像差在临界角方法探焦技术中的影响

像差在临界角方法探焦技术中的影响 第6卷 第1期 V o l. 6, N o. 1 光学精密工程 1998年2月 , 1998O P T IC S A N D PR EC IS ION EN G IN E ER IN G F eb rua ry 像差在临界角方法探焦技术中的影响 侯澍 ()中国科学院长春光学精密机械研究所130022长春 摘要 分析了在临界角方法探焦技术中像差对测量灵敏度的影响。并给出了对两 - 2 个显微物镜测量的结果。焦点探测试验精度为?1×10。Λm 临界角方法 焦点误差测量 像差 测量灵敏度 关键词 1 测量基本原理概述 在焦点探测技术中, 所采用的临界角探测方法, 是一种具有较高探测精度的方法, 它对焦 - 2 点的探测精度可达1×10以上, 是目前自动调焦光学方法中较为简单且易于实现的方法。 Λm 在此种方法中, 对于微小的焦点偏离量所引起的光线偏离平行光线的角度变化, 通过折射棱 镜, 在临界角附近变成了相对明暗的光强变化, 其基本测量原理如图1所示。如果在焦点 B 处将入射的平行光束反回, 将得到反回的平行光束。当平行 光束的光轴方向刚好在临界角棱镜的临界角度的方向时, 入射在棱镜上的光将发生全反射。此时, 如果入射的平行光 束是均匀的, 当它通过棱镜全反射出射时, 光轴两侧光的强 度不发生变化, 仍然是均匀的。如果偏离 点, 在 点或者B A 点把光束反回, 平行光束将变成发散或会聚的。如果光轴C 方向保持在临界角度的方向不变, 在光轴一侧的光将大于 临界角入射到棱镜上, 而另一侧的光则小于临界角入射到 棱镜上。小于临界角的光将产生透射, 使通过棱镜反射出来. 1 F igP r inc ip le o f c r it ica l ang le o f to ta l ref lec t io n 的光强度不再是均匀的, 其一半面积的光强将逐渐减弱。如 图1所示, 随离焦方向的不同, 将得到不同亮暗方向的光 收稿日期: 1997- 07- 09 束。并且, 离焦量越大, 产生的亮暗差别也越大; 反之, 离焦量越小, 亮暗的差别也越微 焦量非常小, 差别变得用眼睛分辨不清时, 在光路的输出端用光电探测器接收这个微 信号, 加以放大处理, 即可得知并控制焦点的位置。 2 测量灵敏度与像差的影响 此种测量方法中, 在有一定离焦量的情况下, 光路输出端所能得到的明暗光强差 大, 就越有益于位于光学系统之后的电学处理系统对信号的提取处理。由这种方法的 可知, 在有一定的离焦量的情况下, 使用短波长光、高折射率临界角棱镜、大相对孔径 镜和多块临界角棱镜, 并选用能得到较低反射系数的偏振方向等, 才能获得较高的 度。在理想的情况下, 当物镜的相对孔径和离焦量一定时进行测量, 光线偏离平行光角度及所能获得的亮暗对比差别, 可由高斯公式及菲涅耳公式计算。例如: 在此种检测 当被测物镜的相对孔径为0165, 离焦量为?012时, 代入高斯公式: Λm 1 1 1 - = l′l f ′ 计算: 假设物镜的口径为615, 则 f 为10, 如果 ?f = + 012, 由图2得: mm mm Λm ()f + 2?f = 1010004 mm l = 1 1 1 = - l′ 10 1010004 ()250001 mm l′? 当临界角棱镜距离检测物镜较近 时, 入射到棱镜上的最大张角 3125 tgΗ= ? 010000129 250001 Η? 010007448?? 2168″ 如 果 临 界 角 棱 镜 的 折 射 率 为 115168, 则临界角为41125?, 在检 测时, 如选激光束的偏振方向与 临界角棱镜的入射面相平行, 则 F ig. 2 C a lcu la t io n o f l 反射系数可由菲涅耳公式计算: n co sΗ- n co sΗ2 i 1 R = P t n co sΗ + n 1 co sΗi 2 i 式中, n 2 为空气的折射率, n 1 为临界角棱 镜 的折射率, Η为入射角, Η为折射角。由前i t 面 的 计 算 得 知, 此 时 能 得 到 的 最 大 张 角 Η? 010007448?。它在临界角棱镜上的入射角 Η?i 41124519?- 010007448?? 41124445?。由公式n 1 sin Η1 = n 2 sin Η2 进一步算出 Ηt 168793?, 代 89 = () 入公式 2算得 R P ? 0197826。此时系统最后 输出两半光强亮暗差别最大光强比为1? 01978。 如果光经过三块这样的临界角棱镜, 那么, 系统 最后输出最大光强比为1? 01936; 但在实际测量 时, 被测物镜不能达到理想成像, 在进行高精度 测量时, 被测物镜本身会带有一定的像差, 这种 像差的影响会综合到测量结果中。由光学基本 原理可知, 当用单色光测量时, 轴上会聚点的像 差主要为球差, 如果在焦点附近微小范围内存 在一定的球差, 测量时, 当反射镜在一个带的焦 点反射光时, 对于其它带的焦点, 将是处在离焦 F ig. 3 T h e inf luence o f abe r ra t io n 状态, 如图3所示。在图3中所示出的亮暗边界为 渐变的。由此可知, 当反射镜对准某一位置的焦点反射, 光再次经过被测物镜变成平行光时, 对 应被测物镜的其它带的焦点, 光被反射镜反射后, 将成为会聚或发散的。在测量光路的输出端, 对应被测物镜不同的带, 将产生不同亮暗方向的光。最终得到的结果, 将是这些左右不同亮暗 方向的光的综合结果。由图3进一步可知, 这种影响, 将造成在一定条件下所具有的测量灵敏度 大为降低。 3 测量结果分析 本文试验结果所采用的测量光路如图4。 图中, 1 氦氖激光器, 2 偏振分束器, 3 被 测显微物镜, 4 四分之一波片, 5 压电装 置, 6 临界角棱镜, 7 四 象 限 探 测 器。为 了提高测量灵敏度, 本文试验采用了四 块临界角棱镜。同时, 为了对结果进行对 比分析, 采用了两个具有相同数值孔径 的显微物镜进行测量, 其测量结果如图 5, 其试验结果曲线横轴坐标为离焦变化 量。其步长在图5中为0108, 在图5A Λm B F ig. 4 O p t ica l layo u t o f m ea su rem en t 中为01008。纵轴为四象限探测量Λm 在测量时所接收到放大200倍后的光强差值电压。由图5的实际试验曲线可看出, 虽然两被测物镜 用读数显微镜观察所测的物镜对入射6328? 波长的平行光束的会聚情况发现, 显微 ) ) (本镜头所具有的球差要远小于显微物镜2 西德镜头所具有的球差。这种球差的不 最终得到的测量灵敏度的不同。从图5的试验结果曲线也可看出, 如果 ?V = 0的点为 位置, 由于球差或物镜对某一带在工作距离上消像差的结果, 也导致了同一显微物镜 的试验结果曲线具有明显可见的不同的斜率, 即不同的测量灵敏度。 ()() ab F ig. 5 C ircu it d iag ram o f m ea su r ing re su lt s 4 减少像差对测量灵敏度影响的探讨 为了减少像差对测量灵敏度的影 响, 获得相对高的测量灵敏度, 应要求 () 物镜的球差 在焦点上使用为零或在 测量精度要求范围内。但这有时会引 起物镜的复杂化, 使其所具有的成本 过高。当使用较大孔径的测量物镜进 行高精度测量时, 怎样才能在保留一 定 的 球 差 的 同 时 获 得 较 高 测 量 灵 敏 度, 是在不太理想的情况下进行高精 度测量所要解决的问题之一。分析这 F ig. 6 V a r iance o f ligh t ang le s 种方法的测量原理可知, 在一定离焦 量的情况下, 光线偏离平行光线的张 角是由零逐渐变大的, 如图6, 越接近 光轴, 光线偏离的角度越小。如果使物 镜 的 光 轴 位 于 折 射 棱 镜 的 临 界 角 度 上, 在物镜的一侧, 越接近边缘光束。 F ig. 7 D iap h ragm in te rcep t io n o f ligh t 镜, 如不能使它整个带的球差为零, 为了在保留一定的球差的同时, 获得较高的测量灵敏度, 则 对物镜边缘部分的光消球差, 使边缘带的光会聚在轴上一点, 成为理想的几何像点, 而人为地 挡去小部分近轴带光束, 如图7, 是能够在保留一定球差的同时, 获得相对高的测量灵敏度。 5 结束语 分析此种方法的测量原理也可知, 除了被测物镜本身所具有的球差影响测量的灵敏度外, 物镜的面形差, 偏心差等都会影响测量的精度与灵敏度, 为了得到较高的测量精度与灵敏度就 必须消除它们的影响。 本文分析是在廖江红、卢振武、随永新、付永启等所做的原理试验基础上, 并同杨慧峰、邹 振书、肖文礼等合作试验完成的。 参 考 文 献 () , 108 1 . . . , 1988, 27 1: 103T suguo Ko h noe t a lH igh P rec isio n O p t ica l Sen so rA pp l O p t () 袁君毅, 王 汀等。投影光刻的自动调焦理论及装置. 制造与测试, 1987, 2: 39, 442 D SW L S I The In f luen ce of A berra t ion on M ea sur in g Sen s it iv ity in -Cr it ica lan g le M e thod of To ta l Ref lec t ion f or Focus Error D e tec t ion HOU Sh u (,C h a n g ch u n I n s t itu te of O p t ics a n d F in e M ech a n ics ), 130022C h in ese A ca d em y of S c ien cesC h a n g ch u n A bstra c t T h e in f lu en ce o f ab e r ra t io n o n m ea su r in g sen sit iv ity in c r it ica l2an g le m e tho d o f to ta l re2 . f lec t io n fo r fo cu s e r ro r de tec t io n w a s de sc r ib edM ea su r in g re su lt s o f tw o m ic ro scop e o b jec2 - 2 ?1×10. .t ive s w e re a lso g iven T h e accu racy o f m ea su rem en t w a s Λm : , , ,Key word sC r it ica l an g le m e tho dFo cu s e r ro r de tec t io n A b e r ra t io n M ea su r in g sen sity 侯 澍 女, 1954年生, 1978年毕业于天津南开大学物理系, 光学专业。现在长春光学精密机械研究所 从事光学试验与检测工作。