EP0642676A1 - Abtastobjektiv - Google Patents

Abtastobjektiv

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Publication number
EP0642676A1
EP0642676A1 EP92922848A EP92922848A EP0642676A1 EP 0642676 A1 EP0642676 A1 EP 0642676A1 EP 92922848 A EP92922848 A EP 92922848A EP 92922848 A EP92922848 A EP 92922848A EP 0642676 A1 EP0642676 A1 EP 0642676A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lens
scan
lens group
scanning
numerical aperture
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP92922848A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Schick
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0642676A1 publication Critical patent/EP0642676A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/02—Objectives
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0052—Optical details of the image generation
    • G02B21/0072—Optical details of the image generation details concerning resolution or correction, including general design of CSOM objectives
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders

Definitions

  • the invention relates to a scan lens for line-by-line or point-by-point three-dimensional scanning of object surfaces with high resolution and high test speed.
  • the increasing packing density on an electronic assembly requires a correspondingly adapted test.
  • This check is usually carried out by means of a high-resolution optical inspection system.
  • the triangulation principle can be used in conjunction with a system for quickly scanning a surface.
  • the confocal principle is generally more suitable.
  • a point-shaped light source which is usually defined by a pinhole, is imaged on the object surface and the backscattered light is imaged on an almost point-shaped detector.
  • the depth of field of a confocal optical configuration is a measure of the height resolution of the system.
  • the depth of field is inversely proportional to the square of the numerical aperture.
  • the essential variable in the design of a diffraction-limited scan lens which reflects the theoretically achievable imaging performance, is the Lagrangian variant L. It is formed by the product of half the beam diameter D at the location of a beam deflection unit and the scan angle or deflection angle kel ⁇ . This is equivalent to the product of the numerical aperture NA and half the scan length S of the scan lens.
  • L is proportional to the number of scanned points per scan line.
  • a high scanning rate is thus achieved by a high scanning speed and the largest possible Lagrangeinversion L of the scanning system.
  • the result is that for rotating polygon mirrors in relation to other beam deflectors, the feasible angular velocity with a large beam diameter and thus the pixel data rate is very high.
  • Other beam deflectors are understood to mean, for example, acousto-optical deflectors, resonance scanners or galvanometer mirrors.
  • the data rate is limited upwards by the increasing rotational inertia with increasing beam cross-section or increasing mirror facet diameter of the mirror. Depending on the material used and the mechanical design of the polygon mirror, this results in an optimal poly gon mirror dimensioning.
  • the scan length is reduced with unchanged Lagrangein variants.
  • the beam diameter increases with a reduction in the scanning angle.
  • increasing the beam diameter with a small scanning angle increases the number and size of the facets of the polygon mirror, which in turn reduces the rotational speed that can be achieved.
  • the objective focal length is reduced. This means that, in the case of conventional scanning objectives, the front and rear focal planes come very close to the lens mount, since otherwise the correction of the aberrations will be made considerably more difficult. This in turn limits the space required for positioning polygon mirrors.
  • Scanning lenses currently available on the market have numerical apertures of approximately 0.1 and have a scanning angle of approximately 13 ° to 25 ° with focal lengths of at least 20 mm. These lenses can be adapted very well to polygon mirrors rotating at high speed.
  • the Lagrangein variant is about 1 mm. However, lenses of this type are not suitable for high resolution confocal scanners.
  • Confocal laser scanning microscopes also exist. These are mostly constructed on the basis of ordinary light microscopes or light microscope objectives and can therefore also have a high numerical aperture. With a Lagrangein variant of approx. 0.15 mm, however, the overall imaging performance is relatively low due to the small image field or the short scan length. Acoustic-optical beam deflectors are frequently used here, as a result of which the imaging power is reduced due to the small deflection angle and the small aperture which is not circular. In addition, the beam deflection is not aberration-free (astigmatism).
  • the aim of the invention is the construction of a scan lens, by means of which a large image field is scanned at a high resolution, corresponding to a high numerical aperture, with a simultaneously high scanning rate.
  • the invention is based on the knowledge that the required quality features can be achieved by means of a scan lens consisting of three lens groups with an appropriate design.
  • a first lens group viewed in the direction of the scanning beam, with a positive refractive power and a relatively low numerical aperture can be regarded as an ideal coupling element to the beam deflection unit with high imaging power.
  • the structure of this optic corresponds to a typical scan lens from the prior art with a relatively large numerical aperture. It can be manufactured with less than 6 individual lenses with limited diffraction. A real intermediate image is generated by this lens group. The sufficient vertex distance between the entrance pupil and the surface of the first lens is of great advantage.
  • a third lens group which is arranged on the object side, receives a high numerical aperture with a large one
  • the imaging performance of a scanning system or a scanning lens is high on the object side numerical aperture possible.
  • a second lens group with positive refractive power which images the real intermediate image of the first lens group to infinity, must be constructed so that the exit pupil, formed by the first and second lens groups, coincides with the entrance pupil of the third lens group.
  • the angle of view of the second lens group must coincide with the deflection angle of the third lens group.
  • This second lens group can be an inverted scan lens, for example. This means that a previously known scanning lens is used in the opposite direction. Attention must be paid to the appropriate adjustment of the scan length (image height of the intermediate image) and the numerical aperture in relation to the first lens group. Furthermore, the scan angle (image angle) and the diameter of the entrance pupil of the third lens group must be adjusted.
  • the ratio of the focal lengths of the first lens group to the second lens group corresponds here to the ratio between the scanning angle (image angle) of the first lens group and the third lens group. All three lens groups are diffraction limited.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention includes the design of the scan lens as an F- ⁇ lens.
  • the necessary condition for an F- ⁇ lens is the proportionality between the scan or deflection angle and the current deflection or the current image height. This reduces the control expenditure in the case of automatic test systems.
  • the coupling between the scan lens and the beam deflection unit can be carried out in a simple manner.
  • the numerical aperture of the first lens group is at least 0.15 (the numerical aperture of the entire scanning objective can be, for example, 0.6), this is advantageous insofar as the design of the downstream lens groups offers greater freedom of design with regard to an overall high level numerical aperture can be achieved.
  • the scanning angle is approximately 16 ° and the entrance pupil has a diameter of approximately 7.5 mm.
  • the definition of these two parameters of the scan objective to the numerical values mentioned gives particular advantages with regard to the design of a polygon mirror rotating at high speed (e.g. number of facets 12, mirror diameter approx. 70 mm, facet length approx. 19 mm). If the numerical aperture of the third lens group is at least 0.25 in combination with a scan angle of approx. 2.5 ° and a scan length of approx. 8 mm, a working distance between the lens and the object of approx. 30 mm can already be set.
  • Figure 1 shows a schematic diagram of a typical scan lens with a numerical aperture of 0.1.
  • FIG. 2 shows the beam path of a scan lens when the numerical aperture is enlarged compared to the illustration in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows the detailed structure of a scan lens with a high numerical aperture.
  • FIG. 4 shows the basic illustration of the scan lens corresponding to FIG. 3.
  • FIG. 1 the beam path of an objective 11 shown only by a line is sketched.
  • the objective 11 is positioned with respect to an optical axis 10.
  • the focal length f is indicated on both sides of the objective 11.
  • the main beam 7 and edge beams 8 run in accordance with the scanning angle ⁇ .
  • the object plane 9 is indicated in the right part of the image.
  • the scan length S corresponds to the image size.
  • FIG. 1 Known scan lenses as shown in FIG. 1 are commercially sold by several manufacturers.
  • the numerical aperture determines the size of the pixel and the imaging performance is based on the number of resolved pixels, it should always be dimensioned such that the desired aperture is present. If one assumes that the Lagrangian variant remains constant as a measure of the imaging power and that the focal length of the entire system does not change, then when the numerical aperture is enlarged, a beam path corresponds to that shown in FIG. 2.
  • the entrance pupil 61 and the object plane are also located here 9 each in focus.
  • the scan length S is sketched correspondingly symmetrically to the optical axis 10 and the beam diameter D at the entrance pupil 61, which is considerably larger than in FIG. 1, is entered. It is clearly evident that the scan angle ⁇ has decreased significantly in relation to the scan angle ⁇ of FIG. 1. The same applies to the scan length S. Main ray 7 and marginal rays 8 are also shown. However, a construction according to FIG. 2 is not practical for solving the task, since it is generally difficult to accommodate a beam deflection unit. The design itself corresponds approximately to collimator optics, which usually only represent one point. In this way, a high numerical aperture can be achieved in a simple manner, since the image angle may be small.
  • the Lagrangin variant and the scan angle ⁇ are kept constant and the numerical aperture is enlarged, the focal length f becomes smaller. This also gives rise to difficulties with regard to the accommodation of a Beam deflection unit in front of the scan lens.
  • FIG. 3 shows a scan objective with an upstream beam deflection unit 4.
  • the scan lens which is constructed from the lens groups 1 to 3 described, has a numerical aperture of 0.6.
  • the first lens group 1 and the second lens group 2 each consist of 5 individual lenses.
  • the first lens group has a numerical aperture of 0.15 and a focal length of 25 mm.
  • the second lens group collimates the rays emanating from the real intermediate image 5 at a focal length of 160 mm. In this case, the beam is expanded and the angle is reduced.
  • the third lens group 3 which consists of a double element (doublet), three directly adjoining positive refractive single lenses and a lens triplet, has a focal length of 40 mm and a numerical aperture of 0.6.
  • the total length of the objective is approximately 650 mm.
  • a scan objective according to FIG. 3 has a high numerical aperture (0.6 and a large scan length S).
  • the first lens group 1 having a still low nume ⁇ step aperture of 0.15 has a large scan angle of about +/- 16 0th
  • the first lens group 1 ′′ represents the coupling element to the beam deflection unit 4.
  • the high numerical aperture of 0.6 of the third lens group 3 with positive refractive power is achieved by a small image angle of 2.5 °. for the third lens group 3, a pupil diameter of 48 mm, a focal length f of 40 mm and an image field of 3.5 mm. In terms of its construction, this group of lenses is similar to a microscope objective that has been enlarged to scale and magnified 50 times.
  • the first two lens groups 1, 2 thus cause a scan angle reduction and a pupil enlargement (seen from left to right in the figure).
  • the entrance pupil 61 of the first lens group 1 is imaged into the entrance pupil 63 of the third lens group 3, or the exit pupil 62 of the first and second lens groups 1, 2 coincides with the entrance pupil 63 of the third lens group 3.
  • the observation of pupils of individual lens groups is only used for the construction of a scanning objective. Such a scanning objective has only one entrance pupil and one exit pupil.
  • An additional, rather telecentric, construction of the scan lens simplifies the measurement data evaluation of an automatic 3D inspection system.
  • the intermediate image 5 is generated by the lens group 1.
  • the course of the main ray 7 and the marginal rays 8 with respect to the lens groups 1-3 and with respect to the optical axis 10 is indicated.
  • the second lens group 2 images the intermediate image 5 to infinity.
  • the pupils are imaged by the first and second lens groups 1, 2, the entrance pupil 61 of the first Lens group 1 is imaged in the entrance pupil 63 of the third lens group 3. This can also be called a scan angle transformation.
  • the entrance pupil 63 of the third lens group 3 lies between the second and the third lens group 2, 3. Parallel rays are guided through the pupil at maximum diameter.
  • the first lens group 1 taken on its own can be viewed as a scan lens with low resolution. The same applies to the second lens group 2, but this has a larger focal length f.
  • a described scan lens for example, it can be resolved in the range of 0.5 ⁇ m.
  • FIG. 4 shows a basic illustration of a scan lens with a high numerical aperture.
  • Focal length f 6.25 mm beam diameter D, at the entrance: 7.5 mm
  • Beam diameter and scan angle are constant Numerical aperture: 0.28 scan length S: 7.5 mm
  • the basic structure of a scan lens according to the invention includes, in accordance with the schematic illustration in FIG. 4, a first, second and third lens group 1; 2; 3.
  • the surface of the object to be checked or the object plane 9 is sketched on the right edge of the picture.
  • the entrance pupil 61 of the entire scanning objective is shown on the left edge of the image.
  • the entire arrangement has an optical axis 10.
  • the characteristic course of the main beam 7 and the edge beams 8 is outlined accordingly.
  • the entrance pupil 61 shown as a diaphragm in FIG. 4 can be replaced by a rotating polygon mirror.
  • the exit pupil 62 of the first and second lens groups 1, 2 coincides with the entrance pupil 63 of the third lens group 3, the second lens group 2 depicting the intermediate image 5 generated by the first lens group 1 to infinity.

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Abstract

Von Scanobjektiven zur zeilen- bzw. punktweisen dreidimensionalen Abtastung von Objektoberflächen wird eine hohe Auflösung bei gleichzeitig hoher Prüfgeschwindigkeit gefordert. Um möglichst viele Bildpunkte bei hoher Auflösung abbilden zu können, muß das Scanobjektiv eine entsprechend hohe numerische Apertur bei gleichzeitig großem Bildfeld aufweisen. Zu diesem Zweck wird es aus drei Linsengruppen (1; 2; 3) aufgebaut. Die erste und die zweite Linsengruppe (1; 2) bewirken sowohl eine Scanwinkelverkleinerung, als auch eine Pupillenvergrößerung. Die Eintrittspupille (61) wird in die Eintrittspupille (63) der dritten Linsengruppe (3) abgebildet. Die dritte Linsengruppe (3) hat eine hohe numerische Apertur von beispielsweise 0,6. Weiterhin wird das reelle Zwischenbild (5) durch die zweite Linsengruppe (2) mit positiver Brechkraft und größerer Brennweite (f) als die erste Linsengruppe (1) ins Unendliche abgebildet. Bei einem Strahldurchmesser (D) am Eintritt des Scanobjektives von 7,5 mm, einem Scanwinkel (Υ) von ±16° und einer Scanlänge S von 3,5 mm läßt sich beispielsweise ein Arbeitsabstand von 5 mm erreichen.

Description

Scanob ektiv
Die Erfindung betrifft ein Scanobjektiv zur zeilen- bzw. punktweisen dreidimensionalen Abtastung von Ob¬ jektoberflächen bei hoher Auflösung und hoher Prüfge- schwindigkeit.
Die zunehmende Packungsdichte auf einer elektronischen Baugruppe erfordert eine entsprechend angepaßte Prü¬ fung. Diese Prüfung geschieht in der Regel mittels ei¬ nes hochauflösenden optischen Inspektionssyste es. Prinzipiell kann das Triangulationsprinzip in Verbin¬ dung mit einem System zum schnellen Abtasten einer Oberfläche eingesetzt werden. Bei spiegelnden Oberflä¬ chen strukturierter Objekte ist jedoch in der Regel das konfokale Prinzip geeigneter. Dabei wird eine punktför- ige Lichtquelle, welche gewöhnlich durch eine Loch¬ blende definiert wird, auf die Objektoberfläche und das zurückgestreute Licht auf einen nahezu punktförmigen Detektor abgebildet. Hierzu wird beispielsweise auf die europäische Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzei¬ chen 91 120 863.5 verwiesen. Die Schärfentiefe einer konfokalen optischen Konfiguration ist ein Maß für die Höhenauflösung des Systemes. Die Schärfentiefe ist da¬ bei dem Quadrat der numerischen Apertur umgekehrt pro¬ portional. Ein Scanobjektiv mit einer hohen numerischen Apertur und einer sehr schnellen. Strahlablenkeinheit, beispielsweise einem mit hoher Drehzahl rotierenden Po- lygonspiegel, erfüllt die Anforderungen hinsichtlich hoher Auflösung für ein automatisches PrüfSystem. Der¬ zeit ist jedoch ein Scanobjektiv mit einer ausreichend hohen numerischen Apertur nicht erhältlich. Eine aus¬ reichend hohe numerische Apertur sollte mindestens ei- nen Wert von 0,15 aufweisen. Die bei der Auslegung eines beugungsbegrenzten Scanob¬ jektives wesentliche Größe, die die theoretisch er¬ reichbare Abbildungsleistung wiedergibt, ist die Lagrangeinvariante L. Sie wird gebildet durch das Pro¬ dukt aus dem halben Strahldurchmesser D am Ort einer Strahlablenkeinheit und dem Scanwinkel bzw. Ablenkwin¬ kel θ. Dies ist gleichbedeutend dem Produkt aus numeri¬ scher Apertur NA und halber Scanlänge S des Scanobjek¬ tives.
L = * D - Θ *= - S - NA
Da durch die numerische Apertur das Auflösungsvermögen vorgegeben ist, ist L proportional zu der Zahl der ab¬ getasteten Punkte pro Scanlinie. Eine hohe Abtastrate wird somit durch eine hohe Ablenkgeschwindigkeit beim Scannen und eine möglichst große Lagrangeinvariante L des scannenden Systemes erreicht. Entsprechend der oben genannten Abhängigkeiten müssen sowohl Strahlablenkein¬ heit, als auch Scanobjektiv aneinander angepaßt werden.
Hinsichtlich der Strahlablenkeinheit ergibt sich, daß für rotierende Polygonspiegel im Verhältnis zu anderen Strahlablenkern die machbare Winkelgeschwindigkeit bei gleichzeitig großem Strahldurchmesser und damit die Pi¬ xeldatenrate sehr hoch ist. Unter anderen Strahlablen¬ kern sind beispielsweise akustooptische Ablenker, Reso¬ nanzscanner oder Galvanometerspiegel zu verstehen. Eine Begrenzung der Datenrate nach oben hin ist durch das größer werdende Rotationsträgkeits oment bei zunehmen¬ dem Strahlquerschnitt bzw. zunehmendem Spiegelfacetten¬ durchmesser des Spiegels gegeben. Je nach verwendetem Werkstoff und mechanischer Konstruktion des Poly- gonspiegels ergibt sich demzufolge eine optimale Poly- gonspiegeldimensionierung.
Die grundlegende Ausgestaltung eines Scanobjektives muß folgende Abhängigkeiten berücksichtigen:
Je größer die Lagrangeinvariante (hohe Auflösung bei großem Bildfeld) , desto schwieriger ist es, geometrische Abbildungsfehler zu minimieren und ein Scanobjektiv fertigungsgerecht zu konstruieren.
Bei einer Erhöhung der Anforderungen an die Auflö¬ sung, die gleichbedeutend mit der Vergrößerung der numerischen Apertur ist, reduziert sich die Scan¬ länge bei unveränderter Lagrangeinvarianten.
Vergrößert man für ein System mit vorgegebener Lagrangeinvarianten die numerische Apertur bei kon¬ stanter Brennweite, so vergrößert sich der Strahl- durchmesser unter Verringerung des Scanwinkels. Ei- ne Vergrößerung des Strahldurchmessers bei kleinem Scanwinkel erhöht jedoch die Zahl und die Größe der Facetten des Polygonspiegels, wodurch sich wiederum die erzielbare Rotationsgeschwindigkeit erniedrigt.
- Vergrößert man für ein System mit vorgegebener Lagrangeinvarianten die numerische Apertur unter Beibehaltung des Scanwinkels, so verringert sich die Ob ektivbrennweite. Dies bedeutet, daß bei ge¬ wöhnlichen Scanobjektiven die vordere und hintere Brennebene sehr nahe an die Linsenfassung heran¬ rückt, da anderenfalls die Korrektur der Aberratio¬ nen erheblich erschwert wird. Dies begrenzt wieder¬ um den erforderlichen Raum zur Positionierung von Polygonspiegeln.
Die aufgezählten Zusammenhänge verdeutlichen, daß ein Scanobjektiv mit einer großen numerischen Apertur und gleichzeitig großem Bildfeld mit herkömmlichen Mitteln nicht konstruierbar ist.
Derzeit auf dem Markt erhältliche Scanobjektive weisen numerische Aperturen von ca. 0,1 auf und haben einen Scanwinkel von ca. 13° bis 25° bei Brennweiten von min¬ destens 20 mm. Diese Objektive können sehr gut an mit hoher Geschwindigkeit rotierende Polygonspiegel ange- paßt werden. Die Lagrangeinvariante beträgt hierbei ca. 1 mm. Objektive dieser Bauart sind jedoch nicht für konfokale Scanner mit hoher Auflösung geeignet.
Weiterhin existieren konfokale Laserscanmikroskope. Diese sind meistens auf der Basis von gewöhnlichen Lichtmikroskopen bzw. Lichtmikroskopobjektiven aufge¬ baut und können somit auch eine hohe numerische Apertur besitzen. Bei einer Lagrangeinvarianten von ca. 0,15 mm ist jedoch die gesamte Abbildungsleistung aufgrund des geringen Bildfeldes bzw. der geringen Scanlänge relativ niedrig. Häufig werden hierbei akustooptische Strahlablenker eingesetzt, wodurch sich die Abbildungs¬ leistung aufgrund des geringen Ablenkwinkels und der zugleich kleinen Apertur, die nicht kreisförmig ist, verringert. Zudem ist die Strahlablenkung nicht aberra¬ tionsfrei (Astigmatismus) .
Das Ziel der Erfindung ist die Konstruktion eines Scanobjektives, mittels dem bei hoher Auflösung, ent- sprechend einer hohen numerischen Apertur, ein großes Bildfeld bei gleichzeitig hoher Abtastrate abgescannt wird. •
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale entsprechend dem Anspruch 1. Prinzipiell wird eine hohe Auflösung eines Objektives durch einen hohen Wert der numerischen Apertur gewähr¬ leistet. Der Scan- bzw. Ablenkwinkel bestimmt in Ver¬ bindung mit der Brennweite des Objektives die Größe des Bildfeldes.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit¬ tels eines aus drei Linsengruppen bestehenden Scanob¬ jektives bei entsprechender Auslegung die geforderten Qualitätsmerkmale erreicht werden. Eine in Richtung des Abtaststrahles gesehen erste Linsengruppe mit positiver Brechkraft und mit relativ geringer numerischer Apertur kann bei hoher Abbildungsleistung als ein ideales An¬ koppelglied zur Strahlablenkeinheit betrachtet werden. Diese Optik entspricht im Aufbau einem typischen Scanobjektiv aus dem Stand der Technik mit relativ gro¬ ßer numerischer Apertur. Sie läßt sich mit weniger als 6 Einzellinsen beugungsbegrenzt fertigen. Durch diese Linsengruppe wird ein reelles Zwischenbild erzeugt. Von großem Vorteil ist der ausreichende Scheitelabstand zwischen der Eintrittspupille und der Oberfläche der ersten Linse.
Eine dritte Linsengruppe, die objektseitig angeordnet ist, erhält eine hohe numerische Apertur bei großer
Brennweite und bei einem relativ geringen Ablenkwinkel von ca. 2,5°. Um innerhalb der Beugungsbegrenzung zu bleiben, muß darauf geachtet werden, daß geometrische
Abbildungsfehler optimal korrigiert werden. Gegebenen- falls ist eine Verringerung des Ablenkwinkels in Kauf zu nehmen. Durch die Ähnlichkeit der Konstruktion mit einer Kollimatoroptik ist im wesentlichen nur noch die
Korrektur der sphärischen Aberration vorzunehmen. Durch die beschriebene Ausgestaltung der dritten Linsengruppe ist die Abbildungsleistung eines scannenden Systemes bzw. eines Scanobjektives objektseitig mit einer hohen numerischen Apertur möglich.
Eine zweite Linsengruppe mit positiver Brechkraft, die das reelle Zwischenbild der ersten Linsengruppe ins un- endliche abbildet, muß so konstruiert sein, daß die Austrittspupille, gebildet durch die erste und zweite Linsengruppe, mit der Eintrittspupille der dritten Lin¬ sengruppe zusammenfällt. Der Bildwinkel der zweiten Linsengruppe muß dabei mit dem Ablenkwinkel der dritten Linsengruppe übereinstimmen. Diese zweite Linsengruppe kann beispielsweise ein invertiertes Scanobjektiv sein. Dies bedeutet, daß ein bisher bekanntes Scanobjektiv in umgekehrter Richtung verwendet wird. Dabei ist auf die entsprechende Anpassung der Scanlänge (Bildhöhe des Zwischenbildes) und die numerische Apertur in bezug auf die erste Linsengruppe zu achten. Weiterhin ist eine Anpassung bezüglich des Scanwinkels (Bildwinkel) und des Durchmessers der Eintrittspupille der dritten Lin¬ sengruppe vorzunehmen. Das Verhältnis der Brennweiten von erster Linsengruppe zu zweiter Linsengruppe ent¬ spricht hierbei dem Verhältnis zwischen Scanwinkel (Bildwinkel) von erster Linsengruppe zu dritter Linsen¬ gruppe. Sämtliche drei Linsengruppen sind beugungsbe- grenzt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet die Auslegung des Scanobjektives als F-Θ-Ob- jektiv. Die notwendige Bedingung für ein F-Θ-Objektiv ist die Proportionalität zwischen dem Scan- bzw. Ab- lenkwinkel und der momentanen Auslenkung bzw. der mo¬ mentanen Bildhöhe. Dadurch vermindert sich der steue¬ rungstechnische Aufwand bei automatischen PrüfSystemen.
Es ist vorteilhaft, die Hauptstrahlen zwischen der er¬ sten und der zweiten Linsengruppe parallel zur opti- sehen Achse verlaufen zu lassen. Diese einer telezen- trischen Ausbildung entsprechende Konstruktion kann zum einen für die erste und zweite Linsengruppe und zum an¬ deren für das gesamte Scanobjektiv gelten. Die daraus resultierenden Vorteile bestehen darin, daß man einzel¬ ne telezentrische Linsengruppen in einfacher Weise hin¬ tereinander schalten kann. Die telezentrische Ausbil¬ dung des gesamten Scanobjektives bedeutet insbesondere eine vorteilhafte Anwendung für Meßzwecke. Aufwendige elektronische (Hardware oder Software) Korrekturen er¬ übrigen sich.
Für den Fall, daß die gesamte Brennweite des Scanobjek¬ tives kleiner ist, als der Abstand zwischen der ersten Linsenfläche der ersten Linsengruppe und der davor lie¬ genden Eintrittspupille des Scanobjektives ist die An- kopplung zwischen Scanobjektiv und Strahlablenkeinheit in einfacher Weise durchzuführen.
Beträgt die numerische Apertur der ersten Linsengruppe mindestens 0,15 (die numerische Apertur des gesamten Scanobjektives kann beispielsweise 0,6 betragen), so ist dies insofern vorteilhaft, als für die Konstruktion der nachgeschalteten Linsengruppen eine größere Ausge- staltungsfreiheit im Hinblick auf eine insgesamt hohe numerische Apertur erzielbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Scanwinkel ca. 16° und die Ein- trittspupille einen Durchmesser von ca. 7,5 mm besitzt. Die Festlegung dieser beiden Parameter des Scanobjekti¬ ves auf die genannten Zahlenwerte ergibt besondere Vor¬ teile hinsichtlich der Auslegung eines mit hoher Dreh¬ zahl rotierenden Polygonspiegels (z. B. Facettenzahl 12, Spiegeldurchmesser ca. 70 mm, Facettenlänge ca. 19 mm) . Beträgt die numerische Apertur der dritten Linsengruppe mindestens 0,25 in Kombination mit einem Scanwinkel von ca. 2,5° und einer Scanlänge von ca. 8 mm, so läßt sich bereits ein Arbeitsabstand zwischen Objektiv und Objekt von ca. 30 mm einstellen.
Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze eines typischen Scanobjektives mit einer numerischen Apertur von 0,1.
Figur 2 zeigt den Strahlengang eines Scanobjektives bei einer Vergrößerung der numerischen Apertur gegenüber der Darstellung in Figur 1.
Figur 3 zeigt den detaillierten Aufbau eines Scanobjek¬ tives mit hoher numerischer Apertur.
Figur 4 zeigt die Prinzipdarstellung des Scanobjektives entsprechend Figur 3.
In der Figur 1 ist der Strahlengang eines lediglich durch einen Strich dargestellten Objektives 11 skiz¬ ziert. Das Objektiv 11 ist bezüglich einer optischen Achse 10 positioniert. Die Brennweite f ist beiderseits des Objektives 11 angedeutet. Ausgehend von dem Strahl¬ durchmesser D bei der Eintrittspupille 61 verlaufen Hauptstrahl 7 und Randstrahlen 8 entsprechend dem Scan¬ winkel θ. Im rechten Bildteil ist die Objektebene 9 an¬ gedeutet Die Scanlänge S entspricht der Bildgröße.
Wie in Figur 1 dargestellte bekannte Scanobjektive wer- den von mehreren Herstellern kommerziell vertrieben.
Sie weisen in der Regel eine numerische Apertur von <= 0,1 und Brennweiten von mehr, als 20 mm auf. Die Scan¬ winkel liegen im Bereich von +/-130 bis 25°. Nachdem die Lagrangeinvariante ein Maß für die Abbildungslei¬ stung eines optischen Bauteiles darstellt, die numeri- sehe Apertur die Größe des Bildpunktes bestimmt und die Abbildungsleistung sich an der Zahl der aufgelösten Bildpunkte orientiert, sollte immer so dimensioniert werden, daß die gewünschte Apertur vorliegt. Geht man davon aus, daß die Lagrangeinvariante als Maß für die Abbildungsleistung konstant bleibt und die Brennweite des gesamten Systemes sich nicht verändert, so entsteht bei Vergrößerung der numerischen Apertur ein Strahlen¬ gang entsprechen der Figur 2. Auch hierbei liegen die Eintrittspupille 61 und die Objektebene 9 jeweils im Brennpunkt. Die Scanlänge S ist entsprechend symme¬ trisch zur optischen Achse 10 skizziert und der Strahl¬ durchmesser D an der Eintrittspupille 61, der wesent¬ lich größer ist, als in Figur 1, ist eingetragen. Es ist klar ersichtlich, daß der Scanwinkel θ sich im Ver- hältnis zu dem Scanwinkel θ der Figur 1 wesentlich ver¬ kleinert hat. Gleiches gilt für die Scanlänge S. Haupt¬ strahl 7 und Randstrahlen 8 sind ebenfalls eingezeich¬ net. Eine Konstruktion entsprechend Figur 2 ist jedoch zur Lösung der gestellten Aufgabe nicht praktikabel, da hierbei die Unterbringung einer Strahlablenkeinheit in der Regel schlecht möglich ist. Die Konstruktion selbst entspricht annähernd einer Kollimatoroptik, die in der Regel nur einen Punkt abbildet. Hierbei wird in einfa¬ cher Weise eine hohe numerische Apertur erreichbar, da der Bildwinkel klein sein darf.
Werden aufbauend auf der Darstellung in Figur 1 die Lagrangeinvariante und der Scanwinkel θ, konstant ge¬ halten und die numerische Apertur vergrößert, so wird die Brennweite f kleiner. Dies ergibt ebenfalls Schwie¬ rigkeiten in bezug auf die Unterbringung einer Strahlablenkeinheit vor dem Scanobjektiv.
Der Einsatz eines reinen Mikroskopobjektives, bei¬ spielsweise 50x/0,6, ist ebenfalls zur Lösung der ge- stellten Aufgabe schwer möglich, da hierbei ein zu ge¬ ringer Ablenkwinkel vorliegt. Darüber hinaus liegt wie¬ derum die Eintrittspupille gewöhnlich sehr nahe am Lin¬ sensystem des Mikroskopobjektives.
In der Figur 3 ist ein Scanobjektiv mit einer vorge¬ schalteten Strahlablenkeinheit 4 dargestellt. Das Scanobjektiv, das aus den beschriebenen Linsengruppen 1 bis 3 aufgebaut ist, besitzt eine numerische Apertur von 0,6. Die erste Linsengruppe 1 und die zweite Lin- sengruppe 2 bestehen aus jeweils 5 Einzellinsen. Die erste Linsengruppe besitzt eine numerische Apertur von 0,15 und eine Brennweite von 25 mm. Die zweite Linsen¬ gruppe kollimiert die vom reellen Zwischenbild 5 ausge¬ henden Strahlen bei einer Brennweite von 160 mm. Hier- bei erfolgt eine Strahlaufweitung und eine Winkelver¬ kleinerung. Die dritte Linsengruppe 3, die aus einem Zweifachglied (Duplett) , drei direkt- anschließenden po¬ sitiv brechenden Einzellinsen und einem Linsentriplett besteht, besitzt eine Brennweite von 40 mm und eine nu- merische Apertur von 0,6. Die Gesamtlänge des Objekti¬ ves beträgt ca. 650 mm.
Ein Scanobjektiv entsprechend Figur 3 besitzt eine hohe numerische Apertur (0,6 und eine große Scanlänge S) . Die erste Linsengruppe 1 mit einer noch geringen nume¬ rischen Apertur von 0,15 weist einen großen Scanwinkel von ca. +/-160 auf. Die erste Linsengruppe 1 "stellt das Kopplungsglied zur Strahlablenkeinheit 4 dar. Die hohe numerische Apertur von 0,6 der dritten Linsengruppe 3 mit positiver Brechkraft wird durch einen geringen Bildwinkel von 2,5° erzielt. Dies bedeutet beispiels- weise für die dritte Linsengruppe 3 einen Pupillen¬ durchmesser von 48 mm, eine Brennweite f von 40 mm und ein Bildfeld von 3,5 mm. Dabei ist hinsichtlich ihrer Konstruktion diese Linsengruppe einem maßstäblich ver- größerten Mikroskopobjektiv mit 50facher Vergrößerung ähnlich.
Prinzipiell bewirken die ersten beiden Linsengruppen 1, 2 somit eine Scanwinkelverkleinerung und eine Pupillen- Vergrößerung (in der Figur von links nach rechts gese¬ hen) . Dabei wird die Eintrittspupille 61 der ersten Linsengruppe 1 in die Eintrittspupille 63 der dritten Linsengruppe 3 abgebildet, bzw. die Austrittspupille 62 der ersten und zweiten Linsengruppe 1, 2 trifft mit der Eintrittspupille 63 der dritten Linsengruppe 3 zusam¬ men. Daraus entsteht der Vorteil, daß der Abstand zwi¬ schen Eintrittspupille 63 und der Glasfläche der ersten Linse der dritten Linsengruppe 3 als zusätzlicher Frei¬ heitsgrad bei der Konstruktion und zur Optimierung der dritten Linsengruppe 3 freigegeben wird. Die Betrach¬ tung von Pupillen einzelner Linsengruppen wird ledig¬ lich zur Konstruktion eines Scanobjektives angewandt. Ein solches Scanobjektiv hat insgesamt nur eine Ein¬ trittspupille und eine Austrittspupille. Ein zusätzli- eher telezentrischer Aufbau des Scanobjektives verein¬ facht die Meßdatenauswertung eines automatischen 3D-In- spektionssystemes.
Entsprechend Figur 3 oder 4 wird von der Linsengruppe 1 das Zwischenbild 5 erzeugt. Der Verlauf des Hauptstrah¬ les 7 und der Randstrahlen 8 in bezug auf die Linsen¬ gruppen 1-3 und in bezug auf die optische Achse 10 ist angedeutet. Die zweite Linsengruppe 2 bildet das Zwi¬ schenbild 5 ins Unendliche ab. Dabei findet eine Pupil- lenabbildung durch die erste und zweite Linsengruppe 1, 2 statt, wobei die Eintrittspupille 61 der ersten Linsengruppe 1 in die Eintrittspupille 63 der dritten Linsengruppe 3 abgebildet wird. Dies kann auch als Scanwinkeltransformation bezeichnet werden. Die Ein¬ trittspupille 63 der dritten Linsengruppe 3 liegt zwi- sehen der zweiten und der dritten Linsengruppe 2, 3. Parallele Strahlen werden bei maximalem Durchmesser durch die Pupille hindurchgeführt. Die erste Linsen¬ gruppe 1 für sich genommen kann als ein Scanobjektiv mit geringer Auflösung betrachtet werden. Gleiches gilt für die zweite Linsengruppe 2, wobei diese jedoch eine größere Brennweite f aufweist.
Mit einem beschriebenen Scanobjektiv kann beispielswei¬ se im Bereich von 0,5 um aufgelöst werden.
Die Figur 4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Scanob¬ jektives mit einer hohen numerischen Apertur.
Mögliche technische Daten:
Beispiel 1:
Numerische Apertur (gesamt): 0,6
Brennweite f: 6,25 mm Strahldurchmesser D, am Eintritt: 7,5 mm
Arbeitsabstand: 5 mm
Scanwinkel θ: +/- 16°
Abstand a: 15 mm
Scanlänge S: 3,5 mm
Beispiel 2
Strahldurchmesser und Scanwinkel sind konstant Numerische Apertur: 0,28 Scanlänge S: 7,5 mm
Arbeitsabstand: 27 mm Brennweite f: ca. 14 mm
Der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Scanob¬ jektives beinhaltet entsprechend der schematischen Dar- Stellung in Figur 4 eine erste, zweite und dritte Lin¬ sengruppe 1; 2; 3. Die Oberfläche des zu prüfenden Ob- jektes bzw. die Objektebene 9 ist am rechten Bildrand skizziert. Am linken Bildrand ist die Eintrittspupille 61 des gesamten Scanobjektives dargestellt. Die gesamte Anordnung weist eine optische Achse 10 auf. Der charak¬ teristische Verlauf des Hauptstrahles 7 und der Rand¬ strahlen 8 ist entsprechend skizziert.
Die in der Figur 4 als Blende dargestellte Eintrittspu- pille 61 kann durch einen rotierenden Polygonspiegels ersetzt werden. Die Austrittspupille 62 der ersten und zweiten Linsengruppe 1, 2 fällt mit der Eintrittspupil¬ le 63 der dritten Linsengruppe 3 zusammen, wobei die zweite Linsengruppe 2 das von der ersten Linsengruppe 1 erzeugte Zwischenbild 5 ins Unendliche abbildet.

Claims

Patentansprüche
1. Scanobjektiv zur Führung von einem Beleuchtungs¬ strahl oder einem Beleuchtungs- und einem Meß- strahl, insbesondere für ein Abtastsystem zur Ober¬ flächeninspektion von elektronischen Flachbaugrup¬ pen, bestehend aus drei Linsengruppen (1; 2; 3), wobei zur Ankopplung an eine Strahl-Ablenkeinheit (4) eine erste Linsengruppe (1) mit positiver Brechkraft vorhanden ist, welche ein Zwischen¬ bild (5) mit einer im Verhältnis zum gesamten Scanobjektiv geringen numerischen Apertur bei gleichzeitig großem Scanwinkel (θ) erzeugt, - objektseitig eine dritte Linsengruppe (3) mit einer relativ zur ersten Linsengruppe (1) grö¬ ßeren numerischen Apertur vorhanden ist, eine zwischengeschaltete zweite Linsengruppe (2) mit positiver Brechkraft und relativ zur ersten Linsengruppe (1) größeren Brennweite (f) vorgesehen ist, die ein von der ersten Linsen¬ gruppe (1) erzeugtes Zwischenbild (5) ins Un¬ endliche abbildet, die Austrittspupille (62), die durch die erste und zweite Linsengruppe (1; 2) gebildet wird, vor der dritten Linsengruppe (3) zum Liegen kommt und durch die erste und zweite Linsengruppe (1; 2) eine Scanwinkelverkleinerung erzielt wird, mit der Wirkung, daß die dritte Linsengruppe (3) bezüglich des Aufbaues einer Kollimatoroptik ähnlich ist.
2. Scanobjektiv nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Scanobjektiv ein F-Θ-Obj ektiv ist .
3. Scanobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hauptstrahlen (7) zwischen erster und zwei¬ ter Linsengruppe (1; 2) parallel zur optischen Achse (10) verlaufen.
4. Scanobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Scanobjektiv insgesamt einen telezentri- schen Strahlengang aufweist.
5. Scanobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Abstand (a) zwischen dem Scheitel der er¬ sten Linsenfläche der ersten Linsengruppe (1) und der davor liegenden Eintrittspupille (61) des Scanobjektives größer ist als die gesamte Brennwei¬ te (f) des Scanobjektives.
6. Scanobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die numerische Apertur der ersten Linsengruppe
(1) mindestens 0,15 beträgt.
7. Scanobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Scanwinkel (θ) ca. 16° und der Strahldurch¬ messer (D) an der Eintrittspupille (61) des Scanob- jektives ca. 7,5 mm beträgt. Scanobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die numerische Apertur der dritten Linsengruppe (3) mindestens 0,25 und der Scanwinkel (θ) ca. 2,5° betragen.
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