МИКРООБЪЕКТИВ С УВЕЛИЧЕННЫМ РАБОЧИМ РАССТОЯНИЕМ Российский патент 2002 года по МПК G02B21/02 

Изобретение относится к области микроскопии и может быть использовано в металлографических и биологических микроскопах отраженного и проходящего света. Возможно использование в приборах контроля изделий микроэлектроники для измерения, исследования и фотографирования топографических структур при оценке качества их изготовления в условиях промышленного производства.

Наряду с традиционной аберрационной коррекцией в таких микрообъективах требуется получение увеличенного рабочего расстояния от плоскости предмета до первой поверхности объектива для возможности использования контактных приспособлений ретуширования и измерения [1].

Известны отечественные объективы [2] , [3] , [4], выпускаемые на ОАО "ЛОМО". Они используются в микроскопах отраженного света, типа "МКД" для исследования и измерения топологических структур и имеют удовлетворительное качество изображения для осевой точки предмета. Однако нестандартная высота 94 мм вместо общепринятой 45 мм), большие остаточные хроматические (ХРУ = 1,3 - 1,7%) аберрации изображения внеосевых точек объекта, несоответствие ряду стандартных фокусных расстояний, делают невозможным применение их во вновь разрабатываемых моделях микроскопов.

Известны также микрообъективы отраженного света [5] и [6], которые не обеспечивают требуемого качества изображения, так как остаточная ХРУ составляет 1,5 - 2%, а сферохроматические аберрации достигают 2-3λ.

Известны объективы [7] и [8], где устранены данные недостатки, однако, их конструкции не обеспечивают требуемых значений рабочих расстояний при заданном увеличении. Этому требованию удовлетворяют объективы [9] и [l0] и др. Однако их конструкции содержат оптические материалы, не освоенные в отечественном производстве.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объективу является объектив [11] . Его оптическая конструкция включает четыре компонента, расположенные вдоль оптической оси, при этом первый компонент состоит из положительных двух одиночных и двусклеенной из отрицательной и положительной линз, второй - положительный компонент, третий компонент выполнен склеенным из положительной и отрицательной линз, четвертый - отрицательный компонент.

Микрообъектив, выбранный в качестве прототипа, имеет достаточно высокий уровень коррекции аберраций изображения осевой точки предмета. Тем не менее данный объектив нельзя рекомендовать для решения задач контроля изделий микроэлектроники, т.к. он имеет недостаточное исправление монохроматических и хроматических аберраций внеосевых пучков (так, например, ХРУ составляет 1,6%), что обусловливает потребность применения дополнительных компенсационных промежуточных систем или компенсационного окуляра и не позволяет проводить измерения, вследствие наличия окрашенности в промежуточном изображении. Кроме того, его отличает уменьшенное рабочее расстояние (оно составляет лишь 0,4 от фокуса объектива), что снижает его потребительские свойства.

Вместе с тем в современных микроскопах отраженного света при решении задач анализа и измерения топологических структур, микрообъективы должны обладать высоким уровнем коррекции аберраций по всему полю зрения, окрашенность в промежуточном изображении не допускается, величина рабочего расстояния в специальных микрообъективах должна быть не менее 1,1 F объектива.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является исправление монохроматических и хроматических аберраций при увеличении рабочего расстояния.

Для решения поставленной задачи предложен микрообъектив с увеличенным рабочим расстоянием, который, как и прототип, включает последовательно расположенные вдоль оптической оси четыре компонента, первый из которых состоит из положительных двух одиночных и двусклеенной положительной линз, второй - положительный компонент, третий компонент - двусклеенный из положительной и отрицательной линз, четвертый - отрицательный компонент.

Однако, в отличие от прототипа, второй положительный компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы, четвертый отрицательный компонент выполнен дву-склеенным из положительной и отрицательной линз, а за ним расположен пятый дополнительный отрицательный компонент, выполненный двусклеенным из менискообразной, обращенной вогнутостью к пространству предметов, и двояковогнутой линз.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что использование в качестве первого компонента положительных одиночных и двусклеенной из отрицательной и положительной линз, позволяет оптимально исправить аберрации внеосевых пучков.

Использование в качестве второго компонента положительной одиночной двояковыпуклой линзы позволяет избежать трудноисправимых сферохроматических аберраций. Вместе с тем, выполнение третьего компонента двусклеенным из положительной и отрицательной линз позволяет снизить в объективе аберрацию вторичного спектра. Выполнение четвертого компонента склеенным из положительной и отрицательной линз позволяет оптимизировать исправление монохроматических и хроматических аберраций осевого пучка, а также хроматическую аберрацию положения и вторичный спектр.

Кроме того, микрообъектив дополнен пятым отрицательным компонентом, выполненным двусклеенным из менискообразной, обращенной вогнутостью к пространству предметов, и двояковогнутой линз.

Пятый компонент, выполненный указанным образом, представляет собой сильную систему перевернутого телеобъектива, отрицательную по отношению к предыдущим компонентам, что позволяет габаритно и аберрационно решить задачу получения в объективе увеличенного рабочего расстояния.

Предлагаемая конструкция позволяет значительно улучшить аберрационную коррекцию, а также увеличить рабочее расстояние по сравнению с известными аналогами и прототипом. При этом становится возможным получение объектива с габаритными характеристиками, отвечающими современным стандартам (высота равна 45 мм), применяемые оптические материалы освоены промышленностью.

Таким образом, использование в рамках единой конструкции всех перечисленных признаков, позволяет осуществить решение комплексной задачи - исправление монохроматических и хроматических аберраций при увеличении рабочего расстояния, а в заявляемом микрообъективе - достигнуть технического результата.

Авторам не известны объективы, в которых поставленная задача решалась бы таким образом, а качество изображения отвечало современной концепции, при достаточно простой и технологичной конструкции.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого микрообъектива, и "приложением", в котором даны аберрационный выпуск примера конкретного исполнения.

Микрообъектив содержит первый компонент 1, состоящий из положительных двух одиночных и двусклеенной из отрицательной и положительной линз, второй положительный компонент 2 выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы, третий компонент 3 выполнен двусклеенным из положительной и отрицательной линз, четвертый отрицательный компонент 4 выполнен двусклеенным из положительной и отрицательной линз и последний пятый отрицательный компонент 5 выполнен двусклеенным из менискообразной, обращенной вогнутостью к пространству предметов, и двояковогнутой линз.

Работает предлагаемый микрообъектив с увеличенным рабочим расстоянием следующим образом.

Линзы 1 строят увеличенное мнимое изображение объекта, внося при этом минимальные монохроматические и хроматические аберрации изображения осевой точки предмета, кроме того, вносятся аберрации изображения внеосевых точек предмета - отрицательная меридиональная и сагиттальная кривизна. Затем линзы 2 и 3 "оборачивают" изображение, строя его за фокальной плоскостью последующего компонента 4, и выравнивая монохроматические и хроматические аберрации практически строго по третьим порядкам. Компонент 4 работает с уменьшением изображения примерно наполовину, давая коррекционный запас для исправления аберраций внеосевых пучков и строя действительное изображение в фокальной плоскости последнего компонента 5. Компонент 5 работает с большим увеличением 20-40 крат и представляет собой очень сильный перевернутый телеобъектив, аберрации которого исправлены по третьим порядкам и противоположны по знаку аберрациям предыдущих компонентов. Форма склейки определяет компенсационный характер для хроматических аберраций. Данный компонент строит изображение на бесконечности.

В качестве примеров конкретного исполнения рассчитан микрообъектив с увеличением 100, рабочее расстояние (3,2 мм) и апертура (0,75) соответствуют международным требованиям для объективов такого класса. Фокусное расстояние дополнительной тубусной системы F=160.

Из материалов, представленных в "приложении" видно, что в микрообъективе с увеличенным рабочим расстоянием достигнута высокая степень аберрационной коррекции по всему полю зрения.

Так, для поля зрения 2У=20 мм число Штреля >0,80, для поля зрения 2У'=25 мм число Штреля составляет 0,6-0,7, для точки на оси >0,9, что не достигнуто в известных аналогичных решениях (в прототипе эти величины составляют соответственно 0,55, 0,31, 0,85).

Хроматическая разность увеличений в предлагаемом объективе близка к нулю, тогда как в прототипе 1,8%.

В результате реализации предложенного технического решения получен микрообъектив с увеличенным рабочим расстоянием, имеющий достаточно простую и технологичную конструкцию, пригодную для реализации в условиях серийного производства. Информационная емкость, по сравнению с известными техническими решениями, повышена в 2-3 раза, следовательно эффективность и производительность работ в условиях цикла исследования, измерения и аттестации, например, изделий электроники может быть значительно повышена.

Источники информации
1. "Вычислительная оптика", Справочник под редакцией М.М. Русинова, Л.: Машиностроение, 1984.

2. Авторское свидетельство СССР 666507, М.кл. G 02 В 21/02, 1979 г.

3. Авторское свидетельство СССР 1425573, М.кл. G 02 В 21/02, 1988 г.

4. Авторское свидетельство СССР 679913, М.кл. G 02 В 21/02, 1979 г.

5. Патент Японии 54-10496? М.кл.G 02 В 21/02, 1979 г.

6. Патент США 4384765, М.кл. G 02 В 21/02.

7. Патент США 4540248, М.кл. G 02 В 21/02.

8. Патент США 4231637, М.кл. G 02 В 21/02.

9. Патент Японии 62-22130, М.кл. G 02 В 21/02, 1987 г.

10. Патент Японии 62-30605, М.кл. G 02 В 21/02, 1987 г.

11. Патент Японии 61-55655, М.кл. G 02 В 21/02, 1986 г. - прототип.

Микрообъектив содержит пять компонентов, последовательно расположенных вдоль оптической оси, первый из которых состоит из положительных двух одиночных и двусклеенной из отрицательной и положительной линз, второй положительный компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы, третий выполнен двусклеенным из положительной и отрицательной линз, четвертый отрицательный компонент выполнен двусклеенным из положительной и отрицательной линз, а дополнительный пятый отрицательный компонент выполнен двусклеенным из менискообразной, обращенной вогнутостью к пространству предметов, и двояковогнутой линз. Обеспечивается исправление монохроматических и хроматических аберраций при увеличении рабочего расстояния. 1 ил.

Микрообъектив с увеличенным рабочим расстоянием, содержащий четыре компонента, последовательно расположенные вдоль оптической оси, первый из которых состоит из положительных двух одиночных и двусклеенной из отрицательной и положительной линз, второй - положительный, третий - двусклеенный из положительной и отрицательной линз и четвертый - отрицательный, отличающийся тем, что второй положительный компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы, четвертый отрицательный компонент выполнен двусклеенным из положительной и отрицательной линз, а за четвертым отрицательным компонентом расположен дополнительный пятый отрицательный компонент, выполненный двусклеенным из менискообразной, обращенной вогнутостью к пространству предметов, и двояковогнутой линз.