本實用新型涉及光學測量技術領域，尤其涉及一種基于多孔陣列板的光束空間相干長度測量儀。

背景技術：

空間相干性是光束的一個重要特性，在很多方面需對其空間相干性進行調制。因此，需要測量光束的空間相干長度，以表征光束空間相干性調制的效果。例如：準分子激光的空間相干性通常較差，然而，在實際應用中，某些相關技術的采用將會提高準分子激光的空間相干性，而有時為了提高系統(tǒng)某方面的性能卻需刻意調制準分子激光的空間相干性。例如，高數值孔徑深紫外投影光刻系統(tǒng)中的線寬壓窄技術使準分子激光的空間相干性增加，而為了提高深紫外光刻照明系統(tǒng)的均勻性，則需要減小準分子激光的空間相干性，另外，在深紫外光刻光學系統(tǒng)中，在調節(jié)照明相干因子的同時，也改變了準分子激光的空間相干性。因此，光束空間相干長度的測量是調節(jié)和控制光束空間相干性的前提。

傳統(tǒng)光束空間相干長度的測量方法具有一定的局限性，例如采用楊氏雙縫干涉法測量激光光束空間相干長度，該方法每次只能測量一定間距兩個點干涉條紋對比度，為了測量整個激光光束的空間相干長度，需要改變雙縫的距離，進行多次測量；即便是采用反轉剪切干涉儀測量KrF激光的空間相干長度，該方法光路搭建和測量過程復雜，整體測量時間較長。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

傳統(tǒng)光束空間相干長度的測量方法需要多次測量，測量光路復雜，測量時間較長，無法通過簡單的組成結構快速有效地得到準確的測量結果。

(二)技術方案

為了能夠通過簡單的結構，快速準確的得到光束的空間想干長度，本實用新型提出了一種光束空間相干長度測量儀，包括發(fā)光器、探測器、計算機和多孔陣列板，

發(fā)光器用于產生光束；

多孔陣列板具備多個非等間距的小孔，激光光束通過多個小孔產生干涉圖，即光強分布；

探測器用于接收通過多個小孔的激光光束并采集該激光光束的光強分布數據；

計算機用于接收光強分布數據并根據該光強分布數據計算激光光束的空間相干長度。

多孔陣列板上非等間距的小孔排列在同一直線上。

小孔為尺寸大小一致的圓形小孔。

小孔間距是相鄰兩小孔中心位置之間的距離，其所述相鄰兩小孔中心位置之間的距離的最大值小于激光光束的尺寸大小。

優(yōu)選地，小孔數量為6。

優(yōu)選地，6個小孔在多孔陣列板上自上而下依次分別是第一小孔、第二小孔、第三小孔、第四小孔、第五小孔、第六小孔，所述的第一小孔和第二小孔的間距為2D，第二小孔和第三小孔的間距為D，第三小孔和第四小孔的間距為4D，第四小孔和第五小孔的間距為6D，第五小孔和第六小孔的間距為8D，其中，D為常數，根據激光光束的尺寸大小和小孔直徑d確定。

優(yōu)選地，當激光光束通過6個非等間距小孔的兩兩組合時，第一小孔、第二小孔、第三小孔、第四小孔、第五小孔、第六小孔兩兩組合得到間距分別為D、2D、3D、4D、5D、6D、7D、8D、10D、11D、13D、14D、18D、19D和21D的15對小孔，即獲得15對間距不同的小孔對。

(三)有益效果

本實用新型公開了一種光束空間相干長度測量儀，涉及光學測量技術領域。本實用新型提出的光束空間相干長度測量儀采用具備非等間距排列的多孔陣列板，結合探測器，通過單次測量，便可獲得光束的空間相干長度，儀器結構簡單，測量速度快。

附圖說明

圖1是本實用新型提出的具體實施例1的激光光束空間相干長度測量儀結構示意圖；

圖2是本實用新型提出的具體實施例1的激光光束空間相干長度測量儀中多孔陣列板結構示意圖；

圖3是本發(fā)明提出的光束空間相干長度測量方法基本流程圖；

圖4是本發(fā)明提出的具體實施例1的光強均勻分布的激光光束透過多孔陣列板在探測器上形成的光強分布圖；

圖5是本發(fā)明提出的具體實施例1的激光光束透過多孔陣列板在探測器上形成的光強分布截面圖；

圖6是本發(fā)明提出的具體實施例1的對光強分布數據做傅里葉變換計算后得到的歸一化傅里葉變換頻譜分布圖；

圖7是本發(fā)明提出的具體實施例1的干涉條紋對比度隨小孔間距變化關系曲線圖；

其中，

1是發(fā)光器，2是多孔陣列板，3是紫外探測器，4是計算機，5是數據線，6是激光光束；

P1是第一小孔，P2是第二小孔，P3是第三小孔，P4是第四小孔，P5是第五小孔，P6是第六小孔。

具體實施方式

空間相干性是光束的一個重要特性，從發(fā)光器出射的光束，其空間相干性通常不能滿足使用需求。因此，需要對其空間相干性進行調制，而空間相干性的調制效果則需要根據測量光束的空間相干長度來表征。如果空間相干度為1(空間相干長度為無窮大)則該光束為完全相干光、如果空間相干度大于0小于1(空間相干長度大于0小于無窮大)則該光束為部分相干光，如果空間相干度為0(空間相干長度為0)則該光束為非相干光。

關于空間相干長度的測量，是基于改進的楊氏雙孔干涉實驗，即當光束通過多孔陣列板上多個小孔后，在探測器上獲得光強分布，該光強分布是由間距不同的小孔對產生的干涉圖疊加在一起形成的，不同間距的小孔對其干涉條紋的空間頻率不同。因此，通過傅里葉變換獲得多個頻譜，每個頻譜對應一個空間頻率，每個空間頻率對應一對雙孔的間距，而次級頻譜的幅值大小乘以一個比例系數反映了上述空間頻率不同的多幅干涉圖的對比度，從而得到干涉圖對比度隨小孔間距的變化關系曲線圖，至此，本領域技術人員能夠根據干涉圖對比度隨小孔間距的變化關系曲線圖取干涉圖的對比度為0.707所對應的小孔對間距為光束的空間相干長度。其中，多孔陣列板上具備間距不同的多個小孔，小孔間距是指相鄰兩個小孔中心位置之間的距離，對小孔間距進行特殊設計，通過小孔的兩兩組合得到間距不同的小孔對，獲得疊加在一起的空間頻率不同的多幅干涉圖。而多個小孔必須排列在一條直線上，否則它們形成的干涉圖就不是平行的直線，不利于后續(xù)的數據處理。

關于小孔之間的數量是由光束在多孔陣列板上的直徑大小和小孔直徑所決定的。小孔間距的最大值21D必須小于光束的尺寸大小，最小值D必須大于小孔直徑大小，根據這一原則即可確認小孔的數量。同時，為了提高小孔光束的通過率，小孔的直徑大小通常取為光束波長的20倍左右。

最后，通過傅里葉變換獲得多個頻譜，每個頻譜對應一個空間頻率，每個空間頻率對應一對雙孔的間距，而將次級頻譜的幅值大小乘以一個比例系數就得到了上述空間頻率不同的多幅干涉圖的對比度，再繪制干涉圖對比度隨小孔間距的變化關系曲線，取干涉圖對比度為0.707所對應的小孔間距為光束的空間相干長度。小孔間距的設置是為了得到盡量多間距不同的小孔對的組合，最小的小孔間距為D，最大的小孔間距為21D，D值必須大于小孔的直徑大小，否則兩個小孔將重合在一起，而21D又必須小于光束的尺寸大小，否則光束無法覆蓋所有的小孔。這樣就需要對小孔間距進行特殊設計。

綜上，本實用新型提出的光束空間相干長度測量儀包括：發(fā)光器、探測器、計算機和多孔陣列板，其中，發(fā)光器用于產生光束；多孔陣列板具備多個非等間距的小孔，光束通過多個小孔產生干涉圖，即光強分布；探測器用于接收通過多個小孔的光束并采集該光束的光強分布信號數據；計算機用于接收光強分布數據并根據該光強分布數據計算光束的空間相干長度。

為使本實用新型提出的光束空間相干長度測量儀的更加清晰、明確的展現，本實用新型提出了具體實施例1如下：

如圖1所示為本實用新型提出的具體實施例1的激光光束空間相干長度測量儀結構示意圖，該測量儀主要包括：發(fā)光器1、多孔陣列板2、作為探測器的紫外探測器3、計算機4。其中，發(fā)光器1為激光器，其能夠產生激光光束6，其出光口直徑為1000微米，出光口距離多孔陣列板2的距離為1米，保證能夠將激光光束6照射在多孔陣列板2上。紫外探測器3是一種紫外波段的CMOS探測器，像元大小為5.5微米，像素個數為2048×2048，其距離多孔陣列板2的距離為1毫米，用于接收透過多孔陣列板2的激光光束6干涉圖，即光強分布。計算機4通過數據線5與紫外探測器3進行連接，并保存紫外探測器3記錄的光強分布數據，進行傅里葉變換等數據處理。

另外，如圖2所示為本實用新型提出的具體實施例1的激光空間相干長度測量用多孔陣列板2結構示意圖，該測量儀的多孔陣列板2是長寬10毫米×10毫米的矩形板，厚度是1毫米，多孔陣列板2中心線上包括6個小孔，分別為第一小孔P1、第二小孔P2、第三小孔P3、第四小孔P4、第五小孔P5和第六小孔P6，每個都是直徑為4微米的圓形小孔，即d是4微米。因發(fā)光器1發(fā)出的激光光束6照射到多孔陣列板2上的呈現的激光光束6直徑為1000微米，所以相鄰小孔之間的距離是由小孔的直徑大小和激光光束6的直徑大小決定的，第一小孔P1和第二小孔P2的間距為80微米，第二小孔P2和第三小孔P3的間距為40微米，第三小孔P3和第四小孔P4的間距為160微米，第四小孔P4和第五小孔P5的間距為240微米，第五小孔P5和第六小孔P6的間距為320微米，6個小孔排列在一條直線上，即D是40微米。

因此，當激光光束6通過6個不同間距小孔的兩兩組合時，第一小孔P1、第二小孔P2、第三小孔P3、第四小孔P4、第五小孔P5和第六小孔P6兩兩組合得到間距分別為40微米、80微米、120微米、160微米、200微米、240微米、280微米、320微米、400微米、440微米、520微米、560微米、720微米、760微米和840微米的15對小孔，即獲得15對間距不同的小孔對，同時產生15幅空間頻率不同的干涉圖(即光強分布)。

這15幅干涉圖在探測器上疊加在一起，通過傅里葉變換得到不同空間頻率干涉圖的頻譜幅值大小，將次級頻譜幅值大小乘以一個比例系數計算得干涉圖的對比度，繪制干涉圖對比度隨小孔間距變化關系曲線，則對比度為0.707的干涉圖所對應的小孔間距即為激光光束的空間相干長度。

本發(fā)明相應地提出了準分子激光空間相干長度測量方法，如圖3所示，該激光空間相干長度的測量方法包括以下步驟：

S1、使激光光束照射到一個多孔陣列板上，所述的多孔陣列板具備多個非等間距的小孔，所述激光光束通過所述多個小孔產生干涉圖，即光強分布。調整發(fā)光器1輸出激光光束6的能量大小，并記錄輸出光強是I₀(x，y)；將激光器1輸出的激光光束6照射到多孔陣列板2上，激光光束6通過6個不同間距小孔的兩兩組合時，獲得15對間距不同的小孔對，同時在紫外探測器3上產生15幅干涉圖，即光強分布。

S2、探測器接收通過所述多孔陣列板的激光光束并采集所述激光光束的光強分布信號數據。這15幅干涉圖在紫外探測器3上疊加在一起，并通過紫外探測器3將該干涉圖產生的光強分布數據進行收集記錄。

S3、根據所述光強分布信號數據計算該激光光束的空間相干長度。計算機4收集并保存來自紫外探測器3的光強分布數據；然后對光強分布數據做傅里葉變換計算得到傅里葉變換頻譜，根據中心頻譜的幅值大小對傅里葉變換頻譜進行歸一化得到除中心頻譜外的各次級頻譜的幅值大??；最后，將歸一化的次級頻譜大小乘以一個比例系數計算得不同間距小孔干涉圖的對比度大小，繪制出干涉圖對比度隨小孔間距的變化關系曲線，則干涉圖對比度為0.707所對應的小孔間距，即為激光光束的空間相干長度。

其中，上述具體實施例1中如圖2所述的多孔陣列板2上有6個直徑大小均為d的小孔，分別為第一小孔P1、第二小孔P2、第三小孔P3、第四小孔P4、第五小孔P5和第六小孔P6。因此，在紫外探測器3上獲得15對間距不同的小孔對，同時產生15幅干涉圖，即光強分布。這15幅干涉圖在探測器上疊加在一起的總光強強度，即光強分布數據為：

式中I₁(x，y)、I₂(x，y)、I₃(x，y)、I₄(x，y)、I₅(x，y)和I₆(x，y)分別為小孔P1、小孔P2、小孔P3、小孔P4、小孔P5和小孔P6各自的衍射光強在探測器上坐標為(x，y)點處的光強強度大小，I(x，y)為I₁(x，y)、I₂(x，y)、I₃(x，y)、I₄(x，y)、I₅(x，y)和I₆(x，y)相干疊加后在紫外探測器上坐標為(x，y)點處的總光強強度大小，記I_t(x，y)＝I₁(x，y)+I₂(x，y)+I₃(x，y)+I₄(x，y)+I₅(x，y)+I₆(x，y)，|μ_ij|和β_ij分別為第i個孔與第j個孔所在位置處兩束激光空間相干度的幅值和他們之間的相位延遲，δ為兩束激光由于空間位置不同引起的位相差，|μ_ij|也就是該干涉條紋的對比度。

所以，式(1)中總共有15幅干涉圖疊加在一起，這15幅干涉圖，即光強分布為間距分別為D、2D、3D、4D、5D、6D、7D、8D、10D、11D、13D、14D、18D、19D和21D的15對小孔衍射產生的波前干涉形成的。

據此，對探測器上的光強分布做傅里葉變換計算后的光譜分布，即傅里葉變換頻譜為：

式中，v是頻率域坐標，v_ij是第i個孔和第j個孔間距對應的空間頻率。以中心頻譜的幅值大小I_t(x，y)對傅里葉變換頻譜進行歸一化得到各次級頻譜的幅值大小，則各次級頻譜的幅值大小I_ij(x，y)為

因此，將各次級頻譜的幅值大小乘以比例系數1/α_ij，所得結果|μ_ij|即為該次級頻譜對應的小孔對形成干涉圖的對比度。

因此，上式在頻率為0處為中心頻譜，在中心頻率兩側頻率為±v_ij的位置處各有15個次級頻譜。用中心頻譜的幅值大小對各級頻譜進行歸一化，將次級頻譜的幅值大小乘以比例系數1/α_ij計算出|μ_ij|。

如圖4所示為光強均勻分布的激光光束經過多孔陣列板上6個小孔后在紫外探測器上形成的光強分布圖。如圖5所示為本發(fā)明提出的具體實施例1的激光光束透過多孔陣列板在紫外探測器上形成的光強分布截面圖，即圖4的截面圖。

如圖6所示為對光強分布數據做傅里葉變換計算后得到的歸一化傅里葉變換頻譜分布圖。根據第一小孔P1、第二小孔P2、第三小孔P3、第四小孔P4、第五小孔P5和第六小孔P6的兩兩組合所得15對小孔的間距，因此，如圖6所示，中心最強的頻譜為0級頻譜，中心頻譜往左側(或右側)的各次級頻譜分別對應的小孔間距為40微米、80微米、120微米、160微米、200微米、240微米、280微米、320微米、400微米、440微米、520微米、560微米、720微米、760微米和840微米，而0級頻譜兩側均缺少間距為360微米，480微米、600微米、640微米、680微米和800微米的6條頻譜。上述各次級頻譜的幅值大小均為1/6≈0.1667，因為照射多孔陣列板上的光強是均勻分布的，所以6個小孔衍射光強的強度分布相同，歸一化系數1/α_ij＝6，因此，各個小孔對所在位置處的干涉條紋對比度|μ_ij|均為1，如圖7所示，涉條紋對比度均隨小孔間距變化關系曲線為一條水平直線，即各個小孔對的干涉圖對比度均為1，大于0.707，因此，所測激光光束的為完全相干光，其空間相干長度為無窮大。

以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。