МИКРОСКОП ДЛЯ РАБОТЫ В ПРОХОДЯЩЕМ И (ИЛИ) ОТРАЖЕННОМ СВЕТЕ Российский патент 1995 года по МПК G02B21/26 

Изобретение касается микроскопа для работы в проходящем (или) отраженном свете, имеющего корпус, опорную плиту, вертикальный рамный штатив с одной передней и одной задней частями, вертикально расположенный предметный столик.

Микроскоп предназначен для исследования объектов с большой поверхностью, таких как маски или рельефные пластины.

Известен прибор, содержащий дополнительный корпус, дополнительную камеру, надеваемую на объектив корпус. В дополнительный корпус направляется воздух, выходящий через кольцеобразное отверстие (концентрично оптической оси объектива камеры).

Особенностью этого решения является решетка, размещенная приблизительно перпендикулярно оптической оси подлежащей защите оптической системы. Решетчатый растр не должен выходить за пределы определенных измерений, что ограничивает регулирование и приводит к нежелательным нарушениям, в изображении.

Кроме того, ламинарный поток проходит перпендикулярно оптической оси микроскопа. Это обуславливает то, что поток воздуха получается в направлении оптической оси, так что фронтальная поверхность объектива оптического прибора остается ненагруженной.

Таким образом, известное решение не позволяет защищать от загрязнения объекты с большой поверхностью, поскольку поток воздуха проходит перпендикулярно оптической оси микроскопа, т. е. нельзя избежать оседания частичек пыли.

Цель изобретения создание микроскопа для работы в проходящем (или) отраженном свете в особенности для исследования двухмерных объектов с большой поверхностью, который обеспечивал бы в рабочем положении оптимальные в эргономическом отношении условия обслуживания прибора, возможность контроля и перемещения объекта при отсутствии опасности его загрязнения и обладал бы стабильной компактной конструкцией даже для объекта с экстремально большой поверхностью, а также мог быть использован в качестве блока, встраиваемого в поточную линию для изготовления рельефных пластин.

Это достигается тем, что у предложенного микроскопа рамный штатив содержит дополнительно верхнюю плату, причем опорная плата и (или) верхняя плата рамного штатива выполнены со сквозными отверстиями, соединенными с устройством для подачи и всасывания воздуха.

Кроме того, корпус выполнен по меньшей мере из двух самостоятельных частей, закрепленных на опорной плате, а также корпус и (или) части корпуса могут быть выполнены в виде станин прямоугольного сечения или порталов, или круглого, или углового бугеля, а отдельные части корпуса закреплены на опорной плате наклонно.

При этом в частях корпуса или в вертикальном рамном штативе размещены оптические элементы, а все элементы управления размещены в основании вертикального рамного штатива и (или) на его передней части или на передней части корпуса.

Кроме того, микроскоп снабжен приспособлениями для крепления путем вдвигания стандартных сменных модулей для освещения, наблюдения, измерения и регистрации.

Между передней (передними) и задней (задними) частями штатива находится предметный столик для размещения или удержания объектов большой площадки, который имеет возможность продольного смещения.

Вертикальный рамный штатив размещен с возможностью продольного перемещения относительно предметного столика, а с закрепленным на нем предметным столиком установлен с возможностью вращения относительно окуляра микроскопа, причем вертикальный рамный штатив может быть выполнен в продольном сечении прямоугольной или квадратной формы, а опорная плата удлинена и выполнена с пультом ручного управления, а также вертикальный рамный штатив может быть выполнен в продольном сечении в форме трапеции или параллелограмма со скошенной передней частью.

Кроме того, корпус микроскопа выполнен в виде полого тела, протяженного поперек оптической оси окуляра в соответствии с геометрией продольного сечения рамы, а сам микроскоп снабжен средствами для установки и присоединения специальных микроскопных модулей, а также средствами для дистанционного манипулирования и управления.

На фиг.1 изображен микроскоп с вертикальным столиком, выполненный с открытым вертикальным рамным штативом, вид сбоку; на фиг.2 то же, вид сверху; на фиг.3 то же, вид спереди; на фиг.4 микроскоп с вертикальным столиком, выполненный с замкнутым вертикальным рамным штативом с четырехугольным продольным вырезом с изображением имеющихся в ходах частичных лучей оптических, механических и электронных конструктивных элементов и модулей, вид сбоку; на фиг. 5-8 конструкции с замкнутым вертикальным рамным штативом с различной геометрией вырезов и разным положением плоскости предметных столиков; на фиг. 9 первый пример выполнения с вращающимся замкнутым рамным штативом, вид сбоку; на фиг.10 второй пример выполнения вертикального рамного штатива замкнутой конструкции с неподвижным креплением предметного столика и перемещающейся рамой, вид сбоку; на фиг.11-15 конструкции с открытой рамной конструкцией и различной геометрией сечения рамы, различным положением плоскости предметного столика, а также различным положением выреза в раме, вид сбоку; на фиг.16-18 комбинации вертикальных штативов и стенок, вид сверху; на фиг. 19 пример выполнения с замкнутым рамным штативом, но с экстремальным удлинением в направлении поперек к оптической оси по типу полупрофильного туннеля.

Корпус микроскопа (см. фиг.1-3) состоит из передней вертикальной части 1 рамного штатива, задней вертикальной части 2 рамного штатива, которые неподвижно смонтированы на общей опорной плате 3 или выполнены в виде самостоятельных блоков. Обе части 1 и 2 рамного штатива, а также опорная плата 3 образуют открытый рамный штатив 4, в отличие от изображенного на фиг.2 замкнутого рамного штатива 5. Открытый рамный штатив 4 имеет вертикальное конструкционное исполнение, т.е. плоскость его продольного сечения находится в плоскости чертежа и расположена перпендикулярно к горизонтальной опорной поверхности 6. На передней части 1 рамного штатива укреплен блок визуального наблюдения, включающий бинокуляр 7 и револьверную головку 8 для объектива; на задней части 2 рамного штатива смонтирован предметный столик для размещения объекта 9. В рассматриваемом случае оптическая ось микроскопа расположена горизонтально, а поверхность предметного столика вертикально по отношению к поверхности 6 в дальнейшем указания на положение оптической оси будут относиться лишь к тому участку оптической оси микроскопа, который проходит от находящегося в положении наблюдения объектива в револьверной головке 8 до объекта 9 или до предметного столика 10. Хотя в рассматриваемом случае показано осветительное устройство для работы в отраженном свете, это не исключает возможности монтирования на задней части 2 рамного штатива известных осветительных устройств (источник света, конденсоры, бленда) для получения хода лучей, освещающих объект в комбинации проходящего и отраженного света.

На чертеже не показаны также места крепления внешних фонарей освещения или иных применяемых в технике микроскопирования модулей для специальных целей. Важным конструкционным признаком является расположенная на боковой поверхности передней части 1 рамного штатива панели управления 11, с которой может выполняться большое число функций управления. Эта панель управления может находиться и непосредственно на обращенной к оператору передней стороне части 1 рамного штатива.

Другие функции управления могут осуществляться с пульта управления 12. Для оператора отсутствует необходимость выполнения каких-либо манипуляций поблизости от объекта. Смена объективов, перемещение координатного предметного столика, фокусировка, смена рода освещения, прифланцовка внешних или замена встроенных модулей, даже смена объекта могут выполняться автоматически. Вследствие вертикального положения предметного столика ограничивается кроме того, возможность осаждения загрязняющих объект частиц пыли из воздуха помещения. В качестве дополнительной меры, направленной на предотвращение оседания частиц пыли, предусмотрен непрерывный ламинарный поток воздуха, омывающий плоский объект, осуществляемый с использованием отверстия 13 для подачи воздуха и имеющихся в верхней части опорной платы 3 отверстий 14 для прохода воздуха. Существует возможность замены устройства для подачи воздуха устройством для отсасывания воздуха.

Хотя при строго вертикальном расположении плоскости предметного столика и объекта 9, например кремниевой пластины диаметром 200 мм, возможность оседания частиц пыли на его поверхности является минимальной, обеспечивается также возможность перевода предметного столика 10 на некоторый угол в наклонное положение подобно нотному пульту. При этом угол α не должен выходить за пределы диапазона 0⁰ ≅ α ≅ 30^o. Наклон предметного столика на угол α₁ относительно вертикального положения соответствует отклонению примыкающего к объекту участка 15 оптической оси микроскопа от горизонтального положения также на указанный угол α₁, поскольку примыкающий к объекту участок 15 должен постоянно находиться под прямым углом по отношению к объекту 9. Предназначенные для этого средства могут быть реализованы с использованием механических передающих и связующих элементов.

Вертикальный рамный штатив 5 имеет "замкнутое" исполнение (см. фиг.4); передняя часть 1 рамного штатива и задняя часть 2 рамного штатива соединены с основанием штатива и его верхней частью. Рама четырехугольной формы выполнена в виде неразъемной детали. Опорная плата 3 снабжена выступом в сторону оператора, на котором размещен пульт управления 12. Устройство для обдувания объекта ламинарным потоком воздуха отличается наличием отверстий 14 для прохода воздуха в верхней части рамы, отверстий 16 для всасывания воздуха в опорной плате (в обоих случаях в виде матриц) и шланга 13. Вертикальный рамный штатив 5 снабжен расположенными на его вертикальных частях 1, 2 со стороны, противоположной объекту 10, поверхностями 17 для прифланцовывания внешних модулей, например фонаря 18 или блока с оптическими элементами 19, 20, на который может надеваться бинокулярный тубус, снабженный, например, фотоштуцером 21.

Прохождение лучей изображено на фиг. 4 в виде хода лучей освещения в проходящем свете. Луч 22 освещения на отражение проходит от источника 23 света в фонаре 18 через откидывающееся зеркало 24 в качестве преломленного хода луча к объективу 25, действующему как конденсатор, после того как он прошел вначале оптическую систему 26 освещения на отражение, затем отклоняющий элемент 27, который может являться поворотной отклоняющей призмой, однако в рассматриваемом случае изображен в виде (второго) откидывающегося зеркала, далее следующий отклоняющий элемент 28, затем вторую оптическую систему 29 освещения на отражение, вслед за ней устройство 30 контрастирования интерференционной картины (поляризатор) 30, поток λ-плату, затем автофокусную систему и следующие за ней диафрагмы и, наконец, оснащенный частично проницаемой поверхностью разделения светового пучка отклоняющий элемент, и оттуда на объект, рассматриваемый в отраженном свете, например рельефную пластину. Исходящий от объекта пучок отображающих или измерительных лучей попадает через объектив 25 после прохождения поверхности разделения светового пучка 31 и анализатора 32 на светоделительный кубик, от которого происходит ответвление частичного пучка измерительных лучей, который после прохождения через тубусную линзу 33 еще одной оптической системы 34, включаемой по выбору системы для измерения длины или системы 36 для измерения углов и еще одной оптической системы, попадает, например, к смонтированному в виде модуля прибору для определения интенсивности или спектра.

Проходящий через светоделительный кубик 37 частичный пучок лучей освещения на отражение пропускается через тубусную линзу 20 и отклоняющую призму 19 к предусмотренной в корпусе бинотубуса отклоняющей светодительной призме 38, после чего отображающий пучок лучей поступает в окуляр (окуляр) 7, а регистрирующий пучок лучей в фотоштуцер 21.

Ход лучей освещения проходящим светом обеспечивается за счет того, что исходящий от источника света 23 пучок освещающих лучей 39 проходит, минуя выведенное из хода лучей откидывающееся зеркало 24, вначале через апертурную диафрагму 40 и затем через оптическую систему 41 освещения проходящим светом, чтобы в заключение пройти сквозь, например, объект 9 большой площади, предназначенный для рассматривания в проходящем свете.

Рассмотренные оптические системы могут модифицироваться известным образом. Например, освещение проходящим (или) отраженным светом может быть достигнуто за счет того, что от фонаря 18 исходит описанный выше ход лучей освещения проходящим светом, в то время как от второго фонаря, находящегося на расположенном ближе к опорной плате втором месте для прифланцовывания внешних модулей, начинается ход луча освещения на отражение, причем для этого достаточно лишь вывести из действия второе откидывающееся зеркало 27.

На верхней поверхности предметного столика 10 видны в схематическом изображении всасывающие или вакуум-каналы 42, которые могут располагаться, например, по радиальным лучам или/и концентрически и соединены вакуумпроводом 43 с вакуумирующим устройством. Двухразмерный высокочувствительный к механическому воздействию прецизионный объект 9 может удерживаться с помощью регулируемого вакуумного устройства. В дополнение к этому на поверхности предметного столика могут быть предусмотрены прижимные цапфы или линейные, или в виде круговых сегментов направляющие, или зажимные элементы в качестве вспомогательных средств и для позиционирования, удержания или юстировки положения объекта.

Подача и удаление объекта, в особенности хрупкой крупноформатной рельефной пластины, находящегося в вертикальном или слегка отклоняющемся от вертикального положении, достигается безопасным для объекта, предохраняющим от загрязнения, легко доступным для глаз оператора, рациональным в отношении аппаратного обеспечения способом. Вращающийся (ср. вид по круговой стрелке 44) предметный столик 10 может перемещаться также в направлении оси, указанной двойной стрелкой 45, обеспечивая тем самым возможность получения необходимого фокусного расстояния. Возможно также оснащение револьверного устройства 8 для объектива приспособлением для смещения в осевом направлении. Эти перемещения могут выполняться предпочтительно встроенной автофокусировочной системой 46 автоматически. В первую очередь обеспечивается вращение с помощью двигателя револьверного устройства для объектива, чтобы исключить необходимость в каких бы то ни было манипуляциях поблизости от объекта, которые могли бы повлечь за собой микрозагрязнение сложной интегральной схемы (объекта).

На фиг. 5-8 показаны примеры конструкций вертикальных рамных штативов, которые по оснащению чисто оптическим оборудованием принципиально не отличаются от представленного на фиг.4 примера, в частности могут обнаруживать комбинированные ходы луча. В принципе они могут иметь места присоединения модулей путем прифланцовывания или насадки. В отношении их эргономических конструкционных особенностей (вертикальные панели управления, выведенные вперед пульты управления, устройства для обдувания ламинарным потоком воздуха) они не отличаются от конструкций, изображенных на фиг.1-4.

На фиг.5 приведен продольный разрез рамного штатива квадратной конфигурации с вертикально расположенной поверхностью предметного столика и горизонтальной оптической осью.

Пример выполнения, изображенный на фиг.6, отличается от примера на фиг.5 лишь тем, что предметный столик 10 имеет фиксированное наклонное положение, а оптическая ось соответствующее отклонение от горизонтального положения. Такое наклонное положение объекта (на чертеже не показан) на предметном столике 10 целесообразно в тех случаях, когда проходится отказаться от удержания объекта на столике путем вакуумирования или когда объект, например, решетчатая плата с большим количеством отверстий или плоский объект с сетчатой или пористой структурой, не может удерживаться на столике путем вакуумирования. Известные выступы для укладки или выемки в нижней части предметного столика обеспечивают в этом случае устойчивое положение объекта.

На фиг.7 изображен вертикальный рамный штатив 5, имеющий форму параллелограмма. Наклонное положение обеих частей рамного штатива, определяемое углом между вертикальной линией 47 и поверхностью задней части штатива, соответствует положению предметного столика 10.

На фиг. 8 изображена имеющая форму трапеции рама в продольном разрезе с предпочтительным в эргономическом отношении наклоном передней части рамного штатива. Хотя речь шла лишь о вертикальных рамных штативах, действительная конструкция аппарата должна иметь такую ширину, которая превращала бы его в компактный, предохраняющий от внешних помех, стабильный и оснащенный всеми известными оптическими приспособлениями для микроскопов корпус.

На фиг.19 представлена производная от изображенной на фиг.8 конструкция с полым профилем 48. Элементы управления целиком сосредоточены в установленном спереди снизу пульте 12 управления или на нем. При закрытии поперечного канала, образованного корпусом микроскопа, обеспечивается возможность получения контролируемой подачи и отвода воздуха с использованием отверстий 14 и 16 в рамках замкнутой внутренней системы вентилирования или получения атмосферы защитного газа. Но в первую очередь проходящий поперек оптической оси прибора трубчатый туннельный корпус 48 может выполнять защитную функцию в отношении исследуемой пластины при ее подаче и удалении. Все остальные приведенные сечения различной геометрии могут в принципе служить в качестве полых туннелей. Это относится также и к рассматриваемым ниже конструкциям рамных штативов в открытом исполнении.

На фиг.9 изображен еще один пример выполнения. Внутрь замкнутого рамного штатива 5 пропущен через заднюю часть 2 рамного штатива цилиндрический держатель 49 предметного столика, закрепленный на вертикальной поверхности 50 крепления, например на стенке неподвижно или с обеспечением возможности вращения около своей оси (круговая стрелка 51). Оптическая ось 15 микроскопа проходит горизонтально и направлена перпендикулярно вертикальной поверхности предметного столика. При соответствующем расположении, соединении или разъединении перемещающихся относительно друг друга частей 49 и/или 10, и/или 5 может достигаться поворот или шаговое вращение, например, на 60^о вокруг оси 15 при неподвижном предметном столике 10. С другой стороны, обеспечивается возможность вращения рамного штатива 1 вместе с предметным столиком 10. Эти возможности приобретают исключительное значение в тех случаях, когда изображенный на фиг.9 прибор устанавливается и используется при наличии лишь поверхности крепления и является центральной контрольно-измерительной станцией, окруженной расположенными в виде звезды линиями подачи и отвода, которые находятся в плоскости технологических линий, расположенных параллельно поверхности 50. За счет шагового (например, с использованием управления от микропроцессора) вращения рамного штатива 5 может быть получено устройство, напоминающее стрелочное, с помощью которого штатив переводится по заранее заданной программе для приема и отвода серийных объектов, подлежащих контролю, в первую очередь рельефных пластин. При этом в любом случае обеспечивается свободное от вибрации прочное крепление оптических узлов, используемых в микроскопе.

На фиг.10 показана другая форма относительного перемещения вертикального предметного столика 10 по отношению к рамному штативу 5. Рамный штатив 5 перемещается вместе со своим основанием на шарикоподшипниках по горизонтальной опорной поверхности 6, в то время как стойка для предметного столика 10 неподвижно закреплена на поверхности 6. В этом случае может обеспечиваться смещение стойки для предметного столика в осевом направлении.

На фиг.11-15 изображены примеры "открытой" конструкции вертикальных рамных штативов с различной геометрией продольного сечения рамы, с различным положением поверхности предметных столиков, а также с различным положением рамного "выреза".

На фиг. 11 представлена конструкция с рамным вырезом, обращенным к горизонтальной опорной поверхности 6. В верхней части этого штатива могут быть предусмотрены отверстия 14 для прохода воздуха и отверстия 16 для всасывания воздуха. Дополнительно могут иметься также источники света для косого освещения соответствующего объекта отраженным светом. Кроме того, обеспечивается возможность неподвижного крепления предметного столика 10 (см. фиг. 10) к горизонтальной опорной поверхности 6 и "надевания" подвижной части 4 на находящийся в вертикальном положении предметный столик 10. При очень большом удлинении рамного штатива 4 поперек оптической оси 15 и наличии цепочки расположенных один за другим конвейеров с большим числом вертикальных держателей объектов, которые по очереди подаются в положение для микроскопирования, изображенная форма исполнения может использоваться также и для контрольного терминала в пределах закрытой линии для транспортирования пластины.

На фиг.16-18 изображены комбинации вертикальных штативов и стенки. Устройство, изображенное на фиг.16, состоит из двух передних раздельных частей штатива, которые совместно несут собственно визуальную систему, состоящую из окуляра и объектива. На фиг.17 задняя часть штатива 58 расширена в виде вертикальной стенки. Альтернативными конструкционными формами являются портал, круглый бугель, угловой бугель и т.п. Конструкция может предусматривать более чем две передние или задние раздельные части 57 и 58 штатива, снабженные основанием 59 штатива и/или верхней платой штатива. Возникает также дополнительная возможность предусмотреть более одного бинокулярного блока (примерно по типу многокамерного мостика) или более одного предметного столика (примерно по принципу сравнивающего микроскопа).

Использование: оптическое приборостроение. Сущность изобретения: микроскоп для работы в проходящем и (или) отраженном свете с замкнутой или открытой конструкцией вертикального рамного штатива с вертикально расположенной поверхностью предметного столика и горизонтальной оптической осью, направленной перпендикулярно предметному столику. Корпус микроскопа включает в себя по меньшей мере две вертикальные части штатива, которые связаны между собой основанием штатива и расположены одна за другой, если смотреть со стороны оператора. Между обеими частями штатива находится вертикальный предметный столик, относительно которого горизонтальная оптическая ось сохраняет перпендикулярное положение. Угловая разница между вертикальной плоскостью и поверхностью предметного столика и угол между горизонтальной линией и оптической осью может составлять до 30°. Для всех форм осуществления обеспечена за счет действующего в зоне объекта ламинарного потока воздуха возможность работы с объектами большой площади, в особенности с пластинами, без опасности их загрязнения. Оператор имеет возможность выполнять все необходимые функции по микроскопированию объекта и работе с ним с пультов управления, сконструированных исходя из принципов эргономики и расположенных за пределами критической зоны объекта. Указанная система может применяться в качестве центрального блока в полностью автоматизированных линиях для контроля, измерения с использованием управляющих ЭВМ. 1 с.п. ф-лы, 22 ил.

1. МИКРОСКОП ДЛЯ РАБОТЫ В ПРОХОДЯЩЕМ И (ИЛИ) ОТРАЖЕННОМ СВЕТЕ, содержащий корпус, опорную плиту, вертикальный рамный штатив с одной передней и одной задними частями, размещенный между передней и задней частями рамного штатива, вертикально расположенный предметный столик, плоскость которого перпендикулярна вертикальной плоскости рамного штатива, отличающийся тем, что рамный штатив дополнительно содержит верхнюю плату, причем опорная плата и (или) верхняя плата рамного штатива выполнены со сквозными отверстиями, соединенными с устройством для подачи и всасывания воздуха. 2. Микроскоп по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен по меньшей мере из двух самостоятельных частей, закрепленных на опорной плате. 3. Микроскоп по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что корпус и (или) части корпуса выполнены в виде станин прямоугольного сечения или порталов, круглого или углового бугеля. 4. Микроскоп по пп. 1 3, отличающийся тем, что отдельные части корпуса закреплены на опорной плате наклонно. 5. Микроскоп по пп. 1 4, отличающийся тем, что в частях корпуса или в вертикальном рамном штативе размещены оптические элементы. 6. Микроскоп по пп. 1 5, отличающийся тем, что все элементы управления размещены в основании вертикального рамного штатива и (или) на его передней части, или на передней части корпуса. 7. Микроскоп по пп. 1 6, отличающийся тем, что снабжен приспособлениями для крепления путем вдвигания стандартных сменных модулей для освещения, наблюдения, измерения и регистрации. 8. Микроскоп по пп. 1 7, отличающийся тем, что предметный столик размещен с возможностью продольного смещения. 9. Микроскоп по пп. 1 7, отличающийся тем, что вертикальный рамный штатив размещен с возможностью продольного перемещения относительно предметного столика. 10. Микроскоп по пп. 1 8, отличающийся тем, что вертикальный рамный штатив с закрепленным на нем предметным столиком установлен с возможностью вращения относительно окуляра микроскопа. 11. Микроскоп по пп. 1 10, отличающийся тем, что вертикальный рамный штатив выполнен в продольном сечении прямоугольной квадратной формы, а опорная плита удлинена и выполнена с пультом ручного управления. 12. Микроскоп по пп. 1 11, отличающийся тем, что вертикальный рамный штатив выполнен в продольном сечении в форме трапеции или параллелограмма со скошенной передней частью. 13. Микроскоп по пп. 1 12, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде полого тела, протяженного в направлении поперек оптической оси окуляра в соответствии с геометрией продольного сечения рамы. 14. Микроскоп по пп. 1 13, отличающийся тем, что он снабжен средствами для установки и присоединения специальных микроскопных модулей. 15. Микроскоп по пп. 1 14, отличающийся тем, что он снабжен средствами для дистанционного манипулирования и управления.