Микрообъектив с увеличенным рабочим расстоянием

Изобретение относится к 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 микрообъективов требуется получение увеличенного рабочего расстояния от плоскости предмета до первой поверхности объектива, для возможности использования контактных приспособлений ретуширования и измерения.

Известен микрообъектив, выпускаемый на ЛОМО [1] . 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 предлагаемому объективу является объектив [2]. Его оптическая конструкция включает четыре компонента, первый из которых - одиночная положительная линза, второй - двусклеенный из отрицательной и положительной линз, третий - одиночная положительная линза, четвертый - одиночная, менискообразная линза, обращенная вогнутостью к пространству изображения. Этот микрообъектив имеет достаточно высокий уровень коррекций аберраций изображения осевой и внеосевых точек предмета. Тем не менее данный микрообъектив нельзя рекомендовать для решения задач контроля изделия микроэлектроники, так как его отличает уменьшенное рабочее расстояние (оно составляет лишь 0,1 от фокуса объектива).

Конструкция данного микрообъектива с увеличенным рабочим расстоянием позволяет решить задачу расчета микрообъектива, отвечающего современной концепции. Предлагаемый объектив включает пять компонентов, первые четыре из которых представляют собой одиночную положительную линзу, двусклеенную из отрицательной и положительной линз, одиночную положительную линзу и менискообразную линзу, обращенную вогнутостью к пространству изображений. Вместе с тем конструкция данного объектива имеет отличия от прототипа. Так четвертый компонент выполнен из оптического материала с коэффициентом дисперсии больше 50, кроме того, оптическая схема включает дополнительный пятый компонент, склеенный из менискообразной, обращенной вогнутостью к пространству предметов, и двояковогнутой линз.

Предлагаемая конструкция позволяет несколько улучшить аберрационную коррекцию, а также увеличить рабочее расстояние. При этом становится возможным получение микрообъектива с габаритными характеристиками, отвечающими современным стандартам (высота 45 мм) при достаточно простой и технологической конструкции, применяемые оптические материалы освоены отечественной промышленностью.

Использование в качестве первого компонента одиночной положительной линзы позволяет оптимальным образом исправить аберрации внеосевых и осевого пучков. Использование в качестве второго компонента двусклееннного 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. Использование в качестве третьего компонента одиночной положительной линзы дает возможность оптимально исправлять в объективе хроматические аберрации, например сферохроматизм. Этим же целям служит и выбор оптического материала линзы четвертого компонента; вместе с тем использование в качестве четвертого компонента мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, дает возможность исправления кривизны и астигматизма в объективе. Кроме того, в сочетании с пятым 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.

В табл. 1 - 3 показан аберрационный выпуск примера конкретного исполнения (планахроматический объектив микроскопа - F' = 8,0 мм, длина тубуса ). Объектив содержит пять компонентов: 1 - одиночная положительная линза, 2 - двусклеенный компонент из отрицательной и положительной линз. Компонент 3 представляет собой одиночную положительную линзу. Компонент 4 представляет собой одиночный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений. Компонент 5 склеен из мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, и двояковогнутой линзы. Работает предлагаемый микрообъектив с увеличенным рабочим расстоянием следующим образом.

Компоненты 1, 2 строят увеличенное мнимое изображение объекта, внося при этом минимальные монохроматические и хроматические аберрации изображения осевой точки предмета; кроме того, вносятся аберрации изображения вне осевых точек предмета - отрицательная меридиональная и сагиттальная кривизна. 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, выравнивая монохроматические и хроматические аберрации, практически строго по третьим порядкам, строит действительное изображение в фокальной плоскости последнего компонента. 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 fл = 160 мм.

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

В микрообъективе с увеличенным рабочим расстоянием достигнута высокая степень аберрационной коррекции по всему полю зрения, хроматическая разность увеличений предлагаемого объектива близка к нулю.