[发明专利]一种补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜的设计制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学多层膜领域，具体涉及一种补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜的设计制备方法。

背景技术

随着浸没式光刻技术、生物显微技术等在内的大数值孔径光学系统的发展，给与其相关元器件的设计和加工制造也带来了挑战，许多的关键参数都是传统光学设计中所不曾涉及的。在单波长下工作的此类大数值孔径光学系统中，透镜的球差是比较明显的，会使得系统聚焦光斑形成中间亮边缘逐渐模糊的亮斑，从而影响成像质量。因此，必须加以纠正，否则会直接影响光学系统的工作精度和工作效率。

通常情况下，采用透镜组合来消除球差，由于凸、凹透镜的球差是相反的，可选配不同材料的凸凹透镜胶合起来给予消除。但是这种用透镜组消除球差的方式，在光学系统中增加了额外的元件，增加了光学系统的成本，也为光学系统的后期装调增加了难度。

公开号为CN 1664622A(申请号为200410006531.8)的发明专利《像差补偿透镜》中公开了一种像差补偿透镜，包括一透镜本体与多个滤光薄膜，其中，透镜本体具有一光入射面、一出射面与一光轴，而光入射面及/或光出射面是由多个不连续的区块所构成。在透镜的入射面/或出射面分成多个不同尺寸的环状区块、扇区区块、多边形区块，将多个滤光薄膜分别配置于透镜本体的这些区块，进行像差补偿。这种方式一方面要对透镜进行刻蚀加工，另外一方面还要在不均匀的透镜表面进行光学薄膜的制备，对透镜加工和薄膜制备的要求都比较高。

发明内容

本发明针对传统透镜球差纠正过程中会引入额外透镜，导致成本上升、光学系统装调难度增大等技术问题，提供了一种在不改变透镜面型、不增加额外光学元件的情况下，实现对单透镜球差进行压缩的方法。通过对经过单透镜的出射波前差的分析，提出了压缩单透镜球差的光学抗反射多层膜位相设计方法，利用薄膜的位相延迟对波前变化进行补偿压缩。从而实现在无附加光学元件的情况下，对单透镜的球差优异的补偿和压缩。

一种补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜的设计制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据单透镜的入射面和出射面特性，计算经过单透镜后光场波前差的泽尼克多项式中球差项的系数；

2)利用步骤1)中计算所得的泽尼克多项式中球差项的系数，计算线偏振光经过单透镜后出瞳面处球差所产生波前差，取该波前差对应于单透镜出瞳面极径上的一系列值为波前差a；

利用单透镜的入射面和出射面特性(即单透镜的参数)，计算平行光入射时，单透镜入射面的入射角随出瞳极径变换的函数；

利用出瞳极径，建立波前差a和入射角之间的函数关系；

3)将波前差a取反，并除以2π并取余数，得到波前差b，波前差b根据不同的入射角范围划分为数个区间，得到数个区间的波前差b；

对波前差b数个区间里的值分别取平均值，得到离散分布的波前差c；

4)以采用第二折射率层和第一折射率层光学交替的抗反射薄膜膜系为初始结构，评价函数为F＝(I×D×C-T)/N，I＝1是光源强度，D＝1是探测器效率，C是对应入射角下计算所得的位相值，T是对应入射角范围下的目标位相值，N＝1是归一化因子；

在波前差c的每个区间内，以该区间的波前差c值为该区间的光学抗反射薄膜膜系设计的目标位相值，N＝1是归一化因子，使评价函数F最小化为设计目标，得到不同区间内各光学抗反射膜中第二折射率层和第一折射率层的各层厚度以及周期数，即不同的入射角范围下的各光学抗反射膜；

5)根据不同的入射角范围在单透镜上制备各光学抗反射膜，得到补偿单透镜球差的光学抗反射多层膜。

步骤1)中，所述的泽尼克多项式中球差项的系数(值)可以由ZEMAX等商用软件计算得到，可在特定波长下计算，如工作波长587.6nm下。在ZEMAX等商用软件中，输入单透镜的入射面和出射面特性(即单透镜的参数)和工作波长，即可得到泽尼克多项式中球差项的系数。

所述的单透镜为凹透镜或者凸透镜。

步骤2)中，以单透镜的光轴为x轴，以单透镜的光轴与入射面的交点为原点，建立xy轴直角坐标系；

利用步骤1)中计算所得的泽尼克多项式中球差项的系数，计算线偏振光经过单透镜后出瞳面处球差所产生波前差，取该波前差对应于单透镜出瞳面极径上的一系列值为波前差a；