环境温度变化对夏克-哈特曼波前传感器测量精度影响分析

环境温度变化是影响夏克-哈特曼波前传感器(SHWS)测量精度的重要因素之一。采用Zemax软件热分析功能,分析了环境温度变化引起的微透镜阵列(MLA)变形及折射率变化、MLA和电荷耦合器件(CCD)间距变化以及球面波点源与SHWS间距变化对SHWS测量精度的影响。分析计算得出,环境温度变化引起的MLA和CCD间距变化是影响SHWS测量精度的主要因素,环境温度在21~24℃内每增加1℃,给测量结果带来的误差[均方根(RMS)]约为0.52nm。通过单模光纤衍射产生近于理想的球面波对SHWS测量精度进行实验验证,实验结果和仿真分析结果基本一致。     

基于时域有限差分方法的点衍射波前误差分析

小孔的直径影响小孔衍射波前的误差,进而会影响点衍射干涉(PDI)检测的精度。基于矢量衍射理论中的时域有限差分(FDTD)方法,精确分析了可见光情况下衍射小孔直径接近以及小于入射光波长时所对应的衍射波前相对于标准球面波的偏离误差。数值仿真结果表明,当小孔的直径为400 nm时,所对应的数值孔径为0.65的衍射波前的误差峰谷值小于1 nm,而误差均方根值小于0.35 nm。随着小孔尺寸的减小,其衍射波前的误差进一步减小。仿真结果原理上验证了小孔点衍射干涉方法用于实现大数值孔径球面的高精度检测的可行性,并为实际检测中点衍射小孔尺寸的选择提供了精确的数值依据。     

相移点衍射干涉仪用衍射板结构设计

相移点衍射干涉仪(PS/PDI)的检测精度取决于衍射板中针孔衍射产生的参考球面波质量,而针孔的直径是影响参考球面波质量的一个重要因素。基于矢量衍射理论,以会聚光束作为入射光,分析了针孔厚度和直径、加工误差以及入射光源单项像差和综合像差对衍射波面质量的影响。仿真数据表明,为了获得数值孔径为0.2,波前误差均方根(RMS)值不大于1.4×10-3λ的理想球面波,在针孔的实际加工制作中,应选200nm厚度铬膜,直径为1.5μm的针孔,并且满足仿真误差要求;对衍射板上窗口尺寸进行了仿真,结果表明窗口边长取60μm时,仿真结果最优。用实验验证了设计结果的可行性。     

钢球表面缺陷的双波长干涉数字相位检测

提出了一种基于双波长干涉数字相位测量的钢球表面缺陷检测方法。采用波前匹配照明光路对钢球进行照明成像,理论分析表明当入射光波前曲率半径与钢球表面曲率半径相等时,钢球将获得最大空间角的有效照明,其照明空间角取决于物镜的数值孔径。用双波长干涉和数字相位处理得到等效波长包裹相位,从而增大包裹相位的测量量程,避免相位解包裹处理,用相位掩模标定法对等效波长中的倾斜因子和二次球面波相位畸变进行校正,得到了高精度的钢球表面三维数据。通过实验对钢球表面的缺陷和粗糙度进行了检测与分析,实验结果证实了该方法的有效性。     

基于激光光束质量测量的超消色差物镜设计

在激光光束质量测量时,为了避免每次测量不同波长激光都要对聚焦透镜的焦平面位置进行标定,降低测量误差,研究和设计了覆盖紫外至近红外波段的超消色差物镜。基于波像差的理论,推导了超消色差物镜初始结构求解的方程组。应用光学设计软件Zemax设计了工作波段为350~1100nm的宽光谱超消色差物镜,焦距为200mm,入瞳直径为25mm。给出了光学系统图、纵向像差曲线、焦移曲线及调制传递函数(MTF)曲线。设计结果表明,采用该方法设计的物镜,在0.707孔径处不同波长光线的球差曲线基本相交于一点,实现了超消色差;工作波段内的焦移仅为26.3μm,基本固定了焦平面的位置;在截止频率范围内的MTF均接近衍射极限,满足了紫外至近红外波段激光光束质量的测量要求。     

可见光下3维针孔的衍射波面分析

针孔是相移点衍射干涉仪中的关键元件。为了探究针孔的尺寸、制造针孔的材料以及材料的厚度对衍射波面质量的影响,确定点衍射干涉仪的测量精度,采用时域有限差分法分析获得了近场数据,并利用瑞利-索末菲矢量衍射理论将近场数据外推得到远场数据,通过远场处理数据分别对TM和TE偏振光入射针孔时,针孔的大小、材料以及材料厚度对衍射波波面质量的影响进行了理论分析和仿真模拟,得到了相应变化曲线图。结果表明,若要获得理想的球面波,材料厚度不能低于300nm,适当的孔径尺寸可以降低衍射波面误差;当孔径为300nm左右时,波面的均方根误差可达到λ/1000(λ=632.8nm)。这一结果对相移点衍射干涉仪的设计和应用是有帮助的。     

光刻机照明光瞳测量用傅里叶变换物镜光学设计

浸液光刻投影物镜的数值孔径目前已经达到1.35,这对与之匹配的照明系统光瞳测量提出了十分苛刻的需求,为此设计了一种用于照明光瞳测量的傅里叶变换物镜。分析了傅里叶变换物镜应该满足的畸变要求,并针对照明光瞳测量实际需求分析了傅里叶变换物镜的正弦条件偏离的阈值,采用对不同视场角预留不同负畸变值的方法,实现了一种傅里叶变换物镜光学设计,采用5块透镜、1种光学材料,满足照明光瞳测量对正弦条件偏离阈值的要求,成像质量接近衍射极限,并对傅里叶变换物镜逆向光路也进行了分析计算。通过傅里叶变换物镜光学设计的具体实例,证实了通过对不同视场角预留不同负畸变值设计方法的有效性,利用该方法可以获得满足实际照明光瞳测量要求的傅里叶变换物镜。     

光学分数傅里叶逆变换的单透镜模式

用波前相因子判断法，将球面波照明物体的自由空间菲涅耳衍射光场分布，与分数傅里叶逆变换的标准频谱分布进行位相比较，提供了球面波照明条件下光学分数傅里叶逆变换的单透镜模式，给出了其光学实现基本单元参量选择的判定法则。计算机模拟了实验证明了结论的可靠与可行。     

人眼色差对夏克-哈特曼波前探测器的影响

为获得高分辨率视网膜血管图像,在自适应成像系统中,采用双光源照明模式。由于人眼存在色差,采用双光源照明模式会导致探测到的波前与实际需校正波前不一致。采用36项Zernike多项式拟合人眼波前,利用Liou&Brenann、Navarro模型眼和真实人眼分析了人眼色差对夏克-哈特曼波前探测器的影响:对于Liou&Brenann和Navarro模型眼,561 nm和785 nm光的波前色差均方根值(RMS)分别为0.09λ和1.44λ,去除离焦项后的波前色差RMS值分别为0.0025λ和0.01λ;对于真实人眼,两光源的波前色差RMS值为1.92λ,去除离焦项后的波前色差RMS值为0.04λ。根据Maréchal判据,除离焦项外,色差对其他波前像差的影响均方根值小于衍射极限(1/14λ),故波前像差的影响可忽略。由色差造成的离焦量可通过移动成像相机进行补偿。从结果可以看出采用双光源照明的视网膜血管自适应光学成像方案是可行的。     

193nm光刻投影物镜单镜支撑仿真分析及实验研究

光刻是大规模集成电路制造过程中最为关键的工艺,光刻的分辨力主要取决于光刻投影物镜的光学性能。光刻投影物镜光学元件面形精度为纳米量级,其对光学元件的加工及物镜单镜支撑提出了极高的要求。为193nm光刻投影物镜高精度的单镜面形,设计了一种运动学单镜支撑结构。运用有限元法(FEM)分析光刻投影物镜单镜运动学支撑结构在重力下物镜镜片的面形变化量,经分析物镜镜片的峰值(PV)值为15.46nm,均方根(RMS)误差为3.62nm。为了验证有限元计算精度,建立了可去除参考面面形及被测面原始面形的方法。经过分析对比,仿真结果与实验结果面形的PV值为2.356nm,RMS误差为0.357nm。研究结果表明,所设计的基于运动学193nm光刻投影物镜单镜支撑结构能够满足193nm光刻投影物镜系统对于物镜机械支撑结构的要求。     

相移点衍射干涉仪的关键技术研究

相移点衍射干涉仪(PS/PDI)是应用于极紫外光刻投影物镜波像差在线检测的高精度检测设备。在介绍国际相关机构PS/PDI研究进展的基础上,重点阐述在干涉仪优化设计、高精度对准、系统误差标定以及干涉图像处理等PS/PDI关键技术研究方面取得的成果。以关键技术研究为基础,开发了一套可见光波段的PS/PDI原理实验装置,并利用该装置检测了极紫外光刻中典型的Schwarzschild投影物镜的波像差,自主开发的20倍缩小Schwarzschild物镜的数值孔径达到了0.2。实验结果表明,干涉仪的重复对准精度优于0.1μm,波像差的绝对检测精度均方根(RMS)误差达到了0.025λ(λ为检查光波长),重复检测精度RMS优于0.001λ,检测速度达到了20秒/视场点。     

高数值孔径自由曲面极紫外光刻物镜光学设计

高分辨率需求牵引极紫外光刻（EUVL）投影物镜向高数值孔径（NA）、自由曲面设计形式发展。传统的非球面EUVL物镜设计难以在高数值孔径下兼顾校正像差的需求,往往造成遮拦,破坏成像对比度。提出了一种高NA无遮拦自由曲面EUVL物镜设计方法。依据物镜形态参数判别引入自由曲面的最佳位置,能够有效校正系统像差,在不影响成像性能的情况下增大系统NA。应用该方法设计了一套高NA自由曲面EUVL投影物镜（PO）。与初始非球面物镜相比,通过增加四面自由曲面,将物镜数值孔径从0.3增大至0.35,波像差均方根（RMS）值从1 nm减小至0.4 nm,整个系统光路无遮拦。设计结果表明:该方法有效提高了自由曲面EUVL物镜设计效率,在不产生遮拦的情况下,不但增大了系统NA且减小了系统波像差,提高了物镜整体性能。     

利用干涉仪检测调整非球面物镜的光路

介绍了利用干涉仪检测调整非球面物镜光路的方法.调整分粗调和精调两个阶段.在粗调阶段,以激光的光轴作为检测光路的基准光轴,建立起共轴光路检测系统;在精调阶段,以WYGO干涉仪内部倾斜系数作为调整依据,进行物镜的精调.用干涉仪测得的物镜的面形质量为:波前PV值优于λ/8,RMS值达到λ/100(λ=0.6328μm),检测结果满足波前检测镜头的要求.这表明此种光路调整方法能够反映物镜真实的面形精度,并且能用于高精度的物镜检测.     

点衍射干涉仪波前参考源标定算法的研究

为了提高双光纤点衍射干涉仪的检测精度,需要对干涉仪装置中两个波前参考源(WRS)的系统误差进行标定。设计了波前参考源的标定过程及标定算法,通过沿被检光学系统光轴四次旋转90°求出波前参考源的沿轴旋转非对称误差,沿倾斜轴四次旋转90°求出波前参考源的沿倾斜轴旋转非对称误差,然后利用两者之差采用最小二乘法求出波前参考源的旋转对称误差,将对称误差和非对称误差相累加求出波前参考源的系统误差。采用计算机模拟了标定算法的整个流程,当波前参考源沿光轴和倾斜轴旋转的旋转公差在±1°范围内时,采用36项泽尼克多项式进行标定的测试误差均方根值小于0.01nm,在标定精度允许的范围内。通过模拟验证了标定算法的正确性并给出波前参考源的旋转公差范围。     

光栅横向剪切干涉仪及其系统误差分析

在分析光栅横向剪切干涉仪典型结构及系统参数配置,给出其适用范围的基础上,系统研究了该干涉仪结构最显著的系统误差:几何光程误差和探测器倾斜误差。采用Zernike多项式给出波前重建前后系统误差项的解析表达式;对其大小与被测数值孔径(NA)、衍射光会聚点间距d、剪切率s之间的关系进行了定量分析。几何光程彗差和像散、探测器倾斜像散和离焦是剪切干涉差分波前中最主要的误差项,波前重建后主要导致几何光程球差和彗差,探测器倾斜彗差。重建波前误差随着NA、d的增加而迅速增大,随着s的减小而增大。特别是小剪切(s≤0.05)时,波前重建对系统误差有增益效应,重建波前的系统误差值远大于差分波前。小剪切情况下,当d2μm、NA0.1时,重建波前误差的均方根值远大于1nm。     

双孔点衍射干涉成像系统波像差检测技术研究

提出了一种用于测量高精度成像系统的双孔点衍射干涉仪,具有高光场均匀性、高可测量数值孔径、准共光路、相移元件在系统成像光路以外的优点。设计了两种测量模式,点衍射测量模式和系统误差测量模式,其中系统误差模式用于标定干涉仪的系统误差。分别搭建了双孔点衍射干涉和双光纤点衍射干涉的实验装置,完成了对设计波像差小于0.045λ RMS,5×透射式投影物镜的检测实验。实验结果表明,与双光纤点衍射干涉仪对比,双孔点衍射的波像差测量相对误差为0.07 nm RMS,且干涉图具有更加良好的光强均匀性。验证了本文检测技术的有效性。     

离轴数字全息波前重建算法讨论

在离轴数字全息的应用研究中,将数字全息图视为单位振幅平面波照射下的光波场,利用1次快速傅里叶变换(FFT)计算菲涅耳衍射积分是最流行的物光波前重建方法(简称1-FFT法)。然而,用球面波为重建波,利用像平面滤波技术及角谱衍射理论,存在需要4次FFT的另一种波前重建方法(简称FIMG4FFT法)。基于快速傅里叶变换理论对这两种方法进行研究。结果表明,尽管FIMG4FFT重建方法需要进行4次FFT计算,却能用较少的计算资源高效率地重建同等质量的物光场。为便于实际应用,详细给出FIMG4FFT方法在彩色数字全息图像重建及物体微形变检测中的应用实例。     

抑制零级串扰的光栅横向剪切干涉测量

为降低传统光栅横向剪切干涉仪中双方孔空间滤波器带来的加工和装调难度,设计了一种基于9步式零级相位误差标定的光栅横向剪切干涉测量方法,只需采用可变空间滤波器即可抑制零级串扰对相移相位复原的影响。针对数值孔径为0.125的投影光刻物镜,完成了参数设计和原理验证系统的搭建。通过剪切相位复原和波前重构,实现了该物镜的波像差检测。结果表明:其波像差小于20.32nm。最后对该光栅横向剪切干涉仪进行重复精度实验,其重复精度的方均根值为0.1303nm,系统性能良好。     

近红外荧光扫描用共聚焦光学系统设计

为了实现近红外荧光的高分辨率扫描,设计了用于近红外荧光扫描的激光共聚焦光学系统。采用复消色差显微物镜结构设计了物镜,采用凹凸双透镜结构设计了点光源光路和照明光路,采用柯克物镜结构设计了发射光路,并采用ZEMAX软件进行了光学设计和仿真。实验表明：物镜的数值孔径为0.42;点光源光路的焦点弥散斑小于0.2 μm,将圆形光斑激光很好地转换成了点光源,其离焦弥散斑的直径小于40 μm,满足照明针孔的尺寸要求;照明光路的焦点弥散斑小于1 μm,且焦点弥散斑的能量在2 μm范围内超过了83%,因此焦点光斑的能量集中度很高;发射光路的离焦弥散斑的直径小于100 μm,满足照明针孔的尺寸要求;同时照明光路和发射光路都具有较高的光学传输效率。该激光共聚焦光学系统具有数值孔径较大、工作于近红外光谱区、分辨率高的优点。     

大口径标准球面镜组研制与应用

为了实现大口径凸面反射镜检测,研究了大口径标准镜组的设计与研制技术。针对口径Φ为350mm、焦距为4400mm的标准球面镜组,完成了标准镜头设计分析、面形和曲率半径误差标定以及系统集成与实验验证。光学设计软件模拟分析结果表明镜头设计波像差达到0.0001λ[峰谷值(PV),λ=632.8nm],该标准镜头参考球面标准镜面形加工精度达到0.088λ(PV,λ=632.8nm)、0.006λ[均方根(RMS),λ=632.8nm],某项目Φ为320mm、R为4092mm的碳化硅凸面反射镜最终加工检测结果达到0.102λ(PV,λ=632.8nm)、0.011λ(RMS,λ=632.8nm)。结果表明采用该大口径标准球面波透镜组为大口径长曲率半径凸面反射镜提供了一种高精度检测的手段,解决了大口径长曲率半径凸面反射镜检测难题,采用该标准球面镜结合基于数字样板的非零位检测方法也可完成浅度非球面或自由曲面面形实时高精度检测。