基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测装置

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装置，包括一维位相光栅、调节单元、光电探测单元、存储单元以及信号处理单元；其中，一维位相光栅和光电探测单元依次设于扩束准直系统出射光束的光路上，且一维位相光栅位于扩束准直系统和光电探测单元之间；一维位相光栅上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。本发明检测装置可消除±3级及±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±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。

说明书

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装置。

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基于横向剪切干涉的扩束准直系统波面像差 检测装置，该检测装置可以消除±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。

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装置，包括一 维位相光栅、调节单元、光电探测单元、存储单元以及信号处理单元； 其中，一维位相光栅和光电探测单元依次设于扩束准直系统出射光束的 光路上，且一维位相光栅位于扩束准直系统和光电探测单元之间；

一维位相光栅用于实现对扩束准直系统出射光波的横向剪切；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；

调节单元与一维位相光栅相连，用于实现对一维位相光栅的旋转以 及位置的调节；

光电探测单元与存储单元相连，用于采集一维位相光栅产生的剪切 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 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；

、、位移所对应的x方向剪切干涉图；调节单元控制一维位相光栅 的旋转，使其光栅线条与x轴平行；调节单元进一步控制一维位相光栅 使其沿y轴方向移动，光电探测单元依次采集0、BED Equation.DSMT4|π/2、 BED Equation.DSMT4|π、DSMT4|3π/2相移所对应的y方向剪切干涉图；信号处 理单元根据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 波面像差并传输给存储装置进行存储。

本发明对于检测波面像差较小的扩束准直系统时，利用调节单元控 制一维位相光栅使其沿z轴向靠近光电探测单元方向移动，用于提高所 述检测装置的灵敏度；对于检测波面像差较大的扩束准直系统时，利用 调节单元控制一维位相光栅使其沿z轴向远离光电探测单元方向移动， 用于增大所述检测装置的动态检测范围。

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采用 红外或蓝牙方式进行通信。

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 统的波面曲率半径以及光波发散角，并传输给存储单元进行存储。

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/6，透光部分的宽度为/3，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BED Equation.DSMT4|±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.DSMT4|±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，本发明利用调节单元调节错误！未定义书签。位相光栅和光 电探测单元的间距，当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；当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对光波进行剪切，并利用各相移在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，结构简单且生成成本低。

图1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。

101-激光光源、102-扩束准直系统、201-一维位相光栅、202-调节 单元、203-光电探测单元、204-存储单元、205-信号处理单元。

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设为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。本发明一种基于横 向剪切干涉的扩束准直系统波面像差检测装置，如图1所示，包括一维 位相光栅201、调节单元202、光电探测单元203、存储单元204以及信 号处理单元205；其中，一维位相光栅201和光电探测单元203依次设 于扩束准直系统出射光束的光路上，且一维位相光栅201位于扩束准直 系统和光电探测单元203之间。

一维位相光栅201用于实现对扩束准直系统出射光波的横向剪切； 一维位相光栅201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/6，透光部分的宽度为/3，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，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错误！未定义书签。，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：

错误！未定义书签。方向一维位相光栅的周期为on.DSMT4|p，透光 部分的宽度为，假设，其中，为设定常数。

则x方向一维位相光栅的复振幅透射系数EMBED  Equation.DSMT4|f(x)}可以表示为公式(1)：

(1错误！未定义书签。

其中，错误！未定义书 ，m为一维位相光栅衍射光的级次；ED Equation.DSMT4|表 签。

示卷积运算，uation.DSMT4|θ表示灰色透光部分光线的相位。

对公式(1)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)：

$\left(2\right)n.\mathrm{DSMT}4|I=\frac{4}{{\pi }^2}{\left|\underset{m=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{1}{m}\cos \left(\frac{\theta +\mathrm{\pi m}}{2}\right)\sin \left(\frac{\mathrm{\pi ml}}{2}\right)\right|}^2$

从公式错误！未定义书签。)中可以看出：当相邻透光部分的相位差 ion.DSMT4|θ＝180°，此时一维位相光栅衍射的0级及所有偶数级次衍 射光均消失；当DSMT4|a＝p/3}时，一维位相光栅衍射的级及均消失， 一维位相光栅将入射的光波主要衍射成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。

调节单元202与一维位相光栅201相连，用于实现对一维位相光栅 201的旋转以及位置的调节。调节单元202包括旋转模块、水平调节模 块、竖直调节模块以及轴向调节模块。当在对扩束准直系统的波面像差 进行检测时；为了获取x方向干涉图，旋转模块控制一维位相光栅201 的旋转，使光栅线条与y轴平行，这样来自扩束准直系统的光波经过一 维位相光栅产生的级衍射光干涉形成x方向的剪切干涉图。水平调节模 块进一步控制一维位相光栅201使其沿x轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4， 光电探测单元依次采集对应0、、、43π/2相移的x方向剪切干涉图。为了 获取y方向干涉图，旋转模块控制一维位相光栅201的旋转，使光栅线 条与x轴平行；竖直调节模块进一步控制一维位相光栅201使其沿y轴 方向移动0、p/4、p/2、3p/4，光电探测单元依次采集对应0、ation.DSMT4|π/2、 ation.DSMT4|π、相移的y方向剪切干涉图。

由于一维位相光栅201可以在轴向调节模块的控制下进行轴向调 整，因此本发明检测装置的剪切比可以连续可调。剪切比是剪切干涉仪 (本发明检测装置实际上是一种基于一维位相光栅横向剪切的干涉仪) 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统102 出射的光波的直径之比，如公式(3)

(3)

其中，为水平方向或竖直方向两剪切干涉波面间的剪切量，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)

Equation.DSMT4|δ＝2λd/pD    (4)

其中，Equation.DSMT4|λ为激光光源101的发出光波的波长； ion.DSMT4|d为一维位相光栅201到光电探测单元203之间的距离。从 公式中可以看出，在扩束准直系统102出射光束直径以及一维位相光栅 周期4p一定时，则剪切比相光栅201到光电探测单元204的间距呈线 性变化，从而实现剪切比T4|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102的光波的波面像差为 Equation.DSMT4|w(x，y)，则MT4|±1级衍射光干涉的位相差可以表示 为：，其中为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统的波面像差DSMT4|w(x，y)在x方向上变化 较小时，即较小时，利用轴向调节模块实现 增大一维位相光栅201到光电探测单元203之间的距离DSMT4|d，从而 增大一维位相光栅201相移剪切干涉仪的剪切比|δ，因此本发明检测装 置通过增大剪切比DSMT4|δ，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 Equation.DSMT4|w(x，y)，则|±1级衍射光干涉的位相差可以表示为：，其 中为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 检测的扩束准直系统的波面像差DSMT4|w(x，y)在x方向上变化较大时， 即较大时，利用轴向调节单元202实现减小 一维位相光栅201到光电探测单元之间的距离DSMT4|d，从而减小一维 位相光栅201相移剪切干涉仪的剪切比|δ，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 过减小剪切比使得其具有大的动态检测范围。

光电探测单元203与存储单元204相连，用于采集一维位相光栅201产 生的剪切干涉图并传输给存储单元204。当来自扩束准直系统102的光 波经过一维位相光栅201后主要产生级衍射光，此两束衍射光在光电探 测单元203处的重叠区域内发生干涉。光电探测单元203依次采集0、、、 相移所对应的x方向剪切干涉图x方向剪切干 涉示意图如图3所示。光电探测单元203依次采集0、错误！未定义书签。 MBED Equation.DSMT4|π}、错误！未定义书签。MBED Equation.DSMT4|3π/2}相错误！未 定义书签。对应的y方向干涉图剪切干涉示意图如图4所示。光电探测单 元203将采集的剪切干涉图传输给存储单元204进行存储，其中光电探 测单元203与存储单元204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204与信号处理单元205相连，用于存储光电探测单元203传 输过来的剪切干涉图，以及用于存储信号处理单元205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。

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；其中， 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、对剪切干涉图和进行傅里叶变换，获得和的频谱分布；并进 一步从和的频谱分布中分别获取x，y方向的+1级频谱的中心坐标 和的值。

步骤402、利用值获得x方向的仅含载波位相分 布为$\{\mathrm{EMBEDEquation}.\mathrm{DSMT}4|{\Phi }_c^x=2\pi f_0^{x}x$错误！未定义书签。利用值 获得y方向的仅含载波位相分布为根据x方向剪切干涉 图及y方向剪切干涉图得到 x方向含有载波位相的包裹位相和y方向含有载波位相错误！未 定义书签。位相的包裹位相进行解包裹处理， 获得x方向含有载波位相错误！未定义书签。分位相载波位相错误！未定义书签。 分位相减去载波位相获得x方向差分待测位相 Equation.DSMT4|Φ^x，利用差分位相减去载波位相 获得y方向差分待测位相BED Equation.DSMT4|Φ^y。

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uation.DSMT4|Φ^x和T4|Φ^y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406、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小为{EMBED Equation.DSMT4|错误！未定义书签。，扩束准直波面的曲率半径为，光 波发散角为，则根据公式和可以获得扩束准直系统的波面曲率半径为 BED Equation.DSMT4|R及波面的发散角

利用本检测装置检测扩束准直系统波面像差的过程为：

首先，调节单元202控制一维位相光栅201的旋转，使其光栅线条与y 轴平行。调节单元202进一步控制一维位相光栅201使其沿x轴方向移 动0、p/4、p/2、3p/4，光电探测单元依次采集对应0、π/2、BED Equation.DSMT4|3π/2}相移的x方向剪切干涉图。其次，调节单元202控制 一维位相光栅201的旋转，使其光栅线条与x轴平行；调节单元202进 一步控制一维位相光栅201使其沿y轴方向移动0、p/4、p/2、3p/4， 光电探测单元依次采集对应0、MT4|π/2、MT4|π、MT4|3π/2相移的y方向 剪切干涉图。

光电探测单元203采集x方向干涉图和y方向干涉图；信号处理单元205 对x，y方向的干涉图进行处理，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就 表示了对应不同物理意义的波面像差大小。

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。