CN114185152B - 一种用于飞点扫描干涉仪的像方远心物镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞点扫描干涉仪的像方远心物镜，涉及光学系统领域，其包括沿光轴方向从物侧至像侧依次设有具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜、具有负光焦度的第六透镜、具有负光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有负光焦度的第十透镜、具有正光焦度的第十一透镜和具有正光焦度的第十二透镜；还包括入瞳和视场主光线，入瞳和第二透镜设在第一透镜的相对侧。本发明将该成像镜头具备合理的光焦度分配，可以有效抑制像差。

Description

一种用于飞点扫描干涉仪的像方远心物镜

技术领域

本发明涉及光学系统，具体涉及一种用于飞点扫描干涉仪的像方远心物镜。

背景技术

飞点扫描干涉技术利用白光做光源，通过棱镜分光、振镜扫描、光谱分光等一系列技术，分析光谱干涉信号确定表面形貌，相比传统白光干涉技术不需要景深方向扫描，测量速度极大提到，该技术可以测量绝对距离、薄膜特性等。现有干涉仪用入瞳距离短、扫描物镜数值孔径偏小，不满足高分辨率、大镜面反射角的需求。目前推出飞点扫描干涉仪的公司主要是precitec，其产品列表参数扫描物镜数值孔径分别为NA＝0.015和NA＝0.05两个系列，中心波长为840nm时分别对应横向分辨率R＝34.16um和R＝10.25um，可接收最大镜面反射角ang＝±1 度和ang＝±3度。但是在有些高分辨率需求应用场合需要更大的NA才能满足要求，并且受制于系统结构限制，需要长入瞳距的光学系统，以便有足够空间将振镜放置在入瞳位置。另外，在一些存在倾斜的镜面反射样品需要镜头具备更大的接收镜面反射角，即需要镜头具备更大的NA。

传统干涉仪用扫描物镜(其中f为物镜焦距)，分辨率低，且飞点扫描干涉仪现有扫描物镜数值孔径小，不能满足更高分辨率的需求，并且受制于系统结构限制，需要长入瞳距的光学系统，以便有足够空间将振镜放置在入瞳位置。

中国专利CN202011148967.6涉及一种面阵点扫描分光白光干涉仪，SLD光源发射宽带光谱，光依次通过隔离器、光纤耦合器，光纤端出射光经过准直器进行准直，被准直光入射到分光棱镜，一束光反射经过第三透镜聚焦到反射镜作为参考臂，一束光入射到XY扫描振镜，由扫描振镜反射出具备一定视场角的光线入射到第四透镜，由第四透镜聚焦到样品实现面阵扫描。其中XY扫描振镜放置在第四透镜的物方焦平面位置，使得第四透镜聚焦光线为像方远心光路；其可以高速、简洁、高精度实现面阵扫描。但是该专利扫描物镜数值孔径偏小，不满足高分辨率、大镜面反射角的需求。

中国专利CN201911335716.6适用显微物镜高精度光学成像技术领域，提供了一种宽谱段大数值孔径的显微物镜，其特征在于，显微物镜从物平面到像平面沿光路方向依次包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组；第一透镜组为折反射式透镜组，将物平面发出的光线成像到一次像面，第一透镜组用于增大数值孔径和矫正色差，且具有正光角度；第二透镜组、第三透镜组将一次像面的光线以平行光发射出去，第二透镜组、第三透镜组均具有负光角度。该显微物镜利用2 次折叠光路，合理利用非球面有效校正系统高级球差，整个光学系统采用同种光学材料，成像谱段可达到300nm-800nm，结合后端浸液，系统数值孔径可达到 1.0，成像线视场可达到4.0mm，有效地实现了在具备大视场的同时兼顾高分辨率。但是该专利的没有足够空间将振镜放置在入瞳位置。

发明内容

为了解决扫描物镜数值孔径偏小，不能满足高分辨率、大镜面反射角需求的技术问题，本发明提供了一种用于飞点扫描干涉仪的像方远心物镜。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于飞点扫描干涉仪的像方远心物镜，包括沿光轴方向从物侧至像侧依次设有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜；

所述第一透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有正光焦度，所述第三透镜具有正光焦度第三透镜，所述第四透镜具有负光焦度，所述第五透镜具有正光焦度，所述第六透镜具有负光焦度，所述第七透镜具有负光焦度，所述第八透镜具有正光焦度，所述第九透镜具有正光焦度，所述第十透镜具有负光焦度，所述第十一透镜具有正光焦度，所述第十二透镜具有正光焦度；

还包括入瞳和视场主光线，所述入瞳设于第一透镜的一侧，且入瞳和第二透镜设在第一透镜的不同侧；所述视场主光线设在第十二透镜第一侧。

进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十一透镜和第十二透镜均为球面透镜；所述第十透镜为胶合透镜。

进一步地，所述入瞳设于物镜物方焦平面的位置。

进一步地，所述第一透镜的焦距f1的取值范围为-10≤f1/f≤-1；

进一步地，所述第二透镜的焦距f2的取值范围为-10≤f2/f≤-1；

进一步地，所述第三透镜的焦距f3的取值范围为-10≤f3/f≤-0.5；

进一步地，所述第四透镜的焦距f4的取值范围为0.5≤f4/f≤10；

进一步地，所述第五透镜的焦距f5的取值范围为-5≤f5/f≤-0.5；

进一步地，所述第六透镜的焦距f6的取值范围为0.5≤f6/f≤5；

进一步地，所述第七透镜的焦距f7的取值范围为1≤f7/f≤10；

进一步地，所述第八透镜的焦距f8的取值范围为-10≤f8/f≤-1；

进一步地，所述第九透镜的焦距f9的取值范围为-10≤f9/f≤-1；

进一步地，所述第十透镜的焦距f10的取值范围为10≤f10/f≤100；

进一步地，所述第十一透镜的焦距f11的取值范围为-10≤f11/f≤-1；

进一步地，所述第十二透镜的焦距f12的取值范围为-5≤f12/f≤-0.5；其中，f 为组合镜头的焦距。

进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成将不同视场的光线汇聚在第一镜组的像面处。

进一步地，所述第五透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜组成具有消除第一镜组产生场曲的第二镜组。

进一步地，所述第五透镜处形成有一次像面。

进一步地，所述视场主光线经过第十二透镜后垂直射向像面。

进一步地，物镜的数值孔径NA的取值范围为0.4≤NA≤0.6。

进一步地，物镜的远心度CRA的取值范围为CRA≤0.3度。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体体现在：

(1)本发明的长入瞳距、大数值孔径的像方远心物镜，具有较高分辨率，大的接收镜面反射角。

(2)本发明中的镜组1将不同视场的光线汇聚在一次像面处(非远心光路)，其作用是保证入瞳距足够长并且满足L_入瞳距＞|f|，以便能放置扫描振镜。

(3)本发明中的镜组2的作用是保证物镜出射光路为远心光路，有助于消除镜组1产生的场曲。

(4)本发明中的第五透镜处在一次像面处，有助于消除像散和场曲；第十胶合透镜有助于消除球差、轴向色差；第十一透镜及第十二透镜有助于消除球差、像散，以及改变光线方向走向，有助于像方远心的实现。

(5)本发明将该成像镜头具备合理的光焦度分配，可以有效抑制像差。

附图说明

图1为飞点扫描干涉仪原理图；

图2为本发明的像方远心扫描物镜结构示意图；

图3为实施例1像方远心扫描物镜MTF曲线图；

图4为实施例1像方远心扫描物镜f-θ畸变曲线图；

图5为实施例1远心度曲线图；

图6为实施例2像方远心扫描物镜MTF曲线图；

图7为实施例2像方远心扫描物镜f-θ畸变曲线图；

图8为实施例2远心度曲线图；

图9为实施例3像方远心扫描物镜MTF曲线图；

图10为实施例3像方远心扫描物镜f-θ畸变曲线图；

图11为实施例3远心度曲线图。

附图标记如下：1.第一透镜；2.第二透镜；3.第三透镜；4.第四透镜；5.第五透镜；6.第六透镜；7.第七透镜；8.第八透镜；9.第九透镜；10.第十透镜；11.第十一透镜；12.第十二透镜；13.像面；14.入瞳；15.视场主光线；16.SLD光源；17.耦合器；18.准直器；19.分光棱镜；20.参考臂；21.透镜一；22.反射镜；23. 样品臂；24.XY扫描振镜；25.物镜入瞳；26.扫描物镜；27.样品；28.样品台；29. 透镜二；30.光栅；31.透镜三；32.相机；33.计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例

根据图1所示的点扫描干涉仪原理图，SLD光源16发射宽带光谱通过光纤耦合器17，光纤端出射光经过准直器18进行准直，被准直光入射到分光棱镜19，一束光反射经过透镜一21聚焦到反射镜22作为参考臂20，一束光入射到XY 扫描振镜24，由扫描振镜24反射出具备一定视场角的光线入射到扫描物镜26，由扫描物镜26聚焦到样品实现快速飞点扫描，该视场角范围为0≤|θ|≤8.5°。其中XY扫描振镜24放置在扫描物镜26的物镜入瞳25位置，并且扫描物镜入瞳25和扫描物镜26物方焦平面位置重合，使得扫描物镜26聚焦光线为像方远心光路。其中XY扫描振镜24、扫描物镜入瞳25、扫描物镜26、样品27和样品台28从上至下一次布置并构成样品臂23，后经参考臂20和样品臂23反射回来的光，传回至透镜二29，透镜二29将返回光准直入射至光栅30，经光栅30分光后由透镜三31聚焦到相机32采集光谱干涉信号，最终将信号传输至计算机 33内。

而根据镜头分辨率R和数值孔径NA关系式，选取SLD光源为常用的中心波长＝0.84um：

R＝0.61λ/NA (1)

镜头可接收最大镜面反射角ang和数值孔径NA关系式：

ang＝asin(NA) (2)

所以，镜头分辨率R、可接收最大镜面反射角ang完全取决于NA的大小， NA越大，R越小，分辨率越高，反射角ang越大。

如图2所示的一种用于飞点扫描干涉仪的像方远心物镜，包括沿光轴方向从物侧至像侧依次设有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11和第十二透镜12；

所述第一透镜1具有正光焦度，所述第二透镜2具有正光焦度，所述第三透镜3具有正光焦度第三透镜，所述第四透镜4具有负光焦度，所述第五透镜5 具有正光焦度，所述第六透镜6具有负光焦度，所述第七透镜7具有负光焦度，所述第八透镜8具有正光焦度，所述第九透镜9具有正光焦度，所述第十透镜 10具有负光焦度，所述第十一透镜11具有正光焦度，所述第十二透镜12具有正光焦度；

还包括入瞳14和视场主光线15，所述入瞳14设于第一透镜1的一侧，且入瞳14和第二透镜2设在第一透镜1的相对侧；不同的所述视场主光线15设在第十二透镜12第一侧，每个视场都有主光线且都会穿过每一个透镜，视场主光线15只是经过第十二透镜后垂直射向像面的，而视场主光线15垂直射向像面说明了是像方远心光路。

进一步地，所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十一透镜11和第十二透镜12均为球面透镜；所述第十透镜10为胶合透镜。

所述入瞳14设于物镜物方焦平面的位置。所述第一透镜的焦距f1的取值范围为-10≤f1/f≤-1；所述第二透镜的焦距f2的取值范围为-10≤f2/f≤-1；所述第三透镜的焦距f3的取值范围为-10≤f3/f≤-0.5；所述第四透镜的焦距f4的取值范围为 0.5≤f4/f≤10；所述第五透镜的焦距f5的取值范围为-5≤f5/f≤-0.5；所述第六透镜的焦距f6的取值范围为0.5≤f6/f≤5；所述第七透镜的焦距f7的取值范围为 1≤f7/f≤10；所述第八透镜的焦距f8的取值范围为-10≤f8/f≤-1；所述第九透镜的焦距f9的取值范围为-10≤f9/f≤-1；所述第十透镜的焦距f10的取值范围为 10≤f10/f≤100；所述第十一透镜的焦距f11的取值范围为-10≤f11/f≤-1；所述第十二透镜的焦距f12的取值范围为-5≤f12/f≤-0.5；其中，f为组合镜头的焦距。所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4组成将不同视场的光线汇聚在第一镜组的像面处。所述第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11和第十二透镜12组成具有消除第一镜组产生场曲的第二镜组。所述一次像面在第五透镜5处形成。物镜的数值孔径 NA的取值范围为0.4≤NA≤0.6。物镜的远心度CRA的取值范围为CRA≤0.3度。具体的条件满足情况见下表1：

表1

条件式	实施例1	实施例2	实施例3
				-10≤f1/f≤-1	-5.6	-5.64	-6.28
-10≤f2/f≤-1	-4.9	-5.1	-5.87
				-10≤f3/f≤-0.5	-5.32	-4.78	-6.13
0.5≤f4/f≤10	4.65	1.97	1.44
				-5≤f5/f≤-0.5	-1.96	-2.57	-2.79
0.5≤f6/f≤5	1.37	1.41	1.02
				1≤f7/f≤10	5.46	5.72	5.38
-10≤f8/f≤-1	-3.68	-4.27	-4.16
				-10≤f9/f≤-1	-4.92	-4.56	-5.13
1≤f10/f≤100	46.51	47.92	15.56
				-10≤f11/f≤-1	-5.61	-6.21	-5.35
-5≤f12/f≤-0.5	-2.64	-2.65	-1.63
				0.4≤NA≤0.6	0.4	0.5	0.6
CRA≤0.3	0.3	0.3	0.3
				R(um)	1.28	1	0.83
Ang(度)	±23.5	±30	±36.87

实施例1

如上所述，镜头NA＝0.4，详细设计参数如表2。镜头成像质量MTF曲线图如图3，其中纵坐标代表MTF值，横坐标代表分辨率线对数，横坐标单位为lp/mm，其中黑线代表光学系统衍射分辨率极限，设计曲线越贴近衍射极限，分辨率越高，全视场下MTF接近衍射极限，具有高分辨率；镜头畸变曲线如图 4，其中横坐标代表畸变的数值，数值越小，畸变越小，纵坐标代表镜头视场大小，曲线代表不同视场的畸变大小，畸变小于1％；镜头远心度曲线如图5，其中横坐标代表成像像高(也代表不同的视场)，纵坐标代表主光线与像面的夹角，曲线代表不同视场的主光线与像面的夹角，夹角越小，曲线越贴近0水平线，远心度越小，且远心度CRA≤0.3度；由式(1)和(2)计算出分辨率R＝1.28um，允许最大镜面反射角ang＝±23.5度。

表2实施例1设计参数

实施例2

如上所述，镜头NA＝0.5，参数如表3。镜头成像质量MTF曲线图如图 6，其中纵坐标代表MTF值，横坐标代表分辨率线对数，横坐标单位为lp/mm，全视场下MTF接近衍射极限，具有高分辨率；镜头畸变曲线如图7，其中横坐标代表畸变的数值，数值越小，畸变越小，纵坐标代表镜头视场大小，曲线代表不同视场的畸变大小，畸变小于1％；镜头远心度曲线如图8，其横坐标代表不同视场下的成像像高，纵坐标代表主光线与像面的夹角，曲线代表不同视场的主光线与像面的夹角，夹角越小，曲线越贴近0水平线，远心度越小，远心度 CRA≤0.3度；由式(1)和(2)得出分辨率R＝1um，其最大镜面反射角ang＝±30 度。

表3实施例2设计参数

实施例3

镜头NA＝0.6，详见如表4。镜头成像质量MTF曲线图如图9，全视场下MTF接近衍射极限，其中纵坐标代表MTF值，横坐标代表分辨率线对数，横坐标单位为lp/mm，具有高分辨率；镜头畸变曲线如图10，其横坐标代表畸变数值，数值越小，畸变越小，纵坐标代表镜头视场大小，曲线代表不同视场的畸变大小，畸变小于1.5％；镜头远心度曲线如图11，其中横坐标代表成像像高 (也代表不同的视场)，纵坐标代表主光线与像面的夹角，曲线代表不同视场的主光线与像面的夹角，夹角越小，曲线越贴近0水平线，远心度越小，远心度 CRA≤0.3度；由式(1)和(2)计算出分辨率R＝0.83um，允许最大镜面反射角 ang＝±36.87度。

表4实施例3设计参数

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于飞点扫描干涉仪的像方远心物镜，其特征在于，沿光轴方向从物侧至像侧依次设有由第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜组成的像方远心物镜；

所述第一透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有正光焦度，所述第三透镜具有正光焦度第三透镜，所述第四透镜具有负光焦度，所述第五透镜具有正光焦度，所述第六透镜具有负光焦度，所述第七透镜具有负光焦度，所述第八透镜具有正光焦度，所述第九透镜具有正光焦度，所述第十透镜具有负光焦度，所述第十一透镜具有正光焦度，所述第十二透镜具有正光焦度；

还包括入瞳和视场主光线，所述入瞳设于第一透镜的一侧，且入瞳和第二透镜设在第一透镜的相对侧；所述视场主光线设在第十二透镜第一侧；

其中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十一透镜和第十二透镜均为球面透镜；所述第十透镜为胶合透镜；

所述入瞳设于物镜物方焦平面的位置；

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成将不同视场的光线汇聚在第一镜组的像面处；

所述第五透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜组成具有消除第一镜组产生场曲的第二镜组；

所述第五透镜处形成有一次像面；

所述视场主光线经过第十二透镜后垂直射向像面。

2.根据权利要求1所述的一种用于飞点扫描干涉仪的像方远心物镜，其特征在于，所述第一透镜的焦距f1的取值范围为-10≤f1/f≤-1；

所述第二透镜的焦距f2的取值范围为-10≤f2/f≤-1；

所述第三透镜的焦距f3的取值范围为-10≤f3/f≤-0.5；

所述第四透镜的焦距f4的取值范围为0.5≤f4/f≤10；

所述第五透镜的焦距f5的取值范围为-5≤f5/f≤-0.5；

所述第六透镜的焦距f6的取值范围为0.5≤f6/f≤5；

所述第七透镜的焦距f7的取值范围为1≤f7/f≤10；

所述第八透镜的焦距f8的取值范围为-10≤f8/f≤-1；

所述第九透镜的焦距f9的取值范围为-10≤f9/f≤-1；

所述第十透镜的焦距f10的取值范围为10≤f10/f≤100；

所述第十一透镜的焦距f11的取值范围为-10≤f11/f≤-1；

所述第十二透镜的焦距f12的取值范围为-5≤f12/f≤-0.5；

其中，f为组合镜头的焦距。

3.根据权利要求1所述的一种用于飞点扫描干涉仪的像方远心物镜，其特征在于，物镜的数值孔径NA的取值范围为0.4≤NA≤0.6。

4.根据权利要求1所述的一种用于飞点扫描干涉仪的像方远心物镜，其特征在于，物镜的远心度CRA的取值范围为CRA≤0.3度。