度大、 成本高。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法， 该方法可以消除士3级及士3的倍级衍射光的影响，使得所形成的干涉光波主要集中在士 1 级衍射光中，从而提高了检测精度。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下一种基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法，具体步骤为步骤一、在扩束准直系统出射光束的光路上依次设置一维位相光栅和光电探测单元；并设定扩束准直系统出射光束的传播方向为ζ轴，并以ζ轴建立左手坐标系，则水平方向为χ轴，竖直方向y轴；其中，一维位相光栅上相邻透光部分设置不同的刻蚀深度使透过相邻透光部分的光波存在180°相位差；同时，两相邻透光部分之间的非透光部分的宽度为p/6，透光部分的宽度为P/3，ρ为一维位相光栅的周期；且为了保证光电探测单元对剪切干涉图的采样， 设定P彡16β，β为光电探测单元203的像元尺寸；步骤二、旋转一维位相光栅，使光栅线条与y轴平行，进一步控制一维位相光栅使其沿χ轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4，图像探测单元依次采集对应0、π /2、π、3 π /2相移的 χ方向剪切干涉图《，d《，d/2 ；旋转一维位相光栅，使光栅线条与χ轴平行，进一步控制一维位相光栅使其沿y轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4，图像探测单元依次采集对应0、π /2、π、3 π /2相移的y方向剪切干涉图《，々力，《/2 ；步骤三、根据χ方向剪切干涉图P:,PW“和y方向剪切干涉图 ，P/，P3;获取扩束准直系统的波面像差。本发明所述步骤二进一步包括当检测波面像差较小的扩束准直系统时，调节一维位相光栅使其沿ζ轴向靠近光电探测单元方向移动；当检测波面像差较大的扩束准直系统时，调节单元一维位相光栅使其沿ζ轴向远离光电探测单元方向移动。本发明所述获取扩束准直系统的波面像差的具体步骤为步骤401、对剪切干涉图《和《进行傅里叶变换，获得《和《的频谱分布；并进一步从《和P/的频谱分布中分别获取X，y方向的+1级频谱的中心坐标Z。1和//的值；步骤402、利用Z。1值获得χ方向的仅含载波位相分布Φ〗=2^Zci1X ；利用//值获得y 方向的仅含载波位相分布￥ =2O ；步骤403、根据χ方向剪切干涉图Ρ χ,φ,ΚΑχφ及y方向剪切干涉图 Ρ0\Ρπγ/2ΛγΛγπ/2，得到χ方向含有载波位相Φ=的包裹位相Φ0Ρ y方向含有载波位相Φ丨的包裹位相Φ ；利用位相展开技术对χ、y方向的包裹位相Φ^ΡΦ^进行解包裹处理，获得χ方向含有载波位相Φ=的差分位相Φ〗和y方向含有载波位相Φ丨的差分位相Φ5 ；步骤404、利用位相Φ〗减去载波位相Φ=获得χ方向差分待测位相Φχ，利用差分位相Φ〗减去载波位相Φ丨获得y方向差分待测位相Φ7 ；步骤405、利用基于差分泽尼克的波面重构技术对X，y方向的差分波位相Φχ和 Oy进行重构，此时可以获得用37项泽尼克系数及其对应泽尼克多项式的线性组合表示的待测波面，其中，37项泽尼克系数的大小表示波面像差。本发明所述步骤405进一步利用波面像差中表示离焦像差的第4项泽尼克系数获取扩束准直波面的曲率半径为及光波发散角。有益效果本发明采用在一维位相光栅的相邻透光部分设置不同的刻蚀深度使相邻透光部分的透过光波存在180°相位差；同时，两相邻透光部分之间的非透光部分的宽度为ρ/6， 透光部分的宽度为ρ/3，ρ为一维位相光栅的周期，使得一维位相光栅对扩束准直系统出射的光波进行横向剪切后，消除士 3级及士 3的倍级衍射光的影响，所形成的干涉波光的能量主要集中在士 1级衍射光波中，消除了其他倍数级衍射光波对波面像差检测的影响，从而提高了检测精度。其次，本发明通过调节一维位相光栅和光电探测单元的间距，对于检测波面像差较小的扩束准直系统时，增大上述间距，以实现高检测灵敏度；对于检测波面像差较大的扩束准直系统时，减小上述间距，以实现较大的动态检测范围。因此本检测方法使用灵活，可适应于不同的扩束准直系统。再次，相对于现有的扩束准直系统的波面像差检测技术，本检测方法采用一维位相光栅对光波进行剪切，并利用各相移在χ方向剪切干涉图和y方向剪切干涉图计算获取波面像差，检测过程简单。
图1为本发明检测方法的流程图。图2为本发明一维位相光栅的结构示意图。图3为本发明水平方向剪切波面示意图。图4为本发明竖直方向剪切波面示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。本发明一种基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法，如图1所示， 具体步骤为步骤一、在扩束准直系统出射光束的光路上依次设置一维位相光栅和光电探测单元；并设定扩束准直系统出射光束的传播方向为ζ轴，并以ζ轴建立左手坐标系，则水平方向为χ轴，竖直方向y轴；其中，一维位相光栅上相邻透光部分设置不同的刻蚀深度使透过相邻透光部分的光波存在180°相位差；同时，两相邻透光部分之间的非透光部分的宽度为p/6，透光部分的宽度为P/3，ρ为一维位相光栅的周期；且为了保证光电探测单元对剪切干涉图的采样， 设定P彡16β，β为光电探测单元203的像元尺寸。如图2所示，黑色条纹表示非透光部分，白色条纹和灰色条纹表示透光部分；其中通过白色透光部分光线的相位为0°，通过灰色透光部分光线的相位为180°。结合附图2对本发明所采用的一维位相光栅理论分析如下设χ方向一维位相光栅的周期为ρ，透光部分的宽度为a，假设《 = f/，其中，1为设
定常数。则χ方向一维位相光栅的复振幅透射系数f(x)可以表示为公式(1)
权利要求
1.一种基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法，其特征在于，具体步骤为步骤一、在扩束准直系统出射光束的光路上依次设置一维位相光栅和光电探测单元； 并设定扩束准直系统出射光束的传播方向为Z轴，并以Z轴建立左手坐标系，则水平方向为 χ轴，竖直方向y轴；其中，一维位相光栅上相邻透光部分设置不同的刻蚀深度使透过相邻透光部分的光波存在180°相位差；同时，两相邻透光部分之间的非透光部分的宽度为p/6，透光部分的宽度为P/3，ρ为一维位相光栅的周期；且为了保证光电探测单元对剪切干涉图的采样，设定 P彡16β，β为光电探测单元203的像元尺寸；步骤二、旋转一维位相光栅，使光栅线条与y轴平行，进一步控制一维位相光栅使其沿 χ轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4，图像探测单元依次采集对应0、π /2、π、3 π /2相移的χ方向剪切干涉图《，巧2，C，^/2 ；旋转一维位相光栅，使光栅线条与χ轴平行，进一步控制一维位相光栅使其沿1轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4，图像探测单元依次采集对应0、π /2、π、3 π /2相移的y方向剪切干涉图《，巧2，户二 PL·]!,步骤三、根据X方向剪切干涉图《，巧2，巧，《/2和y方向剪切干涉图《，^；2，《，《/2获取扩束准直系统的波面像差。
2.根据权利要求1所述的波面像差检测方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括当检测波面像差较小的扩束准直系统时，调节一维位相光栅使其沿ζ轴向靠近光电探测单元方向移动；当检测波面像差较大的扩束准直系统时，调节单元一维位相光栅使其沿ζ轴向远离光电探测单元方向移动。
3.根据权利要求1所述的波面像差检测方法，其特征在于，所述获取扩束准直系统的波面像差的具体步骤为步骤401、对剪切干涉图《和《进行傅里叶变换，获得《和P/的频谱分布；并进一步从 《和《的频谱分布中分别获取χ，y方向的+1级频谱的中心坐标Z。1和//的值；步骤402、利用Z。1值获得χ方向的仅含载波位相分布ι Φ1=2π/0χχ ；利用//值获得y方向的仅含载波位相分布Φ= =；步骤403、根据χ方向剪切干涉图《，巧2，《，及y方向剪切干涉图《，^；pCZ;, 得到χ方向含有载波位相Φ=的包裹位相Φ3Ρ y方向含有载波位相Φ丨的包裹位相Φ ；利用位相展开技术对x、y方向的包裹位相Φ^ΡΦ^进行解包裹处理，获得χ方向含有载波位相Φ=的差分位相Φ〗和y方向含有载波位相Φ丨的差分位相Φ5 ；步骤404、利用位相Φ〗减去载波位相Φ=获得χ方向差分待测位相Φχ，利用差分位相Φ5 减去载波位相Φ丨获得y方向差分待测位相Φ7 ；步骤405、利用基于差分泽尼克的波面重构技术对x，y方向的差分波位相Φχ和0^进行重构，此时可以获得用37项泽尼克系数及其对应泽尼克多项式的线性组合表示的待测波面，其中，37项泽尼克系数的大小表示波面像差。
4.根据权利要求1所述的波面像差检测方法，其特征在于，所述步骤405进一步利用波面像差中表示离焦像差的第4项泽尼克系数获取扩束准直波面的曲率半径为及光波发散角。
全文摘要
本发明提供一种基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测方法，具体步骤为步骤一、在扩束准直系统出射光束的光路上依次设置一维位相光栅和光电探测单元；步骤二、采集对应0、π/2、π、3π/2相移的x方向剪切干涉图采集对应0、π/2、π、3π/2相移的y方向剪切干涉图步骤三、根据x方向剪切干涉图和y方向剪切干涉图获取扩束准直系统的波面像差。本发明所述方法可以消除±3级及±3的倍级衍射光的影响，使得所形成的干涉光波主要集中在±1级衍射光中，从而提高了检测精度。
文档编号G01M11/02GK102297759SQ20111017391
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者刘克, 李艳秋, 汪海 申请人:北京理工大学