波像差测量模块的畸变测量装置和畸变校正方法

摘要

本发明公开了一种波像差测量系统的畸变测量装置和畸变校正方法，该装置包含：光源、标准模板、波像差测量模块、精密调节台和数据处理单元，波像差测量模块由傅立叶透镜和图像采集元件共同组成，标准模板用于波像差测量模块的畸变测量中。本发明通过在光源和波像差测量模块之间放置标准模板，标准模板上制作有位置已知的高精度定位标记，由图像采集元件采集图像并输出至数据处理单元中。数据处理单元对图像进行定位标记的图像识别，然后进行畸变的映射计算，并对波像差测量结果进行畸变的位置校正和波像差数据的修正，提高波像差测量精度，对于干涉法和非干涉法的波像差测量模块的畸变测量都适用。

说明书

技术领域

本发明涉及光学系统的畸变测量方法，特别是一种波像差测量模块畸变的测 量装置和畸变校正方法。

背景技术

针对物镜成像系统或者球面波光源的波像差高精度检测系统，如何去除测量 系统误差、提高检测精度是高精度波像差检测系统的研究目标。对于波像差测量 系统中，测量系统本身引入的系统误差，通过两次测量的方式进行去除。如中国 专利申请公开说明书(申请号201110346849.0，公开号CN 102368139A)提出的一 种高精度系统波像差检测方法，以及中国专利申请公开说明书(申请号 200910093833.6，公开号CN 101655670A)提出的可测量系统误差的光刻机投影 物镜波像差在线检测装置。但是这些装置和方法都是围绕如何消除测量系统本身 引入的系统测量误差，无法对波像差测量模块本身的畸变误差进行消除。

对于波像差测量模块本身所存在的畸变误差，如傅立叶透镜的畸变和图像采 集元件的像元分布不均。傅立叶透镜的畸变，会改变光线的传播方向，产生额外 的波像差，叠加在原来的波像差上。而图像采集元件由于制作工艺以及使用过程 中热膨胀等因素，导致像元分布不均匀，与实际定义的图像坐标存在一定的位置 偏差。这两类畸变误差会导致波像差的测量产生误差，误差的大小与波像差本身、 位置畸变的大小和方向相关，并且这类误差无法通过系统误差测量的方式将这部 分所产生的误差加以去除。关于成像元件的畸变误差对波像差测量的影响，文章 “Measurements from a novel interferometer for EUVL mirror substrates.pdf”里针对 CCD(图像采集元件的一种)畸变做了详细的理论分析，同时针对于特定的点衍 射系统里，给出了利用双光纤对CCD的畸变进行测量的方案。但是，这种方法 只能单独测量CCD的畸变，无法对波像差测量模块的整体畸变进行测量。

本发明针对波像差测量模块的畸变以及畸变所造成波像差测量误差，提供了 一种畸变测量方法，可以对畸变位置进行校正，并对波像差测量结果进行修正， 可提高波像差测量精度。

发明内容

本发明的目的是针对波像差测量模块的畸变，提供了一种非接触的光学测量 方法，利用畸变测量结果，对波像差测量结果的位置进行畸变校正，并在此基础 上对波像差测量结果进行修正，可适用于各类干涉法和非干涉法的波像差测量系 统。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种波像差测量系统的畸变测量装置，该装置包含：光源，标准模板，波像 差测量模块，标准模板精密调节台，波像差测量模块精密调节台和数据处理单元。

所述的光源发出的球面波，经过所述的标准模板后，携带有标准模板上定位 标记信息，入射至所述的波像差测量模块，在波像差测量模块内部由傅立叶透镜 准直后成为平行光，被图像采集元件接收，由所述的数据处理单元处理。

所述的标准模板精密调节台具有六个调节自由度，用于调节标准模板在三维 空间的位置调节和标准模板的俯仰、偏摆和旋转的方向调节。

所述的波像差测量模块精密调节台具有五个调节自由度，用于波像差测量模 块在三维空间位置调节以及俯仰和偏摆的方向调节。

所述的光源可以是产生点光源的光学系统。

所述的标准模板上有通过光刻工艺制作的高精度定位标记，标记的定位误差 小于波像差测量模块畸变误差的10％。

所述的定位标记可以是圆孔阵列，也可以是棋盘阵列，或者其他易于图像处 理和识别的图形阵列。

所述的波像差测量模块，可以是基于相移原理的相移干涉仪的波像差测量模 块，也可以是基于非干涉法的哈特曼传感器。

所述的数据处理单元的数据处理包含对采集的光斑数据进行图像识别、畸变 计算和波像差的修正。

基于上述的波像差测量模块的畸变测量装置和畸变校正方法，其特征在于， 包含以下步骤：

(1)通过波像差测量模块精密调节台对波像差测量模块进行位置的调节，使 光源和波像差测量模块的共轴且平行；

(2)将标准模板插入在光源和波像差测量模块之间，并通过精密调节台对标 准模板进行位置调节，使标准模板与波像差测量模块共轴且平行；

(3)打开光源，波像差测量模块采集携带有标准模板上定位标记信息的光斑 图片，传输至数据处理单元中；

(4)由数据处理单元对光斑图片进行图像处理，提取定位标记在图像采集元 件中的图像坐标(x,y)，再将标准模板上与该定位标记对应的模板坐标(X,Y)输 入数据处理单元中。

(5)利用定位标记在图像采集元件中的图像坐标(x,y)和定位标记的模板坐 标(X,Y)，计算波像差测量模块的畸变，畸变模型如下：

$\left(\begin{array}{c}x=\Sigma u_{\mathrm{ij}}{X}^i{Y}^j\\ y=\Sigma v_{\mathrm{ij}}{X}^i{Y}^j\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，u_ij，v_ij为畸变参数，i和j分别表示多项式展开阶数；

(6)采用波像差测量模块作为检测模块的波像差测量系统，对波像差测量结 果w(x,y)进行畸变校正，具体校正过程如下：

首先，构造与波像差测量模块分辨率相同的理想位置的模板坐标(X0，Y0)，代 入式(1)中，计算对应的图像坐标(x0,y0)，完成畸变位置校正，此时理想的 模板坐标(X0，Y0)对应的波像差w(X0，Y0)，对应图像坐标(x0,y0)位置所 测量的波像差w(x0,y0)，即

w(X0,Y0)＝w(x₀,y₀)

其次，利用波像差测量结果w(x,y)计算w(x0,y0)过程如下：

$\left(\begin{array}{c}w({x0}_i,{y0}_i)=w({x1}_i,{y1}_i)(1-\Delta x_i)(1-\Delta y_i)+w(x{1}_i+1,{y1}_i)\Delta x_i(1-\Delta y_i)\\ +w({x1}_i,{y1}_i+1)(1-\Delta x_i)\Delta y_i+w({x1}_i,{y1}_i)\Delta x_i{\mathrm{\Delta y}}_i\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，x0_i＝x1_i+△x_i，y0_i＝y1_i+△y_i，x1和△x分别为x0整数和小数部分，y1和△y 分别为y0整数和小数部分,i表示第i个模板坐标(X0，Y0)位置。

本发明通过准备一个标准模板，不需添加其他辅助光学元件，配合使用式(1) 和式(2)所提供的算法处理，以最少的硬件设计完成波像差测量模块的畸变测 量和波像差测量结果的修正，提高了波像差测量的精度。

本发明所提供的畸变测量和畸变校正方法既可以直接在波像差测量系统中 进行在线测量，也可以单独对波像差测量模块的畸变进行离线测量。本发明的优 点有两点：一是波像差测量模块的畸变测量系统简单，仅需要准备一个标准模板， 即使是用于波像差测量模块畸变的在线测量，也不增加系统的复杂度；二是对波 像差测量结果的位置畸变的进行测量和校正后，可以同时完成波像差测量结果的 修正，提高波像差测量的精度。

附图说明

图1为波像差测量系统的畸变测量系统装置；

图2为波像差测量系统畸变测量和波像差修正的流程图；

图3为标准模板图形设计示意图；

图4为波像差测量模块中傅立叶透镜畸变误差和图像采集元件位置误差示 意图；

图5为波像差测量模块总的畸变误差矢量分布示意图；

图6为波像差测量模块畸变示意图。

其中，1、光源；2、标准模板；3、波像差测量模块；3-1、傅立叶透镜；3-2、 图像采集元件；4、标准模板精密调节台；5、波像差测量模块精密调节台；6、 数据处理单元。

具体实施方式

为了更好的理解本发明实施例的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实 施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1所示的是一种波像差测量模块的畸变测量装置。光源或者待测波像差光 学系统模块1，发出球面波，垂直入射到标准模板2上，此后，入射光中携带有 标准模板2上的定标标记位置信息。光束继续传播至波像差测量模块3，在波像 差测量模块3的内部经过傅立叶透镜3-1准直后成为一组平行光。由于傅立叶透 镜3-1本身会存在畸变，导致出射的光束并不是严格平行，各个区域的光线会因 畸变的存在而发生传播方向的改变。在傅立叶透镜3-1的后焦面上，由图像采集 元件3-2采集光斑图像信息。图像采集元件3-2由于工艺制作、受热膨胀等因素， 会导致像元分布不均匀，导致输出的坐标位置产生位置偏差。傅立叶透镜3-1的 畸变和图像采集元件3-2的像元分布不均匀，二者共同作用下，导致最后输出的 光斑形状和位置发生改变，需要对这种坐标位置的变化进行测量和校正。

在上述的系统中，需要保证光源1、标准模板2、波像差测量模块3所组成 的光路系统是共轴的。标准模板2的位置通过精密调节台4进行三维空间的位置 以及俯仰、偏摆的调节。另外，精密调节台4上还加上一个旋转调节自由度，实 现标准模板2的坐标系与图像采集元件3-2的图像坐标系的平行调整，方便后续 畸变测量数据处理过程中的畸变系数的计算。

波像差测量系统的畸变测量和畸变校正，具体过程包含以下步骤：

(1)通过波像差测量模块精密调节台5对波像差测量模块3进行位置的 调节，使光源1和波像差测量模块3的共轴且平行；

(2)将标准模板2插入在光源1和波像差测量模块3之间，并通过精密 调节台4对标准模板2进行位置调节，使标准模板2与波像差测量模块3共轴且 平行；

(3)打开光源1，波像差测量模块3采集携带有标准模板2上定位标记信 息的光斑图片，传输至数据处理单元6中；

(4)由数据处理单元6对光斑图片进行图像处理，提取定位标记在图像 采集元件中的图像坐标(x,y)，再将标准模板2上与该定位标记对应的模板坐标 (X,Y)输入数据处理单元6中。

(5)利用定位标记在图像采集元件中的图像坐标(x,y)和定位标记的模 板坐标(X,Y)，计算波像差测量模块3的畸变，畸变模型如下：

$\left(\begin{array}{c}x=\Sigma u_{\mathrm{ij}}{X}^i{Y}^j\\ y=\Sigma v_{\mathrm{ij}}{X}^i{Y}^j\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，u_ij和v_ij为畸变参数，i和j分别表示多项式展开阶数；

(6)采用波像差测量模块3作为检测模块的波像差测量系统，对波像差 测量结果w(x,y)进行畸变校正，具体校正过程如下：

首先，构造与波像差测量模块分辨率相同的理想位置的模板坐标(X0，Y0)， 代入式(1)中，计算对应的图像坐标(x0，y0)，完成畸变位置校正，此时理想 的模板坐标(X0，Y0)对应的波像差w(X0，Y0)，对应图像坐标(x0，y0)位 置所测量的波像差w(x0，y0)，即

w(X0,Y0)＝w(x₀,y₀)  (2)

其中，(x0,y0)是与(X0，Y0)对应的定位标记的图像坐标，一般情况下为非整 像素。

其次，利用波像差测量结果w(x,y)计算w(x0，y0)，w(x0,y0)可通过对 w(x，y)数据进行二维方向的双线性插值得到，过程如下：

$\left(\begin{array}{c}w({x0}_i,{y0}_i)=w({x1}_i,{y1}_i)(1-\Delta x_i)(1-\Delta y_i)+w(x{1}_i+1,{y1}_i)\Delta x_i(1-\Delta y_i)\\ +w({x1}_i,{y1}_i+1)(1-\Delta x_i)\Delta y_i+w({x1}_i,{y1}_i)\Delta x_i{\mathrm{\Delta y}}_i\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，x0_i＝x1_i+△x_i，y0_i＝y1_i+△y_i，x1和△x分别为x0的整数和小数部分，y1和 △y分别为y0的整数和小数部分，i表示第i个模板坐标(X0，Y0)位置。

图2所示的是畸变计算和校正过程的数据处理流程图。首先，在图1所示的 波像差测量模块的畸变测量系统中，光学调整完毕后，由图像采集元件3-2采集 并输出光斑图片。通过图像处理方法对图片中的定位标记进行识别，并获取定位 标记在图像中的图像坐标(x，y)。然后将定位标记的图像坐标(x，y)与标准 模板上定标标记的模板坐标(X，Y)进行一一对应。选定好畸变模型后，利用 最小二乘法计算相应的畸变参数u_ij和v_ij，得到标准模板上定标标记的模板坐标 (X，Y)与实际采集到光斑中定标标记的图像坐标(x，y)之间的畸变参数。对 波像差测量模块3的波像差测量结果w(x，y)，利用畸变参数u_ij和v_ij，完成畸 变位置校正和波像差测量结果的修正。

关于标准模板2上定位标记的设计图形，主要包含两类，如图3所示。一是 预对准用的定位标记，用于装调过程中标准模板2的位置与波像差测量模块3 的位置的预对准，使标准模板2与波像差测量模块3和光源1所组成的光路系统 共轴；二是畸变测量用的高精度的定位标记，用于畸变测量与计算。在图3中， 中心区域是预对准标记模块2-2，借助于预对准标记2-2中的长十字进行模板坐 标系与图像坐标系的平行调整，借助于四个角的四个圆孔所构成的正方形，进行 标准模板与波像差测量模块中傅立叶透镜3-1和图像采集元件3-2的同轴调整。 图3中2-1所示的四周分布的模块，是用于畸变测量的高精度定位标记，定位标 记可以时圆孔、棋盘或角点的图形阵列，其位置用作畸变计算时定位标记的模板 想坐标位置，其本身的定位精度要求小于待测量光学系统畸变的10％。

图4所示的是波像差测量模块3中的畸变，即傅立叶透镜3-1的畸变和图像 采集元件3-2像素分身分布的不均匀。傅立叶透镜3-1存在畸变，即光线经过傅 立叶透镜3-1后，会偏离理想的光线传输方向。在图4中，4-1表示理想的光线 传输方向，4-2表示实际的光线传输方向，二者方向的不同，导致传输到图像采 集元件3-2上的位置不同，由此而产生畸变。图像采集元件3-2的位置分布不均 匀，在图4中4-3代表理想的像元网格位置，4-4代表实际的像元网格位置，导 致最后输出的光斑实际坐标位置产生偏差。

图5所示的是图像采集元件3-2的畸变分布示意图，由于不同位置的畸变误 差大小不同，畸变方向也不一样，以矢量分布图表示更为直观。

图6所示的是波像差测量模块3的畸变测量示意图。图6(a)是标准模板2 的定位标记的模板坐标(X，Y)，图6(b)是经过波像差测量模块3后定位标记 的图像坐标(x，y)。将定位标记的模板坐标(X，Y)与图像坐标(x，y)进行 对应，计算波像差测量模块3的畸变，畸变模型见式(1)。利用最小二乘拟合， 分别计算畸变系数u_ij和v_ij的值。然后，构造理想的模板坐标(记为(X0，Y0))， 点数与实际图像采集元件图像的像素个数相同。利用(1)式，计算理想的模板 坐标(X0，Y0)对应的实际图像采集元件坐标(x0，y0)，完成畸变位置校正。

波像差测量结果的修正过程：设图像采集元件采集的波像差为w(x，y)，此 时模板坐标(X0，Y0)对应的波像差w(X0，Y0)，对应图像坐标(x0,y0)位置 所测量的波像差w(x0，y0)，即：w(X0,Y0)＝w(x₀,y₀)。其中，(x0,y0)是 与(X0，Y0)对应的定位标记的图像坐标，一般情况下为非整像素。w(x0,y0) 可通过对w(x，y)数据进行二维方向的双线性插值得到，见式(3)。

综上所述，本发明提供了一种波像差测量模块的畸变测量和校正方法。通过 准备一个标准模板2，标准模板2上有通过光刻工艺制作的高精度的定位标记。 由波像差测量模块精密调节5对波像差测量模块3进行位置调节，实现光源1、 和波像差测量模块3的共轴。由标准模板精密调节台4对标准模板2的位置进行 调节，实现标准模板2与波像差测量模块3的平行且共轴。波像差测量模块的畸 变测量硬件系统结构简单，装调方便。对于波像差测量模块的畸变测量，离线和 在线两种测量方式都适用。在完成波像差测量模块的畸变测量后，对波像差测量 结果进行位置的畸变校正，同时对波像差数据进行修正，可以提高波像差测量的 精度。