JPH02500141A - 対物レンズを形成する集光用光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 対物レンズを形成する集光用光学装置 本発明は顕微鏡の検査、特に顕微鏡分析に使用する光学装置に関する。

この分野で使用する光学装置は物体が発する光を最大限に収集し得ること、その ために大きい開口数を有することが必要である。また、集光用光学機構はできる 限り広い波長範囲にわたって作用し得ることが必要である。

理想的には集光用光学機構は赤外線から紫外線まで色収差のないものでなくては ならない。

顕微鏡内における集光用の光学機構は対物レンズである。現在のレンズ式対物レ ンズは質および価格ともに高いものであっても、大きな集光開口数および広い帯 域に渡る色消し性（無色収差性）という二重の条件を満足させてはくれない。

一方、フランス特許明細書第８６０４９４７号において、出願人は新しい光学装 置を提案した。これら光学装置はミクロ分析において同時に同一試料に対して複 数の分析技法を実施することが可能である。即ち、電子ゾンデおよび／またはイ オンゾンデ、またはレーザゾンデあるいはＸ線分光測定および／または光学分光 測定または質量分光測定またはラマンゾンデ等である。

こられの光学装置のうちの１つはその長軸頂部にオリフィスを備えた凹状楕円形 反射面（より正確にいうと楕円体面）により各々構成されている２つの鏡を含ん でいる。先行特許出願明細書において提案されている取り付け（第６図）はこれ ら２枚の鏡の対称的配置である。ゾンデビーム（例えば電子ビーム）は対称面内 に入り、物体は対称の中心に置かれる。

このような研究作業を続けるうちに、本出願人は上述の問題点を解決することが できる新しい対物レンズを発見した。

従って本発明はその長軸頂部にオリフィスが備わった凹状楕円形反射面を有する 第１の鏡、この楕円反射面の長軸に対して垂直で出口オリフィスとして役立つ前 記オリフィスと楕円面の第２の焦点の間でほぼ等間隔に配置された第２の平面鏡 を含む、特に顕微鏡用の大開口数対物レンズに関する。なお、物体の置き場所は 楕円表面の第１の焦点のレベルにあり、瞳に第１の鏡の大直径の自由縁により構 成されている。この自由縁が第２の鏡に隣接していることが好ましい。

有利なことに、平面鏡は楕円面の第１の焦点レベルに略配置されている。この条 件は同様にこの同じおなし楕円面の偏心率をも固定する。

本発明のもう１つの態様に従うと、物体ホルダーが平面鏡内の第１の鏡の楕円体 反射面の長軸との交差点レベルに取り付けられている。こうして、自動焦点合わ せを可能にする極めて単純な取り付けを得ることができる。

そのためには、例えば第２の鏡のついた本体に微移動手段が備わっているだけで 充分であり、この手段は同時に載物台（ステージ）の移動にも役立つ。

ある種の利用分野においては、本発明に従った対物レンズの出口オリフィスは少 なくとも１つの他のレンズに結合されていると便利である。この他の対物レンズ は第１の対物レンズと同じように構成されていると有利である。

なお、鏡は光学的に研磨された極めて純度の高いアルミニウムのような金属ブロ ックを機械加工して作ることができる。これらはまた純度の極めて高いベリラム でできていてもよい。また、適当な基板の多層誘電コーティングにより作られて いてもよい。

特にミクロ分析のためは、第１の鏡を構成する本体には中ぐりが横断している。

この中ぐりにより励磁ビーム（電子、イオン、レーザのゾンデ）および／または Ｘ線または光学分光測定法、質量分光測定法またはラマン分光分析については試 料が発するビームの通過が可能となる。

従来の光学顕微鏡検査では、物体の照明は後方から行うことができ、ステージは この場合透明である。

本発明のその他の特徴および利点は、以下の記載ならびに添付する図面を検討す ることにより明確となることだろう。

第１図は本発明に基づく基本的光学装置のフローチャートである。

第２図は第１図の装置の機能を明示する図である。

第３図は従来のレンズ式対物レンズをミラ一式対物レンズに結びつけたさらに完 璧な形の光学装置を示している。

第４図は本発明に基づく２つのミラ一式対物レンズをカスケード式に結び付けた 装置を示している。

添付の図面には、具体的な特に幾何学的な要素が含まれている。従ってこれらの 図面は以下に詳述されている説明をより良く理解するためのみならず、場合によ っては本発明の構成（定義）にも寄与するものである。

１つの対物レンズの中に、ここでは入射開口角（Ｖ）および出射開口角（ｕ）が 見られる。ｎが光学的伝播環境の屈折率を表すとすると、入射開口数はｎ−５ｉ ｎｖとなる。

入射開口数の制限は一般に収差によるものである。レンズ式システムの場合、こ の限界は０．９５の開口数については約７２°の角度（Ｖ）に相当し、スペクト ル帯域幅は比較的小さい。既知のカサグレン・シュヴアルシルドタイプのミラ一 式対物レンズの場合、角度（Ｖ）の値は開口数０．６５について約４０°である 。楕円面鏡であればはるかに高い集光立体角に達することができるということが わかる。しかし、出射ビームもまた極めて大きい開口角度を持ち、これはモノク ロメータや干渉計といったスペクトル分析計器と集光装置の結合と相客れないも のである。同様にかかる鏡と連動するステージが存在することも考慮に入れなく てはならない。このために有効光学ビームの損失が生じることになる。

本出願人は大きな集光立体角を小さい開口の出射ビームと両立させるためには、 二枚の鏡を組合わせることが望ましいということを発見した。

第１図は、特に有利なこの種の実施態様を示している図である。

第１の鏡はその内部壁（Ｍｌ）が楕円反射面を形成する本体、即ち基板（Ｃ１） により構成されている。楕円の２つの焦点はＦ、及びＦ２と記されている。楕円 の長軸（Ｆｌ−Ｆ２）上の頂部には、ここでは約５３度（この値は好ましい例と して与えられるものである）に等しい出射開口角度に一致するように外側に向か って末広がりになったオリフィス（０１０）を備え付ける。

本体（Ｃ２）についた第２の鏡は、この本体の反射平面（Ｍ２）により構成され ている。鏡（Ｍ２）は原則的に長軸（Ｆ、−Ｆ２　）に対し垂直である。（出口 オリフィスが本体（Ｃ１）の頂部０に位置付けられている場合；このことは他の 実施態様においては異なっている可能性がある。） 物体（図示せず）は楕円面鏡（Ｍｌ）の焦点（Ｆｌ）に置かれている。従って、 この鏡はＦ２においてその像を形成する。Ｆ２の像は鏡（Ｍ２）により鏡（Ｍｌ ）の出口オリフィス（０１０）のレベルに転写される。

この配置の持つ大きな利点は、第２の鏡（Ｍ２）は楕円面鏡（Ｍｌ）の長軸（Ｆ ｌ−Ｆ２）に垂直であるだけでよいため、この第２の鏡の微調整は全く必要とさ れないということにある。

本発明の一般的場合において、鏡（Ｍ２）は必ずしも焦点（Ｆｌ）を通らない。

意のままに楕円面鏡（Ｍｌ）を規定するパラメータＯＦ、およびＦ、Ｆ２を選ぶ ことができるのである。しかしながら、球形からあまり離れ過ぎない方がよい。

というのもこのような場合有効物体視野が非常に小さくなるからである。

ここまでに示された条件では、鏡（Ｍ２）がＦｌに置かれることを必要としてお らず、単に像が出口オリフィス（０１０）と一致するように鏡（Ｍ２）をセグメ ント（ＯＦ２）の中央に置くことだけを要求している。しかし、焦点（Ｆｌ）と 一致しない物体の虚像（平面鏡により与えられる）の存在は厄介な漏光を生み出 す。

実際には、物体自体とそのサポートは、半空間（１８０°）への出入りを制限し ている。本出願人は、このことがほとんどの場合において、２ｐｉステラジアン の集光立体角に相当する１以上の開口数をめることを無用にしているということ を発見した。

このような条件の下で集光開口数１　（つまりｖ＝９０°）について、本発明の 最も有利な形状は、第１図に見られるように、軸に対して垂直で焦点（Ｆｌ）を 含む平面より制限される。このとき距離ＯＦＩとＦ、Ｆ、は等しく、こうして楕 円面の偏心度が固定される。

したがって焦点（Ｆｌ）の近くに鏡（Ｍ２）を置くのが適当である。楕円面鏡（ Ｍｌ）は充分な有効物体視野を保つため球にかなり近い状態に保たれていること がわかる。

物体は例えば電子顕微鏡検査において、一般に用いられているタイプの支持用格 子をステージとして、円形断面の小穴の中に軸（ＰＩ　Ｆ２）と平面鏡（Ｍ２） の交差点に置くことができるため、上述の構成は興味深い実際」二の利点をもた らす。物体が小さい場合、その結果として得られる中央閉塞（有効光束に対する ）は実際上無視できるものである。

さらに、平面鏡（Ｍ２）はステージの一部を成すものであってもよく、このとき ステージは３次元位置決めに応じて調節可能である。実際、平面鏡による点００ 近くの像の転写についてはかなり大きい許容誤差を認めることができる。

本発明の特定の実施態様においては、本体（Ｃ１）の高さは８．５ｍｍである。

直径は２５關である。オリフィス（０１０）の直径は０．　５ｍｍである。本体 （Ｃ１）および（Ｃ２）の隣接部分間の距離は０．２５ｍｍである。

最後に距離ＯＦ、は７．５ｍｍである。

ここで、鏡（Ｍ２）が焦点（Ｆｌ）を通る好ましい実施態様における出射開口数 の決定について、第２図を参照する。ここで、焦点距離はｆと記されている。Ｍ を反射面（ＭｌおよびＭＰ＞の交差点（仮想上の）にある点とすると、焦点（Ｆ 、およびＦｌ）へのその距離をａおよびｂと記す。楕円の特性にしたがって、ａ ＋ｂの合計は３・ｆに等しい。さらに点Ｍについては、第２図を見るとＭＦ、が Ｆｌ　Ｆ−に垂直であることが分かる。このことから、以下のようす２つの関係 式を導くことができる。

したがって、ａは５ｆ／３に等しく、ｂは４ｆ／３に、等しい。

このとき出射角（ｕ）は０．８に等しい正弦を持ち、これはすでに示した５３° に近い５３°　１３という角度に一致する。

こうして入射または集光開口数が１に等しい場合、空中または真空中において０ ．８に等しい出射開口数が得られる。

こうして本発明に従って得られた対物レンズは０．　８に等しい入射開口数を持 つ既存のレンズ式対物レンズに容易に結合され得る。このような対物レンズは現 在市販されているが、小さなスペクトル範囲についてのみ補正される。

こうして第３図は、開口数０．　８の従来の顕微鏡用対物レンズ（ＯＪ３）と本 発明に基づく第１の対物レンズの結合を概略的に示している。

色消し性を保存するためには、平行な出射ビームを望む場合には軸外れの放物面 鏡あるいは軸外れの楕円面鏡（それぞれ後述の第７図および第６図）付きの光学 装置に本発明に基づく対物レンズを結合させることが望ましい。

興味深い変形実施態様が第４図に示されている。これは本発明に基づく２枚（ま たはそれ以上）の対物レンズをカスケード式に利用することからなる。

第１の対物レンズは本体（Ｃ１）の上部平面に新たに反射面（Ｍ２Ｏ）が備わっ ていることを除いて、前述のものと同じである。この反射面（Ｍ２Ｏ）は、上部 に開口部（Ｑ　２０）が備わった本体（ＣＩＯ）内に作られた第２の楕円面鏡（ ＭＩＯ）と連動する。

この第２の鏡（ＭＩＯ）がＭｌと同じ特徴を有しているならば、オリフィス（０ ２０）から出るビームの開口数は０．４７であり、これは２８°の半角に相当す る。

このような開口数は市販の既存のカサグレン・シュヴアルツシルドタイプ球面鏡 付きの第３の対物レンズへの結合と相客れるものである。これはまた、楕円面鏡 または放物面鏡とも相客れるものである。

第５図はカサグレン・シュヴアルツシルドによる対物レンズと本発明に基づく２ 枚の対物レンズのカスケード式取り付け、即ち全体に鏡が付き、従って紫外線か ら赤外線まで色収差がなく開口数１から平行ビームへと通過するアセンブリに関 するものである。その低部は第４図と同じである。オリフィス（０２０）から出 た光は、一般に球面であり、本体（Ｃ１５）の中に掘って作られた鏡（Ｍｌ５） により受け取られる。

鏡（Ｍ２Ｓ）（０，４７の開口数については球面鏡）は光を出口オリフィス（０ １５）の方に反射する。４５°傾斜したもう１つの平面鏡（Ｍｇ２）を光の側面 方向反射のために用いることができる。

鏡（Ｍ２ＳおよびＭｇ２）は軸（０２０−０１５）上に置かれている。必然的に 鏡（Ｍ２Ｓ）による光学的車影を電子マイクロゾンデへの応用分野において、電 子ビームを通すために用いることができるということも喚起しておきたい。

第５図の組立ては開口数１から平行ビームへと移行する紫外線から赤外線への色 消し光学システムを提供している。

第６図は本発明に基づく単数または複数の対物レンズの平行な出射ビームを得る もう１つの方法を示している（第１図と同様の対物レンズ）。

オリフィス（０１０）から出る光は、鏡（Ｍｌ）に結びついた楕円面の頂点０（ 第」図１と混同した焦点（Ｆ、）を持つ回転放物面部分からなる鏡（ＭＰ）によ って集められる。９０゛での反射のために、放物線の軸ＡＰは鏡（ＭＰ）と平行 である。出射ビーム（ＦＳ）は平行である。

第７図は、出口の鏡が、焦点（Ｆ３）がＯにある楕円面（ＭＥ）の一部分である ようなもう１つの変形実施態様を示している。出射ビーム（ＦＳ）はそのもう１ つの焦点（Ｆ４）にて収束する。ある種の応用分野については２つの焦点（Ｆ、 およびＦ４）は、軸（Ｆｌ−Ｆ２）上にある可能性があり、この場合鏡（ＭＥ） は二重に切り取られた楕円面である（または例えば卵形のような楕円面に似た非 対称面である）。第６図の放物面についても軸に関して同様のことが言える。

当業者は本発明に基づく対物レンズの基本的な利点の１つが、匹敵する光学的特 性を持ちながらしかもかなり安価にこれらを作ることができるということにあり 、一方その鏡付き構造により極めて容易にかつ色収差なく、赤外線から紫外線ま で光学スペクトル全体にわたって機能することができる、ということが理解でき ることだろう。現在のレンズ式対物レンズはいかなるものもこれらの特性を有し ていない。

鏡は、例えば金属ブロック（例えば極めて純度の高いアルミニウムまたは極めて 純度の高いベリリウム）を自動式に直接機械加工することにより（「切削」）得 られる。−変形実施態様は、反射面を構成するため金属または多層誘電コーティ ングを取り付けることからなる。この変形態様はさらに本体（ＣＩおよび／また はＣ２）が切削または成形加工により生み出されたガラスまたは合成材料製のも のである場合にも適用される。

本発明に基づく対物レンズは顕微鏡分析法のために設計されたものであるが、こ れらは特に紫外線および赤外線での光学顕微鏡検査において、極めて有効である 。

一方顕微鏡分析においては特許出願明細書第８６０４９４７号の記述部は本記述 にない内含されるものとみなされるべきである。

また、前に記述されたものに比べ、本発明の対物レンズはさらに顕微鏡および／ または電子マイクロゾンデの中でレンズと試料ホルダの間に備わった空間内に極 めて容易に収納される、ということにも留意されたい。

本発明に基づく対物レンズは、最後の磁気集合レンズの磁極片と試料ホルダの間 に収されている。磁極片のオリフィス内の通過は、同様に電子マクイロゾンデの 通常のカサグレン光学機構を示す本発明の基づく第２の対物レンズ（第５図）を 用いて行われる。磁極片の通過はまた二重に切り取られ、同軸に取り付けられた 第６図および第７図の放物面または楕円面をせちいても行うことができる。

本発明に基づく対物レンズが先行特許出願明細書第８６０４９４７号内に詳述さ れているような形で上述のミクロ分析法に適用できるのは、これらの条件におい てである。

主鏡（Ｍｌ）の本体（Ｃ１）内にあけられた軸方向及び側面方向オリフィス（０ １０，，０１１および０１２）（ＩＥＩ図）は、レーザービーム、Ｘ線ビーム、 粒子ビーム、電子ビーム、あるいはまたイオンビームのいずれでもありうる分析 ビームおよびソンデビームの通過に役立つことができる。

光学顕微鏡検査での利用の場合、顕微鏡の標準ネジ切りの備わった小さな鏡筒に 本発明に基づく対物レンズを内含させることが当然のことながら望ましい。これ はそのサイズが小さいことから見て、容易なことである。このとき側面方向オリ フィス（０１１および０１２）は無用になる。

本発明に基づく対物レンズは熱遮蔽が必要な低温保存装置用としても有効である 。これはその金属構造のためにこの機能を極めてよく果たす。

国際調査報告 、ｗ、ａｌ　ｋ□　ｈｈ””　”　Ｒ”　８／　００３６７国際調査報告 ＦＲ８８００３６７ ＳＡ　２３５００

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）顕微鏡用対物レンズにおいて、その長軸頂部にオリフィス（０１０）が備 わった凹状楕円体の反射面を有する第１の鏡（Ｍ１）と、楕円体反射面の長軸に 対して垂直で前記オリフィスと楕円形の表面の第２の焦点（Ｆ２）の間に略等間 隔で配置された第２の鏡（Ｍ２）とを備え、物体位置を略前記楕円形の表面の第 １の焦点（Ｆ１）のレベルとし、出射光はオリフィスのレベルで収束し、瞳は楕 円形の表面の長径の自由縁により構成されていることを特徴とする対物レンズを 形成する集光用光学装置。
2. （２）第２の鏡（Ｍ２）はほぼ第１の焦点（Ｆ１）のレベルに配置されているこ とを特徴とする請求の範囲１記載の装置。
3. （３）ステージは、第２の鏡の面と楕円反射面の軸との交点のレベルにおいて取 り付けられていることを特徴とする請求の範囲２記載の装置。
4. （４）第２の鏡を有する本体（Ｃ２）には、同時にステージの移動を行うための 微移動用手段が備わっていることを特徴とする請求の範囲３記載の装置。
5. （５）第１の鏡の長径の自由縁は第２の鏡に隣接していることを特徴とする請求 の範囲１〜４のいずれかに記載の装置。
6. （６）入口において、１に近く出口において０．８に近い開口数を持つことを特 徴とする請求の範囲１〜５のいずれかに記載の装置。
7. （７）オリフィスから出るビームは少なくとも１つの他の光学システムまたは対 物レンズに結合されることを特徴とする請求の範囲１〜６のいずれかに記載の装 置。
8. （８）前記他の対物レンズが第１のものと同じように構成されていることを特徴 とする請求の範囲７記載の装置。
9. （９）出口オリフィスはほぼ楕円面の鏡の一部分に結合されていることを特徴と する請求の範囲７および８いずれかに記載の装置。
10. （１０）出口オリフィスは、カセグレンレンズまたは対物面鏡の一部分に結合さ れ、平行な出射ビームが与えられていることを特徴とする請求の範囲７または８ に記載の装置。
11. （１１）第１及び第２の鏡（Ｍ１，Ｍ２）は純度の高いアルミニウム等の金属ブ ロックを機械加工して作られたものであることを特徴とする請求の範囲１〜１０ のいずれかに記載の装置。
12. （１２）第１及び第２の鏡（Ｍ１，Ｍ２）は純度の高いベリリウム製であること を特徴とする請求の範囲１１に記載の装置。
13. （１３）第１及び第２の鏡（Ｍ１，Ｍ２）は１つの基板の多層誘電コーティング またはメッキによって作られていることを特徴とする請求の範囲１１〜１２のい ずれかに記載の装置。
14. （１４）第１の鏡を構成する本体（Ｃ１）には中ぐりが横断しており、電子、イ オン、レーザのゾンデビームおよび分析ビームおよび／またはＸ線分光測定また は光学分光測定、質量分光測定あるいはラマン分光分析用のビームの通過を可能 にしていることを特徴とする請求の範囲１１〜１２のいずれかに記載の装置。