为了满足目前机器视觉工业在线检测提出的更高要求, 本文给出了一种用于机器视觉系统的双远心镜头设计思路。首先, 根据系统设计指标, 确定较合适初始结构; 然后, 在双远心镜头成像原理和像差分析方法基础上, 应用光学设计软件 Zemax对系统像差反复优化设计, 最终得到了一款具有高分辨率、低畸变及远心度小等特点的双远心镜头。该镜头系统由 10片折射透镜组成, 工作波长为 400～ 700 nm, 工作物距为 100 mm, 畸变小于 0.07%, 远心度最大不超过为 0.06°, 调制传递函数值在奈奎斯特频率 77 lp/mm处均大于 0.5, 像差校正较好, 满足系统设计要求。

提供了一种基于机器视觉的双视野双光路远心系统设计方案,以折射棱镜为分界,将远心系统分为物镜部分与目镜部分,通过增加或更换目镜,即可在原有系统中同时实现不同的光学放大率,提高了远心系统在不同场合的适用性。设计了一款具有双视野的双远心系统。该系统工作距离为130 mm,物方视场分别为40 mm与80 mm,搭配 ON Semiconductor公司生产的型号为SN5000A的成像芯片,光学放大倍率分别为-0.275与-0.1375,并且满足低畸变(各视场畸变均小于0.1%)、高分辨(105 lp/mm处大于0.3)、高远心度(小于0.1°)等设计要求。

为了实现掩膜面的均匀照明, 采用非球面技术对浸没式光刻照明系统中会聚镜进行了设计, 并对影响系统远心度的误差源进行了分析。设计的会聚镜数值孔径的一致性偏差在0.2%以内, 像方远心度小于0.2 mrad, 以系统的远心度变化0.1 mrad, 数值孔径一致性变化0.1%, 点列图变化20 μm, 焦距变化0.1 mm为公差基础值, 计算出会聚镜的厚度公差为±0.02 mm～±0.05 mm, 单面倾斜10″～20″。该浸没式光刻照明系统中会聚镜的设计合理, 制定的公差可行, 能够满足硅片面上照明非均匀性小于3%的要求。

为了满足基于机器视觉的复杂零件表面质量在线实时检测的需求, 根据双远心成像原理和像差理论基础, 采用ZEMAX光学设计软件, 设计了一款大视场宽景深的双远心光学系统。所设计的系统仅由6块透镜组成, 工作波长在可见光范围内, 系统放大率为-0.061, 工作距离大于390mm,最大视场达到180mm。结果表明, 光学系统的最大畸变小于0.1%, 景深范围达到80mm,调制传递函数在全视场100lp/mm处大于0.4, 远心度最大值控制在0.012°内;各种像差均得到很好的矫正, 像质优良。该设计结构符合双远心系统的总体设计要求。

针对45 nm节点投影光刻物镜的应用, 开展了工作波长为193 nm的深紫外浸没式高数值孔径(NA)投影光刻物镜的研究和研制。设计了数值孔径(NA)为1.30的离轴三反射镜投影光刻物镜和NA为1.35的同轴两反射镜投影光刻物镜, 并对两个设计方案的优劣进行对比分析, 选择了同轴式结构作为最终的设计方案。分析了系统在不同NA情况下可变光阑与其远心度之间的关系, 提出了用双可变曲面光阑的设计方案来优化系统的远心度。实验表明, 应用本文设计方案, 光刻物镜的波像差小于1 nm, 畸变小于1 nm; 新型的可变光阑使系统NA在0.85~1.35变化时的最大远心度由5.83~17.57 mrad降低至0.26~3.21 mrad。本文提出的设计方案为45 nm节点高数值孔径投影光刻物镜的研制提供了有益的理论依据和指导。

机器视觉技术在工业测量中具有广泛应用，实现高精度的机器视觉测量对精密加工、制造具有重要意义。针对机器视觉应用中待测物体偏离焦面及在纵深方向过厚导致测量结果出现误差的问题进行了研究。重点讨论了系统中镜头远心度引起的平行性误差及其对离焦物体测量结果的影响。实验结果表明，在物体偏离最佳成像面而引入的误差中，平行性误差占到90%左右，因此可通过后期对平行性误差进行补偿以较大程度地提高系统测量精度。此外，针对待测物体过厚导致边缘模糊这一问题采用多种边缘检测算法进行了分析。结果表明在一定范围内，物体纵深方向越厚，边缘检测误差越大。在这一结果的基础上，对算法进行改进，提出一种基于图像灰度曲线的补偿方法，使测量误差由超过20 μm降至10 μm以下。

极平衡作为光刻物镜的一项重要指标，受到多种误差因素综合调制，因此有必要准确区分各种误差源的独立贡献量。提出了一种标定方法，将远心度误差所引入的调制效果进行了解耦，对极平衡指标进行了标定，并与质心标定方法进行对比研究。实现途径是以Matlab程序作为载体，调用Code V进行远心度运算，对LightTools的光瞳强度仿真结果进行重新定位，从而获取远心分离后的极平衡性指标。此外，设计了一个光刻物镜方案作为研究对象，对标定程序进行了仿真验证。结果表明，该标定方法可有效分离远心误差对极平衡的调制作用，程序执行效率较高。