有像差校正的1:1折反射式光学系统技术方案

本发明专利技术是一种有像差较正的１∶１折反射式光学系统，主要用于精细或超精细图形的照相复制。它包括球面反射镜，由两透镜组成的，弯月透镜组、平凸透镜，置于弯月透镜组两透镜之间的像差校正板，其校正板是空气隙或者是平行平板，在平凸透镜前有物像分离的三角棱镜组，三角棱镜组是由一块等边三角棱镜或是双三角棱镜组成。具有省料，视场利用率高等优点。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于具有或无折反射元件的反射面光学系统，主要用于精细或超精细图形的照相复制。中国科学院上海光学精密机械研究所专利技术人张雨东在专利技术专利“1∶1折反射式光学系统”(专利号89103586.9)中，设计了一种1∶1折反射式光学系统，如附图说明图1所示，包括棱镜3，8、透镜4，5、校正板6、球面反射镜7，该光学系统中除校正板6外，3个球面几乎同心，透镜5所用的材料高于透镜4所用材料的折射率。光学系统的球差和色差由校正板6校正，校正板6位于透镜5和反射镜7之间，系统的象散由透镜4，5和反射镜7校正。这种光学系统虽然具有一定的优点，它最大数值孔径可达0.45;视场直径是58mm;工作带宽约38nm;但用在短于365nm的波段时，目前弯月透镜5只能用熔石英制造，这种高精度的物镜对所用材料的均匀性要求极高，同时弯月透镜5又是大口径，大厚度的弯月形透镜，制造它所需的大孔径，大厚度，高均匀性的熔石英是很昂贵的。美国的赫希尔(R.S.Hershel)在“Opticsinthemodel900projectionstepper”(发表在SPIE，VOL.221，P339)使用的1∶1Wynne-Dyson折反射式光学系统，如图2所示，包括棱镜3，8、透镜4，5和球面反射镜7组成，与图1所示的折反射物镜，都是采用双棱镜将物像面分离的，由于棱镜经过光轴的棱挡光，使得物镜中心视场有很大一部分无法使用，如图3所示，图中虚线为物镜可使用的视场，实线部分为棱镜挡光而缩小的实际工作视场，为获得足够大的工作视场，物镜的口径必须作得很大，从而要采用口径足够大的坯料，使得物镜的造价提高。本专利技术的目的是提供一种新型的光学系统，改变弯月形透镜，使它可以用厚度较薄的材料制造，同时可以充分利用物镜中心工作视场缩小物镜的口径，从而降低制造成本。本专利技术提供的光学系统包括一凹球面反射镜，位于该球面反射镜的凹反射面之前有一弯月透镜，该弯月透镜的凸球面7′向着球面反射镜的凹球面，弯月透镜的球面与球面反射镜的球面是几乎同心的，位于弯月透镜的凹球面4′一端有一平凸透镜，该平凸透镜的凸球面与弯月透镜的凹球面4′相贴合，平凸透镜平面的一端有物像分离三角棱镜，系统中还有校正像差的校正板。本专利技术光学系统中的弯月透镜是由两个透镜所组成的弯月透镜组。这两个透镜可以是两个弯月透镜9，11(图5所示)或者是一个平凸透镜15和一个平凹透镜13组成(图7所示)。弯月透镜组的两透镜是同一种材料所制。本专利技术的像差校正板是位于弯月透镜组的两透镜之间，校正板可以是空气间隙，或者是一种透光材料所制。所说的位于平凸透镜平面一端的物像分离三角棱镜是一个三角棱镜组，它可以是一块等边三角棱镜12或者是两块三角棱镜3，8所组成的双三角棱镜。当采用一块等边三角棱镜时，它的一个透光面与平凸透镜的平面相贴合。当采用双三角棱镜时每块三角棱镜均有一透光面与平凸透镜的平面相贴合。当校正板是空气隙时，空气隙的两透光表面5′，6′都是球面，如图5和图6所示，校正像差的空气隙10位于弯月透镜组的两弯月透镜之间，当空气隙10的参数满足如下公式d5'=(△-V2C1)/………………(1)r5'=1/………………(2)r6'=/(3)式中，d5′为空气隙沿光轴的以l5′＝1归一化后的厚度△＝u′6′-u5′v2为位于空气隙10与平凸透镜4之间的弯月透镜9的色散(阿贝常数)C1为光学系统中，空气隙之外的其他光学表面产生的色差系数之和，并以透光面5′的物距l5′＝1，u10＝1归一化。u＝u′5′u5′为透光表面5′轴上入射光孔径角，式中设u5′＝1。r5'为透光表面5′的按l5′＝1归一化半径。r6'为透光表面6′的按l6′＝1归一化半径。n2为透镜9的折射率。u′5′为透光表面5′折射后轴上光线孔径角。u6′为透光表面6′轴上入射光线孔径角。u′6′为透光表面6′折射后轴上光线孔径角。则空气隙校正板可以校正光学系统的色差，再适当选取u与△值，则可以校正光学系统的球差，光学系统的象散可以由球面4′、球面7′和球面8′校正，空气隙校正板10可以位于球面4′与球面7′之间的任何位置，不影响校正结果。校正像差的空气隙结构参数取值最好在范围空气隙沿光轴厚度d5′＝(0.0003～0.012)×r7′空气隙透光表面5′曲率半径r5′＝(0.98～1.32)×r7′空气隙透光表面6′曲率半径r6′＝(0.85～1.14)×r7′其中r7′为弯月透镜组向着球面反射镜的凸球面7′半径。若图5、图6中平凸透镜4与透镜9由相同的材料制造，换句话说，用单透镜代替透镜4和透镜9组成的双胶透镜，依然可以采用空气隙校正像差(球差，色差)，由球面7′和球面8′平衡象散。在波长大于365nm的光谱区，由于可以使用的光学材料很多，因此可以在弯月透镜组的透光面4′与7′之间加入一块折射率比弯月透镜高的校正板校正球差和色差，再由透光面4′，透光面7′与反射面8′来校正象散。若所说的这块高折射率校正板是一块平行平板14，嵌入于弯月透镜组两透镜之间，所以称为嵌入式高折射率平行平板，如图7和图8所示，其厚度d14满足下式d14＝(n1n33/n22)do……(4)式中，d14为平行平板14的厚度n1为平凸透镜4的折射率n2为弯月透镜组的折射率n3为平行平板14的折射率n3＞n2do＝(d1+d2)/2d1为物平面1到三角棱镜组中与之平行相对的表面1′之间的距离。d2为像平面2到三角棱镜组中与之平行相对的表面2′之间的距离。则可以校正系统的球差，若作为校正板的平行平板14的色散v3同时满足下式v3＝n3(n3-1)/{n2(n2-1)/v2+n3/n2··do/d14｝……(5)式中，v1为平凸透镜4的色散(阿贝常数)。当三角棱镜组是一个等边三角棱镜时，可以消除棱镜在光轴附近挡光的问题，其光学系统如图6、图8、图9、图10所示，此时光学系统的实际工作视场的一个边可以经过视场中心，如图4所示。由此可见，在实际工作视场相同时，采用一个等边三角棱镜分离物像的结构，要求物镜所提供的工作视场(图3和图4中的虚线圆)直径较小，要比采用双棱镜的结构小约三分之一(具体数值与系统的数值孔径和棱镜折射率有关)，光学系统中棱镜之外的折射元件口径可以分别减小1/3～1/6，从而节约了制造物镜的光学材料，降低了造价。只要所说的等边三角棱镜所用材料及其光学展开(等效)厚度，与双棱镜结构中棱镜的材料与其光学展开(等效)厚度相同，以所说的等边三角棱镜代替双棱镜不影响光学系统的成像质量。图9为图1中所示的双棱镜结构，改为一个等边三角棱镜时光学系统结构示意图，图10是将图2中所示的双棱镜结构，改为一个等边三角棱镜时，光学系统的结构示意图。由于校正板可以处在弯月透镜组两透光表面4′与7′之间的任一位置不影响校正结果，当校正板处在透光表面4′与透光表面7′的中间时，所要求的光学材料厚度仅须已有技术“1∶1折反射式光学系统”(专利申请号89103586)中的一半。与已有技术“1∶1折反射式光学系统”相比，本专利技术的优点是1)制造本专利技术光学系统的弯月透镜组所用光学材料厚度可以减薄一半(50%)，光学系统口径可以减小1/3～1/6，从而大大降低所用光学材料的成本。2)可以充分利用光学系统可用的工本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术是一种有像差较正的１：１折反射式光学系统，主要用于精细或超精细图形的照相复制。它包括球面反射镜，由两透镜组成的，弯月透镜组、平凸透镜，置于弯月透镜组两透镜之间的像差校正板，其校正板是空气隙或者是平行平板，在平凸透镜前有物像分离的三角棱镜组，三角棱镜组是由一块等边三角棱镜或是双三角棱镜组成。具有省料，视场利用率高等优点。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王之江，张雨东，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]