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专利名称：用于测量波前像差的方法和波前像差测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于測量波前像差的方法和一种波前像差測量设备。
背景技术：
通常，在用于诸如用于照相机的成像镜头的成像光学系统(在下文中简单地称为光学系统)的光学设计中，以如此方式执行优化，使得在从大约400nm到700nm的波长的可见光范围中，像差变得最佳。例如，通过使用分别地从氦灯、氢灯和汞灯辐射的诸如d线(波长587. 6nm)、C线(波长656. 3nm)和g线(波长435. 8nm)的线光谱，优化在对应的波长下的像差平衡，从而在通过使用白光成像时获得最大光学性能。而且，在制造这种光学系统吋，已经通过借助主要地从线扩展函数(LSF)推导调制传递函数(MTF)而测量光学性能来执行质量控制(例如，见日本专利申请公开No. 58-092927)。、最近，为了进一步增加光学性能，已经通过测量波前像差来执行质量控制。关于用于测量波前像差的方法，除了干涉仪方法之外，夏克-哈特曼方法受到关注，在干涉仪方法中，透射通过被测镜头的光与从具有给定形状的基准表面反射的光形成干渉，由诸如CXD的ニ维成像装置检测所获得的干涉图样，计算来自ニ维成像装置的输出信号，并且推导在光学系统的光瞳上的波前像差。夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)方法是如此方法，SP，透射通过被测镜头的波前在其中大数目的微小微透镜(minute microlens)(矩形透镜)被ニ维地设置的微透镜阵列上入射，并且被微透镜阵列分割成在诸如CXD的ニ维成像装置上形成的、大数目的斑点像(spot images)，并且根据由ニ维成像装置检测的斑点像的横向移位计算波前的局部傾斜，并且推导整体上的波前像差(例如，见日本专利申请公开No. 2005-098933)。在根据夏克-哈特曼方法的波前像差测量中，虽然与干涉仪方法相比，横向分辨率受到每ー个微透镜的尺寸限制，但是用于测量的动态范围是极宽的，从而该方法特别地适合于诸如用于照相机的成像镜头的、具有大量剰余像差的光学系统的波前像差測量。

发明内容
(本发明所要解决的问题)在一般的光学系统中，出射光瞳相对于朝向光轴具有特定角度的离轴光线的形状变形，并且因为所谓的渐晕而并不变成圆形，从而当波前像差的测得值被诸如泽尔尼克(Zernike)圆多项式的极坐标的正交多项式展开时，已经存在以下问题，即，原点的位置准确度是低的，从而波前测量的可靠性变低。即使在用于制造半导体装置的光刻エ艺中使用的投影光学系统中，也存在其光瞳因为少量渐晕而非圆形的光学系统。如例如在日本专利申请公开No. 2007-250723中所示的，当渐晕是大约百分之几的微小数量时，推导只是在光瞳中内接的圆并且执行函数展开。然而，大多数一般的照相镜头具有大量的渐晕，并且光瞳的短轴变成其长轴的一半或者更小并不罕见。相应地，这种技术不能被应用于这种情形。而且，不同于MTF的測量，关于被用于波前像差的测量的光源，光谱的宽度优选地是尽可能窄的。当光谱的宽度变成特定量吋，由于被测镜头的色差，不能执行准确的测量。而且，在诸如照相镜头的于可见光中使用的光学系统的测量中，像差的行为在每一个波长中急剧地变化，从而有必要在可见光范围中测量从短波长到长波长的大数目的波长。相应地，测试设备具有能够通过使用诸如干涉滤波器的波带窄缩装置或者通过设置很多不同的昂贵的激光光源而在大数目的波长下测量的构造。結果，测试设备变得更大并且更加昂贵。本发明是鉴于上述问题而作出的，并且目的在于提供一种能够増加波前測量准确度的、用于测量波前像差的方法，和一种波前像差測量设备。(用于解决该问题的途径)根据本发明的第一方面，提供一种用于測量波前像差的方法，该波前像差通过检测从光源发出的、在被测镜头上入射并且透射通过被 测镜头的光而被测量，该方法包括以下步骤在被测镜头的孔径光阑完全打开的状态中测量波前像差；在孔径光阑缩小(stopped down)的状态中测量被测镜头的光瞳的中心的位置；和，通过使光瞳的中心的位置作为原点而利用多项式展开波前像差。在用于测量波前像差的方法中，优选的是用于在孔径光阑缩小的状态中测量被测镜头的光瞳的中心位置的步骤在用于在被测镜头的孔径光阑完全打开的状态中测量波前像差的步骤之后执行。否则，用于在被测镜头的孔径光阑完全打开的状态中测量波前像差的步骤可以在用于在孔径光阑縮小的状态中测量被测镜头的光瞳的中心位置的步骤之后执行。在用于测量波前像差的方法中，优选的是多项式是泽尔尼克圆多项式。在用于测量波前像差的方法中，优选的是从光源发出的光是単色光或者其半高全宽(full width at half maximum)是IOnm或者更小的准単色光。在用于测量波前像差的方法中，优选的是从光源发出的光是其波长从400nm到700nm的可见光。根据本发明的第二方面，提供一种波前像差測量设备，该波前像差測量设备包括ニ维成像装置，该ニ维成像装置检测由从光源发出的、透射通过被测镜头的光形成的被测镜头的光瞳的像；和信息处理器，该信息处理器通过使用用于测量波前像差的上述方法根据由ニ维成像装置检测的光瞳的像计算被测镜头的波前像差。在该波前像差測量设备中，优选的是该设备进一歩包括微透镜阵列，其中多个微透镜被ニ维地设置，并且通过使透射通过被测镜头的光被分割和透射而在ニ维成像装置上形成光瞳的斑点像，并且其中该信息处理器利用夏克-哈特曼方法计算波前像差，在夏克-哈特曼方法中，根据由ニ维成像装置检测的斑点像的横向移位计算波前的局部傾斜，并且推导整体上的波前像差。在该波前像差測量设备中，优选的是该信息处理器控制被测镜头的孔径光阑的打开和关闭。通过以此方式构造根据本发明的、用于测量波前像差的方法和波前像差测量设备，增加波前像差测量的准确度成为可能。根据本发明的第三方面，提供一种用于測量波前像差的方法，该波前像差通过检测从光源发出的、在被测镜头上入射并且透射通过被测镜头的光而被测量，该方法包括以下步骤通过离散地改变从光源发出的光的波长而在多个离散的波长的每一个波长中測量波前像差；通过将在该多个离散的波长的每ー个之中测量的波前像差拟合至多项式而计算在每ー个波长中的波前像差系数；通过在每一种波前像差系数中在该多个离散的波长的每ー个之中将波前像差系数拟合至多项式而计算拟合系数；和，通过使用拟合系数在未被用于测量的波长下计算波前像差系数。在根据第三方面的、用于测量波前 像差的方法中，优选的是在用于计算拟合系数的步骤中，用于在该多个离散的波长的每一个之中拟合波前像差系数的多项式包括至少ー项，该项在该项的分母中包括波长。在根据第三方面的、用于测量波前像差的方法中，优选的是在用于计算波前像差系数的步骤中，用于拟合波前像差系数的多项式是包括泽尔尼克圆多项式的正交函数。在根据第三方面的、用于测量波前像差的方法中，优选的是从光源发出的光是单色光或者其半高全宽是IOnm或者更小的准単色光。在根据第三方面的、用于测量波前像差的方法中，优选的是该多个离散的波长是三个或者更多波长。在根据第三方面的、用于测量波前像差的方法中，优选的是在该多个离散的波长中，最短波长是具有500nm或者更小波长的可见光，最长波长是具有600nm或者更大波长的可见光，并且整体上，该多个离散的波长是波长从400nm到700nm的可见光。根据本发明的第四方面，提供一种波前像差測量设备，该波前像差測量设备包括ニ维成像装置，该ニ维成像装置检测由从光源发出的、透射通过被测镜头的光形成的被测镜头的光瞳的像；和信息处理器，该信息处理器通过使用根据第三方面任何ー项的、用于测量波前像差的方法根据由ニ维成像装置检测的光瞳的像计算被测镜头的波前像差。在根据第四方面的波前像差測量设备中，优选的是该设备进一歩包括微透镜阵列，其中多个微透镜被ニ维地设置，并且通过使透射通过被测镜头的光被分割和透射而在ニ维成像装置上形成光瞳的斑点像，并且其中该信息处理器利用夏克-哈特曼方法计算波前像差，在夏克-哈特曼方法中，根据由ニ维成像装置检测的斑点像的横向移位计算波前的局部傾斜，并且推导整体上的波前像差。通过以此方式构造根据第三方面的用于测量波前像差的方法和根据第四方面的波前像差測量设备，使得尽管在更宽波长范围中使用光学系统也增加測量波前像差的准确度成为可能。根据本发明的第五方面，提供一种用于判断透镜系统是否良好的方法，该方法包括以下步骤通过设置多个透镜元件而组装透镜系统；通过使用根据第二方面的波前像差測量设备测量所组装的透镜系统的波前像差；和，根据测量结果判断所组装的透镜系统是否良好。根据本发明的第六方面，提供一种用于判断透镜系统是否良好的方法，该方法包括以下步骤通过设置多个透镜元件而组装透镜系统；通过使用根据第四方面的波前像差測量设备测量所组装的透镜系统的波前像差；和，根据测量结果判断所组装的透镜系统是否良好。附图简要说明图I是在被测镜头的孔径光阑完全打开时示出根据第一实施例的波前像差测量设备的构造的解释性视图。
图2是在被测镜头的孔径光阑缩小时示出波前像差測量设备的解释性视图。图3A和3B是示出在ニ维成像装置上由微透镜阵列形成的ー组斑点像的解释性视图，其中图3A示出其中被测镜头的孔径光阑完全打开的状态，并且图3B示出其中被测镜头的孔径光阑缩小的状态。图4是示出波前像差測量设备的处理动作的流程图。
图5是示出用于通过使用图I所示波前像差測量设备制造具有多个透镜元件的透镜系统的方法的概略视图。图6是示出根据第二实施例的波前像差测量设备的构造的解释性视图。图7是示出根据第二实施例的波前像差測量设备的处理动作的流程图。图8是示出根据第二实施例的实例I的拟合残差(fitting residue)相对于球面像差的曲线图。图9是示出根据实例I的拟合残差相对于像散的曲线图。

图10是示出根据第二实施例的实例2的拟合残差相对于球面像差的曲线图。图11是示出根据实例2的拟合残差相对于像散的曲线图。图12是示出根据第二实施例的实例3的拟合残差相对于球面像差的曲线图。图13是示出根据实例3的拟合残差相对于像散的曲线图。图14是示出用于通过使用图6所示波前像差測量设备制造具有多个透镜元件的透镜系统的方法的概略视图。
具体实施例方式(第一实施例)在下面參考附图解释了根据本发明的第一实施例。首先，參考图I解释了根据本实施例的波前像差测量设备的构造。波前像差測量设备SH按照从被测镜头I侧的次序由中继透镜RL、其中大数目的诸如矩形透镜的微透镜被ニ维地设置的微透镜阵列ML、诸如CCD的ニ维成像装置3、从由ニ维成像装置3输出的电信号中获得波前像差数据的计算器4，和由诸如存储用于处理波前像差测量的程序的计算机构造的信息处理器5构成。附帯地，在计算器4中执行的部分或者全部处理可以由信息处理器5执行。未示意的光源被设置在波前像差測量设备SH的另ー侧，使得被测镜头I处于其间。而且，中继透镜RL的物侧焦点基本与被测镜头I的像平面IM相重合。进而，构成微透镜阵列ML的每ー个微透镜的像侧焦点基本与ニ维成像装置3的光敏表面相重合。当来自未示意的光源的光束BM在被测镜头I上入射时，从被测镜头I出射的光束在像平面頂上形成像，并且然后在中继透镜RL上入射。从中继透镜RL出射的、基本平行的光束在微透镜阵列ML上入射，并且在ニ维成像装置3的光敏表面上形成对应于入射光束直径的ー组斑点像。这里，被测镜头I的光瞳与微透镜阵列ML的入射平面共轭。而且，在被测镜头I上入射的光束BM可以是假设无穷远物体的平行光线，或者是假设有限远物体的发散光线。当以此方式构造波前像差測量设备SH时，在ニ维成像装置3上形成的每ー个斑点像均在于被测镜头I中存在像差时产生横向移位，从而通过测量横向移位，能够由计算器4计算波前的局部傾斜，并且通过结合局部倾斜，能够推导被测镜头I的波前像差。
附帯地，关于未示意的光源，可以使用被诸如干涉滤波器的波带窄缩装置窄缩的、诸如卤素灯的发出连续光的光源，或者诸如汞灯和氦灯的发出线光谱的光源。而且，可以使用具有窄光谱宽度的激光光源。从光源发出的光束BM优选地是単色光或者其半高全宽是IOnm或者更小的准単色光。用于测量波前像差的光的波长优选地是从400nm到700nm的可见光。孔径光阑2被设置在被测镜头I中。孔径光阑2用于改变被测镜头I的F数。孔径光阑2可以是通过组合多个叶片构造的可变孔径光阑，或者能够被从被测镜头I外部插入或者移除的圆形开ロ。图2示出在縮小被测镜头I的孔径光阑2时的波前像差測量设备SH0虽然在被测镜头I上入射的光束BM的直径是相同的，但是在利用孔径光阑2限制光束的直径时，在ニ维成像装置3上形成的该组斑点像的尺寸变小。图3A和图3B示出在ニ维成像装置3上由微透镜阵列ML形成的ー组斑点像。该组斑点像的形状表达被测镜头I的光瞳的形状。这里，图3A示出当被测镜头I的孔径光阑2未被缩小时的该组斑点像，并且图3B示出当被测镜头I的孔径光阑2缩小时的该组斑点像。当光束BM沿着光轴出射，换言之，像高为O吋，即使孔径光阑2完全打开，在ニ维成像装置3上的该组斑点像的形状，换言之，光瞳的形状也基本变成圆形。然而，当光束BM从离轴位置出射吋，由于如在图3A中所示的渐晕，该组斑点像的形状并不基本变成圆形。在另一方面，当孔径光阑2縮小直至渐晕的影响不起作用时，如在图3B中所示，光瞳的形状基本变成圆形。通过孔径光阑2的中心的光线CR示出主光线。光线CR总是到达成像装置3，除非孔径光阑2被完全地关闭。相应地，在缩小孔径光阑2直至渐晕的影响不起作用时在成像装置3上形成的该组斑点像的中心是主光线，換言之，光瞳的中心的位置。如在图3A中所示，当在渐晕的影响下在ニ维成像装置3上形成的该组斑点像不是圆形形状吋，难以确定该组斑点像的光瞳的中心的准确位置。相应地，当从这样ー组斑点像推导并且利用诸如泽尔尼克圆多项式的极坐标函数展开波前像差时，因为光瞳的中心位置的可靠性是低的，所以在展开波前像差时产生误差。在另一方面，因为在图3B所示状态中无任何渐晕的影响，所以该组斑点像的形状基本变成圆形，从而易于通过计算器4推导光瞳的中心。图4示出根据本实施例的波前像差測量设备SH的波前像差测量处理的动作流程图S101。附帯地，该处理由如上所述的信息处理器5执行。首先，在步骤Slll中，在被测镜头I的孔径光阑2未被缩小的状态中测量波前。测得的波前被存储在连接到信息处理器5的、未示意的存储器中。然后，在步骤S112中，被测镜头I的孔径光阑2被缩小以使得F数更大并且使得数值孔径更小。可以通过由波前像差測量设备SH的操作员手动移动被测镜头I的孔径光阑2，或者通过如在图I中所示从诸如、例如信息处理器5的外部设备电操作来执行用于缩小孔径光阑2的运动。替代地，对于无任何孔径光阑机构的被测镜头，可以从被测镜头的外部插入圆形开ロ。在步骤S113中，在孔径光阑2被縮小的状态中，计算器4推导不受渐晕的影响作用的、圆形光瞳的中心。然后，在步骤S114中，通过将在步骤S113中推导的光瞳的中心位置作为原点而使用诸如限定光瞳的泽尔尼克圆多项式的函数来展开被存储在连接到信息处理器5的存储器中的波前。如上所述，在波前像差測量中，利用添加通过缩小孔径光阑2而从具有基本圆形 形状的该组斑点像推导光瞳的中心的步骤，即使在因为渐晕而具有非圆形形状的光瞳中，波前像差測量和利用多项式展开的可靠性也能够增加。附帯地，在图4所示处理中，虽然首先在不缩小孔径光阑2的情况下测量波前并且然后在缩小孔径光阑2的情况下测量光瞳的中心，但是可以首先在缩小孔径光阑2的情况下推导光瞳的中心并且然后可以在打开孔径光阑2的情况下测量波前像差。这里，在下面解释了根据泽尔尼克圆多项式的基本内容。使用极坐标(P，Θ)作为坐标系。当使用泽尔尼克柱面函数Zn (P, Θ )作为正交函数系统时，波前像差W (P,Θ )由泽尔尼克柱面函数Zn (P，Θ )表达为以下表达式(a)
权利要求
1.一种用于测量波前像差的方法，该波前像差通过检测从光源发出的、在被测镜头上入射并且透射通过所述被测镜头的光而被测量，所述方法包括以下步骤 在所述被测镜头的孔径光阑完全打开的状态中测量波前像差； 在所述孔径光阑缩小的状态中测量所述被测镜头的光瞳的中心的位置；和 通过使所述光瞳的中心的位置作为原点而利用多项式展开波前像差。
2.根据权利要求I所述的方法，其中用于在所述孔径光阑缩小的状态中测量所述被测镜头的光瞳的中心的位置的所述步骤在用于在所述被测镜头的孔径光阑完全打开的状态中测量波前像差的所述步骤之后执行。
3.根据权利要求I所述的方法，其中用于在所述被测镜头的孔径光阑完全打开的状态中测量波前像差的所述步骤在用于在所述孔径光阑缩小的状态中测量所述被测镜头的光瞳的中心的位置的所述步骤之后执行。
4.根据权利要求I所述的方法，其中所述多项式是泽尔尼克圆多项式。
5.根据权利要求I所述的方法，其中从所述光源发出的光是单色光或者其半高全宽是1Onm或者更小的准单色光。
6.根据权利要求I所述的方法，其中从所述光源发出的光是其波长从400nm到700nm的可见光。
7.一种波前像差测量设备，包括 二维成像装置，所述二维成像装置检测由从光源发出的、透射通过被测镜头的光形成的所述被测镜头的光瞳的像；和 信息处理器，所述信息处理器通过使用根据权利要求I所述的、用于测量波前像差的方法根据由所述二维成像装置检测的所述光瞳的像计算所述被测镜头的波前像差。
8.根据权利要求7所述的波前像差测量设备，进一步包括 微透镜阵列，所述微透镜阵列中多个微透镜被二维地设置，并且通过使透射通过所述被测镜头的光被分割和透射而在所述二维成像装置上形成所述光瞳的斑点像，并且 其中所述信息处理器利用夏克-哈特曼方法计算波前像差，在夏克-哈特曼方法中，根据由所述二维成像装置检测的所述斑点像的横向移位计算波前的局部倾斜，并且推导整体上的波前像差。
9.根据权利要求7或者8所述的波前像差测量设备，其中所述信息处理器控制所述被测镜头的所述孔径光阑的打开和关闭。
10.一种用于制造透镜系统的方法，包括以下步骤 通过设置多个透镜元件而组装透镜系统； 通过使用根据权利要求7所述的波前像差测量设备测量所组装的透镜系统的波前像差;和 根据测量结果判断所组装的透镜系统是否良好。
11.一种用于测量波前像差的方法，该波前像差通过检测从光源发出的、在被测镜头上入射并且透射通过所述被测镜头的光而被测量，所述方法包括以下步骤 通过离散地改变从光源发出的光的波长而在多个离散的波长的每一个波长中测量波前像差； 通过将在所述多个离散的波长的每一个之中测量的波前像差拟合至多项式而计算在每一个波长中的波前像差系数； 通过在每一种波前像差系数中在所述多个离散的波长的每一个之中将波前像差系数拟合至多项式而计算拟合系数；和 通过使用所述拟合系数在未被用于测量的波长下计算波前像差系数。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在用于计算拟合系数的步骤中，用于在所述多个离散的波长的每一个之中拟合波前像差系数的所述多项式包括至少一项，所述项在所述项的分母中包括波长。
13.根据权利要求11或者12所述的方法，其中在用于计算波前像差系数的步骤中，用于拟合所述波前像差系数的所述多项式是包括泽尔尼克圆多项式的正交函数。
14.根据权利要求11所述的方法，其中从所述光源发出的光是单色光或者其半高全宽是IOnm或者更小的准单色光。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个离散的波长是三个或者更多波长。
16.根据权利要求11所述的方法，其中在所述多个离散的波长中，最短波长是具有500nm或者更小波长的可见光。
17.根据权利要求11所述的方法，其中在所述多个离散的波长中，最长波长是具有600nm或者更大波长的可见光。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个离散的波长是波长从400nm到700nm的可见光。
19.一种波前像差测量设备，包括 二维成像装置，所述二维成像装置检测由从光源发出的、透射通过被测镜头的光形成的所述被测镜头的光瞳的像；和 信息处理器，所述信息处理器通过使用根据权利要求11所述的、用于测量波前像差的方法根据由所述二维成像装置检测的所述光瞳的像计算所述被测镜头的波前像差。
20.根据权利要求19所述的波前像差测量设备，进一步包括 微透镜阵列，所述微透镜阵列中多个微透镜被二维地设置并且通过使透射通过所述被测镜头的光被分割和透射而在所述二维成像装置上形成所述光瞳的斑点像，并且 其中所述信息处理器利用夏克-哈特曼方法计算波前像差，在夏克-哈特曼方法中，根据由所述二维成像装置检测的所述斑点像的横向移位计算波前的局部倾斜，并且推导整体上的波前像差。
21.一种用于制造透镜系统的方法，包括以下步骤 通过设置多个透镜元件而组装透镜系统； 通过使用根据权利要求19所述的波前像差测量设备测量所组装的透镜系统的波前像差;和 根据测量结果判断所组装的透镜系统是否良好。全文摘要
本发明公开了一种波像差测量方法，其中通过将从光源发射的光施加到所要测试的镜头上并且通过检测透射通过所要测试的镜头的光而以提高的测量准确度测量波像差。该方法包括在所要测试的镜头的光圈打开时测量波像差的步骤；在所要测试的镜头的光圈关闭时测量所要测试的镜头的光瞳的中心位置的步骤；和使用光瞳的中心位置作为原点利用多项式展开波像差的步骤。还公开了一种波像差测量设备。
文档编号G01M11/02GK102667439SQ20108005230
公开日2012年9月12日 申请日期2010年10月19日 优先权日2009年10月20日
发明者田中一政 申请人:株式会社尼康