用于分析光束波面的方法、相位光栅和设备

摘要

本发明涉及用于对从源(S)到透镜(O

说明书

技术领域

本发明涉及旨在分析用于光学控制的光束的波面的方法、相位 光栅和设备。

该类型的分析旨在为光学设备的技术指标以及在主动光学或自 适应光学中使用的可变形光学元件的操作来控制光学元件。

还可能的是研究不可直接测量的物理现象，诸如，在穿过地球 大气层时或在风洞管道中遇到的随机介质内部的光学指标的变化。 其还可以用于控制电子部件的平面(例如，矩阵焦平面(matrix focal plane))以及用于为功率激光束定形。

背景技术

根据本发明的该类型的分析更具体地依赖于例如在专利FR 2 682 761和FR 2 712 978中描述的且实现的多边偏移干涉法 (multilateral shift interferometry)。

该类型的波面分析是基于使用定位在所要分析的束的路径上的 二维衍射光栅的。

在本说明书的以下部分中将这样的光栅限定为引入相位上的、 强度上的、或相位和强度上的周期性变化的光学设备。因此每个光 栅的特征在于两个函数的复合：一个函数(也称为相位函数)示出 了由相位光栅引入的周期性相位变化，以及另一个函数(也称为强 度函数)示出了由强度光栅引入的周期性强度变化。

根据以申请人名义的专利FR 2 712 978，下文中提到了二维光 栅的定义和组成模式。沿着两个方向规则定位的点(spot)的集合 提供了平面啮合(meshing)。这样的点定义了单元网格。该单元网 格是使得可能执行平面的无缝隙铺盖(gapless tiling)的最小表面。 该单元网格的多边形是这样的最小表面多边形：该多边形的多个边 由将该集合的任一点连接至最近的邻点的段的直平分线支持。二维 光栅是根据平面啮合定位的单元图案的任意重复。平面啮合可以定 义六边形或矩形单元网格，其中正方形网格只是矩形网格的一个特 例。

当用光束(也称为入射束)照射衍射光栅时，可以根据两种等 价方法来描述由光栅衍射的光束(也称为出射束)。

第一种方法在于将出射束看作入射束的复制品。它们被称为子 束，其中每个束对应于一个光栅衍射级。

第二种方法在于将出射束看作由光栅的每个网格所发射的束。 它们也被称为次级束。

在以申请人名义的专利FR 2 712 978和FR 2 795 175中，更具 体地描述了基于衍射光栅的三边形和四边形偏移干涉法。利用基于 衍射光栅的组件，所要分析的束在光学上细分为三个(三边形)或 四个(四边形)出射束。这样获得的出射束的特定光学处理使得观 看由对波面的坡度敏感的点啮合组成的干涉图成为可能。

更具体地，在上面已提到的专利FR 2 712 978中，所描述的三 边形偏移干涉法实现了相位和/或强度二维光栅和空间滤波系统。在 划分为子束的方法中，该光栅在缺陷的共轭平面中将所要分析的入 射束在光学上细分为三个子束。这样获得的三个子束的特定光学处 理使得观看无论所选视平面如何其对比度均不变的由光点的六边形 啮合组成的干涉图成为可能。该干涉图对波面的坡度敏感，并且确 实有可能连续调整动态和敏感度。

视距被定义为分隔所选视平面和所谓的零敏感性平面的距离， 其中，零敏感性平面是定位于空间滤波下游的光栅平面的共轭平面。 在Journal of Optical Society of America A，1995年12月第12期第 12卷，文章“Achromatic Three-Wave(or more)Lateral Shearing Interferometer”中，申请人描述了这样的干涉法向四边形偏移干涉 法的改进，对于四边形偏移干涉法在干涉图中看到的光点的二维啮 合是矩形的，并因此更加适于促进主动光学或自适应光学的应用。

该类型的分析器是消色差的。相反，其实现是复杂的，这是因 为在干涉条纹系统的视平面和光栅之间插入了用于选择子束的空间 滤波系统。此外，空间滤波系统给测量严重干扰的光束或具有非常 大的光谱频带的光束带来了限制。

在专利FR 2 795 175中，申请人提出了该系统的第一种开发： 该专利描述了根据由强度函数(function)(由FI表示)和相位函数 (由FP表示)组成的矩形啮合的二维光栅，其中强度函数定义了 子光孔的矩形啮合，相位函数引入了穿过两个相邻子光孔的称为次 级束的两个束之间的接近于π(模2π)的偏移。

强度函数FI具有矩形单元网格，其中“L”维沿着一个方向而 “l”维沿着另一个方向；相位函数FP具有沿着一个方向的2L维和 沿着另一个方向的2l维的单元网格。单元强度或相位图案被定位在 这些网格上。相位光栅的网格的多个边和强度光栅的网格的多个边 是相吻合的。二维光栅定位于与所要分析的光束垂直的平面中或接 近于该平面，这使束衍射为多个不同的次级束。由出射束干涉所形 成的图像被生成在一个平面中并在该平面中观看，该平面也称为分 析平面。

因此，该类型的分析器具有专利FR 2 712 978中描述的分析器 的性质并额外提供了改进的紧凑性且易于实现。

在专利FR 2 896 583中，申请人提供了前述系统的变化：该专 利描述了根据由强度函数(由FI表示)和相位函数(由FP表示) 组成的六边形啮合的二维光栅，强度函数定义了子光孔的六边形啮 合，相位函数引入了穿过两个相邻子光孔的两个次级束之间的接近 于2π/3(模2π)的相位偏移。

最后，在专利FR 2 897 426中，申请人提出了在上述提及的专 利中披露的技术上的改进，以能够测量分段波面(fragmented·wave surface)而没有关于片段(piece)之间的等级差异幅度的任何限制。 分段波面定义为通过对可能不同大小且在片段之间具有等级差异的 表面分段带有片段之间的可能缝隙来进行非连续定位而组成的表 面。所描述的该技术使用利用了两种不同颜色来执行的两个干涉图 的处理以对具有大测量动态的波面进行分析。

为了制作二维强度和相位光栅，申请人在同一板上执行蚀刻和 金属沉积，以在同一衬底上对强度函数FI和相位函数FP编码。

为了制作该类型的强度和相位光栅，存在一种基于已知光刻技 术的专用加工方法。根据所要编码的图案的类型，这些技术如下：

-蚀刻相位图案(TP)的技术：该技术包括树脂层的沉积、其 绝缘、以及其显影。显影的树脂显著地对相位图案编码，然后利用 干蚀刻法，相位图案被转移到衬底。

-蚀刻和强度图案(TI)技术：该技术包括树脂层的沉积、其 绝缘、之后的其显影。显影的树脂显著地对相位图案编码。金属层 被沉积在该显影的树脂层上。然后该组件被浸入到化学溶液中，这 导致树脂溶解并去除了覆盖树脂的金属区(该方法被称作“拔起(lift off)”)。

现在必须连续执行两个步骤(TP)和(TI)，其中两个步骤互 相要严格对准(这非常难)以做成与专利FR 2 795 175中描述的光 栅同一类型的强度和相位光栅。

为了解决该问题，本发明提出了对光栅进行简化从而可以只以 一个步骤(TP)来制作光栅。此外，本发明使得通过制模或压制， 而从一个母板组件连续加工光栅的复制品(这利用现有技术状态的 解决方案是不可能的)成为可能。

因此本发明旨在在该方向上提供重要的进展。

发明内容

本发明的方法是基于从两个相位函数的复合而得到的相位函数 的，其中第一相位函数对排除区域编码以及第二相位偏移基础函数。

更具体地，本发明致力于分析光束波面的方法，根据：

a)由二维光栅引入的相位函数，二维光栅基本放置在垂直于所 要分析的光束的平面中，与波面的分析平面在光学上共轭，并且使 束衍射为多个不同的出射束，

b)强度函数，以及

c)与所分析的波面的坡度相关的图像失真，该图像由出射束的 干涉形成，在位于距所述光栅平面(P_C)的所选距离处的平面(P_S) 中生成和观看。

在该方法中，由于强度函数在光栅的整个表面上是均匀的，所 以步骤a)包括以下各项的复合：

a1)第一相位函数，也称为排除函数FPE，第一相位函数定义 了有用区域和排除区域的啮合，其中有用区域不引入所分析束的光 的反射或透射中的任何空间相位变化，排除区域引入了快速相位变 化，以及

a2)第二相位函数，也称为基础相位函数FPF，第二相位函数 在两个相邻锥形光束之间引入了与在矩形和六边形啮合中所选的啮 合相对应的相位偏移PHI。

根据该情况，PHI是矩形(或笛卡尔)啮合中的值π，或六边 形啮合中的2kπ/3(k是0，1，或2)。

根据本发明，通过第一相位函数编码的排除区域以寄生出射束 透射入射束穿过排除区域的部分。

该排除区域在寄生出射束上引入了所谓的快速相位变化。快速 相位变化意味着一个变化，该变化的空间演化特性长度(dimension) 根据光栅平面的至少一个方向被包括在沿着该方向的网格的长度的 一小部分中，更具体地，该长度的二十分之一和三分之一之间。

该快速变化导致了寄生出射束被衍射到传播方向，该传播方向 不同于子光孔透射的锥形光束的方向。因此，根据本发明由第一相 位函数编码的排除区域基本上不影响锥形光束中由光栅衍射的能 量。

第二相位函数引入了两个锥形光束之间的相位偏移，其适于作 为与现有技术的相位函数所引入的类型相同的矩形或六边形啮合的 自然函数。

产生如此定义的两个函数的复合的衍射光栅衍射传播并彼此干 涉的锥形光束的矩形或六边形啮合。因此，在平行于光栅平面的任 意视平面中，生成光点的矩形或六边形啮合形式的图像，光点的周 期是排除函数的啮合的周期，并且其对比基本上独立于波长以及视 距。

可在光栅平面(零敏感平面)中看到光点的啮合。有利地，在 位于用户所选的视距处的平面中看到的该啮合作为所要分析的波面 的坡度和所请求的相位动态(dynamic)的函数。

可以在多色光中操作该方法，并且通过调整视距，允许通过连 续调整设备敏感性和动态来测量严重干扰的光束。

此外，该方法使得测量分段波面而没有如专利FR 2 897 426的 申请中描述的片段之间的等级差异幅度上的任何限制是可能的。

因此，关于基于衍射光栅的多边偏移干涉法，用户使他或她的 配置具有动态连续灵活的调整，利用衍射光栅其传输函数不进行复 合而是在两个相位函数之上。该用户还使他或她的配置具有分段波 面的两个颜色测量模式。

本发明的主要优点在于使得通过省略现有技术的强度光栅和相 位光栅的校准的专用步骤来制作双向光栅成为可能。事实上，因此 使得根据相位图案蚀刻技术，在仅仅一个操作中制作根据本发明的 包括排除区域和有用区域的光栅成为可能。

本发明目的还在于用于实现上述方法的相位光栅。这样的相位 编码的二维光栅由相符的两个网格光栅构成：

-对排除函数进行编码并具有单元网格的排除相位光栅，该网 格由两个区域构成，第一有用区域和第二排除区域，在第一有用区 域中入射波的相位不改变，在第二排除区域中对快速相位变化编码； 以及

-对基础相位函数进行编码并具有单元网格的基础相位光栅， 单元网格包括相位单元图案，相位单元图案引入了与两个锥形光束 之间的啮合相对应的相位偏移PHI，两个锥形光束来自排除光栅的 两个相邻网格。

用于对排除函数进行编码的优选的二维相位排除光栅具有矩形 单元网格，其中维L沿着第一啮合方向而维l沿另一个方向，矩形 单元网格被划分为两个区域，有用区域和排除区域，有用区域表面 接近于网格的整个表面的50％。定义有用区域的区域构成排除光栅 的单元网格的按比例变换，而且定义有用区域的区域具有与排除光 栅的单元网格的两个边相符的两个边。

有利地，排除光栅定义方形啮合。

在优选的相位排除光栅中，四个棋盘格可以被应用于排除区域， 棋盘的每个棋盘格具有长度L的分数a作为长度以及宽度l的分数 b作为宽度。排除区域的相位单元图案在穿过棋盘的两个棋盘格的 两个束之间引入了接近于π(模2π)的相位偏移。以此方式，排除 区域上的入射束严重偏移。

以具有某一厚度和透射指标的材料制作的优选的基础相位二维 光栅具有四个棋盘格形状的相位单元图案，其中棋盘的每个棋盘格 具有长L和宽l，两个相邻方形具有不同厚度，从而通过指标的变 化来产生定义的相位函数。

在具有特定厚度的扁平部分(blade)的一个面上执行蚀刻操作。 通过首先照亮所蚀刻的这一面来使用如此生成的光栅。该面上的折 射角大于限制角arc Sin(1/n)(n是扁平部分的光学指标)，排除区域 衍射的寄生出射束服从于与衬底的蚀刻相对的面上的全反射。因此， 寄生出射束从不到达分析平面，并且只有锥形光束可以在分析平面 的方向中传播并彼此干涉。

根据具体实施例：

-排除光栅具有沿着该光栅的一个方向应用不变图案的排除区 域，从而生成由矩形构成的几何结构，矩形的较大的边对应于网格 的边L或l，而矩形的较小的边对应于该较大的边的一个分数(分 别，b或a)。因此，这样的结构具有构成基础相位光栅的单元网格 的一个分数的周期，排除区域的该相位单元图案通过厚度上的变化 引入了穿过两个连续的带的两个束之间的接近于π模2π的相位偏 移。

-排除光栅具有这样的排除区域，该排除区域散射穿过其的入 射流；

-排除光栅具有在厚度“e”上带有阶梯式的周期性变化的排除 区域；

-基础相位光栅(GPF)是棋盘类型的，其中不同等级具有厚 度上的不同。

因此，本发明还涉及集成了这样的光栅的分析设备。该分析设 备是包括以下的类型：

α)输入光学部件，使参考平面与对波面进行分析的平面共轭，

β)上述定义的并定位于垂直于光栅的该参考平面中的相位编码 的二维光栅，用来使束衍射为多个出射束，以及

γ)用于观看通过出射束的干涉所形成的图像的装置，该图像具 有与所分析的波面的坡度相关的失真。

在具体实施例中：

-在衬底的一个面上蚀刻的相位光栅，通过穿过排除网格生成锥 形光束，然后该锥形光束在到衬底的另一面上的全反射中被偏离。

-在透射中操作相位光栅；

-在反射中操作相位光栅。

附图说明

在阅读了以下详细描述并参照了附图之后，本发明的其他特性 和优点将是显而易见的，附图中示出了：

图1A，根据本发明的用于光学元件控制的示例性设备的光学示 图；

图1B，根据本发明的用于测量随机介质(更具体地，如星体的 多色源所发出的束所穿过的地球大气层)的示例性设备的光学示图；

图2，根据本发明的设备的具有矩形啮合的示例性二维光栅；

图3A，根据本发明的设备的具有矩形啮合的排除光栅 (exclusion grating)的网格的示例性几何图；

图3B，根据本发明的设备的具有方形啮合的排除光栅的网格的 示例性几何图；

图3C，是根据本发明的设备的具有矩形啮合的示例性排除光栅 的局部透视图；

图4，是根据本发明的设备的具有矩形啮合的示例性基础相位 光栅的局部透视图；以及

图5，是具有符合本发明的矩形啮合的示例性光栅的透视图。

具体实施方式

图1A和1B示出了可能实现本发明的两个示例性设备。

在图1A中，多色光源S定位于校准透镜O₁的焦点处。透镜 O₁传送的平行光束F照射所要测试的样品，该样品被示例性地示为 具有平行面LA且具有平坦缺陷D₁的扁平部分，平行面LA定位于 平面P_D中。该样品可以是任意其他的光学系统(透镜或反射镜，更 具体地，望远镜反射镜)，或者仅仅是会被(例如)气流扰乱的气体 介质的区域。

在天文学中应用的情况下，在图1B中示出了可能实现本发明 的设备。如星体的远距离源所提供的平面波OP(例如)穿过随机 介质，其指标变化由回旋线表示。

输入组件体现了可能实现根据本发明的方法的光学适应性。该 适应性优选地由具有轴X’X的聚焦系统执行，该聚焦系统由两个透 镜O₂和O₄以及位于中间位置的场透镜O₃组成。该聚焦系统具有以 下功能：一方面，将在平面P_D中分析的束的直径调整到位于平面 P_C中的二维光栅的尺寸；以及另一方面，使所要分析的缺陷所在的 平面P_D与平面P_C在光学上共轭。

可以使用体现这两个平面之间的光学共轭的其他装置。

在分析平面P_C中，定位二维光栅GR(图1A、1B)并且该二 维光栅能够将这些相位函数进行组合。实质上，可以通过放置相符 的光栅GE和GPF两者(例如，如图5的那些光栅)或多于两个的 光栅来构成该光栅。这是描述本发明光栅特性的这些函数的特定组 合。

在所示的示例性实施例中，光栅由排除相位光栅GE和基础相 位光栅GPF构成。

在下文中也称作子函数的排除函数和基础相位函数这两个相位 函数作为同一相位函数的组分。

排除光栅GE产生排除相位子函数(也称作FPE)，其定义了透 射多个锥形光束中所要分析的光束而不引入相位空间变化的有用区 域矩形啮合。

基础相位光栅GPF产生基础相位子函数(所谓的FPF)，其在 两个相邻锥形光束之间引入接近于π(模2π)的平均相位偏移。

在平面中执行这两个函数的顺序并不重要。

根据本发明，干涉图由点的矩形啮合构成。

平面P_C是零敏感平面。

在平面P_S中进行观看，平面P_S位于距平面P_C所选视距“d” 处。在参考UT中提到了由锥形光束干涉构成的光学处理装置和图 像观看装置。

该设备的动态和敏感性随着视距而改变。因此，当“d”为零 时，视平面叠加到分析平面P_C上，光栅位于其中并且敏感性为零。

一般而言，可以使用用于观看平面P_S的附加装置，该附加装置 由(例如)使平面P_S和更易到达的工作平面之间光学共轭的透镜构 成。

图2示出了二维光栅GR，其中，矩形啮合的特征在于矩形单 元网格长“L”且宽“l”。数值L和l典型地包括在50μm和200μm 之间。以虚线示出的啮合MA在最终的光栅中不必须可见。在每个 网格ME中，示出了图案MO，其将强度上的、相位上的、或强度 上和相位上的变化引入到入射光束中。

图3A至3C示出了排除二维光栅，其提供了用来执行根据本发 明方法的排除函数的简单装置。该啮合包括对应于排除区域的灰色 区域Z_E以及构成有用区域Z_U的区域，有用区域是透明的或反射的。

图3A示出了具有长L且宽l的矩形啮合的光栅GE3A。光区域 是有用区域Z_U。以专用方式，这样的光区域的边L_E和l_E分别接近 于2L/3和2l/3。因此，有用区域的表面接近于单元网格ME的表面 的一半。

图3B示出了方形网格类型的具有边L的排除相位光栅GE3B， 这是本发明的最有利的实施例，这是因为光点的方形啮合使得所形 成的图像的光学处理更容易进行。

图3C以局部视图示出了具有以透视图示出的矩形啮合的示例 性排除光栅GE3C，其提供了用来执行根据本发明方法的排除函数 的简单装置。该图将排除区域Z_E示为该排除区域可以具有M_D示出 的四个棋盘格图案(虚线区域示出的图案)。

棋盘上的每个方形格子Kc具有等于基础相位光栅GPF(图4 中所示的GPF4类型)的网格的长L的分数“a”的长度，并具有 等于基础相位光栅的网格的宽l的分数“b”的宽度。在所示的该实 例中，该分数等于l/9。在图5中示出了排除光栅GE3C中的基础相 位光栅GPF4的有用区域中的集成。

覆盖排除区域的光栅示出了厚度“e”上的阶梯式的周期性变化， 从而相邻阶梯之间的厚度e上的差异遵循以下关系：

e＝λ/(n-1)x(k+1/2)

其中：

-λ是平均使用波长，

-“n”是

-在透射中使用相位光栅透射的情况中材料的折射率，或

-在反射中使用相位光栅的情况中的常数3，以及

-k是整数。

图4在透视图中示出了示例性基础二维相位光栅GPF，所示实 例中的GPF4提供了用于产生根据本发明方法的相位函数的简单装 置。该光栅GPF4是具有图案M_2D(由该图中的虚线限制的图案) 的矩形啮合的棋盘类型的，其中，图案M_2D的边等于2L和2l。光 栅GPF4示出了厚度上阶梯式的周期性变化，从而相邻阶梯之间的 厚度“e”上的差异遵循与之前的排除光栅的啮合同一类型的关系：

e＝λ/(n-1)x(k+1/2)

光栅GPF4的灰色表面可以对于在透射中使用的光栅是透明的 或者对于在反射中使用的光栅是反射的。

用于体现光栅GE和GPF(参照图1A和1B)的有利手段在于 利用光刻法蚀刻技术，该技术普遍用于半导体工业中。因此可以通 过蚀刻衬底的一个扁平部分来制作光栅GE和GPF。利用该技术， 只利用衬底的一个扁平部分来制作结合了子函数FPE和FPF(分别 是GE和GPF)两者的二维相位光栅是可能的。

可以通过光栅GE和GPF考虑函数FPE和FPF两者的其他实 施例，例如基于在干涉图光敏感盘上记录的原理，用于从而获得全 息光栅的实施例。也可以考虑基于模压和压制的方法，用于系统地 且只在全局二维相位光栅的一个步骤中进行复制。

当放置在要分析的光束路径上时，光栅GE和GPF的组合使得 生成全相位编码光栅，该全相位编码光栅主要衍射四个锥形光束和 一个寄生出射束。锥形光束可以在分析平面上干涉从而在平行于衍 射光栅平面的任意分析平面中产生光点的矩形啮合形状的图像。

寄生出射束可严重偏离使得无论何时衍射光栅和分析平面之间 的距离是足够的该光栅从不到达分析平面；该束还可以偏离计算出 的角度使得在衬底与蚀刻相对的面上操作全部反射；该束还可以产 生与看到的强度相关的强度的过调制，过调制步骤可以被选择为使 得通过分析平面的像素来滤波。最终，排除区域可以散射光束并因 此生成叠加至锥形光束所生成的干涉图的均匀背景。

图5示出了能够产生相位函数的示例性二维光栅GR，相位函 数通过使排除光栅GE3C(图3C)和基础相位光栅GPF4(图4) 相符来结合排除和基础相位函数。基础相位光栅GPF4定位于光栅 GE3C的啮合M_D中的自由空间中。