专利名称：光束转向和采样设备及方法
技术领域：
本发明公开的内容涉及光学领域，尤其涉及光学系统的控制方法和设备。
背景技术：
控制典型是光束的电磁束在光学领域中是公知的。通常必需对光束的一部 分采样以用于之后的控制目的。这典型地涉及到一些种类的探测器和反馈环。 光束被典型地检测其偏移和角度。在现有技术中，举例而言，为了控制光束， 当前在此系统中的透镜有时连同转向镜一起使用。典型地，举例而言，系统有 两个转向镜和两个探测器。在已知的系统中，这种设置使得一个探测器只观察 因第一转向镜的倾斜而弓l起的光束变化。但是之后发现仅仅基于第二转向镜的 倾斜f碟二探测器输出信号是不可能的。换句话说，这种设置有不^^迎的反 馈，使得反馈复杂化并且几乎不可能去除所有的交叉耦合(cross coupling)。举 例而言，当输入光束的位置或角度发生变化时，这被第一探测器读取到的非零 读数捕获而第二探测器的读数保持不变，第一转向镜将不得不移动以去除非零 的读数。这导致输出光束角度的改变将会被第二探测器探测到，又会引起校正 信号被施加到第二转向镜。即i顿统仔细地调节以达到稳定，转向镜和探测器 相对位置的改变也需要完全的重新调节，而且可能甚至会造成不可能的稳定调 节的结构。特别地，基于被插AiS镜的焦点长度只有在转向镜和探测器之间为 一个特定的距离处放置一个探测器只鄉见察到因一个转向镜倾斜导致的变化的 布置。这通常是一个复杂的系统，并且已经被不希望地证明几乎不可能去除它 所有的错误，或者需要在应用场所重新配置，而这需要光学布局的改变。
发明内容
根据本发明，f吏用失巨阵转换控制技术^l辩禹驱动光束转向/采样系统中的
转向镜的致动器的操作。转向镜致动器的解耦允许进一步的校准技术以识别物 理结构和重新配置结构的方法。校准更进一步允许对光束位置采样的固定采样 模块放置在相对致动器的任意位置。因此，通过使用矩阵转换解耦控制，可能 几乎去除所有错误的系统不仅能通过工厂调整提供，之后如果需要，也可以在 现场校准。
根据本发明，两个虚拟变量被构造用于反馈控制的目的，^变量与独立 的反馈环关联，以非交叉耦合的方式操作。因此，这些变量的每一个都分别地 被标识为一个并且只有一个转向镜，以使一个转向镜的状态的改变(例如，倾 斜)不影响其他变量。因此，每个反馈环能独立地操作。虚拟变量一般不对应 于光束指向和偏移，虽然其可以被用来计算所述的指向和偏移。
此系统可用于例如半导体制造的光刻设备，典型地提供紫外线形式的光束 以曝光晶片上的抗蚀剂。这只是一个应用实例。当前的系统和方法可以应用在 任何类型的准直光束处理包括例如激光(相干的)但不限于此。当前的方法和 设备通常可用于具有连续或脉冲光束，红外线到紫外线的波长，较大或较小直 径的光束的光学系统以及不同的系统结构。示例的应用包括波长多路复用技术 和多路分解信号技术，能量分离和监控，光束测量和监控，激光切割，机械加 工或外科手术，干涉测量，以及多通道光的管理。
图1表示本发明的光学系统的一个例子的方框图。 图2表示使用两个反馈环的反馈控制方法的方框图。
图3表示图1系统的光轴。
具体实施例方式
当前的光束转向采样系统，用于两受控平面之一，如图1所示。举例而言，
其描述了在x—z平面中的系统。控制环(未显示)包括两个附加的致动器，每
一个对应于一个转向镜，和两个附加的探测器，用于在y-z平面中相似的控制。 简而言之，此描述将其本身限制到一个这样的平面，但扩展到另一个平面是常 规的并且以在此描述的相同的方法完成。图1中所有的光学元件都是传统的并 且适合安装在光具座(Optical bench)或其他的支承上。在一个具体实施例中， 探测器Detl、 Det2安装在与其他光学元件分开的单独支持元件上。在一个具体 实施例中，Detl、 Det2源于传统四分光电探测器的四个部分。也可以使用位置
感应光电探测器或其他翻的光电探测器。转向镜是R1， R2，，都被在图l 中描述的平面中的适当的精密致动器Al， A2驱动。输入光束(所示的平行虚 线描述其光束宽度)在输入平面内。还提供有光束分离器BS1， BS2。在输出平 面处提供主光束(从探测器上的入射部分分开)。镜子R3被定位于引导光束到 探测器Det2。如果在图l中定，巨离A， B， C， D， E， F， G和H (其中D是 光束分离器BS1和聚焦透镜Ll之间沿光轴的距离，而D+F同样是光束分离器 BS1和聚焦透镜L2之间的距离)，3gl竟Ll和透镜L2的焦距分别为ft和f2，反 射角度到转移耦合系数T=flb^，并且转向镜Rl和R2的角度为A禾Q &，光束 分别相对于光轴的位置和角度是Xout和汰nit，作为光束输入位置Xin和光束角 度ftn的函数通过下式给出
<formula>formula see original document page 6</formula>
同样地，在两个探测器的致动元件中的每一个处光束位置&， X2舰下式
给出:
其中:
<formula>formula see original document page 6</formula>并且:<formula>formula see original document page 6</formula>
如果定义两个新的:
U禾口V，如下式:
<formula>formula see original document page 7</formula>
那么:
<formula>formula see original document page 7</formula>
而且可以使用与&没有冲突的A来控制u。同样地，能使用与A没有冲突 的&来控制控制v。由此，u， v是通过两个转向镜控制的两个没有交叉耦合的
虚拟变量。
以上等式对应于控制系统方框图，在图2中被显示。图2的控制系统接收
作为输入的光束参数如Xin， &。该控制系统通常以模拟电子电路实现，或通常 以数字电路通过可编程微处理器或微控制器实现。根据本发明公开的内容给这
种设备编程是常规的。图2中的每个方框或节点代表一个函数，带有的节点为
求和节点。控制输出信号&和^通常被控制系统传输以用于驱动转向镜致动器，
以此提供闭环反馈控制。因为控制环增益Gu (s)和Gv (s)远大于l，对于任
意的Xm和^者P有U二V^，且X^二6UH)。
在另一个具体实施例中，控制环使用下列方法实现。通过下式给出对光束 位置误差进行校正所需要的反射镜角度变化
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中偏差(设定点)值由下式给出:
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中xo脇和^r效是所需要的光束位置和指在输出平面。这些偏差的最大值 由探测器的可用的检测量程限制。镜子R1，和R2的角度变化(倾斜)被转换 成致动器的驱动脉冲的估计数字，ailP弁-kLAak弁给出，其中kL是全局增 益常数，用来加速或减慢环，#是适当的致动器的占位符，并且k井是所述致动器的将致动，置与向致动器驱动器提供的信号相关联的增益常数。
该光束采样系统中的误差的主要来源例如是位置一传感探测器Detl、 Det2 的散粒噪声和约翰森噪声，用于数字化探测器输出信号的传统模数转换器(未 显示)中的量化错误，温度改变时，光束采样系统的物理未对准，以及驱动镜 子R1， R2的致动器A1， A2的最小增量运动。所有的这些误差来源可以被容易 地引回到Xl和x2，期各被加入到具有增益的u和v求和节点中 ju = i ^g—r+z +,十<formula>formula see original document page 8</formula>
假定在Xl和X2中相等并且独立波动&C，输出光束位置和角度中的波动^Xout 和湖。ut，由下式给出
<formula>formula see original document page 8</formula>
致动器的Al ， A2最小步进的大小3Z^eo导致的输出误差和由下式给出:<formula>formula see original document page 8</formula>其中dMM是在致动器的螺杆和光学元件中心之间的杠杆臂。致动器是例如
驱动的螺杆，例如Picomotor1^， New Focus公司出售的压电致动器。最后，输 出对分量BS1， BS2， R3， Ll， L2， Detl和Det2的扭矩和转移敏感。假定光束 采样系统的温度均匀，这些误差可以忽略。然而，光^131^光束分离器BS1 和BS2被转移一个距离dBS:<formula>formula see original document page 8</formula>
其中tBS是針光束分离器的厚度，0>是入射光束的角度，WFS是光束分离
器的材料的折射系数。该转移随周围纟鹏的改变而变化:
其中他是光束分离器材料的热膨胀系数，导致的误差为:
峰值系统温度变化了zfT。
将&和x2关联于u和v的矩阵变换可以在系统制造时被设置，但是装配中 即使是很小的变化也会在反馈环之间引入很大的交叉耦合。因此，可以l柳原
位的校准程序，但是这不是被要求的。校准M使得^和X2归零开始(或至少
验证光束在位置探测器Detl、 Det2的线性范围内)，并且施加给定的角度变化到 齡转向镜R1， R2，分别为z^，應。控制系统将会记录四个量因A改变而 弓胞的Xl的改变血u ，因A改变而弓胞的x2的改变z)x21 ，因&改变而引起的
^的改变Z(Xl2，因^改变而引起的X2的改变zk22。现在校准矩阵可iM下式计 算<formula>formula see original document page 9</formula>
以及如上面的:
校7銜呈序可合并过滤，艮哆次改变角度和对结果求平均值，并且递归，即 1OT反馈环在校准尝试之间使U和V归零。
一旦系统被安装并且校准，并且位置和角度偏差设置为零，输出光束^l絵
被驱向光轴，Xof^f力。光轴由探测器Detl、 Det2的物理位置定义，如透镜 Ll， L2的成像，并且如图3所示。图3表示光轴被定义为穿过两个探测器中心
h和l2的图像的直线。如果M和探测器的相关位置上的对准容限为血align，光 束图像的位置将会被偏移JIl^Xaign/M和ZlI2^Xa]ign/M，其中假定放大倍
率m二m尸M2。这些偏移量将会在输出平面导iel大的位置和角度变化，血^
和Z^，os,由下式给出<formula>formula see original document page 10</formula>当前系统和控制信号处理造成两个独立的满足高性能需求的反馈环。_M 的场校准可以在安装之后执行并且之后可以定期地执行。
本发明公幵的内容包括两W由(两个转向镜分别有一个轴)中的控制。光 束指向和转移系统(第二轴在两个转向镜的每一个上)的第三轴和第四轴的下 面程序是相同的。整个效果是对于转向镜的两个倾斜轴，同时产生两个控制环
用于u，力和U2， v2。在此公开的内容中，致动器A1， A2如图所示被平行设 置，但这并不是受限制的。致动器的上述的校准程序和/或软件控制可以用于映 射致动器(两个，或四4^括用于转向镜的第二轴的那些)至,个控制变量u,，
V!和U2， V2中的每一个。
在此公开的内容是用于说明而不是用于限制；本领域技术人员参照本发明 公开的内容而做出进一步的改进将会是显而易见的，并且落在附加的权利要求 的范围之内。
权利要求
1.一种设备，包括第一转向反射器，光束入射在其上；第二转向反射器，从第一转向反射器反射的光束入射在其上；第一光束分离器，从第二转向反射器反射的光束入射在其上；第二光束分离器，从第一光束分离器反射的光束入射在其上；第一探测器，从第一光束分离器反射的光束入射在其上；以及第二探测器，被第二光束分离器透射的光束入射在其上；其中为这两个探测器的输出信号的函数的第一值指示第一转向反射器的状态，而为这两个探测器的输出信号的函数的第二值指示第二转向反射器的状态。
2、 如权利要求1的设备，进一步包括耦合在探测器和转向反射器之间的控 制器，由此该控制器响应于第一值和第二值而分别:t也改变第一和第二转向反射 器的状态。
3、 如权利要求1的设备，其中每一个转向反射器包括耦合到致动器的反射器。
4、 如权利要求3的设备，其中^转向反射器具有耦合到反射器的第二致 动器以使该反射器倾斜到一个基本上垂直于第一致动器使所述反射器倾斜的方 向的方向。
5、 如权利要求l的设备，其中被第一光束分离器透射的光束被导出所述设备o
6、 如权利要求1的设备，进一步包括定位成反射被第二光束分离器娜到 第二探测器的光束的第三反射器。
7、 如权利要求2的设备，其中该控制器包括两个控制环， 一个控制环与第 一tt和第二i直中的一个相关联。
8、 如权利要求1的设备，其中第一值和第二值的每一个都是入射到所述设 备上的光束的偏移和角度的函数。
9、 如权利要求2的设备，其中该控制器包括用于校正所述设备的装置。
10、 如权利要求1的方法，进一步比较定位劇每光束聚焦至悌一探测器的 第一透镜和定位劇各光束聚焦至U第二探测器的第二透镜。
11、 一种操作具有两个转向反射器的光学设备的方法，包括步骤 将连续地从两个转向反射器反射的光束分离； 将分光束分离为两个部分； 检测二次分光束的第一部分； 检测二次分光束的第二部分；获取来自两次检测步骤中的为输出信号的函数的第一值，该第一值指示第 一转向反射器的状态；以及获取来自两次检测步骤中的为输出信号的函数的第二值，織二值指示第 二转向反射器的状态。
12、 如权利要求ll的方法，进一步包括步骤 响应于第一值和第二值分另哋控制第一和第二转向反射器的状态。
13、 如权利要求ll的方法，进一步包括ffiil致动器改变旨转向反射器的 状态的步骤。
14、 如权禾腰求13的方法，进一步包括提供与齡转向反射器相关联的第 二致动器以使转向反射器倾斜至捶直于第一致动器使所述反射器倾斜的方向的 方向。
15、 如权利要求ll的方法，进一步包括将从第一分光步骤中分离的光束的 一部分向外导出的步骤。
16、 如权利要求ll的方法，进一步包括在检测二次分光光束之前将该二次 分光光束的第二部分反射的步骤。
17、 如权利要求12的方法，所述控制包括 提供两个控制环， 一个控制环与第一值和第二值中的一个相关联。
18、 如权利要求ll的方法，其中第一值和第二值的每一个都是入射至l傑一 转向反射器的光束的偏移和角度的函数。
19、 如权利要求ll的方法，进一步包括校正光学设备的步骤。
20、 如权利要求11的方法，进一步包括在检测光束之前聚焦该光束的步骤。
全文摘要
在光(光学)束转向/采样系统中，使用矩阵变换控制技术来去耦合驱动转向反射镜的制动器的操作。该控制技术使用两个虚拟变量，每一个具有以非交叉耦合方式操作的相关联的独立的反馈环，每一个变量和两个转向反射镜之一相关联。
文档编号G03F7/20GK101371181SQ200780002545
公开日2009年2月18日 申请日期2007年1月4日 优先权日2006年1月20日
发明者A·D·费里纳斯, E·D·格林 申请人:波科海姆技术公共有限公司