JP4791690B2 - 対物レンズ - Google Patents

Description

本発明は、落射照明による測定検査や標本観察のための対物レンズに関する。

周知のように、落射照明によって物体の測定検査や観察を行う装置では、クロスニコル状態の偏光素子と１/４波長板とを用いて、結像系のレンズ面などでの反射光に起因するフレアー量を低減し、Ｓ/Ｎ比を向上させている。１/４波長板の配置は、図４に符号５０で示す通り、対物レンズ５１の先端と物体面５２との間である（例えば特許文献１を参照）。
特開平１１−２７１６２２号公報

しかしながら、上記の構成では、対物レンズ５１の先端と物体面５２との間に１/４波長板５０を配置するため、１/４波長板５０の配置スペースの分だけ（例えば５ｍｍ程度）、有効な作動距離が減っていた。有効な作業距離を大きくするために、１/４波長板５０の配置スペースを考慮して対物レンズ５１を設計し直すことも考えられるが、コスト高になってしまい、好ましくない。

本発明の目的は、１/４波長板と同等の機能を有すると共に、有効な作動距離を大きく確保できる安価な対物レンズを提供することにある。

本発明の対物レンズは、所定の偏光光の照明光を対物レンズを経て被検面に入射し、被検面からの反射光を、対物レンズ、及び所定の偏光光とその偏光方向が９０°異なる偏光光を透過するように配置された偏光板を経て結像させる光学装置に用いられる、開口数０．５以上の対物レンズであって、所定の屈折力を有する複数のレンズを含み、２つの平行平板の間に１／４波長膜を挟んで貼り合わせた１／４波長板が複数のレンズ間に配置され、光学装置の光軸に対して斜めに進行する偏光光は、１／４波長板に向けて、光軸に対して±２０°以内で入射するものである。

本発明の対物レンズによれば、１/４波長板と同等の機能を有すると共に、有効な作動距離を大きく確保でき、かつ、安価に構成することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の対物レンズ１０は、図１に示す通り、物体側（図の右方）から順に貼り合わせレンズ１１〜１３と単レンズ１４と貼り合わせレンズ１５,１６とが配置され、測定検査装置や顕微鏡の第１対物レンズとして機能するものである。対物レンズ１０の開口数は例えば０.５５である。なお、測定検査装置や顕微鏡は、可視光の落射照明によって半導体素子などの物体の測定検査や観察を行う装置であり、第１実施形態の対物レンズ１０の他に、図示省略したが、対物レンズ１０からの平行光を集光して物体の像を形成する第２対物レンズ、対物レンズ１０を介して照明光を導く落射照明系、クロスニコル状態の偏光素子などを備えている。

また、第１実施形態の対物レンズ１０のうち、最も物体側の貼り合わせレンズ１１は、平凹レンズ２１と平凸レンズ２２とを平面どうし貼り合わせたものであり、所定の屈折力を持つ２つのレンズ面１１ａ,１１ｂからなる。そして、貼り合わせレンズ１１の平凹レンズ２１と平凸レンズ２２との貼り合わせ面には、１/４波長膜１７が配置されている。
１/４波長膜１７は、その厚さが例えば３０μｍ程度の雲母からなり、例えばエポキシ系やシリコン系の樹脂からなる接着剤を用いて容易に貼り付けることができる。ちなみに、平凹レンズ２１と平凸レンズ２２とは、その屈折率が等しく、１/４波長膜１７および接着剤も、平凹レンズ２１および平凸レンズ２２と屈折率が略等しい。したがって、平凹レンズ２１と平凸レンズ２２の貼り合わせ面は、屈折力が０であり（つまり所定の屈折力を持たない）、本明細書の「レンズ面」の範疇外である。

なお、１/４波長膜１７の配置について別の表現を用いると、「平凹レンズ２１と平凸レンズ２２との間に挟まれた状態で、２つのレンズ面１１ａ,１１ｂの間に配置された」ことになる。
したがって、第１実施形態の対物レンズ１０は、１/４波長板と同等の機能を有し、その先端(つまりレンズ面１１ａ)と物体面１８との間に従来のような１/４波長板５０（図４）を配置する必要がないため、有効な作動距離を安価に大きく確保することができる。さらに、このような対物レンズ１０を第１対物レンズとして組み込んだ測定検査装置や顕微鏡では、１/４波長膜１７とクロスニコル状態の偏光素子により、フレアー量（ノイズ成分）を低減し、Ｓ/Ｎ比を向上させることができる。

また、第１実施形態の対物レンズ１０では、物体側から数えて１番目のレンズ面１１ａと２番目のレンズ面１１ｂとの間に１/４波長膜１７を配置したので、２番目のレンズ面１１ｂ、および、このレンズ面１１ｂから像側に位置する全ての光学素子(１２〜１６,…など)に起因するフレアー量を確実に低減し、Ｓ/Ｎ比を向上させることができる。
上記した第１実施形態では、１/４波長膜１７を雲母により構成したが、本発明はこれに限定されない。雲母を貼り付ける代わりに、プラスチックシート位相差膜を用いても良く、他の複屈折性材料（例えば水晶や方解石など）を薄く成形して貼り付けてもよい。また、複屈折性材料を蒸着または結晶成長させてもよい。
（第２実施形態）
第２実施形態の対物レンズ３０は、図２に示す通り、物体側（図の右方）から順に貼り合わせレンズ３１,３２と単レンズ３３と貼り合わせレンズ３４〜３６とが配置され、測定検査装置や顕微鏡の第１対物レンズとして機能するものである。対物レンズ３０の開口数は例えば０.５５である。この場合にも、測定検査装置や顕微鏡には、第２実施形態の対物レンズ３０の他に、対物レンズ３０からの平行光を集光して物体の像を形成する第２対物レンズ、対物レンズ３０を介して照明光を導く落射照明系、クロスニコル状態の偏光素子などが設けられる。

また、第２実施形態の対物レンズ３０のうち、最も物体側の貼り合わせレンズ３１は、２つのメニスカスレンズ２３,２４を貼り合わせたものであり、所定の屈折力を持つ３つのレンズ面３１ａ〜３１ｃからなる。中央のレンズ面３１ｂが２つのメニスカスレンズ２３,２４の貼り合わせ面である。貼り合わせ面（レンズ面３１ｂ）の形状は、貼り合わせ面に光が略垂直入射するような曲面（像側に向けて凸状）となっている。この曲面を球面で構成する場合、光が垂直入射するように曲率半径を設定すればよい。メニスカスレンズ２３,２４の光学材料は屈折率が同じものでも異なるものでもよい。

そして、貼り合わせレンズ３１の貼り合わせ面（レンズ面３１ｂ）には、１/４波長膜３７が配置される。第２実施形態の対物レンズ３０では、貼り合わせ面（レンズ面３１ｂ）が曲面であるため、複屈折性材料を蒸着または結晶成長させて１/４波長膜３７を構成したり、所定の曲率に加工したプラスチック位相差膜を用いることが好ましい。プラスチック位相差膜としては、例えばポリカーボネート,ポリビニルアルコール,ポリアリレート,ポリサルフォン,ポリオレフィンなどの位相差膜が用いられる。なお、１/４波長膜３７の配置について別の表現を用いると、「２つのメニスカスレンズ２３,２４の間に挟まれた状態で、２つのレンズ面３１ａ,３１ｃの間に配置された」ことになる。

したがって、第２実施形態の対物レンズ３０は、１/４波長板と同等の機能を有し、その先端(つまりレンズ面３１ａ)と物体面３８との間に従来のような１/４波長板５０（図４）を配置する必要がないため、有効な作動距離を安価に大きく確保することができる。さらに、このような対物レンズ３０を第１対物レンズとして組み込んだ測定検査装置や顕微鏡では、１/４波長膜３７とクロスニコル状態の偏光素子により、フレアー量（ノイズ成分）を低減し、Ｓ/Ｎ比を向上させることができる。

また、第２実施形態の対物レンズ３０では、物体側から数えて１番目のレンズ面３１ａと３番目のレンズ面３１ｃとの間（つまり２番目のレンズ面３１ｂ）に１/４波長膜３７を配置したので、２番目のレンズ面３１ｂ、および、このレンズ面３１ｂから像側に位置する全ての光学素子(３２〜３６,…など)に起因するフレアー量を確実に低減し、Ｓ/Ｎ比を向上させることができる。

さらに、第２実施形態の対物レンズ３０では、貼り合わせ面（レンズ面３１ｂ）の曲面形状が“貼り合わせ面に光が略垂直入射する”ように設定されるため、光軸に沿って進行する光だけでなく、光軸に対して斜めに進行する光も、１/４波長膜３７に垂直入射することになる。このため、光の進行方向に拘わらず、正しい位相差（リタデーション；retardation）、つまり、１/４波長に相当する位相差を与えることができる。したがって、リタデーションによる光量低下を確実に抑えることができ、Ｓ/Ｎ比をさらに向上させることができ、高精度な測定検査や良好な観察を行える。
（第３実施形態）
第３実施形態の対物レンズ４０は、図３に示す通り、物体側（図の右方）から順に単レンズ４１と１/４波長板４２と貼り合わせレンズ４３,４４と単レンズ４５と貼り合わせレンズ４６,４７とが配置され、測定検査装置や顕微鏡の第１対物レンズとして機能するものである。対物レンズ４０の開口数は例えば０.５５である。この場合にも、測定検査装置や顕微鏡には、第３実施形態の対物レンズ４０の他に、対物レンズ４０からの平行光を集光して物体の像を形成する第２対物レンズ、対物レンズ４０を介して照明光を導く落射照明系、クロスニコル状態の偏光素子などが設けられる。

また、第３実施形態の対物レンズ４０のうち、１/４波長板４２は、２つの平行平面板２５,２６の間に１/４波長膜２７を挟んで貼り合わせたものである。１/４波長膜２７としては、厚さ３０μｍ程度の雲母を貼り付けてもよいし、プラスチックシート位相差膜を用いたり、他の複屈折性材料（例えば水晶など）を薄く成形して貼り付けてもよい。また、複屈折性材料を蒸着または結晶成長させてもよい。１/４波長膜２７の面精度を高く保つため、１/４波長板４２の厚さは４ｍｍ程度となっている。なお、１/４波長板４２の表面４２ａ,４２ｂは平面であり、所定の屈折力を持たないため、“レンズ面”には相当しない。

第３実施形態では、上記のような１/４波長板４２が、物体側の単レンズ４１と像側の貼り合わせレンズ４３との間に配置される。このため、１/４波長膜２７は、「２つの平行平面板２５,２６の間に挟まれた状態で、単レンズ４１のレンズ面４１ａと貼り合わせレンズ４３のレンズ面４３ａとの間に配置された」ことになる。
したがって、第３実施形態の対物レンズ４０は、１/４波長板と同等の機能を有し、その先端(つまりレンズ面４１ｂ)と物体面３８との間に従来のような１/４波長板５０（図４）を配置する必要がないため、有効な作動距離を安価に大きく確保することができる。さらに、このような対物レンズ４０を第１対物レンズとして組み込んだ測定検査装置や顕微鏡では、１/４波長膜２７とクロスニコル状態の偏光素子により、フレアー量（ノイズ成分）を低減し、Ｓ/Ｎ比を向上させることができる。

また、第３実施形態の対物レンズ４０では、物体側から数えて２番目のレンズ面４１ａと３番目のレンズ面４３ａとの間に１/４波長膜２７を配置したので、光軸に対して斜めに進行する光が１/４波長膜２７に入射するときの角度範囲を±２０°程度に抑えることができる（０°は垂直入射に相当）。このため、光の入射角度に応じたリタデーションずれ(１/４波長からの位相ずれ)を許容範囲内とすることができる。したがって、シグナル成分の光量低下を抑えることができ、その分だけＳ/Ｎ比を向上させることができる。

さらに、第３実施形態の対物レンズ３０では、単レンズ４１と貼り合わせレンズ４３との間に１/４波長板４２を配置するため、簡単に構成できる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、対物レンズ１０,３０,４０の開口数が例えば０.５５である例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。対物レンズの開口数に拘わらず、本発明を適用できる。ただし、対物レンズの開口数が０.５以上の場合に特に有効である。

さらに、上記以外のレンズ構成にも本発明を適用できる。例えば、液浸対物レンズの先端面（像側に向けて凸状）に埋め込みレンズを貼り合わせる場合、その張り合わせ面に１/４波長膜を配置してもよい。ちなみに埋め込みレンズとは液浸観察用の油や水と同じ屈折率のレンズである。
また、１/４波長膜の配置も上記例に限定されず、物体側から数えて３番目のレンズ面と４番目のレンズ面との間など、様々の構成が考えられる。ただし、フレアー量の低減によるＳ/Ｎ比の向上を優先した場合には、より物体側に１/４波長膜を配置することが好ましい。リタデーションずれ(１/４波長からの位相ずれ)の低減によるＳ/Ｎ比の向上を優先した場合には、対物レンズの中央付近に１/４波長膜を配置し、光軸に対して斜めに進行する光が１/４波長膜に入射するときの角度範囲を小さくする（例えば±１０°程度にする）ことが好ましい。

さらに、上記した実施形態では、１/４波長膜として、雲母などの複屈折性材料を貼り付ける例、複屈折性材料を蒸着または結晶成長させる例を説明したが、液晶材料により１/４波長膜を構成することもできる。

第１実施形態の対物レンズ１０の構成を示す光路図である。 第２実施形態の対物レンズ３０の構成を示す光路図である。 第３実施形態の対物レンズ４０の構成を示す光路図である。 従来の構成を示す光路図である。

符号の説明

１０，３０，４０，５１ 対物レンズ
１１，３１ 貼り合わせレンズ
１１ａ，１１ｂ，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，４１ａ，４１ｂ，４３ａ レンズ面
１７，２７，３７ １/４波長膜
１８，３８，４８，５２ 物体面
４２，５０ １/４波長板

Claims (1)

1. 所定の偏光光の照明光を対物レンズを経て被検面に入射し、前記被検面からの反射光を、前記対物レンズ、及び前記所定の偏光光とその偏光方向が９０°異なる偏光光を透過するように配置された偏光板を経て結像させる光学装置に用いられる、開口数０．５以上の対物レンズであって、
   所定の屈折力を有する複数のレンズを含み、
   ２つの平行平板の間に１／４波長膜を挟んで貼り合わせた１／４波長板が前記複数のレンズ間に配置され、
   前記光学装置の光軸に対して斜めに進行する前記偏光光は、前記１／４波長板に向けて、光軸に対して±２０°以内で入射する
   ことを特徴とする対物レンズ。

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