Микрообъектив с увеличенным рабочим расстоянием

Изобретение относится к области микроскопии, конкретнее к объективам микроскопов, 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 атестации в условиях промышленного производства изделий микроэлектроники.

Известен микрообъектив [1] выпускаемый на ГП "ЛОМО". Он используется в микроскопах отраженного света типа "МКД" для исследования и измерения топологических структур и имеет удовлетворительное качество изображения для осевой точки предмета.

Однако нестандартная высота (94 мм вместо общепринятой 45 мм), большие остаточные хроматические (ХРУ 1,7%) аберрации изображения внеосевых точек объекта, несоответствие ряду стандартных фокусных расстояний делают невозможным его применение во вновь разрабатываемых моделях микроскопов. Наиболее близким к заявляемому объективу является объектив [2] Его оптическая конструкция включает пять компонентов, первые два из которых - одиночные положительные линзы, третий двусклеенный из отрицательной и положительной линз, четвертый одиночная положительная линза, а пятый - отрицательный двусклеенный. Этот микрообъектив выбран в качестве прототипа. Он имеет достаточно высокий уровень коррекции аберраций изображения осевой и внеосевых точек предмета. Тем не менее данный микрообъектив нельзя рекомендовать для решения задач контроля изделий микроэлектроники, так как его отличает уменьшенное рабочее расстояние (оно составляет лишь 0,1 от фокуса объектива).

Для решения задач микроэлектронной промышленности объективы в комплекте специализированных микроскопов должны иметь большое рабочее расстояние (свободное расстояние от плоскости предмета до оправы объектива) для обеспечения использования контактных приспособлений ретуширования и измерения. Объективы микроэлектроники (печатные платы, шаблоны) не имеют покрывных стекол, обладают большой отражательной способностью. Кроме того, технологический процесс требует точной цветопередачи и отсутствия искажений формы и размеров объекта по полю.

Таким образом, объективы, обладая высоким уровнем коррекции аберраций по всему полю зрения, должны иметь рабочее расстояние, увеличенное до значений не менее . Выполнению данной задачи отвечает заявляемый микрообъектив.

Заявляемый объектив, как и прототип, содержит пять компонентов, первые два из которых одиночные положительные линзы, третий двусклеенный из отрицательной и положительной линз, четвертый одиночная положительная линза, пятый отрицательный двусклеенный.

Однако в отличие от прототипа третий компонент обращен положительной линзой к плоскости предметов, четвертый выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, а пятый склеен из менискообразной линзы, обращенной вогнутостью к пространству предметов, и двояковогнутой линзы.

Предложенная конструкция позволяет улучшить аберрационную коррекцию, а также увеличить рабочее расстояние по сравнению с известными аналогами и прототипом, при этом становится возможным получение микрообъектива с габаритными характеристиками, отвечающими современным стандартам (высота 45 см), при достаточно простой и технологичной конструкции. Применение в предложенной конструкции оптические материалы освоены отечественной промышленностью.

Использование в качестве первых двух компонентов одиночных положительных линз позволяет оптимальным образом исправить аберрации внеосевых и осевого пучков, использование в качестве третьего компонента двусклеенного, обращенного положительной линзой к пространству предметов, позволяет оптимально исправлять в объективе монохроматические аберрации высших порядков, нелинейно возрастающие с ростом световых диаметров компонентов (что в специальных объективах с увеличенными рабочими расстояниями имеет место), а также хроматическую аберрацию положения и вторичный спектр. Вместе с тем, использование в качестве четвертого компонента мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, дает возможность исправления кривизны и астигматизма в объективе. Кроме того, четвертый компонент в сочетании с пятым, выполненным указанным выше образом, образует сильную систему перевернутого теплообъектива (отрицательную по отношению к предыдущим компонентам), что позволяет габаритно и аберрационно решить задачу получения в объективе увеличенного рабочего расстояния.

Таким образом, использование в рамках единой конструкции всех перечисленных признаков позволяет осуществить решение комплексной задачи - исправление монохроматических и хроматических аберраций при увеличении рабочего расстояния. Объектив, разработанный в соответствии с предложенным изобретением, может войти в комплекты современных моделей микроскопов, отвечающих международным стандартам.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема объектива.

Объектив состоит из пяти компонентов 1 5. Компоненты 1, 2 одиночные положительные линзы, третий компонент 3 двусклеенный, состоящий из положительной линзы 6, обращенной к пространству предметов, и вогнуто-выпуклой линзы 7. Четвертый компонент 4 представляет собой одиночный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений. Пятый компонент 5 склеен из менискообразной линзы 8, обращенной вогнутостью к пространству предметов, и двояковогнутой линзы 9.

Предложенный объектив работает следующим образом.

Компоненты 1 и 2 строят увеличенное мнимое изображение объекта, внося при этом минимальные монохроматические и хроматические аберрации изображения осевой точки предмета. Компоненты 1 и 2 вносят аберрации изображения внеосевых точек предмета отрицательную меридианальную и сагиттальную кривизну, а также хроматическую разность увеличений. Затем компонент 3 "оборачивает" изображение, строя его за фокальной плоскостью компонента 4, исправляя монохроматические аберрации высших порядков, а также хроматическую аберрацию положения, сферохроматизм и вторичный спектр. Следующий компонент 4, выравнивая монохроматические и хроматические аберрации практически строго по третьим порядкам строит действительное изображение в фокальной плоскости последнего компонента 5.

Компонент 5 работает с большим увеличением и представляет собой 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. Рассчитанный в качестве примера конкретного исполнения микрообъектив в соответствии с современной концепцией работает совместно с дополнительной ахроматической линзой.

В качестве примера конкретного исполнения рассчитан микрообъектив с увеличением 20 и апертурой 0,35, рабочее расстояние увеличено в нем в 1,5 раза по сравнению с аналогами. Объектив соответствует международным стандартам.

В микрообъективе с увеличенным рабочим расстоянием достигнута чрезвычайно высокая степень аберрационной коррекции по всему полю зрения. Для поля зрения 2Y'' 20 мм число Штреля больше 0,8; для поля 2Y' 25 мм число Штреля составляет 06; для точки на оси больше 0,9, что не достигнуто в известных аналогах (в прототипе эти величины составляют соответственно 0,52, 0,83). Хроматическая разность увеличений предложенного объектива близка к нулю.

В результате реализации предложенного технического решения получен микрообъектив с увеличенным рабочим расстоянием, имеющим достаточно простую и технологическую конструкцию, пригодную для реализации в условиях серийного производства, информационная емкость по сравнению 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 объективе реализованы все стандартные требования, определяющие в соответствии с современными тенденциями положения зрачков, применяемость оптических материалов. Применение тубуса "бесконечность" дает дополнительные удобства использования объектива с другими объективами, имеющими иной тип оптической коррекции.