專利名稱：一種高精度的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在曲面基底上進(jìn)行調(diào)焦的裝置，尤其涉及一種高精度的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置及其方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的對焦方法和裝置包括很多種，常見的如像散法調(diào)焦裝置，偏心光路法調(diào)焦裝置，斜光束調(diào)焦裝置，刀刃調(diào)焦裝置等，已廣泛應(yīng)用在如CD機(jī)，激光唱機(jī)等需要調(diào)焦的系統(tǒng)中。雖然這些方法和裝置簡單實(shí)用，且有著較高的調(diào)焦精度，但一般只能適用于加工或檢測平面物體，難以適用于曲面。
在曲面物體或基片上進(jìn)行調(diào)焦也可以通過變姿態(tài)曲面調(diào)焦方法和裝置來實(shí)現(xiàn)，也即物體(基片)或光刻物鏡兩者或其中之一姿態(tài)實(shí)時(shí)可動(dòng)，以保持物體檢測表面和光刻物鏡之間時(shí)刻保持垂直；調(diào)焦方法則類似于平面調(diào)焦。該裝置原理簡單，但其為實(shí)現(xiàn)物體表面和光刻物鏡時(shí)刻保持垂直而使裝置的光路、機(jī)械結(jié)構(gòu)等很復(fù)雜，控制難度大，成本高，使其難以成為曲面調(diào)焦的主流方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高精度的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置及其方法。
高精度的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置中的光刻物鏡綁定在壓電陶瓷上，光刻物鏡光路上設(shè)有分束器，分束器與光刻物鏡的光軸成45度夾角，在分束器成45度夾角的方向上依次設(shè)有檢測物鏡、針孔、調(diào)焦探測器，針孔綁定在調(diào)制機(jī)構(gòu)；平行光束入射至分束器，入射的平行光束經(jīng)分束器透射后入射至光刻物鏡，光刻物鏡將入射光聚焦至待測曲面基片，待測曲面基片將光反射回至光刻物鏡，再入射至分束器，分束器將光反射至檢測物鏡，檢測物鏡將光束聚焦至針孔，經(jīng)針孔再入射至調(diào)焦探測器。
所述的調(diào)制機(jī)構(gòu)為音圈電機(jī)、壓電執(zhí)行器或電致執(zhí)行器。調(diào)焦探測器為光電池、光電二極管、光電三極管或PIN管。針孔在調(diào)焦工作時(shí)處于振動(dòng)狀態(tài)。光刻物鏡在調(diào)焦工作時(shí)處于振動(dòng)狀態(tài)。
用于曲面光刻的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦的方法為入射的準(zhǔn)直光束經(jīng)光刻物鏡會聚在曲面基片表面，當(dāng)準(zhǔn)焦時(shí)，曲面基片的反射光束經(jīng)光刻物鏡后呈平行光束，平行光束受基片曲率影響將發(fā)生側(cè)向偏移，但偏移的平行光束經(jīng)分束器和檢測物鏡后仍將會聚在針孔上，動(dòng)態(tài)調(diào)制的針孔使探測器得到對稱擺動(dòng)的能量信號；當(dāng)離焦時(shí)，反射光束的會聚點(diǎn)將落在針孔前后，探測器能量信號的對稱性將破壞，它使信號同時(shí)蘊(yùn)含離焦方向和離焦大小的信息；控制系統(tǒng)根據(jù)上述信息產(chǎn)生反饋動(dòng)作，即驅(qū)使壓電陶瓷作補(bǔ)償離焦的運(yùn)動(dòng)，最終使系統(tǒng)得以保持準(zhǔn)焦。
本發(fā)明有益效果是在保持高精度的前提下，通過本發(fā)明的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置和調(diào)焦方法，使得裝置光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣控制等得到最簡化，更加可靠實(shí)用。


圖1恒姿態(tài)曲面調(diào)焦方法與裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中曲面基片1、壓電陶瓷2、光刻物鏡3、分束器4、調(diào)制機(jī)構(gòu)5、調(diào)焦探測器6、針孔7、檢測物鏡8；圖2恒姿態(tài)曲面調(diào)焦方法信號波形圖，圖中(a)正弦調(diào)制信號(b)系統(tǒng)準(zhǔn)焦時(shí)的調(diào)焦探測器信號(c)系統(tǒng)正離焦時(shí)的調(diào)焦探測器信號(d)系統(tǒng)負(fù)離焦時(shí)的調(diào)焦探測器信號；圖3恒姿態(tài)曲面調(diào)焦方法原理框圖。
具體實(shí)施例方式
針對變姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置為實(shí)現(xiàn)曲面基片表面和光刻物鏡光軸時(shí)刻保持垂直而帶來的結(jié)構(gòu)、控制復(fù)雜、成本高等弊端，發(fā)明了恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置及調(diào)焦方法。該曲面調(diào)焦裝置和調(diào)焦方法可保持曲面基底和光刻物鏡兩者姿態(tài)不變，且能實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)焦。
如圖1所示，高精度的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置中的光刻物鏡3綁定在壓電陶瓷2上，光刻物鏡光路上設(shè)有分束器4，分束器與光刻物鏡的光軸成45度夾角，在分束器成45度夾角的方向上依次設(shè)有檢測物鏡8、針孔7、調(diào)焦探測器6，針孔7綁定在調(diào)制機(jī)構(gòu)5；平行光束入射至分束器4，入射的平行光束經(jīng)分束器4透射后入射至光刻物鏡3，光刻物鏡將入射光聚焦至待測曲面基片1，待測曲面基片將光反射回至光刻物鏡3，再入射至分束器4，分束器將光反射至檢測物鏡8，檢測物鏡將光束聚焦至針孔7，經(jīng)針孔再入射至調(diào)焦探測器6。所述的調(diào)制機(jī)構(gòu)5為音圈電機(jī)、壓電執(zhí)行器或電致執(zhí)行器。調(diào)焦探測器6為光電池、光電二極管、光電三極管或PIN管。針孔7在調(diào)焦工作時(shí)處于振動(dòng)狀態(tài)。
用于曲面光刻的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦的方法為入射的準(zhǔn)直光束經(jīng)光刻物鏡會聚在曲面基片表面，當(dāng)準(zhǔn)焦時(shí)，曲面基片的反射光束經(jīng)光刻物鏡后呈平行光束，平行光束受基片曲率影響將發(fā)生側(cè)向偏移，但偏移的平行光束經(jīng)分束器和檢測物鏡后仍將會聚在針孔上，動(dòng)態(tài)調(diào)制的針孔使探測器得到對稱擺動(dòng)的能量信號；當(dāng)離焦時(shí)，反射光束的會聚點(diǎn)將落在針孔前后，探測器能量信號的對稱性將破壞，它使信號同時(shí)蘊(yùn)含離焦方向和離焦大小的信息；控制系統(tǒng)根據(jù)上述信息產(chǎn)生反饋動(dòng)作，即驅(qū)使壓電陶瓷作補(bǔ)償離焦的運(yùn)動(dòng)，最終使系統(tǒng)得以保持準(zhǔn)焦。
入射的準(zhǔn)直光束經(jīng)光刻物鏡會聚在曲面基片表面，當(dāng)準(zhǔn)焦時(shí)，曲面基片的反射光束經(jīng)光刻物鏡后呈平行光束，平行光束受基片曲率影響將發(fā)生側(cè)向偏移，但偏移的平行光束經(jīng)分束器和檢測物鏡后仍將會聚在針孔上，動(dòng)態(tài)調(diào)制的針孔使探測器得到對稱擺動(dòng)的能量信號；當(dāng)離焦時(shí)，反射光束的會聚點(diǎn)將落在針孔前后，探測器能量信號的對稱性將破壞，這種破壞的對稱性將同時(shí)蘊(yùn)含離焦方向和離焦大小的信息；控制系統(tǒng)根據(jù)上述信息產(chǎn)生反饋動(dòng)作，即驅(qū)使壓電陶瓷作補(bǔ)償離焦的運(yùn)動(dòng)，最終使系統(tǒng)得以保持準(zhǔn)焦。
如圖2、3所示，本發(fā)明提出鎖相法用來對本裝置中光刻物鏡3和曲面基片1表面之間的離焦量、離焦方向檢測以及實(shí)時(shí)準(zhǔn)焦調(diào)節(jié)。原理如下本地產(chǎn)生的調(diào)制信號經(jīng)放大對針孔進(jìn)行正弦調(diào)制。調(diào)制頻率由曲面基片旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、基片本身表面粗糙度以及涂膠表面質(zhì)量而定；調(diào)制信號幅值由基片本身表面粗糙度以及涂膠表面質(zhì)量而定。正弦調(diào)制信號經(jīng)信號處理后產(chǎn)生矩形窄脈沖，如圖2(a)。該脈沖信號輸入至鑒相器作為參考信號。光刻物鏡3和曲面基片1表面之間的離焦量通過物鏡8焦點(diǎn)和針孔7之間的偏移量體現(xiàn)，偏移信息可通過調(diào)焦探測器6中的光強(qiáng)信號波形反映出來。其中，光刻物鏡準(zhǔn)焦時(shí)調(diào)焦探測器的信號如圖2(b)所示，物鏡8焦點(diǎn)位于針孔7之右(定義為光刻物鏡前離焦)及焦點(diǎn)位于針孔7之左(定義為光刻物鏡后離焦)時(shí)調(diào)焦探測器的信號分別如圖2(c)、(d)所示。同樣對圖2(b)、(c)、(d)提取矩形窄脈沖，并輸入至鑒相器作為調(diào)焦信號，如圖2(b)、(c)、(d)及圖3所示。當(dāng)探測器信號的矩形窄脈沖與調(diào)制信號的矩形窄脈沖一致時(shí)，表明準(zhǔn)焦，請比較圖2(a)與2(b)中的矩形窄脈沖；當(dāng)不一致時(shí)，表明離焦，且能反映離焦方向，請比較圖2(a)與圖2(c)(d)中的矩形窄脈沖。鑒相器的輸出被處理成與離焦量成比例的電壓信號，并經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷對光刻物鏡進(jìn)行反向調(diào)節(jié)，直至使鑒相器的相位誤差信號為零，從而使光刻物鏡相對于基片表面實(shí)時(shí)處于準(zhǔn)焦?fàn)顟B(tài)。
權(quán)利要求
1.一種高精度的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置，其特征在于，光刻物鏡(3)綁定在壓電陶瓷(2)上，光刻物鏡光路上設(shè)有分束器(4)，分束器與光刻物鏡的光軸成45度夾角，在分束器成45度夾角的方向上依次設(shè)有檢測物鏡(8)、針孔(7)、調(diào)焦探測器(6)，針孔(7)綁定在調(diào)制機(jī)構(gòu)(5)；平行光束入射至分束器(4)，入射的平行光束經(jīng)分束器(4)透射后入射至光刻物鏡(3)，光刻物鏡將入射光聚焦至待測曲面基片(1)，待測曲面基片將光反射回至光刻物鏡(3)，再入射至分束器(4)，分束器將光反射至檢測物鏡(8)，檢測物鏡將光束聚焦至針孔(7)，經(jīng)針孔再入射至調(diào)焦探測器(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置，其特征在于所述的調(diào)制機(jī)構(gòu)(5)為音圈電機(jī)、壓電執(zhí)行器或電致執(zhí)行器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于曲面光刻的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置，其特征在于所述的調(diào)焦探測器(6)為光電池、光電二極管、光電三極管或PIN管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置，其特征在于所述的針孔(7)在調(diào)焦工作時(shí)處于振動(dòng)狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦裝置，其特征在于所述的光刻物鏡(3)在調(diào)焦工作時(shí)處于振動(dòng)狀態(tài)。
6.一種利用如權(quán)利要求1所述裝置的用于曲面光刻的恒姿態(tài)曲面調(diào)焦的方法，其特征在于入射的準(zhǔn)直光束經(jīng)光刻物鏡會聚在曲面基片表面，當(dāng)準(zhǔn)焦時(shí)，曲面基片的反射光束經(jīng)光刻物鏡后呈平行光束，平行光束受基片曲率影響將發(fā)生側(cè)向偏移，但偏移的平行光束經(jīng)分束器和檢測物鏡后仍將會聚在針孔上，動(dòng)態(tài)調(diào)制的針孔使探測器得到對稱擺動(dòng)的能量信號；當(dāng)離焦時(shí)，反射光束的會聚點(diǎn)將落在針孔前后，探測器能量信號的對稱性將破壞，它使信號同時(shí)蘊(yùn)含離焦方向和離焦大小的信息；控制系統(tǒng)根據(jù)上述信息產(chǎn)生反饋動(dòng)作，即驅(qū)使壓電陶瓷作補(bǔ)償離焦的運(yùn)動(dòng)，最終使系統(tǒng)得以保持準(zhǔn)焦。
全文摘要
本發(fā)明是一套曲面調(diào)焦裝置和調(diào)焦方法。本發(fā)明調(diào)焦裝置由分束器、光刻物鏡、普通物鏡、針孔、調(diào)焦探測器等組成。其最大特點(diǎn)是在曲面調(diào)焦中可以保持曲面基底和光刻物鏡兩者姿態(tài)不變，而能實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)焦。本發(fā)明調(diào)焦方法是通過對相位誤差信號進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)，使光刻物鏡實(shí)時(shí)處于準(zhǔn)焦?fàn)顟B(tài)。其最大特點(diǎn)是調(diào)焦可靠、有效，調(diào)焦精度高。該裝置和方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低，調(diào)焦精度達(dá)到亞微米，使其很適用于曲面激光光刻中的調(diào)焦，或其它對曲面進(jìn)行精確調(diào)焦的場合，也適用于物體表面三維微形貌的高精度檢測等領(lǐng)域。
文檔編號G03F7/20GK101063741SQ20071006877
公開日2007年10月31日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者梁宜勇, 羅劍波, 田豐, 陳龍江, 楊國光 申請人:浙江大學(xué)