ПЛАНАПОХРОМАТИЧЕСКИЙ МИКРООБЪЕКТИВ С УВЕЛИЧЕННЫМ РАБОЧИМ РАССТОЯНИЕМ Российский патент 2004 года по МПК G02B21/02 

Изобретение относится к области микроскопии и может быть использовано в микроскопах отраженного света для измерения, исследования и фотографирования особо тонких топографических структур в светлом и темном поле при оценке качества изготовления и аттестации в условиях промышленного производства изделий микроэлектроники. В некоторых из таких микрообъективов требуется получение планапохроматической аберрационной коррекции и увеличенного рабочего расстояния от плоскости предмета до первой поверхности объектива, например, для возможности использования контактных приспособлений ретуширования и измерения.

Известны отечественные микрообъективы [1], выпускаемые на ЛОМО, которые используются в микроскопах отраженного света типа "МКД" для исследования топологических структур. Объективы имеют удовлетворительное качество изображения только для осевой точки предмета. Они имеют нестандартную высоту (h=94 мм вместо общепринятой 45 мм), значительные аберрации в изображении внеосевых точек объекта (например, остаточная хру составляет 1.3-1.7%), не соответствуют современному ряду стандартных фокусных расстояний.

Известны также микрообъективы отраженного света, например [2]. Они не обеспечивают требуемого качества изображения, т.к. остаточная хру составляет 1.5-2%, а сферохроматические аберрации превышают 2-3λ. Известны также объективы [3], где устранены эти недостатки, однако их конструкции не обеспечивают требуемых значений рабочих расстояний при заданном масштабе увеличения. Этому требованию соответствуют объективы [4], однако их оптические схемы содержат оптические материалы, не освоенные в отечественном производстве.

Наиболее близким к заявляемому объективу является объектив [5], который выпускается на ЛОМО. Его оптическая схема включает три компонента, первый из которых содержит "n" фронтальных одиночных положительных линз, второй две двусклеенные линзы, первая из которых состоит из отрицательной и положительной линз, третий состоит из двусклеенной из положительной и отрицательной линз и трехсклеенной из положительной, заключенной между двумя отрицательными линз. Этот микрообъектив выбран в качестве прототипа.

Он имеет удовлетворительное качество изображения для осевой точки предмета. Однако аберрации в изображении внеосевых точек объекта остаются значительными (например, остаточная хру составляет 1.7%). В этом объективе невозможно достижение планапохроматической коррекции. Кроме того, нестандартная высота и несоответствие ряду стандартных фокусных расстояний делают невозможным его применение во вновь разрабатываемых моделях микроскопов, что снижает его потребительские свойства.

Вместе с тем, в современных микроскопах отраженного света при решении задач анализа и измерения топологических структур микрообъективы должны иметь планапохроматическую аберрационную коррекцию; окрашенность в промежуточном изображении не допускается.

Задачей предлагаемого изобретения является получение целого ряда планапохроматических микрообъективов с увеличенными рабочими расстояниями различных увеличений, отвечающих современным требованиям.

Оптическая конструкция заявляемого микрообъектива универсальна и позволяет решить поставленную задачу.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что использование в качестве первого компонента фронтальных одиночных положительных линз позволяет оптимальным образом исправить аберрации внеосевых пучков, а выбор разного их количества позволяет проводить коррекцию в объективах с различными линейными увеличениями. Выполнение второй двусклеенной линзы второго компонента указанным образом позволяет оптимальным образом исправить вторичный спектр и сферохроматизм при увеличении рабочего отрезка объектива, что в сочетании со всеми остальными признаками позволяет получить оптимальную аберрационную балансировку и достигнуть планапохроматической коррекции в микрообъективе с увеличенным рабочим расстоянием.

Таким образом, использование в совокупности всех указанных признаков позволяет достигнуть технического результата, заключающегося в возможности достижения планапохроматической аберрационной коррекции в микрообъективе с увеличенным рабочим расстоянием. При этом рабочее расстояние увеличено на 30-50%.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема микрообъектива, а также таблицей 1 и таблицей 2, в которых даны конструктивные параметры примеров конкретного исполнения. Объектив содержит три компонента, первый из которых содержит "n" фронтальных одиночных положительных линз поз.1, второй поз.2 - две двусклеенные линзы, первая из которых состоит из отрицательной и положительной линз, а вторая склеена из положительной и отрицательной линз; третий компонент поз.3 состоит из двусклеенной из положительной и отрицательной линз и трехсклеенной из положительной, заключенной между двумя отрицательными линз. При этом количество фронтальных одиночных положительных линз в различных вариантах исполнения меняется и может принимать значения от 0 до 3-х.

Работает предлагаемый планапохроматический микрообъектив с увеличенным рабочим расстоянием следующим образом: линзы поз.1 строят увеличенное мнимое изображение объекта, внося при этом минимальные монохроматические аберрации осевой точки. Вносятся аберрации изображения внеосевых точек предмета - отрицательная меридиональная и сагиттальная кривизна, хроматические аберрации увеличения и положения. Затем линзы поз.2 оборачивают изображение, выравнивая монохроматические и хроматические аберрации практически по третьим порядкам, строя его за эквивалентной фокальной плоскостью третьего компонента. Короткофокусный третий компонент работает к качестве сильного отрицательного реверсивного телеобъектива, давая коррекционный запас для исправления аберраций внеосевых пучков и строя изображение в "бесконечности". Рассчитанные в соответствии с современной концепцией объективы работают совместно с дополнительной системой F'=160 мм.

В качестве примеров конкретного исполнения рассчитан комплект планапохроматических микрообъективов с увеличенными рабочими расстояниями, отличающихся значениями фокусов (линейных увеличении). При этом количество "n" фронтальных одиночных положительных линз различно для объективов различных увеличении. Так, при n=0 получен объектив с линейным увеличением 10 крат, числовой апертурой 0.20 и рабочим расстоянием ~20 мм. При n=1 получен объектив с линейным увеличением 20 крат, числовой апертурой 0.35 и рабочим расстоянием ~ 16 мм. При n=2 получен объектив с линейным увеличением 50 крат, числовой апертурой 0.50 и рабочим расстоянием ~10 мм. При n=3 получен объектив с линейным увеличением 100 крат, числовой апертурой 0.65 и рабочим расстоянием ~ 5 мм. Использование n>3 нецелесообразно вследствие увеличения продольных габаритов объективов и невозможности выполнения требований стандартизации.

Из материалов, представленных в таблице 1 и таблице 2, видно, что в планапохроматических микрообъективов с увеличенными рабочими расстояниями достигнута высокая степень аберрационной коррекции по всему полю зрения. Так для поля зрения 2у'=20 мм число Штреля составляет ≥0.80, для 2у'=25 мм число Штреля составляет ≥0.60, для осевой точки число Штреля составляет ≥0.85, что не достигнуто в известных аналогах и прототипе. Хроматическая разность увеличения в предлагаемых объективах близка к нулю, тогда как в прототипе она составляет 1.7%.

В результате реализации предложенного технического решения получены планапохроматические микрообъективы с увеличенными рабочими расстояниями, имеющие достаточно простую конструкцию, пригодную для реализации в условиях серийного производства. Информационная емкость в сравнении с аналогами повышена в 1.5-2 раза, следовательно, эффективность и производительность работ в условиях производственного цикла - исследования, измерения и аттестации, например, изделий микроэлектроники, может быть значительно повышена.

В объективах реализованы все стандартные требования, определяющие в соответствии с современными требованиями положения зрачков, применяемость оптических материалов, предпосылки реализации специализированных методов исследований. Применение унифицированной длины тубуса "бесконечность" дает дополнительные преимущества и удобство использования объектива с другими, имеющими иной тип оптической коррекции.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 666507, М. кл. G 02 В 21/02.

2. Патент США 4384765.

3. Патент США 4540248.

4. Патент Японии 62-30605.

5. Авторское свидетельство СССР 679913, М. кл. G 02 В 21/02, 1978.

Микрообъектив содержит три компонента, первый из которых содержит n фронтальных одиночных положительных линз, второй - две двусклеенные линзы, первая из которых состоит из отрицательной и положительной линз, а вторая склеена положительной и отрицательной линз, третий состоит из двусклеенной из положительной и отрицательной линз из двух отрицательных линз и заключенной между ними положительной линзы. Количество n фронтальных одиночных положительных линз может принимать значения от 0 до 3-х. Обеспечивается достижение планапохроматической аберрационной коррекции в микрообъективе с увеличенным рабочим расстоянием. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Планапохроматический микрообъектив с увеличенным рабочим расстоянием, содержащий три компонента, первый из которых содержит n фронтальных одиночных положительных линз, второй - две двусклеенные линзы, первая из которых состоит из отрицательной и положительной линз, третий состоит из двусклеенной из положительной и отрицательной линз и трехсклеенной из положительной, заключенной между двумя отрицательными линз, отличающийся тем, что вторая двусклеенная линза второго компонента склеена из положительной и отрицательной линз.2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что количество n фронтальных одиночных положительных линз принимает значения 0-3.