CN113049228A - 一种物镜波像差检测装置及检测方法 - Google Patents

一种物镜波像差检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

一种物镜波像差检测装置及检测方法，该物镜波像差检测装置包括波前检测系统、平面镜、平面镜调节机构，被测物镜置于平面镜与波前检测设备之间；平面镜置于被测物镜焦点处。由波前检测系统发出的测试波前通过被测物镜，经平面镜反射后再次通过被测物镜，被波前检测系统接收并检测得出其相位分布，调整平面镜倾斜状态以获得不同的返回波前，选择用于表达波像差的多项式，并计算其与每个返回波前相对应的表达式，便可以通过多项式拟合的方法得到待测物镜波像差以所选多项式进行表达的拟合结果。本发明具有结构简单，成本低，可检测物镜NA不受系统零部件制约的特点，并且所得待测物镜波像差拟合结果的误差有望低于10％。

Description

一种物镜波像差检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及光学测量领域，特别是一种物镜波像差检测装置及检测方法。
背景技术
光学系统的波像差是描述其成像质量的关键指标之一。在描述光学系统波像差时，通常选用与光学系统像差有良好对应关系的Zernike多项式。为了从光强信息中提取波像差的相位信息，一般先通过各种结构的干涉仪来生成干涉图案，再通过相位恢复算法获取对应的相位信息。常用的干涉仪有基于参考平面的菲索干涉仪、泰曼格林干涉仪，以及基于横向剪切原理的马赫曾德干涉仪、Ronchi干涉仪等等。
在先技术1(参见Daniel Malacara.Optical Shop Testing 3rd[M].Publishedby John Wiley&Sons,Inc.,Hoboken,New Jersey,2007.)给出了一种使用球面镜检测物镜波像差的方法。该技术在物镜焦点处放置一个球面镜，并在像方通过菲索干涉仪和泰曼格林干涉仪等结构检测由镜面反射后返回的波前，进而判断物镜的成像质量。球面镜可以是凹面镜或凸面镜，但高NA显微物镜系统的工作距较小，一般仅能采用凹面镜。
上述在先技术在检测物镜波像差时，对物镜NA的适用范围受限于球面镜的F数及加工精度。商用球面标准镜的F数最小为0.65，对应NA为0.77，限制了可检测NA的范围。光刻投影物镜系统，明场显微检测系统的数值孔径均达到0.9以上，波像差RMS值在nm量级，采用该方案需要定制面形精度达到λ/40(λ＝633nm，PV)以上的高NA球面标准镜，检测精度受到球面标准镜面形的制约，且成本昂贵。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供物镜波像差检测装置及检测方法，通过使用平面镜在焦点反射波前，降低了平面镜加工精度对检测结果的影响及检测成本，并解决了可测NA范围受限于检测装置零部件的问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种物镜波像差检测装置，该装置包括波前检测系统、被测物镜、平面镜、平面镜调节机构；所述的平面镜由平面镜调节机构承载；所述待测物镜位于波前检测系统和平面镜之间。
所述的波前检测系统发出测试波前，该测试波前通过待测物镜，并在待测物镜的焦点处被平面镜反射；反射后的波前再次通过待测物镜，并由波前检测系统接收并检测。
所述的平面镜的位置及姿态由平面镜调节机构控制。
所述的波前检测系统能够发出测试波前，并能检测经平面镜反射后的返回波前。
本发明的技术原理是，由波前检测系统发出的测试波前通过被测物镜，经平面镜反射后再次通过被测物镜，而后被波前检测系统接收并检测得出其相位分布。调整平面镜倾斜状态以获得不同的返回波前。选择用于表达波像差的多项式，如Zernike多项式、勒让德多项式等，并计算其与每个返回波前相对应的表达式，便可以通过多项式拟合的方法得到待测物镜波像差以所选多项式进行表达的拟合结果。
采用上述的物镜波像差检测装置进行被测物镜波像差的检测方法，其特点在于该方法包括下列步骤：
1)使波前检测系统(1)发出的测试波前通过被测物镜(2)，设此时测试波前与待测物镜(2)的瞳面焦点坐标为(xIN,yIN)；
2)调节平面镜调节机构(4)，使平面镜(3)位于待测物镜(2)的焦点处；测试波前，经待测物镜(2)后入射到所述的平面镜(3)，经该平面镜(3)反射的反射波前，再次通过待测物镜(2)并被波前检测系统(1)接收；设此时反波前与待测物镜(2)的瞳面焦点坐标为(x1OUT,y1OUT)；
3)波前检测系统(1)检测接收到的反射波前，解算相位信息为Wt1(x1OUT,y1OUT)＝Wlens(xIN,yIN)+Wlens(x1OUT,y1OUT)，其中Wlens为待测物镜(2)的波像差；
4)调节平面镜调节机构(1)，使平面镜(3)位于待测物镜(2)的焦点处，且平面镜(3)的倾斜角度改变；此时，波前检测系统(1)接收并检测该倾斜状态条件下的反射波前Wt2；
5)重复步骤4)，记录平面镜(3)在不同倾斜状态下，波前检测系统(1)接收并检测到的反射波前Wtn，其中n≥3，表示倾斜状态的序号，为3,4，5，…；
6)选择用于拟合待测物镜(2)波像差的m项多项式Pi，并根据平面镜(3)的倾斜状态分别计算与每个反射波前Wtn相对应的多项式Pni(xnoUT,ynOUT)＝Pi(xIN,yIN)+Pi(xnOUT,ynOUT),i＝1～m；
7)计算待测物镜(2)的波像差对应于多项式Pm的多项式系数Cm，公式如下：
Figure BDA0002986788630000031
式中，Pcolni和Wtcoln分别为Pni和Wtn的列项量形式，
8)根据多项式系数Cm即可得到使用多项式Pi进行表示的拟合结果。
至少需测得3组不同倾斜状态条件下的返回波前Wt1，Wt2，Wt3，才能拟合得到待测物镜的波像差。所选的m项多项式Pi是Zernike多项式，或勒让德多项式。
与在先技术相比，本发明具有以下优点：
1)采用平面镜代替球面镜进行检测，检测成本更低，可检测的物镜NA不再受限于检测系统零部件；
2)镜面反射范围为焦点附近的极小区域，整体镜面加工误差对检测精度的影响可以忽略不记。
附图说明
图1是本发明物镜波像差检测装置的示意图；
图2是实施例1中，平面镜无倾斜时收集到的返回波前；
图3是实施例1中，平面镜沿探测器X方向倾斜1.457°时收集到的返回波前；
图4是实施例1中，平面镜沿探测器Y方向倾斜2.343°时收集到的返回波前；
图5是实施例1中，待测物镜波像差的拟合结果；
图6是实施例1中，待测物镜波像差的拟合系数；
图7是实施例2中，平面镜无倾斜时收集到的返回波前；
图8是实施例2中，平面镜沿探测器X方向倾斜1.457°时收集到的返回波前；
图9是实施例2中，平面镜沿探测器Y方向倾斜2.343°时收集到的返回波前；
图10是实施例2中，待测物镜波像差的拟合结果；
图11是实施例2中，待测物镜波像差的拟合系数。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
实施例1：
图1所示为物镜波像差检测装置的结构示意图。其中DynaFiz干涉仪1发出的测试波前经过待测显微物镜2(NA＝0.14，焦距40mm)后，汇聚于焦点处。平面镜3固定于调节器4之上，调节器4具有三维位移及俯仰、偏摆调节功能。调整调节器4使平面镜3位于焦点处，且镜面与焦面平行。通过待测显微物镜2的波前在焦点处被平面镜3反射，旋转180°后再次通过待测显微物镜2。两次通过待测显微物镜2的返回波前此时带有的像差为待测显微物镜2的波像差旋转180°后与自身相加的结果。该返回波前由DynaFiz干涉仪1检测并记录，如图2所示。
调整调节器4，使平面镜3仍处于焦点处，但沿DynaFiz干涉仪1探测器像素坐标系的X方向倾斜1.457°。此时通过待测显微物镜2的波前在焦点处被平面镜3反射后，仅有部分能够再次通过待测显微物镜2并被DynaFiz干涉仪1检测到。检测得到的波前如图3所示。
调整调节器4，使平面镜3仍处于焦点处，但沿DynaFiz干涉仪1探测器像素坐标系的Y方向倾斜2.343°。此时通过待测显微物镜2的波前在焦点处被平面镜3反射后，仅有部分能够再次通过待测显微物镜2并被DynaFiz干涉仪1检测到。检测得到的波前如图4所示。
选择前100项Zernike多项式用于表示待测显微物镜2的波像差，并计算图2～图4所示返回波前所对应的多项式表达式。使用计算得到的多项式表达式及返回波前进行最小二乘拟合，得到待测显微物镜2所带有波像差的拟合结果及相应的前100项Zernike多项式系数结果，分别如图5和图6所示。
实施例2：
图1所示为物镜波像差检测装置的结构示意图。其中DynaFiz干涉仪1发出的测试波前经过待测显微物镜2(NA＝0.9，焦距1.8mm)后，汇聚于焦点处。平面镜3固定于调节器4之上，调节器4具有三维位移及俯仰、偏摆调节功能。调整调节器4使平面镜3位于焦点处，且镜面与焦面平行。通过待测显微物镜2的波前在焦点处被平面镜3反射，旋转180°后再次通过待测显微物镜2。两次通过待测显微物镜2的返回波前此时带有的像差为待测显微物镜2的波像差旋转180°后与自身相加的结果。该返回波前由DynaFiz干涉仪1检测并记录，如图7所示。
调整调节器4，使平面镜3仍处于焦点处，但沿DynaFiz干涉仪1探测器像素坐标系的X方向倾斜10.501°。此时通过待测显微物镜2的波前在焦点处被平面镜3反射后，仅有部分能够再次通过待测显微物镜2并被DynaFiz干涉仪1检测到。检测得到的波前如图8所示。
调整调节器4，使平面镜3仍处于焦点处，但沿DynaFiz干涉仪1探测器像素坐标系的Y方向倾斜5.893°。此时通过待测显微物镜2的波前在焦点处被平面镜3反射后，仅有部分能够再次通过待测显微物镜2并被DynaFiz干涉仪1检测到。检测得到的波前如图9所示。
选择前100项Zernike多项式用于表示待测显微物镜2的波像差，并计算图7～图9所示返回波前所对应的多项式表达式。使用计算得到的多项式表达式及返回波前进行最小二乘拟合，得到待测显微物镜2所带有波像差的拟合结果及相应的前100项Zernike多项式系数结果，分别如图10和图11所示。

Claims (5)

1.一种物镜波像差检测装置，其特征在于，包括波前检测系统(1)、平面镜(3)和承载该平面镜(3)的平面镜调节机构(4)；波前检测系统(1)和平面镜(3)之间放置有待测物镜(2)；
所述的波前检测系统(1)发出测试波前，经待测物镜(2)后入射到所述的平面镜(3)，经该平面镜(3)反射的反射波前，通过待测物镜(2)后，由波前检测系统(1)接收并检测；
通过调节所述的平面镜调节机构(4)，使所述的平面镜(3)位于待测物镜(2)的焦点处，且平面镜(3)与波前检测系统(1)光轴方向的倾斜角度发生变化。
2.根据权利要求1所述的物镜波像差检测装置，其特征在于，所述的波前检测系统(1)是Fizeau干涉仪测量系统，或波前传感器测量系统，或泰曼格林干涉仪测量系统。
3.利用权利要求1或2所述的物镜波像差检测装置进行被测物镜的波像差的检测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)使波前检测系统(1)发出的测试波前通过被测物镜(2)，设此时测试波前与待测物镜(2)的瞳面焦点坐标为(xIN，yIN)；
2)调节平面镜调节机构(4)，使平面镜(3)位于待测物镜(2)的焦点处；测试波前，经待测物镜(2)后入射到所述的平面镜(3)，经该平面镜(3)反射的反射波前，再次通过待测物镜(2)并被波前检测系统(1)接收；设此时反波前与待测物镜(2)的瞳面焦点坐标为(x1OUT，y1OUT)；
3)波前检测系统(1)检测接收到的反射波前，解算相位信息为Wt1(x1OUT，y1OUT)＝Wlens(xIN，yIN)+Wlens(x1OUT，y1OUT)，其中Wlens为待测物镜(2)的波像差；
4)调节平面镜调节机构(1)，使平面镜(3)位于待测物镜(2)的焦点处，且平面镜(3)的倾斜角度改变；此时，波前检测系统(1)接收并检测该倾斜状态条件下的反射波前Wt2；
5)重复步骤4)，记录平面镜(3)在不同倾斜状态下，波前检测系统(1)接收并检测到的反射波前Wtn，其中n≥3，表示倾斜状态的序号，为3，4，5，...；
6)选择用于拟合待测物镜(2)波像差的m项多项式Pi，并根据平面镜(3)的倾斜状态分别计算与每个反射波前Wtn相对应的多项式Pni(xnOUT，ynOUT)＝Pi(xIN，yIN)+Pi(xnOUT，ynOUT)，i＝1～m；
7)计算待测物镜(2)的波像差对应于多项式Pm的多项式系数Cm，公式如下：
Figure FDA0002986788620000021
式中，Pcolni和Wtcoln分别为Pni和Wtn的列项量形式，
8)根据多项式系数Cm即可得到使用多项式Pi进行表示的拟合结果。
4.根据权利要求3所述的波像差检测方法，其特征在于，至少需测得3组不同倾斜状态条件下的返回波前Wt1，Wt2，Wt3，才能拟合得到待测物镜(2)的波像差。
5.根据权利要求3所述的波像差检测方法，其特征在于所述的m项多项式Pi是Zernike多项式，或勒让德多项式。
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