CN103293879B - 物镜波像差检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的物镜波像差检测系统包括激光光源、双物镜波面干涉单元、CCD及与所述CCD电性连接的控制计算机。双物镜波面干涉单元包括第一分束棱镜、第一反射镜、参考物镜、玻片、待测物镜、第二分束棱镜及第二反射镜。另外，本发明还提供了一种物镜波像差检测的方法。本发明提供的物镜波像差检测系统和检测方法通过采用双物镜匹配方式得到参考物镜和待测物镜组合后的波像差，实现对大数值孔径显微物镜波像差的定量检测，解决了目前对大数值孔径物镜性能无法定量检测的难题。

Description

物镜波像差检测系统

技术领域

本发明涉及显微物镜光学检测技术领域，尤其是涉及一种物镜波像差检测系统。

背景技术

目前，市场上的高端显微镜包括全内角反射荧光显微镜（Total InternalReflection Fluorescence Microscope，TIRF）、共焦显微镜（Confocal Laser ScanningMicroscope，CLSM）、双/多光子显微镜和受激辐射损耗（Stimulated EmissionDepletion，STED）显微镜等特殊显微镜，均需要采用大数值孔径的平场复消色差显微物镜。

显微物镜是显微镜中的核心部件，显微物镜光学性能是整个显微镜光学性能的主要影响因素。为了获得高分辨率和良好成像质量，显微物镜一方面需要高数值孔径，另一方面对其像差也有严格要求。在高性能显微镜系统中，物镜像差通常是系统像差的主要来源，由于大数值孔径物镜像差检测本身固有的难度，准确的显微光学系统像差信息获取关键在于物镜像差检测。在高端显微镜的研制以及使用过程中，通过对大数值孔径物镜的像差进行定量测量，不但可获得准确的光学系统像差信息，而且可用来分析其成像性能，还可基于此进行像差补偿，进一步提高光学成像质量，对显微光学系统的光学性能具有重要意义。

典型的高端高倍物镜均采用浸油方式工作，其数值孔径一般达到1.35以上，某些采用高折射率油的物镜甚至达到1.5以上。这类平场复消色差物镜从光学设计、光学加工和光学检测均有较高的难度。目前，显微物镜厂商多采用星点法对物镜性能进行评估，星点法是一种主观的定性的方法，此外国内多家研究机构开展了物镜性能检测方法研究。中科院长春光学精密机械与物理研究所研究了显微物镜的调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）测试和杂光测试，北京工业学院、上海光学仪器研究所也研究了物镜性能检测方法研究，但上述方法均为定性或半定量检测，且只针对数值孔径较小的非浸油物镜，并不能解决大数值孔径物镜像差定量检测的问题；在紫外光刻系统的检测方面，长春光机所近年来研究了数值孔径较小的极紫外（Extreme UltravioletLithography，EUV）光刻物镜的波像差高精度检测方法，而应用于193nm光刻的大数值孔径物镜的像差检测方法目前仍在探索中。

发明内容

本发明的目的是：提供一种物镜波像差检测系统，该物镜波像差检测系统能够对大数值孔径显微物镜的波像差进行定量检测。

本发明的技术方案是：一种物镜波像差检测系统，包括激光光源、双物镜波面干涉单元、CCD及与所述CCD电性连接的控制计算机；

所述双物镜波面干涉单元包括第一分束棱镜、第一反射镜、参考物镜、玻片、待测物镜、第二分束棱镜及第二反射镜；

所述激光光源出射的准直激光光束进入所述第一分束棱镜；

所述准直激光光束中部分光束经所述第一分束棱镜反射后形成测量光束，所述测量光束经所述第一反射镜反射进入所述参考物镜，再经所述参考物镜聚焦于所述玻片中，从所述玻片中出射的所述测量光束被所述待测物镜收集、准直后再进入所述第二分束棱镜并被反射进入所述CCD中；所述准直激光光束中另一部分光束经所述第一分束棱镜透射后形成参考光束，所述参考光束经所述第二反射镜反射后再透射所述第二分束棱镜进入所述CCD中；所述测量光束和所述参考光束在所述CCD的感光面处产生干涉条纹；

所述CCD记录所述干涉条纹，所述控制计算机对所述CCD记录的干涉条纹进行计算分析，并将所述干涉条纹转换为波像差，其中，所述波像差为所述参考物镜和待测物镜组合后的波像差，从所述波像差去除掉所述参考物镜的波像差得到所述待测物镜的波像差。

下面对上述技术方案进一步解释：

所述双物镜波面干涉单元还包括工作台，所述工作台承载所述待测物镜，通过平移和旋转所述工作台，调节所述待测物镜的位置和角度使得从所述待测物镜出射光束波前的光轴和主光轴重合。

所述玻片的厚度为0.34mm。

所述参考物镜和所述待测物镜为水镜或油镜或干镜中的一种，且当所述参考物镜或所述待测物镜为水镜时，所述参考物镜和待测物镜与所述玻片之间的介质为水；当所述参考物镜或所述待测物镜为油镜时，所述参考物镜和待测物镜与所述玻片之间的介质为镜油；当所述参考物镜或所述待测物镜为干镜时，所述参考物镜和待测物镜与所述玻片之间的介质为空气。

另外，本发明还提供了一种物镜波像差检测系统的检测方法，包括下述步骤：

所述激光光源出射的准直激光光束经所述第一分束棱镜后形成测量光束和参考光束；

所述测量光束经所述第一反射镜反射进入所述参考物镜，再经所述参考物镜聚焦于所述玻片中，从所述玻片中出射的所述测量光束被所述待测物镜收集、准直后再进入所述第二分束棱镜并被反射进入所述CCD中；

所述参考光束经所述第二反射镜反射后再透射所述第二分束棱镜进入所述CCD中；

所述测量光束和所述参考光束在所述CCD的感光面处产生干涉条纹；

所述控制计算机对所述CCD记录的干涉条纹进行计算分析，并将所述干涉条纹转换为波像差；其中，所述波像差为所述参考物镜和待测物镜组合后的波像差。

下面对上述技术方案进一步解释，所述检测方法还包括下述步骤：

当所述待测物镜的波像差已知，从所述组合后的波像差中直接分离出所述待测物镜的波像差；

当所述待测物镜的波像差未知，采用第二参考物镜，按照上述方法测量所述参考物镜、待测物镜、第二参考物镜两两组合后的波像差，再计算出所述参考物镜和所述待测物镜的波像差。

其中，计算所述参考物镜和所述待测物镜的波像差的方法具体为：

$W_A(x,y)=\frac{W_{\mathrm{AB}}(x,y)+W_{\mathrm{CA}}(x,y)-W_{\mathrm{BC}}(x,y)}{2}$

$W_B(x,y)=\frac{W_{\mathrm{BC}}(x,y)+W_{\mathrm{AB}}(x,y)-W_{\mathrm{CA}}(x,y)}{2}$

其中，A、B、C分别表示为所述参考物镜、待测物镜、第二参考物镜，W_A(x,y)和W_B(x,y)分别为所述参考物镜和所述待测物镜的波像差，W_AB(x,y)、W_CA(x,y)、W_BC(x,y)分别为以第一个脚标表示的物镜在所述检测系统中作为参考物镜，第二个脚标表示的物镜在所述检测系统中作为待测物镜时组合后的波像差。

本发明的优点是：

本发明提供的物镜波像差检测系统和检测方法通过采用参考物镜和待测物镜的双物镜匹配方式得到参考物镜和待测物镜组合后的波像差，再根据组合后的波像差得到参考物镜和待测物镜的波像差，实现对大数值孔径显微物镜波像差的定量检测，解决了目前对大数值孔径物镜性能无法定量检测的难题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的物镜波像差检测系统结构示意图。

其中：激光光源110、双物镜波面干涉单元120、CCD130、控制计算机140、第一分束棱镜121、第一反射镜122、参考物镜123、玻片124、待测物镜125、第二分束棱镜126、第二反射镜127、工作台128、参考光束P、测量光束S、介质M。

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明实施例提供的物镜波像差检测系统结构示意图100。

物镜波像差检测系统100包括激光光源110、双物镜波面干涉单元120、电荷耦合元件130（Charge-coupled Device，CCD）及与CCD 130电性连接的控制计算机140。

双物镜波面干涉单元120包括第一分束棱镜121、第一反射镜122、参考物镜123、玻片124、待测物镜125、第二分束棱镜126及第二反射镜127。

其中，玻片124的厚度为0.34mm。实际中常规玻片厚度一般为0.17mm，本系统中采用的玻片厚度为常规玻片厚度的2倍，可以理解，玻片124可以用两片常规玻片组合形成，也可以为厚度为0.34mm的玻片。

其中，参考物镜123和待测物镜125为水镜或油镜或干镜中的一种，且当参考物镜123或待测物镜125为水镜时，参考物镜123和待测物镜125与玻片124之间的介质M为水；当参考物镜123或待测物镜125为油镜时，参考物镜123和待测物镜125与玻片124之间的介质M为镜油；当参考物镜123或待测物镜125为干镜时，参考物镜123和待测物镜125与玻片124之间的介质M为空气。

本发明上述实施例提供的物镜波像差检测系统100的工作过程为：

激光光源110出射的准直激光光束进入第一分束棱镜121；

准直激光光束中部分光束经第一分束棱镜121反射后形成测量光束S（图1中双箭头所示），测量光束S经第一反射镜122反射进入参考物镜123，再经参考物镜123聚焦于玻片124中，从玻片124中出射的测量光束S被待测物镜125收集、准直后再进入第二分束棱镜126并被反射进入CCD 130中；准直激光光束中另一部分光束经第一分束棱镜121透射后形成参考光束P（图1中单箭头所示），参考光束P经第二反射镜127反射后再透射第二分束棱镜126进入CCD 130中；测量光束S和参考光束P在CCD 130的感光面处产生干涉条纹；

CCD 130记录干涉条纹，控制计算机140对CCD 130记录的干涉条纹进行计算分析，并将干涉条纹转换为波像差，其中，波像差为参考物镜123和待测物镜125组合后的波像差。

在本发明一较佳实施例中，双物镜波面干涉单元120还包括工作台128。工作台128承载待测物镜125，通过平移和旋转工作台128，调节待测物镜125的位置和角度使得从待测物镜125出射光束波前的光轴和主光轴重合。

另外，本发明还提供了上述物镜波像差检测系统100的检测方法，包括下述步骤：

激光光源110出射的准直激光光束经第一分束棱镜121后形成测量光束S和参考光束P；

测量光束S经第一反射镜122反射进入参考物镜123，再经参考物镜123聚焦于玻片124中，从玻片124中出射的测量光束S被待测物镜125收集、准直后再进入第二分束棱镜126并被反射进入CCD 130中；

参考光束P经第二反射镜127反射后再透射第二分束棱镜126进入CCD 130中；

测量光束S和参考光束P在CCD 130的感光面处产生干涉条纹；

控制计算机140对CCD 130记录的干涉条纹进行计算分析，并将干涉条纹转换为波像差；其中，波像差为参考物镜123和待测物镜125组合后的波像差。

上述物镜波像差检测系统100的检测方法还包括下述步骤：

当待测物镜125的波像差已知，从波像差中直接分离出待测物镜125的波像差；当待测物镜125的波像差未知，采用第二参考物镜，按照上述方法测量参考物镜123、待测物镜125、第二参考物镜（图未示）两两组合后的波像差，再计算出参考物镜123和待测物镜125的波像差。

具体地，为了获得参考物镜A、待测物镜B、第二参考物镜C的波像差，将三个物镜进行两两组合先后执行三次轴上波像差检测，得到的三次检测结果为W_AB(x,y)、W_BC(x,y)和W_CA(x,y)，其相互之间的关系如下：

W_AB(x,y)=W_A(x,y)+W_B(x,y)  （1）

W_BC(x,y)=W_B(x,y)+W_C(x,y)  （2）

W_CA(x,y)=W_C(x,y)+W_A(x,y)  （3）

上述式中，W_AB(x,y)、W_BC(x,y)和W_CA(x,y)分别为以第一个脚标表示的物镜在检测系统100中作为参考物镜123，第二个脚标表示的物镜在检测系统100中作为待测物镜125时组合后的波像差，W_A(x,y)、W_B(x,y)、W_C(x,y)分别为参考物镜A、待测物镜B、第二参考物镜C的波像差；

为了准确控制物镜在检测系统100中的旋转角度，检测系统100通过工作台128提供物镜绕光轴旋转的自由度，并在物镜的侧面刻画相应基准线作为调整依据。

由以上三个方程，可解算得到各个物镜的波像差，以解算参考物镜A的波像差为例，由（1）式可得：

W_A(x,y)=W_AB(x,y)-W_B(x,y)  （4）

由（2）和（3）可得：

W_A(x,y)=W_CA(x,y)-W_C(x,y)

=W_CA(x,y)-[W_BC(x,y)-W_B(x,y)]  （5）

由（4）和（5）得到：

$W_A(x,y)=\frac{W_{\mathrm{AB}}(x,y)+W_{\mathrm{CA}}(x,y)-W_{\mathrm{BC}}(x,y)}{2}$

同理可以得到：

$W_B(x,y)=\frac{W_{\mathrm{BC}}(x,y)+W_{\mathrm{AB}}(x,y)-W_{\mathrm{CA}}(x,y)}{2}$

本发明提供的物镜波像差检测系统100和方法通过采用参考物镜123和待测物镜125的双物镜匹配方式得到参考物镜123和待测物镜125组合后的波像差，再根据组合后的波像差得到参考物镜123和待测物镜125的波像差，实现对大数值孔径显微物镜波像差的定量检测，解决了目前无法对大数值孔径物镜性能无法定量检测的难题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种物镜波像差检测系统，其特征在于，包括激光光源、双物镜波面干涉单元、CCD及与所述CCD电性连接的控制计算机；

所述双物镜波面干涉单元包括第一分束棱镜、第一反射镜、参考物镜、玻片、待测物镜、第二分束棱镜及第二反射镜；

所述激光光源出射的准直激光光束进入所述第一分束棱镜；

所述准直激光光束中部分光束经所述第一分束棱镜反射后形成测量光束，所述测量光束经所述第一反射镜反射进入所述参考物镜，再经所述参考物镜聚焦于所述玻片中，从所述玻片中出射的所述测量光束被所述待测物镜收集、准直后再进入所述第二分束棱镜并被反射进入所述CCD中；所述准直激光光束中另一部分光束经所述第一分束棱镜透射后形成参考光束，所述参考光束经所述第二反射镜反射后再透射所述第二分束棱镜进入所述CCD中；所述测量光束和所述参考光束在所述CCD的感光面处产生干涉条纹；

所述CCD记录所述干涉条纹，所述控制计算机对所述CCD记录的干涉条纹进行计算分析，并将所述干涉条纹转换为波像差，其中，所述波像差为所述参考物镜和待测物镜组合后的波像差；

所述参考物镜和所述待测物镜为水镜或油镜或干镜中的一种，且当所述参考物镜或所述待测物镜为水镜时，所述参考物镜和待测物镜与所述玻片之间的介质为水；当所述参考物镜或所述待测物镜为油镜时，所述参考物镜和待测物镜与所述玻片之间的介质为镜油；当所述参考物镜或所述待测物镜为干镜时，所述参考物镜和待测物镜与所述玻片之间的介质为空气。

2.根据权利要求1所述的物镜波像差检测系统，其特征在于，所述双物镜波面干涉单元还包括工作台，所述工作台承载所述待测物镜，通过平移和旋转所述工作台，调节所述待测物镜的位置和角度使得从所述待测物镜出射光束波前的光轴和主光轴重合。

3.根据权利要求1所述的物镜波像差检测系统，其特征在于，所述玻片的厚度为0.34mm。

4.一种根据权利要求1至3任一项所述的物镜波像差检测系统的检测方法，其特征在于，包括下述步骤：

所述激光光源出射的准直激光光束经所述第一分束棱镜后形成测量光束和参考光束；

所述测量光束经所述第一反射镜反射进入所述参考物镜，再经所述参考物镜聚焦于所述玻片中，从所述玻片中出射的所述测量光束被所述待测物镜收集、准直后再进入所述第二分束棱镜并被反射进入所述CCD中；

所述参考光束经所述第二反射镜反射后再透射所述第二分束棱镜进入所述CCD中；

所述测量光束和所述参考光束在所述CCD的感光面处产生干涉条纹；

所述控制计算机对所述CCD记录的干涉条纹进行计算分析，并将所述干涉条纹转换为波像差；其中，所述波像差为所述参考物镜和待测物镜组合后的波像差。

5.根据权利要求4所述的物镜波像差检测系统的检测方法，其特征在于，还包括下述步骤：

当所述待测物镜的波像差已知，从所述波像差中直接分离出所述待测物镜的波像差；

当所述待测物镜的波像差未知，采用第二参考物镜，按照上述方法测量所述参考物镜、待测物镜、第二参考物镜两两组合后的波像差，再计算出所述参考物镜和所述待测物镜的波像差。

6.根据权利要求5所述的物镜波像差检测系统的检测方法，其特征在于，其中，计算所述参考物镜和所述待测物镜的波像差的方法具体为：

$W_A(x,y)=\frac{W_{\mathrm{AB}}(x,y)+W_{\mathrm{CA}}(x,y)-W_{\mathrm{BC}}(x,y)}{2}$

$W_B(x,y)=\frac{W_{\mathrm{BC}}(x,y)+W_{\mathrm{AB}}(x,y)-W_{\mathrm{CA}}(x,y)}{2}$

其中，A、B、C分别表示为所述参考物镜、待测物镜、第二参考物镜，W_A(x，y)和W_B(x，y)分别为所述参考物镜和所述待测物镜的波像差，W_AB(x，y)、W_CA(x，y)、W_BC(x，y)分别为以第一个脚标表示的物镜在所述检测系统中作为参考物镜，第二个脚标表示的物镜在所述检测系统中作为待测物镜时组合后的波像差。