一种用于高分辨力光学成像系统的波像差标定装置及方法

1.本发明属于光学测量领域，尤其是一种用于高分辨力光学成像系统的波像差标定装置及方法。


背景技术：

2.在半导体和航天航空领域中，随着科技的迭代发展，针对超高精度的精密仪器要求也随之增加，例如光刻机。波像差是评价一个物镜成像质量好坏的主要参数，在光刻机的生产中，投影物镜的精密测量更是直接决定了光刻机的套刻精度和分辨率，所以在对投影物镜的波像差测量中，每一项误差源都显得至关重要，如今的高端光刻机投影物镜的波像差已经达到了1nm以下。为了保证光刻机产品的质量，要尽可能精确并快速地检测出其系统投影物镜波前信息并采取一定的补偿，这样才可以提高投影物镜的精度从而大幅提升产品质量。
3.针对高分辨力成像系统的波前检测方法有夏克-哈特曼波前传感器检测法和干涉仪检测法，哈特曼采用的是使用微透镜阵列对整体波前采样，每个微透镜对应一个小波前，最后在ccd阵列平面上测量并计算参考质心位置和实际质心位置的差，从而得到变形波前信息。常使用到的检测高精度面型信息的干涉仪有泰曼-格林干涉仪和斐索干涉仪。泰曼-格林干涉仪是迈克尔逊干涉仪的一种变化，光束通过准直透镜形成平面后，又通过分束器分成参考光和测量光两个光束，最后带着参考面信息的参考光和带着测量面的测量光在观察屏上形成干涉图，通过算法得到波前信息。而在实际应用中，斐索干涉仪使用得更加广泛，它相对于泰曼-格林干涉仪而言，斐索干涉仪具有结构简单、抗干扰能力强以及系统精度受元件影响更低等优点。
4.但对于精度再高的干涉仪，当被测元件放入干涉仪中，仍然会携带部分系统误差，例如斐索干涉仪在标定波像差时，仍会存在参考面精度的误差，对于需要更高精度波像差的光刻投影物镜，类似这种的系统误差需要被精确的消除掉才能达到更高精度。


技术实现要素：

5.为了克服上述当前技术的不足，本发明提出了一种用于高分辨力光学成像系统的波像差标定装置及方法，其中利用了绝对检测中随机球方法，同时保证光路不变情况下替换被测元件，相比于传统的测量方法，通过多次旋转随机球方式，大大降低在该光路中可能因为面型不一致导致的调整误差，消除因环境因素变化导致的环境误差，操作方式简单，仅需要在同一个光路中，将随机球换成被测物镜即可标定出物镜在光路中除本身之外的系统误差，进而实现高精度的波像差测量。本发明替换被测元件的物件并不一定局限是球透镜，也可以是别的能保证光路一致的透光光学元件。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种用于高分辨力光学成像系统的波像差标定装置，该装置包括平行光光源、可调光阑、被测物镜、随机球和波前传感器；沿所述的平行光光源输出空间非相干光通过的方
向依次布置所述可调光阑、被测物镜或随机球、以及波前传感器；当该装置中设置所述被测物镜时，其光路为被测物镜光路，所述的波前传感器处于被测物镜的焦点之后；当该装置中设置所述随机球时，其光路为随机球光路。
8.进一步的，所述的平行光光源是干涉仪出射光源或经过准直扩束的光源；
9.所述的可控光阑用于控制被测物镜后光路像方na大小；
10.所述的随机球用于消除整个标定装置的光路中的调整误差、环境误差和随机误差；
11.所述的波前传感器是夏克-哈特曼传感器或剪切干涉传感器，用于被测波前的探测。进一步的，所述随机球包括透明的小球及所述小球的支撑装置。
12.本发明还提供了一种用于高分辨力光学成像系统的波像差标定方法，所述方法利用上述的波像差标定装置来实施，该方法包括下列步骤：
13.步骤一：布置所述随机球光路，使用平行光源产生空间非相干光源，光经过可调光阑到达随机球表面，透射后到达波前传感器，并由波前传感器进行测量，保存此数据；
14.步骤二：随机旋转随机球n次得到n个含所述平行光光源和波前传感器的系统误差、可调光阑的误差、随机球的固有球差和面型不均匀的误差的信息，取该信息的平均值，消去整个系统的随机误差和随机球的面形不均匀的误差；
15.步骤三：根据随机球的入射孔径、曲率半径和材料折射率，计算出随机球的固有球差；
16.步骤四：由所述信息的平均值减去随机球的固有球差，最终标定出所述系统误差；
17.步骤五：保持随机球位置不动，将随机球换成被测物镜以布置所述被测物镜光路，通过调整可调光阑大小，使通过被测物镜透射到波前传感器表面的被测物镜光路na与随机球光路na一样，并由波前传感器进行测量被测物镜的波前误差，保存此数据；
18.步骤六：将被测物镜的波前误差减去所述系统误差以及可调光阑导致的俩光路波前信息差距，最终可以标定出高精度的物镜波像差。
19.本发明的原理在于：本发明通过在两个相同的光路中，先用随机球代替被测元件放在光路中，通过旋转随机球的标定方法，测量出其光路中包含光源、光阑和波前传感器的误差总和，最后当放入被测透镜时，将测得的误差减去标定得到的系统误差即可得到被测透镜的波像差。
20.本发明与现有技术相比，其优点在于：
21.本发明装置结构简单，利用了绝对检测中随机球方法，同时保证光路不变情况下替换被测元件，相比于传统的测量方法，通过多次旋转随机球方式，大大降低在该光路中可能因为面型不一致导致的调整误差，消除因环境因素变化导致的环境误差，操作方式简单，仅需要在同一个光路中，将随机球换成被测物镜即可标定出物镜在光路中除本身之外的系统误差，进而实现高精度的波像差测量。本发明替换被测元件的物件并非局限一定是随机球，也可以是别的能保证光路一致的微元结构。本发明可将测量系统中一些因表面引起的误差转为随机误差；方法通用性强，可以在任何单、双通道干涉仪的系统误差标定中使用，也可以在其他的误差标定方法中使用，仅需要使用随机球或者其他一些微元结构保证其光路一致，再使用替换的方法便可测得被测元件的波像差。
附图说明
22.图1为本发明一种通用于各干涉仪中光学元件波像差高精度标定方法的示意图；
23.图2为本发明一种通用于各干涉仪中光学元件波像差高精度标定方法的流程图；
24.图3为本发明应用于双通道干涉仪的具体实施例示意图；
25.图1中：1为光源，2为可调光阑，3为随机球，4为波前传感器，5为被测物镜，6为标准球面反射镜。
具体实施方式
26.为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图做进一步地详细描述，但不应一次限制本发明的保护范围。
27.如图1所示，一种用于高分辨力光学成像系统的波像差标定装置，包括产生平行光的光源1、可调光阑2、被测物镜5和波前传感器4；沿所述的光源1输出空间非相干光通过的方向依次是可调光阑2、被测物镜5或随机球3、和波前传感器4，所述的波前传感器4处于被测物镜3的焦点之后；
28.其中，所述的光源1可以是传统干涉仪出射光源、经过准直扩束的光源等；
29.所述的可控光阑2用于控制被测物镜后光路像方na大小；
30.所述的随机球3用于随机平均法，所述的随机球3也可以是别的能使光路保持不变的微元结构，消除整个标定装置该光路下的调整误差、环境误差和随机误差；
31.如图2所示，一种用于高分辨力光学成像系统的波像差标定方法，具体步骤如下：
32.步骤一：使用光源1产生空间非相干光源，根据随机球光路中光阑大小的要求，调整可调光阑2，用波前传感器4记录此时光阑形成的误差w
g1
。使用光学软件对光束入射到被测物镜进行仿真，仿真中应保证两个光路中的像方na一样，根据仿真结果调整光阑大小，再次用波前传感器4记录此时光阑形成的误差w
g2
，相减得到两光路不同光束大小引起的误差wg，可表示为：
33.wg＝w
g1-w
g2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
34.步骤二：使用光源1产生空间非相干光源，经过调整后的可调光阑2到达随机球3表面，透射后到达波前传感器4，由波前传感器进行测量，保存此数据wi；
35.步骤三：随机旋转随机球3n次得到n个含光源和波前传感器的系统误差w
system
、可调光阑(2)误差、随机球固有球差ws和面型不均匀的误差w
i,s
的信息，取该信息的平均值消去整个系统的随机误差和随机球3面形不均匀的误差；
36.步骤四：利用光学软件，根据随机球3的入射孔径、曲率半径、材料折射率，计算出随机球3的固有球差ws；
37.步骤五：由所述信息的平均值减去随机球3的固有球差ws以及光束大小差别引起的误差wg，最终可以标定出该光路的所述系统误差w
system
。
38.步骤六：保持随机球3位置不动，将球透镜换成被测物镜5，通过调整可调光阑2大小，使通过被测物镜5透射到波前传感器4表面的光路与原光路一样，微调波前传感器到最佳探测位置并测量，保存此数据ws′
ystem
，此数据包含所述系统误差w
system
以及被测物镜的误差w
lens
，由测得的数据减去标定得到的所述系统误差w
system
，即可得到被测物镜的误差w
lens
；
39.高精度物镜波像差标定方法原理如图1所示，先用平行光入射至随机球3，物镜此
时波前误差w
total
可表示为：
40.w
total
＝w
system
w
g1
w
sph
w
i,s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
41.其中，w
system
是光源和波前传感器的误差，w
g1
是该光路中随机球和光阑之间光路的误差，w
sph
是随机球的固有球差，w
i,s
是面型不均匀的误差；
42.随机球为球透镜，在实际加工过程中，表面并不会做到绝对的平滑，每一次入射到球透镜的任意表面，都会产生不同的像差大小，即面型不均匀引起的误差，并且每次入射时环境不同与透射光束入射到波前传感器的位置角度并不会完全不一样也会引起部分像差的变化。根据随机平均法原理(griesmann u,wang q,soons j,et al.a simple ball averager for reference sphere calibrations[j].optical manufacturing&testing vi,2005.)，通过多次随机旋转球透镜，记录数据并平均，这些误差的影响会逐渐降低，当旋转次数趋于无穷大时，该误差会变为0，可表示为：
[0043]wi,s
→0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0044]
其中，i为随机旋转次数，当i趋于无穷大时，整体误差趋于0；
[0045]
则当旋转次数取得足够大时，该球透镜的光路整体误差可表示为：
[0046]wtotal
＝w
system
w
g1
w
sph
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0047]
当减去固有球差后，球透镜光路标定出来的该光路系统误差可表示为：
[0048]wtotal
＝w
system
w
g1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0049]
此时该光路只有光阑大小引起的误差w
g1
、光源和波前传感器引起的误差w
system
；
[0050]
保持光路不动，将随机球3换成被测物镜5，调整可调光阑2大小，微调波前传感器4到最佳探测位置，此光路整体误差可表示为：
[0051]w′
total
＝w
system
w
g2
w
lens
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0052]
其中，w
g2
为该光路中被测物镜5和可调光阑2之间光路的误差，w
lens
为该光路中被测物镜5的自身误差；
[0053]
最后被测物镜5的误差只要两个光路的测得的整体误差相减即可得到，具体表示为：
[0054]wlens
＝w
′
total-w
total
wgꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0055]
实施例1：
[0056]
图1为本发明所述的一种用于高分辨力光学成像系统的波像差标定装置结构示意图，包括产生平行光的光源1、可调光阑2、随机球3、波前传感器4、被测物镜5。本实施例中平行光光源1采用4d泰曼格林动态干涉仪phasecam6100的光源，该光源波长632.8nm，光斑均匀性良好且其半径约10mm。可调光阑2的调节范围为1-30mm。随机球3包括透明的小球及其支撑装置，透明小球材质为纳钙玻璃，折射率n＝1.52，直径d＝40mm，可以为其他透明材质制成，随机球3的支撑装置由3个光滑小球和一个存放他们的圆柱凹槽构成，透明小球放置在三个光滑小球上面，透明小球便可以在该支撑装置上通过轻轻的挪动，便可实现稳定地旋转。波前传感器4采用phasics公司研发的sid4-uv波前分析仪，该分析仪具有250
×
250超高相位取样分辨率以及2nmrms高相位灵敏。本实施案例中的被测物镜5为mitutoyo的10x物镜。
[0057]
本实施例中在透明小球的光路中可调光阑2的直径大小为10mm，即光束入射到透明小球表面的光斑直径为10mm。在被测物镜5的光路中，可调光阑2的大小参数设置根据光
学软件zemax仿真数据获得，软件仿真条件为入射光波长632.8nm，入瞳直径10mm，设计与随机球3中透明小球相同材质与曲率半径的球透镜，记录下zemax中在该光路情况下的球差以及像方空间f/#。随后通过调整入瞳直径的大小，使被测物镜5的zemax模型在相同条件下的像方空间f/#与球透镜相近，此时测得对应物镜的入射光直径为6.7mm，因此被测物镜前的光阑大小应调为6.7mm。
[0058]
光束通过10mm大小可调光阑2经过随机球3透射到波前传感器4，采用随机平均法可测得由光源、光阑以及波前传感器的系统误差，具体实施方式为随机旋转透明小球，使光束随机入射到球透镜的任意表面，随机旋转100次，每次记录rms与波前面型，数据记录与处理软件为metropro，对测得的所有面型进行平均处理，再减掉由zemax软件中仿真得到的理论球差，即为该光路中所测的系统误差。
[0059]
除把可调光阑2大小调整为6.7mm之外，在光源以及波前传感器位置、角度不变的前提下，将随机球3替换成被测物镜，测量物镜波像差三次并取平均值，最后将测得的波像差数据与由随机球标定出来的系统误差相减，即可得到物镜的高精度波像差。
[0060]
实施例2：
[0061]
图3给出了本发明的另一个具体实施例：本实施例为高分辨力光学成像系统波像差高精度双通道系统标定装置，它主要包括平行光光源1、可调光阑2、随机球3、被测物镜5和标准球面反射镜6。本实施例中平行光光源1采用4d泰曼格林动态干涉仪phasecam6100的光源，该光源波长632.8nm，光斑均匀性良好且其半径约10mm。可调光阑2的调节范围为1-30mm。随机球3的透明小球材质为纳钙玻璃，折射率n＝1.52，直径d＝40mm，可以为其他透明材质制成，支撑装置由3个光滑小球和一个存放他们的圆柱凹槽构成，透明小球放置在三个光滑小球上面，透明小球便可以在该支撑装置上通过轻轻的挪动，便可实现稳定地旋转。本实施例中被测物镜5为mitutoyo的10x物镜，标准球面反射镜6与随机球3或被测物镜5处于共焦状态。
[0062]
本实施例中在透明小球的光路中可调光阑2的直径大小为10mm，即光束入射到透明小球表面的光斑直径为10mm，在被测物镜光路中的光阑2调整为6.7mm。光束通过10mm光阑2透过随机球3经标准球面反射镜6沿原光路反射回4d干涉仪中与参考光产生干涉，随机旋转100次透明小球，记录每次旋转位置的波前面型图，使用metropro对所有测得的面型数据进行100次平均，再减去由zemax仿真出来的理想球差，即为该光路的系统误差。
[0063]
在保证光路不动的情况下，将随机球3换成被测物镜5，调整光阑2大小为6.7mm，4d干涉仪记录下波前面型数据，使用metropro减去测得的系统误差，即可得到物镜的高精度波像差。