CN112964455B - 大数值孔径物镜的波像差拼接测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种大数值孔径的物镜波像差测量装置及测量方法，测量装置包含波面测量模块、标准球面反射镜、可提供旋转和倾斜调整的旋转机构。待测物镜置于波面测量模块和标准球面反射镜中间，其光轴与波面测量模块光轴重合。将待测物镜全数值孔径范围内的波前划分为一系列子孔径波前，由旋转机构控制标准球面反射镜实现各子孔径的定位，由波面测量模块对子孔径数据进行测量，通过对子孔径数据进行拼接计算，最终得到待测物镜在全数值孔径范围内的波像差信息。同时，通过标定波面测量模块的系统误差，提高了拼接测量精度。本发明具有测量通用性好、测量装置简单、可测的待测物镜数值孔径可扩展的特点，尤其适用于数值孔径N.A为0.9及以上的物镜波像差测量。

Description

大数值孔径物镜的波像差拼接测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是一种基于拼接的大数值孔径物镜的波像差测量装置及测量方法。

背景技术

物镜的数值孔径是决定光学系统分辨率的一个重要因素，根据瑞利公式，

高分辨率物镜将向数值孔径增大的方向发展。而随着物镜光学系统分辨率的提高，对物镜系统的像差控制提出了更高的要求。传统的几何像差、光学传递函数和点扩散函数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、更主流的评价手段。

目前主流的物镜波像差检测仪器主要有干涉仪和哈特曼——夏克传感器两种。这两种方法的最主要特点是，需要配备相应的高精度的标准平面透镜或者标准球面透镜，用以产生待测物镜需要的标准平面波或者特定NA的标准球面波，以及高精度的标准球面反射镜，用于。例如，在先技术1(卢增雄，齐月静等，一种深紫外光学系统波像差检测装置和测量方法，中国发明专利，专利号ZL201611169812.4)中公开的一种光学系统波像差检测装置及检测方法，需要配备数值孔径不小于待测物镜或待测光学系统的球面反射镜。目前，标准的球面反射镜或者准直物镜的F数一般最小可达到0.65，无法满足N.A为0.9及以上物镜或光学系统的波像差测量。更小F数或者更大NA的标准球面反射镜或者准直物镜，加工制造难度将急剧增加，导致加工成本高。

在先技术2(巩岩，李晶，一种大数值孔径物镜波像差检测装置及方法，中国发明专利，专利号ZL201410374370.1)通过在系统中使用一种散射器来产生标准球面波，并用于覆盖物镜或光学系统大数值孔径的像方，工作物方的数值孔径要小于像方的数值孔径，可用数值孔径较小的准直物镜准直并传送至波前测量传感器中。这种方法需要对系统误差尤其是准直物镜的波像差进行单独的二次标定，且在标定过程中需要在准直物镜前端使用空间滤波器用以产生标准球面波，这种标准球面波的产生方式最大的缺点就是能量利用率低。

目前还没有高效的、高精度的大数值孔径的物镜波像差测量装置和测量方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于拼接的大数值孔径物镜波像差测量装置及测量方法，该方法具有通用性高、精度高的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种大数值孔径物镜波像差拼接测量装置，其特征在于包含：波面测量模块、标准球面反射镜、为标准球面反射镜提供倾斜和旋转的旋转机构；

所述的旋转机构包含倾斜台、旋转台和三维平移台；

所述的标准球面反射镜安装在倾斜台上，所述的倾斜台固定在三维平移台上，所述的三维平移台固定在旋转台上。所述的转台围绕波面测量模块光轴进行360度旋转调节，所述的三维平移台能够提供三维调节，其中一个方向平行于波面测量模块光轴方向，所述的倾斜台能够在过波面测量模块光轴的某一个平面内旋转；

将待测的大数值孔径的物镜置于波面测量模块和标准球面反射镜中间，使待测物镜光轴与波面测量模块光轴重合；通过三维平移台的移动使标准球面反射镜的曲率中心与待测物镜的出射光汇聚点重合；

所述的波面测量模块发出的平行光或汇聚光经过待测物镜后出射汇聚，待测物镜的出射光经标准球面反射镜反射后，沿原光路返回，再次经过待测物镜并返回波面测量模块；波面测量模块测得待测物镜在返回光角度范围内的波像差信息。

所述的波面测量模块的波面测量仪可以是菲索干涉仪，或泰曼干涉仪，或哈特曼传感器；

当所述的波面测量仪是菲索干涉仪时，在波面测量模块中需要使用标准透镜，标准透镜是具有参考面的平面标准镜或球面标准镜，用于输出准直光或汇聚光，分别对应于无限远物镜或有限远物镜的波像差测量；

当所述的波面测量仪是泰曼干涉仪或哈特曼传感器时，当测量有限远物镜的波像差时，在波面测量模块中需要使用汇聚镜，所述的汇聚镜是没有参考面的汇聚镜，用于将波像差测量模块输出的平行光进行汇聚。

当所述的波面测量模块出射汇聚光时，汇聚镜数值孔径不小于待测物镜在波面测量模块一侧的数值孔径。

所述的波面测量模块通过测量待测物镜在返回光角度范围内的波像差信息，标定波面测量模块的系统误差。

利用上述大数值孔径物镜波像差拼接测量装置，进行大数值孔径物镜波像差的检测方法，其特点在于该方法包含以下步骤：

1)波面测量模块、待测物镜的光轴和旋转机构的转轴重合；

根据待测物镜的数值孔径，得到待测物镜输出的汇聚光所覆盖的倾斜角范围α(锥角半角)，将角度范围α进行N等分，作为测量环带的角度位置，记为α_i，其中，

α₁为起始倾斜角位置，对应中心子孔径；

将旋转机构定位至初始倾斜角位置α₁；

2)调整旋转机构，使所述的波面测量模块的出射光经过待测物镜入射到标准球面反射镜表面并沿原路返回，由波面测量模块接收并完成波像差测量，得到中心子孔径测量数据W₁(x,y)；

3)如果旋转机构当前的倾斜角度位置为α_N，则进入步骤7)，否则，旋转机构运动到下一个倾斜角位置，即由α_i到α_i+1，进入第i个环带测量；

将第i个环带子孔径划分为一系列子孔径，每个环带的旋转角范围为360度，根据子孔径在第i个环带中所覆盖的张角，将旋转角度θ进行M等分，作为环带上各个子孔径的测量位置，记为θ_j，其中，

θ₁为起始旋转角度位置；

将旋转机构定位至初始旋转角位置θ₁；

4)调整旋转机构，使所述的波面测量模块的出射光经过待测物镜入射到标准球面反射镜表面并沿原路返回，由波面测量模块接收并完成波像差测量，得到第i环带第j个子孔径的测量数据W_i,j(x,y)；

5)如果旋转机构的当前旋转角位置为θ_M，则第i个环带测量完毕，进入步骤6)，否则旋转机构运动到下一个旋转角位置，即由θ_j到θ_j+1，返回步骤4)；

6)在相邻两个子孔径测量的重叠区域内，拼接修正系数由如下方程组计算得到：

W_j+1(x,y)-W_j(x,y)＝a_i+b_ix+c_iy+d_i(x²+y²) (1)

其中，拼接修正系数a_i、b_i、c_i和d_i分别表示第j+1个子孔径相对于第j个子孔径的直流量、x方向的倾斜系数、y方向的倾斜系数和离焦量系数；

将M个子孔径的数据依次按照公式(1)进行拼接，得到第i个环带的拼接面形W_i(x,y)，其中i＝1,2,3…N；并返回步骤3)；

7)将N个环带拼接面形W_i(x,y)按照公式(1)进行拼接，其中i＝1,2,3…N，得到待测物镜的波像差W(x,y)。

本发明的技术效果，通过拼接的方法，可以实现数值孔径N.A为0.9及以上的物镜波像差测量。通过将大数值孔径的待测物镜全口径范围内的波像差区域划分为一系列的子孔径，采用口径相对小的标准球面反射镜，通过对标准球面反射镜进行倾斜和旋转，可增大可测的待测物镜波像差的有效数值孔径，对子孔径数据进行拼接得到大数值孔径的物镜波像差。具有测量系统简单、测量效率高、测量数值孔径可扩展的特点。同时，通过标定波面测量模块的系统误差，提高了拼接测量精度。

附图说明

图1为本发明大数值孔径物镜波像差拼接测量装置的示意图

图2为实施例一大数值孔径的有限远物镜波像差系统；

图3为实施例一大数值孔径的物镜波像差拼接检测示意图；

图4为拼接路径规划示意图，其中，(a)为倾斜方向和旋转方向示意图，(b)为待测物镜波像差子孔径划分示意图；

图5为波面测量模块的系统误差标定示意图，其中，(a)为有限远物镜测量时系统误差标定示意图，(b)为无限远物镜测量时波面测量模块的系统误差标定示意图；

其中，1—波面测量仪；2—标准透镜；3—标准球面反射镜；4—倾斜台；5—三维平移台；6—旋转台；7—待测物镜；8—标准平面反射镜。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1为本发明大数值孔径物镜波像差拼接测量装置的示意图，如图所示，一种大数值孔径物镜波像差拼接测量装置，包含：波面测量模块，输出平行光，用于测量无限远物镜的波像差；或者输出汇聚光，用于测量有限远物镜的波像差；测得待测物镜7在返回光角度范围内的波像差信息；标准球面反射镜3，将平行光或汇聚光经待测物镜7透射后的汇聚光进行反射，使光原路返回至波面测量模块；旋转机构，用于调整标准球面反射镜3的倾斜角度与旋转角度，用于不同子孔径测量的定位；将待测物镜7置于波面测量模块和标准球面反射镜3中间，使待测物镜7光轴与波面测量模块光轴重合；通过调节旋转机构使标准球面反射镜3的曲率中心与待测物镜7的出射光汇聚点重合。

实施例1：待测大数值孔径的物镜7为有限远物镜。

如图2所示，本实施例中波面测量模块由波面测量仪1和标准透镜2构成，波面测量仪1输出的平行光经标准透镜2汇聚；

所述的旋转机构，由倾斜台4和旋转台6、三维平移台5构成，所述的标准球面反射镜3安装在倾斜台4上，所述的倾斜台4固定在三维平移台5上，所述的三维平移台5固定在旋转台6上。所述的转台6围绕波面测量仪1光轴进行360度旋转调节，所述的三维平移台5能够提供三维调节，其中一个方向平行于波面测量仪1光轴方向，所述的倾斜台4能够在过波面测量仪1光轴的某一个平面内旋转；

将待测的大数值孔径的物镜7置于标准透镜2和标准球面反射镜3中间，使待测物镜7光轴与波面测量仪1光轴重合；

所述的波面测量仪1发出的平行光经过标准透镜2后，产生的准直光或汇聚光经过待测物镜7后出射汇聚，通过三维平移台5的移动使标准球面反射镜3的曲率中心与待测物镜7的出射光汇聚点重合；

待测物镜7的出射光经标准球面反射镜3反射后，沿原光路返回，依次经过待测物镜7、标准透镜2后，返回波面测量模块1；波面测量模块1测得待测物镜7在返回光角度范围内的波像差信息。

所述的一种大数值孔径物镜波像差拼接测量装置，所述的波面测量模块1是菲索干涉仪，或泰曼干涉仪，或哈特曼传感器；

所述的波面测量模块1是菲索干涉仪时，所述的标准透镜2是具有参考面的球面标准镜；

所述的波面测量模块1是泰曼干涉仪或哈特曼传感器时，所述的标准透镜2是没有参考面的汇聚镜。

所述的标准透镜2出射汇聚光时，汇聚光数值孔径不小于待测物镜7在标准透镜2一侧的数值孔径。

下面结合图2和图3，对上述大数值孔径物镜波像差拼接测量方法做具体说明，主要包含以下步骤：

1)波面测量仪1、标准透镜2、待测物镜7的光轴和旋转台6的转轴重合；

根据待测物镜7的数值孔径，得到待测物镜7输出的汇聚光所覆盖的角度范围α(锥角半角)，将角度范围α进行N等分，作为测量环带的角度位置，记为α_i，其中，i＝1,2，3…N，α₁为起始倾斜角位置，对应中心子孔径；

倾斜台4定位至初始位置α₁；

2)调整三维平移台5，使所述的波面测量模块1的出射光经过标准透镜2、待测物镜7、标准球面反射镜3表面并沿原路返回，由波面测量模块1接收并完成波像差测量；得到中心子孔径测量数据W₁(x,y)；

3)如果倾斜台4的当前角度位置为α_N，则进入步骤7)，否则，倾斜台4运动到下一个角度，角度位置由α_i到α_i+1，进入第i个环带测量；

将第i个环带子孔径划分为一系列子孔径，根据根据子孔径在第i个环带中所覆盖的张角，将旋转台6的旋转角度θ进行M等分，作为环带上各个子孔径的测量位置，记为θ_j，其中，j＝1,2，3…M，θ₁为起始旋转角度位置；

旋转台6旋转角度定位至θ₁；

4)调整三维平移台5，使所述的波面测量模块1的出射光经过标准透镜2、待测物镜7、标准球面反射镜3表面并沿原路返回，由波面测量模块1接收并完成波像差测量，得到第i环带第j个子孔径的测量数据W_i,j(x,y)；

5)如果旋转台6的当前旋转角度θ_j位置为θ_M，则第i个环带测量完毕，进入步骤6)，否则旋转台6旋转至下一个角度，角度位置由θ_j到θ_j+1，返回步骤4)；

6)在相邻两个子孔径测量的重叠区域内，拼接修正系数由如下方程组计算得到：

W_j+1(x,y)-W_j(x,y)＝a_i+b_ix+c_iy+d_i(x²+y²) (1)

其中，拼接修正系数a_i、b_i、c_i和d_i分别表示第j+1个子孔径相对于第j个子孔径的直流量、x方向的倾斜系数、y方向的倾斜系数和离焦量系数；

将M个子孔径的数据依次按照公式(1)进行拼接，得到第i个环带的拼接面形W_i(x,y)，其中i＝1,2,3…N；并返回步骤3)；

7)将N个环带拼接面形W_i(x,y)按照公式(1)进行拼接，其中i＝1,2,3…N，得到待测物镜的波像差W(x,y)。

实施例2：待测大数值孔径的物镜7为无限远物镜。

本实施例中，当波面测量仪1是菲索干涉仪时，波面测量模块由波面测量仪1和标准透镜2组成，所述的标准透镜2是具有参考面的平面标准镜；当波面测量仪1是泰曼干涉仪或哈特曼传感器时，波面测量模块仅仅只包含波面测量仪1。除此之外，实施例2其他部分以及方法步骤同实施例1。

图4是大数值孔径的物镜波像差拼接测量路径规划示意图。图4中(a)所示的是旋转机构的倾斜方向和旋转方向，图4(b)所示的是待测物镜的波像差的子孔径划分示意图。通过旋转机构的倾斜控制，实现标准球面反射镜3在各环带位置进行定位，配合旋转机构的旋转控制，实现各个环带内部的子孔径定位。

图5是波面测量模块的系统误差标定示意图。图5(a)所示的是有限远物镜的波面测量模块的系统误差标定示意图，通过调整旋转机构，实现标准球面反射镜3的对称轴与波面测量仪1的光轴重合，且标准球面反射镜3的曲率中心与标准透镜2的汇聚中心重合，使测量光沿原光路返回至波面测量仪1，通过波面测量仪1进行待测物镜7返回光角度范围内的波像差的测量，实现波面测量模块的系统误差的标定；图5(b)是无限远物镜的波面测量模块的系统误差示意图，通过调整旋转机构，实现标准平面反射镜8的表面与波面测量干涉模块光轴垂直，使测量光沿原光路返回至波面测量模块，通过波面测量模块进行待测物镜7返回光口径范围的波像差测量，实现波面测量模块的系统误差的标定。

综上所述，本发明提供了一种大数值孔径的物镜波像差的拼接测量方法，通过将整个投影物镜的待测波前划分为一系列的子孔径区域，通过旋转机构的倾斜控制和旋转控制，使标准球面反射镜定位到规划好的子孔径位置，完成相应子孔径区域的波像差测量；通过对子孔径数据进行拼接，完成全数值孔径范围内的波像差测量。同时，通过标定波面测量模块的系统误差，提高了拼接测量精度。本发明的主要益处在于，通过拼接的方法，可以实现数值孔径达到0.9及以上的物镜波像差测量。

Claims (1)

1.一种利用大数值孔径的物镜波像差检测装置进行大数值孔径的物镜波像差测量方法，该大数值孔径物镜波像差拼接测量装置，包含：

波面测量模块，输出用于测量无限远物镜的波像差的平行光，或者输出用于测量有限远物镜的波像差的汇聚光；并用于测量待测物镜(7)在返回光角度范围内的波像差信息；

标准球面反射镜(3)，将平行光或汇聚光经待测物镜(7)透射后的汇聚光进行反射，使光束沿原路返回，再次经待测物镜(7)透射后返回至所述的波面测量模块；

旋转机构，用于调整标准球面反射镜(3)的倾斜角度与旋转角度，实现不同子孔径测量的定位；

在所述的波面测量模块和标准球面反射镜(3)之间设置待测物镜(7)，且该待测物镜(7)光轴与波面测量模块光轴重合，通过调节旋转机构使标准球面反射镜(3)的曲率中心与待测物镜(7)的出射光汇聚点重合；

其特征在于，该方法包含以下步骤：

1)使波面测量模块、待测物镜(7)的光轴和旋转机构的转轴重合；

根据待测物镜(7)的数值孔径，得到待测物镜输出的汇聚光所覆盖的倾斜角范围α，将倾斜角范围α进行N等分，作为测量环带的角度位置，记为α_i，其中，

α₁为起始倾斜角位置，对应中心子孔径；

将旋转机构定位至初始倾斜角位置α₁；

2)调整旋转机构，使所述的波面测量模块的出射光经过待测物镜(7)、标准球面反射镜(3)表面并沿原路返回，由波面测量模块接收并完成波像差测量，得到中心子孔径测量数据W₁(x,y)；

3)如果旋转机构的当前倾斜角位置为α_N，则进入步骤7)，否则，旋转机构运动到下一个倾斜角位置，即由α_i到α_i+1，进入第i个环带测量；

将第i个环带子孔径划分为一系列子孔径，每个环带的旋转角范围为360度，根据子孔径在第i个环带中所覆盖的张角，将旋转角范围进行M等分，作为第i个环带上各个子孔径的测量位置，记为θ_j，

其中，j＝1,2，3…M，θ₁为起始旋转角位置；

将旋转机构定位至初始旋转角位置θ₁；

4)调整旋转机构，使所述的波面测量模块的出射光经过待测物镜(7)、标准球面反射镜(3)表面并沿原路返回，由波面测量模块接收并完成波像差测量，得到第i环带第j个子孔径的测量数据W_i,j(x,y)；

5)如果旋转机构的当前旋转角位置为θ_M，则第i个环带测量完毕，进入步骤6)，否则旋转机构运动到下一个旋转角位置，即由θ_j到θ_j+1，并返回步骤4)；

6)在相邻两个子孔径测量的重叠区域内，拼接修正系数由如下方程组计算得到：

W_j+1(x,y)-W_j(x,y)＝a_i+b_ix+c_iy+d_i(x²+y²) (1)

其中，拼接修正系数a_i、b_i、c_i和d_i分别表示第j+1个子孔径相对于第j个子孔径的直流量、x方向的倾斜系数、y方向的倾斜系数和离焦量系数；

将M个子孔径的数据依次按照公式(1)进行拼接，得到第i个环带的拼接面形W_i(x,y)，其中i＝1,2,3…N；并返回步骤3)；

7)将N个环带拼接面形W_i(x,y)按照公式(1)进行拼接，其中i＝1,2,3…N，得到待测物镜的波像差W(x,y)。

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