CN101479637B - 准远心成像透镜的畸变调谐 - Google Patents

准远心成像透镜的畸变调谐 Download PDF

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Abstract

本申请涉及通过使物面沿光轴移动来校正远心成像系统中的畸变。目的是校正像温度或压力变化这样的环境影响所引起的畸变误差。成像系统的设计保持充分远心，以使工作距离的变化不显著改变放大率。伴随放大率校正而来的畸变也可被校正。

Description

准远心成像透镜的畸变调谐
技术领域
本发明涉及使用时遭受图像畸变的变化的准远心透镜，尤其涉及这些透镜的畸变调整特性以在使用期间补偿这些变化。
背景技术
诸如温度和压力之类的环境因素、以及诸如部件在使用期间加热之类的其他因素可影响透镜内的光学部件的折射率或间隔，且这些变化可导致放大率和图像畸变中的变化。这种动态变化在包括双远心透镜在内的许多类型的透镜中是显而易见的。
通过使投影透镜的某些光学元件轴向地平移，已对放大率作了调整。然而，包括图像畸变在内的其他光学像差可能伴随这些放大率的调整而出现。
发明内容
本发明考虑了一种伴随远心透镜的使用而出现的径向畸变问题的解决方案。该解决方案具有两个主要部分。首先，远心物空间以非线性方式故意地改变，例如，这可表现为入射光瞳中的球面像差。第二，成像物体与其物面一起相对地轴向平移，穿过经改变的远心物空间，以用于调整透镜的径向畸变。这些调整可动态地进行，以校正由环境影响或其他伴随透镜操作而来的因素所引起的畸变误差。这些畸变调整还可与放大率调整配对，从而动态地管理它们两个。
在真正的远心物空间内，源于物面的主光线都与光轴平行延伸。在为调整目的而在此使用的变化的远心空间的一个示例中，主光线优选遵循这样一种模式，其中主旁轴和全视场光线与光轴平行地延伸，但是主中间光线相对于光轴的角度则有一定的变化量，这些变化量往往随着主中间光线离主旁轴和全视场光线的径向距离增大而增大。主中间光线优选稍向光轴倾斜。
虽然经修改的透镜稍微远离远心，但是在像面内没有明显的显著畸变。此外，透镜优选在像面上保持均匀地远心。虽然好的成像对远心没有要求，但是远心不强加附加的设计限制，通常用于降低随工作距离的改变而产生的不想要的放大率的变化。对远心物空间的改变被结合到透镜设计中，以使在物面给定位置，在像面上没有显著径向畸变。然而，如果物面在沿光轴的任一方向上轴向地移动(即工作距离发生改变)，则正的或负的径向畸变可被引入到图像中。优选地，透镜设计保持充分地远心，以使工作距离的改变不显著改变放大率，但是透镜设计充分地偏离理想远心，以使工作距离的改变引起了径向畸变。通过使成像物体轴向地平移并穿过经改变的远心物空间，就可以进行径向畸变调整，这些径向畸变调整可被预先确定并被记录在查表中，以在监控到温度或压力变化式进行自动校正。
通过使透镜中的带电光学部件之一轴向地平移，就可以进行放大率调整。所选带电光学部件优选地是其轴向平移对其他畸变(即除径向畸变或放大率之外的畸变)影响最小的一个部件。好的候选部件是与远心像或物空间相邻的透镜的第一个和最后一个光学部件。除了放大率的改变以外，径向畸变还可能通过这些平移而产生。然而，除所选透镜部件之外，用于限定物面的成像物体也可以移动，以隔离放大率校正。例如，成像物体可与最接近物面的所选透镜部件一起轴向地平移，以便于校正放大率而不影响径向畸变。通过既移动物体又移动所选透镜部件，也可以实现径向畸变和放大率的复合变化。
成像物体和所选透镜部件的平移还可能影响像面的位置。为使像面恢复到其初始位置，可使全部透镜和成像物体一起平移。替换地，其上形成有图像的接收器(未示出)可类似地进行平移，以适应经改变的像面位置。
为了更充分地利用本发明的成像和调整可能性，尤其是采用投影透镜系统的形式的情况下，优选地，照明装置匹配于为本发明预想的准远心投影透镜。例如，由照明装置发射的主光线图样(例如在照明装置的像面上)可匹配于投影透镜的物面上的非线性主光线图样，以根据该设计至少部分地填充投影透镜的入射光瞳。这允许光图样通过视场而得到匹配，物点通过该光图样被投影到像面上。优选地，与各个物点相关联的光能的质心与主光线对准，并取向为与像面的光轴平行。照明装置可直接耦合到投影透镜或通过中继透镜耦合，中继透镜可传输或参与形成匹配的主光线照明图样。例如，中继透镜可通过将来自常规照明装置的远心输出转换成匹配投影透镜的主光线图样所需的准远心输入，来参与形成所需的照明图样。
根据本发明安排的光学成像系统的一个示例包括准远心透镜组件，其中源于物面的主光线包括旁轴光线和位于离旁轴光线有一给定径向距离的参考光线。参考光线和旁轴光线都与透镜组件的光轴平行延伸，且其他主光线向成像系统的光轴的倾斜情况各不相同，这种倾斜基本上是根据其他主光线离旁轴和参考光线两者中较近一个的径向距离而决定的。载物台使成像系统打算对其成像的那个物体沿光轴相对于透镜组件相对地平移，以补偿在其它情况下透镜组件的像面内明显存在的畸变。
优选地，主参考光线包括主全视场光线。此外，主光线被优选安排成表示出透镜组件的入射光瞳内的球面像差。主旁轴光线和全视场光线之间的其他主光线优选地包括相对于光轴不同地倾斜的主中间光线。例如，主中间光线优选在基本轴对称的传播方向上不同地倾向光轴。主中间光线优选包括向光轴倾斜至少一度的中间光线。
物体沿光轴在一个方向上的移动导致了透镜组件的像面中的正径向畸变，而物体沿光轴在相反方向上的移动则导致了透镜组件的像面中的负径向畸变。然而，物体沿光轴在相反方向上的移动优选地在像面中产生最小的放大率和非正交的像差影响。
环境监控器可用于监控透镜组件的环境条件，且处理器可被安排成接收来自环境监控器的信息并确定用于补偿与环境条件变化相伴的预期畸变所需的载物台移动量。
透镜组件监控器可用来监控透镜组件的工作条件，且从透镜组件监控器接收信息的处理器可被安排成确定用于补偿伴随透镜组件中的变化而来的预期径向畸变所需的载物台移动量。透镜组件中的变化可包括透镜组件的一个或多个部件内的温度或温度分布的变化。该变化还可包括透镜组件的一个或多个部件的大小或形状的变化。透镜组件监控器可被用来检测物体中的变化。例如，作为一种用于预期在像面中所出现的畸变的方式，红外线映象仪可被用来产生物体的红外线图像。红外线映象仪可耦合到将照明图样中继到物面的中继系统。该耦合能使红外线映象仪获得物体的图像。
参考载物台可以是多个载物台中的第一个，且载物台中的第二个可被用来沿光轴移动透镜组件的透镜元件，从而改变像面中物体的放大率。处理器使第一和第二载物台的移动相关联，从而补偿伴随放大率中的变化而来的畸变。由第二载物台使其移动的透镜部件显示光焦度，并优选与物面相邻定位。替换地，由第二载物台使其移动的透镜组件可与像面相邻定位。载物台中的第三个可被安排成将透镜组件与成像物体一起相对于成像接收部件平移，从而将透镜组件的像面适当地定位于图像接收部件的表面。
照明系统优选地被安排成输出一种照明图样，这种照明图样所具有的主光线基本上匹配于准远心透镜组件的物面处的非线性主光线图样。照明系统可包括照明装置和用于将照明装置光学耦合到准远心透镜组件的中继透镜。中继透镜可将所需照明图样从照明装置传输到准远心透镜组件或者可参与形成所需照明图样。例如，中继透镜可被安排成具有常规远心物空间，但具有匹配于准远心透镜的非线性远心物空间的非线性远心像空间。该中继透镜还可用来将诸如裁切掩模之类的视场光阑的图像中继到准远心透镜组件的物面。
一种根据本发明用于影响准远心透镜的径向畸变的方法包括：引导光线穿过具有非线性修改的准远心透镜到达远心物空间。物面轴向地平移，穿过被非线性修改的物空间，从而用于增大或减小远心透镜的像面中的径向畸变而不显著地改变像面的放大率。
该方法还可用来通过轴向移动准远心透镜的带电透镜组件而影响像面的放大率。物面的轴向移动的至少一部分补偿了伴随带电透镜部件的轴向移动而来的径向畸变。带电透镜部件被优选定位在最靠近物面和像面中的一个的准远心透镜的带电透镜部件中。例如，带电透镜部件可最靠近物面定位。准远心透镜与物面一起可轴向地平移，以维持期望的像面的外部位置。用于在准远心透镜的像面中产生径向畸变误差的条件可被监控，并通过物面的相对轴向平移对其做出响应。
此外，准远心透镜的物面优选地由准远心照明装置来照明，该照明装置具有一种远心像空间的非线性修改，这种修改匹配于准远心透镜的远心物空间的非线性修改。这保证即使在部分相干照明的条件下，光能的质心也对应于准远心透镜的像面上的预期远心主光线，通过光能的质心准远心透镜的物点被投影到准远心透镜的像面上。
附图简述
图1是具有中继透镜和物镜的双远心投影系统的侧视图，其中位于物面中的被照明的分划板被投影到像面上。
图2是投影系统靠近分划板部分的放大剖视图。
图3是示出穿过分划板的主光线的倾斜角度变化(弧度)与离物场中心的位移(厘米)的函数关系曲线图。
图4描绘远心物空间中的示例性旁轴、中间和全视场光线。
图5是示出针对分划板的轴向调整可能性的远心物空间的放大的剖面图。
图5A到图5C绘出了与针对分划板的径向畸变调整可能性相关联的归一化径向场位置与像面中的畸变(微米)的函数关系。
图6是示出针对物镜的第一光学部件的轴向调整可能性的远心物空间的放大的剖视图。
图6A到图6C绘出与针对第一光学部件的放大率调整可能性相关联的归一化径向场位置与像面中的畸变(微米)的函数关系。
图7绘出根据本发明的结合投影系统的移动光刻成像系统。
具体实施方式
在图1中，投影系统10包括：(a)中继透镜12，该中继透镜12从照明装置(未示出)接受光线并将以裁切刀片22为边界的几乎均匀的光线中继到物面上的分划板16(即成像物体)；以及(b)准双远心物镜14，该物镜14将分划板16的图像以放大的尺寸投影到像面18。中继透镜12内的中继光阑24被排列成与物镜14内的物镜光阑26共轭，物镜光阑26还可被认作物镜14的入射光瞳。
分划板16包括旨在用于投影到像面18上的图样，分划板16可被设计成大于物镜14的视场，且裁切刀片22遮住了分划板16上没打算用于特定投影的那些部分。裁切刀片22的图像被中继到分划板16，以使刀片保持在物镜14的景深内。替换地，裁切刀片22可定位成与分划板16直接相邻。然而，用于保护分划板16的所需偏移、以及诸如裁切刀片厚度之类的其他考虑因素可导致景深模糊。该问题对于在物面处即分划板16处具有更高数值孔径的物镜而言更为严重。因而，代替紧挨着分划板16安装裁切刀片22这一做法，中继透镜12将裁切刀片22的图像直接中继到分划板16。这还将热源从分划板16处移开，并允许使用更厚的裁切刀片22。
物镜14是准双远心的，即在像面18附近是真远心的(truetelecentric)但在分划板处的物面附近则仅是准远心的(quasi-telecentric)。如在图2的放大剖视图中更清晰可见，穿过分划板16的主旁轴光线32和主全视场光线34与投影系统10的光轴30平行地延伸。然而，主中间光线36在相同的大致远心物空间38内稍向光轴30倾斜，诸如通过约1.25度(0.22弧度)的角度。主中间光线36向光轴30倾斜的变化优选地以二次或其他偶数次函数来模拟，诸如在图3的曲线图中所描绘的那样，其中中间主光线36的倾斜变化随着它们离主旁轴或主全视场光线32或34两者中较近一个的径向距离的增大而增大。此远心变化表现为物镜14的入射光瞳26中的球面像差。
分划板16被优选安装到可调整的载物台或诸如音圈(未示出)之类的其他平移机构上，从而如图5中通过双箭头40所示使分划板16沿光轴30平移有限的距离。在给定设计位置，如图5B的曲线图所示，在像面18中没有径向畸变是显而易见的。然而，分划板16沿通过远心物空间38的光轴30的任一方向上的平移都具有改变投影系统10的畸变的效果。分划板16在中继透镜12的方向上的移动具有产生如图5A所绘的正径向畸变的效果，且分划板16在朝着物镜14的相反方向上的移动具有产生如图5C所绘的负径向畸变的效果。控制器(未示出)可连接到分划板安装机构，用于响应变化的条件来调整畸变。例如，畸变自身可被监控，且可进行校正以便降低所监控到的畸变，或可监控诸如温度之类的有关条件，且可基于变化的条件对畸变的预期影响来进行校正。
物面处相同的远心变更可进一步被采用，以支持放大率调整，该放大率调整类似于畸变，可通过环境影响或其他变化条件而被改变。如图6所示，通过与分划板16的移动(如图5所示)相一致地沿双箭头44所示的光轴30移动物镜14的第一镜片(即“第一玻璃”)42来撤消任何由第一镜片42的移动产生的不想要的径向畸变，就可以进行放大率校正。在给定设计位置，如图6B的曲线图所示，期望的放大率量在像面18中是显而易见的。第一镜片42在中继透镜12的方向上的移动具有产生如图6A所绘的正放大率的效果。第一镜片42在朝着物镜14的相反方向上的移动具有产生如图6C所绘的负放大率的效果。
第一镜片42可被安装在载物台或诸如压电换能器(未示出)之类的其他移动机构上。替换地，一个载物台可被安排用于移动分划板16和第一镜片42，而另一载物台可被安排用于进一步移动分划板16和第一镜片42中的一个或另一个。相同或不同的控制器(未示出)可用来监控在像面18中产生的放大率降低的量，或可预期与放大率降低有关的其他条件，并据此调整分划板16和第一镜片42的位置。分划板16和第一镜片42的移动还可具有使像面18的位置移位的效果。这可通过使在具有用于升高和降低物镜14和分划板16的提升装置的另一载物台上的整个物镜14平移来进行校正。
替换地，物镜14的一个或多个带电光学部件(尤其在远心图像或物空间周围的带电光学部件)可进行平移，以进行期望的放大率校正。所选光学部件的移动最好不引入除径向畸变或放大率之外的其它畸变。即，所选部件最好对其轴向位置较宽松以免引入诸如非正交误差之类的其他误差。任何不想要的径向畸变可通过移动分划板/物面来校正。例如，投影透镜14中最靠近像面18的最后的镜片(即“最后的玻璃”)可沿光轴30进行平移以对放大率作类似的改变，同时对像面18的位置的影响最小。
其他主光线图样可用来提出对于其它随工作距离改变而发生的畸变很敏感的设计。例如，第五阶畸变灵敏度可通过如下来产生：将主视场中心光线也取向为与光轴平行；并根据其它光线离旁轴、视场中心、或全视场光线这三者(它们全部与光轴平行地延伸)中最近的一种光线的径向距离，来改变其它光线的倾斜状况。然而，替换的光线图样优选保存至少与光轴平行的旁轴和全视场光线从而从放大率的变化中辨别畸变灵敏度。
虽然远心物空间38可用各种非线性主光线图样来配置，但是物镜14优选在像空间中保留真远心。好的布置和低远心误差在像面18中是明显的，其中主光线与光轴保持平行。
所列下表设计示例性中继透镜12和匹配的物镜14的规格。该设计是准远心的，且在以元件形式的孔径光阑的任一侧与材料之间取得基本平衡以降低诸如彗差之类的奇数阶像差，并限制该设计内的不同元件的数量。
中继透镜制造数据
Figure G2007800243730D00091
中继透镜制造数据
(继续的)
Figure G2007800243730D00101
物镜制造数据
Figure G2007800243730D00111
物镜制造数据(继续的)
Figure G2007800243730D00121
物镜制造数据
(继续的)
Figure G2007800243730D00131
为了说明表格，正半径指示曲率中心向右，负半径指示曲率中心向左。所有尺寸都以毫米给出，且厚度是距下一表面的轴向距离。图像直径是旁轴值，而非光线轨迹值。透镜在通过363.5纳米到368.5纳米的s光谱范围的366.0纳米的参考波长下工作。
使用诸如加利福尼亚帕萨迪纳的光学研究协会的规范5(Code 5)之类的常规透镜设计软件，通过指定期望的主光线的取向图样，就可以实现距远心有期望的偏差的类似设计。该软件提供期望的主光线的取向图样，同时实现一种在像面处具有较少畸变或没有畸变的设计。其他可用于此目的的透镜设计软件包括来自亚利桑那州图森的Focus软件的ZMAX光学设计规范、以及来自马萨诸塞州李特尔顿的Lambda研究公司的OSLO光学设计软件。然而该设计对物面的精确排布更敏感。此敏感性被用于来产生受控的径向畸变的量。
图7描绘了也称为“步进机(stepper)”的移动光刻成像系统50，该系统50包括类似于上述投影系统10的投影系统52。由框架56支承的物镜54将分划板58的图像投影到面板60。照明由诸如高压汞弧等之类的光源62提供。照明装置64包括产生均匀光分布的光通道。中继透镜66接收来自照明装置64并通过裁切掩模68的光，并将用于对来自照明装置64的均匀光进行边界限定的裁切掩模68的图像传输到分划板58。
整个面板60无法一次性成像，所以框架56支承基座72上的XY轴可移动载物台70，以便使面板60平移穿过一系列位置，从而统一地照明面板60的所需工作区域。投影系统52在Z轴可旋转载物台78上受到支承，从而用来调整投影系统52沿其光轴80离面板60的成像距离。分划板58在XYZ可旋转载物台82上的投影系统内受到支承。XYZ可旋转载物台82的XY分量用于照明分划板58的不同部分，分划板58还可以大于投影系统52的视场。控制器84使分划板58的移动与面板60的移动相关联，以使分划板58上的所需图样可被成像到面板60上。XYZ可旋转载物台82的Z分量调整物镜54离分划板58的工作距离以便进行径向畸变调整。另一Z可移动载物台86沿光轴80移动物镜54的光学部件88以便进行放大率调整。优选光学部件88是最靠近分划板58的带电光学部件。
红外线相机90与透镜66光学耦合，用于监控分划板58的热分布。其他传感器92监控诸如投影系统52的环境内的周围环境温度和压力之类的周围环境条件。关于分划板58的热分布的信息以及投影系统环境的周围环境温度和压力到达控制器84，并基于使这些信息与投影系统52的光学性能有关的经验数据，对物镜54的工作距离作调整来抵销图像畸变并且/或者对光学部件88的轴向位置作调整用于调整放大率。
投影系统52被安排成通过对靠近分划板58的远心物空间作非线性改变并通过控制XYZ可旋转载物台82来改变物镜54和分划板58之间的工作距离来提供径向畸变调整。放大率调整由沿光学轴80移动光学部件88的Z可移动载物台86提供。产生径向畸变或放大率误差的条件诸如被传感器90和92监控且关于投影系统52的响应的经验知识被用来作补偿的图像畸变和放大率调整。可维持动态调整以保证投影系统52的更优和更调和的性能。
照明装置64和中继透镜66一起以准远心形式将照明图样传送到分划板58，在该准远心形式中中继透镜66的像面的主光线与物镜54的物面的主光线基本对准，以使对于物镜设计而言物镜54的入射光瞳被最优地填充。分划板58的照明图样的所需光线配置可产生于照明装置64的像面、并通过中继透镜66再产生于物镜54的物面，或者中继透镜66可被安排成将照明装置的像面(即中继透镜66的物面)的照明图样转换成物镜54的物面(即中继透镜66的像面)的所需光线配置。例如，中继透镜66可被安排成与真远心物空间一起匹配照明装置64的真远心像空间并且与准远心像空间一起匹配物镜54的准远心物空间的准双远心。这样，可使用具有远心输出的常规照明装置64。
中继透镜66的像面的主光线与物镜54的物面的主光线的匹配对准保证物镜54的像面上的也称为光能的质心的照明装置的中心维持与物镜的像面上的物镜54的远心主光线对准。使用这种对准，在保持物镜54的像面上的照明的预期远心特性的同时可使用各种形式的部分相干性照明。
虽然关于用于表征本发明各种能力的特殊实施例进行描述，但是本领域技术人员将理解修改的范围可落在本发明的全部原理内。例如，用于本发明的目的的准远心透镜可被安排用于扩大或放大、并且经过这些透镜的光方向可被颠倒。物面、像面、或光学部件可被直接移动或者可相对于它们中的任何一个移动剩余透镜结构。为校正畸变或放大率，还可监控已知的影响光学系统性能的其他条件。

Claims (10)

1.一种光学成像系统，包括：
准远心透镜组件，其中源于物面的主光线包括旁轴光线和位于所述旁轴光线给定径向距离的参考光线，所述参考光线和旁轴光线与所述成像系统的光轴基本平行延伸，且源于所述物面的所述主光线还包括向所述透镜组件的所述光轴倾斜的程度各不相同的其他主光线，以及
载物台，所述载物台用于沿所述光轴相对于所述透镜组件移动旨在通过所述成像系统成像的物体，以补偿在所述透镜组件的像面内的径向畸变。
2.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，
(a)所述参考光线是全视场光线；以及
(b)所述旁轴光线和全视场光线之间的所述其他主光线包括相对于所述光轴的倾斜程度各不相同的主中间光线，这些不同的倾斜程度取决于其他主光线离所述旁轴光线和全视场光线两者之中较近的一个的径向距离。
3.如权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述主中间光线基本上轴对称地在传播方向上按不同程度向所述光轴倾斜。
4.如权利要求1、2或3所述的成像系统，其特征在于，物体沿所述光轴在一个方向的移动导致了所述透镜组件的像面中的正径向畸变，而物体沿所述光轴在相反方向的移动则导致了所述透镜组件的像面中的负径向畸变。
5.如权利要求4所述的成像系统，其特征在于，所述载物台是多个载物台中的第一个，且所述多个载物台中的第二个沿所述光轴移动所述透镜组件的透镜部件，从而改变所述像面中物体的放大率，且进一步包括处理器，所述处理器使所述第一和第二载物台的移动相关联从而补偿随所述放大率的变化而来的畸变。
6.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，进一步包括准远心照明系统，所述准远心照明系统具有接近像面的与所述旁轴、参考和其他源于所述准远心透镜组件的所述物面的其他主光线对准的主光线。
7.如权利要求6所述的成像系统，其特征在于，所述准远心照明系统包括与所述光轴平行延伸的主旁轴和全视场光线以及其他主光线，所述其他主光线相对于所述光轴的倾斜程度各不相同，这些不同倾斜程度取决于所述其他主光线离所述旁轴光线和全视场光线两者中较近一个的径向距离。
8.一种影响准远心透镜中径向畸变的方法，包括以下步骤：
引导光穿过对远心物空间有非线性修改的准远心透镜，其中源于所述准远心透镜的物面的主光线表示所述准远心透镜的入射光瞳内的球面像差，以及
使旨在通过所述准远心透镜成像的物体相对地轴向平移并穿过被非线性修改的物空间，从而用于增大或减小所述准远心透镜的像面中的径向畸变而不显著改变所述像面的放大率。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括相对轴向移动所述准远心透镜的带电透镜部件以改变所述像面中的放大率的附加步骤，且其中所述物面的轴向移动的至少一部分补偿伴随所述带电透镜部件的轴向移动而来的径向畸变。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，引导光的步骤包括用准远心照明装置照明所述准远心透镜的物面，其中所述准远心照明装置具有对远心像空间的非线性修改，这种修改匹配于对所述准远心透镜的远心物空间的非线性修改。
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