專利名稱：一種擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測的裝置及方法。
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)有通常采用擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)來改善其方向性，即將擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)置于激光前進的光路上，利用其壓縮激光器發(fā)出光束的發(fā)散角且擴大光束尺寸，此過程就稱為激光光束的擴束準(zhǔn)直。激光光束的擴束準(zhǔn)直在光學(xué)精密測量方面及光學(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，必須對擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差進行檢測、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)檢測技術(shù)領(lǐng)域中，主要采用對背景環(huán)境和噪聲不敏感的橫向剪切干涉技術(shù)實現(xiàn)對擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差的檢測。雙朗奇位相光柵橫向剪切干涉儀作為一種典型的橫向剪切干涉技術(shù)，其利用兩個相同的一維朗奇位相光柵實現(xiàn)對光波的剪切，獲取剪切波面在重疊區(qū)域的剪切干涉圖，并進一步對剪切干涉圖進行處理，獲取擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差。但是，朗奇位相光柵衍射的士3級衍射光也參與到剪切波面的干涉中，從而會引入附加的背景噪聲，影響了干涉條紋的對比度，從而影響了此干涉儀的檢測精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測裝置及方法，采用本發(fā)明可以消除士3級及士3的倍級衍射光的影響，使得所形成的干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(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下一種擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測裝置，包括剪切單元、調(diào)節(jié)單元、光電探測單元、 存儲單元以及信號處理單元；其中，剪切單元與光電探測單元依次設(shè)置于擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的光路上，剪切單元位于擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)與光電探測單元之間；剪切單元包括一維位相光柵A和一維位相光柵B，一維位相光柵A和一維位相光柵 B相互平行并與所述出射光束的光路垂直，用于實現(xiàn)對入射光波的剪切；其中，一維位相光柵A和一維位相光柵B的結(jié)構(gòu)相同，其上相鄰?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，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ρ/3，ρ為一維位相光柵的周期；設(shè)定ρ > 16β，β為光電探測單元的像元尺寸；調(diào)節(jié)單元與一維位相光柵A和一維位相光柵B分別相連，用于實現(xiàn)對一維位相光柵A和一維位相光柵B的旋轉(zhuǎn)以及位置的調(diào)節(jié)；
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光電探測單元與存儲單元相連，用于采集剪切產(chǎn)生的剪切干涉圖并傳輸給存儲單元；存儲單元與信號處理單元相連，用于存儲光電探測單元傳輸過來的剪切干涉圖， 以及用于存儲信號處理單元傳輸過來的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差；信號處理單元用于根據(jù)存儲單元存儲的剪切干涉圖計算擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差。本發(fā)明對于檢測波面像差較小的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)單元增大一維位相光柵A 與一維位相光柵B之間的距離；當(dāng)檢測波面像差較大的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)單元減小一維位相光柵A與一維位相光柵B之間的距離。本發(fā)明所述存儲單元與光電探測單元以及信號處理單元之間可以采用藍牙或紅外進行通信。本發(fā)明所述信號處理單元根據(jù)剪切干涉圖進一步獲取擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面曲率半徑和光波發(fā)射角，并傳輸給存儲單元進行存儲。一種利用所述擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測裝置的檢測方法，具體步驟為步驟一、調(diào)整單元旋轉(zhuǎn)一維位相光柵A和一維位相光柵B，使兩者上的光柵線條都與y軸平行；調(diào)節(jié)單元進一步控制一維位相光柵A和一維位相光柵B沿X軸方向移動0、 /4、？/2、3 /4，圖像探測單元依次采集對應(yīng)0、π/2、π、3 π/2相移的χ方向剪切干涉圖
Px Px Px Px .
1 0 “ ττ/2 “ TT “ 3 π/2 ,步驟二、調(diào)節(jié)單元旋轉(zhuǎn)一維位相光柵A和一維位相光柵B，使兩者上的光柵線條都與X軸平行；調(diào)節(jié)單元進一步控制一維位相光柵A和一維位相光柵B沿y軸方向移動0、 /4、？/2、3 /4，圖像探測單元依次采集對應(yīng)0、π/2、π、3 π/2相移的y方向剪切干涉圖
py py py py .
1 0 “ ττ/2" π “ 3π/2 ,步驟三、根據(jù)X方向剪切干涉圖P:,PW“和y方向剪切干涉圖 ，P/，P3;獲取擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差。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透過相鄰?fù)腹獠糠值墓獠ù嬖?80°相位差；同時，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(zhǔn)直系統(tǒng)出射的光波進行橫向剪切后，不僅消除0級及偶數(shù)級衍射光，而且還消除士3級及士3的倍級衍射光對檢測的影響，所形成的干涉波光的能量主要集中在士 1級衍射光波中從而提高了檢測精度。其次，本發(fā)明利用調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)一維位相光柵A和一維位相光柵B的間距，對于檢測波面像差較小的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)時，增大上述間距，以實現(xiàn)高檢測靈敏度；對于檢測波面像差較大的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)時，減小上述間距，以實現(xiàn)較大的動態(tài)檢測范圍。因此本檢測裝置使用靈活，可適應(yīng)于不同的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)。再次，相對于現(xiàn)有的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差檢測技術(shù)，本檢測裝置采用一維位相光柵作為剪切單元對光波進行剪切，并利用相移技術(shù)分別在χ方向剪切干涉圖和y方向剪切干涉圖計算獲取波面像差，精度高、結(jié)構(gòu)簡單且成本低。


圖1為本發(fā)明檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明一維位相光柵A的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明一維位相光柵B的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明水平方向剪切波面示意圖。 圖5為本發(fā)明豎直方向剪切波面示意圖。101-激光光源、102-擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)、201-剪切單元、202-調(diào)節(jié)單元、203-光電探測單元、204-存儲單元、205-信號處理單元。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。首先設(shè)定擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的傳播方向為ζ軸，并以ζ軸建立左手坐標(biāo)系，則水平方向為χ軸，豎直方向y軸。本發(fā)明一種擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測裝置，如圖1所示，包括剪切單元201、調(diào)節(jié)單元202、光電探測單元203、存儲單元204以及信號處理單元205 ；其中，剪切單元201 與光電探測單元203依次設(shè)置于擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的光路上，剪切單元201位于擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)與光電探測單元203之間。 剪切單元201包括一維位相光柵A和一維位相光柵B，一維位相光柵A和一維位相光柵B相互平行并與所述出射光束的光路垂直，用于實現(xiàn)對入射光波的剪切。其中，一維位相光柵A和一維位相光柵B的結(jié)構(gòu)相同，其上相鄰?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，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ρ/3，ρ為一維位相光柵的周期；且為了保證光電探測單元203對剪切干涉圖的采樣，設(shè)定P彡16β, β為光電探測單元203的像元尺寸。如圖2和3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°。對本發(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)
權(quán)利要求
1.一種擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測裝置，其特征在于，包括剪切單元、調(diào)節(jié)單元、光電探測單元、存儲單元以及信號處理單元；其中，剪切單元與光電探測單元依次設(shè)置于擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的光路上，剪切單元位于擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)與光電探測單元之間；剪切單元包括一維位相光柵A和一維位相光柵B，一維位相光柵A和一維位相光柵B相互平行并與所述出射光束的光路垂直，用于實現(xiàn)對入射光波的剪切；其中，一維位相光柵A 和一維位相光柵B的結(jié)構(gòu)相同，其上相鄰?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，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ρ/3，ρ為一維位相光柵的周期；設(shè)定ρ > 16β，β為光電探測單元的像元尺寸；調(diào)節(jié)單元與一維位相光柵A和一維位相光柵B分別相連，用于實現(xiàn)對一維位相光柵A 和一維位相光柵B的旋轉(zhuǎn)以及位置的調(diào)節(jié)；光電探測單元與存儲單元相連，用于采集剪切產(chǎn)生的剪切干涉圖并傳輸給存儲單元； 存儲單元與信號處理單元相連，用于存儲光電探測單元傳輸過來的剪切干涉圖，以及用于存儲信號處理單元傳輸過來的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差；信號處理單元用于根據(jù)存儲單元存儲的剪切干涉圖計算擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，對于檢測波面像差較小的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)單元增大一維位相光柵A與一維位相光柵B之間的距離；當(dāng)檢測波面像差較大的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)單元減小一維位相光柵A與一維位相光柵B之間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述存儲單元與光電探測單元以及信號處理單元之間可以采用藍牙或紅外進行通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述信號處理單元根據(jù)剪切干涉圖進一步獲取擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面曲率半徑和光波發(fā)射角，并傳輸給存儲單元進行存儲。
5.一種利用權(quán)利要求1所述擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測裝置的檢測方法，其特征在于，具體步驟為步驟一、調(diào)整單元旋轉(zhuǎn)一維位相光柵A和一維位相光柵B，使兩者上的光柵線條都與y軸平行；調(diào)節(jié)單元進一步控制一維位相光柵A和一維位相光柵B沿X軸方向移動.0、 /4、？/2、3 /4，圖像探測單元依次采集對應(yīng)0、π/2、π、3 π/2相移的χ方向剪切干涉圖Px Px Px Px ..1 0 “ ττ/2 “ TT “ 3 π/2 ,步驟二、調(diào)節(jié)單元旋轉(zhuǎn)一維位相光柵A和一維位相光柵B，使兩者上的光柵線條都與χ軸平行；調(diào)節(jié)單元進一步控制一維位相光柵A和一維位相光柵B沿y軸方向移動.0、 /4、？/2、3 /4，圖像探測單元依次采集對應(yīng)0、π/2、π、3 π/2相移的y方向剪切干涉圖py py py py ..1 0 “ ττ/2" π “ 3π/2 ,步驟三、根據(jù)χ方向剪切干涉圖《，巧2，巧，《/2和y方向剪切干涉圖《，^；2，《，《/2獲取擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波面像差。
全文摘要
本發(fā)明提出一種擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)波面像差檢測裝置及方法，其中所述檢測裝置包括剪切單元、調(diào)節(jié)單元、光電探測單元、存儲單元以及信號處理單元；其中，剪切單元與光電探測單元依次設(shè)置于擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)出射光束的光路上，剪切單元位于擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)與光電探測單元之間；剪切單元包括一維位相光柵A和一維位相光柵B，用于實現(xiàn)對入射光波的剪切；兩一維位相光柵上兩相鄰?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，p為一維位相光柵的周期；設(shè)定p≥16β，β為光電探測單元的像元尺寸。本裝置可消除±3級及±3的倍級衍射光的影響，所形成的干涉波光的能量主要集中在±1級衍射光波中，消除了其他倍數(shù)級衍射光波對波面像差檢測的影響，從而提高了檢測精度。
文檔編號G01J9/02GK102252765SQ20111017434
公開日2011年11月23日 申請日期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 申請人:北京理工大學(xué)