利用空间光调制器作检测标记的波像差检测系统及检测方法技术方案

一种利用空间光调制器作为检测标记的波像差检测系统及检测方法。该波像差检测系统包括：相干点光源，作为检测标记的二维空间光调制器和二维光电传感器。其中二维空间光调制器是由很多像素单元组成的二维阵列，每个像素单元都能独立地对入射光实现开启和关闭两种状态，像素单元在开启状态下能实现入射光的透射(或反射)，而在关闭状态下则阻止入射光的透射(或反射)。利用本发明专利技术的波像差检测系统检测待测投影物镜的波像差，可以去除系统中精密机械扫描部件，提高了系统的紧凑性和稳定性；消除测量过程中系统对检测标记的扫描过程及检测标记对照明光波的配准过程，提升了系统的检测速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及波像差检测系统及检测方法，特别是一种利用空间光调制器作为检测标记的波像差检测系统及检测方法。
技术介绍
波像差检测技术大致可以分为两大类：一类是基于瞳面测量的波像差检测技术，包括Shack-Hartmann传感器、点衍射干涉仪和剪切干涉仪等；另一类是基于空间像测量的波像差检测技术。两类技术风格迥异却各显千秋。从技术手段上看，前者是通过某种技术手段从当前探测结果中提取出波前信息(如Shack-Hartmann传感器从光线像差中提取出波像差的差分数据，剪切干涉仪从干涉强度中提取出波像差的差分数据)；而后者则利用光场传播过程由测得的空间像反演出瞳面的波像差。从数值实现上看，前者一般先得到波像差的差分数据，然后再采用某种数值方法(如RimmerMethod)由波像差的差分数据得到波像差数据；而后者则通过光场传播过程的迭代优化找寻最优解，直接得到波像差数据。从应用范围上看，基于瞳面测量的波像差检测技术不存在迭代优化的过程，因而在计算速度和稳定性上要优于基于空间像测量的波像差检测技术，但前者系统结构相对复杂，且在应用于大数值孔径和低光子通量的光学系统时越来越难克服系统误差；而基于空间像测量的波像差检测技术虽然在计算速度和稳定性上受限于所采用的迭代算法和迭代次数，但它的优势在于系统结构相对简单，对系统误差相对不敏感，这在应用于大数值孔径和低光子通量的光学系统时尤为体现。本专利技术涉及的利用空间光调制器作为检测标记的波像差检测系统采用的就是基于空间像测量的波像差检测技术，它继承了该技术结构简单的优点，同时不失检测精度。本专利技术涉及的基于空间像测量的波像差检测技术借鉴了扫描相干衍射成像(Ptychography)技术的思想。Ptychography技术(参见在先技术1，J.M.RodenburgandH.M.L.Faulkner,“Aphaseretrievalalgorithmforshiftingillumination”,AppliedPhysicsLetters85,4795,2004)是一种相位恢复技术，与之相应的相位恢复算法称为PIE(PtychographicIterativeEngine)算法，它的原理是将照明光波照射到检测标记上，检测标记在垂直于光轴的平面内做步进扫描，每一步扫描均与上一步有部分重叠，观测面记录检测标记在每步扫描时形成的衍射图样，通过检测标记所在平面和观测面之间光场传播过程的反复迭代运算，得到照明光波或检测标记的相位信息。由于在分别恢复每步扫描时的结果也要同时满足其他扫描结果的约束，最后的恢复结果将是所有扫描结果的共同解，这也是PIE算法的恢复精度较之于传统相位恢复算法(如GS算法、输入输出法)高的原因。PIE算法最初应用于在已知照明光波的情况下恢复检测标记，而事实上通过已知检测标记恢复照明光波也是可行的(参见在先技术2，AntoineWojdylaa,RyanMiyakawaa,PatrickNaulleaua,“Ptychographicwavefrontsensorforhigh-NAEUVinspectionandexposuretools”,Proc.ofSPIE,Vol.9048,904839·2014SPIE)，故而该方法可以应用到投影物镜波像差检测领域中。相关技术还有pPIE(parallelPIE,参见在先技术3，PierreThibault,MartinDierolf,OliverBunka,AndreasMenzela,FranzPfeiffer,“Proberetrievalinptychographiccoherentdiffractiveimaging”,Ultramicroscopy109(2009)338–343)和ePIE(extendedPIE,参见在先技术4，AndrewM.Maiden,JohnM.Rodenburg,“Animprovedptychographicalphaseretrievalalgorithmfordiffractiveimaging”,Ultramicroscopy109(2009)1256–1262)，这两种技术可以同时恢复照明光波和检测标记，可以在检测标记未知的情形下恢复照明光波。PIE技术在应用于波像差检测领域中虽能实现高精度的测量，但存在以下不足：(1)需要对检测标记进行多次扫描操作，需要在系统中安置精密机械扫描部件，降低了系统的紧凑性和稳定性，增加了系统的测试时间；(2)检测标记的空间分布难以准确测量，影响照明光波的恢复精度；(3)多次扫描下的检测标记相对于照明光波的位置难以准确确定，也会影响照明光波的恢复精度。pPIE技术和ePIE技术虽能解决PIE技术中的第(2)点不足，但对于第(1)点和第(3)点不足依旧难以克服。
技术实现思路
本专利技术的目的在于结合上述在先技术的优点，克服上述在先技术的不足，提供一种利用空间光调制器作为检测标记的波像差检测系统及检测方法。该波像差检测系统可以去除系统中精密机械扫描部件，提高了系统的紧凑性和稳定性；消除测量过程中系统对检测标记的扫描过程及检测标记对照明光波的配准过程，提升了系统的检测速度。本专利技术的技术解决方案如下：一种利用空间光调制器作为检测标记的波像差检测系统，包括相干点光源，沿该相干点光源光束传播方向依次是作为检测标记的二维空间光调制器和二维光电传感器，待测投影物镜置于所述的相干点光源和所述的二维空间光调制器之间，所述的相干点光源位于所述的待测投影物镜的物面上，所述的二维空间光调制器位于沿光传输方向上的待测投影物镜像面之前的标记面上，标记面与像面之间的距离使标记面上有效光斑的直径小于二维空间光调制器阵列面的直径，所述的二维光电传感器位于沿光传输方向上的待测投影物镜像面之后的观测面上，观测面与像面之间的距离使观测面上有效光斑的直径小于二维光电传感器光敏面的直径；所述的相干点光源的输出数值孔径大于所述的待测投影物镜的物方数值孔径；所述的二维空间光调制器是由很多像素单元组成的二维阵列，每个像素单元都能独立地对入射光实现开启和关闭两种状态，像素单元在开启状态下能实现入射光的透射(或反射)，而在关闭状态下则阻止入射光的透射(或反射)；像素单元在开启状态下的振幅透射(或反射)系数接近于1，记录其分布值为1，在关闭状态下的振幅透射(或反射)系数接近于0，记录其分布值为0，控制各个像素单元的开关状态在二维空间光调制器的阵列面上实现二值检测标记图形；在测量过程中，所述的二维空间光调制器产生n(n≥4)个二值检测标记图形；所述的二值检测标记图形具有如下特征：其一，每个二值检测标记图形各不相同，且不具有任何对称性和周期性；其二，每个二值检测标记图形在入射光波有效光斑范围内的透光(或反光)部分的占比在40％～80％之间；其三，相邻二值检测标记图形在入射光波有效光斑范围内的透光(或反光)部分的交叠率在40％～80％之间；其四，所有二值检测标记图形在各个像素位置的逻辑和为1；所述的二维空间光调制器可以是以下中的一种：二维透射振幅式空间光调制器、二维反射式微镜阵列；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用空间光调制器作为检测标记的波像差检测系统，其特征在于，包括相干点光源(1)，沿该相干点光源(1)光束传播方向依次是作为检测标记的二维空间光调制器(3)和二维光电传感器(4)；待测投影物镜(2)置于所述的相干点光源(1)和所述的二维空间光调制器(3)之间，所述的相干点光源(1)位于所述的待测投影物镜(2)的物面上，所述的二维空间光调制器(3)位于沿光传输方向上的待测投影物镜(2)像面之前的标记面上，标记面与像面之间的距离使标记面上有效光斑的直径小于二维空间光调制器(3)阵列面的直径，所述的二维光电传感器(4)位于沿光传输方向上的待测投影物镜(2)像面之后的观测面上，观测面与像面之间的距离使观测面上有效光斑的直径小于二维光电传感器(4)光敏面的直径；所述的相干点光源(1)的输出数值孔径大于所述的待测投影物镜(2)的物方数值孔径；所述的二维空间光调制器(3)是由多个像素单元组成的二维阵列，每个像素单元都能独立地对入射光实现开启和关闭两种状态，即在开启状态下像素单元能实现入射光的透射，入射光的振幅透射系数范围为0.5～1，记录其分布值为1，在关闭状态下像素单元能阻止入射光的透射，入射光的振幅透射系数范围为0～0.5，记录其分布值为0，或者，在开启状态下像素单元能实现入射光的反射，入射光的振幅反射系数范围为0.5～1，记录其分布值为1，在关闭状态下像素单元能阻止入射光的反射，入射光的振幅反射系数范围为0～0.5，记录其分布值为0；控制各个像素单元的开关状态，在二维空间光调制器(3)的阵列面上实现二值检测标记图形，在测量过程中，所述的二维空间光调制器(3)产生n个二值检测标记图形，n≥4；所述的二值检测标记图形具有如下特征：其一，每个二值检测标记图形各不相同，且不具有任何对称性和周期性；其二，每个二值检测标记图形在入射光波有效光斑范围内的透光或反光部分的占比在40％～80％之间；其三，相邻二值检测标记图形在入射光波有效光斑范围内的透光或反光部分的交叠率在40％～80％之间；其四，所有二值检测标记图形在各个像素位置的逻辑和为1。...

【技术特征摘要】
1.一种利用空间光调制器作为检测标记的波像差检测系统，其特征在于，包括相干点光源(1)，沿该相干点光源(1)光束传播方向依次是作为检测标记的二维空间光调制器(3)和二维光电传感器(4)；待测投影物镜(2)置于所述的相干点光源(1)和所述的二维空间光调制器(3)之间，所述的相干点光源(1)位于所述的待测投影物镜(2)的物面上，所述的二维空间光调制器(3)位于沿光传输方向上的待测投影物镜(2)像面之前的标记面上，标记面与像面之间的距离使标记面上有效光斑的直径小于二维空间光调制器(3)阵列面的直径，所述的二维光电传感器(4)位于沿光传输方向上的待测投影物镜(2)像面之后的观测面上，观测面与像面之间的距离使观测面上有效光斑的直径小于二维光电传感器(4)光敏面的直径；
所述的相干点光源(1)的输出数值孔径大于所述的待测投影物镜(2)的物方数值孔径；
所述的二维空间光调制器(3)是由多个像素单元组成的二维阵列，每个像素单元都能独立地对入射光实现开启和关闭两种状态，即在开启状态下像素单元能实现入射光的透射，入射光的振幅透射系数范围为0.5～1，记录其分布值为1，在关闭状态下像素单元能阻止入射光的透射，入射光的振幅透射系数范围为0～0.5，记录其分布值为0，或者，在开启状态下像素单元能实现入射光的反射，入射光的振幅反射系数范围为0.5～1，记录其分布值为1，在关闭状态下像素单元能阻止入射光的反射，入射光的振幅反射系数范围为0～0.5，记录其分布值为0；
控制各个像素单元的开关状态，在二维空间光调制器(3)的阵列面上实现二值检测标记图形，在测量过程中，所述的二维空间光调制器(3)产生n个二值检测标记图形，n≥4；
所述的二值检测标记图形具有如下特征：
其一，每个二值检测标记图形各不相同，且不具有任何对称性和周期性；
其二，每个二值检测标记图形在入射光波有效光斑范围内的透光或反光部分的占比在40％～80％之间；
其三，相邻二值检测标记图形在入射光波有效光斑范围内的透光或反光部分的交叠率在40％～80％之间；
其四，所有二值检测标记图形在各个像素位置的逻辑和为1。
2.根据权利要求1利用空间光调制器作为检测标记的波像差检测系统，其特征在于，所述的二维空间光调制器(3)是二维透射振幅式空间光调制器或二维反射式微镜阵列。
3.根据权利要求1所述的利用二维空间光调制器作为检测标记的波像差检测系统，其特征在于，所述的二维光电传感器(4)是CCD、CMOS，或二维光电探测器阵列。
4.利用权利要求1-3任一所述的波像差检测系统进行波像差检测的方法，其特征在于该方法包含下列步骤：

【专利技术属性】
技术研发人员：方伟，唐锋，王向朝，朱鹏辉，李杰，孟泽江，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31