CN104765148A

CN104765148A - 一种利用补偿面的光学系统像差补偿方法

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Publication number: CN104765148A
Application number: CN201510202472.XA
Authority: CN
Inventors: 李艳秋; 刘晓林; 刘克
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2035-04-24
Also published as: CN104765148B

Abstract

本发明提供一种利用补偿面的光学系统像差补偿方法，具体步骤为：步骤一、在光学设计阶段，预设至少一个补偿面；步骤二、在系统加工阶段，对步骤一所设计的光学系统进行加工，其中补偿面不进行精细抛光；步骤三、仿真分析出光学系统的波像差W_SD(ρ,θ)；步骤四、根据所述波像差W_SD(ρ,θ)，计算补偿面的面形函数S_F；步骤五、评估利用补偿面后光学系统的性能，在性能满足要求时，按照所述面形函数S_F进行补偿面的面形加工，完成整个光学系统装配。本发明方法能够降低面形制造误差对系统像质的影响。

Description

一种利用补偿面的光学系统像差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种利用补偿面的光学系统像差补偿方法，属于高精密光学系统加工和装配中像差补偿的技术领域。

背景技术

由于光学加工工艺水平的限制，光学表面的面形误差(低频分量)是不可避免的光学加工误差之一。它会导致系统的成像性能恶化，从而远远偏离了系统设计阶段的像质水平，尤其对于高精密成像光学系统尤为显著。另外，面形误差主要引起非对称像差如像散等，不能像曲率半径误差、中心厚度误差以及楔形误差等其他光学加工误差，通过调整空气间隔或元件偏心等消除或减小其对光学系统的性能影响。因此，面形误差通常成为制约系统集成后性能的主要制造误差因素。

为了减小面形误差对光学系统成像性能影响，一方面在提高光学面形的抛光工艺和检测技术的同时，另一方面需要发展多样性的像差补偿技术，尽可能减小面形制造误差对光学系统性能的影响。

当前，基于诸多光学表面的面形误差之间相互补偿的思想而提出的面形匹配方法，是一种经济且有效的降低其对光学系统性能影响的方法，已经得到应用(D.M.Williamson,“Compensator selection in the tolerancing of amicrolithographic len,”Proc.SPIE 1049,178-186(1989)；T.Matsuyama,I.Tanaka etal.,“Improving lens performance through the most recent lens,”Proc.SPIE 5040,801-810(2003).)。同时，为了克服手动调节的盲目性和随机性，实现自动获取诸多面形误差的最佳匹配效果，CN201410028165.X和CN201410028356.X公开了两种面形自动匹配的优化方法。该方法弥补商业光学设计软件的不足，获取的面形最佳平衡效果，具有较强的工程实用价值。但是，面形匹配法的补偿效果很大程度取决于实际面形的加工情况，各表面的面形误差的相互补偿能力有限。因此，业内需要开发新型面形误差的补偿技术，进一步提高光学系统集成性能。

发明内容

有鉴于此，本发明借鉴了光学设计阶段采用的表面预变形或相位校正板的补偿思想，提出一种利用补偿面的光学系统像差补偿方法，该方法能够降低面形制造误差对系统像质的影响。

实现本发明的技术方案如下：

一种利用补偿面的光学系统像差补偿方法，具体步骤为：

步骤一、在光学设计阶段，预设至少一个补偿面；

步骤二、在系统加工阶段，对步骤一所设计的光学系统进行加工，其中补偿面不进行精细抛光；

步骤三、仿真分析出光学系统的波像差W_SD(ρ,θ)；

步骤四、根据所述波像差W_SD(ρ,θ)，计算补偿面的面形函数S_F；

其中，n表示光学材料的折射率，W_working表示光学系统的工作波长，W_testing表示检测波长；

步骤五、评估利用补偿面后光学系统的性能，在性能满足要求时，按照所述面形函数S_F进行补偿面的面形加工，完成整个光学系统装配。

进一步地，本发明所述步骤三的具体过程为：

利用相位干涉仪对光学系统中除补偿面以外的每个光学表面进行全口径检测，获得各光学表面的面形，并利用36项Zernike系数表示；然后将面形参数导入光学设计软件CODE V中，仿真出系统波像差W_SD(ρ,θ)。

进一步地，本发明所述步骤五中，将补偿面的面形函数以36项Zernike系数的形式导入光学设计软件CODE V中，对光学系统性能的评估。

进一步地，本发明所述补偿面预设在光学系统的孔径光阑或中间光瞳面附近。

有益效果

第一，本发明提出一种简单且有效的补偿面面形误差函数的解析计算方法，补偿面可以是折射面、外反射面或外反射面。依据解析获得的补偿面的面形函数，对补偿面进行确定性加工，该方法大大补偿了其余面形误差对光学系统波像差的影响，显著提高了系统装配后性能。从补偿效果上，本发明基于补偿面法更优于面形匹配法。

第二，这里用Zernike多项式表示面形误差，利于补偿面面形函数计算及补偿面面形的确定性加工制造。

第三，本发明适用于无渐晕成像光学系统的面形误差补偿，特别对于精度高且复杂的光学系统其有益效果更佳显著，如用于集成电路制造的投影光刻物镜。

附图说明

图1为利用补偿面的像差补偿方法流程图；

图2为面形误差的检测输出图示例；

图3为实验型光刻物镜的结构示意图；

图4为利用补偿面前的轴上视场点的波像差分布；

图5为利用补偿面后的轴上视场的波像差分布；

图6为补偿前后轴上视场波像差各项泽尼克系数对比；

图7为补偿前后系统波像差均方根值的对比；

图8为补偿面L5_S2的面形三维分布。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的核心思想是：在光学元件制造完成后，通过确定性加工部分表面(称为补偿面)的面形误差来补偿其余表面的面形误差对系统波像差的影响，从而提高系统成像性能。本发明根据面形误差与波像差的解析关系，以及实际面形误差对波像差影响，提出了一种简单且快捷计算补偿面面形误差函数的计算方法，它用36项Zernike系数表示。最终，利用离子束等确定性加工技术，精确加工该补偿镜面形，实现补偿像差的目的。该方法中补偿面的解析计算方法简单，同时该方法较面形匹配法具有更强的补偿像差能力，可获得更显著的补偿效果。该方法适用于所有非渐晕光学成像系统，具有极强的工程实用价值。

如图1所示，一种利用补偿面的光学系统像差补偿方法，其具体步骤为：

步骤一、首先在光学设计阶段，在光学系统的孔径光阑或中间光瞳面附近，预设至少一个确定性加工面形的表面，称之为补偿面。

预设的补偿面为光学系统中某个或多个表面。为了实现对整个视场范围内对像差的补偿，需将补偿面设置在光学系统的孔径光阑或中间光瞳面附近，使得补偿面的面形对各个视场均有补偿作用。含补偿面的光学元件称之为补偿镜。考虑到补偿面面形的实际加工，建议补偿面设计为平面或曲率较大的表面。

步骤二、在系统加工阶段，对光学系统中的各光学元件进行加工，其中补偿镜上补偿面的面形误差暂不进行精细抛光。

步骤三、仿真分析光学系统的波像差W_SD(ρ,θ)；具体过程为：

在光学元件加工完成后(除补偿面外)，利用高精度相位干涉仪对每个光学表面进行全口径检测。如ZYGO菲索激光相位干涉仪的面形检测输出结果如图2所示。从ZYGO干涉仪测量获得的表面面形，常用36项Zernike系数表示，形成INT文件，便于导入光学设计软件CODE V中，仿真分析含面形误差(除补偿面外)的系统波像差分布W_SD(ρ,θ)。

注意面形误差分布坐标系与光学系统中光学表面坐标系的差异，保证仿真中表面的面形误差分布与实际一致。仿真分析时默认补偿面为理想表面，不存在面形误差。

步骤四、根据所述波像差W_SD(ρ,θ)，计算补偿面的面形函数。

为了实现补偿面对其余面形误差的补偿，理想情况下要求补偿面的面形误差所引起的波像差W_S(ρ,θ)与考虑面形误差的波像差W_SD(ρ,θ)的符号相反，即：

W_S(ρ，θ)+W_SD(ρ，θ)＝0 (1)

而面形函数S_F(单位为检测波长)与其引起系统波像差W_S的解析关系为，

其中，n表示光学元件材料的折射率，S_F为检测获得面形误差，单位为检测波长，检测波长用W_testing表示，W_S为面形误差引起的波像差，单位为光学系统的工作波长，用W_working来表示。

则有式(1)和式(2)推导得出补偿面的面形函数可以通过下式计算获得：

这里特别一提的是，对于光学系统的入瞳面和出瞳面的坐标系存在180度旋转关系时，式(3)计算获得的补偿面的面形需要相应地进行180度旋转，经过180度旋转后的面形为最终补偿面的面形。

步骤五、将补偿面的面形函数以36项Zernike系数的形式导入CODE V分析，评估利用补偿面后系统的性能，在性能满足要求时，按照所述面形函数S_F进行补偿面的面形加工和检测，完成整个光学系统装配。

实现补偿面的面形加工，可采用计算机面成形技术(Computer Controlledoptical surfacing,CCOS)、磁流变抛光(Magnetorheological Finishing,MRF)技术、离子束抛光(Ion Beam Figuring,IBF)技术等方法实现。

实施实例：

这里以实际制造的深紫外实验型光刻物镜为实施实例，验证本发明提出的补偿面法的有效性。

图3是实验型投影光刻物镜的光学结构图，参见专利ZL 201110417316.7。该物镜含有7枚光学元件，均采用融石英制造。下表列出了该物镜的设计性能，数值孔径(NA)为0.75，设计波像差RMS到0.030λ。

表1.NA0.75实验型投影物镜的光学特性

由于该物镜的视场范围较小，像方视场直径仅为100um，因此，光阑位置不敏感，光学系统中各表面几乎均充满通光口径。这里选定L5_S2为补偿面，该表面为一平面，如图3所示。该物镜的光学元件采用传统的沥青盘抛光工艺。加工完成后，考虑实际面形误差，通过性能预估，系统的综合波像差RMS恶化至0.265λ(λ＝193.29nm)。通过面形匹配优化后，系统波像差RMS仅可以提高至0.113λ(λ＝193.29nm)。下面讨论本发明提出的补偿面法的实施过程及其补偿效果。

将除补偿面L5_S2之外其余表面的实际面形误差导入光学设计软件CODEV中，系统轴上视场点的波像差分布，如图4所示。可见，三阶象散为主要像差。根据此波面，应用本发明提出的补偿面的面形误差函数的计算方法，计算出L5_S2的面形误差函数。利用补偿面法后，轴上视场点的波像差如图5所示。补偿前后轴上视场点波像差Zernike系数对比，如图6。可见，利用补偿面后，由面形误差引起的低阶象散和彗差几乎全部补偿。

补偿前后轴上视场和边缘视场的波像差RMS值的对比结果，如图图7所示。经过补偿后，系统的波像差RMS降为0.04λ(λ＝193.29nm)，较补偿前提高了84％。

补偿面L5_S2的三维的面形分布如图8所示。该面形的PV值为0.68λ(430nm)，RMS值为0.15λ(95nm)。该补偿面面形的Zernike系数见下表，单位为检测波长(632.8nm)。

Zernike项	系数	Zernike项	系数	Zernike项	系数
						Z5	-0.201	Z16	-0.018	Z27	-0.014
Z6	-0.28	Z17	0.023	Z28	-0.008
						Z7	-0.034	Z18	-0.003	Z29	-0.006
Z8	0.02	Z19	-0.022	Z30	0.007
						Z9	0.06	Z20	-0.01	Z31	-0.011
Z10	0.054	Z21	-0.005	Z32	0.009
						Z11	0.076	Z22	-0.009	Z33	0.022
Z12	0.046	Z23	0.006	Z34	-0.008
						Z13	0.08	Z24	-0.004	Z35	0.015
Z14	0.009	Z25	-0.015	Z36	0.023
						Z15	0.004	Z26	-0.002

可见，对于该实验型光刻物镜，补偿面面形主要是低阶象散和彗差项，与补偿前波像差的主要像差形式相同。通过上述实施例，采用补偿面法后，系统的波像差RMS降为0.04λ(λ＝193.29nm)，达到与设计水平相当的波像差水平。其余表面的面形误差几乎被完全补偿，像质较补偿前提高了84％。从补偿效果上看，补偿面法的补偿效果明显优于面形匹配的补偿方法。

上述结果表明，本发明的补偿面法能够有效补偿面形误差对系统波像差的影响，显著提高系统成像性能，具有极强的工程应用价值。

本发明具体实施方式为小视场实验型光刻物镜，同样对于所有不存在渐晕的共轴光学成像系统适用。

虽然结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做若干变形、替换和改进，这些也视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用补偿面的光学系统像差补偿方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、在光学设计阶段，预设至少一个补偿面；

步骤三、仿真分析出光学系统的波像差W_SD(ρ,θ)；

2.根据权利要求1所述利用补偿面的光学系统像差补偿方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：

3.根据权利要求1所述利用补偿面的光学系统像差补偿方法，其特征在于，所述步骤五中，将补偿面的面形函数以36项Zernike系数的形式导入光学设计软件CODE V中，对光学系统性能的评估。

4.根据权利要求1所述利用补偿面的光学系统像差补偿方法，其特征在于，所述补偿面预设在光学系统的孔径光阑或中间光瞳面附近。