基於橫向剪切幹涉的擴束準直系統波面像差檢測方法
2023-10-23 12:48:52 1
專利名稱：基於橫向剪切幹涉的擴束準直系統波面像差檢測方法
技術領域：
本發明屬於光學檢測技術領域，具體涉及基於橫向剪切幹涉的擴束準直系統波面像差檢測方法。
背景技術：
雷射器發出的光束雖然具有很好的方向性，但是仍然存在一定的發散角。現有通常採用擴束準直系統來改善其方向性，即將擴束準直系統設置於雷射前進的光路上，利用其壓縮雷射器發出光束的發散角且擴大光束尺寸，此過程就稱為雷射光束的擴束準直。雷射光束的擴束準直在光學精密測量方面及光學成像方面均具有廣泛地應用。在光學成像方面，雷射擴束準直是雷射直寫光刻技術中的重要技術，雷射光束經過擴束準直系統後光波的像質將直接影響到雷射直寫的效果，即直接影響雷射直寫光刻的成像性能，為此，必須對擴束準直系統的波面像差進行檢測、校正及控制，從而保證雷射直寫光刻的高質量的曝光成像。目前，在光學檢測技術領域中，主要採用哈特曼法和五稜鏡掃描法實現對擴束準直系統的波面像差檢測。但上述兩種方法都存在著不足，針對於哈特曼法一方面由於其採用較低波面採樣能力的陣列孔徑進行波面採樣，因此影響了待測波面的檢測精度；另一方面由於哈特曼板製作難度大，加工工藝限制了哈特曼板的尺寸，從而使其難以測量口徑較大的光束。針對於五稜鏡掃描法本質上是一種串行的哈特曼法，其通過五稜鏡掃描整個待測光波波面實現對待測波面的檢測；由於五稜鏡面型誤差及角度製造誤差會對待測波面產生影響，進而影響待測波面的檢測精度，為此對五稜鏡的加工要求很高，導致加工難度大、 成本高。
發明內容
本發明的目的是提出一種基於橫向剪切幹涉的擴束準直系統波面像差檢測方法， 該方法可以消除士3級及士3的倍級衍射光的影響，使得所形成的幹涉光波主要集中在士 1 級衍射光中，從而提高了檢測精度。為實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下一種基於橫向剪切幹涉的擴束準直系統波面像差檢測方法，具體步驟為步驟一、在擴束準直系統出射光束的光路上依次設置一維位相光柵和光電探測單元；並設定擴束準直系統出射光束的傳播方向為ζ軸，並以ζ軸建立左手坐標系，則水平方向為χ軸，豎直方向y軸；其中，一維位相光柵上相鄰透光部分設置不同的刻蝕深度使透過相鄰透光部分的光波存在180°相位差；同時，兩相鄰透光部分之間的非透光部分的寬度為p/6，透光部分的寬度為P/3，ρ為一維位相光柵的周期；且為了保證光電探測單元對剪切幹涉圖的採樣， 設定P彡16β，β為光電探測單元203的像元尺寸；步驟二、旋轉一維位相光柵，使光柵線條與y軸平行，進一步控制一維位相光柵使其沿χ軸方向移動0、p/4、p/2、3p/4，圖像探測單元依次採集對應0、π /2、π、3 π /2相移的 χ方向剪切幹涉圖《，d《，d/2 ；旋轉一維位相光柵，使光柵線條與χ軸平行，進一步控制一維位相光柵使其沿y軸方向移動0、p/4、p/2、3p/4，圖像探測單元依次採集對應0、π /2、π、3 π /2相移的y方向剪切幹涉圖《，々力，《/2 ；步驟三、根據χ方向剪切幹涉圖P:,PW「和y方向剪切幹涉圖 ，P/，P3;獲取擴束準直系統的波面像差。本發明所述步驟二進一步包括當檢測波面像差較小的擴束準直系統時，調節一維位相光柵使其沿ζ軸向靠近光電探測單元方向移動；當檢測波面像差較大的擴束準直系統時，調節單元一維位相光柵使其沿ζ軸向遠離光電探測單元方向移動。本發明所述獲取擴束準直系統的波面像差的具體步驟為步驟401、對剪切幹涉圖《和《進行傅立葉變換，獲得《和《的頻譜分布；並進一步從《和P/的頻譜分布中分別獲取X，y方向的+1級頻譜的中心坐標Z。1和//的值；步驟402、利用Z。1值獲得χ方向的僅含載波位相分布Φ〗=2^Zci1X ；利用//值獲得y 方向的僅含載波位相分布￥ =2O ；步驟403、根據χ方向剪切幹涉圖Ρ χ,φ,ΚΑχφ及y方向剪切幹涉圖 Ρ0\Ρπγ/2ΛγΛγπ/2，得到χ方向含有載波位相Φ=的包裹位相Φ0Ρ y方向含有載波位相Φ丨的包裹位相Φ ；利用位相展開技術對χ、y方向的包裹位相Φ^ΡΦ^進行解包裹處理，獲得χ方向含有載波位相Φ=的差分位相Φ〗和y方向含有載波位相Φ丨的差分位相Φ5 ；步驟404、利用位相Φ〗減去載波位相Φ=獲得χ方向差分待測位相Φχ，利用差分位相Φ〗減去載波位相Φ丨獲得y方向差分待測位相Φ7 ；步驟405、利用基於差分澤尼克的波面重構技術對X，y方向的差分波位相Φχ和 Oy進行重構，此時可以獲得用37項澤尼克係數及其對應澤尼克多項式的線性組合表示的待測波面，其中，37項澤尼克係數的大小表示波面像差。本發明所述步驟405進一步利用波面像差中表示離焦像差的第4項澤尼克係數獲取擴束準直波面的曲率半徑為及光波發散角。有益效果本發明採用在一維位相光柵的相鄰透光部分設置不同的刻蝕深度使相鄰透光部分的透過光波存在180°相位差；同時，兩相鄰透光部分之間的非透光部分的寬度為ρ/6， 透光部分的寬度為ρ/3，ρ為一維位相光柵的周期，使得一維位相光柵對擴束準直系統出射的光波進行橫向剪切後，消除士 3級及士 3的倍級衍射光的影響，所形成的幹涉波光的能量主要集中在士 1級衍射光波中，消除了其他倍數級衍射光波對波面像差檢測的影響，從而提高了檢測精度。其次，本發明通過調節一維位相光柵和光電探測單元的間距，對於檢測波面像差較小的擴束準直系統時，增大上述間距，以實現高檢測靈敏度；對於檢測波面像差較大的擴束準直系統時，減小上述間距，以實現較大的動態檢測範圍。因此本檢測方法使用靈活，可適應於不同的擴束準直系統。再次，相對於現有的擴束準直系統的波面像差檢測技術，本檢測方法採用一維位相光柵對光波進行剪切，並利用各相移在χ方向剪切幹涉圖和y方向剪切幹涉圖計算獲取波面像差，檢測過程簡單。
圖1為本發明檢測方法的流程圖。圖2為本發明一維位相光柵的結構示意圖。圖3為本發明水平方向剪切波面示意圖。圖4為本發明豎直方向剪切波面示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。本發明一種基於橫向剪切幹涉的擴束準直系統波面像差檢測方法，如圖1所示， 具體步驟為步驟一、在擴束準直系統出射光束的光路上依次設置一維位相光柵和光電探測單元；並設定擴束準直系統出射光束的傳播方向為ζ軸，並以ζ軸建立左手坐標系，則水平方向為χ軸，豎直方向y軸；其中，一維位相光柵上相鄰透光部分設置不同的刻蝕深度使透過相鄰透光部分的光波存在180°相位差；同時，兩相鄰透光部分之間的非透光部分的寬度為p/6，透光部分的寬度為P/3，ρ為一維位相光柵的周期；且為了保證光電探測單元對剪切幹涉圖的採樣， 設定P彡16β，β為光電探測單元203的像元尺寸。如圖2所示，黑色條紋表示非透光部分，白色條紋和灰色條紋表示透光部分；其中通過白色透光部分光線的相位為0°，通過灰色透光部分光線的相位為180°。結合附圖2對本發明所採用的一維位相光柵理論分析如下設χ方向一維位相光柵的周期為ρ，透光部分的寬度為a，假設《 = f/，其中，1為設
定常數。則χ方向一維位相光柵的復振幅透射係數f(x)可以表示為公式(1)
權利要求
1.一種基於橫向剪切幹涉的擴束準直系統波面像差檢測方法，其特徵在於，具體步驟為步驟一、在擴束準直系統出射光束的光路上依次設置一維位相光柵和光電探測單元； 並設定擴束準直系統出射光束的傳播方向為Z軸，並以Z軸建立左手坐標系，則水平方向為 χ軸，豎直方向y軸；其中，一維位相光柵上相鄰透光部分設置不同的刻蝕深度使透過相鄰透光部分的光波存在180°相位差；同時，兩相鄰透光部分之間的非透光部分的寬度為p/6，透光部分的寬度為P/3，ρ為一維位相光柵的周期；且為了保證光電探測單元對剪切幹涉圖的採樣，設定 P彡16β，β為光電探測單元203的像元尺寸；步驟二、旋轉一維位相光柵，使光柵線條與y軸平行，進一步控制一維位相光柵使其沿 χ軸方向移動0、p/4、p/2、3p/4，圖像探測單元依次採集對應0、π /2、π、3 π /2相移的χ方向剪切幹涉圖《，巧2，C，^/2 ；旋轉一維位相光柵，使光柵線條與χ軸平行，進一步控制一維位相光柵使其沿1軸方向移動0、p/4、p/2、3p/4，圖像探測單元依次採集對應0、π /2、π、3 π /2相移的y方向剪切幹涉圖《，巧2，戶二 PL·]!,步驟三、根據X方向剪切幹涉圖《，巧2，巧，《/2和y方向剪切幹涉圖《，^；2，《，《/2獲取擴束準直系統的波面像差。
2.根據權利要求1所述的波面像差檢測方法，其特徵在於，所述步驟二進一步包括當檢測波面像差較小的擴束準直系統時，調節一維位相光柵使其沿ζ軸向靠近光電探測單元方向移動；當檢測波面像差較大的擴束準直系統時，調節單元一維位相光柵使其沿ζ軸向遠離光電探測單元方向移動。
3.根據權利要求1所述的波面像差檢測方法，其特徵在於，所述獲取擴束準直系統的波面像差的具體步驟為步驟401、對剪切幹涉圖《和《進行傅立葉變換，獲得《和P/的頻譜分布；並進一步從 《和《的頻譜分布中分別獲取χ，y方向的+1級頻譜的中心坐標Z。1和//的值；步驟402、利用Z。1值獲得χ方向的僅含載波位相分布ι Φ1=2π/0χχ ；利用//值獲得y方向的僅含載波位相分布Φ= =；步驟403、根據χ方向剪切幹涉圖《，巧2，《，及y方向剪切幹涉圖《，^；pCZ;, 得到χ方向含有載波位相Φ=的包裹位相Φ3Ρ y方向含有載波位相Φ丨的包裹位相Φ ；利用位相展開技術對x、y方向的包裹位相Φ^ΡΦ^進行解包裹處理，獲得χ方向含有載波位相Φ=的差分位相Φ〗和y方向含有載波位相Φ丨的差分位相Φ5 ；步驟404、利用位相Φ〗減去載波位相Φ=獲得χ方向差分待測位相Φχ，利用差分位相Φ5 減去載波位相Φ丨獲得y方向差分待測位相Φ7 ；步驟405、利用基於差分澤尼克的波面重構技術對x，y方向的差分波位相Φχ和0^進行重構，此時可以獲得用37項澤尼克係數及其對應澤尼克多項式的線性組合表示的待測波面，其中，37項澤尼克係數的大小表示波面像差。
4.根據權利要求1所述的波面像差檢測方法，其特徵在於，所述步驟405進一步利用波面像差中表示離焦像差的第4項澤尼克係數獲取擴束準直波面的曲率半徑為及光波發散角。
全文摘要
本發明提供一種基於橫向剪切幹涉的擴束準直系統波面像差檢測方法，具體步驟為步驟一、在擴束準直系統出射光束的光路上依次設置一維位相光柵和光電探測單元；步驟二、採集對應0、π/2、π、3π/2相移的x方向剪切幹涉圖採集對應0、π/2、π、3π/2相移的y方向剪切幹涉圖步驟三、根據x方向剪切幹涉圖和y方向剪切幹涉圖獲取擴束準直系統的波面像差。本發明所述方法可以消除±3級及±3的倍級衍射光的影響，使得所形成的幹涉光波主要集中在±1級衍射光中，從而提高了檢測精度。
文檔編號G01M11/02GK102297759SQ20111017391
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者劉克, 李豔秋, 汪海 申請人:北京理工大學