CN117948911A - 一种透镜曲率检测装置 - Google Patents

Abstract

一种透镜曲率检测装置，包括：光束扫描单元、光束接收单元、载物台和控制单元；光束扫描单元、光束接收单元和载物台分别与控制单元信号连接；载物台用于承载待测透镜，待测透镜至少部分至于光束扫描单元的扫描范围内；控制单元控制光束扫描单元发射扫描光束对其扫描范围内的待测透镜进行扫描；光束接收单元用于接收待测透镜各反射点的反射光束，产生与各反射光束对应的光斑位置，将光斑位置反馈至控制单元；控制单元对光斑位置进行处理获取待测透镜各反射光束的角度，根据各反射光束的角度获取待测透镜的表面曲线，基于表面曲线获取待测透镜的曲率。本申请可以测试未知表面曲线的透镜，对于透镜表面出现大的颗粒和凹坑等缺陷也可以进行测试。

Description

一种透镜曲率检测装置

技术领域

本发明涉及透镜检测技术领域，具体涉及一种透镜曲率检测装置。

背景技术

照明系统是光刻机的重要组成部分，现有光学系统功能越来越复杂，空间要求越来越紧凑。采用非球面透镜可以大大减少光学系统的透镜数量，同时提高光学性能，相应的非球面透镜曲率的测量要求也越来越高。

市面上有一些成熟产品，例如luphoscan系列的非接触式表面轮廓测量仪，它可以用于非球面、衍射面和自由曲面的测量。它的测量过程中被测透镜在测量平台上绕其旋转轴Z自传，探测头绕X轴扫描。其测量原理如下：扫描过程是通过多波干涉技术传感器进行的，包含四个精密工作台。在测试条件下，MWLI点传感器连续测量传感器到被测物的距离。被测件放置在一个可360°旋转的工作台上。传感器的位置由两个直线工作台和一个旋转台进行控制。在测量过程中，被测物旋转，其他几个平台移动传感器以便在整个测量平面上螺旋式扫描，由此产生的点状图显示了物体的表面形状，从而完成了测量。

luphoscan在测量时需要预知透镜的表面曲线；测量时传感器与透镜之间的距离比较近，存在碰触的风险；传感器与透镜表面之间的距离精度要求较高，所以不能测未知尺寸的透镜，如果透镜出现稍微大点的转折，如鼓包，凹坑等也无法测出结果；传感器的位置由两个直线工作台和一个旋转台进行控制，控制系统和反馈系统会比较复杂。

发明内容

为解决未知尺寸透镜的曲率检测问题，本申请提供一种透镜曲率检测装置，通过待测透镜各反射光束的角度获取待测透镜的表面曲线，基于该表面曲线获取待测透镜的曲率。本申请可以测试未知表面曲线的透镜，同时对待测透镜表面的位置精度要求不高，对于透镜表面出现大的颗粒和凹坑等缺陷也可以进行测试。

本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种透镜曲率检测装置，包括：光束扫描单元、光束接收单元、载物台和控制单元；

所述光束扫描单元、光束接收单元和载物台分别与所述控制单元信号连接；

所述载物台用于承载待测透镜，所述待测透镜至少部分至于所述光束扫描单元的扫描范围内；

所述控制单元控制所述光束扫描单元发射扫描光束对其扫描范围内的待测透镜进行扫描；

所述光束接收单元用于接收所述待测透镜各反射点的反射光束，并产生与各反射光束对应的光斑位置，及将所述光斑位置反馈至所述控制单元；

所述控制单元对所述光斑位置进行处理，获取待测透镜各反射光束的角度，并根据待测透镜各反射光束的角度获取待测透镜的表面曲线，基于所述表面曲线获取待测透镜的曲率。

进一步优选地，所述光束扫描单元的扫描范围与所述载物台承载的待测透镜的半径范围相匹配，所述控制单元控制所述载物台旋转和/或平移，使所述待测透镜的半径范围区域至于所述光束扫描单元的扫描范围内。

进一步优选地，所述光束扫描单元的扫描范围与所述载物台承载的待测透镜的直径范围相匹配，所述载物台将待测透镜的直径范围区域至于所述光束扫描单元的扫描范围内。

进一步优选地，所述光束扫描单元发射可见光光束对其扫描范围内的待测透镜进行扫描。

进一步优选地，所述光束扫描单元包括：光源模块、MEMS振镜和F-θ透镜组；

所述光源模块向所述MEMS振镜发射可见光光束，且所述可见光光束为准直的圆形光斑；

所述MEMS振镜的发光点位于所述F-θ透镜组的前焦面上，所述MEMS振镜在不同角度下的反射光通过所述F-θ透镜组后相互平行；

所述F-θ透镜组将所述MEMS振镜的反射光聚焦至待测透镜上。

进一步优选地，所述光束接收单元包括：光束接收镜组和位置传感器；

所述光束接收镜组用于接收待测透镜表面的反射光束并成像至所述位置传感器上；

所述位置传感器用于根据接收的反射光束的成像产生相应的光斑位置，并将所述光斑位置反馈至所述控制单元。

进一步优选地，所述位置传感器还用于将待测透镜与所述载物台直接接触表面的反射光束的能量滤除，仅接收待测透镜与所述载物台非直接接触表面的反射光束的成像。

进一步优选地，所述控制单元将照射至待测透镜上的光斑直径根据相应反射光束的角度映射于待测透镜上形成相应的线段，将所有映射的线段进行拟合生成待测透镜的表面曲线。

通过本发明提供的透镜曲率检测装置，通过将照射至待测透镜上的光斑直径根据相应反射光束的角度映射于待测透镜上形成相应的线段，将所有映射的线段进行拟合生成待测透镜的表面曲线，基于该表面曲线获取待测透镜的曲率。由于是先对待测透镜的表面曲线拟合生成，本申请可以测试未知表面曲线的透镜，同时对待测透镜表面的位置精度要求不高，对于透镜表面出现大的颗粒和凹坑等缺陷也可以进行测试。

附图说明

图1为透镜曲率检测装置原理图；

图2为待测透镜表面示意图；

图3为待测透镜表面曲线拟合示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。

本申请提供一种透镜曲率检测装置，旨在解决现有透镜曲率检测技术不能对未知尺寸的透镜的曲率进行检测的问题。

本申请提供的透镜曲率检测装置的原理图如图1所示，包括：光束扫描单元100、光束接收单元200、载物台300和控制单元400。

其中，光束扫描单元100、光束接收单元200和载物台300分别与控制单元400信号连接；载物台300用于承载待测透镜500，待测透镜至少部分至于光束扫描单元100的扫描范围内；控制单元400控制光束扫描单元100发射扫描光束对其扫描范围内的待测透镜500进行扫描；光束接收单元200用于接收待测透镜500各反射点的反射光束，并产生与各反射光束对应的光斑位置，及将光斑位置反馈至控制单元400；控制单元400对光斑位置进行处理，获取待测透镜500各反射光束的角度，并根据待测透镜各反射光束的角度获取待测透镜的表面曲线，基于该表面曲线获取待测透镜的曲率。

需要说明的是，由于被测透镜500用于光刻机照明系统，它对于深紫外光线透射率高，对于可见光透射率相对较差，本申请中，光束扫描单元100发射可见光光束对其扫描范围内的待测透镜500进行扫描，即对待测透镜500的检测光束为可见光。

光束扫描单元100的扫描范围与待测透镜500匹配设计，在本申请中，提供以下两种设计方案：

第一种设计方案：光束扫描单元100的扫描范围与载物台300承载的待测透镜500的半径范围相匹配，控制单元400控制载物台300旋转和/或平移，使待测透镜500的半径范围区域至于光束扫描单元100的扫描范围内；

由于待测透镜500表面曲线的梯度是同向连续的，待测透镜500上的反射光束的角度信息会沿一个方向变化，当角度信息向另一个方向变化时，表示光束照射到待测透镜500的另半边，因此，针对第一种设计方案，当光束扫描单元100发射的光束从待测透镜500的边缘向中心扫描时，通过判断反射光束的角度方向是否变化，来确定光束扫描单元100是否扫描至待测透镜500的中心位置，若扫描至待测透镜500的中心位置，则控制单元400控制载物台300旋转180度，再控制光束扫描单元100对待测透镜500的另一半边进行扫描。

第一种设计方案中只有载物台300旋转和平移两个维度的运动控制，控制系统相对简单；且，将光束扫描单元100设计成仅对待测透镜500的半边进行扫描，使得光束扫描单元100和光束接收单元200具有较小的体积，占用空间小，能够适用于光刻机照明系统中的狭小空间内。

第二种设计方案：光束扫描单元100的扫描范围与载物台300承载的待测透镜500的直径范围相匹配，载物台300将待测透镜500的直径范围区域至于光束扫描单元100的扫描范围内；

与第一种设计方案相比，第二种设计方案是将光束扫描单元100的扫描范围与待测透镜500的直径范围相匹配，也即是，光束扫描单元100能够对待测透镜500的整体一条边的范围进行扫描；此种情况下，不需要再旋转载物台300，即，一旦控制单元400控制载物台300将待测透镜整体至于光束扫描单元100的扫描范围内，在扫描期间，不需要对载物台300进行运动控制。

上述两种设计方案，实际应用中可以择一使用，也可以在本申请的基本构思下进行相应的变换设计，如改变光束扫描单元100的扫描范围，如改变载物台300的运动控制等。

本申请的光束扫描单元100包括：光源模块101、MEMS振镜102和F-θ透镜组103；

光源模块101可以是能够发射可见光的激光器，包含光源以及整形器件，向MEMS振镜102发射可见光光束，且该可见光光束为准直的圆形光斑；

MEMS振镜102的发光点位于F-θ透镜组103的前焦面上，MEMS振镜102在不同角度下的反射光通过F-θ透镜组103后相互平行；

F-θ透镜组103将MEMS振镜102的反射光聚焦至待测透镜500上；F-θ透镜组103是远心光路，从而实现每个照射到待测透镜500上的入射光线都是平行的。

光束接收单元200包括：光束接收镜组201和位置传感器202；

光束接收镜组201用于接收待测透镜500表面的反射光束并成像至位置传感器202上；

位置传感器202用于根据接收的反射光束的成像产生相应的光斑位置，并将光斑位置反馈至控制单元400。

具体的，光束接收镜组201为傅立叶接收镜组，位置传感器202位于傅里叶接收镜组的后焦面上。每个光束经待测透镜500表面反射后，通过傅立叶接收镜组成像至位置传感器202的不同位置，通过位置传感器202可以得到当前的光斑位置。

进一步，如图2所示，待测透镜500具有S1面和S2面，其中，S2面是与载物台300直接接触的面，S1面是与载物台300非直接接触的面，由于S2面和S1面都会有反射光出现的问题，检测S1面时，S2面会带来误差。本申请采用位置传感器202的采集电路进行信号处理的方式进行解决。假设S1、S2面对于检测光束的反射率为φ％，若S1面反射光照射到位置传感器202的能量为δ，则S2面照射到位置传感器上的光束能量为δ*φ％*(1-φ％)*(1-φ％)，则可以在采集电路中增加滤波电路，通过滤波的方式将S2面反射光能量滤除。也即是，位置传感器202还用于将待测透镜500与载物台300直接接触表面的反射光束的能量滤除，仅接收待测透镜500与载物台300非直接接触表面的反射光束的成像；这样就能去除待测透镜500与载物台300直接接触面带来的误差。

本申请的控制单元400是一个上位机控制系统，它分别与光源模块101、MEMS振镜102、位置传感器202和载物台300进行信号连接。测试过程中控制单元400控制载物台300进行平移和旋转，同时控制MEMS振镜102进行扫描，使光束照射到待测透镜500表面不同的位置。控制单元400对位置传感器202反馈的光斑位置信息进行处理，以获取该反射光束的角度信息。控制单元400将照射至待测透镜上的光斑直径根据相应反射光束的角度映射于待测透镜500上形成相应的线段，将所有映射的线段进行拟合生成待测透镜的表面曲线。

基于上述的第一种设计方案，本申请提供的透镜曲率检测装置工作的原理图如图3所示，工作过程如下：

1、初始化装置，载物台300的中心轴位于光束扫描单元100和光束接收单元200的中心；将待测透镜500放置到载物台300上，待测透镜500的轴心与载物台300的中心轴大致同轴。

2、确定MEMS振镜102扫描范围。

若待测透镜500直径为D，沿X方向平移载物台300D/4的距离。

MEMS振镜102扫描，当光束从待测透镜500的边缘向中心扫描时，由于待测透镜500表面曲线的梯度是同向连续的，控制单元400计算的角度信息会沿一个方向变化。当角度信息向另一个方向变化时表示光束照射到待测透镜500的另半边，此时结束MEMS振镜102扫描，从而确定了MEMS振镜102的扫描范围。

3、正式扫描时，由于照射到待测透镜500表面上的光斑尺寸只有几微米，角度信息带来的尺寸大小偏差可以忽略，设照射到待测透镜500表面上的光斑直径为d。

正式扫描时从待测透镜500的边缘区域扫描到一个点，位置传感器输出此点的光斑位置，控制单元根据反馈的光斑位置计算该点的角度信息θ0，再根据光斑直径d从而可以得到一个长度为d0，与X轴角度为θ0的线段。接着控制MEMS微镜102偏转使下一个光点照射到待测透镜500相邻的位置，可以得到一个长度为d1，与X轴角度为θ1的线段。

依次扫描，直至扫描到角度信息变化的方向出现改变时停止扫描，从而拟合出如图3所示的一条曲线，此曲线即为待测透镜500半边表面曲线。

4、控制单元400控制载物台300旋转180度，重复步骤3可以得到待测透镜500整个表面的形状。

通过光束检测待测透镜500表面反射光束的角度信息拟合相应的表面曲线，基于该表面曲线可以获取待测透镜500的曲率、表面尺寸和面形等信息；由于是先拟合待测透镜的表面曲线，然后再根据拟合的表面曲线计算待测透镜的曲率、表面尺寸、面形等信息，因此，本申请提供的透镜曲率检测装置可以对未知尺寸的待测透镜进行检测，即可实现任意尺寸和形状的待测透镜表面的检测，且在检测过程中，对待测透镜表面的位置精度要求不高，待测透镜不存在与位置传感器碰触的风险。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.一种透镜曲率检测装置，其特征在于，包括：光束扫描单元、光束接收单元、载物台和控制单元；

所述光束扫描单元、光束接收单元和载物台分别与所述控制单元信号连接；

所述载物台用于承载待测透镜，所述待测透镜至少部分至于所述光束扫描单元的扫描范围内；

所述控制单元控制所述光束扫描单元发射扫描光束对其扫描范围内的待测透镜进行扫描；

所述光束接收单元用于接收所述待测透镜各反射点的反射光束，并产生与各反射光束对应的光斑位置，及将所述光斑位置反馈至所述控制单元；

所述控制单元对所述光斑位置进行处理，获取待测透镜各反射光束的角度，并根据待测透镜各反射光束的角度获取待测透镜的表面曲线，基于所述表面曲线获取待测透镜的曲率。

2.如权利要求1所述的透镜曲率检测装置，其特征在于，所述光束扫描单元的扫描范围与所述载物台承载的待测透镜的半径范围相匹配，所述控制单元控制所述载物台旋转和/或平移，使所述待测透镜的半径范围区域至于所述光束扫描单元的扫描范围内。

3.如权利要求1所述的透镜曲率检测装置，其特征在于，所述光束扫描单元的扫描范围与所述载物台承载的待测透镜的直径范围相匹配，所述载物台将待测透镜的直径范围区域至于所述光束扫描单元的扫描范围内。

4.如权利要求1所述的透镜曲率检测装置，其特征在于，所述光束扫描单元发射可见光光束对其扫描范围内的待测透镜进行扫描。

5.如权利要求4所述的透镜曲率检测装置，其特征在于，所述光束扫描单元包括：光源模块、MEMS振镜和F-θ透镜组；

所述光源模块向所述MEMS振镜发射可见光光束，且所述可见光光束为准直的圆形光斑；

所述MEMS振镜的发光点位于所述F-θ透镜组的前焦面上，所述MEMS振镜在不同角度下的反射光通过所述F-θ透镜组后相互平行；

所述F-θ透镜组将所述MEMS振镜的反射光聚焦至待测透镜上。

6.如权利要求1所述的透镜曲率检测装置，其特征在于，所述光束接收单元包括：光束接收镜组和位置传感器；

所述光束接收镜组用于接收待测透镜表面的反射光束并成像至所述位置传感器上；

所述位置传感器用于根据接收的反射光束的成像产生相应的光斑位置，并将所述光斑位置反馈至所述控制单元。

7.如权利要求6所述的透镜曲率检测装置，其特征在于，所述位置传感器还用于将待测透镜与所述载物台直接接触表面的反射光束的能量滤除，仅接收待测透镜与所述载物台非直接接触表面的反射光束的成像。

8.如权利要求1所述的透镜曲率检测装置，其特征在于，所述控制单元将照射至待测透镜上的光斑直径根据相应反射光束的角度映射于待测透镜上形成相应的线段，将所有映射的线段进行拟合生成待测透镜的表面曲线。