物镜以及光学系统的制作方法

1.本实用新型实施例涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种物镜以及光学系统。


背景技术：

2.晶圆光学缺陷检测主要对晶圆上集成电路的缺陷进行检测和识别，从而检测晶圆中是否存在凹槽、颗粒、划痕等缺陷以及缺陷位置。
3.检测设备需要专门的光学检测系统，来对缺陷进行成像，且专门设计的物镜可以实现此类光学检测设备的检测需求，物镜需要优异的光学性能，如高数值孔径、大视场和宽光谱，从而提高缺陷检测的精度和效率。
4.但是，目前物镜的性能仍有待提高。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例解决的问题是提供一种物镜以及光学系统，有利于提高物镜的性能，从而提高光学系统的检测性能。
6.为解决上述问题，本实用新型实施例提供一种物镜，包括：镜组，所述镜组用于使不同波长的平行光束汇聚于一个焦点，和/或，所述镜组用于使来自镜组焦点的光束平行出射，所述镜组包括反射镜组，所述反射镜组具有至少一个第一反射面；至少一个衍射面，用于对所述光束进行散射并减小物镜的色散。
7.相应的，本实用新型实施例还提供一种光学系统，包括本实用新型实施例提供的物镜。
8.与现有技术相比，本实用新型实施例的技术方案具有以下优点：
9.本实用新型实施例提供的物镜中，所述镜组包括反射镜组，所述反射镜组具有至少一个第一反射面，且物镜还包括至少一个衍射面，用于对所述光束进行散射并减小物镜的色散；其中，通过第一反射面，以减少对光谱波长的限制，光束通过第一反射面实现反射，从而能够对色差起到较好的矫正效果，还有利于使得所述物镜能够兼容较宽的光谱波长范围(例如，兼容光谱波长范围为 260nm至500nm的光)，从而使得所述物镜能够适用于更多的检测场景，同时，所述物镜还具有衍射面，衍射面对所述光束进行散射并减小物镜的色散，因此该衍射面能够对像差(例如，包括二级光谱在内的色差和单色像差)起到较好的矫正效果，这有利于在所述镜组采用较少数量的光学元件的情况下，实现物镜自身像差的矫正；综上，本实用新型实施例通过对物镜进行上述设置，能够实现宽光谱物镜的像差的自我矫正，进而提高了物镜的性能，相应有利于提高集成有所述物镜的光学系统的检测性能，同时减少对其他光学补偿部件的依赖性(例如，易于使所述物镜适配其它自身像差矫正良好的管镜，以达到优异的成像效果)，而且能够实现物镜自身像差的矫正，还便于对物镜单独进行生产装配和检测。
附图说明
10.图1是本实用新型一实施例的物镜的结构示意图以及光路图；
11.图2是本实用新型一实施例的物镜中，其中一个衍射面的衍射结构的示意图；
12.图3是本实用新型一实施例的物镜中，另一个衍射面的的衍射结构示意图；
13.图4是本实用新型一实施例的物镜在0mm视场位置的mtf曲线图；
14.图5是本实用新型一实施例的物镜在0.35mm视场位置的mtf曲线图；
15.图6是本实用新型一实施例的物镜在0.5mm视场位置的mtf曲线图；
16.图7是本实用新型一实施例的物镜的垂轴色差图。
具体实施方式
17.由背景技术可知，目前物镜的性能仍有待提高。
18.经研究发现，由于物镜包括多个透镜，这导致目前物镜的性能受到透镜材料的限制，物镜难以完全实现自身像差的矫正，往往需要中继镜组或者变倍镜组来补偿物镜的像差。但是，这相应又会带来两个问题：1)物镜本身存在明显的像差，不利于物镜的装配和检测；2)物镜通常只能和定制优化的管镜配合使用，当更换其它自我像差优化良好的管镜时，物镜像差和管镜像差无法相互补偿，会导致成像质量严重衰减。
19.为了解决所述技术问题，本实用新型实施例提供一种物镜，包括：镜组，所述镜组用于使不同波长的平行光束汇聚于一个焦点，和/或，所述镜组用于使来自镜组焦点的光束平行出射，所述镜组包括反射镜组，所述反射镜组具有至少一个第一反射面；至少一个衍射面，用于对所述光束进行散射并减小物镜的色散。
20.本实用新型实施例中，通过对物镜进行上述设置，能够实现宽光谱物镜的像差的自我矫正，进而提高了物镜的性能，相应有利于提高集成有所述物镜的光学系统的检测性能，同时减少对其他光学补偿部件的依赖性(例如，易于使所述物镜适配其它自身像差矫正良好的管镜，以达到优异的成像效果)，而且，能够实现物镜自身像差的矫正，还便于对物镜单独进行生产装配和检测。
21.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。
22.图1是本实用新型一实施例的物镜的结构示意图以及光路图。
23.参考图1，所述物镜50包括：镜组(未标示)，所述镜组用于使不同波长的平行光束汇聚于一个焦点，和/或，所述镜组用于使来自镜组焦点的光束平行出射，所述镜组包括反射镜组(未标示)，所述反射镜组具有至少一个第一反射面52；至少一个衍射面51，用于对所述光束进行散射并减小物镜50的色散。
24.不同波长的光束具有不同的光谱波长范围，因此，通过使不同波长的平行光束汇聚于一个焦点，从而提高成像清晰度。
25.所述镜组包括反射镜组，所述反射镜组具有至少一个第一反射面52，通过所述第一反射面52，以减少对光谱波长的限制，光束通过第一反射面52实现反射，以减少对光谱波长的限制，从而能够对色差起到较好的矫正效果，还有利于使得所述物镜50能够兼容较宽的光谱波长范围(例如，兼容光谱波长范围为260nm至500nm的光)，从而使得所述物镜50能够适用于更多的检测场景。
26.本实施例中，所述第一反射面52所在的光学元件(例如，透镜或反射镜) 具有高反射膜，所述高反射膜用于提供所述第一反射面52。作为一种示例，所述高反射膜的材料包括铝，利用铝的较佳的反射特性，以提高所述第一反射面 52的反射性能。
27.所述物镜50还包括至少一个衍射面51，衍射面51对所述光束进行散射并减小物镜的色散，因此该衍射面51能够对像差(例如，包括二级光谱在内的色差和单色像差)起到较好的矫正效果，这有利于在物镜50采用较少数量的光学元件的情况下，实现物镜自身像差的矫正。
28.具体地，基于衍射面51的色散特性，所述衍射面51衍射面用于对所述光束进行散射并减小物镜的色散，因此，所述衍射面51能够对像差起到较好的矫正效果，这有利于在物镜50采用较少数量的光学元件的情况下，实现物镜50 自身像差的校正，而且，所述衍射面51还能够对色差起到较好的校正效果，从而结合所述衍射面51和第一反射面52，以进一步提高对色差的校正效果。
29.综上所述，通过在物镜50中设置第一反射面52和衍射面51，能够实现宽光谱物镜的像差的自我矫正，进而提高了物镜50的性能，相应有利于提高集成有所述物镜50的光学系统的检测性能，同时减少对其他光学补偿部件的依赖性 (例如，易于使所述物镜50适配其它自身像差矫正良好的管镜，以达到优异的成像效果)，而且能够实现物镜50自身像差的矫正，还便于对物镜50单独进行生产装配和检测。
30.本实施例中，所述反射镜组包括至少两个第一反射面52，至少一个第一反射面52为曲面反射面55。
31.在一个实施例中，所述反射镜组用于对待测物面进行成像，因此，至少一个第一反射面52为曲面反射面55，所述曲面反射面55用于使平行入射光束汇聚至曲面反射面55的焦点。
32.通过曲面反射面55，从而使得光束经所述曲面反射面55后能够汇聚。
33.本实施例中，所述至少两个第一反射面52中还具有折转反射镜80，所述折转反射镜80用于改变所述反射镜组的成像位置，使所述反射镜组的成像位置与曲面反射面55的焦点分别位于所述曲面反射面55两侧；所述曲面反射面55 和所述折转反射镜80相对设置。
34.通过折转反射镜80，光束经由第一反射面52发生多次反射，通过进行多次反射，改变所述反射镜组的成像位置，从而增强对色差的矫正效果。
35.本实施例中，所述第一反射面52为多个，所述第一反射面52位于不同的光学元件上，且所述曲面反射面55和所述折转反射镜80相对设置，这使得第一反射面52之间的距离可调，从而有利于提高设计自由度。
36.本实施例中，所述两个第一反射面52的中央区域或边缘区域具有适于使光束通过的通光区，且所述中央区域设置于光轴经过的位置处，从而使得来自反射镜组外的光束能够经由该通光区进入两个第一反射面52之间、以及经由所述通光区出射。
37.作为一种示例，所述反射涂层具有位于所述中央区域的开口，使得所述中央区域为通光区，从而使得光束能够经由所述开口(也即经由所述通光区)进入两个第一反射面52之间、以及经由所述通光区出射。
38.在另一些实施例中，所述第一反射面在中央区域或边缘区域具有中心孔，从而使得光束能够经由所述中心孔透过。
39.具体地，所述中央区域设置于光轴经过的位置处，从而使得光束能够经过该中央区域。
40.作为一种示例，所述反射镜组用于对待测物面进行成像，因此，来自反射镜组外的光束经所述曲面反射面55反射至所述折转反射镜80，且光束经所述折转反射镜80反射后再经所述曲面反射面55的通光区出射。
41.在其他实施例中，根据光束的传输方向，也可以为：来自反射镜组外的光束经所述折转反射镜反射至所述曲面反射面，光束经曲面反射面反射后再经所述折转反射镜的通光区出射。
42.本实施例中，所述镜组包括沿光轴方向依次排列的一个或多个透镜(未标示)；在多个所述透镜中，至少一个所述透镜具有衍射面51。
43.本实施例中，所述衍射面51和第一反射面52为不同的面，有利于提高设计自由度(例如，易于调节衍射面51和第一反射面52之间的距离)。
44.在其他实施例中，所述衍射面也可以为第二反射面，也就是说，衍射面和反射面集成于同一面上。
45.本实施例中，所述镜组还包括：位于两个第一反射面52之间的折射透镜 18，两个所述第一反射面52之间的光路多次经过所述折射透镜18，所述折射透镜18用于增加所述物镜50的数值孔径。
46.通过所述折射透镜18，光束在第一反射面52之间实现反射的同时，使得光束的张角变大，从而有利于增大所述物镜50的数值孔径(na)和视场。例如，数值孔径可以达到0.9，从而可以提供优异的分辨率极限，视场(fov)可以达到1mm，从而可以为检测系统提供较大的吞吐量。
47.综上，通过在所述物镜50中设置第一反射面52、以及位于两个第一反射面52之间的折射透镜18，从而能够获得高数值孔径、大视场和宽光谱的物镜 50，且所述物镜50的色差矫正性能较好。
48.本实施例中，折射透镜18和第一反射面52的距离可调，从而有利于提高设计自由度。
49.作为一种示例，两个第一反射面52之间的折射透镜18的数量为一个。在其他实施例中，两个第一反射面之间的折射透镜的数量还可以为多个。
50.因此，本实施例所述物镜50具有第一反射面52、以及位于第一反射面52 之间的折射透镜18，且还具有衍射面51，通过对物镜50进行上述设置，能够获得折反衍物镜，从而获得宽光谱物镜，且具备像差的自我矫正功能，且具有较大的数值孔径(na)和视场，进而提高了物镜的性能，相应有利于提高集成有所述物镜50的光学系统的检测性能，同时减少对其他光学补偿部件的依赖性 (例如，易于使所述物镜适配其它自身像差矫正良好的管镜，以达到优异的成像效果)，而且能够实现物镜自身像差的矫正，还便于对物镜单独进行生产装配和检测。
51.需要说明的是，所述衍射面51的数量越多，则对像差和色差进行调制的自由度越高、调制效果越好，但增加衍射面51的数量，相应也会导致所述物镜 50的制备成本增加。为此，本实施例中，综合考虑对像差和色差进行调制、以及制备成本，所述衍射面51的数量为2个。
52.作为一种示例，所述物镜50包括两个相对设置的衍射面51，从而在设置该两个衍射面51时，方便加工。
53.在其他实施例中，所述衍射面之间也可以通过部分透镜的表面相间隔。
54.本实施例中，两个相对设置的所述衍射面51分别位于相邻的透镜上。
55.本实施例中，所述衍射面51所在的面为平面。
56.为了获得所述衍射面51，需要对所述透镜表面进行加工，从而在所述透镜表面形成衍射结构，因此，通过使所述衍射面51所在的面为平面，能够在平面上形成衍射结构，从而降低了加工难度，这相应有利于提高加工精度，进而进而提高衍射面51对像差和色差的调制精度，因此，利用衍射面51的色散特性和非球面特性，使得校正大视场显微物镜中的色差和像差的效果显著。
57.在其他实施例中，所述衍射面所在的面也可以为球面或非球面等具有曲率的表面。
58.本实施例中，所述衍射面51所在的透镜表面具有能在光路中产生衍射效果的衍射结构，用于提供所述衍射面51。
59.具体地，结合参考图2和图3，图2是本实施例其中一个衍射面51(也即第一衍射面13)的衍射结构的示意图，图3是本实施例另一个衍射面51(也即第二衍射面14)的的衍射结构示意图，所述衍射结构为以光轴对应的位置为圆心c的多个同心圆环形衍射结构，且由圆心c指向透镜边缘的方向，相邻圆环形衍射结构之间的间距依次递减，且在衍射面51为多个的情况下，远离物方的衍射面具有更大的衍射结构密度。
60.本实施例中，所述物镜50包括沿光轴方向依次排列的聚焦镜组61、场镜组62和成像镜组63，所述聚焦镜组61、场镜组62和成像镜组63中至少一者包括所述反射镜，沿所述光轴方向，所述聚焦镜组61和成像镜组63分别位于中间像平面的两侧，且所述成像镜组63最靠近所述物方，所述场镜组62位于所述聚焦镜组61和成像镜组63之间的预设位置区域中，所述成像镜组63用于对物面进行成像以在中间像面形成中间像，所述场镜组62适于对经过的光束进行色差矫正，且所述预设位置区域包含所述中间像平面的位置；所述聚焦镜组 61用于使来自中间像面一点的光束平行出射。
61.当光束由成像镜组63传输至聚焦镜组61时，所述聚焦镜组61用于对同一传输方向的光束进行准直，并经过光学系统中的管镜汇聚成像。相应的，当光束由聚焦镜组61向成像镜组63传输时，所述聚焦镜组61用于用于接收光束、并对同一传输方向的所述光束进行汇聚。
62.所述聚焦镜组61包括具有相同材料的多个透镜，从而能够对单色像差进行校正，而且，在确定材料后，易于对所述聚焦镜组61中各个透镜的曲率和位置进行设置，以满足单色像差和色差的校正效果，以及对光束的聚焦效果或者准直效果。
63.作为一种示例，所述聚焦镜组61中的透镜的材料包括熔石英。
64.本实施例中，所述聚焦镜组61的透镜具有所述衍射面51。
65.所述聚焦镜组61的透镜的口径较大，为衍射结构的加工提供足够的面积，从而有利于降低衍射结构的加工难度，相应有利于提高加工精度，进而提高衍射面51对像差和色差的调制精度。
66.作为一种示例，在所述聚焦镜组61中，沿所述光轴方向最远离物方的一个或多个
透镜具有所述衍射面51。
67.所述场镜组62位于所述聚焦镜组61和成像镜组63之间的预设位置区域中，且所述预设位置区域包含所述中间像平面的位置，从而将所述场镜组62 设置在中间像附近，有利于校正畸变和场曲的效果更佳。
68.本实施例中，所述场镜组62包括具有不同材料的多个透镜。通过增加场镜组62的材料种类，进一步提供物镜50的色差校正效果。
69.作为一种示例，所述场镜组62中的透镜的材料包括熔石英和氟化钙。
70.通过所述成像镜组63，从而增大所述物镜50的数值孔径、视场以及兼容的光谱范围。
71.作为一种示例，所述聚焦镜组61用于接收不同波长的平行光束、并对同一传输方向的所述平行光束进行汇聚，以形成中间像，因此，所述成像镜组63 用于经所述场镜组62校正后的光进行再次成像，从而成像到最终像面17上。
72.本实施例中，所述成像镜组63包括具有相同材料的多个透镜，从而在确定材料后，易于对所述成像镜组63中各个透镜的曲率和位置进行设置，以满足对色差的校正效果。
73.作为一种示例，所述成像镜组63中的透镜的材料包括熔石英。
74.在一个具体实施例中，从像方至物方，所述聚焦镜组61包括沿光轴方向依次排列的第一平凸正透镜1、平凹负透镜2、第一弯月负透镜3、第一双凸正透镜4、第二双凸正透镜5以及第二弯月负透镜6，且所述第一平凸正透镜1的平面、所述平凹负透镜2的凹面、所述第一弯月负透镜3的凸面以及所述第二弯月负透镜6的凸面均朝向所述物方。
75.相应的，所述第一平凸正透镜1朝向平凹负透镜2的平面为衍射面51(也即第一衍射面13)，所述平凹负透镜2中朝向第一平凸正透镜1的平面也为衍射面51(也即第二衍射面14)。
76.以所述聚焦镜组61用于接收光束、并对所述入射光进行汇聚为例，则光束会随着传播距离的增大而不断汇聚，通过平凹负透镜2和第一弯月负透镜3，使得光束透过并进行一定程度的发散，再经由所述第一双凸正透镜4、第二双凸正透镜5和第一弯月正透镜6进行汇聚，从而在实现汇聚的同时，使得光束能够沿着光路向前传播一段距离，进而在中间像平面位置处实现成像。
77.本实施例中，所述场镜组包括沿光轴方向依次排列的第三双凸正透镜7、第四双凸正透镜8、双凹负透镜9、以及第五双凸正透镜10。
78.本实施例中，从像方至物方，所述成像镜组63包括沿光轴方向依次排列的弯月形反射镜15、第三弯月负透镜11和第二平凸正透镜12，所述弯月形反射镜15的凹面、所述第三弯月负透镜11的凹面、以及所述第二平凸正透镜12 的平面均朝向所述物方，且所述弯月形反射镜15朝向所述物方的面、以及所述第二平凸正透镜12朝向所述物方的面均具有所述第一反射面52。相应的，弯月形反射镜15用于提供曲面反射面，第二平凸正透镜12为折转反射镜。
79.如图4所示，图4是所述物镜50在0mm视场位置的mtf(调制传递函数) 曲线图，其中，横坐标表示空间频率，纵坐标表示对比度。需要说明的是，mtf 是一种测定光学频率的方式，该方式是以1毫米的范围内能呈现出多少条线来度量，其单位以line/mm来表示。
80.在图4中，曲线l1表示衍射极限(diffraction limit)对应的mtf曲线，曲线l2表示
所述物镜50在0mm视场位置处的线所对应的mtf曲线，由图4 可知，通过上述设置，本实施例所述物镜50在0mm视场位置处的mtf曲线与衍射极限的mtf曲线较为接近。
81.如图5所示，图5是所述物镜50在0.35mm视场位置的mtf曲线图，其中，横坐标表示空间频率，纵坐标表示对比度，曲线l1表示衍射极限对应的 mtf曲线，曲线l3表示所述物镜50在0.35mm视场位置处，沿子午方向的 mtf曲线，曲线l4表示所述物镜50在0.35mm视场位置处，沿弧矢方向的 mtf曲线，所述弧矢方向垂直于视场直径方向。由图5可知，通过上述设置，本实施例所述物镜50在0.35mm视场位置处的mtf曲线与衍射极限的mtf曲线较为接近。
82.如图6所示，图6是所述物镜50在0.5mm视场位置的mtf曲线图，其中，横坐标表示空间频率，纵坐标表示对比度，曲线l1表示衍射极限对应的mtf 曲线，曲线l5表示所述物镜50在0.5mm视场位置处，沿子午方向的mtf曲线，曲线l6表示所述物镜50在0.5mm视场位置处，沿弧矢方向的mtf曲线，所述弧矢方向垂直于视场直径方向。由图6可知，通过上述设置，本实施例所述物镜50在0.5mm视场位置处的mtf曲线也与衍射极限的mtf曲线较为接近。
83.结合参考图7，图7是本实施例的物镜50的垂轴色差图，横坐标不同波长的光的汇聚点位置偏差值(微米)，纵坐标表示沿视场直径方向距视场中心的距离，直线l7表示波长为380nm的光，曲线l8表示波长为260nm的光，曲线 l9表示波长为500nm的光，虚线l10和虚线l11用于表示艾里斑的边界位置。由图7可知，以380nm的光作为参考光，则通过上述设置，本实施例所述物镜 50能够将不同波长的光的汇聚点位置偏差控制在艾里斑以内，对色差的矫正效果较佳。
84.相应的，本实用新型实施例还提供一种光学系统，包括前述实施例的物镜 50。
85.基于前述分析可知，集成有所述物镜50的光学系统的检测性能较佳，同时能够减少对其他光学补偿部件的依赖性。
86.虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。