物镜数值孔径的检测方法及装置与流程

本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及物镜数值孔径的检测方法及装置。

背景技术：

传统上，显微物镜和摄影物镜的数值孔径通常采用小孔光阑法和数值孔径计法进行检测，这两种方法均不适用于高数值孔径物镜的数值孔径测量，尤其是浸液物镜，而且测试过程的人为影响因素较多。随着光刻物镜技术的进步，发展了通过改进物镜波像差测试技术以实现物镜数值孔径检测的目的，该技术测量精度高，自动化程度高，可减少人为因素对测量精度的影响，但现有技术是利用物镜单程波像差检测技术进行数值孔径检测，仅适用于有限共轭的干式物镜的数值孔径检测。

技术实现要素：

本申请提供一种可检测多种物镜数值孔径的检测方法及装置。

根据第一方面，一种实施例中提供一种物镜数值孔径的检测装置，包括波像差探测器和反射镜，波像差探测器具有用于发射和接收测量光的收发端，反射镜具有用于反射测量光的凹球反射面，波像差探测器的收发端和反射镜的凹球反射面相对设置，并在两者之间设有用于放置被测物镜的空间；反射镜可沿光轴移动的设置，用于移动至与被测物镜的共焦和离焦位置反射测量光至被测物镜。

进一步地，波像差探测器可摆动的设置，用于从不同角度发射测量光至被测物镜。

进一步地，波像差探测器为基于双光束干涉的菲索干涉仪或夏克-哈特曼传感器。

在其他实施例中，检测装置还包括透射球面波镜头，透射球面波镜头贴合安装在波像差探测器的收发端上，并且透射球面波镜头的f数小于或等于被测物镜的像方f数。

根据第二方面，一种实施例中提供一种物镜数值孔径的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

s101：将反射镜移动至与被测物镜的共焦位置；

s102：使波像差探测器发射测量光至被测物镜，测量光先后经过被测物镜和物方空间介质照射至反射镜的凹球反射面上，反射镜的凹球反射面自准反射的测量光先后经过物方空间介质和被测物镜返回至波像差探测器，以便使波像差探测器检测得到第一波像差；

s103：将反射镜沿光轴移动至与被测物镜的离焦位置；

s104：使波像差探测器发射测量光至被测物镜，测量光先后经过被测物镜和物方空间介质照射至反射镜的凹球反射面上，反射镜的凹球反射面反射的测量光先后经过物方空间介质和被测物镜返回至波像差探测器，以便使波像差探测器检测得到第二波像差，并检测出第一波像差和第二波像差之差的峰峰值；

s105：根据第一波像差和第二波像差之差的峰峰值计算出被测物镜的数值孔径。

进一步地，在s105步骤中，根据如下两式计算出被测物镜的数值孔径na：

其中，εopd为检测出的第一波像差和第二波像差之差的峰峰值，n为物方空间介质的在测试光波长下的折射率，θ为被测物镜的物方孔径角的一半，r为反射镜的凹球反射面的曲率半径，δz为反射镜的离焦量。

进一步地，当δz＜＜r时，第一波像差和第二波像差之差εopd的确定公式为εopd≈2nδz(1-cosθ)，则被测物镜的数值孔径na的计算公式为：

进一步地，当所述数值孔径为被测物镜中心视场的数值孔径时，在进行s101步骤前，预先将波像差探测器摆动调节至发射的测量光从被测物镜的中心视场射入；

当所述数值孔径为被测物镜轴外视场的数值孔径时，在进行s101步骤前，预先将波像差探测器摆动调节至发射的测量光从被测物镜的轴外视场射入；当所述数值孔径为被测物镜边缘视场的数值孔径时，在进行s101步骤前，预先将波像差探测器摆动调节至发射的测量光从被测物镜的边缘视场射入。

在其他实施例中，根据上述实施例的检测方法，分别检测被测物镜中心视场、不同轴外视场以及边缘视场的数值孔径。

进一步地，检测被测物镜不同轴外视场的数值孔径是通过逐渐摆动调节波像差探测器，使波像差探测器摆动调节至发射的测量光从被测物镜的不同轴外视场射入实现的。

依据上述实施例的物镜数值孔径的检测方法及装置，由于检测装置设有与波像差探测器相对的反射镜，反射镜具有反射测量光的凹球反射面，并且可沿光轴移动的设置，反射镜可在与被测物镜的共焦和离焦位置反射测量光，使得波像差探测器能够通过发射和接收反射的双程测量光检测出被测物镜的波像差，本检测装置通过双程波像差能够更高精度的检测出被测物镜的数值孔径，并适用于检测干式物镜和浸泡物镜的数值孔径。

附图说明

图1为一种实施例中物镜数值孔径的检测装置的结构示意图；

图2为另一种实施例中物镜数值孔径的检测装置的结构示意图；

图3为一种实施例中物镜数值孔径的检测方法的流程图；

图4为另一种实施例中物镜数值孔径的检测方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

本实施例提供了一种物镜数值孔径的检测装置，本检测装置可用于检测干式物镜和浸泡物镜，并且检测的物镜为无限共轭物镜。

如图1所示，本实施例的物镜数值孔径的检测装置主要包括波像差探测器1和反射镜2。

波像差探测器1可以为任意的波像差探测装置，例如基于双光束干涉的菲索干涉仪或夏克-哈特曼传感器。波像差探测器1具有发射和接收平行测量光的收发端，通过发射和返回的测量光之间的干涉测量波像差。

反射镜2的一端设有凹球反射面，凹球反射面可用于反射聚集的测量光。反射镜2的凹球反射面与波像差探测器1的收发端相对设置，并且两者之间具有用于放置被测物镜3的空间。

本实施例中，反射镜2为可沿光轴移动设置，从而反射镜2可移动至与被测物镜3共焦和离焦位置进行反射测量。

本检测装置原理为：如图1所示，将被测物镜3置于波像差探测器1和反射镜2之间，波像差探测器1发射测量光至被测物镜3，测量光穿过被测物镜3及物方空间介质4照射至反射镜2的凹球反射面，反射镜2的凹球反射面将测量光反射，反射的测量光先后穿过物方空间介质4和被测物镜3返回照射至波像差探测器1的收发端上，从而波像差探测器1可检测出被测物镜3的波像差，并且通过反射镜2在与被测物镜3的共焦和离焦位置之间的移动，波像差探测器1通过双程波像差之差计算被测物镜3的数值孔径。

为了实现对被测物镜3不同视场的数值孔径检测，波像差探测器1为可摆动设置，即波像差探测器1的入射至被测物镜3的测量光角度可调节，当像波像差探测器1发射的测量光调节至从被测物镜3中心视场入射时，可检测出被测物镜3中心视场的数值孔径；当波像差探测器1发射的测量光调节至从被测物镜3轴外视场入射时，可检测出被测物镜3轴外视场的数值孔径，并且通过波像差探测器1的摆动可检测出被测物镜3不同轴外视场的数值孔径，从而波像差探测器1为可摆动设置，可检测出被测物镜3所有视场的数值孔径。

本实施例中，物方空间介质4具有一定的折射率，该折射率与测量光的波长相关。为了检测被测物镜3在不同波长下的数值孔径，选择可更换不同波长测量光的波像差探测器1进行检测即可，例如选择夏克-哈特曼传感器。

本实施例提供的一种物镜数值孔径的检测装置，由于设有与波像差探测器1相对的反射镜2，反射镜2具有反射测量光的凹球反射面，并且可沿光轴移动的设置，从而反射镜2可在与被测物镜3的共焦和离焦位置反射测量光，使得波像差探测器1能够通过发射和接收反射的双程测量光检测出被测物镜3的波像差，本检测装置通过双程波像差能够更高精度的检测出被测物镜3的数值孔径，并且本检测装置计算过程中考虑物方空间介质4的折射率，并且本检测装置可整体水平放置或竖直放置，用于测量水平放置或竖直放置的被测物镜3，故适用于检测干式物镜和浸泡物镜的数值孔径。

实施例二：

本实施例提供了另一种物镜数值孔径的检测装置，本检测装置在上述实施一的检测装置的基础上增加了透射球面波镜头。增加了透射球面波镜头的检测装置，可用于对有限共轭物镜的数值孔径进行测量。

如图2所示，在波像差探测器1的收发端贴合安装有透射球面波镜头5，透射球面波镜头5将波像差探测器1发射的平行测量光变为发散的聚焦光照射至被测物镜3上。并且，透射球面波镜头5的f数小于或等于被测物镜3的像方f数，以使得透射球面波镜头5透射的测量光能够进入到被测物镜3内。

本实施例的物镜数值孔径的检测装置，由于在在波像差探测器1的发射前端安装有透射球面波镜头5，使得本检测装置能够对有限共轭物镜的数值孔径进行测量。即本实施例的检测装置可对有限共轭的干式物镜和浸泡物镜的数值孔径进行测量。

实施例三：

本实施例提供了一种物镜数值孔径的检测方法，当检测无限共轭物镜时，采用实施例一的检测装置实现，当检测有限共轭物镜时，采用实施例二的检测装置实现。本实施例以测量限共轭物镜的数值孔径为例进行说明。本实施例的检测方法可对被测物镜3任意视场的数值孔径进行检测，被测物镜3的视场包括中心视场、轴外视场和边缘视场，被测物镜3在不同视场下的数值孔径不同。

如图3所示，本实施例的检测方法包括如下步骤：

s101：调节共焦；

将被测物镜3固定放置在波像差探测器1和反射镜2之间的光路上后，调节反射镜2沿着光轴移动至反射镜2与被测物镜3处于共焦位置。

s102：检测第一波像差；

波像差探测器1发射的测量光照射至被测物镜3，测量光先后经过被测物镜3和物方空间介质4照射至反射镜2的凹球反射面上，反射镜2的凹球反射面自准反射的测量光先后经过物方空间介质4和被测物镜3返回至波像差探测器1，波像差探测器1检测出第一波像差；

s103：调节离焦；

其他保持不变，调节反射镜2沿着光轴移动较小的距离，使得调节反射镜2与被测物镜3处于离焦位置，离焦量为δz。

s104：检测第二波像差及波像差之差的峰峰值；

波像差探测器1发射的测量光照射至被测物镜3，测量光先后经过被测物镜3和物方空间介质4照射至反射镜2的凹球反射面上，反射镜2的凹球反射面反射的测量光先后经过物方空间介质4和被测物镜3返回至波像差探测器1，波像差探测器1检测出第二波像差，并得出第一波像差和第二波像差之差的峰峰值。

其中，由于第一波像差和第二波像差通过来回两次的测量光检查出，故第一波像差和第二波像差均为被测物镜3波像差的两倍。

第一波像差为在共焦位置测量得到的波像差，第二波像差为在离焦位置测量得到的波像差。两个波像差均呈现为一幅类似于地理学的“等高图”的图形，两个波像差之差为将第一波像差和第二波像差的两幅图相减，得到一幅差值的“等高图”图形，这幅差值的“等高图”上的最高点和最低点的差值即为上述的峰峰值。

s105：计算数值孔径。

第一波像差和第二波像差之差的峰峰值εopd由下式(1)确定：

被测物镜3的数值孔径由下式(2)计算：

na＝nsinθ(2)

其中，εopd为检测出的第一波像差和第二波像差之差的峰峰值，n为物方空间介质4的在测试光波长下的折射率，θ为被测物镜3的物方孔径角的一半，r为反射镜2的凹球反射面的曲率半径，δz为反射镜的离焦量，na为被测物镜3的数值孔径。

式(1)中εopd由波像差探测器1检测出，n、r和δz为已知数，故通过式(1)可计算出θ值，再将θ带入到式(2)中计算被测物镜3的数值孔径na。

本实施例中，当反射镜2移动的离焦量较小，并远小于反射镜2的凹球反射面的曲率半径，此时可简化计算，具体如下：

当δz＜＜r时，第一波像差和第二波像差之差εopd由式(3)确定：

εopd≈2nδz(1-cosθ)(3)

由式(3)可是εopd只取决于n、θ和δz，与r无关，则被测物镜3的数值孔径na的计算公式可简化为：

本实施例提供的物镜数值孔径的检测方法，由于通过双程测量光测量被测物镜3的波像差，通过共焦和离焦位置反射测量被测物镜3的两个波像差，并得出波像差之差的峰峰值，再计算被测物镜3的数值孔径，通过双程波像差的检测极大的提供了检测精度，减小了测量误差，并且本检测方法将物方空间介质4的折射率计算考虑在内，从而适用位于不同物方介质的物镜的检查，例如位于物方空间介质为空气的干式物镜和物方空间介质为液体的浸泡物镜。

实施例四：

本实施例提供了一种物镜数值孔径的检测方法，本检测方法基于波像差探测器1可摆动设置。本检测方法在上述实施例三的检测方法的基础上调节波像差探测器1的摆动，以检测被测物镜3不同视场的数值孔径。

如图4所示，本实施例的测量方法包括如下步骤：

s201：检测中心视场的数值孔径；

在检测前，先将波像差探测器1摆动调节至发射的测量光从被测物镜3的中心视场射入，再通过s101-s105步骤检测被测物镜3中心视场的数值孔径。

s202：检测轴外视场的数值孔径；

在检测前，先将波像差探测器1摆动调节至发射的测量光从被测物镜3的轴外视场射入，再通过s101-s105步骤检测被测物镜3轴外视场的数值孔径。

对应被测物镜3不同的轴外视场的检测，通过逐渐摆动调节波像差探测器1，使波像差探测器1摆动调节至发射的测量光从被测物镜3的不同轴外视场射入实现的。

s203：检测边缘视场的数值孔径。

在检测前，先将波像差探测器1摆动调节至发射的测量光从被测物镜3的边缘视场射入，再通过s101-s105步骤检测被测物镜3边缘视场的数值孔径。

在一种实施例中，上述三个步骤可单独实施，分别用于检测被测物镜3中心视场、轴外视场和边缘视场的数值孔径。

在另一种实施例中，当需要检测被测物镜3所有视场的数值孔径时，可依次按照s201-s203步骤进行检测，通过逐步摆动波像差探测器1的入射光，以使得入射光从中心视场射入逐渐偏向边缘视场，并在边缘视场结束摆动测试，实现先后检测被测物镜3中心视场、轴外视场和边缘视场的数值孔径，以得到更为全面的数据分析被测物镜3的数值孔径。当然，在其他实施例中，也可从边缘视场逐步向中心视场摆动检测。

本实施例提供的一种物镜数值孔径的检测方法，在上述实施例三的检测方法的基础上调节波像差探测器1的摆动，实现了对检测被测物镜3不同视场及所有视场的数值孔径的检测。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。