Микрообъектив с увеличенным рабочим расстоянием

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. Наряду с традиционной аберрационной планахроматической коррекцией, в некоторых из таких микрообъектов требуется увеличенное рабочее расстояние от плоскости предмета до первой поверхности объектива, для возможности использования контактных приспособлений ретуширования и измерения.

Известны отечественные объективы [1] которые 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 их применение во вновь разрабатываемых моделях микроскопов.

Наиболее близким к данному объективу является объектив [2] который включает четыре компонента, первый из которых содержит "n" фронтальных одиночных положительных линз, второй две двусклеенные линзы, обращенные положительными линзами навстречу друг другу, третий положительный двусклеенный компонент и четвертый двусклеенный компонент.

Этот микрообъектив имеет достаточно высокий уровень коррекции аберраций изображения осевой точки предмета. При этом он имеет недостаточное исправление монохроматических и хроматических аберраций внеосевых пучков (так например, ХРУ составляет 1,6%), 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 уменьшенное рабочее расстояние (оно составляет лишь 0,4 от фокуса объектива), что снижает его потребительские свойства.

В современных микроскопах отраженного света при решении задач анализа и измерения топологических структур, требуется высокий уровень коррекции аберраций по всему полю зрения, окрашенность в промежуточном изображении на микроскопе не допускается, а величина рабочего расстояния в специальных микрообъективах требуется не менее 1,1 f'об для сильных объективов и (1,5-2) f'об для объективов среднего увеличения. При этом, уровень коррекции требуется одинаково высокий для объективов различных увеличений.

Данный объектив, как и прототип, включает четыре компонента, первый из которых содержит "n" фронтальных одиночных положительных линз, второй две двусклеенные линзы, обращенные положительными линзами навстречу друг к другу, третий положительный компонент и четвертый двусклеенный компонент. Однако в отличие от прототипа, положительные линзы второго компонента выполнены из материала с коэффициентом дисперсии больше 90, третий положительный компонент выполнен одиночным, четвертый склеен из вогнуто-выпуклой и двояковогнутой линз, при этом коэффициент дисперсии материала двояковогнутой линзы в 1,5-2 раза больше коэффициента дисперсии вогнутовыпуклой. Количество фронтальных одиночных положительных линз в различных вариантах исполнения меняется в зависимости от линейного увеличения микрообъектива, исходя из соотношения: n 0,034 Vоб, при округлении до целого. Выполнение первого компонента в виде положительных линз, позволяет оптимальным образом исправить аберрации внеосевых пучков. Выбор числа "n" позволяет проводить коррекцию в объективах с различными линейными увеличениями, причем, уровень коррекции одинаково высок для всех объективов. Выполнение второго компонента указанным образом, позволяет оптимально исправлять в объективе монохроматические и хроматические аберрации осевого пучка, а также хроматическую аберрацию положения и вторичный спектр. Вместе с тем третий компонент, выполненный в виде положительной одиночной линзы (в прототипе она склеенная), не вносит значительных сферохроматических аберраций, возникающих на склеенных поверхностях, кроме того в сочетании с четвертым компонентом, выполненным указанным образом, он образует сильную систему перевернутого телеобъектива (отрицательную по отношению к предыдущим компонентам), что позволяет габаритно и аберрационно решить задачу получения в объективе увеличенного рабочего расстояния. Выбор оптических материалов линз четвертого компонента позволяет оптимальным образом исправлять хроматические аберрации (в основном, вторичный спектр и ХРУ) данного компонента и микрообъектива в целом.

Таким образом совокупность перечисленных признаков, позволяет решить комплексную задачу: исправить монохроматические и хроматические аберрации объектива при увеличении рабочего расстояния, при этом по одной схеме может быть получен ряд микрообъективов различного увеличения с высоким уровнем коррекции.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема объектива, на фиг.2-7, даны аберрационные выпуски примеров конкретного выполнения. Объектив содержит "n" фронтальных одиночных положительных линз 1, два двусклеенных компонента, обращенных положительными линзами навстречу 2, одиночный положительный компонент 3 и последний, склеенный из вогнутовыпусклой и двояковогнутой линз компонент 4. Работает 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 внесенных точек предмета отрицательная меридиональная и сагиттальная кривизна, хроматическая разность увеличения. Затем линзы 2 "оборачивают" изображение, строя его за фокальной плоскостью последующего компонента, и выравнивая монохроматические и хроматические аберрации практически строго по третьим порядкам. Компонент 3 работает с уменьшением изображения примерно наполовину, давая коррекционный запас для исправления аберраций внеосевых пучков и строя действительное изображение в фокальной плоскости последнего компонента. Компонент 4 работает с большим увеличением 15 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; микрообъектив, в соответствии с современной концепцией, работает совместно с дополнительной ахроматической линзой f'= 160мм.

В качестве примеров конкретного выполнения представлен ряд объективов: при линейном увеличении микрообъектива 20 (апертура 0,35) количество фронтальных линз выбрано равным n 1, рабочее расстояние равно 14 мм, что в 1,3 раза больше, чем в известных аналогах и соответствует международным стандартам. При линейном увеличении 50 (апертура 0,55) количество фронтальных линз выбрано равным n 2, рабочее расстояние равно 8 мм. При линейном увеличении 100 (апертура 0,70) впервые в отечественной практике получен микрообъектив такого увеличения с увеличенным рабочим расстоянием, соответствующим международным стандартам, при этом количество фронтальных линз выбрано равным n 3.

Из материалов, представленных на фиг.2 7 видно, что во всех полученных микрообъективах с увеличенными рабочими расстояниями достигнута высокая степень аберрационной коррекции по всему полю зрения, при достижении планахроматической коррекции хроматическая разность увеличений в предлагаемых объективах близка к нулю, тогда как в прототипе 1,2%.

В результате реализации предложенного технического решения получена конструкция микрообъектива с увеличенным рабочим расстоянием, позволяющая в рамках одной оптической схемы рассчитать целый ряд объективов с различными линейными увеличениями, информационная емкость, по сравнению с аналогами увеличена в 1,5-2 раза, следовательно, эффективность и производительность работ в условиях производственного цикла исследование, измерение и аттестация может быть значительно повышена.

Полученные микрообъективы с увеличениеми рабочими расстояниями предполагается использовать в микроскопах нового поколения, типа МКД, МТБ, МТБА, предназначенных для контроля и аттестации изделий микроэлектроники в условиях крупносерийного и массового их производства.