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专利名称：一种扩束准直系统波面像差检测装置及方法
技术领域：
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种扩束准直系统波面像差检测的装置及方法。
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，主要采用对背景环境和噪声不敏感的横向剪切干涉技术实现对扩束准直系统波面像差的检测。双朗奇位相光栅横向剪切干涉仪作为一种典型的横向剪切干涉技术，其利用两个相同的一维朗奇位相光栅实现对光波的剪切，获取剪切波面在重叠区域的剪切干涉图，并进一步对剪切干涉图进行处理，获取扩束准直系统的波面像差。但是，朗奇位相光栅衍射的士3级衍射光也参与到剪切波面的干涉中，从而会引入附加的背景噪声，影响了干涉条纹的对比度，从而影响了此干涉仪的检测精度。

发明内容
本发明的目的是提出一种扩束准直系统波面像差检测装置及方法，采用本发明可以消除士3级及士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士 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扩束准直系统波面像差检测装置，包括剪切单元、调节单元、光电探测单元、 存储单元以及信号处理单元；其中，剪切单元与光电探测单元依次设置于扩束准直系统出射光束的光路上，剪切单元位于扩束准直系统与光电探测单元之间；剪切单元包括一维位相光栅A和一维位相光栅B，一维位相光栅A和一维位相光栅 B相互平行并与所述出射光束的光路垂直，用于实现对入射光波的剪切；其中，一维位相光栅A和一维位相光栅B的结构相同，其上相邻透光部分设置不同的刻蚀深度使透过相邻透光部分的光波存在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ρ/3，ρ为一维位相光栅的周期；设定ρ > 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A和一维位相光栅B分别相连，用于实现对一维位相光栅A和一维位相光栅B的旋转以及位置的调节；
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光电探测单元与存储单元相连，用于采集剪切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。本发明对于检测波面像差较小的扩束准直系统时，调节单元增大一维位相光栅A 与一维位相光栅B之间的距离；当检测波面像差较大的扩束准直系统时，调节单元减小一维位相光栅A与一维位相光栅B之间的距离。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可以采用蓝牙或红外进行通信。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和光波发射角，并传输给存储单元进行存储。一种利用所述扩束准直系统波面像差检测装置的检测方法，具体步骤为步骤一、调整单元旋转一维位相光栅A和一维位相光栅B，使两者上的光栅线条都与y轴平行；调节单元进一步控制一维位相光栅A和一维位相光栅B沿X轴方向移动0、 /4、？/2、3 /4，图像探测单元依次采集对应0、π/2、π、3 π/2相移的χ方向剪切干涉图
Px Px Px Px .
1 0 “ ττ/2 “ TT “ 3 π/2 ,步骤二、调节单元旋转一维位相光栅A和一维位相光栅B，使两者上的光栅线条都与X轴平行；调节单元进一步控制一维位相光栅A和一维位相光栅B沿y轴方向移动0、 /4、？/2、3 /4，图像探测单元依次采集对应0、π/2、π、3 π/2相移的y方向剪切干涉图
py py py py .
1 0 “ ττ/2" π “ 3π/2 ,步骤三、根据X方向剪切干涉图P:,PW“和y方向剪切干涉图 ，P/，P3;获取扩束准直系统的波面像差。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透过相邻透光部分的光波存在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ρ/3，ρ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，不仅消除0级及偶数级衍射光，而且还消除士3级及士3的倍级衍射光对检测的影响，所形成的干涉波光的能量主要集中在士 1级衍射光波中从而提高了检测精度。其次，本发明利用调节单元调节一维位相光栅A和一维位相光栅B的间距，对于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；对于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作为剪切单元对光波进行剪切，并利用相移技术分别在χ方向剪切干涉图和y方向剪切干涉图计算获取波面像差，精度高、结构简单且成本低。


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A的结构示意图。图3为本发明一维位相光栅B的结构示意图。图4为本发明水平方向剪切波面示意图。 图5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-剪切单元、202-调节单元、203-光电探测单元、204-存储单元、205-信号处理单元。
具体实施例方式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为ζ轴，并以ζ轴建立左手坐标系，则水平方向为χ轴，竖直方向y轴。本发明一种扩束准直系统波面像差检测装置，如图1所示，包括剪切单元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，剪切单元201 与光电探测单元203依次设置于扩束准直系统出射光束的光路上，剪切单元201位于扩束准直系统与光电探测单元203之间。 剪切单元201包括一维位相光栅A和一维位相光栅B，一维位相光栅A和一维位相光栅B相互平行并与所述出射光束的光路垂直，用于实现对入射光波的剪切。其中，一维位相光栅A和一维位相光栅B的结构相同，其上相邻透光部分设置不同的刻蚀深度使透过相邻透光部分的光波存在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ρ/3，ρ为一维位相光栅的周期；且为了保证光电探测单元203对剪切干涉图的采样，设定P彡16β, β为光电探测单元203的像元尺寸。如图2和3所示，黑色条纹表示非透光部分，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°。对本发明所采用的一维位相光栅理论分析如下设χ方向一维位相光栅的周期为ρ，透光部分的宽度为a，假设
权利要求
1.一种扩束准直系统波面像差检测装置，其特征在于，包括剪切单元、调节单元、光电探测单元、存储单元以及信号处理单元；其中，剪切单元与光电探测单元依次设置于扩束准直系统出射光束的光路上，剪切单元位于扩束准直系统与光电探测单元之间；剪切单元包括一维位相光栅A和一维位相光栅B，一维位相光栅A和一维位相光栅B相互平行并与所述出射光束的光路垂直，用于实现对入射光波的剪切；其中，一维位相光栅A 和一维位相光栅B的结构相同，其上相邻透光部分设置不同的刻蚀深度使透过相邻透光部分的光波存在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ρ/3，ρ为一维位相光栅的周期；设定ρ > 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A和一维位相光栅B分别相连，用于实现对一维位相光栅A 和一维位相光栅B的旋转以及位置的调节；光电探测单元与存储单元相连，用于采集剪切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。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，对于检测波面像差较小的扩束准直系统时，调节单元增大一维位相光栅A与一维位相光栅B之间的距离；当检测波面像差较大的扩束准直系统时，调节单元减小一维位相光栅A与一维位相光栅B之间的距离。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述存储单元与光电探测单元以及信号处理单元之间可以采用蓝牙或红外进行通信。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，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和光波发射角，并传输给存储单元进行存储。
5.一种利用权利要求1所述扩束准直系统波面像差检测装置的检测方法，其特征在于，具体步骤为步骤一、调整单元旋转一维位相光栅A和一维位相光栅B，使两者上的光栅线条都与y轴平行；调节单元进一步控制一维位相光栅A和一维位相光栅B沿X轴方向移动.0、 /4、？/2、3 /4，图像探测单元依次采集对应0、π/2、π、3 π/2相移的χ方向剪切干涉图Px Px Px Px ..1 0 “ ττ/2 “ TT “ 3 π/2 ,步骤二、调节单元旋转一维位相光栅A和一维位相光栅B，使两者上的光栅线条都与χ轴平行；调节单元进一步控制一维位相光栅A和一维位相光栅B沿y轴方向移动.0、 /4、？/2、3 /4，图像探测单元依次采集对应0、π/2、π、3 π/2相移的y方向剪切干涉图py py py py ..1 0 “ ττ/2" π “ 3π/2 ,步骤三、根据χ方向剪切干涉图《，巧2，巧，《/2和y方向剪切干涉图《，^；2，《，《/2获取扩束准直系统的波面像差。
全文摘要
本发明提出一种扩束准直系统波面像差检测装置及方法，其中所述检测装置包括剪切单元、调节单元、光电探测单元、存储单元以及信号处理单元；其中，剪切单元与光电探测单元依次设置于扩束准直系统出射光束的光路上，剪切单元位于扩束准直系统与光电探测单元之间；剪切单元包括一维位相光栅A和一维位相光栅B，用于实现对入射光波的剪切；两一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。
文档编号G01J9/02GK102252765SQ20111017434
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者刘克, 李艳秋, 汪海 申请人:北京理工大学