Безрефлексный микрообъектив большого увеличения для отраженного света

Изобретение относится к микроскопии и может быть использовано в измерительных микроскопах отраженного света для измерения и фотографирования особо мелких топографических структур в светлом и темном полях при оценке качества изготовления и аттестации в условиях промышленного производства изделия микроэлектроники. Наряду с традиционной аберрационной коррекцией в таких микрообъективах уделяется внимание снижению или устранению вуалирующей паразитной засветки, возникающей из-за наличия рефлексов первого и второго рода.

Известен объектив с увеличением 100х и апертурой 0,9. Нестандартная высота (90 мм вместо общепринятой 45 мм), большие остаточные хроматические и монохроматические аберрации изображения внеосевых точек объекта, несоответствие ряду стандартных фокусных расстояний делают невозможным его применение во вновь разрабатываемых моделях микроскопов [1] .

Наиболее близким к предлагаемому является объектив (2). Его пятикомпонентная конструкция, достаточно простая и технологичная, состоит из одиночного мениска, обращенного вогнутостью к объекту, двух склеенных из отрицательных и положительных линз, компонентов, склеенного из положительной и отрицательной линз компонента и двусклеенного мениска, обращенного вогнутостью к изображению. Однако, данный микрообъектив нельзя рекомендовать для решения задач контроля изделия микроэлектроники, так как он имеет недостаточное исправление монохроматических аберраций внеосевых пучков, что обуславливает потребность применения дополнительных компенсационных промежуточных систем или компенсационного окуляра и не позволяет проводить измерения вследствие наличия окрашенности в промежуточном изображении. Кроме того, его отличает значительная вуалирующая засветка изображения, что обусловлено наличием рефлексов первого и второго рода и снижает потребительские свойства объектива.

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, не должна обнаруживаться паразитная вуалирующая засветка.

Конструкция данного безрефлексного микрообъектива отраженного света большого увеличения позволяет выполнить эти требования. Он, как и прототип, представляет собой пятикомпонентную конструкцию, состоящую из одиночного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, двух склеенных из отрицательных и положительных линз компонентов, склеенного из положительной и отрицательной линз компонента и двухсклеенного мениска.

Однако в отличие от прототипа последний компонент данного объектива выполнен в виде склейки из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Кроме того, в данном объективе существенную положительную роль играет выбор оптических материалов компонентов, так выбор материалов одиночного мениска и отрицательных линз второго и четвертого компонентов удовлетворяет условиям:

1,7<П1= П21= П42=П<1,8
50<V1=V21=V42=V<55,
где П1, П21, П42 - показатели преломления указанных линз;
V1, V21, V42 - коэффициенты дисперсии.

Кроме того, в данном объективе для достижения оптимальной коррекции установлены габаритные соотношения, а именно суммарная толщина по оси последнего пятого компонента равна величине воздушного промежутка между ним и предыдущим компонентом и равна величине 6-8% -ми фокусных расстояний объектива. При невыполнении данного условия коррекционные возможности склеенного мениска не будут использоваться полностью и в объективе останутся недоисправленными, например, кривизна и хроматическая разность увеличений, в противном случае указанные аберрации будут переисправлены и будет превышена стандартная высота объектива Н= 45 мм.

Выполнение последнего компонента в виде склейки из двояковыпуклой и двояковогнутой линз позволяет скомпенсировать монохроматические и хроматические аберрации предыдущих компонентов объектива, т. к. данный компонент отрицательный и его аберрации противоположны по знаку предшествующим.

Выполнение установленных габаритных соотношений позволяет оптимальным образом исправить в объективе монохроматические (кривизну, астигматизм) и хроматические аберрации внеосевых пучков. Выбор указанных оптических материалов одиночного мениска и отрицательных линз второго и четвертого компонентов, указанным в формуле, приводит помимо снижения в объективе вторичного спектра к усилению нагрузки на компоненты и, следовательно, к устранению вуалирующей засветки.

На чертеже представлена принципиальная схема объектива.

Объектив содержит пять компонентов: одиночный мениск 1, обращенный вогнутостью к объекту, склеенные из отрицательной и положительной линз компоненты 2,3, склеенный из положительной и отрицательной линз компонент 4, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз компонент 5.

Работает предлагаемый безрефлексный микрообъектив отраженного света большого увеличения следующим образом: линзы первого, второго и третьего компонентов строят увеличенное мнимое изображение объекта, внося при этом минимальные монохроматические аберрации изображения осевой точки предмета: кроме того, вносятся аберрации изображения внеосевых точек предмета - отрицательная меридиональная и сагиттальная кривизна, хроматическая разность увеличений, затем четвертый компонент строит действительное изображение в передней фокальной плоскости компонента 5, совпадающей с задней фокальной плоскостью объектива в целом, при этом изображение "оборачивается" и вносятся некоторые компенсационные значения монохроматических и хроматических аберраций, в основном осевого пучка. Пятый компонент, работающий по типу перевернутого телеобъектива, вносит компенсационные значения монохроматических и хроматических аберраций осевого и внеосевых пучков, строит изображение на бесконечности. Рассчитанный микрообъектив в соответствии с современной концепцией работает совместно с дополнительной ахроматической линзой F = 160 мм.

В табл. 1-3 представлены данные основных аберраций при F1= 1,6 мм, длине тубуса . хру= 0% ; в табл. 4 - аберрации широких наклонных пучков. Из данных таблиц видно, что в микрообъективе с увеличением 100х и апертурой 0,9, рассчитанном в качестве примера конкретного исполнения, достигнута чрезвычайно высокая степень аберрационной коррекции по всему полю зрения. Так, для поля зрения 2Y'= 20 мм число Штреля составляет 0,82, для поля зрения 2Y' = 25 мм число Штреля составляет 0,7, для точки на оси 0,9, что не достигнуто в объективах подобного класса. Хроматическая разность увеличений в предлагаемом объективе близка к нулю. Коэффициент засветки, характеризующий степень влияния вуалирующей засветки и появление бликов первого и второго рода, в предлагаемом объективе составляет 0,13.

В результате применения предлагаемого устройства получен безрефлексный микрообъектив отраженного света большого увеличения, имеющий достаточно простую и технологичную конструкцию, пригодную для реализации в условиях серийного производства. Информационная емкость по сравнению с аналогами повышена в 1,5-3 раза, следовательно, эффективность и производительность работ в условиях производственного цикла исследований, измерения и аттестации, например изделий микроэлектроники, может быть значительно повышена.