(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側から順に、像側に凸面を向けた正レンズを少なくとも２枚含む第１レンズ群と、正レンズ、負レンズ、正レンズの３枚接合レンズからなる第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群と、接合メニスカスレンズからなり最も像側の面が像側に向けられた凹面である第４レンズ群と、最も像側の面が像側に向けられた凹面である接合メニスカスレンズを含む第５レンズ群とからなり、次の条件を満足することを特徴とする顕微鏡対物レンズ。
（１）      ｔ5＋Ｄ＜ｔ4
（２）      ０．２＜ｒ42／ｒ41＜０．７
ただし、ｔ4は第４レンズ群の接合メニスカスレンズの中心厚、ｔ5は第５レンズ群の最も物体側の面から最も像側の面までの距離、Ｄは第４レンズ群の接合メニスカスレンズと第５レンズ群との空気間隔、ｒ41は第４レンズ群の接合レンズの最も物体側の面の曲率半径、ｒ42は第４レンズ群の接合レンズの最も像側の面の曲率半径である。
【請求項２】
物体面から対物レンズ全系の最も像側の面までの距離をＬ、第４レンズ群の接合メニスカスレンズの中心厚をｔ4とした時、下記の条件（３）を満足する請求項１の顕微鏡対物レンズ。
（３）    ０．２＜ｔ4／Ｌ＜０．４
【請求項３】
前記第３レンズ群と第４レンズ群の合成焦点距離をｆ34、全系の焦点距離をｆとした時、下記の条件（４）を満足する請求項１または２の顕微鏡対物レンズ。
（４）    ３＜−ｆ34／ｆ＜６０
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、開口数（ＮＡ）が大きく作動距離が長い高倍率の対物レンズで、特にセミアポクロマート級の乾燥系顕微鏡対物レンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ（集積回路）ウェハー等の標本を観察するために用いられる顕微鏡対物レンズは、高倍率で解像度が高くかつ長い作動距離を有することが必要である。
【０００３】
近年における半導体の集積度の上昇に伴い、微細なパターンを高解像で観察する必要があり、かつ安全性、操作性の面から操作時に標本が対物レンズに当たるおそれのない程度の作動距離を有する必要がある。
【０００４】
高倍率の顕微鏡対物レンズの従来例として、例えば特開平４−４０４０９号、特開昭５９−２９２１６号の各公報に記載されたものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例のうち、前者の特開平４−４０４０９号公報に記載されている顕微鏡対物レンズは、倍率が１００×でＮＡが０．８で作動距離が４．７７ｍｍあるいは、倍率が１００×でＮＡが０．７５で作動距離が５．３ｍｍである。
【０００６】
しかし、この従来例のように、倍率が１００×の対物レンズにおいて、ＮＡが０．８では微細な構造を観察するためには解像度が不十分である。
【０００７】
また、後者の特開昭５９−２９２１６号公報に記載されている対物レンズは、倍率が１００×で、ＮＡが０．９５、作動距離が０．３４ｍｍである。
【０００８】
この従来例の対物レンズは、作動距離が短く、０．３４ｍｍであって、高倍の顕微鏡対物レンズとしては不十分である。
【０００９】
このようにこれら従来例は、前記のような問題点を有している。
【００１０】
本発明は、従来例の前記問題点に鑑みなされたものであって、高ＮＡでかつ作動距離の長い高倍率の対物レンズ、特にセミアポクロマート級顕微鏡対物レンズを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の顕微鏡対物レンズは、物体側から順に、像側に凸面を向けた正レンズを少なくとも２枚含んでいる第１レンズ群と、正レンズと負レンズと正レンズとを接合した３枚接合レンズからなる第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群と、接合メニスカスレンズからなり最も像側の面が像側に向けられた凹面である第４レンズ群と、最も像側の面が像側に向けられた凹面である接合メニスカスレンズを含む第５レンズ群とを備えていて、下記の条件を満足することを特徴とするものである。
（１）      ｔ5＋Ｄ＜ｔ4
（２）      ０．２＜ｒ42／ｒ41＜０．７
ただし、ｔ4は第４レンズ群の接合メニスカスレンズの中心厚、ｔ5は第５レンズ群の最も物体側の面から最も像側の面までの距離、Ｄは第４レンズ群の接合メニスカスレンズと第５レンズ群との空気間隔、ｒ41は第４レンズ群の接合レンズの最も物体側の面の曲率半径、ｒ42は第４レンズ群の接合レンズの最も像側の面の曲率半径である。
【００１２】
また、本発明の顕微鏡対物レンズは、上記構成のレンズ系であって、下記の条件（３）を満足することを特徴とする。
（３）    ０．２＜ｔ4／Ｌ＜０．４
ただし、Ｌは物体面から対物レンズ全系の最も像側の面までの距離である。
【００１３】
更に本発明の顕微鏡対物レンズは、下記の条件（４）を満足することを特徴とする。
（４）    ３＜−ｆ34／ｆ＜６０
ただし、ｆ34は第３レンズ群と第４レンズ群の合成焦点距離、ｆは対物レンズ全系の焦点距離である。
【００１４】
本発明の顕微鏡対物レンズは、前述のような第１レンズ群〜第５レンズ群にて構成したもので、まず第１レンズ群を像側に凸面を向けた正レンズを少なくとも２枚含む構成にすることにより、物体からの高ＮＡの光線の開き角を徐々に小さくするようにした。更に第２レンズ群、第３レンズ群により光束径が小さくなるように徐々に絞って収斂光束に変換するようにした。
【００１５】
ところで、一般にレンズ系の倍率が高くなればなるほど、また作動距離が長くなればなるほど、レンズ系の球面収差や色収差を補正するのが困難になる。そこで、本発明のような高倍率で長い作動距離を有する対物レンズでも、これら球面収差や色収差を良好に補正する工夫が必要になる。
【００１６】
本発明の対物レンズは、光線の高くなる第２レンズ群に正レンズ、負レンズ、正レンズの３枚接合レンズを用いることによって、球面収差、色収差の性能を大幅に向上させるようにした。また、この３枚接合レンズに異常分散性の硝材を用いれば、２次スペクトルを極めて良好に補正することができるため好ましい。
【００１７】
次に、第３レンズ群により収斂された光束は、第４レンズ群に入射する。そして、第４レンズ群内にて絞られた後に、その最も像側の面より光線が発散されるように射出する。
【００１８】
本発明の対物レンズは、作動距離を長くするために第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群に大きな正の屈折力を持たせるようにした。そのため、この３つのレンズ群におけるペッツバール和は正の値となり、像面湾曲が大きく発生する。この像面湾曲を良好に補正するためには上記の値を相殺するような値を別のレンズ群で発生させ、ペッツバール和を適正な値にコントロールする必要がある。そこで本発明の対物レンズでは、上記群以外の群、即ち第４レンズ群に負の屈折力を持たせるようにした。
【００１９】
しかも、（１）この第４レンズ群を凹面が像側に向いた接合メニスカスレンズの形状とする、（２）中心厚が大きな接合レンズにする、（３）最も物体側の面の曲率半径に比べて最も像側の面の曲率半径が小さくなるようにする、という特徴と備えることにより、適切な大きさの負の屈折力が得られるようにした。
【００２０】
そして、本発明では、上記第４レンズ群の中心厚の望ましい範囲として、前記条件（１）を設けた。つまりこの条件（１）に示すように、第４レンズ群の中心厚ｔ4を第４レンズ群と第５レンズ群の空気間隔Ｄと第５レンズ群の中心厚ｔ5との和よりも大きくすることで、十分な負の屈折力が得られるようにした。
【００２１】
更に条件（２）に示すように、第４レンズ群の最も物体側の面の曲率半径ｒ41と第４レンズ群の最も像側の面の曲率半径ｒ42との比（ｒ42／ｒ41）をとったときに、その比がこの条件（２）を満足するように各々の曲率半径を設定することで、負の屈折力を発生させて像面湾曲を良好に補正しつつ収斂光束を発散させて第５レンズ群に導くようにした。
【００２２】
条件（１）を満足しないと、つまり第４レンズ群の中心厚ｔ4が第５レンズ群の最も物体側の面から最も像側の面までの距離ｔ5と第４レンズ群から第５レンズ群の間隔Ｄとの和よりも小さいと、第４レンズ群の中心厚が小さくなるため、第４レンズ群の負の屈折力が不足する。この結果、対物レンズの像面湾曲を十分に補正し得なくなる。
【００２３】
また、条件（２）の上限を上回ると、第４レンズ群の最も像側の面の曲率半径が大きくなり、負の屈折力が不足する。この結果、像面湾曲を十分補正し得ない。また条件（２）の下限を下回ると、第４レンズ群の像側の面の曲率半径が小さくなりすぎて、コマ収差が発生する。
【００２４】
なお、条件（２）を満足すると共に、第４レンズ群の物体側の面の曲率半径ｒ41が下記の範囲内であることが好ましい。
５＜ｒ41＜２００（ｍｍ）
【００２５】
次に、本発明の対物レンズは第５レンズ群により第４レンズ群を射出した光束を更に発散させるようにした。ここで、発散するのは軸外光束の主光線である。すなわち、軸外光束全体は平行光束のままで、光軸から離れる方向に射出されている。
【００２６】
上記のような作用を得るために、この第５レンズ群は、その最も像側の面を像側に向いた凹面としている。これによって、負の屈折力を発生させて軸外光束を発散させるようにしている。しかも、この負の屈折力によって、像面湾曲を良好に補正することができる。
【００２７】
高倍率の対物レンズでは、低倍率の対物レンズに比べると、レンズ群によって絞られたときの光束径が小さい。更に、作動距離が長くなればなるほど、また、ＮＡが大になればなるほど、光束が絞られる位置が像側にシフトする傾向がある。そこで、本発明では、光束が絞られる位置の近くにある第５レンズ群の最も像側の面を、像側に向けた凹面にしている。このようにすることで、ここで負の屈折作用が得られ、所定の位置に所定の高さの像が形成されるように軸外光束を発散させることができる。
【００２８】
以上の理由から第５レンズ群は前述の通りの構成にした。
【００２９】
本発明の顕微鏡対物レンズにおいて、前記条件（３）を満足すればより好ましい。
【００３０】
また、本発明の対物レンズにおいて前記条件（４）を満足すれば好ましい。
【００３１】
更に条件（３）、（４）共に満足すれば一層好ましい。
【００３２】
条件（３）は、対物レンズの全長Ｌに対する第４レンズ群の中心厚ｔ4の比を規定したもので、この条件（３）を満足することにより第４レンズ群が、ペッツバール和をより適正にコントロールする屈折力を得ることになり、より良好に像面湾曲を補正し得る。
【００３３】
条件（３）の上限を上回ると、第４レンズ群に続くレンズ群を配置する空間を確保することが困難になる。
【００３４】
条件（３）の下限を下回ると、第４レンズ群の負の屈折力が不足し、像面湾曲を良好に補正することが困難になる。
【００３５】
尚、前記条件（３）における全長Ｌの値は、次の範囲内であることが好ましい。
２５＜Ｌ＜１２０（ｍｍ）
【００３６】
条件（４）は、第３レンズ群、第４レンズ群の合成焦点距離ｆ34を対物レンズ全体の焦点距離ｆにより規格化した値を規定したものである。この条件（４）を満足することにより、ペッツバール和を適正な値にコントロールするように第３レンズ群と第４レンズ群の屈折力を持つようにすることができ、像面湾曲をより良好に補正し得るようになる。
【００３７】
条件（４）の上限を上回ると、第４レンズの負の屈折力が不足し、像面湾曲を良好に補正することが困難になる。
【００３８】
条件（４）の下限を下回ると、第４レンズ群の負の屈折力が過剰になり、コマ収差が悪化する。
【００３９】
尚ｆの値は下記範囲内であることが好ましい。
０．４＜ｆ＜６
【００４０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を実施例をもとに述べる。
【００４１】
本発明の顕微鏡対物レンズの実施例１〜実施例７は図１〜７に示す通りで、夫々下記データを有する。
【００４２】
0004033651.tif 000002
【００４３】
0004033651.tif 000003
【００４４】
0004033651.tif 000004
【００４５】
0004033651.tif 000005
【００４６】
0004033651.tif 000006
【００４７】
0004033651.tif 000007
【００４８】
0004033651.tif 000008
ただし、ｒ1、ｒ2、・・・はレンズ各面の曲率半径、ｄ1、ｄ2、・・・は各レンズの肉厚および空気間隔、ｎ1、ｎ2、・・・は各レンズのｄ線の屈折率、ν1、ν2、・・・は各レンズのアッベ数である。またＮＡは開口数、ＷＤは作動距離、βは倍率である。尚、上記データにおいて、ｆ，ｒ，ｄ等の長さの単位はｍｍである。
【００４９】
上記実施例において、実施例１は図１に示す構成のレンズ系で、像側に凸面を向けた正レンズ２枚よりなる第１レンズ群Ｇ１と、両凸レンズと両凹レンズと両凸レンズとを接合した３枚接合レンズの第２レンズ群Ｇ２と、像側に凹面を向けた負のメニスカスレンズと両凸レンズとを接合した接合レンズよりなる正の屈折力の第３レンズ群Ｇ３と、両凸レンズと両凹レンズを接合した接合メニスカスレンズよりなる第４レンズ群Ｇ４と、両凸レンズと両凹レンズを接合した像側に向かって凹面をなす接合メニスカスレンズの第５レンズ群Ｇ５とより構成されている。
【００５０】
また実施例２は、図２に示すように、像側に凸面を向けた単体の正のメニスカスレンズ２枚よりなる第１レンズ群Ｇ１と、両凸レンズと両凹レンズと両凸レンズとを接合した３枚接合レンズの第２レンズ群Ｇ２と、両凸単レンズ１枚よりなる第３レンズ群Ｇ３と、両凸レンズと両凹レンズを接合した像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズよりなる第４レンズ群Ｇ４と、両凸レンズと両凹レンズを接合した像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズの第５レンズ群Ｇ５とにて構成されている。
【００５１】
実施例３は、図３に示すように、像側に凸面を向けたメニスカス単レンズ２枚よりなる第１レンズ群Ｇ１と、両凸レンズと両凹レンズと両凸レンズを接合した３枚接合レンズよりなる第２レンズ群Ｇ２と、両凸レンズと物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズを接合した正の屈折力を有する接合レンズの第３レンズ群Ｇ３と、両凸レンズと両凹レンズとを接合した像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズの第４レンズ群Ｇ４と、両凸レンズと両凹レンズを接合した像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズの第５レンズ群Ｇ５とより構成されている。
【００５２】
実施例４は図４に示すように、像側に凸面を向けたメニスカス単レンズ２枚の第１レンズ群Ｇ１と、両凸レンズと両凹レンズと両凸レンズを接合した３枚接合レンズの第２レンズ群Ｇ２と、両凸レンズと物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズとを接合した接合レンズで正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、両凸レンズと両凹レンズを接合した像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズよりなる第４レンズ群Ｇ４と、両凸レンズと両凹レンズを接合した像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズの第５レンズ群Ｇ５とより構成されている。
【００５３】
実施例５は、図５に示すように、像側に凸面を向けたメニスカス単レンズと両凸レンズよりなる第１レンズ群Ｇ１と、両凸レンズと両凹レンズと両凸レンズを接合した３枚接合レンズの第２レンズ群Ｇ２と、両凸レンズと物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズとを接合した接合レンズよりなり正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、両凸レンズと両凹レンズを接合した像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズの第４レンズ群Ｇ４と、両凸レンズと両凹レンズとを接合した像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズの第５レンズ群Ｇ５とより構成されている。
【００５４】
実施例６は、図６に示すように、像側に凸面を向けたメニスカス単レンズと両凸レンズ２枚とよりなる第１レンズ群Ｇ１と、両凸レンズと両凹レンズと両凸レンズとを接合した３枚接合レンズの第２レンズ群と、像側に凹面を向けた負のメニスカスレンズと両凸レンズとを接合した接合レンズよりなり正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、両凸レンズと両凹レンズを接合した像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズよりなる第４レンズ群Ｇ４と、両凸レンズと両凹レンズとを接合した像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズの第５レンズ群Ｇ５とにて構成されている。
【００５５】
実施例７は、図７に示すように、像側に凸面を向けたメニスカス単レンズ２枚よりなる第１レンズ群Ｇ１と、両凸レンズと両凹レンズと両凸レンズを接合した３枚接合レンズの第２レンズ群Ｇ２と、両凸単レンズと、像側に凹面を向けた負のメニスカスレンズと両凸レンズと物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズとを接合した３枚接合レンズとよりなり正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、両凸レンズと両凹レンズを接合した接合レンズで像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズの第４レンズ群Ｇ４と、両凸レンズと両凹レンズを接合した接合メニスカスレンズで像側に凹面を向けた第５レンズ群Ｇ５とにより構成されている。
【００５６】
本発明の上記実施例の対物レンズは、いずれも無限遠設計のレンズ系であり、したがって、例えば図１５に示すような構成で下記データを有する結像レンズをその像側に配置して用いられる。
0004033651.tif 000009
ただし、ｒ’1、ｒ’2、・・・は結像レンズの曲率半径、ｄ’1、ｄ’2、・・・は結像レンズの各レンズの肉厚および空気間隔、ｎ’1、ｎ’2、・・・は結像レンズの各レンズの屈折率、ν’1、ν’2、・・・は結像レンズの各レンズのアッベ数である。
【００５７】
実施例１〜７に上記結像レンズを配置する場合の対物レンズから結像レンズまでの距離は５０ｍｍから１７０ｍｍの間であればいずれでもよい。
【００５８】
図８〜図１４は、前記実施例１〜７の対物レンズに前記図１５の結像レンズを対物レンズの最も像側の面より１１９ｍｍの間隔をおいて配置して結像した時の収差図を示す。これら収差図中ＩＨは像高である。尚対物レンズの最も像側の距離が前記の１１９ｍｍ以外の値であっても５０ｍｍ〜１７０ｍｍの間の距離であれば図示するものとほぼ同じ収差状況である。
【００５９】
この収差図より明らかなように、これらの実施例の対物レンズは、諸収差が良好に補正されている。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の顕微鏡対物レンズは、倍率が高く、作動距離が長く、しかも高解像で見えが良い、ＩＣウエハー標本等の観察に適したレンズ系である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１の対物レンズの断面図
【図２】  本発明の実施例２の対物レンズの断面図
【図３】  本発明の実施例３の対物レンズの断面図
【図４】  本発明の実施例４の対物レンズの断面図
【図５】  本発明の実施例５の対物レンズの断面図
【図６】  本発明の実施例６の対物レンズの断面図
【図７】  本発明の実施例７の対物レンズの断面図
【図８】  本発明の実施例１の収差曲線図
【図９】  本発明の実施例２の収差曲線図
【図１０】  本発明の実施例３の収差曲線図
【図１１】  本発明の実施例４の収差曲線図
【図１２】  本発明の実施例５の収差曲線図
【図１３】  本発明の実施例６の収差曲線図
【図１４】  本発明の実施例７の収差曲線図
【図１５】  本発明の対物レンズと共に用いられる結像レンズの断面図
【図１】
0004033651.tif 000010
【図２】
0004033651.tif 000011
【図３】
0004033651.tif 000012
【図４】
0004033651.tif 000013
【図５】
0004033651.tif 000014
【図６】
0004033651.tif 000015
【図７】
0004033651.tif 000016
【図８】
0004033651.tif 000017
【図９】
0004033651.tif 000018
【図１０】
0004033651.tif 000019
【図１１】
0004033651.tif 000020
【図１２】
0004033651.tif 000021
【図１３】
0004033651.tif 000022
【図１４】
0004033651.tif 000023
【図１５】
0004033651.tif 000024