KR20020004820A - 현미경 대물렌즈 - Google Patents
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Abstract
(과제) 자외역과 근자외역 및 근적외역에서의 사용에 내구성을 가지며, 충분한 투과율을 확보한 재료를 사용하면서 축상 색수차 및 제수차가 양호하게 보정되며, 또한 비교적 작동 거리도 긴 현미경 대물렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(해결 수단) 물체측으로부터 순서대로, 물체측에 오목면을 향한 메니스커스 렌즈와 복수의 접합 렌즈를 포함하며 전체로서 양의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈군 (G1) 과, 복수의 접합 렌즈를 갖는 제 2 렌즈군 (G2) 과, 복수의 접합 렌즈를 포함하며 전체로서 음의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈군 (G3) 을 구비하여 소정의 조건식을 만족한다.
Description
본 발명은 작동 거리가 길며 배율이 50 배 정도의 대물렌즈, 특히 자외광을 사용한 현미경 등의 광학계에 사용되는 대물렌즈에 관한 것이다.
종래 파장 (λ) 이 250 nm 부근의 자외역용의 대물렌즈로서는 예를 들어 일본 공개특허공보 평7-20385 호에 개시된 렌즈가 있다. 이것은 볼록 렌즈 및 오목 렌즈의 접합 렌즈를 포함하며, 접합 렌즈 중, 1 개 이상은 3 장 접합 렌즈로 이루어진 제 1 렌즈군과, 볼록 렌즈와 오목 렌즈의 접합 렌즈 중 2 군 이상으로 구성된 제 2 렌즈군으로 구성된 대물렌즈로서, 가시광 영역과 근자외광 영역이 동시에 보정되고 있다.
또, 일본 공개특허공보 평3-188407 호에 기재되어 있는 자외선 대물렌즈는고 NA, 고배율로 가시역에서 자외역에 걸쳐 색보정되고 있으며, 사용 파장에 따라 렌즈의 1 부를 플로팅하는 것이다. 여기에서 「플로팅」이란 광학계 전체의 길이를 일정치로 유지하면서 사용 파장에 따라 수차가 작아지도록 각 렌즈군을 이동시키는 것을 말한다.
이들의 종래예에서는 웨이퍼 검사, 디지털 비디오 디스크 (DVD) 등의 피트 검사 및 하드 디스크 드라이브 (HDD) 등의 검사에 사용한 경우, 근자외광에서는 사용 가능하다. 그러나, 관찰하는 피검면 상에 근적외광을 투사시켜 그 복귀광에 근거하여 피검 표면에 대하여 초점 위치를 검출하는 자동 초점 검출 장치가 넣어진 현미경에서 사용하는 경우, 근적외광 또는 근자외광이 자외광과 동일한 초점 위치에 일치하고 있지 않기 때문에 피검 표면에 초점 맞춤시키는 것이 어려워진다.
또, 일본 공개특허공보 평3-188407 호에 기재되어 있는 자외선 대물렌즈는 사용 파장에 따라 렌즈의 1 부를 플로팅하는 것으로, 작동 거리 (WD) 도 매우 짧기 때문에, 조작성이 나쁘다는 결점이 있다.
근자외역에서 대물렌즈를 사용하는 경우, 광학계를 구성하는 재료에 의해 급격한 투과율의 저하나 솔라리제이션(solarization) 등이 발생하기 때문에, 사용하는 재료에 제한이 있다. 특히, 파장이 300 nm 이하인 경우, 초재(硝材)로서 사용할 수 있는 매질이 석영, 형석으로 한정되어 왔다. 이들의 광학 재료는 아베수의 차이가 작지만, 3 장 렌즈를 다용하여 충분한 색수차 보정을 달성할 수 있다. 그러나, 파장 λ250 nm 부근에서 충분한 투과율을 가지며, 작업성이 좋고, 접착력이 우수한 접작체는 없다. 이 때문에 고정밀도의 3 장 접합 렌즈를 다용한 것은 제조상 곤란하다는 문제가 있었다.
또한, 관찰용과 자동 초점 검출용에 사용하고 있는 파장이 다르기 때문에, 관찰에 사용하는 파장과 자동 초점 검출용에 사용하는 파장의 이미지면을 거의 일치시키면서 고개구수, 고배율로 또한 2 파장의 축상 색수차를 보정한 대물렌즈를 실현하고자 하는 것은 상기한 바와 같이 사용하는 광학 재료에 제한이 있기 때문에 곤란하다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 자외역과 근자외역 및 근적외역에서의 사용에 내구성을 가지며, 충분한 투과율을 확보한 재료를 사용하면서 축상 색수차 및 제수차가 양호하게 보정되며, 또한 비교적 작동 거리도 긴 현미경 대물렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1 은 제 1 실시예와 관련된 현미경 대물렌즈의 렌즈 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는 제 1 실시예와 관련된 현미경 대물렌즈의 제수차(諸收差)를 나타내는 도면이다.
도 3 은 제 2 실시예와 관련된 현미경 대물렌즈의 렌즈 구성을 나타내는 도면이다.
도 4 는 제 2 실시예와 관련된 현미경 대물렌즈의 제수차를 나타내는 도면이다.
도 5 는 결상 렌즈의 렌즈 구성을 나타내는 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
G1 : 제 1 렌즈군 G2 : 제 2 렌즈군
G3 : 제 3 렌즈군 L1 : 제 1 렌즈 성분
L2 : 제 2 렌즈 성분 L3 : 제 3 렌즈 성분
L4 : 제 4 렌즈 성분 L5 : 제 5 렌즈 성분
L6 : 제 6 렌즈 성분 L7 : 제 7 렌즈 성분
L8 : 제 8 렌즈 성분 L9 : 제 9 렌즈 성분
L10 : 제 10 렌즈 성분 L11 : 제 11 렌즈 성분
L12 : 제 12 렌즈 성분 L13 : 제 13 렌즈 성분
L14 : 제 14 렌즈 성분 L15 : 제 15 렌즈 성분
L16 : 제 16 렌즈 성분 L17 : 제 17 렌즈 성분
L18 : 제 18 렌즈 성분 L19 : 제 19 렌즈 성분
L20 : 제 20 렌즈 성분 L21 : 제 21 렌즈 성분
L22 : 제 22 렌즈 성분 L23 : 제 23 렌즈 성분
L24 : 제 24 렌즈 성분
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 물체측으로부터 순서대로, 물체측에 오목면을 향한 메니스커스 렌즈와 복수의 접합 렌즈를 포함하며 전체로서 양의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈군과, 복수의 접합 렌즈를 포함하며 전체로서 양의 굴절력을 갖는 제 2 렌즈군과, 복수의 접합 렌즈를 포함하며 전체로서 음의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈군을 구비하여 이하의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 현미경 대물렌즈를 제공한다.
2.5＜｜f1/f｜＜5 ㆍㆍㆍㆍ(1)
30＜｜f2/f｜＜70 ㆍㆍㆍㆍ(2)
15＜｜f3/f｜＜30 ㆍㆍㆍㆍ(3)
여기에서, f1 은 상기 제 1 렌즈군의 초점 거리,
f2 는 상기 제 2 렌즈군의 초점 거리,
f3 은 상기 제 3 렌즈군의 초점 거리,
f 는 상기 현미경 대물렌즈 전계(全系)의 초점거리이다.
발명의 실시 형태
조건식 (1) 은 필요한 작동 거리를 확보하고, 또한 축상 색수차의 잔존 2 차 스펙트럼을 보정할 수 있는 범위로 하기 위한 조건이다. 조건식 (1) 의 상한치를 벗어나는 경우에는 작동 거리가 길어지지만, 축상 색수차의 잔존 2 차 스펙트럼은 악화되기 때문에 바람직하지 않다. 역으로, 조건식 (1) 의 하한치를 벗어나는 경우에는 제 1 렌즈군의 파워가 너무 강해져 구면 수차의 보정에서 제 2 렌즈군과의 밸런스를 취할 수 없기 때문에 바람직하지 않다.
조건식 (2) 은 제 2 렌즈군의 초점 거리의 적절한 범위를 규정한 조건이다. 조건식 (2) 의 상한치를 벗어나는 경우에는 제 2 렌즈군의 굴절력이 너무 약해져 기준의 파장 λ248 nm 에 대한 색보정폭 ±3 nm 의 구면 수차가 나빠진다. 이것을 개선하고자 각 렌즈의 접합면을 변화시키면 장파장측의 구면 수차 및 단파장의 코마 수차가 나빠져 충분한 수차 보정을 할 수 없다. 역으로, 조건식 (2) 의 하한치를 벗어나는 경우에는 제 2 렌즈군의 굴절력이 너무 강해진다. 이 때문에, 광선높이를 내려 제 3 렌즈군 (G3) 으로 입사시킬 수 없게 되어 양호한 수차 보정을 할 수 없게 된다.
조건식 (3) 은 음의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈군의 초점 거리를 규정한 조건이다. 조건식 (3) 의 상한치를 벗어나는 경우에는 제 3 렌즈군의 굴절력이 너무 약해져 기준 파장 λ248 nm 의 구면 수차 및 이미지면이 악화된다. 이것을 개선하고자 각 렌즈면의 굴절력을 변화시키면 이미지면 만곡이 더욱 악화되어 충분한 수차 보정을 할 수 없다. 역으로, 조건식 (3) 의 하한치를 벗어난 경우에는 제 3 렌즈군의 굴절력이 너무 강해져 제 3 렌즈군의 음의 굴절력이 너무 약해지기 때문에 축상 색수차 및 구면 수차와 코마 수차를 충분히 보정할 수 없게 된다. 더욱 바람직하게는 조건식 (3) 의 하한치를 20, 상한치를 25 로 하면 본 발명의 효과를 한 층 더 발휘할 수 있기 때문에 바람직하다.
또, 본 발명의 바람직한 양태로는 1 개의 이상의 복수의 접합 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 이 때, 대물렌즈 단독으로 축상 색수차나 배율 색수차가 없는 상태를 달성하기 위해서는 제 1 렌즈군 (G1) 에서 제 2 렌즈군 (G2) 중의 접합 렌즈는 색소거, 제 3 렌즈군 (G3) 중의 접합 렌즈는 색출력으로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 제 1 렌즈군 (G1) 에서 제 2 렌즈군 (G2) 중의 접합 렌즈의 양의 렌즈의 아베수가 음의 렌즈의 아베수보다 크고 제 3 렌즈군 (G3) 중의 접합 렌즈의 양의 렌즈의 아베수가 음의 렌즈의 아베수보다도 작게 형성하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 바람직한 양태로는 각 렌즈 성분을 구성하는 유리 재료가 형석, 석영 뿐만 아니라 불화스트론튬, 불화바륨 등을 사용하는 것이 바람직하다. 색수차를 보정하기 위하여 최저한 2 종류 이상의 초재로 광학계를 구성하는 것은잘 알려져 있다. 특히, 자외광과 근적외광을 투과하는 대물렌즈로는 형석, 석영, 불화스트론튬, 불화바륨 등 파장 200 nm 부근에서 800 nm 부근까지 충분한 투과율을 갖는 재료만을 사용하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 바람직한 양태로는 각 렌즈의 성분을 접합하기 위한 접착제가 불소 지방족 고리구조를 갖는 물질로 구성된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 가시광에서 사용되고 있는 접착제는 자외광을 흡수하기 쉽고 장시간의 조사에 의해 광학적 투과 특성이 열화된다. 특히, 에폭시계는 λ356 nm 이하의 자외광이 조사되면 노란색 또는 차갈색으로 변색되기 때문에 대물렌즈에 사용하는 것은 바람직하지 않다. 또, 접착재 내부에 함유되는 휘발성 물질이 λ356 nm 이하의 자외광을 흡수하여 사용 환경 중에 부유하고 있는 -OH 기 또는 피복선 등에 함유되어 있는 가소제와 중합 반응이나 산화 반응을 일으켜 렌즈 내부에 흐려짐 등이 발생하여 본래의 광학 성능을 손상시킬 우려가 있다.
불소 지방족 고리구조를 갖는 물질은 내자외선성, 내습성, 내후성, 내약품성이 우수하다. 그래서, 접착제로서 불소 지방족 고리구조를 갖는 물질을 사용함으로써 상술한 바와 같은 사용 환경에 좌우되지 않고 안정된 상태에서 광학계를 사용할 수 있다. 본 발명에서의 불소 지방족 고리구조를 갖는 물질의 예로서, 불소 폴리머, 불소 고무, 불소 수지 등으로 구성되어 있어도 된다.
실시예
이하, 첨부 도면에 근거하여 본 발명과 관련된 현미경 대물렌즈의 실시예에 관하여 설명한다. 모든 실시예는 무한원계로 설계되어 있다. 또, 실제로현미경의 대물렌즈로서 사용하는 경우, 예를 들어 도 5 에 그 구성을 나타내는 결상 렌즈를 이미지측에 형성하여 사용한다. 이 결상 렌즈의 제원(諸元)에 관해서는 후술한다.
제 1 실시예
도 1 은 제 1 실시예와 관련된 현미경 대물렌즈의 렌즈 구성을 나타내는 도면이다. 물체측으로부터 순서대로, 물체측에 오목면을 향한 메니스커스 렌즈와 복수의 접합 렌즈를 포함하며 전체로서 양의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈군 (G1) 과, 복수의 접합 렌즈를 포함하는 제 2 렌즈군 (G2) 과, 음의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈군 (G3) 으로 구성된다.
표 2 에 본 실시예의 제원치를 나타낸다. 전체 제원에서 fT 는 파장 248 nm 의 광선에 대한 무한원시의 전계(全系)의 초점 거리로서, 상기 결상 렌즈를 사용하지 않고 제원 그 자체의 값이다. 또, NA 는 물체측의 개구수, β는 배율, W.D. 는 작동 거리에 대응하는 값, 즉 물체면과 가장 앞의 렌즈면 정상점의 거리를 각각 나타내고 있다. 렌즈 데이터에서 좌단의 숫자는 광선의 입사순에 따른 순서, R 은 렌즈면의 곡율 반경, d 는 렌즈면의 간격, 재질은 각 렌즈의 초재명을 나타내고 있다. 또, 각 재질의 각 파장에 대한 굴절율을 표 1 에 나타낸다. 표 1 에서 n248, n486 은 파장 248 nm, 486.1 nm 에 대한 굴절율을 나타내고 있다. 또, ν 는 각 렌즈의 파장 λ248 nm 을 기준으로 한 아베수를 나타내며 다음 식으로 표시된다.
ν = (n248 - 1) / (n248 - n486)
표 1
재료 n248 n486 ν
석영 1.508569 1.463166 11.201
형석 1.468016 1.437019 15.098
SrF2 1.474122 1.441252 14.424
BaF2 1.519923 1.478546 12.565
또한, 이하 모두에 실시예의 제원치에서 본 실시예와 동일한 부호를 사용한다. 또, 제원표의 초점 거리, 곡율 반경, 면간격 그 외의 길이의 단위는 일반적으로 「mm」가 사용되지만, 광학계는 비례 확대 또는 비례 축소해도 동등한 광학 성능을 얻을 수 있기 때문에 이에 한정되는 것은 아니다.
표 2
(전체 제원)
f = 4.02
NA = 0.55
β= 50 ×
W.D. = 7.485
(렌즈 데이터)
No. R d 재질
1 0.00 7.485
2 -24.4298 1.30 석영 L1
3 -127.5017 4.10 형석 L2
4 -9.2053 0.10
5 -46.0400 3.10 형석 L3
6 -20.8995 0.15
7 47.9329 1.30 석영 L4
8 15.6025 4.50 형석 L5
9 -24.7360 0.15
10 50.5372 4.90 형석 L6
11 -15.4830 1.35 BaF2 L7
12 17.6252 4.55 형석 L8
13 -28.3871 0.10
14 64.3340 4.50 형석 L9
15 -13.7278 1.30 석영 L10
16 9.8383 5.25 형석 L11
17 -17.1234 1.10
18 -14.8275 1.30 석영 L12
19 7.7813 4.50 형석 L13
20 -26.2162 1.50
21 -13.8401 1.30 석영 L14
22 10.8989 4.50 SrF2 L15
23 -11.2815 1.30 석영 L16
24 -45.5926 0.11
25 9.2155 3.20 형석 L17
26 -301.0727 1.35 석영 L18
27 8.3953 11.50
28 -38.8726 1.90 형석 L19
29 11.1236 3.20 석영 L20
30 -11.8642 0.30
31 8.1297 3.10 석영 L21
32 -25.3738 1.30 형석 L22
33 6.0366 2.50
34 -5.6201 1.30 형석 L23
35 4.5665 2.00 석영 L24
36 28.1701
(조건식 대응치)
f1 / f = 3.57
f2 / f = 60.5
f3 / f = 20.47
도 2 는 본 실시예와 관련된 현미경 대물렌즈의 제수차를 나타내는 도면이다. 제수차도에서 실선은 248 nm, 파선은 251 nm, 1 점 쇄선은 245 nm, 2 점 쇄선은 486 nm 에서의 수차를 각각 나타내고 있다. 또한, 이하 모든 실시예의 제수차도에서 본 실시예와 동일한 부호를 사용한다. 또, 모든 실시예의 제수도는 상술한 결상 렌즈를 사용하여 결상한 것이다.
제수차도에서도 알 수 있는 바와 같이 파장 248 ± 3 nm 과 486 nm 에서 제수차가 양호하게 보정되고 있는 것을 알 수 있다.
제 2 실시예
도 3 은 제 2 실시예와 관련된 현미경 대물렌즈의 렌즈 구성을 나타내는 도면이다. 물체측으로부터 순서대로, 물체측에 오목면을 향한 메니스커스 렌즈와 복수의 접합 렌즈를 포함하며 전체로서 양의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈군 (G1) 과, 복수의 접합 렌즈를 포함하는 제 2 렌즈군 (G2) 과, 음의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈군 (G3) 으로 구성된다.
표 3 에 본 실시예의 제원치를 나타낸다.
표 3
(전체 제원)
f = 4.02
NA = 0.55
β= 50 ×
W.D. = 7.485
(렌즈 데이터)
No. R d 재질
1 0.00 7.485
2 -26.5625 1.30 석영 L1
3 -127.5017 4.10 형석 L2
4 -9.2130 0.10
5 -44.8702 3.10 형석 L3
6 -20.3411 0.15
7 56.5862 1.30 석영 L4
8 15.0958 5.70 형석 L5
9 -25.5130 0.15
10 46.0073 4.90 형석 L6
11 -16.2574 1.35 BaF2 L7
12 17.5122 4.90 형석 L8
13 -28.8393 0.10
14 65.6196 4.50 형석 L9
15 -14.5208 1.30 석영 L10
16 9.8793 6.20 형석 L11
17 -17.4204 1.10
18 -15.1415 1.30 석영 L12
19 7.6954 4.80 형석 L13
20 -27.1941 1.50
21 -14.0609 1.30 석영 L14
22 11.1782 4.50 SrF2 L15
23 -11.7254 1.30 석영 L16
24 -49.6395 0.11
25 9.1794 3.20 형석 L17
26 -648.1708 1.35 석영 L18
27 8.3295 11.50
28 -41.5761 1.90 형석 L19
29 11.0686 3.20 석영 L20
30 -11.7411 0.30
31 8.1996 3.10 석영 L21
32 -24.7625 1.30 형석 L22
33 6.0579 2.50
34 -5.5963 1.30 형석 L23
35 4.5599 2.00 석영 L24
36 27.9908
(조건식 대응치)
f1 / f = 3.66
f2 / f = 46.94
f3 / f = 23.01
도 4 는 본 실시예와 관련된 현미경 대물렌즈의 제수차를 나타내는 도면이다. 제수차도에서도 알 수 있는 바와 같이 파장 248 ± 3 nm 과 486 nm 에서 제수차가 양호하게 보정되고 있는 것을 알 수 있다.
또, 도 5 는 상술한 결상 렌즈의 렌즈 구성을 나타내는 도면이다. 이 결상 렌즈의 제원치를 표 4 에 나타낸다.
표 4
(전체 제원)
f = 200
(렌즈 데이터)
No. R d 재질
1 -30.630 2.00 석영
2 2406.000 5.00 형석
3 -39.100 1.00
4 -417.400 5.00 석영
5 -51.920
또한, 상기 각 실시예의 제수차도는 파장 248 ± 3 nm 과 486 nm 일 때의 것을 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 파장 800 nm 부근의 근적외 영역에서도 제수차가 양호하게 보정되고 있다.
이상의 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 자외역과 근자외역 및 근적외역에서의 사용에 내구성을 가지며, 충분한 투과율을 확보한 재료를 사용하면서 축상 색수차 및 제수차가 양호하게 보정되며, 또한 비교적 작동 거리도 긴 현미경 대물렌즈를 제공할 수 있다.
Claims (6)
- 물체측으로부터 순서대로, 물체측에 오목면을 향한 메니스커스 렌즈와 복수의 접합 렌즈를 포함하며 전체로서 양의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈군과, 복수의 접합 렌즈를 갖는 제 2 렌즈군과, 복수의 접합 렌즈를 포함하며 전체로서 음의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈군을 구비하여 이하의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 현미경 대물렌즈.2.5＜｜f1/f｜＜5 ㆍㆍㆍㆍ(1)30＜｜f2/f｜＜70 ㆍㆍㆍㆍ(2)15＜｜f3/f｜＜30 ㆍㆍㆍㆍ(3)여기에서, f1 은 상기 제 1 렌즈군의 초점 거리,f2 는 상기 제 2 렌즈군의 초점 거리,f3 은 상기 제 3 렌즈군의 초점 거리,f 는 상기 현미경 대물렌즈 전계(全系)의 초점 거리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 렌즈군은 1 면 이상의 접합면을 갖는 접합 렌즈를 3 군 이상 갖는 것을 특징으로 하는 현미경 대물렌즈.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 렌즈군은 1 면 이상의 접합면을 갖는 접합 렌즈를 1 군 이상 갖는 것을 특징으로 하는 현미경 대물렌즈.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈군은 1 개 이상의 볼록 메니스커스 렌즈와 1 면 이상의 접합면을 갖는 접합 렌즈를 1 군 이상과, 1 개 이상의 단일렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 현미경 대물렌즈.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 렌즈를 구성하는 유리 재료가 형석, 석영, 불화바륨 또는 불화스트론튬인 것을 특징으로 하는 현미경 대물렌즈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 현미경 대물렌즈가 갖는 상기 각 접합 렌즈에서 각 렌즈 성분을 접합하는 접착제는 불소 지방족 고리구조를 갖는 물질로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 현미경 대물렌즈.
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