一种高na物镜波像差检测方法
阅读说明：本技术 一种高na物镜波像差检测方法 (High NA objective lens wave aberration detection method ) 是由 马骏 闫力松 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高NA物镜波像差检测方法,包括如下步骤：S1.获取射于面阵CCD像素点的干涉光的光强信号,所述面阵CCD包括若干个所述像素点,每四个两两互相紧邻的所述像素点构成一个像素组,所述像素组与所述高NA物镜的视场点一一对应；S2.基于所述射于面阵CCD像素点的干涉光的光强信号,获取所述像素组位置处的相位差值；S3.基于所述像素组位置处的相位差值,进行解包裹运算,获取所述像素组位置处的校正相位差值；S4.基于所述像素组位置处的校正相位差值,获取所述像素组对应的所述高NA物镜的视场点的波像差值。本发明提供的一种高NA物镜波像差检测方法,解决了高NA物镜的透射波像差测试困难的问题,对于制造高性能物镜具有重要意义。(The invention provides a high NA objective wave aberration detection method, which comprises the following steps: s1, obtaining light intensity signals of interference light which is irradiated on area array CCD pixel points, wherein the area array CCD comprises a plurality of pixel points, every four pixel points which are adjacent to each other in pairs form a pixel group, and the pixel groups correspond to the view field points of the high NA objective lens one by one; s2, acquiring a phase difference value at the position of the pixel group based on the light intensity signal of the interference light which is irradiated on the area array CCD pixel point; s3, performing unwrapping operation based on the phase difference value at the pixel group position to obtain a corrected phase difference value at the pixel group position; and S4, acquiring a wave aberration value of a view field point of the high NA objective lens corresponding to the pixel group based on the corrected phase difference value at the position of the pixel group. The method for detecting the wave aberration of the high-NA objective lens solves the problem that the transmitted wave aberration of the high-NA objective lens is difficult to test, and has important significance for manufacturing the high-performance objective lens.)
技术领域
本发明涉及透镜的光波检测技术领域，尤其涉及一种高NA物镜波像差检测方法。
背景技术
高数值孔径物镜是光刻设备及半导体检测设备中的核心部件，数值孔径表征物镜的聚光能力，是物镜的重要性质之一，通常以“NA”表示。物镜的数值孔径大小决定了物镜的分辨能力及有效放大倍数。
高NA物镜的透射波像差是表征高NA物镜成像性能的重要指标，物镜的波像差越小，系统获得的图像越清晰；物镜的波像差越大，像质就越模糊，会严重影响系统的性能。因此，实现对于高NA物镜的透射波像差检测对于制造高性能物镜具有重要意义。目前，高NA物镜的透射波像差检测较为困难，通常利用测试物镜的调制传递函数MTF(ModulationTransfer Function)来评价物镜的成像质量，然而其MTF测试结果并不能满足高精度高NA物镜的性能。
发明内容
针对现有技术对高NA物镜的透射波像差检测较为困难的现状，本发明提供一种高NA物镜波像差检测方法。
本发明提供一种高NA物镜波像差检测方法，包括如下步骤：
步骤S1.获取射于面阵CCD像素点的干涉光的光强信号，所述面阵CCD包括若干个所述像素点，每四个两两互相紧邻的所述像素点构成一个像素组，所述像素组与所述高NA物镜的视场点一一对应；
步骤S2.基于所述射于面阵CCD像素点的干涉光的光强信号，获取所述像素组位置处的相位差值；
步骤S3.基于所述像素组位置处的相位差值，进行解包裹运算，获取所述像素组位置处的校正相位差值；
步骤S4.基于所述像素组位置处的校正相位差值，获取所述像素组对应的所述高NA物镜的视场点的波像差值。
根据本发明提供的高NA物镜波像差检测方法，所述射于面阵CCD像素点的干涉光由参考光与检测光经过成像透镜与偏振相位板后在所述面阵CCD的表面干涉而形成。
根据本发明提供的高NA物镜波像差检测方法，所述参考光是入射光经由标准平面透镜的后表面直接反射回的光束；所述检测光是所述入射光透射过所述标准平面透镜后，继续透射过所述高NA物镜，并经由球面反射镜原路反射回后，继续再次透射过所述高NA物镜及所述标准平面透镜后的光束。
根据本发明提供的高NA物镜波像差检测方法，在所述成像透镜与所述偏振相位板之间设置小孔，并将所述小孔布置于所述成像透镜的焦点处。
根据本发明提供的高NA物镜波像差检测方法，所述偏振相位板包括若干块线偏振片，每块所述线偏振片具有相应的偏振方向；所述面阵CCD的每个所述像素点前均对应有一块所述线偏振片。
根据本发明提供的高NA物镜波像差检测方法，所述像素组对应的四个所述线偏振片包括四个不同的偏振方向，分别为0°偏振方向，90°偏振方向，180°偏振方向，270°偏振方向。
根据本发明提供的高NA物镜波像差检测方法，所述步骤S2中计算所述像素组位置处的相位差值的公式为：
其中，φ(x,y)是物理位置为(x,y)处的所述像素组的相位差值，I1、I2、I3、I4是物理位置为(x,y)处的所述像素组内四个像素点所对应的光强度值。
根据本发明提供的高NA物镜波像差检测方法，所述步骤S3中的所述解包裹运算具体为：求解得到所述φ(x,y)对应的正弦值和余弦值，进而得到所述像素组位置处的校正相位差值φ1(x,y)，从而将所述φ(x,y)的值域从(-π/2,π/2)拓展到(0,2π)。
根据本发明提供的高NA物镜波像差检测方法，所述步骤S4中计算所述像素组对应的所述高NA物镜的视场点的波像差值的公式为：
其中，Δw(x,y)为物理位置为(x,y)处的所述像素组对应的所述高NA物镜的视场点的波像差值，φ1(x,y)是物理位置为(x,y)处的所述像素组的校正相位差值，λ为所述入射光的波长。
本发明提供的一种基于包括球面反射镜、偏振相位板及面阵CCD的检测光路的高NA物镜波像差检测方法，通过对检测光路以及检测算法的特别设计，解决了高NA物镜的透射波像差检测困难的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图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。
图1是本发明的一种高NA物镜波像差检测方法的流程图；
图2是本发明的一种高NA物镜波像差检测光路的示意图；
图3是本发明的像素组及其内像素点与线偏振片对应关系的示意图；
图4是本发明的光强解算的相位差值与横坐标的关系示意图；
图5是解包裹算法处理后的校正相位差值与横坐标的关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动的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。
图1是本发明的一种高NA物镜波像差检测方法的流程图，如图1所示，该检测方法包括S1-S4四个步骤：
步骤S1.获取射于面阵CCD像素点的干涉光的光强信号，所述面阵CCD包括若干个所述像素点，每四个两两互相紧邻的所述像素点构成一个像素组，所述像素组与所述高NA物镜的视场点一一对应；
步骤S2.基于所述射于面阵CCD像素点的干涉光的光强信号，获取所述像素组位置处的相位差值；
步骤S3.基于所述像素组位置处的相位差值，进行解包裹运算，获取所述像素组位置处的校正相位差值；
步骤S4.基于所述像素组位置处的校正相位差值，获取所述像素组对应的所述高NA物镜的视场点的波像差值。
所述射于面阵CCD像素点的干涉光由参考光与检测光经过成像透镜与偏振相位板后在所述面阵CCD的表面干涉而形成。
所述参考光是入射光经由标准平面透镜的后表面直接反射回的光束；所述检测光是所述入射光透射过所述标准平面透镜后，继续透射过所述高NA物镜，并经由球面反射镜原路反射回后，继续再次透射过所述高NA物镜及所述标准平面透镜后的光束。
在所述成像透镜与所述偏振相位板之间设置小孔，并将所述小孔布置于所述成像透镜的焦点处。
图2为高NA物镜透射波像差检测光路示意图，如图2所示，激光器发出的入射光经过准直后到达分束器，透过分束器后的入射光传输至标准平面透镜处，标准平面透镜的后表面为标准平面，其具备4％的反射率，96％的透过率。4％的光线经过标准平面透镜后表面沿原路反射返回，而后经过分束器反射后到达成像透镜处，该束由标准平面透镜后表面反射返回的光束称为参考光；另外96％的光线在透射经过标准平面透镜后，继续穿过高NA物镜，而后聚焦在高NA物镜的焦点处；放置球面反射镜，使球面反射镜的球心与高NA物镜的焦点重合，此时聚焦在高NA物镜焦点的光线会沿球面反射镜的法线方向入射到球面反射镜表面，而后沿原路返回，返回光线再依次经过高NA物镜、标准平面透镜、分束器后到达成像透镜处，该束经过高NA物镜的光线称为检测光；参考光与检测光经过成像透镜与偏振相位板后会在面阵CCD的表面形成干涉现象，CCD的每个像素点会得到对应的干涉光强。
进一步的，为避免额外的光线进入面阵CCD上的像素点，可以在成像透镜与偏振相位板之间设置小孔，并将小孔布置于成像透镜的焦点处，以过滤杂散光，提高信噪比。
所述偏振相位板包括若干块线偏振片，每块所述线偏振片具有相应的偏振方向；所述面阵CCD的每个所述像素点前均对应有一块所述线偏振片。
所述像素组对应的四个所述线偏振片包括四个不同的偏振方向，分别为0°偏振方向，90°偏振方向，180°偏振方向，270°偏振方向。
图2涉及到的偏振相位板上的线偏振片与面阵CCD上的像素点的对应关系如图3所示。偏振相位板包括若干块线偏振片，在面阵CCD每个像素点前均有一块线偏振片，每个线偏振片对应的偏振方向不同。在图3中可以看到，每个线偏振片的序号由一个数字和一个字母组成，数字表示后续相位解算时对应的像素组编号，例如对于编号1，其共对应四个物理像素点的坐标，每个物理像素点的坐标均会在检测时得到一个光强信号，但是在相位解算时，编号为1的像素组1只会计算得到一个相位差值。简言之，基于每四个具有同一数字编号的物理像素点仅可以解算得到一个相位差值。在图3中每个线偏振片序号中的字母代表着偏振方向，从图3中可以看到共有四种不同的字母表示，分别为a、b、c、d，其分别代表了0°偏振方向、90°偏振方向、180°偏振方向、270°偏振方向。
步骤S2中计算所述像素组位置处的相位差值的公式为：
其中，φ(x,y)是物理位置为(x,y)处的所述像素组的相位差值，I1、I2、I3、I4是物理位置为(x,y)处的所述像素组内四个像素点所对应的光强度值。
步骤S3中的所述解包裹运算具体为：求解得到所述φ(x,y)对应的正弦值和余弦值，进而得到所述像素组位置处的校正相位差值φ1(x,y)，从而将所述φ(x,y)的值域从(-π/2,π/2)拓展到(0,2π)。
步骤S4中计算所述像素组对应的所述高NA物镜的视场点的波像差值的公式为：
其中，Δw(x,y)为物理位置为(x,y)处的所述像素组对应的所述高NA物镜的视场点的波像差值，φ1(x,y)是物理位置为(x,y)处的所述像素组的校正相位差值，λ为所述入射光的波长。
示例性的，可通过具有同一数字编号的四个物理像素点所测量得到的四个光强值来计算得到对应像素组位置处的相位差值。
对于一个物理像素点处测量得到的光强值，其可以表示为：
其中(x,y)代表该像素点的物理位置横纵坐标，Ic代表参考光(即从图2光路中标准平面透镜后表面反射回的光束)在该像素点位置处产生的光强值；Ij代表检测光(即经过高NA物镜与球面反射镜后的返回光束)在该像素点位置处产生的光强值；φ为参考光与检测光因为传输距离而产生的相位差值(此处包含了高NA物镜的透射波像差信息)；δ为参考光与检测光的初始相位差；
定义条纹对比度为γ，其定义如式(4)所示：
则(3)式可以写为：
I(x,y)＝I0(1+γcos(φ(x,y)+δ)) (5)
其中，I0＝Ic+Ij是中间的一个过渡参数，在计算时可以在分子分母上同时约去，对计算结果无影响。
对于式(5)，对其进行展开，结果如下：
I(x,y)＝I0+I0γcosδcos(φ(x,y))-I0γsinδsin(φ(x,y)) (6)
对式(6)中的参数变量进行如式(7)的替换，
可以将(6)式的结果写为(8)式：
I(x,y)＝a0+a1cosδ+a2sinδ (8)
对比式(7)，可以得到如式(9)及式(10)的关系。
对于高NA物镜的透射波像差值，其与式(9)计算所得到的相位差值存在如下关系：
Δw(x,y)为待求解的波像差值，从式(11)中可以看出，在求得相位差值φ(x,y)后即可得到波像差值Δw(x,y)。
各像素组位置处的相位差值φ(x,y)可以通过下述方法得出。
对于圆偏振光出射激光，在偏振相位板各物理像素点位置前放置不同偏振方向的线偏振片等效于在不同位置像素点处给定不同的初始相位差δ。
对于a、b、c、d四个区域，对应的初始相位差分别为0°、90°、180°及270°，则对于像素组1位置处，1a、1b、1c、1d四个物理像素点处得到的光强信号强度值如式(10)所示。其中1a处得到的光强信号强度值为I1，1b处得到的光强信号强度值为I2，1c处得到的光强信号强度值为I3，1d处得到的光强信号强度值为I4。
由式(12)可以得出：
将式(13)代入式(9)中即可得到像素组1位置处的相位差值为：
将式(14)结果代入到式(11)，即可得到像素组1位置处对应的高NA物镜视场点透射波像差值。同理可以求得其他各像素组位置处对应的相位差值，即可得到高NA物镜的整个透射波像差检测结果。
按照上述方法得到的各像素组位置处的相位差值结果通常如图4所示。从图4可以看出，所得到的相位差值(或者说得到的高NA物镜透射波像差结果，二者为如式(9)所示的线性关系)为跃阶式的非连续分布，这与实际情况不符。其原因为在式(14)中利用了arctan求得的相位差值的值域为(-π/2,π/2)，为此，需要对在式(14)中求解得到的相位差值做进一步的解包裹运算，通过将式(13)求解得到的a1与a2数值代入到式(7)中，求解得到相位差值φ(x,y)对应的正弦值与余弦值，用正弦值或余弦值来重新计算得到校正后的校正相位差值φ1(x,y)，从而将相位差值的值域从(-π/2,π/2)拓展到(0,2π)，如下表所示。
再将校正相位差值φ1(x,y)带入(11)式即可得到经过校正后的像素组(x,y)处对应的高NA物镜的视场点的波像差值，从图5可以看出，整个校正相位差值是连续的，与实际情况相符。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：镜头的测试系统