含数字微镜器件的离轴光学系统偏振像差分析及补偿

冯东洋

摘要：偏振探测是一种新兴的探测手段，其利用散射光、背景光和目标光的偏振特性差异，具有“穿云透雾，凸显目标，识别真伪”的特殊效果。同时偏振成像是一种一次性获取所有偏振态信息的探测方式，可确保每次测量均是在相同的光照和辐射条件下进行，适用于快速变化目标的检测与跟踪，是偏振探测技术的主流体制。可同时偏振成像并满足轻小型化要求的偏振成像系统构型包括分孔径型和分焦平面型两种。其中，分焦平面型偏振成像系统结构简单，但会产生瞬时视场失配误差，且难以通过后续图像处理恢复。而采用分孔径型偏振成像系统构型，利用单个焦平面阵列和一个投影系统，可以将同一视场不同偏振方向的图像投影到一个焦平面阵列的不同位置上，可采用单探测器同时获取多个偏振方向数据，且无视场失配问题。分孔径偏振成像的主要问题是会损失一半空间分辨率，可配合计算超分辨成像方法来提高成像分辨率，增加对物体细节的辨识能力。基于此，本篇文章对含数字微镜器件的离轴光学系统偏振像差分析及补偿进行研究，以供参考。

关键词：含数字微镜器件；离轴光学系统；偏振像差分析；补偿分析

引言

偏振光波在经过光学成像系统后，由于物镜偏振像差的存在，成像物镜入瞳面处光波的振幅、相位和偏振态在出瞳面发生改变，通常用琼斯光瞳表示偏振像差，并可以进一步展开为泽尼克多项式的形式。由于7-3nm技术节点EUV极紫外光刻的特征尺寸减小，高NA投影物镜及反射多层膜结构引起的偏振像差对成像性能的影响不容忽视，偏振像差会导致成像过程中的图形偏移，最佳焦面偏移和焦深的减小等影响，降低成像质量，影响光刻性能，造成严重问题，所以必须研究偏振像差在线高精度检测技术，提取准确的投影物镜偏振像差数据，实现高精度计算光刻，获得合理的掩模-光源优化，最终实现高分辨、高精度EUV光刻技术。

1数字微镜器件结构原理介绍

DMD芯片单个微镜单元由4层结构组成，依次为双CMOS型存储单元、金属层级、转动铰链及最外面的反射镜面。以中部的通路和底部的铰链对最外层的镜面进行联结，将支架与设备轴的两边侧相互联结。底部的存储单元通过控制逻辑状态“0”、“1”形成不同的静电场，继而引发镜面绕铰链轴转动。本次测试所使用的DMD微镜单元数量为86000，相邻微镜单元的中心距是13.7μm，单个微镜单元的倾斜角度为12°。DMD中各微镜单元可独立寻址，其状态是由与之对应的CMOS存储单元中的数据决定：当CMOS的值为1时，微镜偏转12°，为开启状态，入射光线进入后续光学系统；反之，微镜偏转−12°，对应关闭状态，入射光线被吸收装置吸收。微镜单元可以进行单独控制，因此可以通过编程控制任意一个或者几个微镜单元，按照使用者的意图偏转到指定方位，以此来实现多目标选择。

2偏振相移点衍射干涉波像差检测原理

光源采用工作波长为532nm的短相干长度激光器，采用短相干长度光源可消除成像系统中部分多次反射寄生干涉的影响。激光器输出光被分束器分为两路，分别通过衰减器和光纤阵列后形成准共光路干涉仪结构，光路中的衰减器为可调衰减器，可以分别控制两路光的输出光强大小。物面光纤阵列的两根保偏光纤快轴方向相互垂直，即可输出两束偏振方向相互正交的线偏振光，两束光通过待测成像系统，物点经过被测成像系统成像至像面。像面掩模包含有测量光窗和衍射针孔，一束光经过光窗携带被测系统波像差信息做为测量光，另一束光经过衍射针孔产生参考光，两束光干涉形成点衍射测量模式；两束光均经过光窗形成系统误差测量模式。两束光经过像面掩模后，再经过一个主轴方向与二者偏振方向成45°的1/4波片，变成两束相互正交的左旋圆偏光和右旋圆偏光，再经过偏振片尺寸与CCD像素单元尺寸相同且一一对应的微偏振阵列后，由CCD采集单幅干涉图样。

3分孔径离轴同时偏振超分辨率成像系统工作原理

利用同时偏振超分辨率成像原理和压缩感知理论，实现宽波段同时偏振超分辨率成像。系统主要组成包括：分孔径离轴反射式自由曲面光学系统、DMD、红外偏振焦平面探测器、计算超分重建单元等。分孔径离轴同时偏振超分辨率成像光学系统由望远物镜和中继反射系统组成。来自远处场景的光线经过望远物镜的四个子入瞳，分别成像到中间像面的四个等大的区域上；利用DMD对中间像面上的光强进行编码，编码后四束光经DMD反射，统一经过中继反射系统后分别投影在红外偏振焦平面探测器四个区域上。焦平面“田”字形分割的四个区域分别附加不同方向的宽波段金属光栅偏振片，从而获得四个偏振方向的光强I(0)、I(45)、I(90)、I(135)。变换DMD编码形式，每变换一次码型进行一次成像，从而获得多帧低分辨率偏振光强灰度图像，经图像处理器进行亚像元重建后输出各个偏振方向的超分辨率偏振图像，进而计算出目标的Stokes参数。

4偏振像差补偿方法

使用较易获得的弱偏振器件，包括线性衰减器（LD）和相位延迟器（LR）。这两个器件放置于接近DMD处，与光学系统零视场主光线垂直，如图1所示。此时入射到偏振器件上的光线口径较小，从而减小器件的尺寸。LD的琼斯矩阵可表示为

JLD=()（1）

式中：tmax为器件的最大透过率；tmin为器件的最小透过率。LR的两组正交偏振态的相位δ/2互为相反数，其琼斯矩阵可表示为

JLR=()（2）

针对偏振像差最大的视场点（1，-1）来设计LD和LR的参数，使该视场点偏振像差减小至最小。LD的本征透过率tmax与tmin与LR引入的相位延迟量δLR可分别表示为

（3）

δLR=

式中：θi、θt分别表示入射角和出射角；nLD表示LD的折射率；λ表示波长；ne、no分别表示e光和o光的折射率；d表示晶体厚度。上述除d外的参量都与波长有关，因此有必要分析不同波长条件下LD和LR的参数及适用性。这里选择4.25μm中心波长时折射率nLD=2.8023的红外玻璃材料作为LD，折射率nLR=1.3455的MgF2晶体作为LR，根据DMD面上偏振像差大小和方向，选择合适的角度放置二者。分析偏振像差的瞳分布情况，结果如图2、3所示。

图1补偿器件放置示意图

图2弱偏振器件的偏振像差分布图。（a）LD二向衰减；（b）LR相位延迟

图3经LD、LR补偿后的系统偏振像差分布图。（a）二向衰减；（b）相位延迟

分析了不同波长条件下补偿前后系统的偏振像差值大小，如表1所示。

表1不同波长条件下补偿前后系统的偏振像差值

从以上分析可以看出，在DMD前布置两偏振器件后，系统总体的偏振像差有了明显改善，减小为未放置偏振补偿器件前的一半左右。

结束语

结果表明，这种补偿方法简单有效，不仅大大减小偏振像差的幅度，而且也减小了系统偏振串扰对入射光斯托克斯矢量各分量的影响。

参考文献

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