CN117490607A - 一种检测柱面曲率半径的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学测量技术领域，尤其是涉及一种检测柱面曲率半径的装置及方法。检测柱面曲率半径的装置包括测量头，所述测量头用于检测待测柱面镜的曲率半径；所述测量头包括光源、十字分划板、分光镜、准直透镜、中继透镜和CCD相机；所述中继透镜为中继柱面镜。该装置的中继镜头采用柱面镜，则自准直仪的十字刻线经被测元件及柱面的中继透镜等在CCD相机上成清晰的十字像；可以更精确地调节待检元件的倾斜，实现柱面元件曲率半径的高精度检测。

Description

一种检测柱面曲率半径的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其是涉及一种检测柱面曲率半径的装置及方法。

背景技术

柱面镜是一种非球面透镜，可以在一维方向上放大光斑，常应用于光刻机照明系统的扩束镜组中。曲率半径是柱面镜的重要参数，其大小影响柱面镜的焦距，进而影响整个扩束镜组的放大倍率，扩束镜组放大后的光斑大小直接影响着光刻机照明系统的光学性能。因此在加工时，柱面镜的曲率半径公差需要严格控制，高精度柱面曲率半径检测具有重要的意义。

曲率半径测量技术可以分为接触式测量和非接触式测量两种。接触式测量方法会接触待检测曲率半径的光学表面，极容易划伤该表面。光刻机照明系统中的光学元件对表面光洁度要求较高，因此该方法不适用于检测该类光学元件的曲率半径。非接触式测量方法主要包括干涉法和自准直法。干涉法测量精度较高，但光路复杂，且干涉条纹容易受到气流、振动等环境因素的影响，设备成本高。自准直法测量精度较高，且操作简单，目前国内外的光电仪器公司均已基于此方法研发出比较成熟的检测仪器，如偏心仪、定心仪和焦距仪等等。其检测原理为：自准直仪的十字刻线经被测元件顶点及曲率中心产生反射，反射光经由中继透镜和自准直仪在CCD相机上成清晰的像；两个成像位置之间的距离即为曲率半径。

当使用此类仪器检测球面曲率半径时，在CCD相机上成清晰的十字像，调节待检元件的倾斜和偏移，使十字像位于CCD相机的正中心，且竖线和横线均不倾斜，则表示待检元件安装准确；检测柱面曲率半径时，曲率中心成像不是十字，而是一条竖线或横线，虽然可以调节此一维方向的像位于正中心且不倾斜，但无法判断另一维是否倾斜，进而导致待检元件安装可能倾斜，测量结果存在一定的误差。

发明内容

本发明的第一目的在于提供了一种检测柱面曲率半径的装置，该装置能够解决现有技术中存在的自准直法检测柱面镜曲率半径时曲率中心点只能在一维方向成竖线或横线像的问题；

本发明的第二目的在于提供了一种检测柱面曲率半径的方法，该方法采用如以上所述的检测柱面曲率半径的装置进行柱面镜曲率半径检测。

本发明提供一种检测柱面曲率半径的装置，其包括测量头，所述测量头用于检测待测柱面镜的曲率半径；

所述测量头包括光源、十字分划板、分光镜、准直透镜、中继透镜和CCD相机；

所述中继透镜为中继柱面镜。

优选的，所述分光镜镀有半反半透膜。

优选的，所述待测柱面镜分为待测凸柱面和待测凹柱面镜。

一种检测柱面曲率半径的方法，该方法采用如以上所述的检测柱面曲率半径的装置进行待测柱面镜曲率半径检测。

优选的，所述方法包括以下步骤：

光源发出的照射十字分划板的光，经分光镜反射和准直透镜透射后准直出射，准直光经中继柱面镜聚焦于待测柱面的顶点并反射，反射光经由中继柱面镜、准直透镜和分光镜透射聚焦于CCD相机上，并成十字像，记录测量头此时的位置；

移动测量头，准直光经中继柱面镜聚焦于待测柱面的曲率中心点并反射，在CCD相机上成十字像，记录测量头此时的位置；

测量头在两个成像位置之间的距离即为曲率半径。

优选的，在CCD相机上成十字像后，通过调整测量头的位置，调整成像的清晰度。

优选的，在CCD相机上成十字像后，调节待测柱面镜的偏移和倾斜，使成像位于CCD相机的中心且水平方向和竖直方向均与CCD相机基准线无夹角。

优选的，在两个成像位置，CCD相机上成十字像后，均进行测量头和待测柱面镜调节。

优选的，当待测柱面镜为凸柱面时，当检测完顶点像后，测量头向下移动检测曲率中心点像。

优选的，当待测柱面镜为凹柱面时，当检测完顶点像后，测量头向上移动检测曲率中心点像。

有益效果：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该装置及方法仍基于自准直法，中继镜头采用柱面镜，则自准直仪的十字刻线经待测柱面镜及柱面的中继透镜等在CCD相机上成清晰的十字像；可以更精确地调节待测柱面镜的倾斜，实现柱面元件曲率半径的高精度检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为常用自准直法的柱面曲率半径检测系统示意图；

图2为本检测方法的凸柱面曲率半径检测系统示意图；

图3为本检测方法的凹柱面曲率半径检测系统示意图；

图4为待测柱面倾斜时常用自准直法检测柱面曲率半径的顶点像；

图5为待测柱面倾斜时常用自准直法检测柱面曲率半径的曲率中心像；

图6为待测柱面倾斜时本检测方法检测柱面曲率半径的顶点像；

图7为待测柱面倾斜时本检测方法检测柱面曲率半径的曲率中心像。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为常用自准直法的柱面曲率半径检测系统示意图。如图1所示，目前常用的自准直法检测柱面镜曲率半径的检测光路由测量头0和待测柱面镜7两部分构成。测量头0包含：光源1、十字分划板2、分光镜3、准直透镜4、中继球面镜5和CCD相机6。其中，中继透镜为中继球面镜5。

检测时，首先安装待测柱面镜7。光源1发出的照射十字分划板2的光传播至分光镜3，分光镜3镀有半反半透膜，将50％的光反射50％的光透射；分光镜3的反射光通过准直透镜4后准直出射，

准直光经中继球面镜5聚焦于待测柱面镜7的顶点并反射，反射光经由中继球面镜5、准直透镜4和分光镜3透射聚焦于CCD相机6上,并在CCD相机6上成十字像。微调测量头0的位置，使此像最清晰。调节柱面镜的偏移和倾斜，使此像位于CCD相机的中心且水平方向和竖直方向均与CCD相机基准线无夹角。移动测量头0，准直光经中继球面镜5聚焦于待测柱面镜7的曲率中心点并原路反射，反射光经由中继球面镜5、准直透镜4和分光镜3透射聚焦于CCD相机6上,并在CCD相机6上成一条竖线或横线的像。调节测量头0的位置，使此像最清晰。调节柱面镜的偏移和倾斜，使此像位于CCD相机的中心且水平方向或竖直方向与CCD相机基准线无夹角。重复若干次此调节过程，使待测柱面镜7的顶点像和曲率中心点像均位于CCD相机的中心，且水平方向和竖直方向均与CCD相机基准线无夹角，则待测柱面镜7安装完毕。

然后检测柱面顶点像的位置。调节测量头0的位置，使准直光经中继球面镜5聚焦于待测柱面镜7的顶点并反射，且反射的十字像最清晰，记录测量头此时的位置Z₁。

最后检测柱面曲率中心点像的位置。调节测量头0的位置，使准直光经中继球面镜5聚焦于待测柱面镜7的曲率中心点并反射，且反射的竖线或横线像最清晰，记录测量头此时的位置Z₂。

待测柱面镜7的曲率半径R＝|Z₁-Z₂|。

图2为本检测方法的凸柱面曲率半径检测系统示意图。如图2所示，本检测方法将测量头0的中继透镜由中继球面镜优化为中继柱面镜5。检测步骤与上面一致，区别在于本方法的待测柱面曲率中心点像为十字像，在安装待测柱面镜更便于调节二维方向上的倾斜和偏移，使待测柱面镜安装准确。

检测时，首先安装待测柱面镜7。光源1发出的照射十字分划板2的光传播至分光镜3，分光镜3镀有半反半透膜，将50％的光反射50％的光透射；分光镜3的反射光通光准直透镜4后准直出射，

准直光经中继柱面镜5聚焦于待测柱面镜7的顶点并反射，反射光经由中继柱面镜5、准直透镜4和分光镜3透射聚焦于CCD相机6上,并在CCD相机6上成十字像。微调测量头0的位置，使此像最清晰。调节待测柱面镜7的偏移和倾斜，使此像位于CCD相机的中心且水平方向和竖直方向均与CCD相机基准线无夹角。移动测量头0，准直光经中继柱面镜5聚焦于待测柱面镜7的曲率中心点并原路反射，反射光经由中继柱面镜5、准直透镜4和分光镜3透射聚焦于CCD相机6上,并在CCD相机6上成十字像。调节测量头0的位置，使此像最清晰。调节待测柱面镜7的偏移和倾斜，使此像位于CCD相机的中心且水平方向和竖直方向均与CCD相机基准线无夹角。重复若干次此调节过程，使待测柱面镜7的顶点像和曲率中心点像均位于CCD相机的中心，且水平方向和竖直方向均与CCD相机基准线无夹角，则待测柱面镜7安装完毕。

然后检测待测柱面镜7顶点像的位置。调节测量头0的位置，使准直光经中继柱面镜5聚焦于待测柱面镜7的顶点并反射，且反射的十字像最清晰，记录测量头此时的位置Z₁。

最后检测待测柱面镜7曲率中心点像的位置。调节测量头0的位置，使准直光经中继柱面镜5聚焦于待测柱面镜7的曲率中心点并反射，且反射的十字像最清晰，记录测量头此时的位置Z₂。

待测柱面镜7的曲率半径R＝|Z₁-Z₂|。

图3为本检测方法的凹柱面曲率半径检测系统示意图。如图3所示，本检测方法检测凸柱面和凹柱面的曲率半径步骤完全一致。区别在于测量头移动的方向。凸柱面的曲率中心点在顶点的下方，所以检测完顶点像后，测量头0向下移动检测曲率中心点像。相反，凹柱面的曲率中心点在顶点的上方，所以检测完顶点像后，测量头0向上移动检测曲率中心点像。

使用光学设计软件对常用自准直法和本检测方法的两种检测系统进行建模和仿真，中继球面镜和中继柱面镜的焦距相同，其他元件均完全相同。将待测柱面镜绕z轴倾斜1°，图4为待测柱面镜倾斜时常用自准直法检测柱面曲率半径的顶点像，图5为待测柱面镜倾斜时常用自准直法检测柱面曲率半径的曲率中心像；如图4和图5所示，当待测柱面镜绕z轴倾斜1°，使用常用的自准直法检测柱面曲率半径时，顶点的十字像不倾斜，中心的一字像倾斜1°。

图6为待测柱面倾斜时本检测方法检测柱面镜曲率半径的顶点像，图7为待测柱面镜倾斜时本检测方法检测柱面曲率半径的曲率中心像；如图6和图7所示，当待测柱面镜绕z轴倾斜1°，使用本检测方法检测柱面镜曲率半径时，顶点的十字像横线不倾斜，竖线倾斜10°；曲率中心的十字像横线倾斜10°，竖线倾斜12°。

比较两种检测方法所成的像可以发现，当待测柱面镜绕z轴倾斜同一角度，本检测方法在CCD相机上所成像的倾斜角度更大，更容易发现柱面镜安装是否倾斜。因此，本方法对柱面镜的倾斜更敏感，能够更准确地安装待测柱面镜，进而使测量结果精度更高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种检测柱面曲率半径的装置，其特征在于，包括测量头，所述测量头用于检测待测柱面镜的曲率半径；

所述测量头包括光源、十字分划板、分光镜、准直透镜、中继透镜和CCD相机；

所述中继透镜为中继柱面镜。

2.根据权利要求1所述的检测柱面曲率半径的装置，其特征在于，所述分光镜镀有半反半透膜。

3.根据权利要求1所述的检测柱面曲率半径的装置，其特征在于，所述待测柱面镜分为待测凸柱面和待测凹柱面镜。

4.一种检测柱面曲率半径的方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1-3任意一项所述的检测柱面曲率半径的装置进行待测柱面镜曲率半径检测。

5.根据权利要求4所述的检测柱面曲率半径的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

光源发出的照射十字分划板的光，经分光镜反射和准直透镜透射后准直出射，准直光经中继柱面镜聚焦于待测柱面的顶点并反射，反射光经由中继柱面镜、准直透镜和分光镜透射聚焦于CCD相机上，并成十字像，记录测量头此时的位置；

移动测量头，准直光经中继柱面镜聚焦于待测柱面的曲率中心点并反射，在CCD相机上成十字像，记录测量头此时的位置；

测量头在两个成像位置之间的距离即为曲率半径。

6.根据权利要求5所述的检测柱面曲率半径的方法，其特征在于，在CCD相机上成十字像后，通过调整测量头的位置，调整成像的清晰度。

7.根据权利要求6所述的检测柱面曲率半径的方法，其特征在于，在CCD相机上成十字像后，调节待测柱面镜的偏移和倾斜，使成像位于CCD相机的中心且水平方向和竖直方向均与CCD相机基准线无夹角。

8.根据权利要求7所述的检测柱面曲率半径的方法，其特征在于，在两个成像位置，CCD相机上成十字像后，均进行测量头和待测柱面镜调节。

9.根据权利要求5所述的检测柱面曲率半径的方法，其特征在于，当待测柱面镜为凸柱面时，当检测完顶点像后，测量头向下移动检测曲率中心点像。

10.根据权利要求5所述的检测柱面曲率半径的方法，其特征在于，当待测柱面镜为凹柱面时，当检测完顶点像后，测量头向上移动检测曲率中心点像。