专利名称：用于扩束准直系统波面像差检测的装置及方法
技术领域：
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种用于扩束准直系统波面像差检测的装置及方法。
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，主要采用对背景环境和噪声不敏感的横向剪切干涉技术实现对扩束准直系统波面像差的检测。本发明人于2011年6月24日申请的专利授权号为ZL201110174342. I的《一种扩束准直系统波面像差检测装置及方法》专利，其具有如下有益效果在一维位相光栅的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，P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，不仅消除O级及偶数级衍射光，而且还消除±3级及±3的倍级衍射光对检测的影响，所形成的干涉波光的能量主要集中在±1级衍射光波中从而提高了检测精度。其次，本发明利用调节单元调节一维位相光栅A和一维位相光栅B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。因此本检测装置使用灵活，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，本检测装置采用一维位相光栅作为剪切单元对光波进行剪切，并利用相移技术分别在X方向剪切干涉图和y方向剪切干涉图计算获取波面像差，精度高、结构简单且成本低。但是，由于在该装置中，需要对X，y两个方向的剪切波面信息分别测量以获得完整的扩束准直系统波面像差，即在完成X方向剪切波面信息测量后，需要分别对一维位相光栅A和一维位相光栅B进行90度旋转操作以进行y方向剪切波面信息测量，此时，需要重新调节一维位相光栅A和一维位相光栅B以保证前述两个光栅的线条方向平行，从而影响了检测的速度。另外，由于一维位相光栅A和一维位相光栅B的间距决定了本发明装置的剪切比，剪切比在一定程度上决定了波面检测精度。在90度旋转操作前后，由于旋转调节装置的轴向跳动误差，使得一维位相光栅A和一维位相光栅B之间的间距会发生变化，即X，y两个方向的剪切波面信息测量是在不同剪切比下完成的，一定程度上影响了检测的精度。由于前述两点不足，还需要进一步提高该装置波面检测的速度和检测精度高。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于扩束准直系统波面像差检测装置及方法，采用本发明可以同时实现X，y方向的剪切波面信息测量，从而提高了检测速度和检测精度。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下—种用于扩束准直系统波面像差检测装置，包括剪切单元、调节单元、成像单元，光电探测单元、存储单元以及信号处理单元；其中，剪切单元、成像单元与光电探测单元依次设置于扩束准直系统出射光束的光路上，剪切单元位于扩束准直系统与成像单元之间；首先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X轴，竖直方向y轴。所述剪切单兀沿光路方向依次包括一维位相光栅A、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D ;所述剪切单元中四个光栅的光栅平面相互平行且与所述出射光束的光路垂直；其中，一维位相光栅A和一维位相光栅B的结构相同，其上设有与X方向相互平行的光栅条纹组，所述光栅条纹组上光栅条纹的布设方式为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, P为一维位相光栅的周期,设定P ^ 16 β , β为光电探测单元的像元尺寸；其中，位相光栅C和位相光栅D的结构相同，其上设有两光栅条纹组，其中一光栅条纹组与X方向相互平行，另一光栅条纹组与I方向相互平行，且两光栅条纹组互不相交；所述两光栅条纹组的光栅条纹的布设方式与一维位相光栅的光栅条纹相同；调节单元分别与一维位相光栅Α、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D相连，用于控制一维位相光栅Α、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D的旋转，以及控制位相光栅C和位相光栅D的位置移动；成像单元用于将剪切单元X、y方向剪切干涉产生的剪切干涉图成像到光电探测单元上；光电探测单元与存储单元相连，用于采集两方向上的剪切干涉图并传输给存储单元;存储单元与信号处理单元相连，用于存储光电探测单元传输过来的两方向上的剪切干涉图，以及用于存储信号处理单元传输过来的扩束准直系统的波面像差；信号处理单元用于根据存储单元存储的剪切干涉图计算扩束准直系统的波面像差。本发明当检测波面像差较小的扩束准直系统时，调节单元增大位相光栅C与位相光栅D之间的距离；当检测波面像差较大的扩束准直系统时，调节单元减小位相光栅C与位相光栅D之间的距离。本发明所述存储单元与光电探测单元以及信号处理单元之间可以采用蓝牙或红外进行通信。本发明所述信号处理单元根据剪切干涉图进一步获取扩束准直系统的波面曲率半径和光波发射角，并传输给存储单元进行存储。
一种利用所述扩束准直系统波面像差检测装置的检测方法，具体步骤为步骤一、调节单元旋转一维位相光栅A、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D，使四者上I方向光栅的线条方向与X轴平行；步骤二、调节单元控制位相光栅D同时沿X方向和y方向移动，且依次移动0、p/4、p/2、3p/4的距离，成像单元依次成像对应O、31 /2、>3ji/2相移的x方向和y方向剪切干涉图和片，，并由光电探测单元探测接收；步骤三、根据X方向剪切干涉图C，P!2, fg :和y方向剪切干涉图 片卜P:,尽获取扩束准直系统的波面像差。
有益效果本发明相对于现有的扩束准直系统的波面像差检测技术，其在剪切单元中相光栅C和位相光栅D，使得本发明检测装置能够同时测量X，y方向的剪切干涉图的测量，且同时利用相移技术从X方向剪切干涉图和y方向剪切干涉图计算获取波面像差，其具有高的检测速度和检测精度。其次，本发明利用调节单元调节位相光栅C和位相光栅D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。因此本检测装置使用灵活，可适应于不同的扩束准直系统。
图I为本发明检测装置的结构示意图。图2为本发明一维位相光栅A的结构示意图。图3为本发明一维位相光栅B的结构示意图。图4为本发明位相光栅C的结构示意图。图5为本发明位相光栅D的结构示意图。图6为本发明水平方向剪切波面示意图。图7为本发明竖直方向剪切波面示意图101-激光光源、102-扩束准直系统、201-剪切单元、202-调节单元、203-成像单元、204-光电探测单元、205-存储单元、206-信号处理单元。
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。首先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X轴，竖直方向y轴。本发明用于扩束准直系统波面像差检测装置，如图I所示，包括剪切单元201、调节单元202、成像单元203、光电探测单元204、存储单元205以及信号处理单元206 ;其中，剪切单元201、成像单元203与光电探测单元203依次设置于扩束准直系统出射光束的光路上，剪切单元201位于扩束准直系统与成像单元203之间。剪切单兀201包括一维位相光栅A、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D。一维位相光栅A、一维位相光栅B，位相光栅C和位相光栅D四个光栅平面相互平行且与所述出射光束的光路垂直；其中，一维位相光栅A和一维位相光栅B的结构相同,其上设有与X方向相互平行的光栅条纹组，所述光栅条纹组上光栅条纹的布设方式为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，p为一维位相光栅的周期；且为了保证光电探测单元203对剪切干涉图的采样，设定P > 16 β, β为光电探测单元203的像元尺寸。如图2和3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°。对本发明所采用的一维位相光栅理论分析如下设X方向一维位相光栅的周期为P，透光部分的宽度为a，假设β = 其中，I为
设定常数。·
则X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(I)/(X) =/,(X) ^ δ{—-ητ)(I)
W=- P
&χρ( θ) (I-/')<.vc^·其中，/tv)= Iρ_Ρ/,γ,ρ ，m为一维位相光栅衍射光的级次；
° “
0表示卷积运算，Θ表示灰色透光部分光线的相位，I表示位相光栅C和位相光栅D之间的距离。对公式(I)进行傅里叶变换得到X方向一维位相光栅的衍射光强度分布如公式
(2)
Γ π τ 4 I θ + ππι、. ,KmL ', r,、/ = — V —cos(-)sin(-)V 2 )
r m 22从公式(2)中可以看出当相邻透光部分的相位差Θ =180°，此时一维位相光栅衍射的O级及所有偶数级次衍射光均消失；当I = 2/3，即a = p/3时，一维位相光栅衍射的±3级及±3的倍级衍射光均消失，一维位相光栅将入射的光波主要衍射成±1级衍射光。因此采用上述设计得到的一维位相光栅可以将来自扩束准直系统的光波主要衍射成土 I级衍射光。位相光栅C和位相光栅D的结构相同，其上设有两光栅条纹组，其中一光栅条纹组与X方向相互平行，另一光栅条纹组与I方向相互平行，且两光栅条纹组互不相交；所述两光栅条纹组的光栅条纹的布设方式与一维位相光栅的光栅条纹相同；即位相光栅C中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，P为一维位相光栅A的周期。位相光栅C的结构示意图如图4所示。位相光栅D的结构示意图如图5所示。调节单元202与一维位相光栅A、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D分别相连，用于控制一维位相光栅A、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D的旋转，以及控制位相光栅C和位相光栅D的位置移动。测量前，调节单元202旋转一维位相光栅A、一维位相光栅B及位相光栅C和位相光栅D，使四者上的y方向光栅的线条方向都与X轴平行。扩束准直系统出射的光波经过剪切单元201产生的X方向± I级衍射光干涉形成X方向的剪切干涉图及y方向±1级衍射光干涉形成y方向的剪切干涉图。调节单元202进一步控制位相光栅D同时沿X和y轴移动0、p/4、p/2、3p/4，成像单元203依次成像对应O、Ji /2、π、3 π /2相移的X和γ方向剪切干涉图片，仏W，巧/2和/f，并由光电探测单元204探测接收。为了适应具有不同波面像差的扩束准直系统所述调节单元202可以进一步对位相光栅C与位相光栅D之间的距离I进行调节。当检测波面像差较小的扩束准直系统时，调节单元202通过增大所述距离1，实现提高所述检测装置的灵敏度。当检测波面像差较大的扩束准直系统时，调节单元202通过减小所述距离I，实现增大所述检测装置的动态检测范围。 上述提高灵敏度以及增大动态检测范围的具体理论论述如下剪切比是剪切干涉仪的一种重要参数，小的剪切比可以实现大的动态检测范围，大的剪切比又可以实现高的检测灵敏度。所述剪切比为剪切量与扩束准直系出射的光波的直径之比,如公式(3)δ = s/D(3)其中，s为水平方向或竖直方向两剪切干涉波面间的剪切量，D为准直扩束系统102出射光束的直径大小。本检测装置中剪切比如公式(4)δ =2Al/pD(4)其中，λ为激光光源发出光波的波长；1是位相光栅C与位相光栅D之间的距离。从公式中可以看出，在扩束准直系统102出射光束直径D以及一维位相光栅A周期P —定时，则剪切比δ随着位相光栅C与位相光栅D之间的距离I呈线性变化，从而实现剪切比δ的连续可调，从而本检测装置可以通过改变剪切比实现高的检测灵敏度及大的检测动态范围。针对于大的剪切比可以实现高的检测灵敏度的原理如下以X方向剪切干涉原理为例，假设来自扩束准直系统的光波的波面像差为《U，y)，则±1级衍射光干涉的位相差
可以表示为φ = 2π/χ + δΜ^}；)，其中20为±1级衍射光引入的载波位相，为X方向剪切干涉图的载波频率，^^为待测波面像差在X方向的微分。当检测的扩束准直系
OX
统的波面像差W(x，y)在X方向上变化较小时，即^较小时，通过增大所述距离1，从而
r.v
增大一维位相光栅相移剪切干涉仪(本发明的检测装置为一种相移剪切干涉仪)的剪切比s，因此本发明检测装置通过增大剪切比s，实现对小像差的扩束准直系统的波面检测，即提高本发明检测装置的检测灵敏度。针对于小的剪切比可以实现大的动态检测范围的原理如下以X方向剪切干涉原理为例，假设来自扩束准直系统102的光波的波面像差为w(x，y)，则±1级衍射光干涉的
位相差可以表示为# = 20 +占^^，其中2； /^为±1级衍射光引入的载波位相，$为X方向剪切干涉图的载波频率，^^为待测波面像差在X方向的微分。当检测的扩束
OX
准直系统的波面像差W (X，y)在X方向上变化较大时，即^^较大时，通过减小所述距离
OX
1，从而减小一维位相光栅相移剪切干涉仪的剪切比s，由于针对于每一剪切干涉仪，其所检测的位相差的最大值是相对固定的，因此本发明检测装置通过减小剪切比s使得其具有大的动态检测范围。光电探测单元204与存储单元205相连，用于采集剪切单元201产生的两方向上的剪切干涉图并传输给存储单元205。当来自扩束准直系统102的光波经过剪切单元201后主要同时产生X方向的±1级衍射光和y方向的±1级衍射光。而且，X方向的±1级 衍射光和y方向的± I级衍射光在光电探测单元203处的重叠区域内分别发生干涉。成像单元203依次成像对应O、/2、π、3 π /2相移的X和y方向剪切干涉图片，02，C，Pi/2和
，并由光电探测单元204探测接收。X方向剪切干涉示意图如图6所示，y方向剪切干涉示意图如图7所示。光电探测单元204将采集的剪切干涉图传输给存储单元205进行存储，其中光电探测单元204与存储单元205之间可以通过蓝牙或红外等无线的方式进行图像传输。存储单元205与信号处理单元206相连，用于存储光电探测单元204传输过来的剪切干涉图，以及用于存储信号处理单元206传输过来的扩束准直系统的波面像差、波面曲率半径以及激光发散角。信号处理单元206用于根据存储单元205存储的剪切干涉图计算扩束准直系统的波面像差、波面曲率半径以及激光发散角。根据波面像差与扩束准直系统失调量之间的灵敏度矩阵关系，获得扩束准直系统的失调量，并根据此失调量值对扩束准直系统进行校正。同时可以根据波面曲率半径对扩束准直系统的出射的光波进行判断，例如当波面曲率半径为无穷大时，则判定扩束准直系统的出射光波为平行平面波。上述存储单元205与光电探测单元204以及信号处理单元206之间可以采用蓝牙或红外进行通信。上述根据剪切干涉图计算波面像差、波面曲率半径以及激光发散角的方法如下步骤401、根据X方向剪切干涉图tPUP伞及y方向剪切干涉图P0\P^,P,Pll2，得到X方向的包裹位相Φ,和y方向的包裹位相φ〖,。利用位相展开技术对x、y方向的包裹位相Φ3ΡΦ〖,进行解包裹处理，获得X方向差分位相和y方向的差分位相Φ5。步骤402、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。步骤403、利用波面像差中表示离焦像差的第4项泽尼克系数获取曲率半径为及发散角。假设扩束准直系统待测波面的直径为I，离焦像差大小为σ，扩束准直波面的曲率半径为R，光波发散角为炉，则根据公式σ =1/21 和炉=之/^可以获得扩束准直系统的波面曲率半径为R及波面的发散角炉。一种运用上述扩束准直系统波面像差检测装置的检测方法，具体步骤为
步骤一、调节单元202旋转一维位相光栅A、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D，使四者上的y方向光栅(即为与X方向相互平行的光栅条纹组所组成的光栅)的线条方向都与X轴平行；步骤二、调节单元202进一步控制位相光栅D同时沿X方向和y方向移动，且依次移动O、p/4、p/2、3p/4的距离，成像单元203依次成像对应O、π /2、π、3 π /2相移的χ方向和y方向剪切干涉图片，仏和，并由光电探测单元204探测接收；步骤三、根据X方向剪切干涉图C，P!2, fg :和y方向剪切干涉图 乓2，Pr\每获取扩束准直系统的波面像差。虽然结合了附图描述了本发明的具体实施方式
，但是对于本领域技术人员来说，
在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种用于扩束准直系统波面像差检测装置，包括剪切单元、调节单元、成像单元，光电探测单元、存储单元以及信号处理单元；其中，剪切单元、成像单元与光电探测单元依次设置于扩束准直系统出射光束的光路上，剪切单元位于扩束准直系统与成像单元之间；其特征在于 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X轴，竖直方向y轴； 所述剪切单兀沿光路方向依次包括一维位相光栅A、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D ;所述剪切单元中四个光栅的光栅平面相互平行且与所述出射光束的光路垂直；其中，一维位相光栅A和一维位相光栅B的结构相同，其上设有与X方向相互平行的光栅条纹组，所述光栅条纹组上光栅条纹的布设方式为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,P为一维位相光栅的周期,设定P > 16β , β为光电探测单元的像元尺寸； 其中，位相光栅C和位相光栅D的结构相同，其上设有两光栅条纹组，其中一光栅条纹组与X方向相互平行，另一光栅条纹组与I方向相互平行，且两光栅条纹组互不相交；所述两光栅条纹组的光栅条纹的布设方式与一维位相光栅的光栅条纹相同； 调节单兀分别与一维位相光栅Α、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D相连,用于控制一维位相光栅Α、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D的旋转，以及控制位相光栅C和位相光栅D的位置移动； 成像单元用于将剪切单元X、y方向剪切干涉产生的剪切干涉图成像到光电探测单元上； 光电探测单元与存储单元相连，用于采集两方向上的剪切干涉图并传输给存储单元；存储单元与信号处理单元相连，用于存储光电探测单元传输过来的两方向上的剪切干涉图，以及用于存储信号处理单元传输过来的扩束准直系统的波面像差； 信号处理单元用于根据存储单元存储的剪切干涉图计算扩束准直系统的波面像差。
2.根据权利要求I所述用于扩束准直系统波面像差检测装置，其特征在于，当检测波面像差较小的扩束准直系统时，调节单元增大位相光栅C与位相光栅D之间的距离；当检测波面像差较大的扩束准直系统时，调节单元减小位相光栅C与位相光栅D之间的距离。
3.根据权利要求I所述用于扩束准直系统波面像差检测装置，其特征在于，所述存储单元与光电探测单元以及信号处理单元之间可以采用蓝牙或红外进行通信。
4.根据权利要求I所述用于扩束准直系统波面像差检测装置，其特征在于，所述信号处理单元根据剪切干涉图进一步获取扩束准直系统的波面曲率半径和光波发射角，并传输给存储单元进行存储。
5.利用权利要求I 4中任意一项所述用于扩束准直系统波面像差检测装置的检测方法，其特征在于，具体步骤为 步骤一、调节单元旋转一维位相光栅A、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D，使四者上Y方向光栅的线条方向与X轴平行； 步骤二、调节单元控制位相光栅D同时沿X方向和y方向移动，且依次移动0、p/4、p/2、3p/4的距离，成像单元依次成像对应O、31 /2、>3ji/2相移的x方向和y方向剪切干涉图，并由光电探测单元探测接收； 步骤三 、根据X方向剪切干涉图片，$2, .和y方向剪切干涉图片’，爷2，C，苟获取扩束准直系统的波面像差。
全文摘要
本发明提供一种用于扩束准直系统波面像差检测装置及方法，该装置包括剪切单元、调节单元、成像单元，光电探测单元、存储单元以及信号处理单元；其中，剪切单元、成像单元与光电探测单元依次设置于扩束准直系统出射光束的光路上，剪切单元位于扩束准直系统与成像单元之间；所述剪切单元沿光路方向依次包括一维位相光栅A、一维位相光栅B、位相光栅C和位相光栅D；所述剪切单元中四个光栅的光栅平面相互平行且与所述出射光束的光路垂直；采用本发明可以同时实现x，y方向的剪切波面信息测量，从而提高了检测速度和检测精度。
文档编号G01J9/02GK102879111SQ20121038201
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者刘克, 汪海, 李艳秋 申请人:北京理工大学