CN104198159A - 一种大数值孔径物镜波像差检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种大数值孔径物镜波像差检测装置及方法，属于光学检测领域，为了克服大数值孔径物镜波前检测中需要大数值孔径高精度准直镜的困难，同时提高光能利用率和检测精度，多模光纤位于照明显微物镜的物面上，散射器放置在照明显微物镜像平面上，激光光源依次经过多模光纤、照明显微物镜和散射器产生理想球面波；将待测大数值孔径物镜的物像面颠倒放置，沿光轴放置在距散射器像方工作距处，准直镜沿光轴放置，其前焦面与大数值孔径物镜物的工作物平面重合；微透镜阵列位置与大数值孔径物镜的出瞳相对准直镜共轭，光强传感器放置在微透镜阵列焦平面处；在标定系统误差时，将空间滤波器放置在准直镜的前焦面处。

Description

一种大数值孔径物镜波像差检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种大数值孔径物镜波像差检测装置及方法，属于光学检测领域。

技术背景

随着物镜光学系统分辨率提高，对测量和修正系统中的像差提出了更高的要求，传统几何像差、光学传递函数和点扩散函数等已经无法满足高分辨率物镜光学系统像差描述的需求，波像差成为评价高分辨率物镜光学系统成像质量更严格的评价手段。根据分辨率公式R＝k₁λ/NA可知，高分辨率物镜将向数值孔径(NA)增大的方向发展。对于放大倍率小于1的大数值孔径物镜，系统像方数值孔径大于物方数值孔径，且接近于1，导致检测其像方波像差时的成本和难度增加。

目前主流的大数值孔径物镜波像差检测仪器可主要有干涉仪和哈特曼-夏克传感器两大类。专利文件EP1079223A1公开了一种使用哈特曼-夏克传感器作为波前检测装置的检测方法，采用斜率测量原理重构出待测波前，实现了光刻投影物镜波像差的实时检测。哈特曼-夏克传感器作为波前检测装置的检测原理如图1所示，由微透镜阵列和位于其焦平面的光强传感器组成，利用测量变形波前在像面的相对位移获得波前斜率，重构出待测波前。由于哈特曼-夏克传感器只适用于检测平面波前或数值孔径极小的波前，因此在被检光刻投影物镜与哈特曼-夏克传感器之间需要放置一个高精度准直镜。随着分辨率的提高，光刻投影物镜的数值孔径逐渐增大，由于光刻投影物镜放大倍率小于1，系统像方数值孔径大于物方数值孔径且逐渐接近于1，检测像方波像差会导致所需准直镜数值孔径也将随之增大，这使得准直镜设计和加工难度将大大增加。此外，斜率重构波前利用了近似：sin(θ)≈tan(θ)≈θ,同时没能充分利用微透镜子孔径内部的光强信息，降低了待测波前的重构精度。

专利文件US7333216B2公开了一种利用多种周期排列的分光装置分割投影物镜待测波前的检测方法，利用分光后的干涉图样获得被测物镜的波像差信息；专利文件US7956987公开了一种包含偏振控制器和多种波前分割器的检测装置，测量分划板有小孔和狭缝两种，波前分割器有正交衍射光栅、两片正交排布的光栅以及半透半反基底多种形式。但这一系列干涉分光结构的光能利用率较低，且在分光前均需要高精度大数值孔径的准直镜，设计和加工难度很高。

发明内容

为了克服大数值孔径物镜波前检测中需要大数值孔径高精度准直镜的困难，同时提高光能利用率和检测精度，本发明提出一种大数值孔径物镜的波前检测装置及方法。

一种大数值孔径物镜波像差检测装置，包括：激光光源、多模光纤，还包括同轴放置的照明显微物镜、散射器、大数值孔径物镜、空间滤波器、准直镜、微透镜阵列和光强传感器，其特征在于，

多模光纤位于照明显微物镜的物面上，散射器放置在照明显微物镜像平面上，激光光源依次经过多模光纤、照明显微物镜和散射器产生理想球面波；将待测大数值孔径物镜的物像面颠倒放置，沿光轴放置在距散射器像方工作距处，准直镜沿光轴放置，其前焦面与大数值孔径物镜物的工作物平面重合；微透镜阵列位置与大数值孔径物镜的出瞳相对准直镜共轭，光强传感器放置在微透镜阵列焦平面处；在标定系统误差时，将空间滤波器放置在准直镜的前焦面处。

一种大数值孔径物镜波像差检测方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、搭建照明系统，使激光光源发出的光束经过多模光纤照射在照明显微物镜的物面上，经过散射器产生理想球面波；

步骤2、将大数值孔径物镜物像面倒置，放置在距散射器像方工作距处，理想球面波由像面入射大数值孔径物镜，物方出射的波前被准直镜准直；

步骤3、利用光强传感器依次获取被测波前在放置与不放置微透镜阵列时的光强分布，运用相位恢复算法得到包含系统误差的被测波前的波像差W₀＝Φ₀(x₁,y₁)；

步骤4、对系统误差进行标定，将空间滤波器置于大数值孔径物镜的物平面上，产生理想球面波前，重复步骤3，得到系统误差W’；

步骤5、将包含系统误差的被测波像差W₀与系统误差W’相减，即可得到大数值孔径物镜的波像差W，将波像差W拟合成36项或更高阶的Zernike多项式 $W(x_1,y_1)=\stackrel{N}{\mathrm{\Σ}}{a}_k{Z}_k(x_1,y_1).$

本发明的有益效果是：本方法通过将大数值孔径物镜物像面倒置，测量数值孔径较小的物方波像差，降低了波前检测所需准直镜的数值孔径；使用微透镜阵列分割波前，提高了物镜检测过程中的光能利用率；通过使用相位恢复算法充分利用了微透镜子孔径内部的衍射光强分布信息，提升了波像差检测精度；采用相对测量技术标定了检测系统的系统误差，提高了大数值孔径物镜的波像差检测精度。

附图说明

图1哈特曼-夏克波前传感器原理图。

图2本发明含系统误差的被测波前的波像差测量装置结构图。

图3本发明系统误差波前的波像差测量装置结构图。

具体实施方式

一种大数值孔径物镜波前的检测装置包括：激光光源201、多模光纤202、照明显微物镜203、散射器204、大数值孔径物镜205、准直镜206、空间滤波器207、微透镜阵列101和光强传感器102，且照明显微物镜203、散射器204、大数值孔径物镜205、准直镜206、空间滤波器207、微透镜阵列101和光强传感器102同轴设置。如图2所示，多模光纤202的出射端位于照明显微物镜203的物面上，照明显微物镜203用来扩大入射光波的数值孔径。其中，激光光源201的波长为大数值孔径物镜205的工作波长λ，多模光纤202的工作波长范围包括λ，纤芯尺寸10～60μm，照明显微物镜203放大倍率为40倍，数值孔径为0.65，工作波长为λ。散射器204放置在照明显微物镜203像平面上，散射器204具有两个功能：一是继续增大光波的数值孔径，使其大于被测物镜205的像方数值孔径NA，二是消除照明显微物镜203的像差，产生理想球面波，散射器204为旋转的毛玻璃。将待测大数值孔径物镜205物像面颠倒放置，A为大数值孔径物镜物205的工作像平面，B为大数值孔径物镜物205的工作物平面，散射器204与A位置重合。大数值孔径物镜物205的特征是放大倍率β小于1，像方数值孔径NA大于0.5，结构可以为透射式、折反混合式或反射式。准直镜206沿光轴放置，使其前焦面与B重合，准直镜2206的数值孔径等于β·NA。微透镜阵列101位置与大数值孔径物镜205的出瞳C相对准直镜206共轭，光强传感器102放置在微透镜阵列101焦平面处，微透镜阵列101与光强传感器102集成在一起，其中微透镜阵列101可插拔，由N×N个正交排列的微透镜组成，微透镜孔径为正方形，尺寸为d，焦距为f。在标定系统误差时，如图3所示，将空间滤波器207放置在准直镜206的前焦面处，空间滤波器207的直径尺寸d<0.61λ/NA，可以通过刻蚀等制造方式获得。

一种大数值孔径物镜的波前检测方法如下：

步骤1、如图2所示，搭建照明系统，使激光光源201发出的光束经过多模光纤202耦合照射在照明显微物镜203的物面上，经过照明显微物镜203后光束数值孔径扩大，放置在照明显微物镜203像平面的散射器204将波前扩展成大数值孔径大于NA的理想球面波前。

步骤2、将大数值孔径物镜205物像面倒置，令散射器204与A位置重合，理想球面波前经过大数值孔径物镜205后波前发生变形，被准直镜206准直。

步骤3、利用光强传感器102获取被测波前在在放置与不放置微透镜阵列101时的光强分布，运用相位恢复算法得到包含系统误差的大数值孔径物镜波像差W₀＝Φ₀(x₁,y₁)；

步骤4、如图3所示，将空间滤波器207置于准直镜206的前焦面上，产生理想球面波前，重复步骤3，得到系统误差W’。

步骤5、将包含系统误差的被测波像差W₀与系统误差W’相减，即可得到大数值孔径物镜205的波像差W＝W₀-W’，将波像差W拟合成36项或更高阶的Zernike多项式

$W(x_1,y_1)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_k{Z}_k(x_1,y_1).$

所述步骤3包含如下步骤：

步骤一，不插入微透镜阵列101，利用光强传感器102记录被测波前的光强分布I₀＝|A₀(x,y)|²，利用菲涅尔逆衍射原理还原得到被测波前在微透镜阵列101位置处的光强分布I’₀＝|A(x₁,y₁)|²，被测波前光场分布可写为：U_o(x₁,y₁)＝A(x₁,y₁)exp[jkΦ₀(x₁,y₁)]，也就是相位恢复算法中的物方光场分布，Φ₀(x₁,y₁)即为被测波前相位；

步骤二，插入微透镜阵列101，利用光强传感器102记录光强信息I＝|B₀(x,y)|²，即相位恢复算法中的像方光强分布；利用迭代傅里叶变换相位恢复算法，根据测量的物方和像方光强分布信息，恢复出物方光场的相位Φ₀(x₁,y₁)。

迭代傅里叶变换相位恢复算法具体步骤如下：将物方光场相位的初始值设为U₀(x₁,y₁)，微透镜阵列将待测波前分割成N×N个子波前U₀(x₁,y₁)＝ΣΣ[u_o(x₁,y₁)]_m,n＝1…N，将微透镜视为理想透镜，其透过率函数为t(x₁,y₁)，则经过微透镜阵列后的光场分布可表示为u_li(x₁,y₁)＝u_oi(x₁,y₁)t(x₁,y₁)，i为迭代次数。将微透镜阵列101与光强传感器102之间的传播视为菲涅尔衍射，可表示出在光强传感器102上的光场分布u_fi(x,y)。测量得到的像面振幅B₀(x,y)分割为N×N个子振幅[b₀(x,y)]_m,n＝1…N.，将b₀(x,y)替代计算得到的像面光场振幅，保留相位不变，得到新的像面光场分布u’_fi(x,y)。

然后进行针对获得的新像面光场分布进行傅里叶逆变换，获得新的经过透镜后的光场分布u’_li(x₁,y₁)。此时微透镜的透过率函数表示为t’(x₁,y₁)，新的物面光场分布表示为u’_oi(x₁,y₁)＝u’_li(x₁,y₁)t’(x₁,y₁)。将测量还原得到的物面振幅A(x₁,y₁)分割为N×N个子振幅[a₀(x₁,y₁)]_m,n＝1…N.，将a₀(x₁,y₁)替代计算得到的物面光场振幅，保留相位不变，得到新的物面光场分布u_o(i+1)(x₁,y₁)，作为下一次迭代的物面光场分布。

重复上述迭代步骤，定义误差函数为：

${\mathrm{\&delta;}}_o=\frac{\&Integral;\&Integral;{\left(\right|U_o(x_1,y_1)|-\sqrt{I_0^{\&prime;}})}^2{\mathrm{dx}}_1{\mathrm{dy}}_1}{\&Integral;\&Integral;I_0^{\&prime;}{\mathrm{dx}}_1{\mathrm{dy}}_1}$

${\mathrm{\&delta;}}_d=\frac{{\&Integral;\&Integral;\left(\right|U_f(x,y)|-\sqrt{I})}^2\mathrm{dxdy}}{\&Integral;\&Integral;\mathrm{Idxdy}}$

直至误差函数δ_o和δ_d接近0、变化极小时停止迭代。最终获得的物面光场相位即为被测波前的波像差：W₀＝Φ₀(x₁,y₁)。

Claims (9)

1.一种大数值孔径物镜波像差检测装置，激光光源(201)、多模光纤(202)，还包括同轴放置的照明显微物镜(203)、散射器(204)、大数值孔径物镜(205)、准直镜(206)、空间滤波器(207)、微透镜阵列(101)和光强传感器(102)，其特征在于，

多模光纤(202)的出射端位于照明显微物镜(203)的物面上，散射器(204)放置在照明显微物镜(203)像平面上，激光光源(201)依次经过多模光纤(202)、照明显微物镜(203)和散射器(204)产生理想球面波；将待测大数值孔径物镜(205)的物像面颠倒放置，沿光轴放置在距散射器(204)像方工作距处，准直镜(206)沿光轴放置，其前焦面与大数值孔径物镜物(205)的工作物平面重合；微透镜阵列(101)位置与大数值孔径物镜(205)的出瞳C相对准直镜(206)共轭，光强传感器(102)放置在微透镜阵列(101)焦平面处；在标定系统误差时，将空间滤波器(207)放置在准直镜(206)的前焦面处。

2.根据权利1所述一种大数值孔径物镜波像差的检测装置，其特征在于，激光光源(201)、照明显微物镜(203)、准直镜(206)和微透镜阵列(101)的工作波长均为大数值孔径物镜(205)的工作波长λ。

3.根据权利1所述一种大数值孔径物镜波像差的检测装置，其特征在于，散射器(204)为旋转的毛玻璃，经过散射器(204)产生的光束数值孔径大于大数值孔径物镜(205)的像方数值孔径。

4.根据权利1所述一种大数值孔径物镜波像差的检测装置，其特征在于，大数值孔径物镜(205)的放大倍率β<1，工作像方数值孔径为NA，工作物方数值孔径为β·NA<NA，准直镜(206)的数值孔径等于大数值孔径物镜的物方数值孔径β·NA。

5.根据权利1所述一种大数值孔径物镜波像差的检测装置，其特征在于，微透镜阵列(101)与光强传感器(102)集成在一起，微透镜阵列(101)可插拔，微透镜为正交排布，单个微透镜口径为矩形。

6.如权利1所述一种大数值孔径物镜波像差的检测装置，其特征在于，空间滤波器(207)直径尺寸d<0.61λ/(β·NA)。

7.一种大数值孔径物镜波像差检测方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、搭建照明系统，使激光光源(201)发出的光束经过多模光纤(202)照射在照明显微物镜(203)的物面上，经过散射器(204)产生理想球面波；

步骤2、将大数值孔径物镜物(205)像面倒置，放置在距散射器(204)像方工作距处，理想球面波由像面入射大数值孔径物镜(205)，物方出射的波前被准直镜(206)准直；

步骤3、利用光强传感器(102)依次获取被测波前在放置与不放置微透镜阵列(101)时的光强分布，运用相位恢复算法得到包含系统误差的被测波前的波像差W₀＝Φ₀(x₁,y₁)；

步骤4、对系统误差进行标定，将空间滤波器(207)置于大数值孔径物镜(205)的物平面上，产生理想球面波前，重复步骤3，得到系统误差W’；

步骤5、将包含系统误差的被测波像差W₀与系统误差W’相减，即可得到大数值孔径物镜(205)的波像差W，将波像差W拟合成36项或更高阶的Zernike多项式 $W(x_1,y_1)=\stackrel{N}{\mathrm{\&Sigma;}}{a}_k{Z}_k(x_1,y_1).$

8.根据权利要求7所述的一种大数值孔径物镜波像差检测方法，其特征在于，所述步骤3包含如下步骤：

步骤一，不放置微透镜阵列(101)时，利用光强传感器(102)记录被测波前的光强分布I₀＝|A₀(x,y)|²，利用菲涅尔逆衍射原理还原出被测波前在微透镜阵列(101)位置处的光强分布I’₀＝|A(x₁,y₁)|²，被测波前光场分布写为：U_o(x₁,y₁)＝A(x₁,y₁)exp[jkΦ₀(x₁,y₁)]，也就是相位恢复算法中的物方光场分布，Φ₀(x₁,y₁)即为被测波前相位；

步骤二，放入微透镜阵列(101)时，利用光强传感器(102)记录此时的光强信息I＝|B(x,y)|²，即相位恢复算法中的像方光强分布；利用迭代傅里叶变换相位恢复算法或其改进算法，根据还原得到的物方光强分布信息A(x₁,y₁)和测量的像方光强分布信息B(x,y)，恢复出物方光场的相位Φ₀(x₁,y₁)。

9.根据权利要求8所述的一种大数值孔径物镜波像差检测方法，其特征在于，迭代傅里叶变换相位恢复算法具体步骤如下：将物方光场相位的初始值设为U₀(x₁,y₁)，微透镜阵列将待测波前分割成N×N个子波前U₀(x₁,y₁)＝ΣΣ[u_o(x₁,y₁)]_m,n＝1…N，将微透镜视为理想透镜，其透过率函数为t(x₁,y₁)，则经过微透镜阵列后的光场分布可表示为u_li(x₁,y₁)＝u_oi(x₁,y₁)t(x₁,y₁)，i为迭代次数；将微透镜阵列(101)与光强传感器(102)之间的传播视为菲涅尔衍射，可表示出在光强传感器(102)上的光场分布u_fi(x,y)；测量得到的像面振幅B₀(x,y)分割为N×N个子振幅[b₀(x,y)]_m,n＝1…N.，将b₀(x,y)替代计算得到的像面光场振幅，保留相位不变，得到新的像面光场分布u’_fi(x,y)；

然后进行针对获得的新像面光场分布进行傅里叶逆变换，获得新的经过透镜后的光场分布u’_li(x₁,y₁)；此时微透镜的透过率函数表示为t’(x₁,y₁)，新的物面光场分布表示为u’_oi(x₁,y₁)＝u’_li(x₁,y₁)t’(x₁,y₁)；将测量还原得到的物面振幅A(x₁,y₁)分割为N×N个子振幅[a₀(x₁,y₁)]_m,n＝1…N.，将a₀(x₁,y₁)替代计算得到的物面光场振幅，保留相位不变，得到新的物面光场分布u_o(i+1)(x₁,y₁)，作为下一次迭代的物面光场分布；

重复上述迭代步骤，定义误差函数为：

${\mathrm{\&delta;}}_o=\frac{\&Integral;\&Integral;{\left(\right|U_o(x_1,y_1)|-\sqrt{I_0^{\&prime;}})}^2{\mathrm{dx}}_1{\mathrm{dy}}_1}{\&Integral;\&Integral;I_0^{\&prime;}{\mathrm{dx}}_1{\mathrm{dy}}_1}$

${\mathrm{\&delta;}}_d=\frac{{\&Integral;\&Integral;\left(\right|U_f(x,y)|-\sqrt{I})}^2\mathrm{dxdy}}{\&Integral;\&Integral;\mathrm{Idxdy}}$

直至误差函数δ_o和δ_d接近0，变化极小时停止迭代；最终获得的物面光场相位即为被测波前的波像差：W₀＝Φ₀(x₁,y₁)。