DE2832173A1

DE2832173A1 - Stereoskopisches mikroskop

Info

Publication number: DE2832173A1
Application number: DE19782832173
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Takenaka
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1977-07-25
Filing date: 1978-07-21
Publication date: 1979-02-08
Also published as: JPS5423559A; JPS60641B2; US4217025A; CH631816A5

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein stereoskopisches Mikroskop für eine Objektbeobachtung aus schräger Richtung.

Die Beobachtung eires Objektes bei vergleichsweise niedriger Vergrößerung über eine längere Zeit hinweg erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines stereoskopischen Mikroskops, um die Ermüdung des Beobachters zu verringern und die räumliche Struktur des Objektes erfassen zu können. Die Beobachtung erfolgt üblicherweise aus zur Objektebene senkrechter Richtung; in einigen Fällen ist es aber auch aus den verschiedensten Gründen erforderlich, daß die Beobachtung aus gegenüber der Objektebene schräger Richtung erfolgt. Hierher gehört beispielsweise die mikroskopische Prüfung der Substrate von integrierten Schaltungen (sogenannten IC's) während der Herstellung. Dort werden verschiedene Muster nacheinander auf die IC-Substrate gedruckt, und der Druckvorgang erfolgt senkrecht von oben auf das Substrat, die Substrate müssen daher schräg von oben beobachtet werden können, um nicht mit dem Druckvorgang in Konflikt zu kommen. ("Drucken" steht hier selbstverständlich für sämtliche einschlägigen Schaltungsmustererzeugungsverfahren).

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Ein bekanntes Mikroskop für stereoskopische Objektbeobachtung aus schräger Richtung von oben ist das sogenannte einwärtsschräge stereoskopische Mikroskop, wie dieses in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen in Schrägansicht dargestellt ist. Eine befriedigende Objektbeobachtung ist mit einem solchen Mikroskop jedoch unmöglich, weil, wie nachstehend noch erörtert wird, eine Bildverzeichnung auftritt. Dort konvergieren die optischen Beobachtungsachsen der Augen (d. h. die Richtungen, unter denen die Objektebene beobachtet wird, die im vorliegenden Falle mit den optischen Achsen der Objektive L10 und L¹10 zusammenfallen) unter einem Winkel von 2«*> , und für die Beobachtung aus schräger Richtung wird die die optischen Achsen enthaltende Ebene S um einen Winkel ß gegenüber der Normalen η der Objektebene geneigt.

Die Neigungswinkel Oi und ß liegen in zueinander senkrechten Ebenen, so daß eine Verzerrung, die aus unterschiedlicher Vergrößerung resultiert, in den beiden zueinander senkrechten Richtungen auftritt. Wenn also ein Objekt, etwa Millimeterpapier (Fig. 2a), zu beobachten ist, erhält man für das linke und rechte Beobachtungsbild verzeichnete Abbildungen wie diese ungefähr in Fig. 2b wiedergegeben sind. Die Verzeichnung in der y-Richtung des rechten und linken Beobachtungsbildes ist die Verzeichnung in der selben Richtung, die vom Neigungswinkel ß der optischen Beobachtungsachse herrührt, während die Verzeich-

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nung in der x-Richtung eine entgegengesetzt gerichtete Verzeichnung ist, die vom Konvergenzwinkel 2ν herrührt. Es existieren deshalb!einerlei parallele Geraden in den beiden Bildern. Wenn daher das rechte und linke Bild übereinander mit einer gewissen Geraden in der x-Richtung als Bezugslinie überlagert werden, schneiden sich die in y-Richtung verlaufenden Geraden des linken und rechten Bildes, und umgekehrt, weiin gewisse gerade Linien in y-Richtung zusammenfallen sollen, schneiden sich die in x-Richtung verlaufenden Geraden des rechten und linken Bildes. Es ist daher unmöglich, irgend zwei Geraden im rechten und linken Bild zur Deckung zu bringen. Bei stereoskopischer Beobachtung decken sich daher die beiden Bildfelder nicht, wenngleich der menschliche Gesichtssinn diese fehlende Koinzidenz zu korrigieren und ein räumliches Bild zu erzeugen vermag. Dieses führt jedoch naturgemäß zu einer alabaldigen Ermüdung der Augen und zu begleitenden" Kopfschmerzen des Beobachters. Beobachtungen über längere Zeiten hinweg konnten deshalb mit einem solchen Mikroskop nicht zugemutet werden.

Andererseits sind vergleichsweise hohe Vergrößerungen auch bei einem stereoskopischen Mikroskop zur Beobachtung eines Objektes aus schräger Richtung erforderlich. In diesen Fällen wird das Gesichtsfeld notwendigerweise eng. so daß ein weiter Bereich nicht mehr beobachtet werden kann. Man könnte sich hier zwar mit einer entsprechenden Objektverschiebung behelfeh, um

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einen weiteren Bereich beobachten zu können, aber in vielen Fällen verbietet sich eine solche Objektverschiebung, z. B. gerade bei der Herstellung integrierter Schaltungen. Denn hier ist eine Bewegung des IC-Substrates v/ährend eines Druckvorganges unmöglich, da das Aufbringen verschiedener Muster auf dem Substrat unter sehr genauer gegenseitiger Ausrichtung zu erfolgen hat. Es ist deshalb notwendig, für eine kontinuierliche Änderungsmöglichkeit des Mikroskopbildfeldes zu sorgen.

Man könnte zwar daran denken, die Neigung der optischen Beobachtungsachsen gegenüber der Objektebene zu ändern| für eine derartige Änderung ist aber das bekannte Mikroskop nach Fig. 1 nicht geeignet. Hierzu sei auf Fig. 3 verwiesen, die in Seitenansicht die Art und ¥eise zeigt, auf die eine Bilderzeugung stattfindet, wenn der Neigungswinkel der Beobachtungsachsen bei dem bekannten Mikroskop gleich ß* ist. Die gestrichelt gezeichneten Linien in Fig. 3 beziehen sich auf den Fall eines größeren Neigungswinkels ßp· Da das rechte und linke optische Beobachtungssystem einander äquivalent sind, reicht die Beschreibung nur eines der beiden für die nachfolgende Erläuterung aus. Wenn sich der Neigungswinkel der optischen Beobachtungsachse von ß,j auf ß₂ ändert, sollte sich die Bildfeldmitte vom Objektpunkt P^ zum Objektpunkt Pp ändern (Fig. 3)« Der Abstand vom Objektiv L10 zum Objektpunkt P^ ändert sich dabei

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aber auf den Abstand zum Objektpunkt Ρ₂> so daß sich auch der Bildabstand zum Bildpunkt P¹I auf einen Bildabstand zum Bildpunkt P¹2 ändert, wobei gleichzeitig die Neigung der Bildebene Y verändert wird. Wegen der Seheimpflug-Mingung, die die Bildauswanderungen und Verkantungen verknüpft, hat die Bildebene Y eine solche Neigung, daß sich Bildebene Y, Objek-tivhauptebene H und Objektebene X in einer gemeinsamen Geraden (dargestellt durch den Schnittpunkt Q) schneiden, so daß die Neigung der Bildebene Y stärker geändert wird als die Neigung der optischen Beobachtungsachse. Wenn also das Gesichtsfeld durch Ändern der Neigung der optischen Beobachtungsachse bewegt wird, ändern sich sowohl Neigung als auch Lage des Bildes gegenüber dem Okular, da Objektiv und Okular als Ganzes geschwenkt werden; eine Beobachtung ist daher nur innerhalb eines sehr engen Bereiches in der Schärfentiefe des Objektives L10 oder des Okulares L20 möglich; und manchmal kann überhaupt keine Beobachtung durchgeführt werden. Durch Ändern der Neigung des Objektives und durch Verstellen des Okulares zur Verfolgung des hierdurch auswandernden Bildes ist es zwar nicht unmöglich, ein scharfes Bild zu erhalten, aber die Bewegungen von Objektiv und Okular sind vollständig voneinander verschieden, was einen unpraktikabel komplizierten Mechanismus erfordern würde, wobei überdies die anhand von Fig. 2b geschilderten Nachteile nachwievor vorhanden wären.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein stereoskopisches 4/5

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Mikroskop für Objektbeobachtung aus schräger Richtung bereitzustellen, bei dem die Verzeichnungen des rechten und linken Bildes insbesondere im Hinblick auf ermüdungsfreie Beobachtbarkeit verbessert sind, wobei weiterhin die Möglichkeit eröffnet werden soll, das Mikroskopbildfeld durch eine einfache Bewegungp beispielsweise Schwenkung, des Beobachtungsstrahlenganges kontinuierlich ändern zu können und so eine Beobachtbarkeit in einem weiteren Bereich als bisher zu realisieren.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen angegeben.

Hiernach ist das stereoskopische Mikroskop für Objektbeobachtung aus schräger Richtung aufgebaut aus einer ersten sammelnden Linsengruppe mit senkrecht zur Objektebene verlaufender optischer Achse j um das Licht von jedem Punkt der Objektebene bei Koinzidenz von Brennebene und Objektebene zu kollimieren, sowie aus zwei zweiten sammelnden Linsengruppen mit äquivalenten optischen Eigenschaften in paralleler Anordnung mit der Maßgabe, daß deren Hauptebenen auf der Austrittsseite der ersten sammelnden Linsengruppe zusammenfallen und mit der Hauptebene der ersten sammelnden Linsengruppe einen vorbestimmten Winkel mit der Hauptebene bilden, also nicht parallel hierzu angeordnet sind.

Weiterhin können zwei Okulare vorgesehen sein, deren optische 5/6

Achsen und eintrittsseitigen Brennpunkte dann je mit den austrittsseitigen optischen Achsen bzw. den austrittsseitigen Brennpunkten der beiden zweiten sammelnden Linsengruppen zusammenzufallen haben.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, die neben den bereits bei der Schilderung des Standes der Technik erörterten Fig. 1 bis 3 noch die Fig. 4 bis 6 zur Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung enthält; im einzelnen zeigen dabei

Fig. 1 das Wirkungsprinzip des bekannten Mikroskopes,

Fig. 2a die Ansicht eines Objektes nach Art eines Millimeterpapiers,

Fig. 2b das linke und rechte Beobachtungsbildes des Objektes nach Fig. 2, wie dieses durch das bekannte Objektiv nach Fig. 1 erzeugt wird,

Fig. 3 eine Seitenansicht zur Darstellung des Yiirkungsprinzipes der Bilderzeugung durch das bekannte Mikroskop bei unterschiedlichen Neigungen der optischen Beobachtungsachse ,

Fig. 4a und 4b eine Vorderansicht bzw. Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Mikroskopes in schematisierter Darstellung,

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Fig. 5 das mit dem Mikroskop nach Fig. 4 erhältliche rechte und linke Beobachtungsbild und

Fig. 6 eine Seitenansicht entsprechend Fig. 4b zur Erläuterung des Strahlenganges bei unterschiedlichen Neigungen der optischen Beobachtungsachse.

Gemäß der Erfindung ist das Objektiv eines stereoskopischen .Mikroskopes aus zwei sammelnden Linsengruppentypen aufgebaut, nämlich aus einer ersten Gruppe und zwei zweiten Gruppen L2, L2¹. Wie in Fig. 4a und 4b dargestellt, hat die erste sammelnde Linsengruppe L1 vergleichsweise großen Durchmesser und wird für sowohl den rechten als auch den linken Mikroskopbeobachtungastrahlengang benutzt. Hinter der Linsengruppe L1 liegen die beiden zweiten Linsengruppen L2, L¹2, die iur den rechten und linken Beobachtungsstrahlengang vorgesehen sind. Die beiden zweiten Gruppen sind parallel zueinander so angeordnet, daß ihre Hauptebenen in einer gemeinsamen Ebene hinter der ersten Gruppe liegen. Die erste Gruppe L1 ist so angeordnet, daß ihre optische Achse senkrecht zur Objektebene X steht und daß ihre Brennebene mit der Objektebene X zusammenfällt. Die achs-parallel angeordneten beiden zweiten Gruppen L2_S L2¹ sind mit ihren Achsen um einen Winkel θ gegenüber der optischen Achse der ersten Gruppe L1 geneigt«, Jeder zweiten Gruppe L2, L2' ist ein Okular L3 bzw. L3' nachgeschaltet, ihre optischen Achsen fallen mit denen der beiden Gruppen L2, L2^! zusammen.

Entsprechend diesem Aufbau des Mikroskopobjektives verläßt der von einem Punkt der Objektebene X ausgehende Lichtfluß die erste Linsengruppe L1 als paralleles Bündel, mit dem die beiden zweiten Gruppen L2, L2' beaufschlagt werden. Die beiden zwieten Gruppen L2, L2¹ greifen sich dann hieraus ihre zugeordneten Lichtflüsse heraus, die sie dann je als konvergierendes Strahlenbündel wieder verlassen, um in der bildseitigen Brennebene der zweiten Gruppen L2 und L2^! fokussiert zu werden. Sonach werden Raumbilder in der hinter den zweiten Gruppen L2, L2¹ gelegenen Brennebene erzeugt und können durch die Okulare L3 und L3^f stereoskopisch beobachtet werden. Die bei Verwendung des Objektes nach Fig. 2a (z. B. Millimeterpapier) im Mikroskop beobachteten Bilder haben die in Fig. 5 wiedergegebene Verzeichnung. Man sieht, daß diese Verzeichnungen nur in der y-Richtung vorhanden sind und daß die Verzeichnungen von rechtem und linkem Bild gleich sind. Die Verzeichnung in der y-Richtung ist wegen der Neigung der optischen Beobachtung^- achsen um den ¥inkel θ unvermeidlich.

Keine Verzerrung tritt aber in der x-Richtung auf und alle Parallelen in dieser Richtung bleiben parallel, wobei die Formen der Verzeichnung in der y-Richtung praktisch gleich sind, so daß die beiden Bilder praktisch vollständig deckungsgleich sind. Hierdurch wird die Unannehmlichkeit, die bisher wegen der fehlenden Deckurigsgleichheit zwischen dem rechten und

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linken Bild für den Beobachter vorhanden war, beseitigt, und es wird eine gute stereoskopische Beobachtung ermöglicht. Bei dem bekannten Mikroskop waren die optischen Beobachtungsachsen mit der optischen Achse der Objektive koinzident, während beim erfindungsgemäßen Mikroskop die optischen Beobachtungsachsen mit den optischen Achsen nur der beiden zweiten Gruppen des Objektivs zusammenfallen.

Mit dem vorstehenden Aufbau des Mikroskopobjektives ist es möglich, das Gesichtsfeld kontinuierlich zu bewegen, wenn die beiden zweiten Gruppen L2, L2¹ des Objektives und die Okulare L3, L3¹ als Einheit etwa um die Austrittspupille der ersten Gruppe L1 des Objektives geschwenkt, werden. Hierzu sei auf Fig. 6 verwiesen, in der der Strahlengang für zwei verschiedene Neigungswinkel θ^ und Qp der optischen Beobachtungsachsen des Mikroskopes nach Fig. 4 mit ausgezogenen bzw. gestrichelten Linien dargestellt ist. Da der rechte und linke Beobachtungsstrahlengang im Aufbau einander gleichen, reicht es aus, nur einen der selben zu beschreiben.

Der vom Objektpunkt A auf der Objektebene X ausgehende Lichtfluß verläßt die erste Linsengruppe L1 des Objektivs als paralleles Strahlenbündel unter einem Neigungswinkel Q^ gegen die optische Achse der Linsengruppe L1. Das Parallelstrahlenbündel durchquert dann die zweite Gruppe L2 des Objektivs,

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um anschließend als Bildpunkt A^1-auf der bildseitigen Brennebene der Linsengruppe L2 fokussiert zu werden. Yfenn daher der Neigungswinkel der optischen Beobachtungsachse Θ.« ist, wird der Objektpunkt A zum Mittelpunkt des Beobachtungs-Bildfeldes des Okulars L3. Wenn nun der Neigungswinkel der optischen Beobachtungsachse von G^ auf Q₂ geändert wird, bewegt sich der Bildfeldmittelpunkt kontinuierlich vom Punkt A zum Punkt B, und beim Neigungswinkel Q^ wird der Bildpunkt B¹ des Objektpunktes B als Mittelpunkt des Beobachtungsbildfeldes auf die bildseitige Brennebene der Linsengruppe L2 fokussiert. Da die Bildebene Y stets mit der bildseitigen Brennebene der zweiten Gruppe L2 des Objektivs zusammenfällt, ist die Änderung der Neigung der optischen Beobachtungsachse stets gleich der Änderung der Neigung der Bildebene Y, so daß sich die Lage der Bildebene Y gegenüber der zweiten Gruppe L2 des Objektivs und gegenüber dem Okular Lj5 überhaupt nicht ändert. Dieses ruht von dem Umstand her, daß die erste Linsengruppe und die beiden zweiten Linsengruppen des erfindungsgemäßen Objektivs durch einen afokalen Strahlengang miteinander verknüpft sind. Deshalb ist es durch Ändern des Neigungswinkels der zweiten Linsengruppe L2 des Objektivs und des Okulars L3 als eine Einheit möglich, das Bildfeld auszuwählen und den Erhalt eines klaren, scharfen Bildes im gesamten Gesichtsfeld sicherzustellen. Es kann also ein größerer Bereich des stereoskopisch zu beobachtenden Objektes selbst bei höherer Vergrößerung erfaßt

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werden. Der Mikroskopaufbau kann sehr einfach realisiert werden, weil beispielsweise die zweiten Linsengruppen des Objektives und ihre zugehörigen Okulare je in einem gemeinsamen Tubus untergebracht werden und dann zwei solcher Tuben drehbar um die erste Linsengruppe des Objektivs angeordnet werden können.

Mit dem beschriebenen Mikroskop kann, weil der von erster Linsengruppe L1 und der zweiten Linsengruppe 1.2 des Objektivs gebildete Winkel größer ist, ein von der optischen Achse der ersten Linsengruppe L1 weiter entferntes Objekt beobachtet werden, wobei der Beobachtungsbereich durch den Bilderfassungswinkel der ersten Gruppe L1 begrenzt ist. Deshalb sollte die erste Linsengruppe des Objektivs vorzugsweise einen weiten Bildfeldwinkel abdecken und auch dann noch gut auskorrigiert sein, wenn eine ausreichende Lichtmenge durch die Randzonen geht. Weiterhin ist es erwünscht, daß bei Änderung der Neigung der zweiten Linsengruppen L2, L2¹ gegenüber der ersten Linsengruppe L1 des Objektivs die Schwenkbewegung der zweiten Gruppe etwa um die Mitte der Austrittspupille der ersten Linsongruppe erfolgt, um so eine Verringerung im Durchmesser und in der Lichtmenge im Randteil zu minimalisieren.

Die erste Linsengruppe des Objektivs kann aus Kittgliedern aufgebaut sein, um die chromatische Aberration ausreichend zu

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korrigieren und dann eine Kombination mehrerer Linsen umfassen, um die verschiedenen anderen Linsenfehler ausreichend korrigieren zu können. Weiterhin ist es auch leicht möglich, eine kontinuierliche Vergrößerungsänderung dadurch zu bewirken, daß die zweiten Linsengruppen des Objektivs nach Art eines Zoomobjektivs zu Vergrößerungsänderung ausbildet werden. Schließlich ist es auch möglich, unterschiedlich vergrößernde Okulare wie üblich in austauschbarer Ausführung vorzusehen.

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L e e r s e \ \ e

Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN- KRÄMER ZWiRNER - HIRSCH -BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2832173 Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Pate.itconriill Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsuil Nippon Kogaku K. K. Tokyo, Japan Case 372 Stereoskopisches Mil'.roskoj Patentansprüche

1. Stereoskopisches Mikroskop für stereoskopische Objektbetrachtung aus schräger Richtung, gekennzeichnet - auf der Objektivseite - durch

eine erste sammelnde Linsengruppe (Li), deren optische Achse senkrecht zur Objektebene (X) orientiert ist und deren Brennebene mit der Objektebene zusammenfällt, und zwei zweite sammelnde Linsengruppen (L2, L2¹) mit äquivalenten optischen Eigenschaften in paralleler Anordnung mit der Maßgabe, daß deren Hauptebenen auf der Austrittsseite der- ersten sammelnden Linsengruppe zusammenfallen und mit der Hauptebene

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Oipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehrn Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dip!.-W.-Ing.

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der ersten sammelnden Linsengruppe einen vorbestimmten Winkel (Θ) bilden.

2. Mikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet - auf der Okularseite - durch zwei Okulare (L3, L3¹), deren optische Achsen mit denen der beiden zweiten sammelnden Linsengruppen auf deren Austrittsseite zusammenfallen und deren eintrittsseitige Brennpunkte (bei Y) mit den austrittsseitigen Brennpurk:ten der beiden zweiten sammelnden Linsengruppen zusammenfallen.

3· Mikroskop nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden zweiten sammelnden Liniengruppen und die beiden Okulare als Einheit zur Veränderung ihrer Lage gegenüber der ersten sammelnden Linsengruppe bewegbar sind.

4. Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bewegung &r beiden zweiten sammelnden Linsengruppen und der beiden Okulare eine Drehbewegung im wesentlichen um die Austrittspupille der ersten sammelnden Linsengruppe vorgesehen ist.

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