CN113448179A - 纳米激光直写物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及镜头领域，特别为一种纳米激光直写物镜。包括沿光线入射方向依次设置的负光焦度的第一群组、正光焦度的第二群组、光阑、以及正光焦度的第三群组；其中各群组的焦距满足以下关系：0.65＜|fA/fB|＜3.5；4.0＜|fB/fC|＜15.0；‑120mm＜fA＜‑40mm；40mm＜fB＜80mm；5mm＜fC＜15mm，其中：fA为第一群组的焦距，fB为第二群组的焦距，fC为第三群组的焦距。本发明提供一种数值孔径NA至1.3左右且高分辨率的纳米激光直写物镜，该物镜为无限远复消色差类型系统，且无需使用超半球镜片，便于物镜的加工，能降低物镜的制造成本。

Description

纳米激光直写物镜
技术领域
本发明涉及镜头领域，特别为一种纳米激光直写物镜。
背景技术
光刻机是一种用于在芯片、印刷电路板、掩膜板、平板显示器、生物芯片、微机械电子芯片、光学玻璃平板等衬底材料上印刷构图的设备。传统的光刻工艺中所使用的铬玻璃掩膜板需要由专业供应商提供，但是在研发环境中，掩膜板的设计通常需要经常改变。无掩膜光刻技术通过以软件设计电子掩膜板的方法，克服了这一问题。与通过物理掩膜板进行光照的传统工艺不同，激光直写是通过电脑控制一系列激光脉冲的开关，在光刻胶上直接曝光绘出所要的图案。激光直写技术通常用于微结构制作，比如衍射光学元件、光栅等等。
在激光直写设备中，显微物镜无疑是一种重要部件。显微镜物镜为了提高数值孔径NA至1.3左右来实现高分辨率，通常可以把工作介质由空气换为折射率为1.5左右的液体，可增大第一片镜片的收集光线的角度，且需要设计第一片镜片为超半球镜片，这样对镜片加工不利，并提高了镀膜的难度，进而增加物镜的成本。
发明内容
本发明的目的在于：克服以上缺点提供一种数值孔径NA至1.3左右且高分辨率的纳米激光直写物镜，该物镜为无限远复消色差类型系统，且无需使用超半球镜片，便于物镜的加工，能降低物镜的制造成本。
本发明通过如下技术方案实现：
方案一：
一种纳米激光直写物镜，其特征在于：包括沿光线入射方向依次设置的负光焦度的第一群组、正光焦度的第二群组、光阑、以及正光焦度的第三群组；
其中各群组的焦距满足以下关系：
0.65＜|fA/fB|＜3.5；
4.0＜|fB/fC|＜15.0；
其中：fA为第一群组的焦距，fB为第二群组的焦距，fC为第三群组的焦距；
所述第一群组的焦距fA为：-120mm＜fA＜-40mm；
所述第二群组的焦距fB为：40mm＜fB＜80mm；
所述第三群组的焦距fC为：5mm＜fC＜15mm。
为了提高分辨率，在第二群组中至少有两片镜片使用超低色散材料，所述超低色散材料的阿贝数范围为90～100。
为了进一步提高分辨率，在第三群组中至少有一片镜片使用超低色散材料，所述超低色散材料的阿贝数范围为90～100。
优选地，所述第一群组包括沿着光线入射方向依次设置的弯月型的第一透镜、双凸型的第二透镜、双凹型的第三透镜、双凹型的第四透镜、双凹型的第五透镜、双凸型的第六透镜以及正光焦度的第七透镜；
所述第二透镜和第三透镜组成密接的双胶合组，所述第五透镜和第六透镜组成密接的双胶合组。
优选地，所述第二群组包括沿着光线入射方向依次设置的双凹型的第八透镜一、双凸型的第九透镜一、双凸型的第十透镜一、双凹型的第十一透镜一、双凸型的第十二透镜一、双凸型的第十三透镜一、弯月型的第十四透镜一、双凸型的第十五透镜一、双凹型的第十六透镜一、弯月型的第十七透镜一、以及负弯月型的第十八透镜一；
所述第八透镜一和第九透镜一组成密接的双胶合组，所述第十透镜一、第十一透镜一和第十二透镜一组成密接的三胶合组，所述第十五透镜一和第十六透镜一组成密接的双胶合组。
优选地，所述第三群组包括沿着光线入射方向依次设置的第一双胶合组透镜、第二双胶合组透镜、以及至少一个的弯月型透镜；
沿着光线入射方向,所述第一双胶合组透镜由负弯月型的第十九透镜一和负弯月型的第二十透镜一密接胶合而成；
第二双胶合组透镜由弯月型的第二十一透镜一和弯月型的第二十二透镜一密接胶合而成。
优选地，所述第三群组中弯月型透镜的数量为两个，分别为沿着光线入射方向依次设置在第二双胶合组透镜像方一侧的第二十三透镜一和第二十四透镜一。
方案二：
本方案与方案一的区别在于，优选地，所述第二群组包括沿着光线入射方向依次设置的双凹型的第八透镜二、双凸型的第九透镜二、双凸型的第十透镜二、双凹型的第十一透镜二、双凸型的第十二透镜二、负弯月型的第十三透镜二、双凸型的第十四透镜二、双凹型的第十五透镜二、双凸型的第十六透镜二、双凹型的第十七透镜二、双凸型的第十八透镜二、以及双凹型的第十九透镜二；
所述第八透镜二和第九透镜二组成密接的双胶合组，所述第十透镜二、第十一透镜二和第十二透镜二组成密接的三胶合组，所述第十四透镜二和第十五透镜二组成密接的双胶合组，所述第十六透镜二和第十七透镜二组成密接的双胶合组；所述第十八透镜二和第十九透镜二组成密接的双胶合组。
优选地，所述第三群组包括沿着光线入射方向依次设置的弯月型的第二十透镜二、弯月型的第二十一透镜二、弯月型的第二十二透镜二、双凸型的第二十三透镜二、负弯月型的第二十四透镜二、弯月型的第二十五透镜二、弯月型的第二十六透镜二、以及弯月型的第二十七透镜二；
所述第二十一透镜二和第二十二透镜二组成密接的双胶合组，所述第二十三透镜二第二十四透镜二组成密接的双胶合组，所述第二十六透镜二和第二十七透镜二组成密接的双胶合组。
所述第八透镜二至第十二透镜二组成内对焦组，所述内对焦组沿着光轴方向在第七透镜和第十三透镜二之间可调移动设置。
较之前技术而言，本发明的有益效果为：
1.本发明提供一种数值孔径NA至1.3左右且高分辨率的纳米激光直写物镜，该物镜为无限远复消色差类型系统，且无需使用超半球镜片，便于物镜的加工，能降低物镜的制造成本。
2.本发明的一种纳米激光直写物镜，其中第一群组采用类似双高斯的结构，有利用消除垂轴色差，比如倍率色差、慧差、像差、畸变等。
3.本发明的一种纳米激光直写物镜，其中第二群组采用多个双胶合透镜有利于消除系统轴向色差，三胶合透镜起到复消色差的作用，弯月透镜、双凹透镜能起到光线过渡的作用
4.本发明的一种纳米激光直写物镜，其中第三群组两个弯月型透镜起到齐明透镜的作用，可以大幅提高数值孔径而达到NA1.3的目标，且未使用传统的超半球镜片，从而大大降低了制造的难度。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例一的赛德尔图；
图3为本发明实施例一的光程差图；
图4为本发明实施例一的多色光焦点漂移图；
图5为本发明实施例一的倍率色差图；
图6为本发明实施例二的结构示意图；
图7为本发明实施例二的赛德尔图(工作介质折射率为1.484)；
图8为本发明实施例二的光程差图(工作介质折射率为1.484)；
图9为本发明实施例二的多色光焦点漂移图(工作介质折射率为1.484)；
图10为本发明实施例二的倍率色差图(工作介质折射率为1.484)；
图11为本发明实施例二的光程差图(工作介质折射率为1.479)；
图12为本发明实施例二的多色光焦点漂移图(工作介质折射率为1.479)；
图13为本发明实施例二的倍率色差图(工作介质折射率为1.479)；
图14为本发明实施例二的光程差图(工作介质折射率为1.489)；
图15为本发明实施例二的多色光焦点漂移图(工作介质折射率为1.489)；
图16为本发明实施例二的倍率色差图(工作介质折射率为1.489)。
标号说明：
A-第一群组、A1-第一透镜、A2-第二透镜、A3-第三透镜、A4-第四透镜、A5-第五透镜、A6-第六透镜、A7-第七透镜；
B-第二群组、B8-第八透镜一、B8’-第八透镜二、B9-第九透镜一、B9’-第九透镜二、B10-第十透镜一、B10’-第十透镜二、B11-第十一透镜一、B11’-第十一透镜二、B12-第十二透镜一、B12’-第十二透镜二、B13-第十三透镜一、B13’-第十三透镜二、B14-第十四透镜一、B14’-第十四透镜二、B15-第十五透镜一、B15’-第十五透镜二、B16-第十六透镜一、B16’-第十六透镜二、B17-第十七透镜一、B17’-第十七透镜二、B18-第十八透镜一、B18’-第十八透镜二、B19’-第十九透镜二；
C-第三群组、C19-第十九透镜一、C20-第二十透镜一、C20’-第二十透镜二、C21-第二十一透镜一、C21’-第二十一透镜二、C22-第二十二透镜一、C22’-第二十二透镜二、C23-第二十三透镜一、C23’-第二十三透镜二、C24-第二十四透镜一、C24’-第二十四透镜二、C25’-第二十五透镜二、C26’-第二十六透镜二、、C27’-第二十七透镜二。
具体实施方式
下面结合附图说明，对本发明进行详细说明：
实施例一：
如图1-5所示，一种纳米激光直写物镜，包括沿光线入射方向依次设置的负光焦度的第一群组A、正光焦度的第二群组B、光阑、以及正光焦度的第三群组C；
本实施例的系统焦距为6.86，详细的结构数据如下表：
Figure BDA0003145860090000051
Figure BDA0003145860090000061
表中表面序号为沿光线入射的方向顺次设置的；
带*记号的数字意味该表面为非球面。非球面公式如下：
Figure BDA0003145860090000062
其中，c为曲率半径，非球面系数如下表：
Figure BDA0003145860090000063
Figure BDA0003145860090000071
其中光阑设置在第30面上；
各群组的焦距满足以下关系：
|fA/fB|＝1.88；
|fB/fC|＝12.72；
其中：fA为第一群组的焦距，fB为第二群组的焦距，fC为第三群组的焦距；
所述第一群组的焦距fA为：fA＝-111.04mm；
所述第二群组的焦距fB为：fB＝59.02mm；
所述第三群组的焦距fC为：fC＝8.73mm。
为了提高分辨率，在第二群组A中至少有两片镜片使用超低色散材料，所述超低色散材料的阿贝数范围为90～100，如在第16面和第20面。
为了进一步提高分辨率，在第三群组C中至少有一片镜片使用超低色散材料，所述超低色散材料的阿贝数范围为90～100，如第30面。
优选地，所述第一群组A包括沿着光线入射方向依次设置的弯月型的第一透镜A1、双凸型的第二透镜A2、双凹型的第三透镜A3、双凹型的第四透镜A4、双凹型的第五透镜A5、双凸型的第六透镜A6以及正光焦度的第七透镜A7；
所述第二透镜A2和第三透镜A3组成密接的双胶合组，所述第五透镜A5和第六透镜A6组成密接的双胶合组。
优选地，所述第二群组B包括沿着光线入射方向依次设置的双凹型的第八透镜一B8、双凸型的第九透镜一B9、双凸型的第十透镜一B10、双凹型的第十一透镜一B11、双凸型的第十二透镜一B12、双凸型的第十三透镜一B13、弯月型的第十四透镜一B14、双凸型的第十五透镜一B15、双凹型的第十六透镜一B16、弯月型的第十七透镜一B17、以及负弯月型的第十八透镜一B18；
所述第八透镜一B8和第九透镜一B9组成密接的双胶合组，所述第十透镜一B10、第十一透镜一B11和第十二透镜一B12组成密接的三胶合组，所述第十五透镜一B15和第十六透镜一B16组成密接的双胶合组。
优选地，所述第三群组C包括沿着光线入射方向依次设置的第一双胶合组透镜、第二双胶合组透镜、以及至少一个的弯月型透镜；
沿着光线入射方向,所述第一双胶合组透镜由负弯月型的第十九透镜一C19和负弯月型的第二十透镜一C20密接胶合而成；
第二双胶合组透镜由弯月型的第二十一透镜一C21和弯月型的第二十二透镜一C22密接胶合而成。
优选地，所述第三群组C中弯月型透镜的数量为两个，分别为沿着光线入射方向依次设置在第二双胶合组透镜像方一侧的第二十三透镜一C23和第二十四透镜一C24。
本实施例从图2可以看出各面的Seidel值都小于1.2mm，系统不敏感而便于制造。
从图3可以看出，除了最外的余量视场，系统整体的光程差都在1波长内，各视场的性能几乎到达衍射极限。
从图4可以看出，系统色差校正类型为复消色差，轴向色差的数值也在衍射极限内。
从图5可以看出，各波段内的各色差也都在衍射极限内。
实施例二：
如图6-16所示，一种纳米激光直写物镜，包括沿光线入射方向依次设置的负光焦度的第一群组A、正光焦度的第二群组B、光阑、以及正光焦度的第三群组C；
本实施例的系统焦距为7.00，详细的结构数据如下表：
Figure BDA0003145860090000081
Figure BDA0003145860090000091
Figure BDA0003145860090000101
表中表面序号为沿光线入射的方向顺次设置的；
带*记号的数字意味该表面为非球面。非球面公式与实施例一中的公式相同：
其中，c为曲率半径，非球面系数如下表：
Figure BDA0003145860090000111
其中光阑设置在第31面上；
各群组的焦距满足以下关系：
|fA/fB|＝0.72；
|fB/fC|＝6.89；
其中：fA为第一群组的焦距，fB为第二群组的焦距，fC为第三群组的焦距；
所述第一群组的焦距fA为：fA＝-50.57.04mm；
所述第二群组的焦距fB为：fB＝69.92mm；
所述第三群组的焦距fC为：fC＝10.14mm。
为了提高分辨率，在第二群组A中至少有两片镜片使用超低色散材料，所述超低色散材料的阿贝数范围为90～100，如在第16面和第22面。
为了进一步提高分辨率，在第三群组C中至少有一片镜片使用超低色散材料，所述超低色散材料的阿贝数范围为90～100，如第33面和第36面。
优选地，所述第一群组A包括沿着光线入射方向依次设置的弯月型的第一透镜A1、双凸型的第二透镜A2、双凹型的第三透镜A3、双凹型的第四透镜A4、双凹型的第五透镜A5、双凸型的第六透镜A6以及正光焦度的第七透镜A7；
所述第二透镜A2和第三透镜A3组成密接的双胶合组，所述第五透镜A5和第六透镜A6组成密接的双胶合组。
优选地，所述第二群组B包括沿着光线入射方向依次设置的双凹型的第八透镜二B8’、双凸型的第九透镜二B9’、双凸型的第十透镜二B10’、双凹型的第十一透镜二B11’、双凸型的第十二透镜二B12’、负弯月型的第十三透镜二B13’、双凸型的第十四透镜二B14’、双凹型的第十五透镜二B15’、双凸型的第十六透镜二B16’、双凹型的第十七透镜二B17’、双凸型的第十八透镜二B18’、以及双凹型的第十九透镜二B19’；
所述第八透镜二B8’和第九透镜二B9’组成密接的双胶合组，所述第十透镜二B10’、第十一透镜二B11’和第十二透镜二B12’组成密接的三胶合组，所述第十四透镜二B14’和第十五透镜二B15’组成密接的双胶合组，所述第十六透镜二B16’和第十七透镜二B17’组成密接的双胶合组；所述第十八透镜二B18’和第十九透镜二B19’组成密接的双胶合组。
优选地，所述第三群组C包括沿着光线入射方向依次设置的弯月型的第二十透镜二C20’、弯月型的第二十一透镜二C21’、弯月型的第二十二透镜二C22’、双凸型的第二十三透镜二C23’、负弯月型的第二十四透镜二C24’、弯月型的第二十五透镜二C25’、弯月型的第二十六透镜二C26’、以及弯月型的第二十七透镜二C27’；
所述第二十一透镜二C21’和第二十二透镜二C22’组成密接的双胶合组，所述第二十三透镜二C23’第二十四透镜二C24’组成密接的双胶合组，所述第二十六透镜二C26’和第二十七透镜二C27’组成密接的双胶合组。
为了实现工作介质的折射率发生波动时，系统性能基本保持不变，所述第八透镜二B8’至第十二透镜二B12’组成内对焦组，所述内对焦组沿着光轴方向在第七透镜A7和第十三透镜二B13’之间可调移动设置，以便在系统总长(不含工作介质的厚度)时，进行调整。
其中，可变数据如下表：
Figure BDA0003145860090000121
本实施例从图7可以看出各面的Seidel值都小于1.2mm，系统不敏感而便于制造。
从图8可以看出，除了最外的余量视场，系统整体的光程差都在0.5波长内，各视场的性能几乎到达衍射极限。
从图9可以看出，系统色差校正类型为复消色差，轴向色差的数值也在衍射极限内。
从图10可以看出，各波段内的各色差也都在衍射极限内。
图11至图13是工作介质折射率为1.479的性能表现，图14至图16是工作介质折射率为1.489的性能表现。由此可见工作介质折射率在1.479～1.489内波动时，系统性能都良好。但是工作介质折射率不限于在1.479～1.489之间，还可以是1.516～1.526，或者其它。
以上两个实施例可达到如下光学条件：
1.焦距6.6～7.2mm；
2.NA值1.315；
3.光学总长约240mm；
4.波长范围：0.522～0.79um；
5.DFOV：8.4°；
6.全波段波长OPD(性能指标)：轴上OPD<1波长；
1F OPD<2波长。
尽管本发明采用具体实施例及其替代方式对本发明进行示意和说明，但应当理解，只要不背离本发明的精神范围内的各种变化和修改均可实施。因此，应当理解除了受随附的权利要求及其等同条件的限制外，本发明不受任何意义上的限制。

Claims (10)

1.一种纳米激光直写物镜，其特征在于：包括沿光线入射方向依次设置的负光焦度的第一群组(A)、正光焦度的第二群组(B)、光阑、以及正光焦度的第三群组(C)；
其中各群组的焦距满足以下关系：
0.65＜|fA/fB|＜3.5；
4.0＜|fB/fC|＜15.0；
其中：fA为第一群组的焦距，fB为第二群组的焦距，fC为第三群组的焦距；
所述第一群组的焦距fA为：-120mm＜fA＜-40mm；
所述第二群组的焦距fB为：40mm＜fB＜80mm；
所述第三群组的焦距fC为：5mm＜fC＜15mm。
2.根据权利要求1所述的纳米激光直写物镜，其特征在于：在第二群组(A)中至少有两片镜片使用超低色散材料，所述超低色散材料的阿贝数范围为90～100。
3.根据权利要求1所述的纳米激光直写物镜，其特征在于：在第三群组(C)中至少有一片镜片使用超低色散材料，所述超低色散材料的阿贝数范围为90～100。
4.根据权利要求1所述的纳米激光直写物镜，其特征在于：所述第一群组(A)包括沿着光线入射方向依次设置的弯月型的第一透镜(A1)、双凸型的第二透镜(A2)、双凹型的第三透镜(A3)、双凹型的第四透镜(A4)、双凹型的第五透镜(A5)、双凸型的第六透镜(A6)以及正光焦度的第七透镜(A7)；
所述第二透镜(A2)和第三透镜(A3)组成密接的双胶合组，所述第五透镜(A5)和第六透镜(A6)组成密接的双胶合组。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的纳米激光直写物镜，其特征在于：所述第二群组(B)包括沿着光线入射方向依次设置的双凹型的第八透镜一(B8)、双凸型的第九透镜一(B9)、双凸型的第十透镜一(B10)、双凹型的第十一透镜一(B11)、双凸型的第十二透镜一(B12)、双凸型的第十三透镜一(B13)、弯月型的第十四透镜一(B14)、双凸型的第十五透镜一(B15)、双凹型的第十六透镜一(B16)、弯月型的第十七透镜一(B17)、以及负弯月型的第十八透镜一(B18)；
所述第八透镜一(B8)和第九透镜一(B9)组成密接的双胶合组，所述第十透镜一(B10)、第十一透镜一(B11)和第十二透镜一(B12)组成密接的三胶合组，所述第十五透镜一(B15)和第十六透镜一(B16)组成密接的双胶合组。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的纳米激光直写物镜，其特征在于：所述第三群组(C)包括沿着光线入射方向依次设置的第一双胶合组透镜、第二双胶合组透镜、以及至少一个的弯月型透镜；
沿着光线入射方向,所述第一双胶合组透镜由负弯月型的第十九透镜一(C19)和负弯月型的第二十透镜一(C20)密接胶合而成；
第二双胶合组透镜由弯月型的第二十一透镜一(C21)和弯月型的第二十二透镜一(C22)密接胶合而成。
7.根据权利要求6所述的纳米激光直写物镜，其特征在于：所述第三群组(C)中弯月型透镜的数量为两个，分别为沿着光线入射方向依次设置在第二双胶合组透镜像方一侧的第二十三透镜一(C23)和第二十四透镜一(C24)。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的纳米激光直写物镜，其特征在于：所述第二群组(B)包括沿着光线入射方向依次设置的双凹型的第八透镜二(B8’)、双凸型的第九透镜二(B9’)、双凸型的第十透镜二(B10’)、双凹型的第十一透镜二(B11’)、双凸型的第十二透镜二(B12’)、负弯月型的第十三透镜二(B13’)、双凸型的第十四透镜二(B14’)、双凹型的第十五透镜二(B15’)、双凸型的第十六透镜二(B16’)、双凹型的第十七透镜二(B17’)、双凸型的第十八透镜二(B18’)、以及双凹型的第十九透镜二(B19’)；
所述第八透镜二(B8’)和第九透镜二(B9’)组成密接的双胶合组，所述第十透镜二(B10’)、第十一透镜二(B11’)和第十二透镜二(B12’)组成密接的三胶合组，所述第十四透镜二(B14’)和第十五透镜二(B15’)组成密接的双胶合组，所述第十六透镜二(B16’)和第十七透镜二(B17’)组成密接的双胶合组；所述第十八透镜二(B18’)和第十九透镜二(B19’)组成密接的双胶合组。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的纳米激光直写物镜，其特征在于：所述第三群组(C)包括沿着光线入射方向依次设置的弯月型的第二十透镜二(C20’)、弯月型的第二十一透镜二(C21’)、弯月型的第二十二透镜二(C22’)、双凸型的第二十三透镜二(C23’)、负弯月型的第二十四透镜二(C24’)、弯月型的第二十五透镜二(C25’)、弯月型的第二十六透镜二(C26’)、以及弯月型的第二十七透镜二(C27’)；
所述第二十一透镜二(C21’)和第二十二透镜二(C22’)组成密接的双胶合组，所述第二十三透镜二(C23’)第二十四透镜二(C24’)组成密接的双胶合组，所述第二十六透镜二(C26’)和第二十七透镜二(C27’)组成密接的双胶合组。
10.根据权利要求8所述的纳米激光直写物镜，其特征在于：所述第八透镜二(B8’)至第十二透镜二(B12’)组成内对焦组，所述内对焦组沿着光轴方向在第七透镜(A7)和第十三透镜二(B13’)之间可调移动设置。
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