CN110941075A - 反射式光学系统及其装调测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种反射式光学系统及其装调测试方法，该反射式光学系统包括镜筒，其中，镜筒顶部设有主镜；镜筒底部设有次镜，次镜上设有进光孔和出光孔；镜筒侧壁上设有便于三坐标探针伸入的探针孔；镜筒上设有法兰面，作为三坐标测量的基准面。本发明提出的一体化装配结合三坐标测量的装调方法，测量更加直接，能够提高系统装配精度以及系统可靠性、稳定性。

Description

反射式光学系统及其装调测试方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造、半导体装备技术领域，尤其涉及一种反射式光学系统及其装调测试方法。
背景技术
反射式光学系统有宽光谱成像、成像质量高、结构紧凑等优点，但普遍存在装调困难的问题。在光学系统装调中，失调量主要为间隔、偏心和倾斜误差，他们对光学系统成像质量的影响作用是不同的。当元件之间存在间隔误差时，会增大球差，使弥散斑增大。当系统中光学元件存在偏心或倾斜时，会产生非对称性像差。
一般情况下，对于透射式光学系统的装调可借助于MTF光学传递函数测试仪和定心仪等，但这些仪器对于反射式光学系统的装调测量均不适用。对于反射式光学系统，通常借助于激光干涉仪或动态干涉仪以及反射镜、精密多维调整台等，采用自准直测量的方法，但装调过程复杂、费时。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种反射式光学系统及其装调测试方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种反射式光学系统，包括镜筒，其中，
镜筒顶部设有主镜；
镜筒底部设有次镜，次镜上设有进光孔和出光孔；
镜筒侧壁上设有便于三坐标探针伸入的探针孔；
镜筒上设有法兰面，作为三坐标测量的基准面。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种反射式光学系统装调测试方法，采用如上所述的反射式光学系统，包括：
建立基准坐标系；
计算主镜球心坐标、次镜球心坐标；
根据主镜球心坐标、次镜球心坐标分别计算偏差数据；
将计算得到的偏差数据代入公差分析表格分析，得出分析结果；
若分析结果满足成像性能需求则装调测试结束，若分析结果不满足成像性能需求则调整主镜和/或次镜的倾斜角度重复上述步骤直到分析结果满足成像性能需求时，完成装调测试。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种如上所述反射式光学系统装调测试方法在离轴三反系统、卡塞格林系统中的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的反射式光学系统及其装调测试方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：
本发明提出的一体化装配结合三坐标测量的装调方法，测量更加直接，能够提高系统装配精度以及系统可靠性、稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例的反射式光学系统一体化装配镜筒结构示意图；
图2是本发明实施例的反射式光学系统利用弹簧柱塞固定主镜、次镜结构示意图；
图3是本发明实施例的反射式光学系统在镜筒上设置三坐探针的结构示意图；
图4是本发明实施例的法兰面俯视方向结构示意图；
图5是本发明实施例的次镜结构示意图；
图6是本发明实施例的探针孔的位置结构示意图；
图7是本发明实施例的主镜结构示意图。
附图标记说明：
1-镜筒；2-主镜；3-次镜；4-法兰面；5-弹簧柱塞；6-探针孔；7-三坐标探针；8-光路；9-进光孔；10-出光孔；11-有效反光区；101-第一销孔；102-第二销孔；103-第三销孔；104-Z轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种反射式光学系统，包括镜筒，其中，
镜筒顶部设有主镜；
镜筒底部设有次镜，次镜上设有进光孔和出光孔；
镜筒侧壁上设有便于三坐标探针伸入的探针孔；
镜筒上设有法兰面，作为三坐标测量的基准面。
在本发明的一些实施例中，所述主镜和/或次镜通过弹簧柱塞固定在镜筒上。
在本发明的一些实施例中，所述主镜和/或次镜的倾斜角度是通过调节弹簧柱塞实现的。
在本发明的一些实施例中，所述主镜为凹球面反射镜；
所述次镜为凸球面反射镜。
在本发明的一些实施例中，所述法兰面上设有用于定位的定位销孔。
本发明还公开了一种反射式光学系统的装调测试方法，采用如上所述的反射式光学系统，包括如下步骤：
建立基准坐标系；
计算主镜球心坐标、次镜球心坐标；
根据主镜球心坐标、次镜球心坐标分别计算偏差数据；
将计算得到的偏差数据代入公差分析表格分析，得出分析结果；
若分析结果满足成像性能需求则装调测试结束，若分析结果不满足成像性能需求则调整主镜和/或次镜的倾斜角度重复上述步骤直到分析结果满足成像性能需求时，完成装调测试。
在本发明的一些实施例中，所述基准坐标系的基准平面为法兰面，基准坐标系的Z轴中心为三个定位销孔形成的几何中心。
在本发明的一些实施例中，所述的偏差数据包括主镜和/或次镜相对于理想位置的平移、倾斜量。
在本发明的一些实施例中，所述公差分析表格通过光学仿真软件得到。
本发明还公开了如上所述的装调测试方法在离轴三反系统、卡塞格林系统中的应用。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
本实施例以Offner(奥夫纳)反射式光学系统为例，提出了一种一体化装配结合三坐标测量的装调方法。采用一个机械镜筒对两个球面反射镜进行一体化装配，在镜筒上预留三坐标探针孔位，利用三坐标对两球面反射镜偏离量进行直接测量，将测量结果输入灵敏度矩阵中，用于计算和预测该光学系统的成像性能。
本实施例虽以Offner反射式光学系统为例进行方案说明，但所述装调方法不局限于此类光学系统，同样适用于离轴三反系统、卡塞格林系统等其他类反射式光学系统。
本实施例公开了一种反射式光学系统，其中，球面反射镜(包括主镜2和次镜3)统一安装于一个机械镜筒1上，以提高系统整体的机械稳定性。如图1所示，球面反射镜主镜2的凹面与镜筒1顶端直接接触安装，球面反射镜次镜3的凸面与镜筒1底端直接接触安装。
镜筒上留有法兰面4，作为三坐标测量基准面，如图1所示。
通过弹簧柱塞5来实现主镜2和次镜3的姿态调整。如图2所示，凹球面反射镜主镜2的顶端，以及凸面球面反射镜次镜3的底端，将布置的均匀分布的弹簧柱塞5。弹簧柱塞5将对主镜2和次镜3施加压力，不仅将主镜2和次镜3固定于机械镜筒1上，更重要的是通过调整弹簧柱塞5来调整主镜2和次镜3的倾斜量。
镜筒1侧面预留探针孔6，探针孔6周向均匀分布在镜筒1侧面的顶部和底部，本实施例中靠近镜筒1侧面顶部和底部分别有六个探针孔6，用于三坐标探针伸入，探针孔6的个数可依据具体需要而定。如图3所示，三坐标探针7对球面反射镜主镜2的凹面，以及球面反射镜次镜3的凸面进行接触式测量。
如图5所示，反射镜次镜上设有有效反光区11，并于光路通过部分开进光孔9和出光孔10，次镜3上开通光孔在保证光路通过的同时便于三坐标探针对其进行测量。
本实施例中反射式光学系统的装调方法具体步骤如下：
(1)首先建立基准坐标系。基准坐标系以法兰面为基准平面，以法兰上的三个定位销孔(第一销孔101、第二销孔102、第三销孔103)形成的几何中心建立基准轴Z轴104，如图4所示。
(2)然后分别测量球面镜主镜1的球心和球面镜次镜2的球心相对于基准坐标系的相对坐标。
下面以球面镜主镜1的测量为例说明，如图6所示，在测量球面镜主镜1的球心坐标时，首先分别测量主镜1上共圆的6个相隔60度分布的探针孔6的位置，即点201、202、203、204、205、206的坐标值；然后，由201、203、205三点坐标计算球心坐标C1，由202、204、206三点坐标计算球心坐标C2，取其平均值作为主镜1的球心坐标C。
在计算球心坐标时，若201、203、205三点的坐标分别为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)，待计算的球心坐标值为(Xc，Yc，Zc)。如图7所示，球面镜主镜1的曲率半径R可在元件自身测试时，通过激光干涉仪或球径仪测得，在此即为已知量。r为测试点距离基准轴的距离，r取值由三坐标给出。取三个测量点201、203、205共圆，即有相同的r值。利用公式(1)：
(x1-Xc)2+(y1-Yc)2+(z1-Zc)2＝R2；
(x2-Xc)2+(y2-Yc)2+(z2-Zc)2＝R2；
(x3-Xc)2+(y3-Yc)2+(z3-Zc)2＝R2； (1)
可计算出球心坐标C1＝(Xc1，Yc1，Zc1)。同理，可由202、204、206计算出球心坐标C2＝(Xc2，Yc2，Zc2)。取C1、C2平均值作为主镜1的球心坐标C。通过球心坐标C即可得到球面镜主镜1相对于理想位置的倾斜和平移。次镜2的球心坐标与主镜1测量、计算方法相同。
(3)对系统进行灵敏度分析，得到公差分析表格。公差分析表格通过Zemax或CodeV光学仿真软件得到，如表一所示，表格体现元件的位置偏差对系统成像性能的影响。元件位置偏差包含：平移、倾斜、距离偏差等，像差包含：公差、像移、场曲、远心度、畸变、放大率等。其中，“倾斜M1/X”为球面镜主镜1相对于X坐标的倾斜；“倾斜M1/Y”为球面镜主镜1相对于Y坐标的倾斜；“倾斜M2/X”为球面镜次镜2相对于X坐标的倾斜；“倾斜M2/Y”为球面镜次镜2相对于Y坐标的倾斜；“平移M1/X”为球面镜主镜1相对于X坐标的平移；“平移M1/Y”为球面镜主镜1相对于Y坐标的平移；“平移M2/X”为球面镜次镜2相对于X坐标的平移；“平移M2/Y”为球面镜次镜2相对于Y坐标的平移；主镜1、次镜2的曲率半径可事先通过激光干涉仪或球径仪测得，“M1-M2间距”为球面镜主镜1相对于球面镜次镜2两球心间的Z向距离。
表一 公差分析表格
参数 公差 像移 场曲 远心 畸变 放大率
倾斜M1/X
倾斜M1/Y
倾斜M2/X
倾斜M2/Y
平移M1/X
平移M1/Y
平移M2/X
平移M2/Y
M1半径
M2半径
M1-M2间距
(4)将三坐标测量值代入公差分析表格，来计算和预测系统的成像性能。通过弹簧柱塞调整球面镜姿态后，重新测量球心坐标，重复该过程，直到系统成像性能满足要求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反射式光学系统，其特征在于，包括镜筒，其中，
镜筒顶部设有主镜；
镜筒底部设有次镜，次镜上设有进光孔和出光孔；
镜筒侧壁上设有便于三坐标探针伸入的探针孔；
镜筒上设有法兰面，作为三坐标测量的基准面。
2.根据权利要求1所述的反射式光学系统，其特征在于，
所述主镜和/或次镜通过弹簧柱塞固定在镜筒上。
3.根据权利要求1所述的反射式光学系统，其特征在于，
所述主镜和/或次镜的倾斜角度是通过调节弹簧柱塞实现的。
4.根据权利要求1所述的反射式光学系统，其特征在于，
所述主镜为凹球面反射镜；
所述次镜为凸球面反射镜。
5.根据权利要求1所述的反射式光学系统，其特征在于，
所述法兰面上设有用于定位的定位销孔。
6.一种反射式光学系统的装调测试方法，采用如权利要求1至5任一项所述的反射式光学系统，包括如下步骤：
建立基准坐标系；
计算主镜球心坐标、次镜球心坐标；
根据主镜球心坐标、次镜球心坐标分别计算偏差数据；
将计算得到的偏差数据代入公差分析表格分析，得出分析结果；
若分析结果满足成像性能需求则装调测试结束，若分析结果不满足成像性能需求则调整主镜和/或次镜的倾斜角度重复上述步骤直到分析结果满足成像性能需求时，完成装调测试。
7.根据权利要求6所述的装调测试方法，其特征在于，
所述基准坐标系的基准平面为法兰面，基准坐标系的Z轴中心为三个定位销孔形成的几何中心。
8.根据权利要求6所述的装调测试方法，其特征在于，
所述的偏差数据包括主镜和/或次镜相对于理想位置的平移、倾斜量。
9.根据权利要求6所述的装调测试方法，其特征在于，
所述公差分析表格通过光学仿真软件得到。
10.如权利要求6至9任一项所述的装调测试方法在离轴三反系统、卡塞格林系统中的应用。
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