CN102735427A

CN102735427A - 光学特性测量装置

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Publication number: CN102735427A
Application number: CN2012100945539A
Authority: CN
Inventors: 安藤利典
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: JP2012220200A; US9036139B2; CN102735427B; JP5759232B2; US20120250009A1

Abstract

本发明公开了一种光学特性测量装置。该光学特性测量装置在多个评估面上获取与被检测的光学系统的图像特性有关的测量值，并且测量光学特性，该光学特性测量装置包括测量值校正单元，其校正评估面上的与射束的线扩散分布和点扩散分布中的一个的宽度或光强度有关的测量值，其中，在测量值与宽度有关的情况下，像面被视为评估基准面，并且，测量值校正单元输出校正值；在测量值与光强度有关的情况下，像面被视为评估基准面，并且，测量值校正单元也输出校正值，并且，基于校正值测量被检测的光学系统的光学特性。

Description

光学特性测量装置

技术领域

本发明涉及用于从被检测的光学系统的散焦特性识别最佳像面位置的光学特性测量装置。

背景技术

在每个光学领域中，不管是应用光学系统的哪个特定的领域，在被检测的光学系统的目标像面附近沿光轴方向移动照相机的同时观察图像条件，以便测量被检测的光学系统的聚焦位置和焦点深度(focaldepth)性能。测量允许识别被检测的光学系统的最佳像面位置与目标像面位置之间的差异，并且使得能够根据需要通过校正部件的形状并且根据值调整位置以减少差异。作为替代或者附加地，测量使得能够确定对于由温度变化导致的焦点位置的变化以及由组装成更高级的单元或产品所导致的机械误差的深度容许量的合适性。

例如，日本专利申请公开No.2007-163227公开了用于测量激光扫描光学系统的性能的装置。该装置具有如下这样的配置，该配置可任意地自动改变在其上安装被检测的光学系统的用于测量光学特性的夹具(jig)与由CCD照相机构成的射束测量单元之间的相对分离。该文献还公开了通过测量被称为深度曲线的深度特性检测扫描透镜的深度容许量。

日本专利申请公开No.H07-120691描述了束斑直径关于作为到目标像面位置的距离的散焦量的变化，并且公开了根据距离的正的变化或负的变化而表现不对称特性。

在改变物体与被检测的光学系统之间的距离以及被检测的光学系统与诸如屏幕或照相机的评估装置之间的距离中的一个的同时评估被检测的光学系统的散焦特性的情况中，导致以下的问题。该问题是，如果散焦量相对于被检测的光学系统的光瞳与评估基准面之间的距离大，那么难以确定真实的最佳像面位置。通常采用比具有容许斑点直径的区域小的区域的中心作为最佳像面位置。不幸的是，随着容许斑点直径的值变化，最佳像面位置改变。

发明内容

为了解决该问题，根据本发明，提供了一种光学特性测量装置，该光学特性测量装置在通过被检测的光学系统导致的物体的像面的附近的多个评估面上获取与被检测的光学系统的图像特性有关的测量值，并且基于各测量值测量被检测的光学系统的光学特性，该光学特性测量装置包括：测量值校正单元，该测量值校正单元校正所述多个评估面上的与通过被检测的光学系统导致的射束的线扩散分布和点扩散分布中的一个的宽度或光强度有关的测量值，其中，在测量值与射束的线扩散分布和点扩散分布中的一个的宽度有关的情况下，所述像面被视为评估基准面，并且，测量值校正单元输出校正值，使得当评估面与评估基准面相比接近被检测的光学系统时，测量值根据接近量增加，并且当评估面与评估基准面相比移动离开被检测的光学系统时，测量值根据移动离开量减小，在测量值与射束的线扩散分布和点扩散分布中的一个的光强度有关的情况下，所述像面被视为评估基准面，并且，测量值校正单元输出校正值，使得当评估面与评估基准面相比接近被检测的光学系统时，测量值根据接近量减小，并且，当评估面与评估基准面相比移动离开被检测的光学系统时，测量值根据移动离开量增加，并且，基于与测量值相比具有提高的对称性的校正值测量被检测的光学系统的光学特性。

参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1是示出根据本发明的一个实施例的光学特性测量装置的配置的示意图。

图2是示出根据该实施例的光学特性测量装置的沿主扫描方向的截面展开图。

图3是示出根据该实施例的光学特性测量装置的沿副扫描方向的截面展开图。

图4A是示出根据该实施例的光学特性测量单元所测量的PSF的示图。

图4B是示出根据该实施例的光学特性测量单元所测量的LSF的示图。

图4C是示出根据该实施例的主扫描方向上的图像条件的曲线图。

图5是示出出射光瞳、评估面和评估基准面的示图。

图6是示出与LSF宽度的散焦特性有关的校正之前的测量值与校正之后的校正值的示图。

图7是示出与LSF最大强度的散焦特性有关的校正之前的测量值与校正之后的校正值的示图。

图8是示出根据该实施例的光学特性测量装置的操作序列的示图。

具体实施方式

现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。

本申请的发明的一个目的是，提供可容易地并且正确(具有小误差)地获取被检测的光学系统的最佳像面位置的光学特性测量装置。

以下参照附图描述本发明的实施例。

第一实施例

装置的总体配置

图1示出对于激光扫描光学系统的光学特性测量装置的应用的实施例。在该图中，X方向被称为散焦方向，Y方向被称为图像高度方向。对于被检测的光学系统的特性的表现，射束的中心线被称为主光线。包含主光线并与该纸面平行的方向被称为主扫描方向。与纸面垂直的方向被称为副扫描方向。

在图1中，用于激光扫描的透镜1是被检测的光学系统。测量单元20包含用于激光扫描的透镜1，并且是用于测量光学特性的单元。测量单元20包含作为物体(object)的半导体激光光源21、以及光源光学系统22。光源光学系统22将来自激光光源21的发散射束转换成沿主扫描方向的基本上平行的射束和沿副扫描方向会聚于稍后提及的旋转多面反射镜的反射表面附近的射束。

来自光源光学系统22的射束穿过用于将射束的截面直径变为预定直径的光阑23和反射来自光阑23的激光射束并以预定的角度将射束引向用于激光扫描的透镜1的旋转多面反射镜24(以下，称为多面反射镜)。穿过的射束作为射束25从测量单元20射出。

下文将描述测量值校正单元100。该配置包含用于控制激光光源21的发光的电路、用于将多面反射镜24旋转驱动到预定位置的马达、以及它们的驱动电路。但是，这些部件与本发明的要旨无关。因此，省略它们的描述。评估基准面3是被检测的光学系统的像面。照相机4聚焦于评估面5上以观察并检测该评估面。具体而言，照相机包括物镜和图像传感器。

在本实施例中，评估面5是照相机4的焦面。沿光轴方向在通过被检测的光学系统导致的物体的像面附近提供多个评估面5。这里，多个评估面5中的每一个的位置沿光学系统的光轴方向相互不同。

台架6和7分别是沿X方向和Y方向的驱动单元。根据来自未示出的控制单元的指令，这些台架沿图像高度方向将照相机4驱动到位置Ym，并且沿散焦方向将评估面5驱动到位置Xm。

测量单元20中的光阑23与评估面5之间的通过被检测的光学系统1形成的光阑23的图像被称为出射光瞳。在被检测的光学系统1具有在相互正交的两个方向上的不同的位置处包含出射光瞳的变形特性的情况下，各出射光瞳出现于沿主扫描方向(第一方向)和副扫描方向(第二方向)的截面上。出射光瞳8在副扫描方向上。出射光瞳9在主扫描方向上。这些出射光瞳8和9分别位于与评估基准面3相距距离Ts和Tm处。这里，距离Ts和Tm被定义为使得光束传播方向为正。

在图1中，出射光瞳8和9关于光束传播方向处于评估基准面3的相反侧。因此，距离Ts和Tm具有负值。图2示出沿Z轴方向(与图1中的纸面垂直的方向)扩展从激光光源21到评估基准面3的光路的状态的观察。其截面被称为主扫描截面。

在图2中，多面反射镜24的反射面处于位置24a。由于其它的部件与图1中的部件相同，因此，它们被赋予相同的附图标记。在图2中，被检测的光学系统1的用于激光扫描的透镜具有将基本上平行的入射射束会聚于评估基准面3的附近的焦度。这里，在位置9形成通过用于激光扫描的透镜的形成的光阑23的图像、即主扫描截面的出射光瞳。

图3示出沿与XY面平行的方向扩展从激光光源21到评估基准面3的光路的状态的观察。该截面被称为沿副扫描方向的截面。在图3中，被检测的光学系统1的用于激光扫描的透镜具有进一步将会聚于多面反射镜表面24a附近的射束会聚于评估基准面3附近的焦度。这里，在位置8形成通过用于激光扫描的透镜形成的光阑23的孔径的图像、即副扫描截面上的出射光瞳。

根据以上的配置，该实施例执行图8所示的以下的操作，图8是表示光学特性测量装置的操作序列的示图。即，在本实施例中，为了检测作为被检测的光学系统的用于激光扫描的透镜1，在基准评估面3之前10mm和之后10mm内在预定图像高度处以1毫米的间距获取散焦特性。

首先，照相机4的焦面通过使用台架6和7被设置在希望的图像高度Yo以及Xm＝0的位置处，这里，Xm是相对于(from)基准评估面3的散焦量。然后，激光光源21被开通，并且，多面反射镜24旋转，使得评估面5被射束25照射。通过使用台架移动照相机4，并且，沿射束25并在Xm＝-10mm的位置处设置评估面5。随后，测量光学特性。

测量值的检测

参照图4A、图4B和图4C描述光学特性的测量。图4A示出通过光学特性测量装置识别的射束25的图像条件，示出评估面5上的Y-Z面上的图像斑点的强度分布和点扩散函数(以下，简写为PSF)。图4B是示出副扫描方向上的图像条件的示图。Iz轴方向上的各点处的值是图4A中的具有相同的Z坐标的点处的强度的总和。该曲线图被称为副扫描方向上的线扩散函数(以下，简写为LSF)。

根据这种处理，图4B中的LSF不受正交Y方向上的成像特性影响，并且可正确地表示Z方向上的成像性能。图4B示出副扫描方向上的LSF的最大值Pz、以及值Iz为预定值处的曲线的宽度Dz。在预定值为Pz的一半的情况下，Dz被称为半值宽度。在该值是1/e²的情况下，Dz被称为1/e²宽度。

PSF对应于通过使用针孔的点输入所获取的点扩散分布。LSF对应于通过使用狭缝的线输入所获取的线扩散分布。

图4C是示出在图4A中的图像条件中的主扫描方向上的图像条件的曲线图。Iy轴方向上的各点处的值是图4A中的具有相同的Y坐标的点处的强度的总和。该曲线图被称为主扫描方向上的LSF。在本实施例中，分别通过沿主扫描方向和副扫描方向的1/e²宽度Dy和Dz测量光学特性。

测量值的校正

本实施例包括如下面描述的那样校正测量值的测量值校正单元。即，在本实施例中，在Dy和Dz的测量之后，根据从评估面到出射光瞳的距离校正测量值。假定在沿主扫描方向和副扫描方向的各出射光瞳与评估基准面3之间沿X轴取得距离Tm和Ts。可实际测量距离Tm和Ts。如果距离不由于被检测的光学系统的变化而大大改变，那么可以采用设计值。假定校正值Dya和Dza分别与沿主扫描方向和副扫描方向的LSF宽度对应，则根据以下的计算式计算与测量值相比具有提高的对称性的校正值。

Dya＝Tm/(Tm-Xm)×Dy (1)

Dza＝Ts/(Ts-Xm)×Dz (2)

假定K是沿主扫描方向和副扫描方向的从评估基准面到出射光瞳的距离、L是从出射光瞳到评估面的距离、Do是校正之前的测量值，并且D是校正之后的测量值，则条件式(1)和(2)由以下的形式表示。

D＝(K/L)×Do

该式表示，测量值校正单元输出值，使得当评估面5接近出射光瞳时，校正值相对于测量值增加，而当该面远离出射光瞳时，校正值相对测量值减小。

关于校正的计算原理

以下，参照图5描述关于校正的计算原理。图5是示出出射光瞳、评估面和评估基准面的示图。该示图示出出射光瞳500、评估基准面501和评估面502。该示图还示出出射光瞳的直径A、从评估基准面到出射光瞳的沿光路的距离T、和相对于评估基准面的评估面的散焦量Def。假定从评估基准面观察出射光瞳时的F数为Fo，则Fo＝|T|/A。假定从散焦Def的评估面观察出射光瞳时的F数为Fd，则Fd＝|T-Def|/A。

例如，各面上的受衍射限制的图像斑点直径和线宽度中的一个与F数成比例。因此，评估面502上的这些值与评估基准面上的值相比，改变如下：

Fd/Fo＝(T-Def)/T. (3)

即，需要在考虑到点处的受衍射限制的值通过条件式(3)从评估基准面501上的值改变的情况下，评估通过评估面502测量的线宽。因此，对于评估使用被条件式(3)除的测量值。在图5中，沿光路测量的距离被用作T和DEF。如果沿另一方向进行测量，这些值不改变。因此，可通过使用条件式(1)和(2)进行正确的测量。

在上述的测量和校正之后，照相机4沿射束25沿X方向移动1毫米并且执行类似的测量，这被重复预定的次数(例如，10次，直到Xm＝10mm)。事实上，重复测量，直到校正之后的主扫描方向和副扫描方向上的LSF宽度Dya和Dza超过预定值。

副扫描方向上的测量值的校正

图6示出由此获取的副扫描方向上的线宽的散焦特性。在图6中，横轴表示距评估基准面3的距离，纵轴表示副扫描方向上的LSF宽度，并且，由实心点表示的点是校正之后的校正值。由空心三角表示的点是校正之前的测量值。这里，副扫描方向上的出射光瞳位置Ts存在于(在像面的上游)-50.3mm的位置处。从图6可以定性地识别，虽然校正之前的测量值根据散焦方向的正和负表现出不对称特性，但是，校正之后的校正值表现良好的对称性。

在其定量情况中，关于图6的横轴，基于对称性不好的校正之前的测量值，估计焦面处于3～4mm的位置。另一方面，基于对称性良好的校正之后的测量值，可以确认最佳焦面处于6～7mm的位置处。在本实施例中，可以确认，最佳焦面处于6～7mm的位置处，而不处于0mm的位置处。在确认最佳焦面之后校正模具以将最佳焦面变到0mm是足够的。

关于图6的纵轴，如下所述，在本实施例中，容许值为80μm。即，在本实施例中，激光波长为80nm，并且，评估基准面上的副扫描方向上的出射F值为63。因此，作为矩形开口的LSF，副扫描方向上的1/e²宽度为约80μm。对于这样的80μm的容许值，根据校正之前的测量值，它导致不存在等于容许值或低于容许值的深度。另一方面，根据校正之后的校正值，可允许其高达比80μm的初始容许值大10％的88μm。

为了估计被检测的光学系统的最佳焦面的位置，典型地评估小于等于阈值的散焦范围的中心位置，该阈值为增加10～20％的最小线宽和斑点直径中的一个。在本实施例中，基于校正之后的校正值，最佳线宽可被估计为基本上等于设计值的值。也可确保成为容许线宽的深度的宽度。

主扫描方向上的测量值的校正

主扫描方向上的出射光瞳位置Tm为-300mm。通过使用该值执行如副扫描方向上的校正那样的主扫描方向上的校正。但是，通过约10mm的容许散焦范围，根据条件式(1)的校正小于等于5％(10/300)。因此，可在没有主扫描方向上的校正的情况下仅通过副扫描方向上的校正来执行评估。

第二实施例

在第一实施例中，测量值是主扫描方向和副扫描方向上的LSF线宽。在本实施例中，测量值是图4B中的LSF的最大强度值Py和Pz。在第一实施例中，当在第一实施例中在作为图像面的基准面的前后设置评估面以测量射束宽度时，在考虑图像倍率的情况下执行校正。另一方面，在射束的光强度的测量中，通过使用作为与射束宽度有关的校正系数的倒数的校正系数执行校正。这是由于，在任何散焦状态中，光强度的积分值(即能量)是恒定的，并且，射束宽度与射束的光强度的积保持恒定。

假定Pya和Pza是校正之后的主扫描方向和副扫描方向上的LSF宽度，根据下式校正这些值。

Pya＝(Tm-Xm)/Tm×Py (4)

Pza＝(Ts-Xm)/Ts×Pz (5)

假定沿主扫描方向和副扫描方向的从评估基准面到出射光瞳的距离为K、从出射光瞳到评估面的距离为L、测量值为Do并且转换之后的测量值为D，则以以下的形式表示条件式(4)和(5)。

D＝(L/K)×Do

图7示出副扫描LSF的最大强度值Py的测量结果。使用与第一实施例中的测量单元和被检测的光学系统相同的测量单元20和被检测的光学系统1。在图7中，横轴表示距评估基准面3的距离，纵轴表示副扫描方向上的LSF最大强度，并且，由实心点表示的点是与被校正的LSF最大强度Py的散焦特性相关的校正值。由空心三角表示的点是与校正之前的散焦特性有关的测量值。

第三实施例

在第二实施例中，测量值是LSF的最大强度。在本实施例中，测量值是PSF的最大强度。在本实施例中，沿主扫描方向和副扫描方向同时执行与主扫描方向和副扫描方向上的射束直径的校正成反比的射束的光强度的校正是足够的。即，假定Io是校正之前的测量值(PSF的最大强度)，并且Ia是校正之后的校正值。

Ia＝(Tm-Xm)/Tm×(Ts-Xm)/Ts×Io (6)

这里假定从评估基准面到出射光瞳的沿主扫描方向的距离Tm与从评估基准面到出射光瞳的沿副扫描方向的距离Ts的积为Kyz、从出射光瞳到评估面的沿主扫描方向的距离为Ly，并且从出射光瞳到评估面的沿副扫描方向的距离为Lz。还假定测量值为Do，并且转换后的测量值为D。因此，以以下的形式表示条件式(6)。

D＝(Ly×Lz/Kyz)×Do (7)

在被检测的光学系统不具有变形(anamorphic)特性的情况下，假定

L＝Ly＝Lz、

T＝Tm＝Tz、

Kyz＝Tm×Ts，并且

K＝T×T，则条件式(7)可简单地表示如下。

D＝(L×L/K)×Do (7′)

变更例

在第一实施例中，测量值是LSF的宽度。在第二实施例中，测量值是LSF的最大强度。在第三实施例中，测量值是PSF的最大强度。作为替代，测量值可以是PSF的宽度。在使用PSF的宽度作为测量值的情况下，可如同第一实施例一样，将条件式(1)和(2)用于校正测量值。

在第二实施例和第三实施例中，测量值是作为光强度的最大强度。作为替代，测量值可以是平均强度。在第一到第三实施例中，根据被检测的光学系统的出射光瞳与评估面之间的距离执行校正。可根据例如被检测的光学系统的后侧端(而不是被检测的光学系统的出射光瞳位置)与评估面之间的距离执行校正。

在第一实施例中，描述了定量地使用条件式(1)和(2)的校正。但是，本发明不限于此。即，可执行任何校正，只要假定，定性地使用像面作为基准面，当评估面接近被检测的光学系统时测量值根据接近量增加，并且当评估面移动离开被检测的光学系统时测量值根据移动离开量减少即可。

类似地，在第二实施例和第三实施例中，描述了定量地使用条件式(4)和(5)或条件式(6)、(7)和(7′)的校正。本发明不限于此。即，可执行任何校正，只要假定，定性地使用像面作为基准面，当评估面接近被检测的光学系统时测量值根据接近量减小，并且当评估面移动远离被检测的光学系统时测量值根据移动离开量增加即可。

本发明可在基本上不对常规装置的配置进行任何改变的状态下仅通过测量值的算术处理而正确地获取被检测的光学系统的最佳像面位置。因此，用于校正模具和透镜的目标值变得正确。作为结果，提高了开发效率和部件、单元和产品的质量，并且降低了成本。

Claims

1.一种光学特性测量装置，该光学特性测量装置在通过被检测的光学系统导致的物体的像面的附近的多个评估面上获取与被检测的光学系统的图像特性有关的测量值，并且基于各测量值测量被检测的光学系统的光学特性，该光学特性测量装置包括：

测量值校正单元，该测量值校正单元校正所述多个评估面上的与通过被检测的光学系统导致的射束的线扩散分布和点扩散分布中的一个的宽度或光强度有关的测量值，其中，

在测量值与射束的线扩散分布和点扩散分布中的一个的宽度有关的情况下，所述像面被视为评估基准面，并且，测量值校正单元输出校正值，使得当评估面与评估基准面相比接近被检测的光学系统时，测量值根据接近量增加，并且当评估面与评估基准面相比移动离开被检测的光学系统时，测量值根据移动离开量减小；

在测量值与射束的线扩散分布和点扩散分布中的一个的光强度有关的情况下，所述像面被视为评估基准面，并且，测量值校正单元输出校正值，使得当评估面与评估基准面相比接近被检测的光学系统时，测量值根据接近量减小，并且，当评估面与评估基准面相比移动离开被检测的光学系统时，测量值根据移动离开量增加，并且，

基于与测量值相比具有提高的对称性的校正值测量被检测的光学系统的光学特性。

2.根据权利要求1的装置，其中，测量值校正单元根据被检测的光学系统的出射光瞳与所述评估面之间的距离输出校正值。

3.根据权利要求2的装置，其中，被检测的光学系统是包含在相互正交的第一方向和第二方向上在不同的位置处的出射光瞳的变形光学系统，并且，测量值校正单元输出在第一方向和第二方向上不同的校正值。

4.根据权利要求1的装置，其中，在测量值与射束的线扩散分布和点扩散分布中的一个的宽度有关、测量值是Do、被检测的光学系统的出射光瞳与所述像面之间的距离为K、被检测的光学系统的出射光瞳与所述评估面之间的距离为L、并且校正之后的校正值为D的情况下，满足下式：

D＝(K/L)×Do。

5.根据权利要求1的装置，其中，在测量值与射束的线扩散分布和点扩散分布中的一个的光强度有关、测量值是Do、被检测的光学系统的出射光瞳与所述像面之间的距离为K、被检测的光学系统的出射光瞳与评估面之间的距离为L、并且校正之后的校正值为D的情况下，满足下式：

D＝(L/K)×Do。

6.根据权利要求1的装置，其中，在测量值与射束的线扩散分布和点扩散分布中的一个的光强度有关、测量值是Do、被检测的光学系统的出射光瞳与所述像面之间的距离为K、被检测的光学系统的出射光瞳与评估面之间的距离为L、并且校正之后的校正值为D的情况下，满足下式：

D＝(L×L/K)×Do。

7.根据权利要求1的装置，其中，在测量值与射束的线扩散分布和点扩散分布中的一个的光强度有关、测量值是Do、被检测的光学系统的出射光瞳与所述像面之间的沿第一方向的距离和被检测的光学系统的出射光瞳与所述像面之间的沿第二方向的距离的乘积为Kyz、被检测的光学系统的出射光瞳与评估面之间的沿第一方向的距离为Ly、被检测的光学系统的出射光瞳与评估面之间的沿第二方向的距离为Lz、并且校正之后的校正值为D的情况下，满足下式：

D＝(Ly×Lz/Kyz)×Do。

8.根据权利要求1的装置，其中，物体是光源。