点衍射干涉检测技术

本文介绍了点衍射干涉仪不同发展阶段的特点和应用。点衍射干涉仪由波长量级的针孔产生高质量的球面波作为参考波前,能够得到衍射极限性能的分辨率。按照不同的光路特点,点衍射干涉仪可分为点衍射共路干涉和点衍射非共路干涉两种结构,主要应用于高精度波前检测和面形检测。共路干涉结构简单紧凑,对环境振动不敏感,对光源相干度要求不高,可利用光束偏振态及光栅衍射分束的特性对传统点衍射板进行改造,在全共路点衍射干涉仪中引入时间相位调制技术和干涉对比度可调技术,可进一步提高波前检测精度。采用反射式针孔和各种光纤结构发展了非共路点衍射干涉仪,实现了大口径、高精度球面反射镜面形的测量。本文重点阐述了用于极紫外光刻投影物镜中高精度球面反射镜面形检测的反射式针孔点衍射干涉仪,并展望了点衍射检测技术在生物检测等领域的应用前景和发展趋势。     

点衍射干涉仪中小孔衍射波面误差分析

针孔或光纤直径的大小是影响点衍射干涉仪检测精度的重要因素,在实际检测中须根据检测任务的精度要求来选择小孔的尺寸.基于标量衍射理论,仿真计算了小孔尺寸引起的衍射波面相对标准球面偏离的误差.结果表明,当小孔直径为2.5μm,数值孔径(NA)为0.3时,与小孔有关的光学系统误差峰值(PV)约为0.07 nm.仿真方法和计算结果为针对各种高精度面形检测任务而设计点衍射干涉仪和分析其精度提供了理论和数据参考.     

照明物镜像差对远场衍射波前质量影响的严格矢量分析

点衍射干涉仪(PDI)中衍射参考球面波的质量受照明物镜像差和小孔的质量、状态的影响。基于矢量衍射理论,分析计算了可见光经过带像差的照明物镜聚焦后经过有限厚度具有实际电导率小孔板的衍射。分析了照明物镜像差对远场衍射波前质量的影响,确定了PDI检测极紫外光刻(EUVL)元件和系统时的最佳直径大小。分析计算得出,当用PDI检测数值孔经(NA)为0.3的系统时,采用直径大小为800nm的小孔较为适宜,其衍射波前均方根(RMS)偏差为6.51×10-5λ,强度均匀性为0.812。当用PDI检测NA为0.3的元件时,采用直径大小为500nm的小孔较为适宜,其衍射波前的RMS非对称偏差为8.40×10-5λ,强度均匀性为0.664。     

空域移相偏振点衍射波前检测技术

点衍射干涉仪结构简单、共光路、测量精度高, 空域移相干涉仪抗振性能优越, 两者在波前检测领域获得了广泛的应用. 本文采用激光打孔技术, 通过在金属纳米线栅偏振片上制备小孔, 制作了偏振点衍射板; 结合分光结构的空域移相技术, 搭建了空域移相偏振点衍射干涉仪, 并对一焦距为550 mm, F_#10的平行光管准直物镜透射波前进行测量, 与法国Phasics公司生产的商业化波前传感器SID4的测量结果相比较, 两者峰谷值相差0.09λ, 均方根值相差0.012λ ; 利用35项Zernike多项式拟合两者的测量结果, 将拟合得到的系数在同一坐标轴下绘制成两条曲线, 两者基本重合, 从而验证了所搭建的空域移相偏振点衍射波前检测装置的测试精度. 从而在传统点衍射干涉仪的基础上引入了空域移相技术, 实现了波前的高分辨率、高精度、实时检测, 并且提高了对振动、气流等环境因素的抗干扰能力.     

微小孔偏差对远场波前质量影响分析

点衍射干涉仪(PDI)中小孔质量影响参考球面波的质量,加工和装调误差使实际小孔与理想圆孔之间产生了偏差.利用瑞利-索末菲衍射公式,对因小孔加工和装调误差产生的边缘粗糙小孔和椭圆小孔的远场衍射波前质量作了详细的分析.小孔边缘的粗糙度主要在衍射波前中引入了三叶形像差,小孔的椭圆度在衍射波前中引入了小量的像散.对于直径在0....     

纳米精度波像差检测随机点源阵列照明优化分析

在基于夏克-哈特曼波前传感器的深紫外物镜系统波像差检测中,均匀高亮度的照明光束是实现纳米精度波像差检测的关键。采用时域有限差分法和部分相干性理论对随机排列微孔阵列衍射波前的强度对比度进行了优化。与周期排列微孔阵列相比,采用随机排列微孔阵列,可获得更加光滑的衍射波前强度分布;对单个微孔衍射波前的分析表明,微孔直径越大衍射波前强度对比度越大;衍射波前强度对比度在双孔间为74 nm时达到最大值。分析计算得出,为获得满足纳米精度波像差检测强度对比度要求的波前,随机排列微孔阵列中宜采用直径170 nm的微孔,且微孔间距大于等于306 nm,此时,微孔阵列中微孔个数为428,衍射波前强度对比度为11.70。     

二元矩形金属光栅衍射增强电磁理论

采用耦合波原理计算了TM波经过二元纳米量级金属光栅衍射的电磁场，研究了金属光栅的占空比、光栅深度及TM波入射角对衍射后的光栅表面电磁场的增强的影响，针对金属金、银做了探讨和分析，得出重要的结论. 关键词： 耦合波原理 金属光栅 衍射     

利用泽尼克系数求取衍射光栅的分辨本领

光栅分辨本领检测设备的焦距通常达几米甚至十几米,采用直接测量法难度大、成本高,利用衍射波前间接求取光栅分辨本领是解决该问题的有效途径之一。在光栅光谱成像傅里叶变换理论基础上,建立了利用泽尼克多项式拟合系数求解衍射光栅分辨本领的归一化模型,揭示了光栅衍射波前与分辨本领的求取关系,提出了依据泽尼克多项式拟合系数求取衍射光栅分辨本领的新方法。根据该方法实测了一块衍射光栅的分辨本领,并与直接测量法进行对比测试。结果表明该方法误差小于4.42%,降低了分辨本领的测试难度,是衍射光栅分辨本领求取的有效手段,应用于ZYGO干涉仪等仪器中,通过简单的波前测试即可得到定量的衍射光栅分辨本领指标。     

外差干涉仪中声光调制器特性对测量精度的影响

提出并论证了混合型声光调制器衍射光的衍射级次混叠特性, 它使衍射光强中存在着驱动频率的谐波项, 此外入射光束的漂移将引起衍射光的频率漂移。分析了在外差干涉仪中应用它们对测量精度的影响, 提出了消除这些因素影响的方法： 利用双声光调制器外差干涉, 并在干涉仪的内部提取测量的参考信号。用双声光调制器的外差干涉仪可以实现纳米测量。     

外并干涉仪中声光调制器特性对测量精度的影响

提出并论证了混合型声光调制器衍射光的笛射级次混叠特性,它使衍射光强中存在着驱动射频率的谐波项,此外入射光束的漂移将引起衍射光的频率漂移。分析了在外差干涉仪中应用它们对精度的影响,提出了消除这些因素影响的方法;利用双声光调制器外差干涉,并在干涉仪的内部提取测量的参考信号。用双声光调制器的外差干涉仪可以纳米测量。     

透过检测中的准直镜精度容限

在干涉检验过程中,被检元件的面形误差检测精度受到干涉仪系统结构的影响,从而降低测量结果的可靠性。为了得到较高的检测精度,必须对检测系统进行分析,建立测量误差和系统结构的关联度。根据菲涅耳衍射近似理论,就菲佐干涉仪中的准直镜和标准镜面形误差对透过检测的影响进行了研究。通过对波前相位传递情况的分析,得出波前误差和系统结构参量的相关性,去除空腔系统误差,优化结构参量,并建立准直镜误差容限表达式。经计算得出,当被检面形变误差为0.2λ时,测试误差可以达到0.02λ,而对准直镜的面形误差要求只需0.8λ。     

点衍射干涉系统光学结构参数优化研究

采用时域有限差分方法,在分析点衍射波前误差的前提下,讨论了点衍射干涉系统中物镜数值孔径、针孔尺寸、检测的数值孔径对衍射光强的影响;逐步优化光学结构参数,得到不同光学结构参数之间的匹配数值表;通过比较点衍射干涉系统和Zygo干涉仪对球面镜的测量结果,得到测量面形误差的均方根之差为波长的1/1000,且获得的干涉条纹具有合适的对比度和亮度,验证了光学结构参数选择的合理性。     

衍射式光栅干涉测量系统发展现状及趋势

在车间条件下操作时,光栅干涉仪在测量精度方面优于He-Ne激光干涉仪.基于光栅干涉测量系统有一些特别的优点,导致其在高精密测量中用途不断增加.阐述了衍射式光栅干涉测量系统的工作原理和特点,同时详细总结了国际上生产和研究衍射光栅干涉测量系统的厂家和研究机构及他们的产品.并指出该系统的发展趋势和存在的问题,为衍射式光栅测量...     

圆形余弦光栅菲涅耳衍射场的研究

基于波前相因子判断法并考虑到圆光栅孔径的影响,揭示了圆形余弦光栅的衍射场含有3种成分,它们是均受限于圆形孔径的平面衍射波、发散球面衍射波和会聚球面衍射波;分别给出了这3种衍射场的积分表达式,进而导出了沿轴的衍射场复振幅分布的3个公式,并显示了相应的沿轴衍射场实振幅分布曲线,得到了实焦斑的横向半值线宽和轴向半值线宽公式.本研究为圆形余弦光栅用于聚焦和成像技术进一步提供了一个理论基础.     

基于波前法的光栅拼接误差检测及计算方法

光栅拼接法是目前制作大尺寸平面衍射光栅的重要方法之一,而拼接误差是评价拼接光栅是否能够使用的重要指标之一。实时定量测量拼接误差,能够实现对拼接误差的自动闭环调整,通过实时指导拼接提高光栅拼接的精度。建立了衍射波前与光栅拼接误差关系的数学模型,分析了干涉仪测量光栅拼接误差的原理,用ZYGO干涉仪实现拼接光栅0级及-1级衍射波前的数字化定量提取,分析并计算了拼接误差波前,得到五维拼接误差的数值解。利用拼接光栅-2级的衍射波前验证五维拼接误差结果的准确性,实验结果表明由0级、-1级、-2级拼接波前计算的拼接误差具有较好的一致性,为利用波前检测光栅拼接误差并实现自动化闭环调整提供了理论指导。     

全息模式波前传感器的像差探测

利用标量衍射理论对全息模式波前传感器进行了深入分析,给出了传感器输出面的衍射场光强表达式,从而与模式偏置波前传感器理论统一起来。为了便于对全息模式波前传感器进行模拟,利用两共轭倾斜平面波代替倾斜聚焦球面波作为全息记录时的参考波,并在紧贴全息元件后放置聚焦透镜,从而建立全息模式波前传感器的等效模型。然后利用数值模拟方法对全息模式波前传感器的工作原理进行验证,结果表明全息模式波前传感器的灵敏度高、速度快。     

远场超分辨随机光重建显微镜(STORM)研究进展

了解细胞内分子尺度的动态和结构的特征是生命科学迫切需要解决的问题,要求远场光学成像要求纳米或亚纳米量级的空间分辨率.介绍了一种实现打破衍射极限的远场荧光显微成像技术--随机光重建显微术(STORM),其分辨率可以达到横向分辨率20 nm,轴向分辨率50 nm,理论上这种方法的空间分辨率可以达到单分子定位的精度.具体介绍...     

基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术

为测量光学系统出射波前以及动态波前,提出一种基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术。在传统点衍射干涉仪中调整点衍射板轴向离焦量引入圆载频,通过二阶极坐标变换可以将圆载频干涉图转换为具有准线性载频特征的干涉图,从而在频域中将连续频谱转换为准离散谱,采用傅里叶变换法即可提取相位。仿真波面为利用36项Zernike多项式随机生成,在离焦17λ条件下相位恢复误差的均方根值为0.002λ。实验测量了F/10标准镜头岀射波面,测量结果与SID-4波前探测器一致;实验还实现了有机玻璃材料吸收特性的动态检测。因此采用该技术能够实现光学系统的检测以及动态波面实时测量。     

纳米精度外差干涉仪非线性漂移的研究

在纳米精度外差干涉仪中，由于非线性温度漂移，成为外差干涉仪实现纳米精度测量的重要误差源。本文对差动干涉仪的理论分析得出如下的结论，干涉仪中除了测量光路和参考光路以外，还存在参考光误差分量和测量光误差分量的额外光路，从而引和了干涉混叠，产生非线性漂移：１／４波片的相位延迟量误差和安装是引入非线性漂移的主要因素，其影响程度是一阶的，提高波片对加工精度，并尽量减少其级数可降低非线性漂移。     

刻线误差与面型误差对平面光栅光谱性能影响的二维快速傅里叶变换分析方法

光栅刻线误差与基底面型误差影响平面光栅衍射波前、分辨本领、鬼线、卫线及杂散光等光谱性能,研究光栅性能指标与光栅刻线误差及基底加工误差之间的因果关系,对提高光栅质量极为重要。根据光栅衍射中产生的源于刻线误差与面型误差的光程差,推导出了在光栅锥面衍射情况下的光栅刻线误差、基底面型误差、入射角θ、衍射级次m与衍射波前关系的数学表达式,得到构建非理想光栅衍射波前的理论模型。以理论模型为依据,采用干涉仪测量光栅对称级次衍射波前,实现在测量结果中对光栅刻线误差与基底面型误差的分离,并基于二维快速傅里叶变换分析光栅衍射波前,考察了刻线误差与面型误差对光栅性能指标的影响。借助此方法通过重构的光栅衍射波前,分析光栅分辨本领、鬼线等光谱性能,还可以反演光栅全表面刻线误差与面型误差的大小,为光栅基底加工、光栅制造和使用技术提供理论依据。