JP2008090051A - Microscope objective lens - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、紫外域、特に深紫外域で用いられる顕微鏡などの光学系に用いられる顕微鏡対物レンズに関する。 The present invention relates to a microscope objective lens used in an optical system such as a microscope used in the ultraviolet region, particularly in the deep ultraviolet region.
従来から、例えば特許文献1に示すように、回折型光学素子(Diffractive Optical Element、略してDOEと呼ばれる。)を用いた光学系が知られている。
Conventionally, as shown in
詳述すると、特許文献1特許請求の範囲に示すように、物体側から順に、物体側が平面の平凸レンズ又は物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを含み全体として正の屈折力の第1群と、少なくとも1枚の回折型光学素子を含んだ第2群とを備え、下記の条件(1)を満足し、且つ少なくとも1枚の回折型光学素子が条件(2)および(3)のうちの少なくとも一方を満足することを特徴としている。
(1)0.5<|R|/t<5
(2)D1 /D>0.8
(3)(h×f)/(L×I)>0.07
ただし、Rは前記メニスカスレンズの像側の面の曲率半径、tは前記メニスカスレンズの肉厚、D1 は前記回折型光学素子の面でのマージナル光束径、Dは前記顕微鏡対物レンズ中の最大マージナル光束径、hは前記回折型光学素子の面での主光線高、fは前記顕微鏡対物レンズの全系の焦点距離、Lは前記顕微鏡対物レンズの同焦距離、Iは標本面での最大像高である。
Specifically, as shown in the
(1) 0.5 <| R | / t <5
(2) D1 / D> 0.8
(3) (h × f) / (L × I)> 0.07
Where R is the radius of curvature of the image-side surface of the meniscus lens, t is the thickness of the meniscus lens, D1 is the marginal beam diameter on the surface of the diffractive optical element, and D is the maximum margin in the microscope objective lens. The light beam diameter, h is the principal ray height on the surface of the diffractive optical element, f is the focal length of the entire microscope objective lens, L is the focal distance of the microscope objective lens, and I is the maximum image on the specimen surface. Is high.
そして、上記条件(1)および(2)を満足する構成では、物体側が平面の平凸レンズ又は物体側に凹面を向けたメニスカスレンズは、最も物体側に配置されている。また、前記第1群と前記第2群を構成する屈折型レンズは、いずれも単レンズである。また、前記第1群と前記第2群を構成する屈折型レンズは、いずれも同一の硝材である。
ところで、波長248nmなどの深紫外域(Deep Ultra Violet、略してDUVと呼ばれる。)の領域では、使える対物レンズの硝材が限られ、広い波長幅での色収差を補正することが難しい。 By the way, in the deep ultraviolet region (Deep Ultra Violet, abbreviated as DUV) such as a wavelength of 248 nm, the glass material of the objective lens that can be used is limited, and it is difficult to correct chromatic aberration over a wide wavelength range.
このような波長域の光学系では、一般に蛍石レンズと石英レンズが用いられるが、上述した特許文献1に記載された顕微鏡対物レンズを用いたとしても、DUV領域から可視領域に渡る色収差補正は難しい。
In an optical system of such a wavelength range, a fluorite lens and a quartz lens are generally used, but even if the microscope objective lens described in
そこで、本発明では、深紫外域(Deep Ultra Violet、略してDUVと呼ばれる。)から可視領域に亘る広い波長幅での色収差補正を実現することができる顕微鏡対物レンズを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a microscope objective lens that can realize chromatic aberration correction in a wide wavelength range from the deep ultraviolet region (DUV Ultra Violet, abbreviated as DUV) to the visible region. .
上記課題を解決するため、請求項1の発明の顕微鏡対物レンズは、紫外域の波長λに対してほぼ2倍の2λの波長に対して色補正されたことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the microscope objective lens according to the first aspect of the present invention is characterized in that color correction is performed with respect to a wavelength of 2λ, which is approximately twice the wavelength λ in the ultraviolet region.
また、請求項2の発明の顕微鏡対物レンズは、紫外域の波長λ=248±5nmに対してほぼ2倍の488nmの波長に対して色補正されたことを特徴とする。 The microscope objective lens according to the second aspect of the present invention is characterized in that color correction is performed with respect to a wavelength of 488 nm which is almost twice as large as an ultraviolet wavelength λ = 248 ± 5 nm.
請求項3の発明の顕微鏡対物レンズは、紫外域の波長λ=248nmに対しては二次回折波を用い、ほぼ2倍のλ=488nmに対しては一次回折波を用いて、色補正することを特徴とする
The microscope objective lens of the invention of
以上により、本発明は、深紫外域(Deep Ultra Violet、略してDUVと呼ばれる。)から可視領域に亘る広い波長幅での色収差補正は実現することができる。 As described above, the present invention can realize chromatic aberration correction over a wide wavelength range from the deep ultraviolet region (DUV Ultra Violet, abbreviated as DUV) to the visible region.
以下、この発明に係る顕微鏡対物レンズの実施の形態を説明する。 Embodiments of a microscope objective lens according to the present invention will be described below.
この発明に係る顕微鏡対物レンズは、物体側から順に、正の屈折力を持つレンズ群G4と、回折型光学素子(Diffractive Optical Element、略してDOEと呼ばれる。)を持つレンズ群G3と、厚いメニスカス形状のレンズ群G2と、負の屈折力を持つレンズ群G1を備えている。なお、ここで、物体とは、近い共役点の側、像とは遠い共役点の側をいう。 The microscope objective lens according to the present invention includes, in order from the object side, a lens group G4 having a positive refractive power, a lens group G3 having a diffractive optical element (referred to as DOE for short), and a thick meniscus. A lens group G2 having a shape and a lens group G1 having a negative refractive power are provided. Here, the object means the near conjugate point side, and the image means the far conjugate point side.
このような顕微鏡対物レンズにおいては、負のレンズ群G1を平行光束の側に置くレトロフォーカス型の配置とすることにより、像面の平坦さと、長いバックフォーカス(作動距離)WDを実現することができる。ここで、WD≒ 2EFLとなる。また、EFL(焦点距離)は、Effective Focal Lengthの略を表す。 In such a microscope objective lens, it is possible to realize flatness of the image plane and a long back focus (working distance) WD by adopting a retrofocus type arrangement in which the negative lens group G1 is placed on the parallel light beam side. it can. Here, WD≈2EFL. EFL (focal length) is an abbreviation for Effective Focal Length.
また、顕微鏡対物レンズの光学系における接合レンズにおいては、相対的に低分散の蛍石を正のレンズ、反対に高分散の石英を負のレンズとすることで色収差の除去を行う。 Further, in the cemented lens in the optical system of the microscope objective lens, chromatic aberration is removed by using a relatively low dispersion fluorite as a positive lens and, conversely, a high dispersion quartz as a negative lens.
しかし、負の屈折力を持つレンズ群G1においては接合レンズの負のレンズを蛍石から形成し、レンズ群G2は反対に石英を正のレンズとするのが望ましい。この構成は、色収差を拡大する作用を持つが、非点収差の除去に役立つ。負のレンズ群G1は、像側に凹面を向けた形状、あるいは、二つのレンズからなり、向かい合わせた凹面を持つ。正のレンズ群G4において、もっとも物体側のレンズは、物体側に凹面を向けたメニスカス形状が好ましいが、一面が平坦で且つ他面が凸形状にした平凸の形状のレンズでも構成できる。 However, in the lens group G1 having negative refractive power, it is desirable that the negative lens of the cemented lens is made of fluorite, and the lens group G2 on the contrary is made of quartz as a positive lens. This configuration has an effect of expanding chromatic aberration, but is useful for removing astigmatism. The negative lens group G1 has a concave surface facing the image side, or is formed of two lenses and has a concave surface facing each other. In the positive lens group G4, the most object side lens preferably has a meniscus shape with a concave surface facing the object side, but can also be a plano-convex lens in which one surface is flat and the other surface is convex.
後述する実施例1、実施例2におけるL12、L13正のG4において、接合レンズの向きはどちらでもよい。 In L4 and L13 positive G4 in Example 1 and Example 2, which will be described later, the direction of the cemented lens may be either.
ただし、正のレンズには蛍石を、負のレンズには石英を用いる。また、回折型光学素子DOEの位置に対する条件 0.6< γ< 0.8は、絞りからある程度DOE面を離すことによって、軸上色収差に対する回折型光学素子DOEの作用だけでなく、軸外色収差に対しても回折光学素子の影響を十分に及ぼすためである。 However, fluorite is used for the positive lens and quartz is used for the negative lens. Further, the condition 0.6 <γ <0.8 with respect to the position of the diffractive optical element DOE is not only the effect of the diffractive optical element DOE on the axial chromatic aberration but also the off-axis chromatic aberration by separating the DOE surface from the diaphragm to some extent. This is also because the influence of the diffractive optical element is sufficiently exerted.
ここで、γ=hDOE/hMAXと定義する。ここで、hMAXは周辺光線の取る最大光線高(光束の半径)であり、hDOEは回折型光学素子DOEの面における周辺光線高(光束の半径)である。 Here, γ = hDOE / hMAX is defined. Here, hMAX is the maximum beam height (radius of the light beam) taken by the peripheral light, and hDOE is the height of the peripheral light beam (radius of the beam) on the surface of the diffractive optical element DOE.
本発明の顕微鏡対物レンズでは、深紫外域の波長λ=248±5nmおよびほぼ2倍の488nmの波長に対して色補正をしている。そして、深紫外域の波長λ=248nmに対しては回折型光学素子DOEの二次回折波を利用し、波長λ=488nmに対しては回折型光学素子DOEの一次回折波を利用することで、回折効率ηを落とすことなく色補正を行うことができる。 In the microscope objective lens of the present invention, color correction is performed for the wavelength λ = 248 ± 5 nm in the deep ultraviolet region and the wavelength of 488 nm which is almost doubled. The second-order diffracted wave of the diffractive optical element DOE is used for the wavelength λ = 248 nm in the deep ultraviolet region, and the first-order diffracted wave of the diffractive optical element DOE is used for the wavelength λ = 488 nm. The color correction can be performed without reducing the diffraction efficiency η.
回折型光学素子DOEは、次の(1)式の位相関数を最適化することにより決定される。 The diffractive optical element DOE is determined by optimizing the phase function of the following equation (1).
位相関数を回折型光学素子の形状に変換すると、回転対称な曲面をもった輪帯の回折格子になる。この輪帯の周期性から透過光の関数をフーリエ級数に展開でき、その級数の係数から各回折次数の回折効率が(4)式で求まる。
文献: 1) D.A.Buralli,G.M.Morris and J.R.Rogers:“Optical performance of holographic kinoforms,”Appl.Opt.,28(1989)976-983
2) 回折光学素子入門[光設計研究グループ監修]増補改定版(オプトロニクス社,2006)
When the phase function is converted into the shape of the diffractive optical element, an annular diffraction grating having a rotationally symmetric curved surface is obtained. The function of the transmitted light can be expanded into a Fourier series from the periodicity of the annular zone, and the diffraction efficiency of each diffraction order can be obtained by the equation (4) from the coefficient of the series.
References: 1) DABuralli, GMMorris and JRRogers: “Optical performance of holographic kinoforms,” Appl. Opt., 28 (1989) 976-983
2) Introduction to diffractive optical elements [Supervised by Optical Design Research Group] Supplement revised edition (Opttronics, 2006)
また、対物レンズの硝材のデータは、下記のとおりである。 The data of the glass material of the objective lens is as follows.
図1は顕微鏡対物レンズの例を示したものである。この第1実施例の顕微鏡用対物レンズは、焦点距離f=4mm、NA0.55 深紫外(Deep Ultraviolet)波長248nmと488nmに対応する光学系を有する。
FIG. 1 shows an example of a microscope objective lens. The objective lens for a microscope according to the first embodiment has an optical system corresponding to a focal length f = 4 mm and NA 0.55
この顕微鏡対物レンズは、物体側から順に、正の屈折力を持つレンズ群G4と、回折型光学素子を持つレンズ群G3と、厚いメニスカス形状のレンズ群G2と、負の屈折力を持つレンズ群G1を備えている。なお、ここで、物体とは、近い共役点の側、像とは遠い共役点の側をいう。 This microscope objective lens includes, in order from the object side, a lens group G4 having a positive refractive power, a lens group G3 having a diffractive optical element, a thick meniscus lens group G2, and a lens group having a negative refractive power. G1 is provided. Here, the object means the near conjugate point side, and the image means the far conjugate point side.
レンズ群G1は、石英製の正のレンズL1と、接合レンズLaを有する。この接合レンズLaは、蛍石製の負のレンズL2と、この負のレンズL2に接合された石英製の正のレンズL3を有する。 The lens group G1 includes a positive lens L1 made of quartz and a cemented lens La. The cemented lens La has a negative lens L2 made of fluorite and a positive lens L3 made of quartz joined to the negative lens L2.
また、レンズ群G2は、蛍石製の正のレンズL4と、この正のレンズL4に接合された石英製の負のレンズL5を有する。 The lens group G2 includes a positive lens L4 made of fluorite and a negative lens L5 made of quartz bonded to the positive lens L4.
更に、レンズ群G3は、石英製の回折型光学素子DOE(Diffractive Optical Element)と、接合レンズLb,Lcと、接合レンズLb,Lc間に位置する絞り面ASを有する。この接合レンズLbは、両面が凹状に形成された石英製の負のレンズL7と、負のレンズL7の両側に接合された蛍石製の正のレンズL6,L8を有する。また、接合レンズLcは、両面が凹状に形成された石英製の負のレンズL10と、負のレンズL10の両側に接合された蛍石製の正のレンズL9,L11を有する。 Further, the lens group G3 includes a quartz diffractive optical element DOE (Differential Optical Element), cemented lenses Lb and Lc, and a diaphragm surface AS positioned between the cemented lenses Lb and Lc. This cemented lens Lb has a quartz negative lens L7 having concave surfaces on both sides, and fluorite positive lenses L6 and L8 cemented on both sides of the negative lens L7. Further, the cemented lens Lc includes a quartz negative lens L10 having both surfaces formed in a concave shape, and fluorite positive lenses L9 and L11 cemented on both sides of the negative lens L10.
また、レンズ群G4は、接合レンズLdと、石英製の正のレンズL14を有する。この接合レンズLdは、蛍石製の正のレンズL12と、この正のレンズL12に接合された石英製の負のレンズL13を有する。 The lens group G4 includes a cemented lens Ld and a positive lens L14 made of quartz. The cemented lens Ld includes a positive lens L12 made of fluorite, and a negative lens L13 made of quartz joined to the positive lens L12.
このような顕微鏡対物レンズにおいては、負のレンズ群G1を平行光束の側に置くレトロフォーカス型の配置とすることにより、像面の平坦さと、長いバックフォーカス(作動距離)WDを実現することができる。ここで、WD≒ 2EFLとなる。また、EFL(焦点距離)は、Effective Focal Lengthの略を表す。 In such a microscope objective lens, it is possible to realize flatness of the image plane and a long back focus (working distance) WD by adopting a retrofocus type arrangement in which the negative lens group G1 is placed on the parallel light beam side. it can. Here, WD≈2EFL. EFL (focal length) is an abbreviation for Effective Focal Length.
尚、このような顕微鏡対物レンズの光学系の収差図は、慣習に従って、像側から平行光を入射した場合、物体側にできる像についての収差図として描くこととする。 The aberration diagram of the optical system of the microscope objective lens is drawn as an aberration diagram for an image formed on the object side when parallel light is incident from the image side according to the custom.
また、顕微鏡対物レンズの光学系における接合レンズにおいては、相対的に低分散の蛍石を正のレンズ、反対に高分散の石英を負のレンズとすることで色収差の除去を行う。 Further, in the cemented lens in the optical system of the microscope objective lens, chromatic aberration is removed by using a relatively low dispersion fluorite as a positive lens and, conversely, a high dispersion quartz as a negative lens.
負の屈折力を持つレンズ群G1においては接合レンズLaの負のレンズL2を蛍石から形成し、レンズ群(接合レンズ)G2は反対に正のレンズL3を石英としている。この構成は、色収差を拡大する作用を持つが、非点収差の除去に役立つものである。 In the lens group G1 having negative refractive power, the negative lens L2 of the cemented lens La is made of fluorite, and the lens group (junction lens) G2 is made of the positive lens L3 made of quartz. This configuration has an effect of expanding chromatic aberration, but is useful for removing astigmatism.
また、負のレンズ群G1は、像側に凹面を向けた形状の負のレンズL1と、二つの接合レンズLaからなり、接合レンズLaの負のレンズL2の凹面と正のレンズL1の凹面が向かい合わせとなっている。 The negative lens group G1 includes a negative lens L1 having a concave surface facing the image side, and two cemented lenses La. The concave surface of the negative lens L2 and the concave surface of the positive lens L1 are the cemented lens La. Face to face.
正のレンズ群G4において、もっとも物体側のレンズは、上述したように物体側に凹面を向けたメニスカス形状が好ましいが、図1に示したように一面が平坦で且つ他面が凸形状にした平凸の形状の正のレンズL14としている。 In the positive lens group G4, the most object side lens preferably has a meniscus shape with the concave surface facing the object side as described above, but one surface is flat and the other surface is convex as shown in FIG. The plano-convex positive lens L14 is used.
ただし、正のレンズには蛍石を、負のレンズには石英を用いる。また、回折型光学素子DOEの位置に対する条件 0.6< γ< 0.8は、絞りからある程度解析型光学素子DOE面を離すことによって、軸上色収差に対する回折型光学素子DOEの作用だけでなく、軸外色収差に対しても回折光学素子の影響を十分に及ぼすためである。 However, fluorite is used for the positive lens and quartz is used for the negative lens. Further, the condition 0.6 <γ <0.8 with respect to the position of the diffractive optical element DOE is not only the effect of the diffractive optical element DOE on axial chromatic aberration by separating the analytical optical element DOE surface to some extent from the stop This is because the influence of the diffractive optical element is sufficiently exerted on the off-axis chromatic aberration.
ここで、γ=hDOE/hMAXと定義する。ここで、hMAXは周辺光線の取る最大光線高(光束の半径)であり、hDOEは回折型光学素子DOEの面における周辺光線高(光束の半径)である。 Here, γ = hDOE / hMAX is defined. Here, hMAX is the maximum beam height (radius of the light beam) taken by the peripheral light, and hDOE is the height of the peripheral light beam (radius of the beam) on the surface of the diffractive optical element DOE.
本実施例の顕微鏡対物レンズでは、深紫外域の波長λ=248±5nmおよびほぼ2倍の488nmの波長に対して色補正されている。そして、深紫外域の波長λ=248nmに対しては二次回折波を利用し、波長λ=488nmに対しては一次回折波を利用することで、回折効率ηを落とすことなく色補正が行うことができる。尚、短波長の波長で回折型光学素子DOE形状を最適化することにより、周辺波長の効率低下を抑えることが出来る。 In the microscope objective lens of the present embodiment, color correction is performed for the wavelength λ = 248 ± 5 nm in the deep ultraviolet region and the wavelength of 488 nm which is almost twice as large. Then, color correction is performed without decreasing the diffraction efficiency η by using a second-order diffracted wave for the wavelength λ = 248 nm in the deep ultraviolet region and using a first-order diffracted wave for the wavelength λ = 488 nm. be able to. Note that, by optimizing the shape of the diffractive optical element DOE with a short wavelength, it is possible to suppress a decrease in the efficiency of the peripheral wavelength.
表2は、顕微鏡対物レンズの光学系におけるレンズ等の光学部材の曲率半径、面間隔、硝材を示す。 Table 2 shows the radius of curvature, the surface interval, and the glass material of an optical member such as a lens in the optical system of the microscope objective lens.
図2の球面収差図から分かるように、深紫外(DUV)波長243,253,248nmの球面収差は小さく好ましい状態で補正されている。また、488nmにおける球面収差もある程度小さな範囲に収まっている。また、図3の非収差図から分かるように、深紫外(DUV)波長248nmにおけるΔS(サジタル像面の収差)及びΔM(メリジオナル像面の収差)等の非点収差も小さく好ましい状態で補正されている。更に、図4の歪曲収差図から分かるように、深紫外(DUV)波長248nmにおける歪曲収差DST(DISTORTION)も小さく好ましい状態で補正されている。図5の軸上の横収差図から分かるように、深紫外(DUV)波長243,253,248nmの軸上の横収差は小さく好ましい状態で補正されている。また、h´=0.2における横収差も、図6の軸上の横収差図から分かるように、深紫外(DUV)波長243,253,248nmの軸上の横収差は小さく好ましい状態で補正されている。
<第2実施例>
図7は顕微鏡対物レンズの他の例を示したものである。この顕微鏡用対物レンズは、焦点距離f=4mm、NA0.55 深紫外(DUV)波長488nmに対応する光学系を有する。
As can be seen from the spherical aberration diagram of FIG. 2, spherical aberrations at deep ultraviolet (DUV)
<Second embodiment>
FIG. 7 shows another example of the microscope objective lens. This microscope objective lens has an optical system corresponding to a focal length f = 4 mm and an NA 0.55 deep ultraviolet (DUV) wavelength of 488 nm.
この顕微鏡対物レンズは、物体側から順に、正の屈折力を持つレンズ群G4と、回折型光学素子を持つレンズ群G3と、厚いメニスカス形状のレンズ群G2と、負の屈折力を持つレンズ群G1を備えている。なお、ここで、物体とは、近い共役点の側、像とは遠い共役点の側をいう。 This microscope objective lens includes, in order from the object side, a lens group G4 having a positive refractive power, a lens group G3 having a diffractive optical element, a thick meniscus lens group G2, and a lens group having a negative refractive power. G1 is provided. Here, the object means the near conjugate point side, and the image means the far conjugate point side.
レンズ群G1は、石英製の正のレンズL1と、接合レンズLaを有する。この接合レンズLaは、蛍石製の負のレンズL2と、この負のレンズL2に接合された石英製の正のレンズL3を有する。 The lens group G1 includes a positive lens L1 made of quartz and a cemented lens La. The cemented lens La has a negative lens L2 made of fluorite and a positive lens L3 made of quartz joined to the negative lens L2.
また、レンズ群G2は、蛍石製の正のレンズL4と、この正のレンズL4に接合された石英製の負のレンズL5を有する。 The lens group G2 includes a positive lens L4 made of fluorite and a negative lens L5 made of quartz bonded to the positive lens L4.
更に、レンズ群G3は、石英製の回折型光学素子DOE(Diffractive Optical Element)と、接合レンズLb,Lcと、接合レンズLb,Lc間に位置する絞り面ASを有する。この接合レンズLbは、両面が凹状に形成された石英製の負のレンズL7と、負のレンズL7の両側に接合された蛍石製の正のレンズL6,L8を有する。また、接合レンズLcは、両面が凹状に形成された石英製の負のレンズL10と、負のレンズL10の両側に接合された蛍石製の正のレンズL9,L11を有する。 Further, the lens group G3 includes a quartz diffractive optical element DOE (Differential Optical Element), cemented lenses Lb and Lc, and a diaphragm surface AS positioned between the cemented lenses Lb and Lc. This cemented lens Lb has a quartz negative lens L7 having concave surfaces on both sides, and fluorite positive lenses L6 and L8 cemented on both sides of the negative lens L7. Further, the cemented lens Lc includes a quartz negative lens L10 having both surfaces formed in a concave shape, and fluorite positive lenses L9 and L11 cemented on both sides of the negative lens L10.
また、レンズ群G4は、接合レンズLdと、石英製の正のレンズL14を有する。この接合レンズLdは、石英製の正のレンズL2と、この正のレンズL2に接合された蛍石製の負のレンズL13を有する。 The lens group G4 includes a cemented lens Ld and a positive lens L14 made of quartz. The cemented lens Ld has a positive lens L2 made of quartz and a negative lens L13 made of fluorite joined to the positive lens L2.
このような顕微鏡対物レンズにおいては、負のレンズ群G1を平行光束の側に置くレトロフォーカス型の配置とすることにより、像面の平坦さと、長いバックフォーカス(作動距離)WDを実現することができる。ここで、WD≒ 2EFLとなる。また、EFL(焦点距離)は、Effective Focal Lengthの略を表す。 In such a microscope objective lens, it is possible to realize flatness of the image plane and a long back focus (working distance) WD by adopting a retrofocus type arrangement in which the negative lens group G1 is placed on the parallel light beam side. it can. Here, WD≈2EFL. EFL (focal length) is an abbreviation for Effective Focal Length.
尚、このような顕微鏡対物レンズの光学系の収差図は、慣習に従って、像側から平行光を入射した場合、物体側にできる像についての収差図として描くこととする。 The aberration diagram of the optical system of the microscope objective lens is drawn as an aberration diagram for an image formed on the object side when parallel light is incident from the image side according to the custom.
また、顕微鏡対物レンズの光学系における接合レンズにおいては、相対的に低分散の蛍石を正のレンズ、反対に高分散の石英を負のレンズとすることで色収差の除去を行う。 Further, in the cemented lens in the optical system of the microscope objective lens, chromatic aberration is removed by using a relatively low dispersion fluorite as a positive lens and, conversely, a high dispersion quartz as a negative lens.
負の屈折力を持つレンズ群G1においては接合レンズLaの負のレンズL2を蛍石から形成し、レンズ群(接合レンズ)G2は反対に正のレンズL3を石英としている。この構成は、色収差を拡大する作用を持つが、非点収差の除去に役立つものである。 In the lens group G1 having negative refractive power, the negative lens L2 of the cemented lens La is made of fluorite, and the lens group (junction lens) G2 is made of the positive lens L3 made of quartz. This configuration has an effect of expanding chromatic aberration, but is useful for removing astigmatism.
また、負のレンズ群G1は、像側に凹面を向けた形状の負のレンズL1と、二つの接合レンズLaからなり、接合レンズLaの負のレンズL2の凹面と正のレンズL1の凹面が向かい合わせとなっている。 The negative lens group G1 includes a negative lens L1 having a concave surface facing the image side, and two cemented lenses La. The concave surface of the negative lens L2 and the concave surface of the positive lens L1 are the cemented lens La. Face to face.
正のレンズ群G4において、もっとも物体側のレンズは、上述したように物体側に凹面を向けたメニスカス形状が好ましいが、図1に示したように、一面が凸形状で且つ他面が凹形状の正のレンズ12とし、一面が平坦で且つ他面が凸形状にした平凸の形状の正のレンズL13,L14としている。
In the positive lens group G4, the most object side lens preferably has a meniscus shape with the concave surface facing the object side as described above. However, as shown in FIG. 1, one surface is convex and the other surface is concave. The
ただし、正のレンズには蛍石を、負のレンズには石英を用いる。また、解析型光学素子DOEの位置に対する条件 0.6< γ< 0.8は、絞りからある程度解析型光学素子DOE面を離すことによって、軸上色収差に対する解析型光学素子DOEの作用だけでなく、軸外色収差に対しても回折光学素子の影響を十分に及ぼすためである。 However, fluorite is used for the positive lens and quartz is used for the negative lens. Further, the condition 0.6 <γ <0.8 with respect to the position of the analytical optical element DOE is not limited to the effect of the analytical optical element DOE on axial chromatic aberration by separating the analytical optical element DOE surface to some extent from the stop. This is because the influence of the diffractive optical element is sufficiently exerted on the off-axis chromatic aberration.
ここで、γ=hDOE/hMAXと定義する。ここで、hMAXは周辺光線の取る最大光線高(光束の半径)であり、hDOEは解析型光学素子DOE面における周辺光線高(光束の半径)である。 Here, γ = hDOE / hMAX is defined. Here, hMAX is the maximum beam height (radius of the light beam) taken by the peripheral light beam, and hDOE is the peripheral beam height (radius of the light beam) on the analytical optical element DOE surface.
本実施例の顕微鏡対物レンズでは、深紫外域の波長λ=248±5nmおよびほぼ2倍の488nmの波長に対して色補正されている。そして、深紫外域の波長λ=248nmに対しては二次回折波を利用し、波長λ=488nmに対しては一次回折波を利用することで、回折効率ηを落とすことなく色補正が行うことができる。尚、短波長の波長で解析型光学素子DOE形状を最適化することにより、周辺波長の効率低下を抑えることが出来る。 In the microscope objective lens of the present embodiment, color correction is performed for the wavelength λ = 248 ± 5 nm in the deep ultraviolet region and the wavelength of 488 nm which is almost twice as large. Then, color correction is performed without decreasing the diffraction efficiency η by using a second-order diffracted wave for the wavelength λ = 248 nm in the deep ultraviolet region and using a first-order diffracted wave for the wavelength λ = 488 nm. be able to. Note that by optimizing the shape of the analytical optical element DOE at a short wavelength, it is possible to suppress a decrease in the efficiency of the peripheral wavelength.
顕微鏡対物レンズの光学系におけるレンズ等の光学部材の曲率半径、面間隔、硝材を示す。 The curvature radius, surface space, and glass material of an optical member such as a lens in the optical system of the microscope objective lens are shown.
図8の球面収差図から分かるように、深紫外(DUV)波長243,253,248nmの球面収差は小さく好ましい状態で補正されている。また、488nmにおける球面収差もある程度小さな範囲に収まっている。また、図9の非収差図から分かるように、深紫外(DUV)波長248nmにおけるΔS(サジタル像面の収差)及びΔM(メリジオナル像面の収差)等の非点収差も小さく好ましい状態で補正されている。更に、図10の歪曲収差図から分かるように、深紫外(DUV)波長248nmにおける歪曲収差DST(DISTORTION)も小さく好ましい状態で補正されている。図11の軸上の横収差図から分かるように、深紫外(DUV)波長243,253,248nmの軸上の横収差は小さく好ましい状態で補正されている。また、h´=0.2における横収差も、図12の軸上の横収差図から分かるように、深紫外(DUV)波長243,253,248nmの軸上の横収差は小さく好ましい状態で補正されている。
(その他1)
本発明は、上述したように深紫外域の波長λ=248±5nmおよびほぼ2倍の488nmの波長に対して色補正された顕微鏡対物レンズであるが、λ=248nmに対しては二次回折波を利用し、λ=488nmに対しては一次回折波を利用することで、回折効率ηを落とすことなく色補正が行うことができる。回折効率は上述した(1)、(2)の式で計算される。この式によれば、短波長の波長で解析型光学素子DOE形状を最適化することにより、周辺波長の効率低下を抑えることが出来る。バイナリー近似された回折光学素子の回折効率は(6)式で表される。
As can be seen from the spherical aberration diagram of FIG. 8, spherical aberrations at deep ultraviolet (DUV)
(Other 1)
The present invention is a microscope objective lens that is color-corrected for the wavelength λ = 248 ± 5 nm in the deep ultraviolet region and the wavelength of 488 nm, which is almost twice as described above, but second-order diffraction is performed for λ = 248 nm. By using a wave and using a first-order diffracted wave for λ = 488 nm, color correction can be performed without reducing the diffraction efficiency η. The diffraction efficiency is calculated by the above formulas (1) and (2). According to this formula, by optimizing the shape of the analytical optical element DOE with a short wavelength, it is possible to suppress a decrease in the efficiency of the peripheral wavelength. The diffraction efficiency of a binary approximated diffractive optical element is expressed by equation (6).
また、回折効率を求める際に用いる位相関数法は、上述した(1)〜(3)の式で表される。
すなわち、上述した(1)〜(3)の式は数5のようになる。
Moreover, the phase function method used when calculating | requiring diffraction efficiency is represented by the formula of (1)-(3) mentioned above.
That is, the above formulas (1) to (3) are as shown in Equation 5.
このような数式を用いて、248nmの2次回折光と488nmの一次回折光で最適化した場合の基盤の波長による屈折率の違い(分散)を考慮した16レベル(後述する段差の数すなわち量子化数N)の回折型光学素子DOEの回折効率(石英)は図13に示したグラフで示される。 Using such formulas, 16 levels considering the difference (dispersion) in the refractive index depending on the wavelength of the base when optimized with the second-order diffracted light of 248 nm and the first-order diffracted light of 488 nm (the number of steps, ie, quantization, described later) The diffraction efficiency (quartz) of the diffractive optical element DOE of several N) is shown by the graph shown in FIG.
図13から分るように、248nm周辺では248nmの2次回折光で最適化した方が効率は良い。248nm周辺での2次光の効率は略0.95となり、488nm周辺での1次光の効率は略0.97となる。248nmの2次回折光で最適化された16レベルの回折型光学素子DOEの回折効率の全体的なグラフは図14に示される。この最適化に際しては、回折型光学素子DOEの基板の分散も考慮している。
(その他2)
また、図1,図7に示した回折型光学素子DOEの製造方法についてマスク2枚を使った例で説明する。
As can be seen from FIG. 13, in the vicinity of 248 nm, the efficiency is better when optimized with the second order diffracted light of 248 nm. The efficiency of secondary light around 248 nm is about 0.95, and the efficiency of primary light around 488 nm is about 0.97. An overall graph of the diffraction efficiency of a 16 level diffractive optical element DOE optimized with 248 nm second order diffracted light is shown in FIG. In this optimization, dispersion of the substrate of the diffractive optical element DOE is also taken into consideration.
(Other 2)
A method for manufacturing the diffractive optical element DOE shown in FIGS. 1 and 7 will be described using an example in which two masks are used.
この回折型光学素子DOEの製造のための1次作業として、図15(a)のように、基板B上にフォトレジストを塗布して、基板B上にフォトレジスト層Prを形成した後、1次マスク(M=1)を通して矢印A1で示した光でフォトレジスト層Prを露光して、フォトレジスト層Prに1次マスク(M=1)のパターンを焼き付ける。 As a primary operation for manufacturing the diffractive optical element DOE, as shown in FIG. 15A, a photoresist is applied on the substrate B to form a photoresist layer Pr on the substrate B. The photoresist layer Pr is exposed with light indicated by an arrow A1 through the next mask (M = 1), and the pattern of the primary mask (M = 1) is baked on the photoresist layer Pr.
次に、フォトレジスト層Prのうち1次マスク(M=1)のパターンが焼き付けられた部分を図15(b)に示したように除去して、フォトレジスト層除去部B1,B2とフォトレジスト層Prの部分を基板B上に設ける。 Next, the portion of the photoresist layer Pr where the pattern of the primary mask (M = 1) is baked is removed as shown in FIG. 15B, and the photoresist layer removal portions B1 and B2 and the photoresist are removed. A portion of the layer Pr is provided on the substrate B.
そして、図15(b)における基板Bのフォトレジスト層除去部B1,B2を図15(c)のように所望の深さまでエッチングによりを行うことにより、基板Bに下段差面Lb1,Lb2を形成した後、図15(c)の基板表面に残ったフォトレジスト層Prを洗浄により除去して、図15(d)に示したように下段差面Lb1,Lb2及び上段差面Ub1,Ub2が設けられた基板Bを形成する。この時の下段差面Lb1,Lb2の深さd1はd1=λ/2(n−1)となる。 Then, the photoresist layer removing portions B1 and B2 of the substrate B in FIG. 15B are etched to a desired depth as shown in FIG. 15C, thereby forming the lower step surfaces Lb1 and Lb2 on the substrate B. After that, the photoresist layer Pr remaining on the substrate surface in FIG. 15C is removed by cleaning, and lower step surfaces Lb1 and Lb2 and upper step surfaces Ub1 and Ub2 are provided as shown in FIG. The formed substrate B is formed. At this time, the depth d 1 of the lower step surfaces Lb1 and Lb2 is d 1 = λ / 2 (n−1).
次に、2次作業として、図15(e)のように矩形状に形成した基板Bの段差面Ub1,Ub2,Lb1Lb2上にフォトレジストを塗布して、基板Bの段差面Ub1,Ub2,Lb1Lb2にフォトレジスト層Prを形成した後、1次マスク(M=1)を通して矢印A1で示した光でフォトレジスト層Prを露光して、フォトレジスト層Prに2次マスク(M=2)のパターンを焼き付ける。 Next, as a secondary operation, a photoresist is applied on the stepped surfaces Ub1, Ub2, Lb1Lb2 of the substrate B formed in a rectangular shape as shown in FIG. 15E, and the stepped surfaces Ub1, Ub2, Lb1Lb2 of the substrate B are applied. After the photoresist layer Pr is formed, the photoresist layer Pr is exposed to light indicated by an arrow A1 through a primary mask (M = 1), and a pattern of the secondary mask (M = 2) is formed on the photoresist layer Pr. Bake.
次に、フォトレジスト層Prのうち1次マスク(M=2)のパターンが焼き付けられた部分を図15(f)に示したように除去して、フォトレジスト層除去部B3,B4,B5,B6とフォトレジスト層Prの部分を基板B上に設ける。 Next, the portion of the photoresist layer Pr where the pattern of the primary mask (M = 2) is baked is removed as shown in FIG. 15 (f), and the photoresist layer removal portions B3, B4, B5, B6 and the photoresist layer Pr are provided on the substrate B.
そして、図15(f)における基板Bのフォトレジスト層除去部B3〜B6を図15(g)のように所望の深さまでエッチングによりを行うことにより、基板Bに下段差面Ub12,Ub22,Lb1,Lb12,Lb2,LB22を形成した後、図15(g)の基板表面に残ったフォトレジスト層Prを洗浄により除去して、図15(h)に示したように下段差面Ub12,Ub22,Lb1,Lb12,Lb2,LB22及び上段差面Ub1,Ub2が設けられた基板Bを形成する。このようにすることで矩形形状の基板Bにさらに、多数の段差面を設けることができる。尚、このような2次作業により1次作業の深さの2分の1の段差が形成され、このときのマスク2枚を使った場合(量子化数4)の各段差面間の段差、即ち深さdzは、最適化回折次数をp、波長をλとするとdz=pλ/4(n−1)となる。また、このような手順でマスク4枚を使った場合(量子化数16)の各段差面間の段差、dzはdz=pλ/16(n−1)となる。 Then, the photoresist layer removing portions B3 to B6 of the substrate B in FIG. 15 (f) are etched to a desired depth as shown in FIG. 15 (g), whereby the lower step surfaces Ub12, Ub22, Lb1 , Lb12, Lb2, and LB22, the photoresist layer Pr remaining on the substrate surface in FIG. 15G is removed by cleaning, and the lower step surfaces Ub12, Ub22, A substrate B provided with Lb1, Lb12, Lb2, LB22 and upper step surfaces Ub1, Ub2 is formed. In this way, a large number of step surfaces can be further provided on the rectangular substrate B. Note that a step of half the depth of the primary work is formed by such a secondary work. When two masks at this time are used (quantization number 4), the step between each step face, That is, the depth dz is dz = pλ / 4 (n−1) where p is the optimized diffraction order and λ is the wavelength. Further, when four masks are used in this procedure (quantization number 16), the step between the step surfaces, dz, is dz = pλ / 16 (n−1).
このような作業で、図1,図7に示した対物レンズの回折型光学素子DOEの表面に回折格子を設けることができる。 Through such operations, a diffraction grating can be provided on the surface of the diffractive optical element DOE of the objective lens shown in FIGS.
また、上述した作業を繰り返すことにより、図16のようなBOE(Binary Optical Element)を回折型光学素子DOEの一つとして形成することができる。この図16のBOEは、周縁部にリング帯状に設けられ且つ断面が鋸歯状の小リングレンズ部Ls1,Ls2と、中央の凸レンズ部Lc等からフレネルレンズ状に形成されている。そして、小リングレンズ部Ls1,Ls2の表面には上述したようにして形成された回折格子部dg1,dg2が形成され、凸レンズ部Lcの表面にも上述したようにして形成された回折格子部dg3が形成されている。しかも、小リングレンズ部Ls1,Ls2の回折格子部dg1,dg2の高さdはd=pλ/(n−1)となる。 Further, by repeating the above-described operation, a BOE (Binary Optical Element) as shown in FIG. 16 can be formed as one of the diffractive optical elements DOE. The BOE of FIG. 16 is formed in a Fresnel lens shape from small ring lens portions Ls1 and Ls2 that are provided in a ring band shape at the peripheral edge and have a sawtooth cross section and a central convex lens portion Lc. The diffraction grating portions dg1 and dg2 formed as described above are formed on the surfaces of the small ring lens portions Ls1 and Ls2, and the diffraction grating portion dg3 formed as described above also on the surface of the convex lens portion Lc. Is formed. Moreover, the height d of the diffraction grating portions dg1 and dg2 of the small ring lens portions Ls1 and Ls2 is d = pλ / (n−1).
尚、上述した回折格子を繰り返し形成することは、光学素子の量子化数ととらえることができ、一次の回折光で最適化したときの回折効率と量子化数との関係をグラフにすると、図17に示すようになる。この図17において、横軸を回折格子の階段の数、縦軸を回折効率とする。この図17から分かるように量子化数8で、回折効率は0.95、また、量子化数16では0.99になる。
The repeated formation of the above-described diffraction grating can be regarded as the quantization number of the optical element. If the relationship between the diffraction efficiency and the quantization number when optimized with the first-order diffracted light is graphed, FIG. As shown in FIG. In FIG. 17, the horizontal axis represents the number of steps of the diffraction grating, and the vertical axis represents the diffraction efficiency. As can be seen from FIG. 17, when the quantization number is 8, the diffraction efficiency is 0.95, and when the
ところで、上述したように2次光を利用した場合は、d=pλ/(n−1)より、d=2λ/(n−1)となる。しかも、波長λを決定すれば、屈折率nも決まるので、深さdが決まることになる。上述した実施例では、短波長である248nm(2次)を使って形状を最適化し計算している。この場合、仮に屈折率nがほとんど一定であるとすると、248nmの2次と、488nmの1次では、深さdはそれほど差は無く、つまりどちらの波長でも良好な回折効率が得られた。 By the way, when secondary light is used as described above, d = 2λ / (n−1) from d = pλ / (n−1). In addition, if the wavelength λ is determined, the refractive index n is also determined, so that the depth d is determined. In the embodiment described above, the shape is optimized and calculated using a short wavelength of 248 nm (secondary). In this case, if the refractive index n is almost constant, the depth d is not so different between the second order of 248 nm and the first order of 488 nm, that is, good diffraction efficiency is obtained at both wavelengths.
また、回折格子部dg3は、回折格子部dg1,dg2で決定された深さをどれだけ量子化するか(何回上記の作業を繰り返すか)によって決定される。即ち、2回作業を行う場合は、4つの階段が出来るので、dz=d/4となる。また、3回の場合は、d/8、4回の場合はd/16となる。そして、上述したように、一次の回折光で最適化したときの回折効率は量子化数8で0.95、量子化数16で0.99になる。しかし、高次pの回折光で最適化した場合、量子化数Nでも、一次の回折光で最適化したときの回折効率の1/pの量子化数に相当する回折効率になる。すなわち、量子化数(N/p)の回折効率になる。従って、波長248nm、回折次数2次、量子化数16での回折効率は量子化数8に相当し、0.95になる。498nm(2×248nm)では、基盤の屈折率が248nmと同じなら、波長498nm、回折次数1次、量子化数16での効率に相当し、回折効率0.99になる。また、波長488nmは波長498nmに近く、基盤の屈折率を考慮しても回折効率0.97になる。
The diffraction grating part dg3 is determined by how much the depth determined by the diffraction grating parts dg1 and dg2 is quantized (how many times the above operation is repeated). That is, when the work is performed twice, since four steps are made, dz = d / 4. Moreover, in the case of 3 times, it becomes d / 8, and in the case of 4 times, it becomes d / 16. As described above, the diffraction efficiency when optimized with the first-order diffracted light is 0.95 when the quantization number is 8, and 0.99 when the quantization number is 16. However, when optimized with high-order p diffracted light, the quantization efficiency N corresponds to a diffraction efficiency equivalent to 1 / p of the diffraction efficiency when optimized with primary diffracted light. That is, the diffraction efficiency is the quantization number (N / p). Accordingly, the diffraction efficiency at a wavelength of 248 nm, a diffraction order of 2nd order, and a quantization number of 16 corresponds to a quantization number of 8 and is 0.95. At 498 nm (2 × 248 nm), if the refractive index of the substrate is the same as 248 nm, it corresponds to the efficiency at a wavelength of 498 nm, the first diffraction order, and the
また、回折格子の形状は上述した(1)式の位相関数φ(h)によって決定される。たとえば、2レベルのBOEを作成する場合、位相関数が2π/2変化するhがそのマスクの幅となる。4レベルの場合は、上記に加えて、2π/4で決定されるhの幅で作成されたマスクが第2工程で使用される。 Further, the shape of the diffraction grating is determined by the phase function φ (h) of the above-described equation (1). For example, when a two-level BOE is created, h whose phase function changes by 2π / 2 is the width of the mask. In the case of 4 levels, in addition to the above, a mask created with a width of h determined by 2π / 4 is used in the second step.
更に、図16において、凸レンズ部Lcの半径は、位相関数が2π変化したhで、深さdは位相関数の2πの変化に相当する。同じく小リングレンズ部Ls2の幅も位相関数が2π変化するhに相当する。 Further, in FIG. 16, the radius of the convex lens portion Lc is h where the phase function is changed by 2π, and the depth d is equivalent to a change of 2π of the phase function. Similarly, the width of the small ring lens portion Ls2 corresponds to h in which the phase function changes by 2π.
以上説明したように、この発明の実施の形態の顕微鏡対物レンズは、紫外域の波長λ1に対してほぼ2倍の2λ1の波長に対して色補正されるようにしている。 As described above, the microscope objective lens according to the embodiment of the present invention is color-corrected with respect to the wavelength of 2λ 1 which is almost twice the wavelength λ 1 in the ultraviolet region.
この構成によれば、波長248nmなどの深紫外域(Deep Ultra Violet、略してDUVと呼ばれる。)から可視領域に亘る広い波長幅での色収差補正は実現することができる。 According to this configuration, it is possible to realize chromatic aberration correction over a wide wavelength range from the deep ultraviolet region (Deep Ultra Violet, abbreviated as DUV) such as a wavelength of 248 nm to the visible region.
また、この発明の実施の形態の顕微鏡対物レンズは、紫外域の波長λ=248±5nmに対してほぼ2倍の488nmの波長に対して色補正されている。 In addition, the microscope objective lens according to the embodiment of the present invention is color-corrected with respect to a wavelength of 488 nm which is almost twice as large as the wavelength λ = 248 ± 5 nm in the ultraviolet region.
この構成によれば、波長248nmなどの深紫外域(Deep Ultra Violet、略してDUVと呼ばれる。)から可視領域に亘る広い波長幅での色収差補正は実現することができる。 According to this configuration, it is possible to realize chromatic aberration correction over a wide wavelength range from the deep ultraviolet region (Deep Ultra Violet, abbreviated as DUV) such as a wavelength of 248 nm to the visible region.
更に、この発明の実施の形態の顕微鏡対物レンズは、紫外域の波長λ=248nmに対しては二次回折波を用い、ほぼ2倍のλ=488nmに対しては一次回折波を用いて、色補正するようになっている。 Furthermore, the microscope objective lens according to the embodiment of the present invention uses the second-order diffracted wave for the wavelength λ = 248 nm in the ultraviolet region, and uses the first-order diffracted wave for the nearly doubled λ = 488 nm. Color correction is designed.
この構成によれば、波長248nmなどの深紫外域(Deep Ultra Violet、略してDUVと呼ばれる。)から可視領域に亘る広い波長幅での色収差補正は実現することができる。 According to this configuration, it is possible to realize chromatic aberration correction over a wide wavelength range from the deep ultraviolet region (Deep Ultra Violet, abbreviated as DUV) such as a wavelength of 248 nm to the visible region.
G1・・・負のレンズ群
G2・・・レンズ群
G3・・・レンズ群
G4・・・正のレンズ群
L1〜L14・・・レンズ
G1 ... Negative lens group G2 ... Lens group G3 ... Lens group G4 ... Positive lens group L1-L14 ... Lens
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