一種大數值孔徑物鏡波像差檢測裝置及方法
【專利摘要】一種大數值孔徑物鏡波像差檢測裝置及方法，屬于光學檢測領域，為了克服大數值孔徑物鏡波前檢測中需要大數值孔徑高精度準直鏡的困難，同時提高光能利用率和檢測精度，多模光纖位于照明顯微物鏡的物面上，散射器放置在照明顯微物鏡像平面上，激光光源依次經過多模光纖、照明顯微物鏡和散射器產生理想球面波；將待測大數值孔徑物鏡的物像面顛倒放置，沿光軸放置在距散射器像方工作距處，準直鏡沿光軸放置，其前焦面與大數值孔徑物鏡物的工作物平面重合；微透鏡陣列位置與大數值孔徑物鏡的出瞳相對準直鏡共軛，光強傳感器放置在微透鏡陣列焦平面處；在標定系統誤差時，將空間濾波器放置在準直鏡的前焦面處。
【專利說明】一種大數值孔徑物鏡波像差檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大數值孔徑物鏡波像差檢測裝置及方法，屬于光學檢測領域。
技術背景
[0002]隨著物鏡光學系統分辨率提高，對測量和修正系統中的像差提出了更高的要求，傳統幾何像差、光學傳遞函數和點擴散函數等已經無法滿足高分辨率物鏡光學系統像差描述的需求，波像差成為評價高分辨率物鏡光學系統成像質量更嚴格的評價手段。根據分辨率公式R = Ic1 λ /NA可知，高分辨率物鏡將向數值孔徑(NA)增大的方向發展。對于放大倍率小于I的大數值孔徑物鏡，系統像方數值孔徑大于物方數值孔徑，且接近于1，導致檢測其像方波像差時的成本和難度增加。
[0003]目前主流的大數值孔徑物鏡波像差檢測儀器可主要有干涉儀和哈特曼-夏克傳感器兩大類。專利文件ΕΡ1079223Α1公開了一種使用哈特曼-夏克傳感器作為波前檢測裝置的檢測方法，采用斜率測量原理重構出待測波前，實現了光刻投影物鏡波像差的實時檢測。哈特曼-夏克傳感器作為波前檢測裝置的檢測原理如圖1所示，由微透鏡陣列和位于其焦平面的光強傳感器組成，利用測量變形波前在像面的相對位移獲得波前斜率，重構出待測波前。由于哈特曼-夏克傳感器只適用于檢測平面波前或數值孔徑極小的波前，因此在被檢光刻投影物鏡與哈特曼-夏克傳感器之間需要放置一個高精度準直鏡。隨著分辨率的提高，光刻投影物鏡的數值孔徑逐漸增大，由于光刻投影物鏡放大倍率小于1，系統像方數值孔徑大于物方數值孔徑且逐漸接近于I，檢測像方波像差會導致所需準直鏡數值孔徑也將隨之增大，這使得準直鏡設計和加工難度將大大增加。此外，斜率重構波前利用了近似:sin(0) ^tan(0) ^ Θ,同時沒能充分利用微透鏡子孔徑內部的光強信息，降低了待測波前的重構精度。
[0004]專利文件US7333216B2公開了一種利用多種周期排列的分光裝置分割投影物鏡待測波前的檢測方法，利用分光后的干涉圖樣獲得被測物鏡的波像差信息；專利文件US7956987公開了一種包含偏振控制器和多種波前分割器的檢測裝置，測量分劃板有小孔和狹縫兩種，波前分割器有正交衍射光柵、兩片正交排布的光柵以及半透半反基底多種形式。但這一系列干涉分光結構的光能利用率較低，且在分光前均需要高精度大數值孔徑的準直鏡，設計和加工難度很高。
【發明內容】
[0005]為了克服大數值孔徑物鏡波前檢測中需要大數值孔徑高精度準直鏡的困難，同時提高光能利用率和檢測精度，本發明提出一種大數值孔徑物鏡的波前檢測裝置及方法。
[0006]一種大數值孔徑物鏡波像差檢測裝置，包括:激光光源、多模光纖，還包括同軸放置的照明顯微物鏡、散射器、大數值孔徑物鏡、空間濾波器、準直鏡、微透鏡陣列和光強傳感器，其特征在于，
[0007]多模光纖位于照明顯微物鏡的物面上，散射器放置在照明顯微物鏡像平面上，激光光源依次經過多模光纖、照明顯微物鏡和散射器產生理想球面波；將待測大數值孔徑物鏡的物像面顛倒放置，沿光軸放置在距散射器像方工作距處，準直鏡沿光軸放置，其前焦面與大數值孔徑物鏡物的工作物平面重合；微透鏡陣列位置與大數值孔徑物鏡的出瞳相對準直鏡共軛，光強傳感器放置在微透鏡陣列焦平面處；在標定系統誤差時，將空間濾波器放置在準直鏡的前焦面處。
[0008]一種大數值孔徑物鏡波像差檢測方法，其特征是，包括以下步驟:
[0009]步驟1、搭建照明系統，使激光光源發出的光束經過多模光纖照射在照明顯微物鏡的物面上，經過散射器產生理想球面波；
[0010]步驟2、將大數值孔徑物鏡物像面倒置，放置在距散射器像方工作距處，理想球面波由像面入射大數值孔徑物鏡，物方出射的波前被準直鏡準直；
[0011]步驟3、利用光強傳感器依次獲取被測波前在放置與不放置微透鏡陣列時的光強分布，運用相位恢復算法得到包含系統誤差的被測波前的波像差Wtl= Φ0(χ1)Υι)；
[0012]步驟4、對系統誤差進行標定，將空間濾波器置于大數值孔徑物鏡的物平面上，產生理想球面波前，重復步驟3，得到系統誤差W’ ；
[0013]步驟5、將包含系統誤差的被測波像差Wtl與系統誤差W’相減，即可得到大數值孔徑物鏡的波像差W，將波像差W擬合成3 6項或更高階的Z e r n i k e多項式
【權利要求】
1.一種大數值孔徑物鏡波像差檢測裝置，激光光源(201)、多模光纖(202)，還包括同軸放置的照明顯微物鏡(203)、散射器(204)、大數值孔徑物鏡(205)、準直鏡(206)、空間濾波器(207)、微透鏡陣列(101)和光強傳感器(102)，其特征在于， 多模光纖(202)的出射端位于照明顯微物鏡(203)的物面上，散射器(204)放置在照明顯微物鏡(203)像平面上，激光光源(201)依次經過多模光纖(202)、照明顯微物鏡(203)和散射器(204)產生理想球面波；將待測大數值孔徑物鏡(205)的物像面顛倒放置，沿光軸放置在距散射器(204)像方工作距處，準直鏡(206)沿光軸放置，其前焦面與大數值孔徑物鏡物(205)的工作物平面重合；微透鏡陣列(101)位置與大數值孔徑物鏡(205)的出瞳C相對準直鏡(206)共軛，光強傳感器(102)放置在微透鏡陣列(101)焦平面處；在標定系統誤差時，將空間濾波器(207)放置在準直鏡(206)的前焦面處。
2.根據權利I所述一種大數值孔徑物鏡波像差的檢測裝置，其特征在于，激光光源(201)、照明顯微物鏡(203)、準直鏡(206)和微透鏡陣列(101)的工作波長均為大數值孔徑物鏡(205)的工作波長λ。
3.根據權利I所述一種大數值孔徑物鏡波像差的檢測裝置，其特征在于，散射器(204)為旋轉的毛玻璃，經過散射器(204)產生的光束數值孔徑大于大數值孔徑物鏡(205)的像方數值孔徑。
4.根據權利I所述一種大數值孔徑物鏡波像差的檢測裝置，其特征在于，大數值孔徑物鏡(205)的放大倍率β〈I，工作像方數值孔徑為NA，工作物方數值孔徑為β.ΝΑ〈ΝΑ，準直鏡(206)的數值孔徑等于大數值孔徑物鏡的物方數值孔徑β.NA。
5.根據權利I所述一種大數值孔徑物鏡波像差的檢測裝置，其特征在于，微透鏡陣列(101)與光強傳感器(102)集成在一起,微透鏡陣列(101)可插拔,微透鏡為正交排布,單個微透鏡口徑為矩形。
6.如權利I所述一種大數值孔徑物鏡波像差的檢測裝置，其特征在于，空間濾波器(207)直徑尺寸 d〈0.61 λ / ( β * NA) ο
7.一種大數值孔徑物鏡波像差檢測方法，其特征是，包括以下步驟: 步驟1、搭建照明系統，使激光光源(201)發出的光束經過多模光纖(202)照射在照明顯微物鏡(203)的物面上，經過散射器(204)產生理想球面波； 步驟2、將大數值孔徑物鏡物(205)像面倒置，放置在距散射器(204)像方工作距處，理想球面波由像面入射大數值孔徑物鏡(205)，物方出射的波前被準直鏡(206)準直； 步驟3、利用光強傳感器(102)依次獲取被測波前在放置與不放置微透鏡陣列(101)時的光強分布，運用相位恢復算法得到包含系統誤差的被測波前的波像差Wtl= Φ0(χ1)Υι)； 步驟4、對系統誤差進行標定，將空間濾波器(207)置于大數值孔徑物鏡(205)的物平面上，產生理想球面波前，重復步驟3，得到系統誤差W’ ； 步驟5、將包含系統誤差的被測波像差Wtl與系統誤差W’相減，即可得到大數值孔徑物鏡(205)的波像差W，將波像差W擬合成36項或更高階的Zernike多項式
NW(XliVx) = YjQkZk(X^yl) ο
8.根據權利要求7所述的一種大數值孔徑物鏡波像差檢測方法，其特征在于，所述步驟3包含如下步驟:步驟一，不放置微透鏡陣列(101)時，利用光強傳感器(102)記錄被測波前的光強分布Itl= IAtl(Xj) I2，利用菲涅爾逆衍射原理還原出被測波前在微透鏡陣列(101)位置處的光強分布I\= |A(Xl，yi) I2，被測波前光場分布寫為:Utj(X1J1) =A(Xll7l)expUkOtl(X1, Y1)],也就是相位恢復算法中的物方光場分布，OtlU1, Y1)即為被測波前相位； 步驟二，放入微透鏡陣列(101)時，利用光強傳感器(102)記錄此時的光強信息I =|B(x, y) I2，即相位恢復算法中的像方光強分布；利用迭代傅里葉變換相位恢復算法或其改進算法，根據還原得到的物方光強分布信息A (Xl，Yl)和測量的像方光強分布信息B (X，y)，恢復出物方光場的相位OtlU1, Y1)。
9.根據權利要求8所述的一種大數值孔徑物鏡波像差檢測方法，其特征在于，迭代傅里葉變換相位恢復算法具體步驟如下:將物方光場相位的初始值設為UtlU1, yi)，微透鏡陣列將待測波前分割成NXN個子波前Utl(U1) = Σ Σ，將微透鏡視為理想透鏡，其透過率函數為t(Xl，yi)，則經過微透鏡陣列后的光場分布可表示為UliU1, Y1)=Uoi (X1, Y1) t (X1, Y1), i為迭代次數；將微透鏡陣列(101)與光強傳感器(102)之間的傳播視為菲涅爾衍射，可表示出在光強傳感器(102)上的光場分布Ufi (x，y);測量得到的像面振幅B0 (x, y)分割為NXN個子振幅[bdky)；^，J1 = PiJfbci(Xj)替代計算得到的像面光場振幅，保留相位不變，得到新的像面光場分布u’ fi(x, y)； 然后進行針對獲得的新像面光場分布進行傅里葉逆變換，獲得新的經過透鏡后的光場分布u’ U(X1J1);此時微透鏡的透過率函數表示為t’(X1, yi)，新的物面光場分布表示為Uj ^(X1, Y1) =Yli(Xpy1)I^ (x1； Y1);將測量還原得到的物面振幅AU1, Y1)分割為NXN個子振幅[%(Χι，Yl)替代計算得到的物面光場振幅，保留相位不變，得到新的物面光場分布u0(i+1) (X1, Y1)，作為下一次迭代的物面光場分布； 重復上述迭代步驟，定義誤差函數為:
直至誤差函數S。和Sd接近0，變化極小時停止迭代；最終獲得的物面光場相位即為被測波前的波像差=Wci = Φ0(Χι, Y1)。
【文檔編號】G01M11/02GK104198159SQ201410374370
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】鞏巖, 李晶 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所