CN113092483B - 一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，采用深紫外线光斑照明光学系统，其光源采用深紫外波段的激光器，激光器的波长选择范围是190～280nm，激光器生成照明光路的光轴，激光器出射的激光通过激光传输光学元件入射到线光斑发生器上，线光斑发生器将入射的激光转换成一条线斑生成在待检测物体的表面上，经过大量的模拟仿真计算，线光斑发生器的出射光轴与待测物体表面法线的角度选择范围是45°到80°。本发明达到了提高物体表面散射光检测技术灵敏度和速度的目的，采用了独特的光学结构布局，使该成像系统的光路与待测物面法线最大的角度为70°，其最高空间分辨率小于1微米。

Description

一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统。
背景技术
随着光电检测技术的快速发展，基于物体表面散射光的成像检测技术，已经广泛应用于晶圆缺陷检测，物体表面微小结构缺陷检测，或晶体表面光洁度检测等精密检测领域。散射光成像技术的光学系统主要包括，照明光源光学系统和成像光学系统。
其中照明光源光学系统主要是深紫外线光斑照明系统，并且其出射光的光轴与待测物体的法线有一个大的倾角，该角度的范围是45°到80°。物体表面散射光的特征信号，主要集中于待测物面法线和照明线光斑共面的平面，为了提高探测的分辨率，增加信噪比，需要成像光轴与待测物面法线成一定的角度，即称为倾斜物体成像。倾斜物体成像系统的质量，直接影响到散射光成像系统检测物体表面微小缺陷的精度和速度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，达到了提高物体表面散射光检测技术灵敏度和速度的目的，采用了独特的光学结构布局，优化了相关参数，使该成像系统的光路与待测物面法线最大的角度为70°，其最高空间分辨率小于1微米，并且采用了阵列式的光电倍增管作为光电接收器件，提高了系统检测的灵敏度和检测速度，可以满足不同散射光检测场景的需求。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，采用深紫外线光斑照明光学系统，其光源采用深紫外波段的激光器，激光器的波长选择范围是190～280nm，激光器生成照明光路的光轴，激光器出射的激光通过激光传输光学元件入射到线光斑发生器上，线光斑发生器将入射的激光转换成一条线斑生成在待检测物体的表面上，经过大量的模拟仿真计算，线光斑发生器的出射光轴与待测物体表面法线的角度选择范围是45°到80°；
照明光源激光器产生的线光斑位于Y轴上，成像光路的光轴位于Y、Z平面内，与Y轴的夹角为β，β的取值范围是15～33°，物镜将待测物体表面散射的光变换成准平行光束射出，经过第一傅里叶滤光片滤掉散射光的高频分量，再经过第一管镜将光束聚焦到光纤耦合器上，光纤耦合器将聚焦后的光束耦合进光纤，然后由光纤将光波导入到光电倍增管阵列的接收面上，用来快速测量散射光能量的强弱，由于物平面的X轴与旁轴物镜的光轴有一定角度，根据沙氏定理，其像平面与旁轴光路的光轴成一定的角度；
其X方向和Y方向的放大率不同，m为光学系统的轴向放大率；
γ＝arcctg((1-m)×ctg(β)+m×tan(θ))；
管镜的焦距值选用物镜焦距的2～8倍，像平面与成像光路光轴的角度与光学系统高级像差有一定的关联，经过多次的计算和仿真模拟，像平面与成像光路光轴的角度范围是3.5～7°。
进一步地，激光传输光学元件由衰减器、反射镜和扩束镜组成，其中衰减器包含波片和线偏振态选择晶体，通过旋转波片的不同角度来改变光束的振动方向，光束的振动方向不同，透过线偏振态选择晶体后的能量大小不同，以达到改变光能量大小的作用。
进一步地，反射镜同来改变光路的传输路径，以便对整体结构优化布局，可有效地提高空间利用率。
进一步地，扩束镜的作用是将激光出射的光束大小进行放大。
进一步地，线光斑发生器有多种方式可以实现，可以用柱面透镜直接将激光光束聚焦生成一个线光斑。
进一步地，或者使用振镜，通过振镜控制内部反射镜的转动，来达到控制光束的传播方向，再使用聚焦镜或者场镜将光束聚焦成一个小光斑，这些小光斑随着光束的偏转拼接起来形成一条线斑。
进一步地，或者使用声光器件，通过调制声光器件内部的声场分布，与光波的作用生成布拉格衍射效应，用来实现光束的偏转，再使用聚焦镜或者场镜将光束聚焦成一个小光斑，这些小光斑随着光束的偏转拼接起来形成一条线光斑。
一种物镜的结构，其光学结构包括，该物镜的光学元件适用于深紫外光波段，其波长范围是190～280nm，物镜的数值孔径为0.3～5，物镜的焦距范围为30～80mm，物镜的工作距离为焦距值的1～2倍，视场范围为3～10mm，物镜采用了多透镜组合的方式，透镜的材料均采用在紫外光波段有良好透过率的材料，如熔融石英、氟化物等，光学透镜表面镀有介质膜，使其每个表面的反射率小于0.5％。
进一步地，多透镜组合一共由七个透镜组成，七个透镜分别为第一正向弯月正透镜、第二正向弯月正透镜、第三正向弯月正透镜、第一负向弯月正透镜、第二负向弯月正透镜、第三负向弯月正透镜和正向弯月负透镜。
进一步地，第一正向弯月正透镜、第二正向弯月正透镜、第三正向弯月正透镜、第一负向弯月正透镜、第二负向弯月正透镜、第三负向弯月正透镜组成前组，其焦距范围为60～80mm；正向弯月负透镜组成后组透镜，其的焦距值为-50～-70mm。
本发明提供了一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，具备以下有益效果：
1、本发明达到了提高物体表面散射光检测技术灵敏度和速度的目的，采用了独特的光学结构布局，优化了相关参数，使该成像系统的光路与待测物面法线最大的角度为70°，其最高空间分辨率小于1微米。
2、本发明采用了阵列式的光电倍增管作为光电接收器件，提高了系统检测的灵敏度和检测速度，可以满足不同散射光检测场景的需求。
3、本发明所提供的成像物镜光学结构，矫正了系统像差，成像质量接近衍射极限，并且物镜采用了多透镜组合的方式，透镜的材料均采用在紫外光波段有良好透过率的材料，如熔融石英、氟化物等，光学透镜表面镀有介质膜，使其每个表面的反射率小于0.5％。
附图说明
图1为本发明深紫外线光斑照明倾斜物体成像系统结构的布局图；
图2为本发明倾斜物体成像光学结构的布局图；
图3为本发明成像物镜光学结构的布局图。
图中：1、激光器；2、激光传输光学元件；3、照明光路的光轴；4、线光斑发生器；5、照明光路的光轴与X轴的夹角；6、线光斑；7、成像光路的光轴与Y轴的夹角；8、成像光路的光学系统；9、成像光路的光轴；10、第一傅里叶滤光片；11、第一管镜；12、线光斑的像；13、光纤耦合器；14、光纤；15、光电倍增管阵列；81、待测线物体；82、线物体与成像光轴的夹角；83、成像物镜；84、光轴；85、第二傅里叶滤光片；86、第二管镜片；87、像面与光轴的夹角；88、线物体的像；831、第一正向弯月正透镜；832、第二正向弯月正透镜；833、第三正向弯月正透镜；834、第一负向弯月正透镜；835、第二负向弯月正透镜；836、第三负向弯月正透镜；837、正向弯月负透镜；。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供了一种技术方案：一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，采用深紫外线光斑照明光学系统，其光源采用深紫外波段的激光器1，激光器1的波长选择范围是190～280nm，激光器1生成照明光路的光轴3，激光器1出射的激光通过激光传输光学元件2入射到线光斑发生器4上，线光斑发生器4将入射的激光转换成一条线斑生成在待检测物体的表面上，经过大量的模拟仿真计算，线光斑发生器4的出射光轴与待测物体表面法线的角度选择范围是45°到80°。
照明光源激光器1产生的线光斑6位于位于图1所示的Y轴上，成像光路的光轴9位于Y、Z平面内，与Y轴的夹角为β，β的取值范围是15～33°，物镜将待测物体表面散射的光变换成准平行光束射出，经过第一傅里叶滤光片10滤掉散射光的高频分量，再经过第一管镜11将光束聚焦到光纤耦合器13上，光纤耦合器13将聚焦后的光束耦合进光纤14，然后由光纤14将光波导入到光电倍增管阵列15的接收面上，用来快速测量散射光能量的强弱，由于物平面的X轴与旁轴物镜的光轴有一定角度，根据沙氏定理，其像平面与旁轴光路的光轴成一定的角度；
参阅图2，其X方向和Y方向的放大率不同，m为光学系统的轴向放大率；
γ＝arcctg((1-m)×ctg(β)+m×tan(θ))；
管镜的焦距值选用物镜焦距的2～8倍，像平面与成像光路光轴的角度与光学系统高级像差有一定的关联，经过多次的计算和仿真模拟，像平面与成像光路光轴的角度范围是3.5～7°，本发明达到了提高物体表面散射光检测技术灵敏度和速度的目的，采用了独特的光学结构布局，优化了相关参数，使该成像系统的光路与待测物面法线最大的角度为70°，其最高空间分辨率小于1微米。
根据镜头设计的像差理论，需要校正系统的像差，其横向像差其泰勒公式的展开式为：
Figure GDA0004035158120000061
其中，y’为像高；
rp为入瞳高度；
θ为入瞳的方位角；
k,l,m为级次。
激光传输光学元件2由衰减器、反射镜和扩束镜组成，其中衰减器包含波片和线偏振态选择晶体，通过旋转波片的不同角度来改变光束的振动方向，光束的振动方向不同，透过线偏振态选择晶体后的能量大小不同，以达到改变光能量大小的作用；反射镜同来改变光路的传输路径，以便对整体结构优化布局，可有效地提高空间利用率；扩束镜的作用是将激光出射的光束大小进行放大。
线光斑发生器4有多种方式可以实现，可以用柱面透镜直接将激光光束聚焦生成一个线光斑；或者使用振镜，通过振镜控制内部反射镜的转动，来达到控制光束的传播方向，再使用聚焦镜或者场镜将光束聚焦成一个小光斑，这些小光斑随着光束的偏转拼接起来形成一条线斑；或者使用声光器件，通过调制声光器件内部的声场分布，与光波的作用生成布拉格衍射效应，用来实现光束的偏转，再使用聚焦镜或者场镜将光束聚焦成一个小光斑，这些小光斑随着光束的偏转拼接起来形成一条线光斑，本发明采用了阵列式的光电倍增管作为光电接收器件，提高了系统检测的灵敏度和检测速度，可以满足不同散射光检测场景的需求。
参阅图3，一种物镜的结构，其光学结构包括，该物镜的光学元件适用于深紫外光波段，其波长范围是190～280nm，物镜的数值孔径为0.3～5，物镜的焦距范围为30～80mm，物镜的工作距离为焦距值的1～2倍，视场范围为3～10mm，物镜采用了多透镜组合的方式，透镜的材料均采用在紫外光波段有良好透过率的材料，如熔融石英、氟化物等，光学透镜表面镀有介质膜，使其每个表面的反射率小于0.5％，多透镜组合一共由七个透镜组成，七个透镜分别为第一正向弯月正透镜831、第二正向弯月正透镜832、第三正向弯月正透镜833、第一负向弯月正透镜834、第二负向弯月正透镜835、第三负向弯月正透镜836和正向弯月负透镜837，第一正向弯月正透镜831、第二正向弯月正透镜832、第三正向弯月正透镜833、第一负向弯月正透镜834、第二负向弯月正透镜835、第三负向弯月正透镜836组成前组，其焦距范围为60～80mm；正向弯月负透镜837组成后组透镜，其的焦距值为-50～-70mm。
设第一正向弯月正透镜831的焦距为F1，直径为D1，第二正向弯月正透镜832的焦距为F2，直径为D2，第三正向弯月正透镜833的焦距为F3，直径为D3，第一负向弯月正透镜834的焦距为F4，直径为D4，第二负向弯月正透镜835的焦距为F5，直径为D5，第三负向弯月正透镜836的焦距为F6，直径为D6，正向弯月负透镜837的焦距为F7，直径为D7。
得出第一正向弯月正透镜831的孔径焦距比值范围0.2～0.4，第二正向弯月正透镜832的孔径焦距比值范围0.2～0.3，第三正向弯月正透镜833的孔径焦距比值范围0.1～0.2，第一负向弯月正透镜834的孔径焦距比值范围0.1～0.2，四个透镜的孔径焦距比为0.1～0.2，第二负向弯月正透镜835的孔径焦距比值范围0.25～0.35，第三负向弯月正透镜836的孔径焦距比值范围0.2～0.3，正向弯月负透镜837的孔径焦距比值范围-0.8～-1。
本发明所提供的成像物镜光学结构，矫正了系统像差，成像质量接近衍射极限，并且物镜采用了多透镜组合的方式，透镜的材料均采用在紫外光波段有良好透过率的材料，如熔融石英、氟化物等，光学透镜表面镀有介质膜，使其每个表面的反射率小于0.5％。
本发明的有益效果为：本发明达到了提高物体表面散射光检测技术灵敏度和速度的目的，采用了独特的光学结构布局，优化了相关参数，使该成像系统的光路与待测物面法线最大的角度为70°，其最高空间分辨率小于1微米。
本发明采用了阵列式的光电倍增管作为光电接收器件，提高了系统检测的灵敏度和检测速度，可以满足不同散射光检测场景的需求。
本发明所提供的成像物镜光学结构，矫正了系统像差，成像质量接近衍射极限，并且物镜采用了多透镜组合的方式，透镜的材料均采用在紫外光波段有良好透过率的材料，如熔融石英、氟化物等，光学透镜表面镀有介质膜，使其每个表面的反射率小于0.5％。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，其特征在于：采用深紫外线光斑照明光学系统，其光源采用深紫外波段的激光器（1），激光器（1）的波长选择范围是190~280nm，激光器（1）生成照明光路的光轴（3），激光器（1）出射的激光通过激光传输光学元件（2）入射到线光斑发生器（4）上，线光斑发生器（4）将入射的激光转换成一条线斑生成在待检测物体的表面上，经过大量的模拟仿真计算，线光斑发生器（4）的出射光轴与待测物体表面法线的角度选择范围是45°到80°；所述激光传输光学元件（2）由衰减器、反射镜和扩束镜组成，其中衰减器包含波片和线偏振态选择晶体；所述线光斑发生器（4）通过柱面透镜或者振镜或者声光器件或者列式的光电倍增管将入射的激光转换成一条线斑生成在待检测物体的表面上；照明光源激光器（1）产生的线光斑（6）位于Y轴上，成像光路的光轴（9）位于Y、Z平面内，与Y轴的夹角为β，β的取值范围是15~33°，物镜将待测物体表面散射的光变换成准平行光束射出，经过第一傅里叶滤光片（10）滤掉散射光的高频分量，再经过第一管镜（11）将光束聚焦到光纤耦合器（13）上，光纤耦合器（13）将聚焦后的光束耦合进光纤（14），然后由光纤（14）将光波导入到光电倍增管阵列（15）的接收面上，用来快速测量散射光能量的强弱，由于物平面的X轴与旁轴物镜的光轴有一定角度，根据沙氏定理，其像平面与旁轴光路的光轴成一定的角度；
其X方向和Y方向的放大率不同，m为光学系统的轴向放大率；
γ=arcctg((1-m)×ctg(β)+m×tan(θ))；
其中： θ是镜片平面与被测物体法线的夹角，γ是成像平面和光轴的夹角；
管镜的焦距值选用物镜焦距的2~8倍，像平面与成像光路光轴的角度与光学系统高级像差有一定的关联，经过多次的计算和仿真模拟，像平面与成像光路光轴的角度范围是3.5~7°。
2.根据权利要求1所述的一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，其特征在于：所述激光传输光学元件（2）由衰减器、反射镜和扩束镜组成，其中衰减器包含波片和线偏振态选择晶体，通过旋转波片的不同角度来改变光束的振动方向，光束的振动方向不同，透过线偏振态选择晶体后的能量大小不同，以达到改变光能量大小的作用。
3.根据权利要求2所述的一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，其特征在于：所述反射镜同来改变光路的传输路径，以便对整体结构优化布局，可有效地提高空间利用率。
4.根据权利要求2所述的一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，其特征在于：所述扩束镜的作用是将激光出射的光束大小进行放大。
5.根据权利要求1所述的一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，其特征在于：所述线光斑发生器（4）有多种方式可以实现，可以用柱面透镜直接将激光光束聚焦生成一个线光斑。
6.根据权利要求5所述的一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，其特征在于：或者使用振镜，通过振镜控制内部反射镜的转动，来达到控制光束的传播方向，再使用聚焦镜或者场镜将光束聚焦成一个小光斑，这些小光斑随着光束的偏转拼接起来形成一条线斑。
7.根据权利要求5所述的一种基于深紫外线光斑照明的倾斜物体成像系统，其特征在于：或者使用声光器件，通过调制声光器件内部的声场分布，与光波的作用生成布拉格衍射效应，用来实现光束的偏转，再使用聚焦镜或者场镜将光束聚焦成一个小光斑，这些小光斑随着光束的偏转拼接起来形成一条线光斑。
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