CN114488491B - 大孔径激光直写物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大孔径激光直写物镜。包括沿光线入射方向依次设置的负光焦度的第一群组、负光焦度的第二群组、以及正光焦度的第三群组；其中第一群组为变形双高斯的结构，有利用消除垂轴色差，比如倍率色差、慧差、像差、畸变等；第二群组由双胶合透镜和三胶合透镜组成，有利于消除系统的轴向色差，第三群组中有一枚弯月型单透镜起到齐明透镜的作用，可以大幅提高数值孔径，所述第二群组为内对焦组，并沿光轴方向移动可调。本发明数值孔径NA值在0.6～1.0之间，通过移动第二群组，达到对双光子光刻胶折射率的变动进行适应，同时扩大了像方视场，且倍率色差在衍射极限内。

Description

大孔径激光直写物镜
技术领域
本发明涉及光学镜头领域，尤其为大孔径激光直写物镜。
背景技术
与传统的微纳加工技术相比，激光微纳加工技术具有非接触、结构简单、精度高、绿色环保等优点。随着飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术的快速发展，利用双光子吸收效应这种激光与物质作用的阈值效应，通过激光直写加工即可以实现百纳米尺度的分辨率。
激光直写曝光系统其直写光刻分辨率，与光学系统的聚焦能力直接相关。大数值孔径显微物镜具有聚焦能力、高分辨力，非常适合用于聚焦飞秒激光来进行微纳加工，以获得超高的加工精度。
常规的直写曝光系统所采用的无限远校正显微物镜，不针对双光子光刻胶折射率的变化进行专门的优化，以及像方视场不够大。
发明内容
本发明的目的在于：克服以上缺点提供一种大孔径激光直写物镜，该物镜的数值孔径NA值在0.6～1.0之间，通过移动第二群组，达到对双光子光刻胶折射率的变动进行适应，同时扩大了像方视场，且倍率色差在衍射极限内。
本发明通过如下技术方案实现：一种大孔径激光直写物镜，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、负光焦度的第二群组、以及正光焦度的第三群组；
其中第一群组为变形双高斯的结构，有利用消除垂轴色差，比如倍率色差、慧差、像差、畸变等；第二群组由双胶合透镜和三胶合透镜组成，有利于消除系统的轴向色差，第三群组中有一枚弯月型单透镜起到齐明透镜的作用，可以大幅提高数值孔径，所述第二群组为内对焦组，并沿光轴方向移动可调。
为了更好的实施本方案，还提供如下优化方案：
优选地，其中各群组的焦距满足以下关系：
12.5＜|fA/fS|＜24.5；
1.1＜|fC/fS|＜3.2；
其中：fA为第一群组的焦距，fC为第三群组的焦距；fS为物镜的焦距；
所述第一群组的焦距fA为：-282mm＜fA＜-120mm；
所述第三群组的焦距fC为：16mm＜fC＜25mm。
为了提高分辨率，在第二群组中至少有一枚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两枚镜片使用低色散材料，所述超低色散材料的阿贝数范围为65～100。
较之前技术而言，本发明的有益效果为：
1.本发明所述的一种大孔径激光直写物镜，该物镜的NA值为0.6～1.0之间，并且可对双光子光刻胶折射率的变化进行优化，而且像方视场较大，且倍率色差在衍射极限内。
2.本发明的第一群组为变形双高斯的结构，有利于消除垂轴色差，比如倍率色差、慧差、像差、畸变等，第二群组由双胶合透镜和三胶合透镜组成，有利于消除系统的轴向色差，第三群组中有一枚弯月型单透镜起到齐明透镜的作用，可以大幅提高数值孔径。
3.本发明的第二群组中至少有一枚镜片使用超低色散材料，第三群组中至少有两枚镜片使用低色散材料，可提高系统的分辨率。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图；
图2为实施一的光程差曲线图一(工作介质折射率为1.522，阿贝数为34.056)；
图3为实施例一的光程差曲线图二(工作介质折射率为1.502，阿贝数为42)；
图4为实施例一光程差曲线图三(工作介质折射率为1.542，阿贝数为34.056)；
图5为实施例一的倍率色差图一(工作介质折射率为1.522，阿贝数为34.056)；
图6为实施例一的倍率色差图二(工作介质折射率为1.502，阿贝数为42)；
图7为实施例一的倍率色差图三(工作介质折射率为1.522，阿贝数为34.056)；
图8为实施例二的结构示意图；
图9为实施二的光程差曲线图一(工作介质折射率为1.522，阿贝数为34.056)；
图10为实施例二的光程差曲线图二(工作介质折射率为1.514，阿贝数为38)；
图11为实施例二光程差曲线图三(工作介质折射率为1.530，阿贝数为34.056)；
图12为实施例二的倍率色差图一(工作介质折射率为1.522，阿贝数为34.056)；
图13为实施例二的倍率色差图二(工作介质折射率为1.514，阿贝数为38)；
图14为实施例二的倍率色差图三(工作介质折射率为1.530，阿贝数为34.056)。
标号说明：A-第一群组、B-第二群组、C-第三群组。
具体实施方式
下面结合附图说明对本发明做详细说明：
实施例一：
如图1-7所示，所述镜头焦距fS为12.34mm，NA为0.8，像面直径为3.07，入瞳直径19.75mm，视场角为14.3°，镜头总长为201.0mm。各个透镜的曲率半径、中心厚度、折射率nd和阿贝数vd等数据，如下表所示：
Figure GDA0003580560770000051
Figure GDA0003580560770000061
表中表面序号为沿光线入射的方向依次设置的；
上表中的可变数据如下
第1个状态 第2个状态 第3个状态
第35面折射率 1.522 1.502 1.542
第35面阿贝数 34.056 42 34.056
第12面厚度 42.8566 42.9305 42.828
第19面厚度 0.6302 0.6 0.6587
第35面厚度 1 0.9909 1.0091
带*记号的数字意味该表面为非球面。非球面公式如下：
Figure GDA0003580560770000071
其中，c为曲率半径，非球面系数如下表：
Figure GDA0003580560770000072
Figure GDA0003580560770000081
根据以上表格的数据及相关的公式可得到：
fS＝12.34，fA＝-233.53，fC＝22.18，|fA/fS|＝18.92，|fC/fS|＝1.80，Vd15＝95.10，Vd22＝68.62，Vd29＝70.44；
其中：fA为第一群组的焦距，fC为第三群组的焦距，fS为物镜的焦距，Vd15第十五透镜的阿贝系数，Vd22第二十二透镜的阿贝系数，Vd29第二十九透镜的阿贝系数。
下面通过对实施例一进行详细的光学系统分析，进一步介绍本实施例一所提供的镜头。
图2是系统在工作介质折射率为1.522，阿贝数为34.056时光程差曲线图。图3是系统在工作介质折射率为1.502，阿贝数为42时光程差曲线图。图4是系统在工作介质折射率为1.542，阿贝数为34.056时光程差曲线图。可以看出，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。图5至图7的工作介质与图2至图4的一致，可以看出各波段内的各倍率色差也都在衍射极限内。
为了实现工作介质其折射率发生波动时，系统性能基本保持不变，所述第八至第十二透镜组成第二群组B，为内对焦组，所述内对焦组沿着光轴方向在第七透镜和第十三透镜之间可调移动设置，以便在系统总长不变(不含工作介质的厚度)时，进行调整。
实施例二：
所述镜头焦距fS为9.87mm，NA为1.0，像面直径为2.08，入瞳直径19.75mm，视场角为12°，镜头总长为219.1mm。各个透镜的曲率半径、中心厚度、折射率nd和阿贝数vd等数据，如下表所示。
Figure GDA0003580560770000091
Figure GDA0003580560770000101
表中表面序号为沿光线入射的方向依次设置的；
上表中的可变数据如下
第1个状态 第2个状态 第3个状态
第35面折射率 1.522 1.514 1.53
第35面阿贝数 34.056 38 34.056
第12面厚度 60.6512 60.6742 60.6274
第19面厚度 0.523 0.5 0.5468
第35面厚度 0.5 0.4984 0.5023
带*记号的数字意味该表面为非球面。
其中，c为曲率半径，非球面系数如下表：
第12面 第20面 第25面 第28面
K -7.806E+01 5.480E+01 3.758E+01 1.385E+01
α<sub>2</sub> -1.057E+00 1.973E+00 -1.048E+01 -8.329E-01
α<sub>3</sub> -2.505E-08 1.319E-07 1.025E-05 3.907E-05
α<sub>4</sub> 4.381E-10 1.238E-09 -1.303E-07 1.869E-07
α<sub>5</sub> 1.892E-13 1.335E-12 2.541E-10 6.316E-10
α<sub>6</sub> -1.051E-15 -3.483E-15 -6.277E-13 2.465E-12
α<sub>7</sub> 5.330E-19 3.950E-18 1.672E-15
α<sub>8</sub>
根据以上表格的数据及相关的公式可得到：
fS＝9.87，fA＝-177.43，fC＝20.29，|fA/fS|＝17.98，|fC/fS|＝2.06，Vd15＝95.10，Vd22＝95.10，Vd29＝95.10，其中其中：fA为第一群组的焦距，fC为第三群组的焦距，fS为物镜的焦距，Vd15第十五透镜的阿贝系数，Vd22第二十二透镜的阿贝系数，Vd29第二十九透镜的阿贝系数。
下面通过对实施例二进行详细的光学系统分析，进一步介绍本实施例二所提供的镜头。
图9是系统在工作介质折射率为1.522，阿贝数为34.056时光程差曲线图。图10是系统在工作介质折射率为1.514，阿贝数为38时光程差曲线图。图11是系统在工作介质折射率为1.530，阿贝数为34.056时光程差曲线图。可以看出，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。图12至图14的工作介质与图9至图11的一致，可以看出各波段内的各倍率色差也都在衍射极限内。
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，所述第八至第十二透镜组成第二群组B，为内对焦组，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。
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 (6)

1.一种大孔径激光直写物镜，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)、可移动的负光焦度的第二群组(B)、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：
12.5＜|fA/fS|＜24.5；
1.1＜|fC/fS|＜3.2；
其中：fA为第一群组的焦距，fC为第三群组的焦距，fS为物镜的焦距；
所述第一群组的焦距fA为：-282mm＜fA＜-120mm；
所述第三群组的焦距fC为：16mm＜fC＜25mm；
所述大孔径激光直写物镜的数值孔径NA值在0.6～1.0之间，所述第一群组(A)为变形双高斯结构，所述第二群组(B)由双胶合透镜和三胶合透镜组成，第三群组(C)中的一枚弯月型单透镜为齐明透镜；
在第二群组(A)中至少有一枚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；
在第三群组(C)中至少有两枚镜片使用低色散材料，所述超低色散材料的阿贝数范围为65～100。
2.根据权利要求1所述的大孔径激光直写物镜，其特征在于：所述第一群组(A)包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜(A1)、第二透镜(A2)、第三透镜(A3)、第四透镜(A4)、第五透镜(A5)、第六透镜(A6)和第七透镜(A7)；
所述第一透镜(A1)为正光焦度的弯月透镜，第二透镜(A2)为正光焦度的双凸透镜，第三透镜(A3)为负光焦度的双凹透镜，所述第三透镜(A3)和第二透镜(A2)组成双胶合组，第四透镜(A4)为负光焦度的双凹透镜，第五透镜(A5)为负光焦度的双凹透镜，第六透镜(A6)为正光焦度的双凸透镜，所述第六透镜(A6)和第五透镜(A5)组成双胶合组，第七透镜(A7)为正光焦度的双凸透镜。
3.根据权利要求2所述的大孔径激光直写物镜，其特征在于：所述第二群组(B)包括沿光线入射方向依次设置的第八透镜(B8)、第九透镜(B9)、第十透镜(B10)、第十一透镜(B11)和第十二透镜(B12)；
所述第八透镜(B8)为正光焦度的双凸透镜，所述第九透镜(B9)为负光焦度的双凹透镜，第十透镜(B10)为正光焦度的双凸透镜，所述第八透镜(B8)、第九透镜(B9)和第十透镜(B10)组成三胶合组，第十一透镜(B11)为负光焦度的双凹透镜，第十二透镜(B12)为正光焦度的弯月透镜，所述第十一透镜(B11)和第十二透镜(B12)组成双胶合组。
4.根据权利要求3所述的大孔径激光直写物镜，其特征在于：所述第三群组(C)包括沿光线入射方向依次设置的第十三透镜(C13)、第十四透镜(C14)、第十五透镜(C15)、第十六透镜(C16)、第十七透镜(C17)、第十八透镜(C18)、第十九透镜(C19)、第二十透镜(C20)、第二十一透镜(C21)和第二十二透镜(C22)；
所述第十三透镜(C13)为正光焦度的双凸透镜，第十四透镜(C14)为正光焦度的双凸透镜，第十五透镜(C15)为负光焦度的双凹透镜，第十五透镜(C15)和第十四透镜(C14)组成双胶合组，第十六透镜(C16)为正光焦度的双凸透镜，第十七透镜(C17)为负光焦度的双凹透镜，第十七透镜(C17)和第十六透镜(C16)组成双胶合组，第十八透镜(C18)为正光焦度的双凸透镜，第十九透镜(C19)为负光焦度的双凹透镜，第十九透镜(C19)和第十八透镜(C18)组成双胶合组，第二十透镜(C20)为正光焦度的弯月透镜，第二十一透镜(C21)为负光焦度的弯月透镜，第二十二透镜(C22)为正光焦度的平凸透镜，第二十二透镜(C22)和第二十一透镜(C21)组成双胶合组。
5.根据权利要求2所述的大孔径激光直写物镜，其特征在于：所述第二群组(B)包括沿光线入射方向依次设置的第八透镜(B8)、第九透镜(B9)、第十透镜(B10)、第十一透镜(B11)和第十二透镜(B12)；
所述第八透镜(B8)为正光焦度的双凸透镜，所述第九透镜(B9)为负光焦度的双凹透镜，第十透镜(B10)为正光焦度的双凸透镜，所述第八透镜(B8)、第九透镜(B9)和第十透镜(B10)组成三胶合组，第十一透镜(B11)为负光焦度的双凹透镜，第十二透镜(B12)为正光焦度的双凸透镜，所述第十一透镜(B11)和第十二透镜(B12)组成双胶合组。
6.根据权利要求5所述的大孔径激光直写物镜，其特征在于：所述第三群组(C)包括沿光线入射方向依次设置的第十三透镜(C13)、第十四透镜(C14)、第十五透镜(C15)、第十六透镜(C16)、第十七透镜(C17)、第十八透镜(C18)、第十九透镜(C19)、第二十透镜(C20)、第二十一透镜(C21)和第二十二透镜(C22)；
所述第十三透镜(C13)为正光焦度的弯月透镜，第十四透镜(C14)为正光焦度的双凸透镜，第十五透镜(C15)为负光焦度的双凹透镜，第十五透镜(C15)和第十四透镜(C14)组成双胶合组，第十六透镜(C16)为正光焦度的双凸透镜，第十七透镜(C17)为负光焦度的双凹透镜，第十七透镜(C17)和第十六透镜(C16)组成双胶合组，第十八透镜(C18)为正光焦度的弯月透镜，第十九透镜(C19)为负光焦度的弯月透镜，第十九透镜(C19)和第十八透镜(C18)组成双胶合组，第二十透镜(C20)为正光焦度的弯月透镜，第二十一透镜(C21)为负光焦度的弯月透镜，第二十二透镜(C22)为正光焦度的平凸透镜，第二十二透镜(C22)和第二十一透镜(C21)组成双胶合组。
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