WO1989000709A1 - Dispositif optique de collection de lumiere formant objectif a miroir de grande ouverture numerique - Google Patents

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WO1989000709A1
WO1989000709A1 PCT/FR1988/000367 FR8800367W WO8900709A1 WO 1989000709 A1 WO1989000709 A1 WO 1989000709A1 FR 8800367 W FR8800367 W FR 8800367W WO 8900709 A1 WO8900709 A1 WO 8900709A1
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mirror
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ellipsoidal
orifice
mirrors
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PCT/FR1988/000367
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Michel Delhaye
Michel Truchet
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs
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    • G02B21/02—Objectives
    • G02B21/04—Objectives involving mirrors

Definitions

  • Optical light collection device forming a large digital aperture mirror lens.
  • the invention relates to microscopy, in particular analytical microscopy.
  • the collection optics must also work on as wide a range of wavelengths as possible; ideally, the collection opti ⁇ should be achromatic from infrared to ultraviolet.
  • the collection optics is the objective.
  • One of these optical devices comprises two mirrors each defined by an elliptical (more exactly ellipsoidal) concave reflecting surface, provided with an orifice at the top of its major axis.
  • the assembly proposed in the previous patent application ( Figure 6) is a symmetrical arrangement of the two mirrors.
  • the probe beam (for example an electron beam) enters the plane of symmetry, and the object is arranged at the center of symmetry.
  • the invention therefore relates to a lens with large numerical aperture, in particular for microscopy, comprising a first mirror which has a concave ellipsoidal reflecting surface, provided with an orifice at the top of its major axis, a second plane mirror, perpendicular to the major axis of the ellipsoidal reflecting surface, and disposed substantially at equal distance between said orifice, which serves as an outlet orifice, and the second focal point of the ellipsoidal surface.
  • the object location is located at the first focal point thereof, and the pupil is defined by the large diameter free edge of the first mirror. It is interesting that the free edge is close to the second mirror.
  • the plane mirror is arranged substantially at the level of the first focal point of said ellipsoidal surface. This condition also fixes the eccentricity of this same ellipsoidal surface.
  • an object-holder is mounted in the plane mirror, at its intersection with the major axis of the ellipsoidal reflecting surface of the first mirror.
  • the exit orifice of the objective according to the present invention is coupled with at least one other goal.
  • This other objective can advantageously be constructed like the first.
  • the mirrors can be machined from a block of metal, such as very pure aluminum, optically polished. They can also be very pure beryllium. They can still be produced by multi-electric coating of a suitable substrate.
  • the body defining the first mirror is advantageously traversed by bores. These allow the passage of excitation beams (electronic, ionic or laser probe) and / or of beams emitted by the sample for X-ray or optical spectrometry, mass spectrometry, or Ra analysis. year.
  • the object can be lit from behind, the object holder then being transparent.
  • FIG. 1 is a block diagram of an elementary optical device according to the present invention.
  • FIG. 1 is a figure detailing the operation of the device of Figure 1;
  • - Figure 3 is a more complete optical device associating with the mirror lens a lens with a conventional lens; and - Figure 4 illustrates a device combining in cascade two mirror objectives according to the invention.
  • v the angular opening of entry and u the angular opening of exit. If n denotes the refractive index of the optical propagation medium, the digital input aperture is equal to the product n.sin v.
  • the limitations of the digital input aperture are generally due to aberrations.
  • the limit corresponds to an angle v of approximately 72 °, for a numerical aperture of 0.95; the spectral bandwidth is also relatively reduced.
  • the angle v is approximately 40 °, for a numerical aperture of 0.65.
  • Figure 1 illustrates an embodiment of this kind which is particularly advantageous.
  • the first mirror is defined by a body or substrate C1, the inner wall Ml of which forms an elliptical reflecting surface.
  • the two focal points of the ellipse are noted Fi and F2 "At the top, on the major axis F1-F2 of the ellipse, we see an orifice 010, flared outwards so as to correspond to the exit opening angle, which is here equal to approximately 53 ° (value given as a preferred example).
  • the second mirror carried by a body C2, is defined by a planar reflecting surface M2 thereof.
  • the mirror M2 is in principle perpendicular to the major axis F1-F2 (if the outlet orifice is placed at the top 0 of the body Cl; it could be otherwise in other embodiments).
  • the object (not shown) is placed at the focal point F * ] _ of the ellipsoidal mirror Ml. This mirror would therefore form an image of it in F2.
  • the image at F2 is transferred by the mirror M2 to the outlet orifice O10 of the mirror Ml.
  • the major advantage of this arrangement is that no fine adjustment of the second mirror M2 is required, because it simply suffices for it to be substantially perpendicular to the major axis F 1 ⁇ F 2 - ⁇ u ellipsoidal mirror Ml.
  • the mirror M2 does not necessarily pass through the focal point F] _.
  • the OFj_ and F_ F2 parameters defining the ellipsoidal mirror Ml can be chosen at will. However, it is important not to stray too far from a sphere, because the useful object field then becomes very small.
  • the object can be placed at the intersection of the plane mirror M2 with the axis F * ] _- F2, in a cell of circular cross section, with a grid for PO support, for example of the type commonly used in electron microscopy.
  • a grid for PO support for example of the type commonly used in electron microscopy.
  • the plane mirror M2 can be part of the object holder. which is then adjustable according to a positioning with three dimensions. Indeed, we can admit a fairly wide tolerance for the postponement of the image in the vicinity of point 0 by the plane mirror.
  • the height of the body C1 is 8.5 mm. Its diameter is 25 mm.
  • the diameter of the O10 hole is 0.5 mm.
  • the distance between the neighboring parts of the body C1 and of the body C2 is 0.25 mm.
  • the distance OF * ] _ is 7.5 mm.
  • the exit angle u then has a sine equal to 0.8, which corresponds to an angle of 53 ° 13, close to the 53 ° already indicated.
  • the objective thus obtained according to the invention can therefore easily be coupled to existing objective lenses, having a digital input aperture equal to 0.8.
  • Such objectives currently exist in commerce, but are only corrected for a reduced spectral range.
  • FIG. 3 schematically illustrates the coupling of a first objective according to the present invention with a conventional microscope objective OJ3 with digital aperture 0.8.
  • mirror optics for example ellipsoids off the axis, or parabolic off the axis if a parallel output beam is desired (FIGS. 7 and 6, respectively, described below).
  • FIG. 4 An interesting variant is illustrated in FIG. 4. It consists in implementing, in cascade, two objectives (or more) according to the present invention.
  • the first objective is the same as above, except that the upper face of the body C1, flat, is again provided with a reflective surface M20.
  • This reflective surface M20 cooperates with a second ellipsoidal mirror M10 formed in a body C10, provided in the upper part with an opening 020.
  • this second mirror M10 has the same characteristics as M1, the digital aperture of the beam leaving through the orifice 020 is 0.47, which corresponds to a half-angle of 28 °.
  • Such an opening is compatible with coupling to a third commercially available Cassegrain-Schwartzchild type spherical mirror lens; it is also compatible with an ellipsoidal or parabolic mirror.
  • FIG. 5 relates to a cascade arrangement of two objectives according to the invention and of an objective according to Cassegrain-Schwarz-child, the whole entirely with mirrors, therefore achromatic from ultraviolet to infrared, and passing from an opening digital 1 to a parallel beam. Its lower part is identical to FIG. 4.
  • the light coming from the orifice O20 is received by the mirror M15, generally spherical, hollowed out in a body C15.
  • the mirror M25 (spherical for a numerical aperture of 0.47) returns the light towards the exit orifice 015.
  • Another mirror M27, plane, inclined at 45 °, can be used for a lateral return of light.
  • the mirrors M25 and M27 are drilled on the axis O20-O15. It is recalled that the optical shadow cone necessarily due to the mirror M25 can be used to pass an electron beam, in the application to the electron microprobe.
  • the assembly of FIG. 5 provides an achromatic optical system from the ultraviolet to the infrared, passing from a digital aperture unit to a parallel beam.
  • FIG. 6 illustrates another way of obtaining a parallel beam at the output of one (or more) objective according to the invention (such as that of FIG. 1).
  • the light from orifice 010 is collected by a mirror MP, consisting of a portion of a paraboloid of revolution whose focal point F3 coincides with the vertex 0 (figure 1) of the ellipsoid associated with the mirror Ml .
  • the axis AP of the paraboloid is parallel to the mirror M2.
  • the output beam FS is parallel.
  • FIG. 7 illustrates another variant where the output mirror is a portion of ellipsoid ME of which a focal point F3 is at 0.
  • the output beam FS converges in its other focal point F4.
  • the two focal points F3 and F4 can be on the axis F1-F2, the mirror ME then being a doubly truncated ellipsoid (or an asymmetrical surface similar to an ellipsoid, in the shape of an egg for example).
  • the same remark as for the axis applies to the paraboloid of figure 6.
  • the mirrors can be obtained for example by direct, automatic machining ("size") of a metal block (very pure aluminum for example, or very pure beryllium).
  • size a metal block (very pure aluminum for example, or very pure beryllium).
  • a variant consists in adding a metallic or multi-electric coating to define the reflecting surface. This variant could also apply to the case where the bodies C1 and / or C2 are made of glass or of synthetic material, generated by size or by molding.
  • the objective of the invention is very easily housed in the space provided between the lens and the sample holder, within a microscope and / or an electronic microprobe .
  • An objective according to the invention is housed between the sample holder and the pole pieces of the last magneti ⁇ condenser.
  • the passage through the orifice of the pole pieces can be done using the second objective according to the invention (FIG. 5), which also shows the usual Cassegrain optics of an electronic microprobe.
  • the passage of the pole pieces can also be done using the paraboloid or the ellipsoid of Figures 6 and 7, doubly truncated and mounted coaxially.
  • the axial and lateral orifices O10, 011 and 012 drilled in the body Cl of the primary mirror Ml can be used for the passage of the probe beam and of the analysis beams which can be a laser beam, an X-ray beam, a beam of particles, electrons, or ions.

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Abstract

Un objectif à grande ouverture numérique d'entrée est obtenu par un miroir elliptique (M1) défini à l'intérieur d'un corps (C1), et coopérant avec un miroir plan (M2) perpendiculaire au grand axe (F1-F2) du miroir (M1). Le miroir (M2) passe au voisinage du foyer (F1) du miroir (M1). Cet objectif possède une très grande ouverture numérique d'entrée, pour une ouverture numérique de sortie compatible avec la plupart des applications de microscopie et/ou de microanalyse.

Description

Dispositif optique de collection de lumière formant objectif à miroir de grande ouverture numérique.
L'invention concerne la microscopie, notamment la micros- copie analytique.
Dans ce domaine, il est toujours souhaitable de collecter le maximum de la lumière émise par l'objet, donc de disposer à cet effet d'une ouverture numérique élevée. Il faut encore que l'optique de collection travaille sur une gamme de lon¬ gueurs d'onde aussi large que possible; idéalement, l'opti¬ que de collection devrait être achromatique de 1'infrarouge à l'ultraviolet.
Dans un microscope, l'optique de collection est l'objectif. Les objectifs à lentilles actuels, même de qualité et de prix élevés, ne satisfont pas la double condition de grande ouverture numérique de collection et d'achromaticité sur une large bande.
Par ailleurs, dans la Demande de Brevet français N° 86 04947, le Demandeur a proposé de nouveaux dispositifs optiques. Ceux-ci permettent, en microanalyse, de mettre en oeuvre en même temps, sur un même échantillon, plusieurs techniques d'analyse : sonde électronique et/ou ionique, ou sonde laser, ou spectro étrie X et/ou optique, ou spectrométrie de masse, ou sonde Raman.
L'un de ces dispositifs optiques comprend deux miroirs défi- nis chacun par une surface réfléchissante elliptique (plus exactement ellipsoïdale) concave, munie d'un orifice au sommet de son grand axe. Le montage proposé dans la Demande de Brevet antérieure (figure 6) est un agencement symétrique des deux miroirs. Le faisceau sonde (par exemple un faisceau d'électrons) entre dans le plan de symétrie, et l'objet est disposé au centre de symétrie.
En poursuivant ses travaux, le Demandeur a découvert un nouvel objectif, permettant de résoudre le problème mentionné plus haut.
L'invention concerne donc un objectif à grande ouverture numérique, en particulier pour microscopie, comprenant un premier miroir qui possède une surface réfléchissante ellip- soidale concave, munie d'un orifice au sommet de son grand axe, un second miroir plan, perpendiculaire au grand axe de la surface réfléchissante ellipsoïdale, et disposé sensi¬ blement à égale distance entre ledit orifice, qui sert d'ori¬ fice de sortie, et le second foyer de la surface ellipsoïda- le. L'emplacement d'objet est situé au niveau du premier foyer de celle-ci, et la pupille est définie par le bord libre de grand diamètre du premier miroir. Il est intéressant que le bord libre avoisine le second miroir.
Avantageusement, le miroir plan est disposé sensiblement au niveau du premier foyer de ladite surface ellipsoïdale. Cette condition fixe également l'excentricité de cette même surface ellipsoïdale.
Selon un autre aspect de l'invention, un porte-objet est monté dans le miroir plan, au niveau de son intersection avec le grand axe de la surface réfléchissante ellipsoïdale du premier miroir. On obtient ainsi un montage très simple qui permet l'ajustement automatique de mise au point. Pour cela, il suffit par exemple que le corps portant le second miroir soit muni de moyens de déplacement fins, lesquels servent donc en même temps au déplacement du porte-objet.
Pour certaines applications, il est utile que l'orifice de sortie de l'objectif selon la présente invention soit couplé à au moins un autre objectif. Cet autre objectif peut, avantageusement, être construit comme le premier.
Par ailleurs, les miroirs peuvent être usinés dans un bloc d'un métal, tel que l'aluminium très pur, poli optiquement. Ils peuvent également être en béryllium très pur. Ils peu¬ vent encore être réalisés par revêtement multidiélectrique d'un substrat adéquat.
Pour l'application en microanalyse, notamment, le corps définissant le premier miroir est avantageusement traversé par des alésages. Ceux-ci permettent le passage de faisceaux d'excitation (sonde électronique, ionique ou laser) et/ou de faisceaux émis par l'échantillon pour la spectrométrie à rayons X ou optiques, la spectrométrie de masse, ou l'ana¬ lyse Ra an.
En microscopie optique traditionnelle, l'éclairage de l'ob¬ jet peut être effectué par l'arrière, le porte-objet étant alors transparent.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa¬ raîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif optique élémentaire selon la présente invention;
- la figure 2 est une figure précisant le fonctionnement du dispositif de la figure 1;
- la figure 3 est un dispositif optique plus complet asso¬ ciant à l'objectif à miroir un objectif à lentille classi¬ que; et - la figure 4 illustre un dispositif associant en cascade deux objectifs à miroir selon l'invention.
Les dessins annexés comportent des éléments, notamment géo- métriques, de caractère certain. En conséquence, ils pour¬ ront non seulement servir à mieux faire comprendre la des¬ cription détaillée ci-après, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant.
Dans un objectif, on notera ici v l'ouverture angulaire d'entrée et u l'ouverture angulaire de sortie. Si n désigne l'indice de réfraction du milieu de propagation optique, l'ouverture numérique d'entrée est égale au produit n.sin v.
Les limitations de l'ouverture numérique d'entrée sont géné¬ ralement dues aux aberrations. Pour les systèmes à lentilles, la limite correspond à un angle v d'environ 72°, pour une ouverture numérique de 0,95; la largeur de bande spectrale est par ailleurs relativement réduite. Pour les objectifs à miroirs connus, du type Cassegrain-Schwarzchild, l'angle v vaut environ 40°, pour une ouverture numérique de 0,65. On peut observer qu'un miroir ellipsoïdal permet d'atteindre un angle solide de collection beaucoup plus élevé; mais le faisceau de sortie possède également un angle d'ouverture très élevé, incompatible avec le couplage du collecteur de lumière avec un instrument d'analyse spectrale, tel qu'un monochromateur ou un interféromètre. Est à prendre en compte également la présence d'un porte-objet, en coopération avec un tel miroir. Il en découle une perte sur le faisceau opti- que utile.
Le Demandeur a observé que, pour concilier un angle solide de collection élevé, avec un faisceau de sortie d'ouverture réduite, il est souhaitable de combiner deux miroirs. La figure 1 illustre une réalisation de ce genre qui est particulièrement avantageuse.
Le premier miroir est défini par un corps ou substrat Cl, dont la paroi intérieure Ml forme une surface réfléchissante elliptique. Les deux foyers de l'ellipse sont notés Fi et F2» Au sommet, sur le grand axe F1-F2 de l'ellipse, on pré¬ voit un orifice 010, évasé vers l'extérieur de façon à corres¬ pondre à l'angle d'ouverture de sortie, qui est ici égal à environ 53° (valeur donnée à titre d'exemple préférentiel).
Le second miroir, porté par un corps C2, est défini par une surface réfléchissante plane M2 de celui-ci. Le miroir M2 est en principe perpendiculaire au grand axe F1-F2 (si l'orifice de sortie est placé au sommet 0 du corps Cl; il pourrait en être autrement dans d'autres réalisations).
L'objet (non représenté) est placé au foyer F*]_ du miroir ellipsoïdal Ml. Ce miroir en formerait donc une image en F2. L'image en F2 est reportée par le miroir M2 au niveau de l'orifice de sortie O10 du miroir Ml.
L'intérêt majeur de cette disposition est qu'aucun réglage fin du second miroir M2 n'est requis, car il suffit simple- ment qu'il soit sensiblement perpendiculaire au grand axe F1~F2 -^u miroir ellipsoïdal Ml.
Dans le cas général de l'invention, le miroir M2 ne passe pas nécessairement par le foyer F]_. On peut choisir à volon- té les paramètres OFj_ et F_ F2 définissant le miroir ellip¬ soïdal Ml. Cependant, il convient de ne pas s'éloigner trop d'une sphère, car le champ objet utile devient alors très petit.
Les conditions exprimées jusqu'à présent n'exigent pas que le miroir M2 soit placé en F**_ mais simplement qu'il soit placé au milieu du segment OF2 pour que l'image coïncide avec l'orifice de sortie O10. Cependant, l'existence d'une image virtuelle de l'objet (donnée par le miroir plan) qui ne coïncide pas avec le foyer F*j_ engendre une lumière para¬ site gênante.
En pratique, l'objet lui-même, ainsi que son support, limi¬ tent lraccès à un demi-espace (180°). Le Demandeur a observé que ceci rend dans la plupart des cas inutile la recherche d'une ouverture numérique supérieure à 1, ce qui correspond à un angle solide de collection de 2 pi stéradians.
Dans ces conditions, la configuration la plus intéressante de l'invention, pour une ouverture numérique de collection unité (soit v = 90°),est donc limitée par un plan perpendicu¬ laire à lraxe et contenant le foyer F**_, comme visible sur la figure 1. Les distances OF*]_ et F1F2 sont alors égales,' ce qui fixe l'excentricité de l'ellipsoïde.
Il convient donc de placer le miroir M2 au voisinage du foyer F*]_. On- observera que le miroir ellipsoïdal Ml reste ici assez proche de la sphère pour conserver un champ objet utile satisfaisant.
Des avantages pratiques intéressants en découlent, car l'ob¬ jet peut être placé à l'intersection du miroir plan M2 avec l'axe F*]_-F2, dans un alvéole de section circulaire, avec pour porte-objet PO une grille support, par exemple du type couramment employé en microscopie électronique. Dès lors que l'objet est petit, l'obturation centrale qui en résulte (pour les faisceaux lumineux utiles) est pratiquement négli¬ geable.
De plus, le miroir plan M2 peut faire partie du porte-objet. qui est alors réglable selon un positionnement à trois di¬ mensions. En effet, on peut admettre une tolérance assez large quant au report de l'image au voisinage du point 0 par le miroir plan.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la hauteur du corps Cl est de 8,5 mm. Son diamètre est de 25 mm. Le diamètre de l'orifice O10 est de 0,5 mm. La distan¬ ce entre les parties voisines du corps Cl et du corps C2 est de 0,25 mm. Enfin, la distance OF*]_ est de 7,5 mm.
Il est maintenant fait référence à la figure 2, pour la détermination de l'ouverture numérique de sortie, dans le mode de réalisation préférentiel où le miroir M2 passe par le foyer F]_. La distance focale est maintenant notée f. Si M est le point situé à l'intersection (fictive) des sur¬ faces réfléchissantes Ml et M2, on note a et b ses distances aux foyers F2 et Fj_. Conformément aux propriétés de 1'ellip¬ se, la somme a+b est égale à 3.f. De plus, pour le point M, on observera sur la figure 2 que MFi est perpendiculaire à F]_-F2. De cela, on peut déduire les deux relations sui¬ vantes :
a = 3.f - b
a2 = f2 + b2
Il en découle que a est égal à 5/3 f et que b est égal à 4/3 f.
L'angle de sortie u possède alors un sinus égal à 0,8, ce qui correspond à un angle de 53°13, proche des 53° déjà indiqués.
Ainsi, pour une ouverture numérique d'entrée ou de collée- tion égale à l'unité, on obtient une ouverture numérique de sortie égale à 0,8 dans l'air ou dans le vide.
L'objectif ainsi obtenu selon l'invention peut donc facile- ment se coupler à des objectifs existants à lentilles, possé¬ dant une ouverture numérique d'entrée égale à 0,8. De tels objectifs existent actuellement dans le commerce, mais ne sont corrigés que pour une gamme spectrale réduite.
Ainsi, la figure 3 illustre schématiquement le couplage d'un premier objectif selon la présente invention avec un objectif de microscope classique OJ3 d'ouverture numérique 0,8.
Pour conserver l'achromaticité, il est préférable de coupler l'objectif selon l'invention à des optiques à miroirs, par exemple ellipsoïdes hors l'axe, ou paraboliques hors l'axe si on désire un faisceau de sortie parallèle (figures 7 et 6, respectivement, décrites plus loin).
Une variante intéressante est illustrée sur la figure 4. Elle consiste à mettre en oeuvre, en cascade, deux objectifs (ou plus) selon la présente invention.
Le premier objectif est le même que précédemment, sauf que la face supérieure du corps Cl, plane, est à nouveau munie d'une surface réfléchissante M20. Cette surface réfléchis¬ sante M20 coopère avec un second miroir ellipsoïdal M10 ménagé dans un corps C10, muni en partie supérieure d'une ouverture 020.
Si ce second miroir M10 a les mêmes caractéristiques que Ml, l'ouverture numérique du faisceau sortant par l'orifice 020 est de 0,47, ce qui correspond à un demi-angle de 28°. Une telle ouverture est compatible avec le couplage à un troisième objectif à miroirs sphériques de type Cassegrain- Schwartzchild existant dans le commerce; il est également compatible avec un miroir ellipsoïdal ou parabolique.
La figure 5 concerne un montage en cascade de deux objectifs selon l'invention et d'un objectif selon Cassegrain-Schwarz- child, le tout entièrement à miroirs, donc achromatique de l'ultraviolet à l'infrarouge, et passant d'une ouverture numérique 1 à un faisceau parallèle. Sa partie basse est identique à la figure 4. La lumière issue de l'orifice O20 est reçue par le miroir M15, en général sphérique, creusé dans un corps C15.
Le miroir M25 (sphérique pour une ouverture numérique de 0,47) renvoie la lumière vers l'orifice de sortie 015. Un autre miroir M27, plan, incliné à 45°, peut être utilisé pour un renvoi latéral de lumière.
Les miroirs M25 et M27 sont percés sur l'axé O20-O15. Il est rappelé que le cône d'ombre optique nécessairement dû au miroir M25 peut être utilisé pour faire passer un faisceau d'électrons, dans l'application à la microsonde électronique.
Le montage de la figure 5 fournit un système optique achroma- tique de l'ultraviolet à l'infrarouge, passant d'une ouver¬ ture numérique unité à un faisceau parallèle.
La figure 6 illustre une autre manière d'obtenir un faisceau parallèle en sortie d'un (ou plusieurs) objectif selon 1'in- vention (tel celui de la figure 1).
La lumière issue de l'orifice 010 est recueillie par un miroir MP, constitué d'une portion de paraboloïde de révolu¬ tion dont le foyer F3 est confondu avec le sommet 0 (figu- re 1) de l'ellipsoïde associé au miroir Ml. Pour un renvoi à 90°, l'axe AP du paraboloïde est parallèle au miroir M2. Le faisceau de sortie FS est parallèle.
La figure 7 illustre une autre variante où le miroir de sortie est une portion d'ellipsoïde ME dont un foyer F3 est en 0. Le faisceau de sortie FS converge en son autre foyer F4. Pour certaines applications, les deux foyers F3 et F4 peuvent être sur l'axe F1-F2, le miroir ME étant alors un ellipsoïde doublement tronqué (ou une surface asymétrique semblable à un ellipsoïde, en forme d'oeuf par exemple). La même remarque quant à l'axe vaut pour le paraboloïde de la figure 6.
L'homme de l'art comprendra que l'un des avantages essentiels des objectifs selon la présente invention est la possibilité de les réaliser, à caractéristiques optiques comparables, à un prix nettement inférieur, tandis que leur structure à miroirs permet très aisément, et sans aberration, un fonc¬ tionnement sur l'ensemble du spectre optique, de l'infra- rouge à l'ultraviolet. Aucun objectif à lentilles actuel ne possède ces propriétés.
Les miroirs peuvent être obtenus par exemple par usinage direct, automatique ("taille") d'un bloc métallique (alumi- nium très pur par exemple, ou encore Béryllium très pur) . Une variante consiste à rapporter un revêtement métallique ou multidiélectrique pour définir la surface réfléchissante. Cette variante pourrait encore s'appliquer au cas où les corps Cl et/ou C2 seraient en verre ou en matière synthéti- que, engendrés par taille ou par moulage.
Quoique les objectifs selon la présente invention soient conçus pour la microscopie analytique, ils peuvent trouver des applications très intéressantes en microscopie photoni- que, notamment en ultraviolet et infrarouge. Quant aux applications en microscopie analytique, le contenu descriptif de la Demande de Brevet 86 04 947 est à considérer comme incorporé à la présente description.
On notera que, mieux encore que ceux précédemment décrits, l'objectif de l'invention se loge très aisément dans l'espace prévu entre la lentille et le porte-échantillon, au sein d'un microscope et/ou d'une microsonde électronique.
Un objectif selon l'invention est logé entre le porte-échan¬ tillon et les pièces polaires du dernier condenseur magnéti¬ que. Le passage dans l'orifice des pièces polaires peut se faire à l'aide du second objectif selon l'invention (fi¬ gure 5), qui montre également l'optique de Cassegrain habi- tuelle d'une microsonde électronique. Le passage des pièces polaires peut également se faire à l'aide du paraboloïde ou de l'ellipsoïde des figures 6 et 7, doublement tronqué et monté coaxialement.
C'est dans ces conditions que l'objectif de l'invention peut s'appliquer au procédé de microanalyse rappelé plus haut, de la manière décrite en détail dans la Demande de Brevet antérieure N° 86 04 947.
Les orifices axiaux et latéraux O10, 011 et 012 percés dans le corps Cl du miroir primaire Ml (figure 1) peuvent servir au passage du faisceau sonde et des faisceaux d'analyse qui peuvent être un faisceau laser, un faisceau de rayons X, un faisceau de particules, d'électrons, ou encore d'ions.
Dans le cas d'une utilisation en microscopie photonique, il conviendra naturellement d'incorporer l'objectif selon l'invention à un petit barillet muni d'un filetage standard de microscope, la chose étant aisée compte tenu de sa petite taille. Les orifices latéraux 011 et 012 sont alors inutiles. L'objectif de l'invention est également intéressant pour des cryostats à basse température, où un écran thermique est nécessaire. Il assure très bien cette fonction, de par sa constitution métallique.

Claims

Revendications.
1. Objectif à grande ouverture numérique, en particulier pour microscope, caractérisé en ce qu'il comprend, en combi- naison, un premier miroir (Ml) qui possède une surface réflé¬ chissante ellipsoïdale concave, munie d'un orifice (010) au sommet de son grand axe, et- un second miroir plan (M2), perpendiculaire au grand axe de la surface réfléchissante ellipsoïdale et disposé sensiblement à égale distance entre ledit orifice (010) et le second foyer (F2) de la surface ellipsoïdale, un emplacement d'objet disposé sensiblement au niveau du. premier foyer (F]_) de ladite surface ellipsoï¬ dale, la lumière de sortie convergeant au niveau de l'orifice (010), et la pupille étant définie par le bord libre de grand diamètre de la surface ellipsoïdale.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir plan (M2) est disposé sensiblement au niveau du premier foyer (F*]_) .
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le porte-objet (PO) est monté dans le miroir plan, au niveau de son intersection avec l'axe de la surface réflé¬ chissante ellipsoïdale.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le corps (C2) portant le second miroir est muni de moyens de déplacement fin, servant en même temps au déplacement du porte-objet.
5'. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bord libre de grand diamètre du premier miroir avoisine le second miroir.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par une ouverture numérique proche de 1 à l'en¬ trée, et de 0,8 en sortie.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau sortant par l'orifice (010) est couplé à au moins un autre système optique ou objectif.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que cet autre objectif est construit comme le premier.
9. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, carac¬ térisé en ce que l'orifice de sortie est couplé à une portion de miroir sensiblement ellipsoïdal.
10. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, carac¬ térisé en ce que l'orifice de sortie est couplé à un objectif de Cassegrain ou à une portion de miroir parabolique, ce qui fournit un faisceau de sortie parallèle.
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les miroirs (Ml, M2) sont usinés dans un bloc d'un métal, tel que l'aluminium très pur.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les miroirs (Ml, M2) sont en béryllium très pur.
13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les miroirs (Ml, M2) sont réalisés par revêtement multidielectrique ou metallisation d'un subs¬ trat.
14. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps (Cl) définissant le premier miroir est traversé par des alésages permettant le passage de faisceaux-sonde et de faisceaux d'analyse, électronique, ionique, laser, et, ou pour la spectrométrie à rayons X ou optique, la spectrométrie de masse ou l'analyse Raman.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4245286B2 (ja) * 2000-10-23 2009-03-25 株式会社ニコン 反射屈折光学系および該光学系を備えた露光装置
US20130141803A1 (en) * 2011-12-01 2013-06-06 Gatan, Inc. Apparatus for collection of cathodoluminescence signals
US10309907B2 (en) * 2015-03-04 2019-06-04 Kla-Tencor Corporation All reflective wafer defect inspection and review systems and methods

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1393577A (fr) * 1964-02-14 1965-03-26 Europ De Materiels Speciaux So Dispositif de collimation pour rayonnement infrarouge
FR1454269A (fr) * 1965-11-17 1966-07-22 Perfectionnements aux systèmes optiques
FR1497133A (fr) * 1965-10-21 1967-10-06 Siemens Ag Réflecteur cylindro-elliptique, en particulier pour des dispositifs maser ou laser
US4084887A (en) * 1976-05-07 1978-04-18 Kms Fusion, Inc. All-reflective optical target illumination system with high numerical aperture
US4161351A (en) * 1976-05-07 1979-07-17 The United States Of America As Represented By The Department Of Energy All-reflective optical target illumination system with high numerical aperture
DE2916768B1 (de) * 1979-04-25 1980-06-04 Heimann Gmbh Optische Anordnung fuer einen passiven Infrarot-Bewegungsmelder
FR2596863A1 (fr) * 1986-04-07 1987-10-09 Centre Nat Rech Scient Dispositif de microscopie analytique, propre a former a la fois une sonde raman et une sonde electronique

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1393577A (fr) * 1964-02-14 1965-03-26 Europ De Materiels Speciaux So Dispositif de collimation pour rayonnement infrarouge
FR1497133A (fr) * 1965-10-21 1967-10-06 Siemens Ag Réflecteur cylindro-elliptique, en particulier pour des dispositifs maser ou laser
FR1454269A (fr) * 1965-11-17 1966-07-22 Perfectionnements aux systèmes optiques
US4084887A (en) * 1976-05-07 1978-04-18 Kms Fusion, Inc. All-reflective optical target illumination system with high numerical aperture
US4161351A (en) * 1976-05-07 1979-07-17 The United States Of America As Represented By The Department Of Energy All-reflective optical target illumination system with high numerical aperture
DE2916768B1 (de) * 1979-04-25 1980-06-04 Heimann Gmbh Optische Anordnung fuer einen passiven Infrarot-Bewegungsmelder
FR2596863A1 (fr) * 1986-04-07 1987-10-09 Centre Nat Rech Scient Dispositif de microscopie analytique, propre a former a la fois une sonde raman et une sonde electronique

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