CN107505692A - 一种折反射式物镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种折反射式物镜，用于将物平面内的图形成像到像平面内，从物平面一侧到像平面一侧沿其光轴方向，依次包括第一镜组、第二镜组、第三镜组。第一镜组、第二镜组均具有正光焦度，第一镜组为具有至少2个折射面和至少2个反射面的折反射镜组，且折反射镜组的至少2个反射面的中央部分没有反射特性而能让光线穿过。物平面发出的光线经过第一镜组后形成中间像，中间像经过第二镜组、第三镜组后再成像到像平面，且满足关系式：1.2＜|Rm|/f1＜3.2，其中，f1为第一镜组的组合焦距；Rm为第一镜组的所有反射面中，曲率半径最小的反射面的曲率半径。本发明可以有效地校正大口径系统的各种像差，尤其是高级球差。

Description

一种折反射式物镜

技术领域

本发明涉及一种宽光谱折反射式物镜，尤其涉及一种200nm至350nm的深紫外波长范围使用的，具有宽光谱高分辨率大视场高放大倍率的折反射式物镜。

背景技术

随着半导体芯片及器件的集成密度提高，要求其检查光学系统具有高分辨率才能检测到更精密的细节。为了提高检查光学系统的分辨率，要求光学系统使用更短波长的照明光，要求检测物镜的数值孔径更大。在紫外波长区域，尤其是200nm至350nm的深紫外波长区域，普通光学材料的吸收很大，透光率很低。随着数值孔径的增加，只使用折射光学系统来校正像差也很困难。

随着检测技术的发展，高分辨率大视场光学检测要求和需求日益增强，同时具有宽光谱、高分辨率、大视场性能的物镜的设计和制造十分困难，目前还少有先例。

发明内容

为有效地校正大口径系统的各种像差，本发明提供一种折反射式物镜，本发明的物镜结构可以有效地校正大口径系统的各种像差，尤其是高级球差。

本发明采用以下技术方案实现：一种折反射式物镜，其用于将物平面内的图形成像到像平面内，所述折反射式物镜从物平面一侧到像平面一侧沿其光轴方向，依次包括第一镜组、第二镜组、第三镜组；物平面发出的光线经过第一镜组G1后形成中间像，中间像经过第二镜组G2、第三镜组G3后再成像到像平面；

所述第一镜组G1、第二镜组G2均具有正光焦度，第一镜组G1为具有至少2个折射面和至少2个反射面的折反射镜组，且所述折反射镜组的至少2个反射面的中央部分没有反射特性而能让光线穿过；

所述第一镜组G1中，在其中的2个反射面之间存在至少1个折射透镜，物平面发出的光线经过第一镜组G1后且在形成中间像之前，在第一镜组G1内3次通过至少1个所述折射透镜。

作为上述方案的进一步改进，所述第一镜组G1满足关系式：

1.2＜|Rm|/f1＜3.2 式(1)

其中，f1为第一镜组G1的组合焦距；Rm为第一镜组G1的所有反射面中，曲率半径最小的反射面的曲率半径；

所述曲率半径为Rm的反射面，其中央能让光线穿过部分面积需要小于周边反射部分面积的24％，但是优选小于周边反射部分面积的12％，否则会降低曲率半径为Rm反射面的通光口径，不仅使光学系统的分辨率降低，而且使光学系统的亮度降低。

作为上述方案的另一种改进，所述第一镜组G1满足关系式：

1.2＜|β1|＜3.5 式(4)

其中，β1为第一镜组G1的放大倍率。

作为上述方案的进一步改进，所述第一镜组G1中最靠近物平面的元件，其靠近物平面一侧的表面上，中央部分具有透过折射特性，周边部分具有反射特性，且中央部分和周边部分具有相同的曲率半径，中央透过折射部分面积小于周边反射部分面积的10％，并满足关系式：

|R1/Rm|＞10 式(2)

其中，R1为所述最靠近物平面的元件，其靠近物平面一侧的表面的曲率半径。

上述中央透过折射部分面积需小于周边反射部分面积的20％，但是优选小于周边反射部分面积的10％，否则会降低曲率半径为R1反射面的通光口径，不仅使光学系统的分辨率降低，而且使光学系统的亮度降低。

作为上述方案的进一步改进，所述中间像经过第二镜组G2、第三镜组G3后再次成像到无限远处的像平面时，满足关系式：

0.2＜f1/f2＜1.5 式(3)

其中，f2为第二镜组G2的组合焦距。

作为上述方案的进一步改进，所述第二镜组G2中至少包括一个正透镜，其像方一侧表面为凸面，且满足关系式：

0.3＜D2/(NA×f2)＜2.4 式(5)

0.22＜|R2|/f2＜1.8 式(6)

其中，NA为折反射式物镜的物方数值孔径，即整个光学系统的物方数值孔径；f2为第二镜组G2的组合焦距；D2为所述凸面的通光口径；R2为所述凸面的曲率半径。

所述凸面可以有效校正所述第一镜组G1残留的像差，尤其是高级球差。

作为上述方案的进一步改进，所述第三镜组G3中至少包括一个负透镜，该负透镜像方一侧表面为凹面，且满足关系式：

|f3|/f1＞3.3 式(7)

其中，f3为第三镜组G3的组合焦距。

所述负透镜可以有效校正光学系统残留的各项像差，尤其是球差和轴向色差，使得光学系统能够适用更宽的光谱范围。

作为上述方案的进一步改进，本发明所包含的所有透镜、反射镜元件中不含有非球面，本发明所包含的所有折射透镜的中央部分没有通光孔洞，本发明三个镜组中所包括的所有透镜采用石英或氟化钙晶体材料制成。

本发明具有以下优点：本发明在紫外波长区域，尤其是200nm至350nm的深紫外波长区域，仅使用有限种类的光学材料，达到了使光学系统的各种像差都得到良好校正的效果，同时具有宽光谱、高分辨、大视场、长工作距离等的特性。同时，本发明的镜片口径小，不包含非球面镜片，采用折射反射结构且不需要在透镜中央部分加工通光孔洞，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本。

附图说明

图1为本发明实施例中折反射式物镜的结构示意图。

图2光学系统的传递函数MTF图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明的目的在于在紫外波长区域，尤其是200nm至350nm的深紫外波长区域，提供一种折反射式物镜，仅使用有限种类的光学材料，采用折射反射结构且不需要在透镜中央部分加工通光孔洞，达到了使光学系统的各种像差都得到良好校正的效果。结构简单，所用光学器件数量少，降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。

本发明的折反射式物镜用于将物平面O内的图形成像到像平面I内，折反射式物镜从物平面O一侧到像平面I一侧沿其光轴方向，依次包括第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3。

第一镜组G1、第二镜组G2均具有正光焦度，第一镜组G1为具有至少2个折射面和至少2个反射面的折反射镜组，且折反射镜组的至少2个反射面的中央部分没有反射特性而能让光线穿过。物平面O发出的光线经过第一镜组G1后形成中间像M，中间像M经过第二镜组G2、第三镜组G3后再成像到像平面I。本发明的实施例一满足关系式：

1.2＜|Rm|/f1＜3.2 式(1)

其中，f1为第一镜组G1的组合焦距；Rm为第一镜组G1的所有反射面中，曲率半径最小的反射面的曲率半径。

这种结构可以有效地校正大口径系统的各种像差，尤其是高级球差。第一镜组G1的光焦度主要由曲率半径最小的反射面提供，其他折射和反射面的功能是校正系统的各种像差，如果超出这个范围，校正各种像差时会发生校正过量或不足的问题。

以图1中所示的物镜结构为例，第一镜组G1包括两个透镜和两个反射面，第二镜组G2包括7个透镜，第三镜组G3包括4个透镜。

物镜的参数值：

NA＝0.9；

物方视场直径：1.2mm；

波长：235～350nm。

NA为物方的数值孔径。

其中，第一镜组G1中存在分布在其中2个反射面之间的至少1个折射透镜，物平面O发出的光线经过第一镜组G1后且在形成中间像M之前，在第一镜组G1内3次通过所述至少1个折射透镜。

本发明的实施例二中，第一镜组G1满足关系式：

1.2＜|β1|＜3.5 式(4)

大口径的条件下，第一镜组G1的放大倍率在这个范围，第一镜组G1残存的各种像差，尤其是高级球差比较适量。第二镜组G2和第三镜组G3由折射透镜组成，能够良好地校正第一镜组G1残存的各种像差，尤其是高级球差。

当式(1)和式(4)同时满足时，本发明能够达到更好的效果。

为了达到更佳性能，本发明最靠近物平面O的元件，其靠近物平面O一侧的表面上，中央部分具有透过折射特性，周边部分具有反射特性，且中央部分和周边部分具有相同的曲率半径，并满足关系式：

|R1/Rm|＞10 式(2)

其中，R1为最靠近物平面O的元件，其靠近物平面O一侧的表面的曲率半径。

靠近物平面O的表面的周边部分具有反射特性，在结构上同时具有改变光线方向的重要功能。因为不希望它带来过大的像差，或降低工作距离，所以采用曲率半径较大的表面，可以达到这个效果。

三个镜组的元件的光学参数如表1所示。

表1

特征参数如表2所示。

表2

f1	17.95	mm
			f2	37.78	mm
f3	-173.47	mm
			R1	4587.868	mm
Rm	-36.01	mm
			|β1|	-2.01
R2	-17.00007	mm
			D2	26.9	mm
NA	0.9

关系式的计算值分别为表3所示。

表3

(1)	|Rm|/f1	2.01
			(2)	|R1/Rm|	127.39
(3)	f1/f2	0.48
			(4)	|β1|	2.01
(5)	D2/(NA×f2)	0.79
			(6)	|R2|/f2	0.45
(7)	|f3|/f1	9.66

第一镜组G1满足关系式：

1.2＜|Rm|/f1＜3.2 式(1)

其中，f1为第一镜组G1的组合焦距；Rm为第一镜组G1的所有反射面中，曲率半径最小的反射面的曲率半径。

|R1/Rm|＞10 式(2)

其中，R1为最靠近物平面O的元件，其靠近物平面O一侧的表面的曲率半径。

中间像M经过第二镜组G2第三镜组G3后再次成像到无限远处的像平面I时，满足关系式：

0.2＜f1/f2＜1.5 式(3)

其中，f2为第二镜组G2的组合焦距。

第一镜组G1和第二镜组G2和第三镜组G3的组合结构需要有效地校正系统的各种像差，使最终的像平面I接近理想像面。第一镜组G1和第二镜组G2只有在这样的焦距组合的条件下和第三镜组G3组合，才可以最大限度地校正系统的各种像差，使最终的像平面I接近理想像面。

所述第二镜组(G2)中至少包括一个正透镜，其像方一侧表面为凸面，且满足关系式：

0.3＜D2/(NA×f2)＜2.4 式(5)

0.22＜|R2|/f2＜1.8 式(6)

其中，NA为折反射式物镜，即整个光学系统的物方数值孔径；f2为第二镜组(G2)的组合焦距；D2为所述凸面的通光口径；R2为所述凸面的曲率半径。

进一步的，所述第三镜组(G3)中至少包括一个负透镜，该负透镜像方一侧表面为凹面，且满足关系式：

|f3|/f1＞3.3 式(7)

其中，f3为第三镜组(G3)的组合焦距。

这样的透镜结构可以使折反射式物镜同时具有宽光谱和长工作距离等的特性。

在图2光学系统的传递函数MTF图中，横轴为分辨率，单位是线对/毫米(1p/mm)，一黑一白两条线算是一个线对，每毫米能够分辩出的线对数就是分辨率的数值。纵轴为调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)，是对镜头分辨率的一个定量描述。我们用调制度(Modulation)表示反差的大小。设最大亮度为Imax，最小亮度为Imin，调制度M定义为：M＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)。调制度介于0和1之间，调制度越大，意味着反差越大。当最大亮度与最小亮度完全相等时，反差完全消失，这时的调制度等于0。

对于原来调制度为M的正弦波，如果经过镜头到达像平面的像的调制度为M′，则MTF函数值为：MTF值＝M′/M。

可以看出，MTF值必定介于0和1之间，并且越接近1、镜头的性能越好！如果镜头的MTF值等于1，镜头输出的调制度完全反映了输入正弦波的反差；而如果输入的正弦波的调制度是1，则输出图像的调制度正好等于MTF值！所以，MTF函数代表了镜头在一定空间频率下的反差。

图2中的曲线可以看出，具有代表性的0视场，0.5视场和最大视场的MTF值已经非常接近衍射极限值。衍射极限是指一个理想物点经光学系统成像时，由于物理光学的光的衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像，这个衍射像是物理光学的衍射极限，即最大值。

可以看出，本发明可以在很宽的235～350nm光谱范围内，整个视场上接近物理光学的衍射极限。

专业光学设计软件的分析的结果表明，在235～350nm光谱范围内，整个视场的波像差WFE(RMS)小于0.04波长。

本发明采用的所有透镜采用石英或氟化钙晶体材料制成。在紫外波长区域，尤其是200nm至350nm的深紫外波长区域，普通光学材料的吸收很大，透光率很低，使用石英玻璃或氟化钙晶体可以提高光学系统的透光率。随着数值孔径的增加，这种透镜结构可以有效地校正系统的各项光学像差。

所有透镜的表面为球面，镜片口径小，不包含非球面镜片，能够大幅度降低加工，检测和装校的难度和成本。

折反射镜组中所有的折射透镜的中央部分没有通光孔洞。采用折射反射结构且不需要在透镜中央部分加工通光孔洞，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本。

综上所述，本发明在于在紫外波长区域，尤其是200nm至350nm的深紫外波长区域，仅使用有限种类的光学材料，达到了使光学系统的各种像差都得到良好校正的效果，同时具有宽光谱、高分辨、大视场、长工作距离等的特性。同时，本发明的镜片口径小，不包含非球面镜片，采用折射反射结构且不需要在透镜中央部分加工通光孔洞，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。

Claims (10)

1.一种折反射式物镜，用于将物平面内的图形成像到像平面内，所述折反射式物镜从物平面一侧到像平面一侧沿其光轴方向，依次包括第一镜组(G1)、第二镜组(G2)、第三镜组(G3)；其特征在于：

物平面发出的光线经过第一镜组(G1)后形成中间像，中间像经过第二镜组(G2)、第三镜组(G3)后再成像到像平面；

所述第一镜组(G1)、第二镜组(G2)均具有正光焦度，第一镜组(G1)为具有至少2个折射面和至少2个反射面的折反射镜组，且所述折反射镜组的至少2个反射面的中央部分没有反射特性而能让光线穿过；

所述第一镜组(G1)中，在其中的2个反射面之间存在至少1个折射透镜，物平面发出的光线经过第一镜组(G1)后且在形成中间像之前，在第一镜组(G1)内3次通过至少1个所述折射透镜。

2.如权利要求1所述的折反射式物镜，其特征在于：所述第一镜组(G1)满足关系式：

1.2＜|Rm|/f1＜3.2 式(1)

其中，f1为第一镜组(G1)的组合焦距；Rm为第一镜组(G1)的所有反射面中，曲率半径最小的反射面的曲率半径；

所述曲率半径为Rm的反射面，其中央能让光线穿过部分面积小于周边反射部分面积的12％。

3.如权利要求1所述的折反射式物镜，其特征在于：所述第一镜组(G1)满足关系式：

1.2＜|β1|＜3.5式 式(4)

其中，β1为第一镜组(G1)的放大倍率。

4.如权利要求2或3所述的折反射式物镜，其特征在于：所述第一镜组(G1)中最靠近物平面的元件，其靠近物平面一侧的表面上，中央部分具有透过折射特性，周边部分具有反射特性，且中央部分和周边部分具有相同的曲率半径，中央透过折射部分面积小于周边反射部分面积的10％，并满足关系式：

|R1/Rm|＞10 式(2)

其中，R1为所述最靠近物平面的元件，其靠近物平面一侧的表面的曲率半径；Rm为第一镜组(G1)的所有反射面中，曲率半径最小的反射面的曲率半径。

5.如权利要求2或3所述的折反射式物镜，其特征在于：所述中间像经过第二镜组(G2)、第三镜组(G3)后再次成像到无限远处的像平面时，满足关系式：

0.2＜f1/f2＜1.5 式(3)

其中，f1为第一镜组(G1)的组合焦距，f2为第二镜组(G2)的组合焦距。

6.如权利要求2或3所述的折反射式物镜，其特征在于：所述第二镜组(G2)中至少包括一个正透镜，其像方一侧表面为凸面，且满足关系式：

0.3＜D2/(NA×f2)＜2.4 式(5)

0.22＜|R2|/f2＜1.8 式(6)

其中，NA为折反射式物镜的物方数值孔径；f2为第二镜组(G2)的组合焦距；D2为所述凸面的通光口径；R2为所述凸面的曲率半径。

7.如权利要求2或3所述的折反射式物镜，其特征在于：所述第三镜组(G3)中至少包括一个负透镜，该负透镜像方一侧表面为凹面，且满足关系式：

|f3|/f1＞3.3 式(7)

其中，f1为第一镜组(G1)的组合焦距，f3为第三镜组(G3)的组合焦距。

8.如权利要求1所述的折反射式物镜，其特征在于：所包含的所有透镜、反射镜元件中不含有非球面。

9.如权利要求1所述的折反射式物镜，其特征在于：所包括的所有折射透镜的中央部分没有通光孔洞。

10.如权利要求1所述的折反射式物镜，其特征在于：镜组中所包括的所有透镜采用石英或氟化钙晶体材料制成。