单透镜优化方案：改善原始基型的光学性能

（1）移动光阑

因为光刻物镜要求出瞳远心，所以g_a的物方焦点应该在外（在g_a的左侧），而且孔径光阑要放置在物方焦平面上，将中倍平场显微物镜的光阑拿到最前面距显微物镜第1面2mm处。值得指出的是，当说到系统或镜头的物方和像方时，都指当前所述的镜头和当前放置的情况而言。

（2）初步优化

以（1）为基础，在ZEMAX程序主页中设定：Gen→Entrance pupil diameter→8（mm）；取两个视场，Fie→type（Angle deg.）→1，0°→2，；Wav→0.588μm。

用最后一面的半径保证像方孔径角u′=0.4，取近轴像平面作为像平面。除最后一面的半径外，将其余半径以及双胶合镜组前的空气间隔用作变量。采用程序提供的波像差型式的默认评价函数自动优化一次。

（3）用单片替代双胶合镜组

激光光源的能量密度较高，在其所用光学系统中一般不用双胶合镜组，因为双胶合镜组在这种使用情况下容易开裂。

用一单片取代双胶合镜组的办法是在优化后（2）的文件中，由路径Analysis→calculation→ray trace→setting→type选“Y_m，U_m，Y_c，U_c”，并在其中找到边缘光线在双胶合镜组三个面上的投射高度，以及入射到双胶合镜组上的边缘光线孔径角u_m和从双胶合镜组出射的边缘光线孔径角u_m′。三个投射高度取其平均值h，代入公式u′-u=hφ求出双胶合镜组所负担的光焦度φ，再利用薄透镜光焦度公式，并假定两个半径一正一负值相等，另假定玻璃材料为K₉，据此求出单透镜的两个半径，其厚度取3.38mm。用这个单透镜取代优化后文件（2）中的双胶合镜组，并令它和第四块透镜间的空气间隔为1.61mm。

用第四块透镜第二面的半径保证像方孔径角u′=0.4，取近轴像平面为像平面。除最后一面半径外，将其余半径以及第二块和第三块单片（此即替代双胶合镜组的单片）间的空气间隔用作变量。采用程序提供的波像差型式的默认评价函数自动优化一次，完成用单片替代双胶合镜组的任务。

（4）更换材料

上述诸项预备工作中，所用波长是0.588μm的d光，而光刻物镜的工作波长是0.248μm，这个波段透过率好的材料很少，现采用折射率n_0.248μm为1.50855的硅，用它替换上述系统中的所有材料。

材料替换后，在ZEMAX程序主页中更换波长，即Wav→0.248μm。用第四块透镜第二面的半径保证像方孔径角u′=0.4，除最后一面半径外，用其余半径、离焦量，以及第二块和第三块单片间的空气间隔作变量。采用程序提供的波像差型式的默认评价函数自动优化一次，优化后其横向像差曲线如图6-3所示，光路简图如图6-4所示。(www.xing528.com)

图6-3 更换材料后优化出的横向像差曲线

图6-4 更换材料并优化后的光路简图

由图6-3看到轴外点下光线造成的像差大一些，改进的办法之一是分裂透镜。分裂透镜的效果减小了光线的入射角，就有可能减小像差。值得指出，在光刻物镜的设计中，常用分裂透镜这个措施来减小高级像差。由图6-4看到这条光线在第二块透镜上的投射高度“较高”，就将第二块透镜等光焦度地分裂成两块。

分裂透镜后，采用最后一面半径外的其余半径、离焦量以及第三块和第四块单片间的空气间隔作为变量，采用程序提供的波像差型式的默认评价函数自动优化一次。优化出的结构参数见表6-3，优化出的横向像差曲线如图6-5所示。

表6-3 分裂透镜并优化后的结构参数

图6-5 分裂透镜并优化后的横向像差曲线