JP2016502678A - 光学装置、光学装置を組み込んだ結像系、および結像系によって実施される試料を結像する方法 - Google Patents

Abstract

大きい開口数と小さい中心オブスキュレーションとを有する４ミラー対物レンズである光学装置を本書で説明する。４ミラー対物レンズは、２つのシュワルツシルト型対物レンズを互いに連続して設置する。これにより、大きい開口数、長い作動距離、および小さい中心オブスキュレーションが可能になる。各対物レンズは一次および二次のミラーを有する。試料を結像するための結像装置および方法も本書で説明される。

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１２年１０月３１日に出願された米国仮特許出願第６１／７２０６５３号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張するものである。

本発明は、光学装置、この光学装置を組み込んだ結像系、およびこの結像系によって実施される試料を結像する方法に関する。

図１Ａ〜１Ｂ（従来技術）を参照すると、周知のシュワルツシルト対物レンズ１００、およびシュワルツシルト対物レンズ１００に関連する問題の、説明を助けるために使用される２つの図が示されている。図１Ａ（従来技術）に示されているようにシュワルツシルト対物レンズ１００は、１つの有限共役１０１、および中心にアパーチャ１０４が設けられている一次凹面ミラー１０２と二次凸面ミラー１０６とを有する軸上構造１０３を含む。シュワルツシルト対物レンズ１００は、光源光１０８が一次凹面ミラー１０２内のアパーチャ１０４を通過すると、二次凸面ミラー１０６の中心部分１１２にぶつかった光源光１０８の一部分１１０が軸上構造１０３に起因して反射して戻り、一次凹面ミラー１０２のアパーチャ１０４を通って損失されるように構成されている。光源光１０８の一部分１１０の損失によって画像コントラスト（伝送効率）が低下する。この望ましくない影響は中心オブスキュレーション１１０´として知られている。

図１Ｂ（従来技術）に示されているのは、シュワルツシルト対物レンズ１００の様々な変調伝達関数曲線１１６ａ（障害物なし）、１１６ｂ（障害物２５％）、１１６ｃ（障害物５０％）を示したグラフ１１４である（注：ｘ軸は空間周波数を表し、ｙ軸は変調を表す）。変調伝達関数は、空間周波数に応じた光伝送効率を測定したものである（二次凸面ミラー１０６が均一に照らされると仮定する）。より低い空間周波数は、より高いフィーチャサイズに対応する。例えば変調伝達関数曲線１１６ｃは、シュワルツシルト対物レンズ１００の開口数（ＮＡ）１１８が増加すると、より大きいフィーチャサイズで画像コントラストがより低下することを示す形状を有している（注：ＮＡは、シュワルツシルト対物レンズ１００が光１０８を受け入れるまたは出射することができる角度の範囲を特徴付ける無次元数、ＮＡ＝ｎｓｉｎθであり、ここでｎは対物レンズ１００が作動する周囲の媒体の屈折率であり、θは像点Ｐに対して対物レンズ１００に入るまたは対物レンズ１００から出ることが可能な光の最大円錐の半角である）。それにより、シュワルツシルト対物レンズ１００における開口数（ＮＡ）１１８が大きくなればなるほど、中心オブスキュレーション１１０´を通じた画像コントラストの損失は大きくなる。典型的なシュワルツシルト対物レンズ１００の開口数（ＮＡ）１１８はおよそ０．３（３０％の中心オブスキュレーション１１０´）であるが、約０．６５（５０％の中心オブスキュレーション１１０´）まで上げることができる。

したがって、反射要素を含むが、大きい開口数（ＮＡ）を有すると同時に小さい中心オブスキュレーションを有するように構成された、光学装置が必要である。

前述の要求に対処する、光学装置、この光学装置を組み込んだ結像系、およびこの結像系によって実施される試料を結像する方法を、本願の独立クレームに記載した。光学装置、この光学装置を組み込んだ結像系、およびこの結像系によって実施される試料を結像する方法の、有利な実施形態を従属クレームに記載した。

一態様において本発明は、第１の対物レンズと第２の対物レンズとを備えた光学装置を提供する。第１の対物レンズは、中心にアパーチャが設けられている第１の一次凹面ミラーと、第１の二次凸面ミラーとを有する。第２の対物レンズは、中心にアパーチャが設けられている第２の一次凹面ミラーと、第２の二次凸面ミラーとを有する。第１の対物レンズおよび第２の対物レンズは、軸上に互いに連続して配置されている。第２の対物レンズは比較的大きい開口数を有し、かつ第１の対物レンズは比較的小さい開口数を有する。

別の態様において本発明は、試料を結像するための結像系を提供する。この結像系は観察検出系と光学装置とを備えている。光学装置は第１の対物レンズと第２の対物レンズとを有する。第１の対物レンズは、中心にアパーチャが設けられている第１の一次凹面ミラーと、第１の二次凸面ミラーとを有する。第２の対物レンズは、中心にアパーチャが設けられている第２の一次凹面ミラーと、第２の二次凸面ミラーとを有する。観察検出系は、第１の対物レンズから既定距離に配置されている。試料は、第２の対物レンズから既定距離に配置されている。試料からの光が、観察検出系で受けられる前に、比較的大きい開口数を有する第２の対物レンズを通過し、次いで比較的小さい開口数を有する第１の対物レンズを通過するように、第１の対物レンズおよび第２の対物レンズは軸上に互いに連続して配置されている。

別の態様において本発明は、試料を結像する方法を提供する。この方法は、（ａ）観察検出系を提供するステップ、（ｂ）中心にアパーチャが設けられている第１の一次凹面ミラーと、第１の二次凸面ミラーとを有する第１の対物レンズ、および、中心にアパーチャが設けられている第２の一次凹面ミラーと、第２の二次凸面ミラーとを有する第２の対物レンズ、を含む光学装置であって、第１の対物レンズおよび第２の対物レンズが軸上に互いに連続して配置されている、光学装置を提供するステップ、（ｃ）観察検出系を、第１の対物レンズから既定距離の位置に位置付けるステップ、（ｄ）試料を、第２の対物レンズから既定距離の位置に位置付けるステップ、および（ｅ）最初に比較的大きい開口数を有する第２の対物レンズを通過し次いで比較的小さい開口数を有する第１の対物レンズを通過した、試料からの光を、観察検出系で受けるステップを含む。

本発明のさらなる態様は、一部は以下の詳細な説明、図面、およびいずれかの請求項に明記され、一部は詳細な説明から導かれるであろうし、あるいは本発明を実施することにより分かるであろう。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単なる例示および説明のためのものであり、開示される本発明を限定するものではないことを理解されたい。

以下の詳細な説明を添付の図面と共に参照すると、本発明のより完全な理解が得られるであろう。

周知のシュワルツシルト対物レンズ、およびシュワルツシルト対物レンズに関連する問題の、説明を助けるために使用される図 周知のシュワルツシルト対物レンズ、およびシュワルツシルト対物レンズに関連する問題の、説明を助けるために使用される図 本発明の実施形態に従って構成された光学装置のブロック図 本発明の実施形態による、許容できるＮＡ０．７、作動距離２５ｍｍ、直径２．７ｍｍの物体視野、および中心オブスキュレーション２０％を達成しながら、３６倍の倍率を有するように構成された例示的な光学装置に関する図 本発明の実施形態による、許容できるＮＡ０．７、作動距離２５ｍｍ、直径２．７ｍｍの物体視野、および中心オブスキュレーション２０％を達成しながら、３６倍の倍率を有するように構成された例示的な光学装置に関する図 本発明の実施形態による、許容できるＮＡ０．７、作動距離２５ｍｍ、直径２．７ｍｍの物体視野、および中心オブスキュレーション２０％を達成しながら、３６倍の倍率を有するように構成された例示的な光学装置に関する図 本発明の実施形態による、許容できるＮＡ０．７、作動距離２５ｍｍ、直径２．７ｍｍの物体視野、および中心オブスキュレーション２０％を達成しながら、３６倍の倍率を有するように構成された例示的な光学装置に関する図 本発明の実施形態による、許容できるＮＡ０．６、作動距離２５ｍｍ、直径２．７ｍｍの物体視野、および中心オブスキュレーション２０％を達成しながら、２０倍の倍率を有するように構成された別の例示的な光学装置に関する図 本発明の実施形態による、許容できるＮＡ０．６、作動距離２５ｍｍ、直径２．７ｍｍの物体視野、および中心オブスキュレーション２０％を達成しながら、２０倍の倍率を有するように構成された別の例示的な光学装置に関する図 本発明の実施形態による、図２に示した光学装置を組み込みかつ試料を結像するように構成された結像系の図 本発明の別の実施形態に従って構成された別の光学装置のブロック図 本発明の別の実施形態による、図６に示した光学装置を組み込みかつ試料を結像するように構成された結像系の図 本発明の実施形態による、図２および６に示した光学装置を使用して試料を結像する方法のステップを示したフローチャート

図２を参照すると、本発明の実施形態に従って構成された光学装置２００のブロック図が示されている。光学装置２００は、第１の対物レンズ２０２と第２の対物レンズ２０４とを含む。第１の対物レンズ２０２は、中心にアパーチャ２０８が設けられている第１の一次凹面ミラー２０６と、第１の二次凸面ミラー２１０とを有する。第２の対物レンズ２０４は、中心にアパーチャ２１４が設けられている第２の一次凹面ミラー２１２と、第２の二次凸面ミラー２１６とを有する。図示のように第１の対物レンズ２０２および第２の対物レンズ２０４は、第１の対物レンズ２０２が比較的長い共役２２０を有しかつ第２の対物レンズ２０４が比較的短い共役２２２を有するようなやり方で、軸２１８上に互いに連続して配置される。特に、第１の対物レンズ２０２は有限−有限共役型で使用され、かつ第２の対物レンズ２０４は有限−有限共役型で使用され、これらは顕微鏡セットアップに関連する（図６と比較）。この顕微鏡セットアップにおいて、第１の対物レンズ２０２は比較的小さい開口数２２６を有し、また第２の対物レンズ２０４は比較的大きい開口数２２８を有する（注：ＮＡ２２６および２２８は、対応する対物レンズ２０２および２０４が光２３６を受け入れるまたは出射することができる角度の範囲を特徴付ける無次元数、ＮＡ＝ｎｓｉｎθであり、ここでｎは対応する対物レンズ２０２および２０４が作動する周囲の媒体の屈折率であり、θは、像点Ｐに対して対応する対物レンズ２０２および２０４に入るまたはこれから出ることが可能な光２３６の最大円錐の半角である）。特に光学装置２００は、試料２３０（例えば、サンプル２３０、ウエハ２３０など）に対して大きいＮＡ２２８を有すると同時に小さい中心オブスキュレーション２３４を有するように構成された、反射要素２０６、２１０、２１２、および２１６を含む。結像される試料２３０は、短共役の焦点面２３２に配置される。以下、試料２３０からの光２３６がどのようにして光学装置２００で集められ、その後光学装置２００から出射されるかについて詳細に論じる。

光学装置２００は、第２の対物レンズ２０４から既定距離２３１（例えば、作動距離２３１）に位置付けられた試料２３０からの光２３６を、第２の一次凹面ミラー２１２が受けるように構成される。第２の一次凹面ミラー２１２は、第２の二次凸面ミラー２１６に向かって光２３６を収束させる。第２の二次凸面ミラー２１６は光２３６を反射して、光２３６が第２の一次凹面ミラー２１２に設けられているアパーチャ２１４を通過することができるように、第２の一次凹面ミラー２１２のアパーチャ２１４より手前で中間像２３８を生成する。次いで第１の一次凹面ミラー２０６が、第２の一次凹面ミラー２１２のアパーチャ２１４を通過した光２３６を集め、この光２３６を第１の二次凸面ミラー２１０に向かって収束させる。第１の二次凸面ミラー２１０は、光２３６を長共役平面２４０で収束させるよう、光２３６を反射して第１の一次凹面ミラー２０６のアパーチャ２０８に通す。

図示のように、第２の対物レンズ２０４からの光２３６は、試料２３０からの光２３６を集めた第２の対物レンズ２０４のＮＡ２２８よりも小さいＮＡ２２６を有する、第１の対物レンズ２０２に入る。この光学装置２００の特定のセットアップは、中心オブスキュレーション２３４を効果的に最小にする。一例において、光学装置２００は約１０倍から２０倍の範囲の倍率を有するように構成することができ、同時に第１の対物レンズ２０２は約０．２の範囲内の比較的小さい開口数２２６を有し、また第２の対物レンズ２０４は約０．６〜０．７の範囲の比較的大きい開口数２２８を有し、さらに中心オブスキュレーション２３４は３５％未満である。例示的な光学装置２００の、第２の対物レンズ２０４から試料２３０までの距離である作動距離２３１は、約２０ｍｍである。さらに、この光学装置２００の特定のセットアップによれば、第１の対物レンズ２０２および第２の対物レンズ２０４における収差を異なる位置で補正することができる。より具体的には、光学系２００は第１の対物レンズ２０２および第２の対物レンズ２０４において全反射表面を利用しているため、対物レンズ２０２および２０４の収差の補正および波面性能の向上のために、これらに所望のように球面や非球面の両方を使用することができる。再び１０倍から２０倍の倍率を有する例示的な光学装置２００を参照すると、第１の一次凹面ミラー２０６および第２の一次凹面ミラー２１２は非球面を有し得、一方第１の二次凸面ミラー２１０および第２の二次凸面ミラー２１６は球面を有することが決定された。実際にこの例示的な光学系２００は、表１〜３に示すような寸法の第１の対物レンズ２０２および第２の対物レンズ２０４を含み得る。

＊第１の一次凹面ミラー２０６および第２の一次凹面ミラー２１２は、表２および３に示すように偶数次の非球面でもよい。

偶数次非球面式を以下に示す。

ここで、ｃは曲率（１／半径）、ｚは表面のサグ、ｒは半径方向高さ、ｋはコーニック定数、そしてαは係数である。

図３Ａ〜３Ｄを参照すると、本発明の実施形態による、許容できるＮＡ０．７、作動距離２５ｍｍ、直径２．７ｍｍの物体視野、および中心オブスキュレーション２０％を達成しながら、３６倍の倍率を有するように構成された例示的な光学装置２００´が示されている。図３Ａに示されているように、例示的な光学装置２００´は第１の対物レンズ２０２と第２の対物レンズ２０４とを含む。第１の対物レンズ２０２は、中心に１０ｍｍのアパーチャ２０８が設けられているφ３４ｍｍの第１の一次凹面ミラー２０６と、φ１４ｍｍの第１の二次凸面ミラー２１０とを有する。第２の対物レンズ２０４は、中心に４ｍｍのアパーチャ２１４が設けられているφ６１ｍｍの第２の一次凹面ミラー２１２と、φ１２ｍｍの第２の二次凸面ミラー２１６とを有する。図示のように第１の対物レンズ２０２および第２の対物レンズ２０４は、長共役平面２４０から第１の対物レンズ２０２までが１５６ｍｍであり、また長共役平面２４０から短共役焦点面２３２までが２５６ｍｍになるようなやり方で、軸２１８上に互いに連続して配置される。この例において、第１の対物レンズ２０２は有限−有限共役型を有し、かつ第２の対物レンズ２０４は有限−有限共役型を有し、これらは顕微鏡セットアップに関連する。加えて、第１の一次凹面ミラー２０６および第２の一次凹面ミラー２１２の両方は非球面である。図３Ｂには、第１の一次凹面ミラー２０６および第２の一次凹面ミラー２１２の非球面プロファイル３０４および３０６を夫々示すグラフ３０２が示されている。グラフ３０２において、ｘ軸は半径方向高さ（ｍｍ）を表し、またｙ軸は最もフィットする球面（ＢＦＳ）からのずれ（ｍｍ）を表す。

例示的な光学装置２００´の画質は、図３Ｃおよび３Ｄのグラフによって分かる。図３Ｃに示されているのは、例示的な光学装置２００´の設計に基づいて瞳３１０に亘る光路差を３つのフィールドポイント３１２ａ、３１２ｂ、および３１２ｃに対して示した、３つのグラフ３０８ａ、３０８ｂ、および３０８ｃである（瞳３１０および３つのフィールドポイント３１２ａ、３１２ｂ、および３１２ｃについては図３Ａ参照）。３つのグラフ３０８ａ、３０８ｂ、および３０８ｃの軸からの対象高さは夫々、０ｍｍ、０．９４５ｍｍ、および１．３５ｍｍである。加えて、３つのグラフ３０８ａ、３０８ｂ、および３０８ｃの最大メモリは波数±０．１２５であり、０．１９０、０．６３３、および０．８３０ｎｍが夫々「１」、「２」、および「３」としてプロットに示されている。グラフ３０８ａ、３０８ｂ、および３０８ｃにおいて、ｘ軸は瞳の小部分（ＰｙまたはＰｘ）によって表され、またｙ軸はＷ（波数）によって表される。図３Ｄに示されているのは、例示的な光学装置２００´の視野に亘る３つの異なる波長３１４ａ（多色）、３１４ｂ（０．１９０ｎｍ）、３１４ｃ（０．６３３ｎｍ）、および３１４ｄ（０．８３０ｎｍ）での二乗平均平方根（ＲＭＳ）波面誤差を表示したグラフ３１２である。グラフ３１２において、ｘ軸は視野（ｍｍ）を表し、ｙ軸はＲＭＳ波面誤差（波数）を表す。

図４Ａ〜４Ｂを参照すると、本発明の実施形態による、許容できるＮＡ０．６、作動距離２５ｍｍ、直径２．７ｍｍの物体視野、および中心オブスキュレーション２０％を達成しながら、１５倍の倍率を有するように構成された別の例示的な光学装置２００”が示されている。図４Ａに示されているように、例示的な光学装置２００”は第１の対物レンズ２０２と第２の対物レンズ２０４とを含む。第１の対物レンズ２０２は、中心に１０ｍｍのアパーチャ２０８が設けられているφ６０．６ｍｍの第１の一次凹面ミラー２０６と、φ１３ｍｍの第１の二次凸面ミラー２１０とを有する。第２の対物レンズ２０４は、中心に４ｍｍのアパーチャ２１４が設けられているφ６４ｍｍの第２の一次凹面ミラー２１２と、φ１１ｍｍの第２の二次凸面ミラー２１６とを有する。図示のように第１の対物レンズ２０２および第２の対物レンズ２０４は、長共役平面２４０から第１の対物レンズ２０２までが１７８ｍｍであり、また長共役平面２４０から短共役焦点面２３２までが３３６．７ｍｍになるようなやり方で、軸２１８上に互いに連続して配置される。この例では、第１の対物レンズ２０２は有限−有限共役型を有し、第２の対物レンズ２０４は有限−有限共役型を有し、これらは顕微鏡のセットアップに関連する。加えて、第１の一次凹面ミラー２０６および第２の一次凹面ミラー２１２の両方は非球面である。例示的な光学装置２００”の画質は、図４Ｂのグラフによって分かる。図４Ｂに示されているのは、例示的な光学装置２００”の設計に基づいて瞳４０４に亘る光路差を３つのフィールドポイント４０６ａ、４０６ｂ、および４０６ｃに対して示した、３つのグラフ４０２ａ、４０２ｂ、および４０２ｃである（瞳４０４および３つのフィールドポイント４０６ａ、４０６ｂ、および４０６ｃについては図４Ａ参照）。３つのグラフ４０２ａ、４０２ｂ、および４０２ｃの軸からの対象高さは夫々、０ｍｍ、０．９４５ｍｍ、および１．３５ｍｍである。加えて、３つのグラフ４０２ａ、４０２ｂ、および４０２ｃの最大メモリは波数±０．１２５であり、０．１９０、０．６３３、および０．８３０ｎｍが夫々「１」、「２」、および「３」としてプロットに示されている。グラフ４０２ａ、４０２ｂ、および４０２ｃにおいて、ｘ軸はＰｙまたはＰｘ（ＸまたはＹでの瞳の小部分）によって表され、またｙ軸はＷ（波数）によって表される。

図５を参照すると、本発明の実施形態による、前述の光学装置２００を組み込みかつ試料２３０を結像するように構成された結像系５００の図が示されている。結像系５００は、観察検出系５０２（カメラ５０２など）と、随意的な光源５０４と、随意的なビームスプリッタ５０６と、光学装置２００とを含み、これらを集合的に使用して試料２３０を結像する。この例において、観察検出系５０２は光学装置２００の長共役焦点面２４０に位置付けられ、また試料２３０は光学装置２００の短共役焦点面２３２に位置付けられる。光源５０４が光２３６をビームスプリッタ５０６に向けるとビームスプリッタ５０６が光２３６を光学装置２００へと逸らし、光学装置２００は光２３６を試料２３０に向け、次いで試料２３０から出射された光２３６は光学装置２００によって集められた後に、ビームスプリッタ５０６を通して観察検出系５０２へと向けられる。あるいは、光源５０４およびビームスプリッタ５０６を用いるのではなく、（例えば）バックライト、暗視野照明、自己照明などの別のやり方で試料２３０を照らしてもよい。

この例において結像系５００は、光源５０４が光２３６をビームスプリッタ５０６へと出射し、ビームスプリッタ５０６が光２３６を第１の一次凹面ミラー２０６のアパーチャ２０８に通して第１の二次凸面ミラー２１０へと方向変換するように構成される。第１の二次凸面ミラー２１０は、光２３６を第１の一次凹面ミラー２０６に向かって反射する。第１の一次凹面ミラー２０６は、光２３６を第２の一次凹面ミラー２１２のアパーチャ２１４に通して第２の二次凸面ミラー２１６へと反射する。第２の二次凸面ミラー２１６は、光２３６を第２の一次凹面ミラー２１２に向かって反射する。第２の一次凹面ミラー２１２は光２３６を反射して、第２の対物レンズ２０４から既定距離２３１（例えば、作動距離２３１）に設置された試料２３０を照らす。その後、第２の一次凹面ミラー２１２が光２３６を試料２３０から受けて、光２３６を第２の二次凸面ミラー２１６に向かって収束させる。第２の二次凸面ミラー２１６は光２３６を反射して、光２３６が第２の一次凹面ミラー２１２に設けられているアパーチャ２１４を通過することができるように、第２の一次凹面ミラー２１２のアパーチャ２１４より手前で中間像２３８を生成する。次いで第１の一次凹面ミラー２０６が、第２の一次凹面ミラー２１２のアパーチャ２１４を通過した光２３６を集め、この光２３６を第１の二次凸面ミラー２１０に向かって収束させる。第１の二次凸面ミラー２１０は光２３６を反射して第１の一次凹面ミラー２０６のアパーチャ２０８に通し、この光２３６がビームスプリッタ５０６を通過して長共役平面２４０上で収束され、この光２３６を観察検出系５０２が受ける。

図から分かるように結像系５００は、短共役焦点面２３２に対してかなり大きなＮＡ２２８を可能にしながら中心オブスキュレーション２３４を最小にするやり方で互いに連続して配置された、２つのシュワルツシルト型対物レンズ２０２および２０４を有する光学装置２００を組み込む。第２の対物レンズ２０４からの作動距離２３１が長いと、試料２３０を観察しながら対物レンズ２０２および２０４の下で他の機構を使用することができる。試料２３０（例えば、サンプル、ウエハなど）は典型的には、短共役焦点面２３２に設置される。観察検出系５０２は典型的には、長共役焦点面２４０に設置される。対物レンズ２０２および２０４夫々は、有限−有限共役型で使用される。試料２３０からの光２３６は第２の対物レンズ２０４の一次凹面ミラー２１２によって集められる。一次凹面ミラー２１２は次いで、光２３６を第２の対物レンズ２０４の二次凸面ミラー２１６に向かって戻し収束させる。二次凸面ミラー２１６はその後、一次凹面ミラー２１２の近くで試料２３０の中間像２３８を生成する。このため、凹面ミラー２１２のアパーチャ２１４を小さくすることができる。光２３６は第２の対物レンズ２０４の一次凹面ミラー２１２のアパーチャ２１４を通って、第１の対物レンズ２０２の一次凹面ミラー２０６へと進む。第１の対物レンズ２０２の一次凹面ミラー２０６はその後、光２３６を第１の対物レンズ２０２の二次凸面ミラー２１０に向かって収束させる。次いで二次凸面ミラー２１０は光２３６を反射して、観察検出系５０２の検出面で収束させる。この全反射型の光学装置２００独特の構成により、第２の対物レンズ２０４からの光２３６は、中心オブスキュレーション２３４を最小にしながら、試料２３０から集められた光２３６のＮＡ２２８よりも小さいＮＡ２２６で第１の対物レンズ２０２に入ることができる。さらに、この全反射型の光学装置２００独特の構成によって、収差を、ミラー２０６、２１０、２１２、および２１６の異なる位置で補正することができる。特に、ミラー２０６、２１０、２１２、および２１６の反射表面は、収差を補正するために、また波面性能を向上させるために、球面、非球面、またはこれら両方を組み合わせたものとすることができる。

図６を参照すると、本発明の別の実施形態に従って構成された光学装置６００のブロック図が示されている。光学装置６００は、第１の対物レンズ６０２と第２の対物レンズ６０４とを含む。第１の対物レンズ６０２は、中心にアパーチャ６０８が設けられている第１の一次凹面ミラー６０６と、第１の二次凸面ミラー６１０とを有する。第２の対物レンズ６０４は、中心にアパーチャ６１４が設けられている第２の一次凹面ミラー６１２と、第２の二次凸面ミラー６１６とを有する。図示のように第１の対物レンズ６０２および第２の対物レンズ６０４は、第１の対物レンズ６０２が無限共役６２０を有しかつ第２の対物レンズ６０４が比較的短い共役６２２を有するようなやり方で、軸６１８上に互いに連続して配置される。特に、第１の対物レンズ６０２は無限−有限共役型で使用され、かつ第２の対物レンズ６０４は有限−有限共役型で使用され、これらは顕微鏡セットアップに関連する（図２と比較）。この顕微鏡セットアップにおいて、第１の対物レンズ６０２は比較的小さい開口数６２６を有し、また第２の対物レンズ６０４は比較的大きい開口数６２８を有する（注：ＮＡ６２６および６２８は、対応する対物レンズ６０２および６０４が光６３６を受け入れるまたは出射することができる角度の範囲を特徴付ける無次元数、ＮＡ＝ｎｓｉｎθであり、ここでｎは対応する対物レンズ６０２および６０４が作動する周囲の媒体の屈折率であり、θは、像点Ｐに対して対応する対物レンズ６０２および６０４に入るまたはこれから出ることが可能な光６３６の最大円錐の半角である）。特に光学装置６００は、試料６３０（例えば、サンプル６３０、ウエハ６３０など）に対して大きいＮＡ６２８を有すると同時に小さい中心オブスキュレーション６３４を有するように構成された、反射要素６０６、６１０、６１２、および６１６を含む。結像される試料６３０は、短共役の焦点面６３２に配置される。以下、試料６３０からの光６３６がどのようにして光学装置６００で集められ、その後光学装置６００から出射されるかについて詳細に論じる。

光学装置６００は、第２の対物レンズ６０４から既定距離６３１（例えば、作動距離６３１）に位置付けられた試料６３０からの光６３６を、第２の一次凹面ミラー６１２が受けるように構成される。第２の一次凹面ミラー６１２は、第２の二次凸面ミラー６１６に向かって光６３６を収束させる。第２の二次凸面ミラー６１６は光６３６を反射して、光６３６が第２の一次凹面ミラー６１２に設けられているアパーチャ６１４を通過することができるように、第２の一次凹面ミラー６１２のアパーチャ６１４より手前で中間像６３８を生成する。次いで第１の一次凹面ミラー６０６が、第２の一次凹面ミラー６１２のアパーチャ６１４を通過した光６３６を集め、この光６３６を第１の二次凸面ミラー６１０に向かって収束させる。第１の二次凸面ミラー６１０は、光６３６を長共役平面６４０に向ける（収束させない）よう、光６３６を反射して第１の一次凹面ミラー６０６のアパーチャ６０８に通す。図示のように、第２の対物レンズ６０４からの光６３６は、試料６３０からの光６３６を集める第２の対物レンズ６０４のＮＡ６２８よりも小さいＮＡ６２６を有する、第１の対物レンズ６０２に入る。その結果、この光学装置６００の特定のセットアップは、中心オブスキュレーション６３４を効果的に最小にする。さらに、この光学装置６００の特定のセットアップによれば、第１の対物レンズ６０２および第２の対物レンズ６０４における収差を異なる位置で補正することができる。より具体的には、光学系６００は第１の対物レンズ６０２および第２の対物レンズ６０４において全反射表面を利用しているため、対物レンズ６０２および６０４の収差の補正および波面性能の向上のために、これらに所望のように球面や非球面の両方を使用することができる。

図７を参照すると、本発明の実施形態による、前述の光学装置６００を組み込みかつ試料６３０を結像するように構成された結像系７００の図が示されている。結像系７００は、観察検出系７０２（カメラ７０２など）と、随意的な光源７０４と、随意的なビームスプリッタ７０６と、チューブレンズ７０８（またはレンズ７０８のセット）と、光学装置６００とを含み、これらを集合的に使用して試料６３０を結像する。この例において、観察検出系７０２はチューブレンズ７０８の焦点面７１０に位置付けられ、また試料６３０は光学装置６００の短共役焦点面６３２に位置付けられる。光源７０４が光６３６をビームスプリッタ７０６に向けるとビームスプリッタ７０６が光６３６を光学装置６００へと逸らし、光学装置６００は光６３６を試料６３０に向け、次いで試料６３０から出射された光６３６は光学装置６００によって集められた後に、ビームスプリッタ７０６を通して観察検出系７０２へと向けられる。あるいは、光源７０４およびビームスプリッタ７０６を用いるのではなく、（例えば）バックライト、暗視野照明、自己照明などの別のやり方で試料６３０を照らしてもよい。

この例において結像系７００は、光源７０４が光６３６をビームスプリッタ７０６へと出射し、ビームスプリッタ７０６が光６３６を第１の一次凹面ミラー６０６のアパーチャ６０８に通して第１の二次凸面ミラー６１０へと方向変換するように構成される。第１の二次凸面ミラー６１０は、光６３６を第１の一次凹面ミラー６０６に向かって反射する。第１の一次凹面ミラー６０６は、光６３６を第２の一次凹面ミラー６１２のアパーチャ６１４に通して第２の二次凸面ミラー６１６へと反射する。第２の二次凸面ミラー６１６は、光６３６を第２の一次凹面ミラー６１２に向かって反射する。第２の一次凹面ミラー６１２は光６３６を反射して、第２の対物レンズ６０４から既定距離６３１（例えば、作動距離６３１）に設置された試料６３０を照らす。その後、第２の一次凹面ミラー６１２が光６３６を試料６３０から受けて、光６３６を第２の二次凸面ミラー６１６に向かって収束させる。第２の二次凸面ミラー６１６は光６３６を反射して、光６３６が第２の一次凹面ミラー６１２に設けられているアパーチャ６１４を通過することができるように、第２の一次凹面ミラー６１２のアパーチャ６１４より手前で中間像６３８を生成する。次いで第１の一次凹面ミラー６０６が、第２の一次凹面ミラー６１２のアパーチャ６１４を通過した光６３６を集め、この光６３６を第１の二次凸面ミラー６１０に向かって収束させる。第１の二次凸面ミラー６１０は光６３６を反射して第１の一次凹面ミラー６０６のアパーチャ６０８に通し、この光６３６がチューブレンズ７０８およびビームスプリッタ７０６を通過してチューブレンズの焦点面７１０で収束され、この光６３６を観察検出系７０２が受ける。

図から分かるように結像系７００は、短共役焦点面６３２に対してかなり大きなＮＡ６２８を可能にしながら中心オブスキュレーション６３４を最小にするやり方で互いに連続して配置された、２つのシュワルツシルト型対物レンズ６０２および６０４を有する光学装置６００を組み込む。第２の対物レンズ６０４からの作動距離６３１が長いと、試料６３０を観察しながら対物レンズ６０２および６０４の下で他の機構を使用することができる。試料６３０（例えば、サンプル、ウエハなど）は典型的には、短共役焦点面６３２に設置される。観察検出系７０２は典型的には、チューブレンズの焦点面７１０に設置される。第１の対物レンズ６０２は無限−有限共役型を有し、また第２の対物レンズ６０４は有限−有限共役型を有する。試料６３０からの光６３６は第２の対物レンズ６０４の一次凹面ミラー６１２によって集められる。一次凹面ミラー６１２は次いで、光６３６を第２の対物レンズ６０４の二次凸面ミラー６１６に向かって戻し収束させる。二次凸面ミラー６１６はその後、一次凹面ミラー６１２の近くで試料６３０の中間像６３８を生成する。このため、一次凹面ミラー６１２のアパーチャ６１４を小さくすることができる。光６３６は第２の対物レンズ６０４の一次凹面ミラー６１２のアパーチャ６１４を通って、第１の対物レンズ６０２の一次凹面ミラー６０６へと進む。第１の対物レンズ６０２の一次凹面ミラー６０６はその後、光６３６を第１の対物レンズ６０２の二次凸面ミラー６１０に向かって収束させる。次いで二次凸面ミラー６１０は、観察検出系７０２の検出面で光６３６を収束させるチューブレンズ７０８へと光６３６を反射する。この全反射型の光学装置６００独特の構成により、第２の対物レンズ６０４からの光６３６は、中心オブスキュレーション６３４を最小にしながら、試料６３０から集められた光６３６のＮＡ６２８よりも小さいＮＡ６２６で第１の対物レンズ６０２に入ることができる。さらに、この全反射型の光学装置６００独特の構成によって、収差を、ミラー６０６、６１０、６１２、および６１６の異なる位置で補正することができる。特に、ミラー６０６、６１０、６１２、および６１６の反射表面は、収差を補正するために、また波面性能を向上させるために、球面、非球面、またはこれら両方を組み合わせたものとすることができる。

図８を参照すると、本発明の実施形態による試料２３０および６３０を結像する方法８００のステップを示したフローチャートが示されている。方法８００は、（ａ）観察検出系５０２および７０２を提供するステップ（ステップ８０２）、（ｂ）中心にアパーチャ２０８および６０８が設けられている第１の一次凹面ミラー２０６および６０６と、第１の二次凸面ミラー２１０および６１０とを有する第１の対物レンズ２０２および６０２、および、中心にアパーチャ２１４および６１４が設けられている第２の一次凹面ミラー２１２および６１２と、第２の二次凸面ミラー２１６および６１６とを有する第２の対物レンズ２０４および６０４、を含む光学装置２００および６００であって、第１の対物レンズ２０２および６０２と第２の対物レンズ２０４および６０４とが互いに連続して配置されている光学装置２００および６００を提供するステップ（ステップ８０４）、（ｃ）観察検出系５０２および７０２を、第１の対物レンズ２０２および６０２から既定距離の位置（例えば、光学装置２００の長共役焦点面２４０、チューブレンズ７０８の焦点面７１０）に位置付けるステップ（ステップ８０６）、（ｄ）試料２３０および６３０を、第２の対物レンズ２０４および６０４から既定距離の位置（例えば、短共役焦点面２３２および６３２）に位置付けるステップ（ステップ８０８）、および（ｅ）最初に比較的大きい開口数２２８および６２８を有する第２の対物レンズ２０４および６０４を通過し次いで比較的小さい開口数２２６および６２６を有する第１の対物レンズ２０２および６０２を通過した、試料２３０および６３０からの光２３６および６３６を、観察検出系５０２および７０２で受けるステップ（ステップ８１０）を含む。

本発明の多数の実施形態を、添付の図面に示し、かつ前述の詳細な説明の中で説明したが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、以下の請求項によって明記および画成されるような本発明から逸脱することなく、多くの再構成、改変および置換えが可能であることを理解されたい。本書において「本発明」または「発明」と言及した場合は、例示的な実施形態に関するものであり、必ずしも添付の請求項に包含されるあらゆる実施形態に関するものではないことも留意されたい。

２００、６００ 光学装置
２０２、６０２ 第１の対物レンズ
２０４、６０４ 第２の対物レンズ
２０６、６０６ 第１の一次凹面ミラー
２０８、２１４、６０８、６１４ アパーチャ
２１０、６１０ 第１の二次凸面ミラー
２１２、６１２ 第２の一次凹面ミラー
２１６、６１６ 第２の二次凸面ミラー
２２６、２２８、６２６、６２８ 開口数
２３０、６３０ 試料
２３１、６３１ 作動距離
２３４、６３４ 中心オブスキュレーション
２３６、６３６ 光
２３８、６３８ 中間像
５００、７００ 結像系
５０２、７０２ 観察検出系

Claims (10)

1. 光学装置（２００、６００）において、
   第１の対物レンズ（２０２、６０２）であって、
   中心にアパーチャ（２０８、６０８）が設けられている第１の一次凹面ミラー（２０６、６０６）と、
   第１の二次凸面ミラー（２１０、６１０）と、
   を有する、第１の対物レンズ（２０２、６０２）、および、
   第２の対物レンズ（２０４、６０４）であって、
   中心にアパーチャ（２１４、６１４）が設けられている第２の一次凹面ミラー（２１２、６１２）と、
   第２の二次凸面ミラー（２１６、６１６）と、
   を有する、第２の対物レンズ（２０４、６０４）、
   を備え、前記第１の対物レンズおよび前記第２の対物レンズが互いに連続して配置されており、前記第２の対物レンズが比較的大きい開口数（２２８、６２８）を有し、かつ前記第１の対物レンズが比較的小さい開口数（２２６、６２６）を有することを特徴とする光学装置。
2. 前記第２の一次凹面ミラーが光（２３６、６３６）を受けかつ該光を前記第２の二次凸面ミラーに向かって収束させ、前記第２の二次凸面ミラーが、該光を反射して、該光が前記第２の一次凹面ミラーに設けられている前記アパーチャを通過するよう、前記第２の一次凹面ミラーの前記アパーチャより手前で中間像（２３８、６３８）を生成し、前記第１の一次凹面ミラーが、前記第２の一次凹面ミラーの前記アパーチャを通過した前記光を集めかつ該光を前記第１の二次凸面ミラーに向かって収束させ、さらに前記第１の二次凸面ミラーが前記光を反射して前記第１の一次凹面ミラーの前記アパーチャに通すように、前記第１の対物レンズおよび前記第２の対物レンズが互いに位置付けられていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
3. 前記第１の対物レンズ（２０２）が有限−有限共役型で使用され、かつ前記第２の対物レンズ（２０４）が有限−有限共役型で使用されることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
4. 前記第１の対物レンズ（６０２）が無限−有限共役型で使用され、かつ前記第２の対物レンズ（６０４）が有限−有限共役型で使用されることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
5. 前記光学装置が、１０倍〜２０倍の範囲内の倍率、約２０ｍｍの範囲内の作動距離（２３１、６３１）、３５％未満の範囲の中心オブスキュレーション（２３４、６３４）、を有し、前記第１の対物レンズが約０．２の範囲内の比較的小さい開口数を有し、かつ前記第２の対物レンズが約０．６〜０．７の範囲の比較的大きい開口数を有することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
6. 試料（２３０、６３０）を結像するための結像系（５００、７００）において、該結像系が、
   観察検出系（５０２、７０２）と、
   光学装置（２００、６００）と、
   を備え、該光学装置が、
   第１の対物レンズ（２０２、６０２）であって、
   中心にアパーチャ（２０８、６０８）が設けられている第１の一次凹面ミラー（２０６、６０６）と、
   第１の二次凸面ミラー（２１０、６１０）と、
   を有する、第１の対物レンズ（２０２、６０２）、および、
   第２の対物レンズ（２０４、６０４）であって、
   中心にアパーチャ（２１４、６１４）が設けられている第２の一次凹面ミラー（２１２、６１２）と、
   第２の二次凸面ミラー（２１６、６１６）と、
   を有する、第２の対物レンズ（２０４、６０４）、
   を含み、前記第１の対物レンズおよび前記第２の対物レンズが互いに連続して配置されており、
   前記観察検出系が前記第１の対物レンズから既定距離に配置され、かつ前記試料が前記第２の対物レンズから既定距離に配置され、さらに前記試料からの光（２３６、６３６）が、前記観察検出系で受けられる前に、比較的大きい開口数（２２８、６２８）を有する前記第２の対物レンズを通過し、次いで比較的小さい開口数（２２６、６２６）を有する前記第１の対物レンズを通過することを特徴とする結像系。
7. 前記第２の一次凹面ミラーが前記試料から前記光を受けかつ該光を前記第２の二次凸面ミラーに向かって収束させ、前記第２の二次凸面ミラーが、該光を反射して、該光が前記第２の一次凹面ミラーに設けられている前記アパーチャを通過するよう、前記第２の一次凹面ミラーの前記アパーチャより手前で前記試料の中間像を生成し、前記第１の一次凹面ミラーが、前記第２の一次凹面ミラーの前記アパーチャを通過した前記光を集めかつ該光を前記第１の二次凸面ミラーに向かって収束させ、さらに前記第１の二次凸面ミラーが前記光を反射して前記観察検出系へと前記第１の一次凹面ミラーの前記アパーチャに通すよう、前記光学装置が構成されていることを特徴とする請求項６記載の結像系。
8. 前記第１の対物レンズ（２０２）が有限−有限共役型で使用され、かつ前記第２の対物レンズ（２０４）が有限−有限共役型で使用されることを特徴とする請求項６記載の結像系。
9. 前記第１の対物レンズ（６０２）が無限−有限共役型で使用され、かつ前記第２の対物レンズ（６０４）が有限−有限共役型で使用され、さらに１以上のレンズ（７０８）が前記第１の対物レンズと前記観察検出系との間に設けられることを特徴とする請求項６記載の結像系。
10. 試料（２３０、６３０）を結像する方法（８００）において、
    観察検出系（５０２、７０２）を提供するステップ（８０２）、
    中心にアパーチャ（２０８、６０８）が設けられている第１の一次凹面ミラー（２０６、６０６）と、
    第１の二次凸面ミラー（２１０、６１０）と、
    を有する、第１の対物レンズ（２０２、６０２）、および、
    中心にアパーチャ（２１４、６１４）が設けられている第２の一次凹面ミラー（２１２、６１２）と、
    第２の二次凸面ミラー（２１６、６１６）と、
    を有する、第２の対物レンズ（２０４、６０４）、
    を含む光学装置（２００、６００）であって、前記第１の対物レンズおよび前記第２の対物レンズが互いに連続して配置されている前記光学装置を提供するステップ（８０４）、
    前記観察検出系を、前記第１の対物レンズから既定距離に位置付けるステップ（８０６）、
    前記試料を、前記第２の対物レンズから既定距離に位置付けるステップ（８０８）、および、
    最初に比較的大きい開口数を有する前記第２の対物レンズを通過し、次いで比較的小さい開口数を有する前記第１の対物レンズを通過した、前記試料からの光を、前記観察検出系で受けるステップ（８１０）、
    を含むことを特徴とする方法。