JPS6250717A - 低倍率投影対物レンズ - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、被検物体の正確な拡大像を得るための投影レ
ンズ、特に広い視野を有する低倍率の投影対物レンズに
関する。

〔発明の背景〕

一般に、投影検査器は正確な拡大像をスクリーンに形成
することは勿論であるが、合焦誤差のような偶然誤差に
ついても極力測定誤差にならないような配慮が必要であ
る。このようなことから、投影対物レンズはテレセント
リック光学系であり、歪曲収差が十分に小さく補正され
ていることが＋ｉｉ＋提となる。勿論、顕微鏡対物レン
ズ等の他のレンズと同様に、その他の収差についても十
分小さく補正することが要求される０以上は投影対物レ
ンズ一般について言えることであるが、その要求を５倍
程度の低倍率投影レンズで実現しようとした時の問題点
には、次のようなものがある。

まず、第１の問題点は作動距離の点である。−船の対物
レンズでは、作動距離は焦点距離の半分程度であるので
、焦点距離の長い低倍率用の投影対物レンズにおいては
、この割合のままであると、作動距離が長くなり過ぎて
レンズ寸法（物体面よりレンズ後端までの距離）が極め
て大きなものとなる。投影器の対物レンズとしてはコン
パクトである必要もあり、一般的には低倍率の対物レン
ズでは、像側から順に収斂性レンズ群と発散性レンズ群
とからなる所謂テレタイプ（望遠タイプ）を採用するこ
とによって作動距離を必要にして十分な長さまで短かく
し、レンズ寸法の短縮化を達成している。

この時、基本的なテレタイプだけでは、テレセントリッ
ク光学系にすることは不可能であるため、発散性レンズ
群と物体面との間に収斂性のフィールドレンズ群を設け
る構成が知られており、こようなレンズ構成の例は、例
えば特開昭５９−２０４８１６号公報にも開示されてい
る。

しかし、低倍率用の対物レンズでは視野径が大きいため
歪曲収差を良好に補正するという観点からみるとフィー
ルドレンズ群に対する負担は極めて大きいものである。

従って、従来のレンズ構成ではフィールドレンズ群のレ
ンズ枚数を多くし、それでも補正しきれず残っている収
差を強引にテレタイプを構成する収斂性レンズ群及び発
散性レンズ群で補正しようとしているため、各群の屈折
力が強くなって、多くのレンズ枚数を必要としていた。

そして、上記特開昭５９−２０４８１６号公報のものの
如く、多くのレンズ枚数によって複雑に構成されてはい
ても、依然として性能的に満足出来るものでなかった。

第２の問題点は反射照明に関する点である。現在の投影
レンズでは、操作性の改善のために照明光を供給するた
めのハーフミラ−を内蔵することが一般的である。前記
のテレタイプのレンズ構成においても、屈折力の配分を
工夫すればハーフミラ−の内蔵が可能な解は種々存在す
る。しかし、ここで問題となるのは、ハーフミラ−内蔵
の投影レンズでは、反射照明を行なう時、前記フィール
ドレンズに相当するレンズ群を介して物体面を照明する
ことになって、このレンズ面での反射光がフレアーを生
ずる点を考慮する必要がある。この時、５倍投影レンズ
のような低倍率では視野径が大きいので、テレセンドリ
ンク性を維持するためにはレンズの口径も大きくしなけ
ればならない。

従って、歪曲収差等の諸収差を良好に補正する目的のた
めに、レンズ面の曲率を大きくすることが難しくなり、
フレアーが発生し易くなる。そして、第３群として必要
な屈折力を満たすために、屈折力の弱い多数のレンズで
構成せざるを得なくなり、ますますフレアーの発生が著
しくなり、反射率の低い物体を観察する場合の大きな障
害となっていた。フレアーを減少させるために、フィー
ルドレンズ群のレンズ枚数を減らすと収差補正の負担が
大きくなり過ぎ、歪曲収差等の補正が困難であった。

また、第３の問題点はコストの点である。テレセントリ
ック光学系では物体側のレンズは少なくとも物体種以上
必要であって、１例をあげると、スクリーン径３５０ｍ
−の投影器のための５倍対物レンズでは、視野径７０ｍ
ｍであるため開口を考慮すると最低８０■ｌ程度の大口
径のレンズが必要である。このため前記したフィールド
レンズ群のレンズ枚数が多いとそれだけでコストを高め
る要因となっていた。

〔発明の目的〕

本発明は、これらの欠点を解決し、結像性能を向上させ
ると共に反射照明におけるフレアーを減少させ、低反射
率の物体においても反射照明によって表面形状の鮮明な
観察が可能であり、しかも簡単な構成からなる低倍率の
投影対物レンズを提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明による投影対物レンズは、像側から順に、正レン
ズ成分とその物体側に配置された負レンズ成分とを有す
る収斂性の第１レンズ群Ｇい負レンズ成分とその物体側
に配置された正レンズ成分とを有する発散性の第２レン
ズ群Ｇ２及び収斂性の第３レンズ群Ｇ、とから構成され
るものである。

一般に、投影対物レンズでは前述したとおり歪曲収差を
第１に補正すべきものであるが、それに劣らず重要な点
は、スクリーン全体で良好な像が得られることが必要で
あり、換言すれば像面弯曲が良好に補正されていなけれ
ばならない。このためにはペッツバール和を十分小さく
することが必要である。前掲の特開昭５９−２０４８１
６号公報に開示されたレンズ構成は、基本的に薄肉レン
ズの集合であって、このような構成ではペッツバール和
をパワー配分によって補正せねばならない。

このため、各群の屈折力を強くすることが必要になって
おり、ますます収差補正を困難にしていた原因の一つで
あった。本発明そは、各群の屈折力を許容可能な範囲で
出来るだけ弱くし、そのことによって生ずるペッツバー
ル和の劣化を、発散性の第２レンズ群を負レンズ成分と
その物体側に配置された正レンズ成分とで厚肉のレンズ
群として構成することによって補正することを可能とし
た。

各群の屈折力を弱くした場合に生ずる問題は、ペッツバ
ール和以外にレンズの寸法が大きくなることである。本
発明では第１群及び第２群の構成を工夫することによっ
てレンズの寸法をコンパクトになしえた。まず、収斂性
の第１群を少なくとも正レンズ及び負レンズ１枚づつよ
り構成し、正レンズを像側に配置することによって、こ
の群の主面を像側に大きく移し、また発散性の第２群は
少なくとも負レンズ及び正レンズ１枚づつより構成し、
負レンズを像側に配置することによって主面を像側に移
す。このような構成にすることによって、第１群及び第
２群を物体側に大きく近づけて配置することを可能とし
、実際のレンズの寸法（物体面から最も像側に配置され
た第１群の像側レンズ面頂点までの距離）を小さくする
ことを可能とした。従って、本発明では従来のものより
薄肉系の配置では大きくなるが、実際のレンズ寸法では
ほとんど同程度の形状とすることが可能となった。

上記の通り、本発明におけるコンパクト化のための重要
な点は、収斂性の第１レンズ群及び発散性の第２レンズ
群における、各正レンズ及び負レンズの並び方であって
、正レンズと負レンズとは接合であっても若干分離して
あっても同様の効果を得ることが可能である。この方法
によって、本発明では各群の屈折力を従来例に対してほ
ぼ半分程度になし得たのである。

このような本発明によるレンズ構成では、第３群は基本
的にフィールドレンズとして働くため、球面収差及び軸
上の色収差は第１群と第２群で補正する必要がある。例
えば、倍率５倍程度の低倍率投影レンズの実効Ｆナンバ
ーはＦ８．５程度であるので、本発明の場合、前述した
ように各群の屈折力を弱くなしえたため、球面収差は収
斂性の第１群と発散性の第２群のレンズ形状即ち、レン
ズのベンデングで十分補正可能となる。また、軸上色収
差は第１群、第２群が少なくとも正・負のレンズ１枚づ
つより構成されているため、硝子の選択によって非常に
容易となる。この時、主に第２群と第３群で倍率の色収
差も同時に補正することが要求されるが、第１実施例を
示した第１図の光路図からも明らかなように、絞りが第
１群近傍にあって、軸上色収差と倍率色収差に対する各
群の寄与が大きく異なるため、倍率色収差と軸上の色収
差とのバランスをとることは容易である。

このような本発明による基本構成において、以下のよう
な条件を満足することが必要である。

すなわち、 ｒ　：投影対物レンズ全体の焦点距離 ｒ２　：第２レンズ群Ｇ２の焦点距離 ｆ、：第３レンズ群Ｇ、の焦点距離 Ｄｔ　：第２レンズ群と第３レンズ群との間の空気間隔 とするとき、 ０．４５＜Ｄｚ　／ｆ３　＜０．６５　　　　　（１）
０．５＜　ｆｚ　／ｒ　＜ｏ、ｓ　　　　　　　　（２
）０．２＜　ｌ　ｆｚ　　ｌ／ｆ＜０．４５　　　　（
３）の各条件を満足することが必要である。

第２群と第３群の間隔は短かい方が第２群での入射高が
大きくなって第３群で発生した収差を捕ためには、前記
（１）式の条件を満たすことが必要である。第２群と第
３群との間隔が、四）武の下限より小さくなるとハーフ
ミラ−を配ですることが困難で、上限より大きくなると
第２群への入射高が小さくなり過ぎて第３群と第２群と
の収差補正のバランスを維持することが難しくなる。

第３群の屈折力については、上記（２）式の条件を満足
することが必要である。この条件の上限より大きくなっ
た場合、実質的絞りの位置がレンズの外側に大きくはず
れ第１群の口径が大きくなって収差補正上不利となる。

また、下限を外れる場合には、視野径に対して第３群の
焦点距離が小さくなって、第３群の収差補正の負担が大
きくなり過ぎる。さらに、ハーフミラ−を入れる必要上
第２群と第３群との間隔を一定以上とする必要があるた
め、実質的絞りの位置が第２群に近づき過ぎて、第２群
の入射高が小さくなり、第３群で発生した収差を補正す
ることが困難となる。第２群の屈折力を強くして補正し
ようとすると、第２群への物体の各輪帯よりの入射高は
第３群の収差によって変動するため、物体高によって第
２群の寄与が非常に異なることとなって、歪曲収差等に
強い曲がりが生じる。

第３群の屈折力は、前述した方法で許容可能な範囲内で
出来るだけ弱くできるので、収差補正上の負担を減らす
ことができる。従って、本発明による後記の第１実施例
のように正レンズ１枚のみで第３群を構成することも可
能となる。第３群を１枚のレンズで構成することは、簡
単なレンズ構成であるばかりではなく、反射照明時のフ
レアーを減らす上で非常に有利であることは云うまでも
ない。

第２群の屈折力については、上記条件（３）を満たすこ
とが必要である。下限より小さいと第２群を簡単なレン
ズ構成とすることができず前記したような機能を第２群
に付加出来ない。上限より大きいとレンズの寸法が大き
くなり過ぎる。

ところで、絞り位置に関しては、前述した本発明の基本
構成の説明から明らかなように、第１群の近傍、特に第
１群の第２群側の位置とするのが、第１群に対する収差
補正の負担も少なく各群の機能分担も出来るので最も望
ましい。尚、絞りとは、光束を制限する目的のみのため
に設けられた部材を指すのみならず、レンズ鏡筒自体や
レンズの支持環が絞りの機能を持つ場合も含み、より明
確には、斜光束の主光線が光軸と交わる位置が実質的な
絞り位置として定義されるものとする。

また、コマ収差に関しては、後記する第１実施例のよう
に、絞りを第１群の若干後方にくるように構成し、第１
群と第２群とを絞り位置に関してほぼ対称に構成するこ
とによって、良好に補正することが可能である。第１群
は球面収差の補正のために、像側の面が像側に凸の比較
的強い面となることが望ましいため、コマ収差の補正の
ためには、第２群は物体側の面が物体側に凸面を向けた
形状であることが望ましく、第２群を接合メニスカスレ
ンズで構成する場合には、必然的に物体側に凸面を向け
るように構成することが望ましい。

そして、第３群を単一の正レンズで構成すると、反射照
明のときのフレアーが少なくなる点で極めて有効ではあ
るが、ある程度の収差は必ず残留する。このため、第２
群を接合メニスカスレンズとして構成する場合には、そ
の接合メニスカスレンズの像側に位置する負レンズの屈
折率をｎｚｔ、物体側に位置する正レンズの屈折率をｎ
ｚｚとするとき、 ｎｚｔ＞ｎｚｔ として、接合面を発散面となし、これによって主に歪曲
収差をより良好に補正可能にすることが有効である。

上記のように、本発明では各群の機能を明確にし、最適
な屈折力配分及びレンズ構成を確立したため、極めて少
ないレンズ枚数で、従来例よりも収差を改善しさらに画
角を大きくすることが可能となった。

〔実施例〕

以下に、本発明による実施例について説明する。

第１図のレンズ構成図に示した第１実施例は、本発明の
最も基本的な構成からなる投影対物レンズである。図示
の如く、像側から順に、両凸正レンズＬ１とその物体側
にて接合された両凹負レンズＬ２とで構成された収斂性
の第１レンズ群Ｇい両凹負レンズし、とその物体側にて
接合された両凸正レンズＬ４とで構成された発散圧の第
２レンズ群Ｇ２、及び単一の正レンズＬ、からなる収斂
圧の第３レンズ群Ｇ、を有している。第１図中には、軸
上物点からの光線の様子を実線で示し、軸外物点からの
光線の様子を破線にて示した。

第２図にレンズ構成を示した第２実施例は、第１図に示
した第１実施例の構成において、第１レンズ群Ｇ、を構
成する正レンズＬ１と負レンズＬ！とを分離することに
よって収差補正の自由度を増やし、画角をさらに大きく
したものである。

第３図に示した第３実施例は、第２図に示した第２実施
例の構成において、最も像側に位置する両凸正レンズし
、を貼合せレンズとして構成したものであり、色収差を
より一層改善したものである。

以下の表１．２．３に本発明による第１、第２、第３実
施例の諸元をそれぞれ示す、各表中、左端の数字は像側
からの順序を表し、屈折率及びアツベ数はｄ線（λ−５
８７．６ｎｍ）に対する値である。また、ｄ、は像面か
ら最も像側レンズ面の頂点までの距離を表すものとする
。

倍率：５　　　　　焦点距＠　：　ｒ　＝１９８．０４
Ｆナンバー：８．５　　作動距離：　５７．６７ｄ　ａ
　　：　９９９．８７６ ｒ　＋　＝　　８４．５８　　　　　　Ｄｚ　／　ｆ　
ｓ　＝０．５６ｆｔ　＝　　６４．１５　　　　　　ｆ
ｚ　／　ｆ　　＝０．６Ｉｓ　＝　１１８．１６　　　
　１　ｆｚ　　ｌ／　ｆ　　＝０．３２表］−ぢ１１ス
」１九り 倍率：５　　　　　焦点距離：　ｆ　＝１９２．４７Ｆ
ナンバー＝８．５　　作動距離：　　５７．７２ｄ　ｏ
　　：　９９９．０ ｒ、　＝　　９２．４３　　　　　　Ｄｚ　／ｒ２　＝
０．５２ｆ　ｔ　＝　−７７，５ｆ　ｘ　／　ｆ　　＝
０．６７ｒ　ｘ　＝　１２９．Ｏｌ　（ｚ　　ｌ　／　
ｆ　　＝０．４０表３　　＜２４主ス斯ｌ汁し 倍率・５　　　　　焦点距離：　ｒ　＝１９２．５５Ｆ
ナンバー＝８．５　　作動距離：　　５６．８７ｄ、　
　：９９９．Ｏ ｒ、　　＝　　８９．０７　　　　　　　　　Ｄ２　　
／ｆｚ　　＝０．５５ｆｚ　　−７４，９Ｉｓ　　／　
ｒ　　　＝０．６８ｒ、　　−１３０，５１ｆ２　１／
ｒ　　　＝０．３９Ｆ記の第１〜第３実施例についての
諸収差図を、それぞれ順に、第４図〜第６図に示す。

各収差図から、何れの実施例も節隼なレンズ構成である
にもかかわらず、極めて良好な結像性能を有しているこ
とが分かる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、簡単な構成でありながら
、テレセンドリンク性を維持しつつ結像性能を向上させ
た低倍率の投影対物レンズが達成されるため、投影検査
機において物体面の広い範囲をより高精度で測定するこ
とが可能になると共に、反射照明におけるフレアーを減
少させることができ、従来は難しかった低反射率の物体
の表面形状の観察も良好に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１実施例のレンズ構成図、第２
図は第２実施例のレンズ構成図、第３図は第３実施例の
レンズ構成図、第４図は第１実施例の諸収差図、第５図
は第２実施例の諸収差図、第６図は第３実施例の諸収差
図である。 〔主要部分の符号の説明〕 Ｇ、・・・第１１７１群 Ｇ２・・・第２レンズ群 Ｇ、・・・第３レンズ群 出願人　　日本光学工業株式会社 代理人　弁理士　渡　辺　隆　男 Ｔ３ 第１図 Ｎ２図 ｒｓ １．５ 球面収差　非点収差　　歪曲収差 Ｏθ シコ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 像側から順に、正レンズ成分とその物体側に配置された
   負レンズ成分とを有する収斂性の第１レンズ群Ｇ＿１、
   負レンズ成分とその物体側に配置された正レンズ成分と
   を有する発散性の第２レンズ群Ｇ＿２及び収斂性の第３
   レンズ群Ｇ＿３とから構成され、ｆ：投影対物レンズ全
   体の焦点距離 ｆ＿２：第２レンズ群Ｇ＿２の焦点距離 ｆ＿３：第３レンズ群Ｇ＿３の焦点距離 Ｄ＿２：第２レンズ群と第３レンズ群との間の空気間隔 とするとき、 ０．４５＜Ｄ＿２／ｆ＿３＜０．６５（１）０．５＜ｆ
   ＿３／ｆ＜０．８（２） ０．２＜｜ｆ＿２｜／ｆ＜０．４５（３） の各条件を満足することを特徴とする低倍率投影対物レ
   ンズ。