【CN109900200A】基于光栅剪切干涉的光学成像系统的波像差检测方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910270026.0(22)申请日 2019.04.04(71)申请人 清华大学地址 100084 北京市海淀区100084信箱82分箱清华大学专利办公室(72)发明人 朱煜　胡金春　韩如锦　田畅　张鸣　尹文生　成荣　徐登峰　(74)专利代理机构 北京鸿元知识产权代理有限公司 11327代理人 邸更岩(51)Int.Cl.G01B 11/02(2006.01)(54)发明名称一种基于平面光栅激光干涉仪的高分辨率相位检测方法(57)摘要本发明是一种基于平面光栅激光干涉仪的高分辨率相位检测方法，该方法利用双频干涉仪相位检测方法实现位移测量，对测量信号的处理包括整数部分以及小数部分。

该发明中根据外差式平面光栅激光干涉仪测量光路原理构建位移测量信号的相位方程组，建立未知数为即时相位、间隔相位与信号幅值的非线性方程组，采用最小二乘法求解上述方程组，实现鉴相从而实现精密位移测量。

本发明可以解决传统的基于时间测量的相位检测技术中测量精度较低、无法满足小量程测量等问题，该测量方法可适用于精密制造装备或光刻机等系统中。

权利要求书2页 说明书5页 附图2页CN 109990713 A 2019.07.09C N 109990713A1.一种基于平面光栅激光干涉仪的高分辨率相位检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：1)在双频平面光栅激光干涉仪系统中，利用第一干涉仪输出标准的正弦信号，作为参考信号，利用第二干涉仪输出类正弦信号，作为位移测量信号；对于类正弦信号和标准的正弦信号的相位变化，均包括整数部分和小数部分，整数周期变化带来的相位变化为N ·2π，其中N为变化的周期个数；2)求解小数部分的相位：位移测量信号与参考信号统称为被测量信号，建立被测量信号模型为y(t)＝Asin(ωt)+ε，其中，t为采样时间中任意时刻，y(t)为被测量信号在t时刻的采样值，A为信号幅值，ω为信号的角频率，ε为信号的噪声；3)将被测量信号在t c 时刻前等时间间隔地采样并记录m+1个采样点，m≥3；采样时间记为t c，0,t c，-1,...,t c，-(n -1),t c，-(n -2),...,t c，-(m -1),t c，-m ，利用步骤2)中的模型，在t c 时刻前m个采样点的位移测量信号为：y(t c，-n )＝Asin(ωt c，-n )+εc，-n ，其中，n＝0,1,2,...,m，εc，-n 为t c，-n 时刻的信号的噪声；4)记等采样时间间隔为T g ＝t c，0-t c，-1＝...＝t c，-(n -1)-t c，-(n -2)＝...＝t c，-(m -1)-t c，-m ，则步骤3)中y(t c，-n )表示为y(t c ,-n )＝Asin(ωt c -nωT g )+εc ,-n ，令t c时刻的相位为再令则式中，为由等采样时间间隔T g 带来的相位变化，称为间隔相位，范围为0-360°；5)根据步骤4)，建立m+1个被测量信号方程，得如下相位方程组：6)将上述方程组视为一般非线性方程组Y＝f(X)+ε的求解，其中，Y为被测量信号采样值y(t c ,-n )，为待解未知数；令一般非线性方程组的初值和真解值分别为X 0和X *，X *在初值X 0的附近，则存在：式中，o(X -X 0)为关于X -X 0的无穷小；当初值X 0足够接近X *时，利用最小二乘法，实现快速求解逼近真解值X *；7)将整数部分的计数和小数部分的求解相加，得到整个相位值，实现基于平面光栅激光干涉仪的高分辨率相位检测。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910183242.1(22)申请日 2019.03.12(71)申请人 中国科学院上海光学精密机械研究所地址 201800 上海市嘉定区清河路390号(72)发明人 卢云君　唐锋　王向朝　(74)专利代理机构 上海恒慧知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 31317代理人 张宁展(51)Int.Cl.G01B 9/02(2006.01)(54)发明名称基于光栅剪切干涉的光学成像系统的波像差检测方法(57)摘要基于光栅剪切干涉仪的光学成像系统的波像差检测方法，该方法采用的光栅剪切干涉仪系统包含：光学级照明系统、待测光学成像系统、一维衍射光栅版、二维衍射光栅版、二维光电传感器和计算处理单元。

一维衍射光栅版和二维衍射光栅版分别置于待测光学成像系统的物面和像面。

通过采集0、π/2、π、3π/2及N组α，π-α、2π-α相移的干涉图(其中，s为光栅剪切干涉仪系统的剪切率)，配合一定的剪切相位提取算法，消除所有高阶衍射级次光对剪切相位提取精度的影响，最终提高了待测光学成像系统的波像差检测精度。

该方法具有剪切相位提取精度高、可测的数值孔径范围大、光栅干涉仪的剪切率可调等优点。

权利要求书2页 说明书7页 附图3页CN 109900200 A 2019.06.18C N 109900200A1.基于光栅剪切干涉仪的光学成像系统的波像差检测方法，该方法采用的光栅剪切干涉仪系统包含：光源及照明系统(8)、一维衍射光栅版(1)、第一三维位移台(2)、二维衍射光栅版(4)、第二三维位移台(5)、二维光电传感器(6)和计算处理单元(7)，所述的光源及照明系统(8)输出空间非相干光，所述的一维衍射光栅版(1)固定在第一三维位移台(2)上，所述的二维衍射光栅版(4)固定在第二三维位移台(5)上，所述的一维衍射光栅版(1)上包含两组光栅线方向垂直的、占空比为1:1的一维光栅，所述的二维衍射光栅版(4)上包含一组棋盘光栅，所述的二维光电传感器(6)的输出端与计算处理单元(7)相连，建立xyz坐标系，坐标系z轴方向沿着剪切干涉仪的光轴方向，坐标系的x轴沿着一维衍射光栅版(1)上线性光栅(102)的光栅线方向，坐标系的y轴沿着一维衍射光栅版(1)上线性光栅(101)的光栅线方向，设第一三维位移台(2)和第二三维位移台(5)的运动轴分别为x轴、y轴和z轴，其特征在于该方法的步骤如下：步骤1)将待测光学成像系统(3)置于该光栅剪切干涉仪中，使光源及照明系统(8)位于待测光学成像系统(3)的物方，且二维衍射光栅版(4)位于待测光学成像系统(3)的像方，调整第一三维位移台(2)，使一维衍射光栅版(1)位于待测光学成像系统(3)的物面，调整第二三维位移台(5)，使二维衍射光栅版(4)位于待测光学成像系统(3)的像面；步骤2)根据光栅剪切干涉仪的剪切率s确定相移量：首先确定最大衍射级次为光栅剪切干涉仪系统的衍射级次依次为±1、±3、……、±(2n-1)，其中n为光栅剪切干涉仪系统中正级高阶衍射光总数或负级高阶衍射光的总数，函数ceil(X)返回大于或者等于X的最小整数，函数fix(X)返回小于或者等于X的最大整数；然后根据n确定干涉图采集时的二维衍射光栅版(4)的移动周期分别为0、1/4、1/2、3/4及棋盘光栅周期(其中i＝2、3……n，αi＜π且)；步骤3)移动第一三维位移台(2)，使所述的一维光栅衍射版(1)上光栅线沿y轴方向的第一光栅(101)移入待测光学成像系统(3)的物方视场点位置，移动第二三维位移台(5)，使所述的二维衍射版(4)上的棋盘光栅移入待测成像系统(3)的像方视场点位置，棋盘光栅对角线方向与x轴(或y轴)的夹角为45度；步骤4)沿x轴方向对第二三维位移台(5)按照上述周期0、1/4、1/2、3/4及棋盘光栅周期(其中i＝2、3……n，αi＜π且)移动，每次移动后二维光电传感器(6)采集一幅剪切干涉图并传输至数据处理单元(7)，总共得到3n+1幅剪切干涉条纹图，按下述方法计算剪切相位：通过求解线性方程组(1)和(2)，分别得到和得到x轴方向的梯度相位步骤5)移动第一三维位移台(2)，使所述的一维光栅衍射版(1)上光栅线沿x轴方向的第二光栅(102)移入待测光学成像系统(3)的物方视场点位置；沿y轴方向对第二三维位移台(5)进行相同的周期移动，同样每次移动后二维光电传感器(6)采集一幅剪切干涉图并传输至数据处理单元(7)，总共得到3n+1幅剪切干涉条纹图，同样按照公式(1)、公式(2)计算和得到y轴方向的梯度相位步骤6)对x轴方向梯度相位和y轴方向梯度相位进行解包裹，分别得到x轴方向和y 轴方向的差分波前ΔW x和ΔW y，通过剪切干涉的波前重建算法获得待测光学成像系统(3)的波像差W。

基于激光干涉仪的衍射光栅波前检测钱林勇;黄元申;张大伟;倪争技;庄松林【摘要】Former method to detect the wavefront of diffraction grating was based on special system .It is hard to avoid errors caused during setting up optical system because so many devices are used. In this work, the measurement system based on ZYGO GPI™XP/DX interferometer detect the wavefront of plane grating and concave grating, which expanded the applications of ZYGO interferometer. The principle of the system is traditional interference method. ZYGO interferometer is used in concert with standard lens and mirrors as reference device. The precision of reference devices approachλ/40 and the precision of interfere cavity isλ/20. The ±1 order diffraction wavefront and its interference fringe of plane grating are gotten. Two kinds of testing concave grating wavefront were compared. Analysis shows that the new design is simpler and easier to set up compared to past devices.% 以往检测衍射光栅波前时,需自行搭建检测光路,且搭建过程中由于元件较多,造成系统精度难以保证,得到的测量结果不够理想.针对这些问题,本文提出基于GPITMXP/DX型ZYGO干涉仪搭建检测光路,并对平面衍射光栅及凹面衍射光栅的衍射波前进行了检测,得到参考光与衍射光的干涉条纹及相关信息,拓展了ZYGO干涉仪的用途.利用传统的干涉检测法,检测时,干涉仪与标准透镜及反射镜配合使用,标准镜精度接近λ/40,干涉腔精度为λ/20.检测得到平面光栅一级衍射光与参考光的干涉条纹及光栅的衍射波前,分析比较了两种检测凹面光栅的方法.与以往检测光栅波前装置相比,本文提出的测量装置精度高、安装简单,不需要搭建专门的波前检测装置,便于重复测量,得到的结果可靠性高.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2013(000)003【总页数】8页(P67-74)【关键词】ZYGO干涉仪;光栅;衍射波前;干涉条纹【作者】钱林勇;黄元申;张大伟;倪争技;庄松林【作者单位】上海市现代光学系统重点实验室，教育部光学仪器与系统工程中心，上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093;上海市现代光学系统重点实验室，教育部光学仪器与系统工程中心，上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093;上海市现代光学系统重点实验室，教育部光学仪器与系统工程中心，上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093;上海市现代光学系统重点实验室，教育部光学仪器与系统工程中心，上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093;上海市现代光学系统重点实验室，教育部光学仪器与系统工程中心，上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093【正文语种】中文【中图分类】O453.2;TB220 引言衍射光栅质量的检测，对于光栅制造者和使用者来说都是很必要的。

基于空间像的光刻机投影物镜波像差在线检测技术新进展佚名
【期刊名称】《光学与光电技术》
【年(卷),期】2009(7)6
【摘要】本刊讯波像差直接影响光刻机成像质量、光刻分辨率以及关键尺寸（CD）均匀性等光刻技术指标，是光刻机中最关键的检测指标之一，可以用Zernike多项式及其系数来表征。

武汉光电国家实验室光电材料与微纳制造研究部刘世元教授领导的纳米光学测量研究小组为了克服目前各种波像差在线检测技术的不足，通过深入研究光刻机中的部分相干成像理论，提出一种基于二元光栅掩模标记的波像差在线检测新技术，
【总页数】1页(P96-96)
【关键词】在线检测技术;光刻机;波像差;投影物镜;Zernike多项式;空间;光电材料;光刻分辨率
【正文语种】中文
【中图分类】TN305.7;TP274
【相关文献】
1.高数值孔径投影光刻物镜波像差的自动平衡优化 [J], 徐明飞;黄玮
2.步进扫描投影光刻机投影物镜精密温度控制系统 [J], 余斌;李小平;聂宏飞
3.光刻物镜波像差检测平台针孔对准装置的研制 [J], 齐克奇
4.光刻物镜波像差检测球面波发生装置的研制 [J], 齐克奇;向阳
5.光刻机投影物镜波像差检测技术研究新进展 [J],
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