CN218675673U - 一种高轴向分辨率的线性色散物镜装置 - Google Patents

Abstract

本申请一种高轴向分辨率的线性色散物镜装置，包括物方和像方，还包括从物方一侧到像方一侧依次排列的平面透镜、前组、光阑和后组，前组用于控制物方远心并对侦测光进行初步色散，光阑用于限制色散物镜的最大通光孔径，后组用于控制像方远心并对侦测光进行二次色散，本申请实施例提供的技术方案中色散物镜光路，由于其使用双远心光路产生色散，当其配合大尺寸的线阵光源时时，可在保证投射到被测物的光斑亮度和精度一致性的同时，尽量提高系统投射的线长长度，通过增大物方孔径光阑数值者配合，实现系统大线长的情况下，保证了线上所有的点在均匀性和精度上一致，该色散物镜组对有效波长范围内的光源，具有较好的线性度。

Description

一种高轴向分辨率的线性色散物镜装置

技术领域

本申请涉及投影光刻技术领域，具体为一种高轴向分辨率的线性色散物镜装置。

背景技术

随着超精密制造业的迅速发展，高精度检测的市场需求也越来越广泛。同时微电子、机械、光学以及视觉算法等技术也得到了突破性的发展，因此高精密的位移测量仪器也应运而生，并且在不同的测量原理上得到了精度突破。

传统的高精度位移测量仪器一般采用接触式测量方法，可达到亚微米级别。但这种测量方式最大的缺陷是可能会划伤被测物体表面。而当被测物体为弱刚性或软材料时，接触式测量会造成弹性形变，引入较大的测量的误差。同时接触式测量速度较慢，难以实现自动化测量。随着生产制造速率的飞速提升，接触式测量仪器的检测速率逐渐跟不上产业发展的进度。

基于接触式测量存在以上的诸多不足，因此非接触式位移传感器受到了更大的关注，目前备受关注的非接触式测量方法有基于TOF(飞行时间探测器)、双目视觉、结构光成像、三角测距等诸多光学原理。但以上方式再测量精度上只能达到厘米、毫米或微米级别。

为提升非接触式测量的测量精度，一种基于物镜色散性能的方式顺势而生。这种方式引入受控制的轴向色差，通过色散镜组将一定波段范围内的波长分别聚焦于轴向不同的位置，然后被测表面的置于镜组测量范围内，通过识别编码波长信息来获取表面的深度信息。使表面具有不同矢高的位置可以对应不同波长的聚焦点，只需要移动被测物体，便可以将Z＝f(λ) 一一对应，测试速度非常高。

为了将测量误差在硬件上降低到最小，需要获得最准确的Z＝f(λ)一一对应函数关系，色散物镜对不同波长的色散距离有严格要求，最好是随着波长的增加，色散距离也呈现线性增加的关系，能实现这种关系的色散物镜称之为线性色散物镜。

早期色散物镜主要为单片折射透镜或者单片菲涅耳透镜。单片折射透镜色散范围较小且线性度不佳。衍射色散能够获得更为优秀的线性度，但受到加工精度的限制色散范围相对较小，随着加工工艺的进步，衍射色散物镜的色散能力随之提高，在采用自然光谱范围的条件下能获得更大的线性色散，被广泛应用于彩色共聚焦光路中。由于衍射色散物镜NA值较小，直接作为物镜会使测量系统的精度降低，因此通常用衍射元件提供色散，结合高倍数物镜获得较高的分辨率。而普通物镜通常由折射透镜组构成，即光路系统的色散由折射方式和衍射方式共同实现。这种方式物料成本很高，通常用于科研中，不适合工业化大规模使用的批量生产。

综合考虑以上两种色散物镜的优势与劣势，一种透镜组的线性色散方式既可以减少物料成本，又可以获得线性色散。只需要调配好透镜组各镜片的材料的折射率、阿贝系数、曲率半径厚度等参数，既可以获得在轴向亚微米级别分辨率的线性色散物镜组合。

点光谱共聚焦测量的样品表面面积仅限于聚焦光斑的面积，因此样品表面积较大时，所需横向扫描耗时长，不能满足快速测量的应用需求。线光谱共聚焦提出一种高轴向分辨率的线性色散物镜装置，以解决上述问题。

一种新的方式，通过改变硬件的光学结构的方式提升测量效率。可以在同一帧图像里获得样品表面多个点位的高度信息，该方式可成倍率的提升测量速度。而用于线阵共聚焦测量仪器的色散物镜相比于点共聚焦会需要更大的视场范围。

实用新型内容

为了解决以上的技术问题，本申请提供一种高轴向分辨率的线性色散物镜装置，通过在通过改变硬件的光学结构的方式提升测量效率，实现了可以在同一帧图像里获得样品表面多个点位的高度信息，该方式可成倍率的提升测量速度，而用于线阵共聚焦测量仪器的色散物镜相比于点共聚焦会需要更大的视场范围。

为了达到上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

本申请实施提供了一种高轴向分辨率的线性色散物镜装置，包括物方和像方，还包括从所述物方一侧到像方一侧依次排列的平面透镜、前组、光阑和后组，所述平面透镜用于保护所述前组的透镜，所述前组用于控制物方远心并对侦测光进行初步色散，所述光阑用于限制所述色散物镜的最大通光孔径，所述后组用于控制像方远心并对所述侦测光进行二次色散；

所述前组包括依次排列的第一透镜组和第二透镜组，

第一透镜组，具有正光焦度，用于扩大入射光束口径；

第二透镜组，包含第一弯月形负透镜，具有负光焦度，用于控制像方远心并对所述侦测光进行二次色散，且第一弯月形负透镜的凹面朝向像方；

所述后组包括依次排列的第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组，

第三透镜组，具有负光焦度；

第四透镜组，具有正光焦度；

第五透镜组，具有正光焦度，包括第二双凸正透镜。

在某些实施方式中，所述第一透镜组包括具有负光焦度的单凹负透镜，凹面朝向像方，还包括第一双凸正透镜和平行正透镜，所述平行正透镜的凸面朝向所述物方。

在某些实施方式中，所述第三透镜组包括第二弯月形负透镜和第一弯月形正透镜，所述第二弯月形负透镜的凹面朝向物方，且所述光阑在所述第一弯月形负透镜和所述第二弯月形负透镜之间，所述第一弯月形正透镜、所述第二弯月形负透镜的凹面朝向物方。

在某些实施方式中，所述第一弯月形正透镜凸面的曲率与所述第二弯月形负透镜凹面的曲率相同。

在某些实施方式中，所述第四透镜组包括第二双凸正透镜和第二弯月形正透镜，所述第二弯月形正透镜的凹面朝向所述像方。

在某些实施方式中，所述第五透镜组包括单凸正透镜和平凹正透镜，所述单凸正透镜的凸面朝向所述物方，所述平凹正透镜的凹面朝向所述像方。

在某些实施方式中，所述物方为采用匀光腔输出端的线阵光源。

在某些实施方式中，所述线性色散物镜缩放倍率为0.2至0.3之间。

在某些实施方式中，所述线性色散物镜在垂轴方向的线性色散范围小于0.5mm。

本申请实施例提供的技术方案中：

1)色散物镜光路，由于其使用双远心光路产生色散，当其配合大尺寸的线阵光源时时，可在保证投射到被测物的光斑亮度和精度一致性的同时，尽量提高系统投射的线长长度。

2)该色散物镜组的色散物镜缩放倍率为0.2至0.3之间，在此基础之上尽量增大物方孔径光阑数值，通过二者配合，实现系统大线长的情况下，保证了线上所有的点在均匀性和精度上一致，同时实现了目标面上较大的角度适应性。

3)该色散物镜组对有效波长范围内的光源实现0.1～1mm量程内的线性色散，具有较好的线性度。

本申请的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实施方式的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。

附图中的方法、系统和/或程序将根据示例性实施例进一步描述。这些示例性实施例将参照图纸进行详细描述。这些示例性实施例是非限制的示例性实施例，其中示例数字在附图的各个视图中代表相似的机构。

图1是本实用新型实施例提供的线性色散物镜结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的线性色散物镜光路使用双远心光路产生色散结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的0.4800μm波长下的弥散斑接近或到达衍射极限水平的MTF图；

图4是本实用新型实施例提供的0.5800μm波长下的弥散斑接近或到达衍射极限水平的MTF图；

图5是本实用新型实施例提供的0.6800μm波长下的弥散斑接近或到达衍射极限水平的MTF图；

图6是本实用新型实施例提供的有效波长范围内的光源实现0.1～1mm 量程内的线性色散，线性度判定图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

100-物方；

101-平面透镜；

G1-第一透镜组；

102-单凹负透镜，103-第一双凸正透镜，104-平行正透镜；

G2-第二透镜组；

105-第一弯月形负透镜；

G3-第三透镜组；

106-第二弯月形负透镜，107-第一弯月形正透镜；

G4-第四透镜组；

108-第二双凸正透镜，109-第二弯月形正透镜；

G5-第五透镜组；

110-单凸正透镜，111-平凹正透镜；

112-像方。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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实用新型中的具体含义。

请参阅图1，本申请提供一种高轴向分辨率的线性色散物镜装置，包括物方100和像方112，物方100为采用匀光腔输出端的线阵光源，像方112 为线光谱共焦传感器的测量线长，还包括从物方100一侧到像方112一侧依次排列的平面透镜101、前组、光阑和后组，平面透镜101用于保护前组的透镜，前组包括依次排列的第一透镜组G1和第二透镜组G2，第一透镜组G1包括具有负光焦度的单凹负透镜102，凹面朝向像方，还包括第一双凸正透镜103和平行正透镜104，平行正透镜104的凸面朝向物方100，具有正光焦度，用于扩大入射光束口径，第二透镜组G2，包含第一弯月形负透镜105，具有负光焦度，用于控制像方112远心并对侦测光进行二次色散，且第一弯月形负透镜105的凹面朝向像方112，前组用于控制物方100远心并对侦测光进行初步色散；

后组包括依次排列的第三透镜组G3、第四透镜组G4和第五透镜组G5，第三透镜组G3包括第二弯月形负透镜106和第一弯月形正透镜107，第一弯月形正透镜107凸面的曲率与第二弯月形负透镜106凹面的曲率相同，第二弯月形负透镜106的凹面朝向物方，且光阑在第一弯月形负透镜105 和第二弯月形负透镜106之间，光阑用于限制色散物镜的最大通光孔径，第一弯月形正透镜107、第二弯月形负透镜106的凹面朝向物方100，具有负光焦度，第四透镜组G4包括第二双凸正透镜108和第二弯月形正透镜 109，第二弯月形正透镜109的凹面朝向像方112，具有正光焦度；第五透镜组G5包括单凸正透镜110和平凹正透镜111，单凸正透镜110的凸面朝向物方100，平凹正透镜111的凹面朝向像方112，具有正光焦度，包括第二双凸正透镜，后组用于控制像方112远心并对侦测光进行二次色散；

线性色散物镜缩放倍率为0.2至0.3之间，线性色散物镜在垂轴方向的线性色散范围小于0.5mm。

请参阅图2所示，色散物镜光路使用双远心光路产生色散，物方远心即对边缘非共轴的光路来说，主光线和轴上光线一样同光轴平行，保证了数据点之间的亮度接近；像方远心使得边缘视场的主光线和轴上视场的主光线一样和光轴平行，保证了到达目标点的光的锥角的轴线一致，从而保证了投射到被测物上的测量光斑亮度和精度一致性。

综上，本方案中物方上的光在经过色散物镜光路投射到被测物上，不同高度上聚焦光斑的光波长不同，再次经由色散物镜按原光路返回，经过光谱仪光纤传输到光谱仪中，以在相机上形成可以判断回波波的图像，从而可根据波长解算出被测物对应位置处的高度。

线阵光束经过色散物镜光路所形成线形光斑投射到被测物上后，配合水平方向的运动台在垂直于线阵方向运动扫描，可实现较大平面物体的表面高精度三维模型重建。

下表为本方案一个实施例中第一光学元件101～第十一光学元件111的镜片参数，包括各组镜片的前后表面类型、曲率半径、厚度、材料，半直径以及圆锥系数：

请参阅图3-5所示，为上述第一光学元件101～第十一光学元件111分别在波长0.4800μm、0.5800μm以及0.6800μm下的弥散斑接近或到达衍射极限水平的MTF(MTF，截止频率：表示人眼MTF曲线在空间频率到达该频率值时，就会到达分辨率极限，即MTF值趋向于零)图，从图3-5所示MTF图的分析结果，可以看出：本实施例光刻色散物镜的分别对应工作波长为0.4800μm、0.5800μm以及0.6800μm的MTF几乎接近衍射极限的性能，本色散物镜光路使用不同的曲率、厚度和材质的透镜组合，以在满足轴向测量方位内色散的基础上控制包括不限于球差、慧差、场曲、像散、畸变等像差，使系统在不同波长下的弥散斑接近或到达衍射极限水平，通过该色散镜组将一定波段范围内的波长分别聚焦于轴向不同的位置，对光源中存在的不同波长均有完善的成像效果，且色散物镜光路不使用光栅等色散器件，实现了同轴光路下的色散，发射和接收同光。

请参阅图6所示，本实用新型实施例提供的有效波长范围内的光源实现0.1～1mm量程内的线性色散，线性度判定系数R2为-1.0501，具有较好的线性度，配合线阵方向像素1920以上的相机，可以得到轴向亚微米级别的分辨率。

综上所述，本申请实施方式提供的线性色散物镜装置通过物方100、第一透镜组200、第二透镜组300和像方112结构实现了色散物镜光路，由于其使用双远心光路产生色散，当其配合大尺寸的线阵光源时时，可在保证投射到被测物的光斑亮度和精度一致性的同时，尽量提高系统投射的线长长度。本实用新型所示色散物镜光路配合尺寸长大于20mm线阵列使用，如常规的25mm光纤阵列使用技术效果，色散物镜缩放倍率为0.2至0.3之间，配合sensor(传感器)像元边长小于6um的相机作为共聚焦系统的元件时，可在垂轴方向得到1um级别的分辨率，在此基础之上尽量增大物方孔径NA1(孔径光阑)数值，通过二者配合，实现系统大线长的情况下，保证了线上所有的点在均匀性和精度上一致，同时实现了目标面上较大的角度适应性，兼顾了大线长、高一致性与大角度特征，色散物镜在垂轴方向的线性色散范围＜0.5mm，同理在轴向可得到亚微米级别的轴向分辨，色散物镜能在视场范围约±10mm内实现线性色散，结合物镜放大倍率，满足线阵光谱共聚焦在样品表面垂轴方向±4mm线长的测量范围的使用需求。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高轴向分辨率的线性色散物镜装置，包括物方(100)和像方(112)，其特征在于：还包括从所述物方(100)一侧到像方(112)一侧依次排列的平面透镜(101)、前组、光阑和后组，所述平面透镜(101)用于保护所述前组的透镜，所述前组用于控制物方(100)远心并对侦测光进行初步色散，所述光阑用于限制所述色散物镜的最大通光孔径，所述后组用于控制像方(112)远心并对所述侦测光进行二次色散；

所述前组包括依次排列的第一透镜组(G1)和第二透镜组(G2)，

第一透镜组(G1)，具有正光焦度，用于扩大入射光束口径；

第二透镜组(G2)，包含第一弯月形负透镜(105)，具有负光焦度，用于控制像方(112)远心并对所述侦测光进行二次色散，且第一弯月形负透镜(105)的凹面朝向像方(112)；

所述后组包括依次排列的第三透镜组(G3)、第四透镜组(G4)和第五透镜组(G5)，

第三透镜组(G3)，具有负光焦度；

第四透镜组(G4)，具有正光焦度；

第五透镜组(G5)，具有正光焦度，包括第二双凸正透镜。

2.根据权利要求1所述的高轴向分辨率的线性色散物镜装置，其特征在于，所述第一透镜组(G1)包括具有负光焦度的单凹负透镜(102)，凹面朝向像方，还包括第一双凸正透镜(103)和平行正透镜(104)，所述平行正透镜(104)的凸面朝向所述物方(100)。

3.根据权利要求1所述的高轴向分辨率的线性色散物镜装置，其特征在于，所述第三透镜组(G3)包括第二弯月形负透镜(106)和第一弯月形正透镜(107)，所述第二弯月形负透镜(106)的凹面朝向物方，且所述光阑在所述第一弯月形负透镜(105)和所述第二弯月形负透镜(106)之间，所述第一弯月形正透镜(107)、所述第二弯月形负透镜(106)的凹面朝向物方(100)。

4.根据权利要求3所述的高轴向分辨率的线性色散物镜装置，其特征在于，所述第一弯月形正透镜(107)凸面的曲率与所述第二弯月形负透镜(106)凹面的曲率相同。

5.根据权利要求1所述的高轴向分辨率的线性色散物镜装置，其特征在于，所述第四透镜组(G4)包括第二双凸正透镜(108)和第二弯月形正透镜(109)，所述第二弯月形正透镜(109)的凹面朝向所述像方(112)。

6.根据权利要求1所述的高轴向分辨率的线性色散物镜装置，其特征在于，所述第五透镜组(G5)包括单凸正透镜(110)和平凹正透镜(111)，所述单凸正透镜(110)的凸面朝向所述物方(100)，所述平凹正透镜(111)的凹面朝向所述像方(112)。

7.根据权利要求1～6任一项所述的高轴向分辨率的线性色散物镜装置，其特征在于：所述物方(100)为采用匀光腔输出端的线阵光源。

8.根据权利要求1～6任一项所述的高轴向分辨率的线性色散物镜装置，其特征在于：所述像方(112)为线光谱共焦传感器的测量线长。

9.根据权利要求1～6任一项所述的高轴向分辨率的线性色散物镜装置，其特征在于：所述线性色散物镜缩放倍率为0.2至0.3之间。

10.根据权利要求1～6任一项所述的高轴向分辨率的线性色散物镜装置，其特征在于：所述线性色散物镜在垂轴方向的线性色散范围小于0.5mm。

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