專利名稱：基于橫向剪切干涉的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于橫向剪切干涉的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
激光器發(fā)出的光束雖然具有很好的方向性，但是仍然存在一定的發(fā)散角?，F(xiàn)有通常采用擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)來改善其方向性，即將擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)置于激光前進(jìn)的光路上，利用其壓縮激光器發(fā)出光束的發(fā)散角且擴(kuò)大光束尺寸，此過程就稱為激光光束的擴(kuò)束準(zhǔn)直。激光光束的擴(kuò)束準(zhǔn)直在光學(xué)精密測(cè)量方面及光學(xué)成像方面均具有廣泛地應(yīng)用。在光學(xué)成像方面，激光擴(kuò)束準(zhǔn)直是激光直寫光刻技術(shù)中的重要技術(shù)，激光光束經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)后光波的像質(zhì)將直接影響到激光直寫的效果，即直接影響激光直寫光刻的成像性能，為此，必須對(duì)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差進(jìn)行檢測(cè)、校正及控制，從而保證激光直寫光刻的高質(zhì)量的曝光成像。目前，在光學(xué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中，主要采用哈特曼法和五棱鏡掃描法實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差檢測(cè)。但上述兩種方法都存在著不足，針對(duì)于哈特曼法一方面由于其采用較低波面采樣能力的陣列孔徑進(jìn)行波面采樣，因此影響了待測(cè)波面的檢測(cè)精度；另一方面由于哈特曼板制作難度大，加工工藝限制了哈特曼板的尺寸，從而使其難以測(cè)量口徑較大的光束。針對(duì)于五棱鏡掃描法本質(zhì)上是一種串行的哈特曼法，其通過五棱鏡掃描整個(gè)待測(cè)光波波面實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)波面的檢測(cè)；由于五棱鏡面型誤差及角度制造誤差會(huì)對(duì)待測(cè)波面產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響待測(cè)波面的檢測(cè)精度，為此對(duì)五棱鏡的加工要求很高，導(dǎo)致加工難度大、 成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于橫向剪切干涉的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測(cè)方法， 該方法可以消除士3級(jí)及士3的倍級(jí)衍射光的影響，使得所形成的干涉光波主要集中在士 1 級(jí)衍射光中，從而提高了檢測(cè)精度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下一種基于橫向剪切干涉的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測(cè)方法，具體步驟為步驟一、在擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的光路上依次設(shè)置一維位相光柵和光電探測(cè)單元；并設(shè)定擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的傳播方向?yàn)棣戚S，并以ζ軸建立左手坐標(biāo)系，則水平方向?yàn)棣州S，豎直方向y軸；其中，一維位相光柵上相鄰?fù)腹獠糠衷O(shè)置不同的刻蝕深度使透過相鄰?fù)腹獠糠值墓獠ù嬖?80°相位差；同時(shí)，兩相鄰?fù)腹獠糠种g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(cè)單元對(duì)剪切干涉圖的采樣， 設(shè)定P彡16β，β為光電探測(cè)單元203的像元尺寸；步驟二、旋轉(zhuǎn)一維位相光柵，使光柵線條與y軸平行，進(jìn)一步控制一維位相光柵使其沿χ軸方向移動(dòng)0、p/4、p/2、3p/4，圖像探測(cè)單元依次采集對(duì)應(yīng)0、π /2、π、3 π /2相移的 χ方向剪切干涉圖《，d《，d/2 ；旋轉(zhuǎn)一維位相光柵，使光柵線條與χ軸平行，進(jìn)一步控制一維位相光柵使其沿y軸方向移動(dòng)0、p/4、p/2、3p/4，圖像探測(cè)單元依次采集對(duì)應(yīng)0、π /2、π、3 π /2相移的y方向剪切干涉圖《，々力，《/2 ；步驟三、根據(jù)χ方向剪切干涉圖P:,PW“和y方向剪切干涉圖 ，P/，P3;獲取擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差。本發(fā)明所述步驟二進(jìn)一步包括當(dāng)檢測(cè)波面像差較小的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié)一維位相光柵使其沿ζ軸向靠近光電探測(cè)單元方向移動(dòng)；當(dāng)檢測(cè)波面像差較大的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié)單元一維位相光柵使其沿ζ軸向遠(yuǎn)離光電探測(cè)單元方向移動(dòng)。本發(fā)明所述獲取擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差的具體步驟為步驟401、對(duì)剪切干涉圖《和《進(jìn)行傅里葉變換，獲得《和《的頻譜分布；并進(jìn)一步從《和P/的頻譜分布中分別獲取X，y方向的+1級(jí)頻譜的中心坐標(biāo)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(jù)χ方向剪切干涉圖Ρ χ,φ,ΚΑχφ及y方向剪切干涉圖 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(shù)對(duì)χ、y方向的包裹位相Φ^ΡΦ^進(jìn)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(cè)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(cè)位相Φ7 ；步驟405、利用基于差分澤尼克的波面重構(gòu)技術(shù)對(duì)X，y方向的差分波位相Φχ和 Oy進(jìn)行重構(gòu)，此時(shí)可以獲得用37項(xiàng)澤尼克系數(shù)及其對(duì)應(yīng)澤尼克多項(xiàng)式的線性組合表示的待測(cè)波面，其中，37項(xiàng)澤尼克系數(shù)的大小表示波面像差。本發(fā)明所述步驟405進(jìn)一步利用波面像差中表示離焦像差的第4項(xiàng)澤尼克系數(shù)獲取擴(kuò)束準(zhǔn)直波面的曲率半徑為及光波發(fā)散角。有益效果本發(fā)明采用在一維位相光柵的相鄰?fù)腹獠糠衷O(shè)置不同的刻蝕深度使相鄰?fù)腹獠糠值耐高^光波存在180°相位差；同時(shí)，兩相鄰?fù)腹獠糠种g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(duì)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射的光波進(jìn)行橫向剪切后，消除士 3級(jí)及士 3的倍級(jí)衍射光的影響，所形成的干涉波光的能量主要集中在士 1級(jí)衍射光波中，消除了其他倍數(shù)級(jí)衍射光波對(duì)波面像差檢測(cè)的影響，從而提高了檢測(cè)精度。其次，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)一維位相光柵和光電探測(cè)單元的間距，對(duì)于檢測(cè)波面像差較小的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)時(shí)，增大上述間距，以實(shí)現(xiàn)高檢測(cè)靈敏度；對(duì)于檢測(cè)波面像差較大的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)時(shí)，減小上述間距，以實(shí)現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍。因此本檢測(cè)方法使用靈活，可適應(yīng)于不同的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)。再次，相對(duì)于現(xiàn)有的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差檢測(cè)技術(shù)，本檢測(cè)方法采用一維位相光柵對(duì)光波進(jìn)行剪切，并利用各相移在χ方向剪切干涉圖和y方向剪切干涉圖計(jì)算獲取波面像差，檢測(cè)過程簡(jiǎn)單。


圖1為本發(fā)明檢測(cè)方法的流程圖。圖2為本發(fā)明一維位相光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明水平方向剪切波面示意圖。圖4為本發(fā)明豎直方向剪切波面示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明一種基于橫向剪切干涉的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測(cè)方法，如圖1所示， 具體步驟為步驟一、在擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的光路上依次設(shè)置一維位相光柵和光電探測(cè)單元；并設(shè)定擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的傳播方向?yàn)棣戚S，并以ζ軸建立左手坐標(biāo)系，則水平方向?yàn)棣州S，豎直方向y軸；其中，一維位相光柵上相鄰?fù)腹獠糠衷O(shè)置不同的刻蝕深度使透過相鄰?fù)腹獠糠值墓獠ù嬖?80°相位差；同時(shí)，兩相鄰?fù)腹獠糠种g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(cè)單元對(duì)剪切干涉圖的采樣， 設(shè)定P彡16β，β為光電探測(cè)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(jié)合附圖2對(duì)本發(fā)明所采用的一維位相光柵理論分析如下設(shè)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(shè)《 = f/，其中，1為設(shè)
定常數(shù)。則χ方向一維位相光柵的復(fù)振幅透射系數(shù)f(x)可以表示為公式(1)
權(quán)利要求
1.一種基于橫向剪切干涉的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測(cè)方法，其特征在于，具體步驟為步驟一、在擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的光路上依次設(shè)置一維位相光柵和光電探測(cè)單元； 并設(shè)定擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的傳播方向?yàn)閆軸，并以Z軸建立左手坐標(biāo)系，則水平方向?yàn)?χ軸，豎直方向y軸；其中，一維位相光柵上相鄰?fù)腹獠糠衷O(shè)置不同的刻蝕深度使透過相鄰?fù)腹獠糠值墓獠ù嬖?80°相位差；同時(shí)，兩相鄰?fù)腹獠糠种g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(cè)單元對(duì)剪切干涉圖的采樣，設(shè)定 P彡16β，β為光電探測(cè)單元203的像元尺寸；步驟二、旋轉(zhuǎn)一維位相光柵，使光柵線條與y軸平行，進(jìn)一步控制一維位相光柵使其沿 χ軸方向移動(dòng)0、p/4、p/2、3p/4，圖像探測(cè)單元依次采集對(duì)應(yīng)0、π /2、π、3 π /2相移的χ方向剪切干涉圖《，巧2，C，^/2 ；旋轉(zhuǎn)一維位相光柵，使光柵線條與χ軸平行，進(jìn)一步控制一維位相光柵使其沿1軸方向移動(dòng)0、p/4、p/2、3p/4，圖像探測(cè)單元依次采集對(duì)應(yīng)0、π /2、π、3 π /2相移的y方向剪切干涉圖《，巧2，戶二 PL·]!,步驟三、根據(jù)X方向剪切干涉圖《，巧2，巧，《/2和y方向剪切干涉圖《，^；2，《，《/2獲取擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波面像差檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟二進(jìn)一步包括當(dāng)檢測(cè)波面像差較小的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié)一維位相光柵使其沿ζ軸向靠近光電探測(cè)單元方向移動(dòng)；當(dāng)檢測(cè)波面像差較大的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié)單元一維位相光柵使其沿ζ軸向遠(yuǎn)離光電探測(cè)單元方向移動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波面像差檢測(cè)方法，其特征在于，所述獲取擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差的具體步驟為步驟401、對(duì)剪切干涉圖《和《進(jìn)行傅里葉變換，獲得《和P/的頻譜分布；并進(jìn)一步從 《和《的頻譜分布中分別獲取χ，y方向的+1級(jí)頻譜的中心坐標(biāo)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(jù)χ方向剪切干涉圖《，巧2，《，及y方向剪切干涉圖《，^；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(shù)對(duì)x、y方向的包裹位相Φ^ΡΦ^進(jìn)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(cè)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(cè)位相Φ7 ；步驟405、利用基于差分澤尼克的波面重構(gòu)技術(shù)對(duì)x，y方向的差分波位相Φχ和0^進(jìn)行重構(gòu)，此時(shí)可以獲得用37項(xiàng)澤尼克系數(shù)及其對(duì)應(yīng)澤尼克多項(xiàng)式的線性組合表示的待測(cè)波面，其中，37項(xiàng)澤尼克系數(shù)的大小表示波面像差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波面像差檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟405進(jìn)一步利用波面像差中表示離焦像差的第4項(xiàng)澤尼克系數(shù)獲取擴(kuò)束準(zhǔn)直波面的曲率半徑為及光波發(fā)散角。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于橫向剪切干涉的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測(cè)方法，具體步驟為步驟一、在擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的光路上依次設(shè)置一維位相光柵和光電探測(cè)單元；步驟二、采集對(duì)應(yīng)0、π/2、π、3π/2相移的x方向剪切干涉圖采集對(duì)應(yīng)0、π/2、π、3π/2相移的y方向剪切干涉圖步驟三、根據(jù)x方向剪切干涉圖和y方向剪切干涉圖獲取擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差。本發(fā)明所述方法可以消除±3級(jí)及±3的倍級(jí)衍射光的影響，使得所形成的干涉光波主要集中在±1級(jí)衍射光中，從而提高了檢測(cè)精度。
文檔編號(hào)G01M11/02GK102297759SQ20111017391
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者劉克, 李艷秋, 汪海 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)