一种补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜的设计制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学多层膜领域，具体涉及一种补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜 的设计制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着浸没式光刻技术、生物显微技术等在内的大数值孔径光学系统的发展，给与 其相关元器件的设计和加工制造也带来了挑战，许多的关键参数都是传统光学设计中所不 曾涉及的。在单波长下工作的此类大数值孔径光学系统中，透镜的球差是比较明显的，会使 得系统聚焦光斑形成中间亮边缘逐渐模糊的亮斑，从而影响成像质量。因此，必须加以纠 正，否则会直接影响光学系统的工作精度和工作效率。
[0003] 通常情况下，采用透镜组合来消除球差，由于凸、凹透镜的球差是相反的，可选配 不同材料的凸凹透镜胶合起来给予消除。但是这种用透镜组消除球差的方式，在光学系统 中增加了额外的元件，增加了光学系统的成本，也为光学系统的后期装调增加了难度。
[0004]
【发明内容】
[0005] 本发明针对传统透镜球差纠正过程中会引入额外透镜，导致成本上升、光学系统 装调难度增大等技术问题，提供了一种在不改变透镜面型、不增加额外光学元件的情况下， 实现对单透镜球差进行压缩的方法。通过对经过单透镜的出射波前差的分析，提出了压缩 单透镜球差的光学抗反射多层膜位相设计方法，利用薄膜的位相延迟对波前变化进行补偿 压缩。从而实现在无附加光学元件的情况下，对单透镜的球差优异的补偿和压缩。
[0006] -种补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜的设计制备方法，其特征在于，包括以 下步骤：
[0007] 1)根据单透镜的入射面和出射面特性，计算经过单透镜后光场波前差的泽尼克多 项式中球差项的系数；
[0008] 2)利用步骤1)中计算所得的泽尼克多项式中球差项的系数，计算线偏振光经过 单透镜后出瞳面处球差所产生波前差，取该波前差对应于单透镜出瞳面极径上的一系列值 为波前差a ;
[0009] 利用单透镜的入射面和出射面特性（即单透镜的参数），计算平行光入射时，单透 镜入射面的入射角随出瞳极径变换的函数；
[0010] 利用出瞳极径，建立波前差a和入射角之间的函数关系；
[0011] 3)将波前差a取反，并除以2 31并取余数，得到波前差b，波前差b根据不同的入 射角范围划分为数个区间，得到数个区间的波前差b ;
[0012] 对波前差b数个区间里的值分别取平均值，得到离散分布的波前差c ;
[0013] 4)以采用第二折射率层和第一折射率层光学交替的抗反射薄膜膜系为初始结构， 评价函数为F = (IXDXC-T)/N，I = 1是光源强度，D = 1是探测器效率，C是对应入射角 下计算所得的位相值，T是对应入射角范围下的目标位相值，N = 1是归一化因子；
[0014] 在波前差c的每个区间内，以该区间的波前差c值为该区间的光学抗反射薄膜膜 系设计的目标位相值，N= 1是归一化因子，使评价函数F最小化为设计目标，得到不同区 间内各光学抗反射膜中第二折射率层和第一折射率层的各层厚度以及周期数，即不同的入 射角范围下的各光学抗反射膜；
[0015] 5)根据不同的入射角范围在单透镜上制备各光学抗反射膜，得到补偿单透镜球差 的光学抗反射多层膜。
[0016] 步骤1)中，所述的泽尼克多项式中球差项的系数（值）可以由ZEMX等商用软件 计算得到，可在特定波长下计算，如工作波长587. 6nm下。在ZEMAX等商用软件中，输入单 透镜的入射面和出射面特性（即单透镜的参数）和工作波长，即可得到泽尼克多项式中球 差项的系数。
[0017] 所述的单透镜为凹透镜或者凸透镜。
[0018] 步骤2)中，以单透镜的光轴为X轴，以单透镜的光轴与入射面的交点为原点，建立 xy轴直角坐标系；
[0019] 利用步骤1)中计算所得的泽尼克多项式中球差项的系数，计算线偏振光经过单 透镜后出瞳面处球差所产生波前差，取该波前差对应于单透镜出瞳面极径上的一系列值为 波前差a ;
[0020] α = Ηχ45(6ρ^-6ρ2+1) (I)
[0021] 式中P是单透镜出瞳面极坐标的极径，R为泽尼克多项式中球差项的系数；
[0022] 单透镜y轴方向的波前差表示整个出瞳面的波前差的变化趋势，即
[0023] a = Rx^5(6y4 -6y2 +1) (2)
[0024] 单透镜入射面的入射角A与y轴的函数关系：
【主权项】
1. 一种补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜的设计制备方法，其特征在于，包括以下 步骤： 1) 根据单透镜的入射面和出射面特性，计算经过单透镜后光场波前差的泽尼克多项式 中球差项的系数； 2) 利用步骤1)中计算所得的泽尼克多项式中球差项的系数，计算线偏振光经过单透 镜后出瞳面处球差所产生波前差，取该波前差对应于单透镜出瞳面极径上的一系列值为波 刖差a; 利用单透镜的入射面和出射面特性，计算平行光入射时，单透镜入射面的入射角随出 瞳极径变换的函数； 利用出瞳极径，建立波前差a和入射角之间的函数关系； 3) 将波前差a取反，并除以2 并取余数，得到波前差b，波前差b根据不同的入射角 范围划分为数个区间，得到数个区间的波前差b; 对波前差b数个区间里的值分别取平均值，得到离散分布的波前差c; 4) 以第二折射率层和第一折射率层交替的抗反射薄膜膜系为初始结构，评价函数为F =(IXDXC-T)/N，I = 1是光源强度，D = 1是探测器效率，C是对应入射角下计算所得的 位相值，T是对应入射角范围下的目标位相值，N= 1是归一化因子； 在波前差c的每个区间内，以该区间的波前差c值为该区间的光学抗反射薄膜膜系设 计的目标位相值，使评价函数F最小化为设计目标，得到不同区间内各光学抗反射膜中第 二折射率层和第一折射率层的各层厚度以及周期数，即不同的入射角范围下的各光学抗反 射膜； 5) 根据不同的入射角范围在单透镜上制备各光学抗反射膜，拼接得到补偿单透镜球差 的光学抗反射多层膜。
2. 根据权利要求1所述的补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜的设计制备方法，其特 征在于，步骤1)中，所述的单透镜为凹透镜或者凸透镜。
3. 根据权利要求1所述的补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜的设计制备方法，其特 征在于，步骤3)中，所述的数个区间为3~10个。
4. 根据权利要求1所述的补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜的设计制备方法，其特 征在于，步骤4)中，所述的第一折射率层作为低折射率层，为SiOJl、Al 203层或者MgF2层。
5. 根据权利要求1所述的补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜的设计制备方法，其特 征在于，步骤4)中，所述的第二折射率层作为高折射率层，为TiOJl、HfO2层或者LaF 3层。
【专利摘要】本发明公开了一种补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜的设计制备方法，包括：1)计算线偏振光经过单透镜后出瞳面处球差所产生波前差a，建立波前差a和入射角之间的函数关系，对波前差a取反并除以2π取余数，得到波前差b；2)对波前差b数个区间里的值分别取平均值，得到离散分布的波前差c；3)针对数个区间，分别优化设计相应的膜系。以对应入射角下的波前差c为该区间的光学抗反射薄膜设计的优化目标，进行光学抗反射薄膜的优化设计；4)将设计所得的数个光学抗反射多层膜按入射角度从小到大进行拼接，得到压缩单透镜球差的光学抗反射薄膜。
【IPC分类】G02B1-115
【公开号】CN104777529
【申请号】CN201510159629
【发明人】李旸晖, 史召邑, 芮丛珊, 吴振轩, 帅少杰
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月7日