CN102645749B - 一种投影光学系统的倍率调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种投影光学系统的倍率调节方法，首先提供一投影光学系统，该投影光学系统沿其光轴方向包括前组、孔径光阑和后组。所述前组包括第一镜组、第二镜组和第三镜组，所述第一镜组和第三镜组具有正光焦度，所述第二镜组具有负光焦度；所述后组包括第四镜组、第五镜组和第六镜组，所述第四镜组和第六镜组具有正光焦度，所述第五镜组具有负光焦度；所述前组和后组关于所述孔径光阑对称，同时移动所述第三镜组和第四镜组中对称的一组透镜，调节光学系统的投影倍率。采用本发明的投影光学系统的倍率调节方法，在保持良好的双远心投影光学特性和良好的光学成像质量的条件下，能方便有效地修正或调节投影倍率的光学系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种投影光学系统的倍率调节方法，特别涉及一种对称式双远心投影光学系统的倍率调节方法。
背景技术
随着投影光刻技术的发展，投影光学系统的性能逐步提高，投影光学系统已经可以适用于电路制造等多种领域。在很多电路基板的实际生产过程中，由不同的设备生产制造的基板，其图形尺寸和倍率会有细微差异，同时在各种物理和化学加工处理过程中，基板会有细微的膨胀或收缩，也会导致基板图形尺寸的变化，而且不同的基板的图形尺寸变化也不尽相同，所以在很多基板的生产制造过程中，尤其是多层基板需要层间定位过程中，为了提高定位精度和布线密度，需要根据实际基板的图形尺寸或倍率变化，修正或调节投影光学系统的投影倍率。
然而在现有技术中，如美国专利US6,879,383(公告日：2005年4月12日)，采用折射反射结构，整体尺寸大，对光学玻璃材料要求十分严格，大口径的凹面反射镜的加工，检测技术要求也非常严格，而且无法进行投影倍率的修正和调节。
中国专利CN98113037.2(公告日：2003年7月23日)是一种像方远心的双高斯光学系统，也没有涉及投影倍率的修正和调节问题。
在一般的双远心投影光学系统中，即使物面和像面偏离了焦面，在垂直于光轴方向上的物与像的高度仍然不变，所以放大倍率几乎不会改变。因此，如何提供一种既经济又具有良好质量保证的，既能保持良好的双远心投影光学特性和良好的光学成像质量，又能方便有效地修正或调节投影倍率的光学系统，是业界重要的技术课题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种投影光学系统的倍率调节方法，在保持良好的双远心投影光学特性和良好的光学成像质量的条件下，可以方便有效地修正或调节投影倍率的光学系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种投影光学系统的倍率调节方法，提供一投影光学系统，该投影光学系统用于将物平面内的图形成像到像平面内，所述投影光学系统沿其光轴方向包括前组、孔径光阑和后组，所述前组包括第一镜组、第二镜组和第三镜组，所述第一镜组和第三镜组具有正光焦度，所述第二镜组具有负光焦度，所述第二镜组位于所述第一镜组和第三镜组之间，所述第一镜组位于所述物平面和第二镜组之间；所述后组包括第四镜组、第五镜组和第六镜组，所述第四镜组和第六镜组具有正光焦度，所述第五镜组具有负光焦度，所述第五镜组位于所述第四镜组和第六镜组之间，所述第六镜组位于所述像平面和第五镜组之间，所述前组和后组关于所述孔径光阑对称，同时移动所述第三镜组和第四镜组中对称的一组透镜，调节光学系统的投影倍率。
优选的，在上述的投影光学系统的倍率调节方法中，所述的投影光学系统满足：
关系式1：0.2＜f1/fa＜1.4；
关系式2：-0.4＜f2/fa＜-0.06；
关系式3：0.12＜f3/fa＜0.6，
其中，f1：第一镜组的组合焦距；f2：第二镜组的组合焦距；f3：第三镜组的组合焦距；fa：前组的组合焦距。
优选的，在上述的投影光学系统的倍率调节方法中，所述第一镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和第二透镜均为双凸透镜。
优选的，在上述的投影光学系统的倍率调节方法中，所述第二镜组包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜具有负光焦度，所述第三透镜包括一个面向所述像平面的凹面；所述第四透镜具有负光焦度，所述第四透镜包括一个面向所述物平面的凹面。
优选的，在上述的投影光学系统的倍率调节方法中，所述第三镜组包括第五透镜和第六透镜，所述第五透镜具有正光焦度，所述第六透镜具有正光焦度。
优选的，在上述的投影光学系统的倍率调节方法中，所述的投影光学系统满足：
关系式4：-2.0＜r1/r2＜-0.5；
关系式5：1.0＜r3/r2＜2.0，
其中，r1：所述第三透镜的凹面的曲率半径；r2：所述第四透镜的凹面的曲率半径；r3：第三镜组的曲面中的绝对值最小的曲率半径。
优选的，在上述的投影光学系统的倍率调节方法中，所述投影光学系统中的透镜数量大于等于10，且小于等于20。
优选的，在上述的投影光学系统的倍率调节方法中，所述第一镜组的透镜中最少有2个曲面的曲率半径的绝对值相等。
优选的，在上述的投影光学系统的倍率调节方法中，所述前组的组合后焦点位于所述孔径光阑的中心，所述后组的组合前焦点位于所述孔径光阑的中心。
本发明的有益效果：本发明与现有技术相比具有下列优点：1、本发明采用具有正光焦度第一镜组，具有负光焦度第二镜组和具有正光焦度第三镜组结构，在保持物平面和像平面位置不变的条件下，通过同时移动第三镜组和第四镜组中对称的一组透镜，在保持良好的双远心投影光学特性，和良好的光学成像质量的条件下，方便有效地修正或调节光学系统的投影倍率。2、本发明采用口径尺寸比较小的第二镜组，第三镜组，第四镜组和第五镜组的焦距分配结构，又没有引入非球面镜片，从而降低了镜头的加工，测试和装校的难度和成本。
附图说明
图1所示为本发明具体实施方式中投影光学系统的结构示意图；
图2所示为图1中投影光学系统的传递函数MTF示意图。
图3所示为图1中投影光学系统的投影倍率在放大时的传递函数MTF示意图；
图4所示为图1中投影光学系统的投影倍率在缩小时的传递函数MTF示意图；
图5所示为图1中投影光学系统的投影倍率分别在中间位置、放大以及缩小时的畸变像差示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种投影光学系统，该投影光学系统为对称式结构，即从物平面一侧顺次包含前组、孔径光阑和后组，并且前组和后组的透镜组元以所述的孔径光阑为对称面光学结构完全对称(表面曲率半径，间隔对称相等，光学材料对称一致)，放大倍率为-1。前组的组合后焦点和后组的组合前焦点重合，并与孔径光阑中心重合，构成双远心的光学结构。双远心光学结构在物平面和像平面处，因为光锥中心线与物平面和像平面垂直，物空间和像空间的成像光锥中心线即主光线平行于光轴，所以保证了放大倍率不随着物平面和像平面沿光轴方向的移动而变化。这样，即使物平面和像平面偏离了焦面，在垂直于光轴方向上的物与像的高度仍然不变，所以放大倍率不会改变。
参图1所示，投影光学系统由前组30和后组40的共12片透镜组成。依次分成G1～G6的六个镜组。从物平面10一侧顺次是具有正光焦度的第一镜组G1，负光焦度的第二镜组G2，正光焦度的第三镜组G3，孔径光阑50，正光焦度的第四镜组G4，负光焦度的第五镜组G5，正光焦度的第六镜组G6。
第一镜组G1包括具有正光焦度的第一透镜L1和第二透镜L2，第一透镜L1和第二透镜L2均为双凸透镜，其主要作用是保持远心光路结构，同时平衡第二镜组G2的多个透镜综合产生的球差和像散。
第二镜组G2包括具有负光焦度的第三透镜L3和第四透镜L4。其中，第三透镜L3具有一个面对像平面20的凹面，该凹面的曲率半径为r1；相邻的第四透镜L4具有一个面向物平面的凹面，该凹面的曲率半径为r2。第二镜组G2主要的作用是产生正球差和正场曲。在其他实施例中，第二镜组G2还可以是至少由2片具有负光焦度透镜组成，且包含一个面对像面的凹面和相邻的下一个面向物面的凹面。
第三镜组G3包括具有正光焦度的第五透镜L5和第六透镜L6，主要作用是平衡第二镜组G2的球差和场曲，同时两个具有正光焦度的透镜(第五透镜L5和第六透镜L6)可以分担光焦度，避免产生过多的高级球差和高级场曲。
第四镜组G4与第三镜组G3关于孔径光阑50对称，包括具有正光焦度的第七透镜L7和第八透镜L8，主要作用是平衡第五镜组G5的球差和场曲，同时两个具有正光焦度的透镜(第七透镜L7和第八透镜L8)可以分担光焦度，避免产生过多的高级球差和高级场曲。
第五镜组G5与第二镜组G2关于孔径光阑50对称，包括具有负光焦度的第九透镜L9和第十透镜L10，其中第九透镜L9具有一个面对像平面的凹面，该凹面的曲率半径为r2；相邻的第十透镜L10具有一个面向物平面的凹面，该凹面的曲率半径为r1。第五镜组G5的主要作用是产生正球差和正场曲。在其他实施例中，第五镜组G5还可以是至少由2片具有负光焦度透镜组成，且包含一个面对像面的凹面和相邻的下一个面向物面的凹面。
第六镜组G6与第一镜组G1关于孔径光阑50对称，包括具有正光焦度的第十一透镜L11和第十二透镜L12，第十一透镜L11和第十二透镜L12均为双凸透镜，主要作用是保持远心光路结构，同时平衡第五镜组G5的多个透镜综合产生的球差和像散。
第一镜组G1中的L1和L2分别与第六镜组G6中的L12和L11对称于孔径光阑50。
第二镜组G2中的L3和L4分别与第五镜组G5中的L10和L9对称于孔径光阑50。
第三镜组G3中的L5和L6分别与第四镜组G4中的L8和L7分别对称于孔径光阑50。
这样，前组30和后组40的个透镜组以孔径光阑50为对称面光学结构完全对称，垂直于光轴的像差：慧差，畸变，倍率色差自动校正为零。
在保持物平面10和像平面20位置不变的条件下，通过同时移动对称的一组透镜：第三镜组的第六透镜L6和第四镜组的第七透镜L7，在保持良好的双远心投影光学特性，和良好的光学成像质量的条件下，可以方便有效地修正或调节光学系统的投影倍率。
本发明实施例中的投影光学系统满足如下关系式：
关系式1：0.2＜f1/fa＜1.4；
关系式2：-0.4＜f2/fa＜-0.06；
关系式3：0.12＜f3/fa＜0.6，
其中，f1：第一镜组的组合焦距；f2：第二镜组的组合焦距；f3：第三镜组的组合焦距；fa：前组的组合焦距。
关系式1的主要作用是保持远心光路结构，使第一镜组G1产生适量球差和像散以平衡第二镜组G2的多个透镜综合产生的球差和像散，同时保持第二镜组G2和第三镜组G3的多个透镜口径尺寸比较小，降低整个镜头的加工，测试和装校的难度和成本。
关系式2的主要作用是使第二镜组G2产生足够的正球差和正场曲，平衡第一镜组G1和第三镜组G3产生的负球差和负场曲。
关系式3的主要作用是使第三镜组G3产生适量球差和场曲以平衡第二镜组G2的多个透镜综合产生的球差和场曲，同时保持前组的组合后焦点位于孔径光阑50的中心。
本发明的投影光学系统还满足如下关系式：
关系式4：-2.0＜r1/r2＜-0.5，
关系式5：1.0＜r3/r2＜2.0，
其中，r1：所述第三透镜的凹面的曲率半径；r2：所述第四透镜的凹面的曲率半径；r3：第三镜组的曲面中的绝对值最小的曲率半径。
关系式4的主要作用是使第二镜组G2的两个具有负光焦度的曲面适当地分担光焦度，避免产生过多的高级球差和高级场曲，而且使初级球差，高级球差，初级场曲和高级场曲可以同时得到良好校正。
关系式5的主要作用是使第三镜组G3产生适当的高级球差和高级场曲，平衡第二镜组G2产生的正高级球差和正高级场曲。
本发明的投影光学系统，由10片或10片以上，20片或20片以下的透镜构成时，既可以良好地校正初级和高级的球差，慧差，像散，场曲和畸变等各项像差，又可以降低了镜头的加工，测试和装校的难度和成本。
本发明的投影光学系统，第一镜组G1的透镜中有2个或者2个以上的曲面的曲率半径的绝对值相等时，即可以良好地校正各项像差，又可以降低了镜头的加工，测试和装校的成本，尤其是初期成本。
本发明的对称式双远心投影光学系统，前组30的组合后焦点位于孔径光阑50的中心；后组40的组合前焦点位于孔径光阑50的中心，主要作用是构成双远心光路结构，使垂轴像差：慧差，畸变，倍率色差自动校正为零。
本发明实施例中的投影光学系统的设计参数如表1所示，工作波长为365nm，像方半视场高度为102mm，由于是对称结构，物方和像方的工作距离均为175.42mm。为了光学加工，光学检验的方便和降低成本，本发明的所有光学元件均为球面，没有任何非球面元件。
表1
| 工作波长 | 365nm |
| 像方数值孔径NA | 0.07 |
| 像方视场(半径) | 102mm |
| 放大倍率 | -1 |
| 物方工作距 | 175.4228mm |
| 像方工作距 | 175.4228mm |
表2给出了本实施例的投影光学系统的每一片镜片的具体参数值。其中“序号”一栏表示从物平面到像平面之间的每一个表面所对应的序号；“所属对象”一栏指示从物平面到像平面之间的每一个表面所对应的镜片；“半径”一栏给出了每一个表面的所对应球面的曲率半径；“厚度/间距”一栏给出了相邻两个表面之间的轴向距离，如果该两个表面属于同一个镜片，则“厚度/间距”的数值表示该镜片的中心厚度，否则表示物平面或者像平面到镜片的距离或者相邻镜片的空气间隔；“光学材料”一栏表示所对应镜片的材料；“半孔径”一栏表示所对应表面的1/2孔径值。
除镜片外，镜片L6和L7之间还设置有孔径光阑STOP，其1/2孔径尺寸的改变会影响该投影光学系统的成像效果。
表2
表3给出了本实施例的投影光学系统的投影倍率和对称的一组透镜：第六透镜L6和第七透镜L7的位移量关系。从表3中可以看出，本发明可以通过透镜L6和L7的整体位移，使光学系统的投影倍率在-1.001和-0.999之间可调。
表3
| 中间位置 | 放大时 | 缩小时 | |
| 物距object | 175.395 | 175.395 | 175.395 |
| 间距(10) | 23.79137 | 23.53337 | 24.04937 |
| 间距(15) | 23.79137 | 24.04937 | 23.53337 |
| 像距Image | 175.395 | 175.395 | 175.395 |
| L6/L7位移量 | 0 | 0.258 | -0.258 |
| 投影倍率 | -1.00000 | -1.00100 | -0.99900 |
表4给出了本实施例的对称式双远心投影光学系统的关系式计算结果，从计算结果中可以看出，本发明可以有效地满足关系式(1)至关系式(5)。
表4
| 关系式1 | f1/fa＝0.55 |
| 关系式2 | f2/fa＝-0.15 |
| 关系式3 | f3/fa＝0.28 |
| 关系式4 | r1/r2＝-1.14 |
| 关系式5 | r3/r2＝1.24 |
参图2所示，为图1中投影光学系统的传递函数MTF示意图，反映本发明的投影光学系统的成像质量。从图2中可以看出，本发明可以在像方视场半径102mm整个范围内，有效地获得高成像质量。当工作波长为365nm时，专业光学设计软件的分析结果表明其波像差WFE(RMS)为工作波长的30分之1。当工作波长范围在362～368nm时，其波像差WFE(RMS)为工作波长的28分之1。
参图3和图4所示，分别为本发明实施例中投影光学系统的投影倍率在放大和缩小时的传递函数MTF示意图，反映本发明的倍率可调的双远心投影光学系统在倍率调节时的成像质量。从图3和图4中可以看出，本发明在投影倍率放大和缩小时，整个像方视场半径101.6mm范围内，高成像质量几乎维持不变。
图5所示为图1中投影光学系统的投影倍率分别在中间位置、放大以及缩小时的畸变像差示意图。反映本发明的投影光学系统在倍率调节时的畸变量。从图5中可以看出，在投影倍率放大和缩小时，整个像方视场半径101.6mm范围内，畸变量的变化极小，在0.0002％以内。
本发明的对称式双远心投影光学系统，在整个像方视场范围内，有效地校正了球差，慧差，像散，场曲，畸变和色差等各项像差，在整体移动透镜组L6和L7调整光学系统的投影倍率时，球差，慧差，像散，场曲，畸变和色差等各项像差几乎不变，保证了整个像方视场范围内良好的光学成像质量。本发明有效地压缩了镜头中部的第二镜组，第三镜组，第四镜组和第五镜组的外径尺寸，降低了镜头的加工，测试和装校的难度和成本。足以满足8英寸的大面积投影光刻设备的技术要求。
综上所述，本发明的有益效果在于：1、本发明采用具有正光焦度第一镜组，具有负光焦度第二镜组和具有正光焦度第三镜组结构，在保持物平面和像平面位置不变的条件下，通过同时移动第三镜组和第四镜组中对称的一组透镜，在保持良好的双远心投影光学特性，和良好的光学成像质量的条件下，方便有效地修正或调节光学系统的投影倍率。2、本发明采用口径尺寸比较小的第二镜组，第三镜组，第四镜组和第五镜组的焦距分配结构，又没有引入非球面镜片，从而降低了镜头的加工，测试和装校的难度和成本。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种投影光学系统的倍率调节方法，其特征在于：提供一投影光学系统，该投影光学系统用于将物平面内的图形成像到像平面内，所述投影光学系统沿其光轴方向包括前组、孔径光阑和后组，所述前组包括第一镜组、第二镜组和第三镜组，所述第一镜组和第三镜组具有正光焦度，所述第二镜组具有负光焦度，所述第二镜组位于所述第一镜组和第三镜组之间，所述第一镜组位于所述物平面和第二镜组之间；所述后组包括第四镜组、第五镜组和第六镜组，所述第四镜组和第六镜组具有正光焦度，所述第五镜组具有负光焦度，所述第五镜组位于所述第四镜组和第六镜组之间，所述第六镜组位于所述像平面和第五镜组之间，所述前组和后组关于所述孔径光阑对称，同时移动所述第三镜组和第四镜组中对称的一组透镜，调节光学系统的投影倍率,
所述的投影光学系统满足：
关系式1：0.2 < f1 / fa < 1.4；
关系式2：-0.4 < f2 / fa < -0.06；
关系式3：0.12 < f3 / fa < 0.6，
其中，f1：第一镜组的组合焦距；f2：第二镜组的组合焦距；f3：第三镜组的组合焦距；fa：前组的组合焦距,
所述第一镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和第二透镜均为双凸透镜,所述第二镜组包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜具有负光焦度，所述第三透镜包括一个面向所述像平面的凹面；所述第四透镜具有负光焦度，所述第四透镜包括一个面向所述物平面的凹面，所述第三镜组包括第五透镜和第六透镜，所述第五透镜具有正光焦度，所述第六透镜具有正光焦度。
2.根据权利要求1所述的一种投影光学系统的倍率调节方法，其特征在于：所述的投影光学系统满足：
关系式4：-2.0 < r1 / r2 < -0.5；
关系式5：1.0 < r3 / r2 < 2.0，
其中，r1：所述第三透镜的凹面的曲率半径；r2：所述第四透镜的凹面的曲率半径；r3：第三镜组的曲面中的绝对值最小的曲率半径。
3.根据权利要求1所述的一种投影光学系统的倍率调节方法，其特征在于：所述投影光学系统中的透镜数量大于等于10，且小于等于20。
4.根据权利要求1所述的一种投影光学系统的倍率调节方法，其特征在于：所述第一镜组的透镜中最少有2个曲面的曲率半径的绝对值相等。
5.根据权利要求1所述的一种投影光学系统的倍率调节方法，其特征在于：所述前组的组合后焦点位于所述孔径光阑的中心，所述后组的组合前焦点位于所述孔径光阑的中心。
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