CN101487923A - 低成本大数值孔径的傅立叶透镜系统 - Google Patents

低成本大数值孔径的傅立叶透镜系统 Download PDF

Info

Publication number
CN101487923A
CN101487923A CNA2008102043542A CN200810204354A CN101487923A CN 101487923 A CN101487923 A CN 101487923A CN A2008102043542 A CNA2008102043542 A CN A2008102043542A CN 200810204354 A CN200810204354 A CN 200810204354A CN 101487923 A CN101487923 A CN 101487923A
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
fourier
lens system
convex lens
convex
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2008102043542A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101487923B (zh
Inventor
关俊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd filed Critical Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority to CN2008102043542A priority Critical patent/CN101487923B/zh
Publication of CN101487923A publication Critical patent/CN101487923A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101487923B publication Critical patent/CN101487923B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Lenses (AREA)

Abstract

本发明提出一种傅立叶透镜系统，从物面至像面沿其光轴方向依次包括双凹透镜、第一凸透镜以及第二凸透镜。其中，该双凹透镜，该第一凸透镜和该第二凸透镜之间的沿轴空气间隙小于20毫米。本发明揭露的傅立叶透镜系统具有较大数值孔径和角视场，结构紧凑；仅采用了表面类型为球面或平面的透镜，没有引入非球面透镜，降低了透镜的加工、测试和装校难度，进而降低了透镜的制作成本。

Description

低成本大数值孔径的傅立叶透镜系统
技术领域
本发明涉及一种傅立叶透镜系统，且特别涉及一种低成本大数值孔径、结构紧凑的傅立叶透镜系统。
背景技术
在军事、航空航天以及其他尖端科技领域有大量的高速图像处理需求，其中包括目标识别、运动的目标跟踪等。这些需求，在下一代计算机(光子计算机、量子计算机等)出现之前，单靠目前的电子计算机是难以满足需求，所以就出现了目前的光学信息处理系统与电子计算机结合的模式来解决这一问题。在这类光学信息处理系统中，傅立叶透镜是其核心子系统。
目前的傅立叶透镜系统大致可以分为两类：一类是类似于参考文献[1](参考文献[1]：B.A.F.Blandford，Optical Instrument Techniques PP435～433)和参考文献[2](傅立叶变换设计——王民强)的双远距型及其变型。这类傅立叶透镜系统可以使其前后焦点的距离从2f缩小到0.7f左右，从而使整个系统的尺寸较为紧凑。另一种类型的傅立叶透镜系统，如参考文献[3](C.G.Wynne，OpticsCommunications，Vol.12，No.3 PP.266～274)所示，是采用单片透镜或两片透镜的系统。这类系统的特点是镜片数少，减少装校等的误差源，但为了消像差这类系统不得不采用非球面镜，这大大提高了加工制造的难度。
总体而言，为了保证傅立叶透镜的高像质的需求，目前的傅立叶透镜系统大都是小视场，长焦距系统，绝大多数的焦距在300mm以上。
在光刻机的离轴对准系统中，由于该系统是一种精密的目标识别和测量系统，不但要求透镜结构紧凑而且要保证一定的工作距离。上述第一类的傅立叶透镜不能满足要求，因为这类系统不但结构不够紧凑，而且其工作距离一般较小。对于上述第二类的傅立叶透镜系统来说，由于其采用了非球面镜，成本较高。
因此，如何提供一种大数值孔径、结构紧凑且成本低的傅立叶透镜系统，已经成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提出一种傅立叶透镜系统，能够解决上述问题。
为了达到上述目的，本发明提出一种傅立叶透镜系统，从物面至像面沿其光轴方向依次包括双凹透镜、第一凸透镜以及第二凸透镜。其中，该双凹透镜，该第一凸透镜和该第二凸透镜之间的沿轴空气间隙小于20毫米。
可选的，其中该双凹透镜的材料为ZK7。
可选的，其中该第一凸透镜的材料为ZF6。
可选的，其中该第二凸透镜的材料为ZK7。
可选的，其中该第二凸透镜之后还包括沿光轴排列的第一平面透镜。
可选的，其中该第一平面透镜采用的材料为ZK11。
可选的，其中该第一平面透镜之后还包括沿光轴排列的第二平面透镜。
可选的，其中该第二平面透镜采用的材料为石英玻璃。
可选的，其中在该傅立叶透镜系统的像面位置，还包括位于像面和光轴的交点将照明光束沿光轴反射的第一直角反射镜，和将照明光束反射至该第一直角反射镜的第二直角反射镜。
本发明提出的傅立叶透镜系统具有较大数值孔径和角视场，结构紧凑，工作距较长，本发明中的傅立叶透镜系统仅采用表面类型为球面或平面的透镜，没有引入非球面透镜，从而降低了透镜的加工、测试和装校难度。
附图说明
图1所示为前后焦面共轭应用的傅立叶变换透镜系统的示意图。
图2所示为本发明的傅立叶透镜系统的结构及光路示意图。
图3所示为第二实施例中的傅立叶变换透镜系统的示意图。
图4和图5显示了本实施例的傅立叶透镜系统不同视场的传递函数MTF。
图6所示为本发明傅立叶透镜系统的点列图。
图7所示为本发明傅立叶透镜系统的光程差(OPD)图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
根据傅立叶光学的理论，傅立叶透镜也有不同共轭下的应用。本发明给出的是前后焦面的共轭应用，但其应用不限于此。
傅立叶变换透镜的一般设计需求为：
共轭面消像差，波相差小于λ/4，无渐晕；
频谱面谱点位置满足正弦条件，即满足线形关系。
发明人从这些设计需求出发，经过多次实验，研究出本发明揭露的傅立叶变换透镜系统。
图1所示为前后焦面共轭应用的傅立叶变换透镜系统的示意图。输入面101(即物面)在傅立叶透镜系统100的前焦面，相应的频谱面102在傅立叶透镜系统100的后焦面，这样在频谱面102就可以得到物空间信息的傅立叶变换。照明光束由输入面101射入傅立叶透镜系统100，物空间信息能够经过傅立叶透镜系统100进行傅立叶变换。
本发明提供了一种结构紧凑，成本低廉的同时保证了一定工作距离的傅立叶透镜系统。
图2所示为本发明的傅立叶透镜系统的结构及光路示意图。
请参考图2，傅立叶透镜系统100从物面一侧顺次包含双凹透镜L1、第一凸透镜L2、第二凸透镜L3、平面透镜L4以及平面透镜L5。
本实施例中的凹透镜L1，第一凸透镜L2和第二凸透镜L3之间的沿轴空气间隙小于20毫米。
本发明的傅立叶透镜系统的数值孔径为0.31；工作波长为632.8nm，即激光波长；物距为60mm；物面直径为1.1mm。
表1给出了本发明傅立叶透镜系统的具体参数值，其中“厚度”一栏给出了该面到紧接着其后面一面之间的轴向距离。“材料”一栏即指明所对应透镜的材料。“半孔径”一栏指明了所对应表面的1/2孔径值。
以透镜L1和L2为例，L1的前表面2的球面半径为-114.425，即其半径为114.425mm，且凹面朝向像面。L1的前表面2到后表面3的中心间距为4mm，L1的光学材料为ZK7，前表面2的半孔径为22.1mm；L1的后表面3的球面半径为370.7mm，且凹面朝向物面，L1的后表面3到L2的前表面4的中心间距为1.26mm，表面3的半孔径为22.1mm。平面透镜L4和平面透镜L5是相连接的，因此仅描述了平面透镜L4的一个前表面8。其余各表面的参数据此类推。
 
表面 表面类型 半径(mm) 厚度(mm) 光学材料 折射方式 半孔径(mm)
物面 球面 无穷 无穷 折射
Stop 球面 无穷 60 折射 0.55
2 球面 -114.425 4 ZK7 折射 22.1
3 球面 370.7 1.26 折射 22.1
4 球面 -851.1 8.4 ZF6 折射 23.5
5 球面 -64 0.5 折射 23.5
6 球面 82.86 8.3 Zk7 折射 25.5
7 球面 -438.5 0.5 折射 25.5
8 球面 无穷 102 Zk11 折射 25.5
9 球面 无穷 6 Quartz 折射 24
10 球面 无穷 5.7 折射 24
像面 球面 无穷 折射
表1
图3所示为第二实施例中的傅立叶变换透镜系统的示意图。
在较佳实施例中，被变换的物体是被照明光透射衍射的，照明光束和衍射光束分别位于物的两侧。但由于在光学信息处理中，0级谱是对应于物空间的尺寸无穷大的信息，也就是说它不能反映物空间的任何信息，是有害的噪声信号，很多应用都是要滤掉0级谱的。譬如本发明的应用—光刻机中的对准系统即如此。在傅立叶谱面中不需要0级谱的时候，也可以采用如图3所示的结构。
在透镜系统的像面102一侧安装直角反射镜L6和直角反射镜L7，直角反射镜L6将照明光束反射成垂直于傅立叶透镜系统100的光轴至直角反射镜L7，直角反射镜L7位于傅立叶透镜系统100的频谱面(即像面)与其光轴的交点处，照明光束被L7反射后垂直照明物101，物101发生衍射，其中的0级衍射光经过傅立叶透镜100后又打到反射棱镜L7上，这样101的0级衍射光就再次被L7反射走，而不被探测器探测到，因而就消除掉了0级衍射光的影响。
图4和图5显示了本实施例的傅立叶透镜系统不同视场的传递函数MTF，反应了该傅立叶透镜系统的成像质量。当工作波长为632.8nm时，根据专业光学设计软件CODE_V的分析计算可知：传递函数MTF接近衍射极限，在激光工作条件下，可以有效获得高成像质量，同时可以实现较大的物方和像方视场尺寸。
图6所示为本发明傅立叶透镜系统的点列图。
由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。
图中的几个图分别表示给定的几个视场上不同光线与像面交点的分布情况。使用点列图，一要注意其下方表格中的数值，值越小成像质量越好。二根据分布图形的形状也可了解系统的几何像差的影响，如，是否有明显像散特征，或彗差特征，几种色斑的分开程度如何，有经验的设计者可以根据不同的情况采取相应的措施。
图7所示为本发明傅立叶透镜系统的光程差(OPD)图。
光程差是指光线与相应主光线(通过光瞳坐标原点的光线)之间在某一面上的光程差，光程差是评价傅立叶透镜和相干成像系统的重要指标项，OPD数值越小代表相应的光学系统的性能越好，对于傅立叶透镜系统要求OPD小于1/4波长。
图4～图7显示了本发明揭露的傅立叶透镜系统拥有较好的成像质量。
本实施例所揭露的透镜系统100的频谱面上谱点位置追踪结果如表2所示。
 
视场 实际位置 正弦条件要求的位置 与正弦条件的误差(百分比)
1 1.33E-3 0 0.133％
2 3.30013 3.29976 0.011％
3 3.55484 3.55437 0.013％
 
4 3.66945 3.6689 0.014％
5 3.84772 3.84712 0.0156％
6 17.82687 17.77685 0.28％
7 21.08212 21.008 0.35％
8 23.52633 23.43588 0.39％
表2
由表2可知，频谱面上的谱点位置与预期的位置误差控制在了一定范围内，至此可以看出本发明的傅立叶透镜系统已经满足了所有的实际需求。
本发明较佳实施例的傅立叶透镜系统100的数值孔径最大达到0.31，焦距不小于70mm，通光口径不大于50mm，角视场不小于18°。共轭面消除像差，波相差小于λ/4，频谱面谱点位置满足正弦关系。
本发明的傅立叶投影光学系统所有光学元件的表面类型均为球面或平面，没有任何非球面，因此不会引入光学加工、光学检测与成本等方面的难题。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1、一种傅立叶透镜系统，其特征在于，从物面至像面沿其光轴方向依次包括：
双凹透镜；
第一凸透镜；以及
第二凸透镜，
其中，该双凹透镜，该第一凸透镜和该第二凸透镜之间的沿轴空气间隙小于20毫米。
2.根据权利要求1所述的傅立叶透镜系统，其中该双凹透镜的材料为ZK7。
3.根据权利要求1所述的傅立叶透镜系统，其中该第一凸透镜的材料为ZF6。
4.根据权利要求1所述的傅立叶透镜系统，其中该第二凸透镜的材料为ZK7。
5.根据权利要求1所述的傅立叶透镜系统，其中该第二凸透镜之后还包括沿光轴排列的第一平面透镜。
6.根据权利要求5所述的傅立叶透镜系统，其中该第一平面透镜采用的材料为ZK11。
7.根据权利要求5所述的傅立叶透镜系统，其中该第一平面透镜之后还包括沿光轴排列的第二平面透镜。
8.根据权利要求7所述的傅立叶透镜系统，其中该第二平面透镜采用的材料为石英玻璃。
9.根据权利要求8所述的傅立叶透镜系统，其特征在于，其中该双凸透镜具有第一表面和第二表面，第一表面的半径为114.425mm，第二表面的半径为370.7mm，该双凸透镜的中心厚度为4mm，半孔径为22.1mm，该第一凸透镜具有第三表面和第四表面，第三表面的半径为851.1mm，第四表面的半径为64mm，该第一凸透镜的中心厚度为8.4mm，半孔径为23.5mm，该第二凸透镜具有第五表面和第六表面，第五表面的半径为82.86mm，第六表面的半径为438.5，该第二凸透镜的中心厚度为8.3mm，半孔径为25.5mm。
10.根据权利要求1所述的傅立叶透镜系统，其中在该傅立叶透镜系统的像面位置，还包括：
第一直角反射镜，位于像面和光轴的交点，将照明光束沿光轴反射；
第二直角反射镜，将照明光束反射至该第一直角反射镜。
CN2008102043542A 2008-12-10 2008-12-10 低成本大数值孔径的傅立叶透镜系统 Active CN101487923B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2008102043542A CN101487923B (zh) 2008-12-10 2008-12-10 低成本大数值孔径的傅立叶透镜系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2008102043542A CN101487923B (zh) 2008-12-10 2008-12-10 低成本大数值孔径的傅立叶透镜系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101487923A true CN101487923A (zh) 2009-07-22
CN101487923B CN101487923B (zh) 2010-04-21

Family

ID=40890876

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008102043542A Active CN101487923B (zh) 2008-12-10 2008-12-10 低成本大数值孔径的傅立叶透镜系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101487923B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105531616A (zh) * 2013-08-22 2016-04-27 大族激光科技产业集团股份有限公司 红外大幅面远心激光打标Fθ镜头

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4189214A (en) * 1974-01-31 1980-02-19 Canon Kabushiki Kaisha Fourier transform lens system
CN2755633Y (zh) * 2004-12-21 2006-02-01 中国科学院西安光学精密机械研究所 傅立叶镜头
CN100370313C (zh) * 2005-05-20 2008-02-20 清华大学 傅里叶变换光学系统及体全息存储傅里叶变换光学系统

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105531616A (zh) * 2013-08-22 2016-04-27 大族激光科技产业集团股份有限公司 红外大幅面远心激光打标Fθ镜头
CN105531616B (zh) * 2013-08-22 2017-11-03 大族激光科技产业集团股份有限公司 红外大幅面远心激光打标Fθ镜头
US9983383B2 (en) 2013-08-22 2018-05-29 Han's Laser Technology Industry Group Co., Ltd. Infrared large-format telecentric laser marking F theta lens

Also Published As

Publication number Publication date
CN101487923B (zh) 2010-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10962750B2 (en) Projection optical system, projection apparatus, and projection system
Kingslake Optical system design
JP5045429B2 (ja) 斜め投射光学系
CN105988207B (zh) 放大光学系统、光学单元和投影仪设备
US4103989A (en) Unit-power concentric optical systems
US2742817A (en) Unit magnification catadioptric lens system
CN101251436A (zh) 卡塞格林二反射镜光学系统加工在线检验方法
Menke et al. Optical design with orthogonal representations of rotationally symmetric and freeform aspheres
CN105223699A (zh) 一种可见光/红外光双波段光学系统
US3317267A (en) Optical system having cylindrical power
CN101487923B (zh) 低成本大数值孔径的傅立叶透镜系统
CN101482644B (zh) 一种傅立叶透镜系统
CN101509999B (zh) 未采用非球面镜的傅立叶透镜系统
JP2021063955A (ja) 撮像光学系
Parks Aligning reflecting optics with Bessel beams
CN103278913B (zh) 一种非球面光刻耦合物镜
JP6766872B2 (ja) 小さな中心遮蔽部を有する広帯域反射屈折顕微鏡対物レンズ
CN102279473A (zh) 星模拟器光学系统
US3536381A (en) Optical projection system
Burge An easy way to relate optical element motion to system pointing stability
Guozhu et al. Design of zoom fish-eye lens systems
CN106908870B (zh) 一种零角度入射的表面等离子体光学耦合超透镜
CN216622833U (zh) 一种双远心投影光刻镜头
Zverev et al. Aberrational properties of a thin mirror–lens component in a convergent pencil of rays
US3653751A (en) Optical system having fresnel surfaces for imaging near-axis points without meridional coma

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: 201203 Zhangjiang High Tech Park, Shanghai, Zhang Dong Road, No. 1525

Patentee after: Shanghai microelectronics equipment (Group) Limited by Share Ltd

Address before: 201203 Zhangjiang High Tech Park, Shanghai, Zhang Dong Road, No. 1525

Patentee before: Shanghai Micro Electronics Equipment Co., Ltd.

CP01 Change in the name or title of a patent holder