DE3120942A1

DE3120942A1 - "telezentrische beleuchtungsanordnung"

Info

Publication number: DE3120942A1
Application number: DE3120942A
Authority: DE
Inventors: Hideo Tokyo Hirose
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1980-05-26
Filing date: 1981-05-26
Publication date: 1982-04-29
Also published as: JPH0428084B2; JPS56165111A; US4386828A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsanordnung für telezentrische Beleuchtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft speziell eine telezentrische Zoom-Beleuchtungsanordnung, die in der Lage ist, den beleuchteten Flächenbereich kontinuierlich zu ändern.

Bisher wurden telezentrische Beleuchtungsanordnungen in optischen Instrumenten, wie z. B. einem Projektions-Untersuchungsinstrument dazu verwendet, den Einfluß des Fokussierfehlers auf die Messung zu minimieren. Um stets helle projizierte Bilder unabhängig von der Vergrößerungsänderung des Objektivs zu erhalten, wurden ferner verschiedene Systeme für die Änderung der Vergrößerung vorgeschlagen. Ein Beispiel hierfür ist das sog. Zoomsystem, welches in der Lage ist, die beleuchtete Fläche mit dem Ändern der Vergrößerung des Objektivs zu ändern. Im allgemeinen jedoch besitzt das Untersuchungsinstrument einen speziellen Aufbau, der eine relativ große Entfernung von der Beleuchtungslinse zur Oberfläche der zu untersuchenden Probe, d. h. zur Brennebene der Projektionslinse, benötigt. Dieses Erfordernis stellt ein schwieriges Problem bei dem Entwurf der für ein solches optisches Instrument geeigneten Beleuchtungsanorclnung dar. Speziell trat bei herkömmlichen Beleuchtungsanordnungen das Problem auf, daß diese Anordnungen nicht in der Lage

waren, die Randstrahlen des für die. Beleuchtung verwendeten Lichts wirksam zu nutzen.

Fig. 1A-1C zeigen ein Beispiel einer herkömmlichen Beleuchtungsanordnung. Fig. 1A zeigt den Zustand der Beleuchtung bei starker Vergrößerung, Fig. 1B den Zustand für mittlere Vergrößerung und Fig. 1C für schwache Vergrößerung. Wie man aus den Fig. 1A bis 1C erkennt, verringern sich die für die Beleuchtung zur Verfügung stehenden Randstrahlen nach und nach mit dem Ändern der Vergrößerung auf eine starke Vergrößerung hin, bei der die Fläche der zu beleuchtenden Probenoberfläche (O) kleiner wird. Folglich vermindert sich die Wirksamkeit der Beleuchtung entsprechend starker Vergrößerung, Im Falle mittlerer Vergrößerung (Fig. 1B) und schwacher Vergrößerung (Fig. 1C) ist die zusammengesetzte Brennweite des Gesamt-Beleuchtungssystems relativ groß, und der Strahldurchmesser des von der Lichtquelle (S) zur Probenoberfläche (0) laufenden Beleuchtungslichts ist groß. Weiterhin ist der Winkel, den durch gestrichelte Linien angedeutete schräge Strahlen mit der optischen Achse bilden, relativ klein. Folglich ist der Ausfall von Randstrahlen auf der Probenoberfläche (0) in diesen Fällen nicht so groß.

Bei starker Vergrößerung hingegen (vergl. Fig. 1A) ist die ^:l.-. v.o. Brennweite kurz, und der Strahldurchmesser

wird klein. Der Winkel, den der Hauptstrahl (P) des schrägen Stfahlenbündels mit der optischen Achse bildet, ist groß. Die schrägen Strahlen liegen vollständig außerhalb der Probenoberfläche (O) und deshalb ist die Wirksamkeit der Beleuchtung in diesem Fall in hohem Maße herabgesetzt.

Um das Problem einer derartigen schwachen Beleuchtungswirksamkeit bei starker Vergrößerung zu lösen, war man bei den meisten herkömmlichen Vorrichtungen in der Praxis verpflichtet, ein Kondensor-Beleuchtungssystem zu verwenden. Da diese Lösung jedoch nicht der Bedingung telezentrischer Beleuchtung genügt, war ein solches Beleuchtungssystem niemals zufriedenstellend, insbesondere nicht bei Präzisionsinstrumenten wie beispielsweise optischen Meßgeräten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Beleuchtungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die oben angegebenen Nachteile vermieden sind und mit der in einem weiten Vergrößerungs-Schwankungsbereich zwischen schwacher und starker Vergrößerung eine telezentrische Beleuchtung bei stets hoher Wirksamkeit erzielbar ist, wobei eine ausreichend große Entfernung zwischen der Beleuchtungslinse und der Probenoberfläche beibehalten wird.

Die se Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung werden also die zweite und dritte Linsengruppe entlang der optischen Achse bewegt, während ein Bild der Lichtquelle an einem Punkt zwischen der ersten und dritten Gruppe erzeugt wird, um dadurch kontinuierlich den Zustand der telezentrischen Beleuchtung zwischen dem Zustand für starke Vergrößerung und dem Zustand für schwache Vergrößerung zu ändern.

Speziell wird im Fall starker Vergrößerung, bei der ein Bild der Lichtquelle zwischen der ersten und zweiten Gruppe durch die zweite, dritte und vierte Gruppe gebildet wird, die zweite und dritte Gruppe versetzt, während die Lage des Bildes der Lichtquelle mit dem Brennpunkt der ersten Gruppe auf der Seite der Lichtquelle zusammenfällt. Im Falle schwacher Vergrößerung kommt die zweite Gruppe näher an die erste Gruppe, geht über das Bild der Lichtquelle, und das Bild der Lichtquelle wird dann zwischen der zweiten und dritten Gruppe von der dritten und vierten Gruppe gebildet; die zweite und dritte Gruppe werden kontinuierlich versetzt, während die Lage des Bildes der Lichtquelle mit dem Brennpunkt des auf der ersten und zweiten Gruppe zusammengesetzten Systems auf der

Seite der Lichtquelle zusammenfällt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A-1C ein Beispiel einer herkömmlichen Beleuchtungsanorndung und

Fig. 2A-2D eine erfindungsgemäße telezentrische Beleuchtungsanorndung.

Fig. 2A-2D zeigen die grundsätzliche Anorndung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Wie man aus den Fig. 2A-2D ersieht, setzt sich die Beleuchtungsanordnung aus einer erste Linsengruppe L-, einer zweiten Linsengruppe L„, einer dritten Linsengruppe L. und einer vierte Linsengruppe L.. zusammen, die in der genannten Reihenfolge - betrachtet von der Seite des zu beleuchtenden Objekts (O) - angeordnet sind. Die erste Gruppe ist eine Sammellinsengruppe und stationär. Die zweite Gruppe ist eine Zerstreuungslinsengruppe und entlang der optischen Achse beweglich. Die dritte Gruppe ist eine Sammellinsengruppe und entlang der optischen Achse beweglich. Die vierte Gruppe ist eine Sammellinsengruppe und stationär. Im Brennpunkt der vierte Gruppe L. ist eine Lichtquelle S angeordnet. Durch Anordnen der Lichtquelle in der

Lage wird zwischen der dritten und vierten Gruppe L und L. ein paralleles System geschaffen, und das Bild der Lichtquelle S wird einmal zwischen der ersten und dritten Gruppe L₁ bzw. L_ innerhalb der Linsenanordnung erzeugt. Das erzeigte Bild der Lichtquelle ist in Fig. 2 mit S¹ bezeichnet.

Fig. 2A zeigt die Stellung für eine Beleuchtung bei starker Vergrößerung, wobei eine (nicht dargestellte) stark vergrößernde Projektionslinse verwendet wird. In dieser Lage liegt erfindungsgemäß die zweite Linsengruppe L₂ zwischen dem Brennpunkt F_ der dritten Gruppe L., auf der Seite des beleuchteten Objekts und der dritten Gruppe. Weiterhin wird in dieser Stellung das Bild S' der Lichtquelle am Brennpunkt F₁ der erste Gruppe L₁ auf der Seite der Lichtquelle erzeugt. Der Hauptstrahl P der schrägen Strahlen, die durch gebrochene Linien dargestellt sind, erreicht die Mitte der Oberfläche des Objekts O. Für diese Stellung der Anordnung ergibt sich die Vergrößerung ß des Bildes S¹ der Lichtquelle zu:

^ß =

wobei f_-, die zusammengesetzte Brennweite der zweiten und dritten Gruppe L_ und L- und f. die Brennweite der vierten Gruppe L. sind. Wenn φ den Zerstreuungswinkel des Strahlenbündcls auf der Seite; der I.ichtquol.1 ο und &' den Winkel

des Lichtbündels auf der Bildseite der Lichtquelle bezeichnen, dann gilt tandJ = -x tanOUVorausgesetzt, daß die Lage des Bildes der Lichtquelle mit dem Brennpunkt der ersten Gruppe L₁ zusammenfällt, ergibt sich daher der Durchmesser des beleuchteten Gesichtsfeldes 0 zu:

0 = f

Da das wirksame Gesichtsfeld bei schwacher Vergrößerung gewöhnlich relativ groß ist, muß die Brennweite f.. der ersten Gruppe begrenzt werden, um Aberrationen in einem bevorzugten Bereich zu halten. Aus diesem Grund ist es, um den Strahlbündeldurchmesser des Beleuchtungslichts zum Erzielen einer wirksamen Beleuchtung für starke Vergrößerung so weit wie möglich an das schmale Gesichtsfeld anzunähern, notwendig, daß die Vergrößerung ß des Bildes der Lichtquelle groß ist, und daß der Zerstreuungswinkel &.' klein ist. Erfindungsgemäß kann dies auf einfache Weise dadurch realisiert werden, daß die Brennweiten der zweiten und dritten Linsengruppe L₀ und L^ sowie der Abstand zwischen den beiden Gruppen L„ und L-in geeigneter Weise festgelegt werden.

Wie bereits erwähnt wurde, ist es für die Beleuchtung bei starker Vergrößerung notwendig, das Licht als Beleuchtungsstrahlenbündel voll auszunutzen, und zwar einschließlich der

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Randstrahlen. Um dies zu erreichen, sollte die Austrittspupille in der Nachbarschaft der Oberfläche des Objekts (O) gebildet werden. Bei der Linsenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die wirksame Ausnutzung sämtlicher Lichtstrahlen in vorteilhafter Weise dadurch realisiert werden, daß in der Nachbarschaft der vierten Linsengruppe L., die am nächsten an der Lichtquelle S₄ liegt, eine Blende oder deren Äquivalent vorgesehen wird, und daß ein Bild der Blende oder deren Äquivalent in der Nachbarschaft der Oberfläche -des Objekts (0) erzeugt wird. In der Praxis übernimmt die Öffnung der vierten Linsengruppe L₄ selbst die Rolle einer solchen Blende (stop). Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird das Zerstreuungs-Brechvermögen der zweiten Gruppe relativ hoch, um ein großes Änderungsverhältnis der Vergrößerung zu erreichen. Wenn sich daher das System in der Lage befindet, in der eine starke Vergrößerung zur Linse verwendet wird, liegt das Bild (das virtuelle Bild) der Blende, das von dem aus der zweiten und dritten Gruppe L„ und L zusammengesetzten System erzeugt wird, in der Nachbarschaft der zweiten Gruppe, und zwar auf der Seite der dritten Gruppe. Das von der ersten Gruppe L₁ erzeugte Bild der Blende liegt an einer von dem Brennpunkt der ersten Gruppe auf der Objektseite entfernten Stelle. Da das Bild der Blende an einer von dem Brennpunkt der ersten Gruppe L. entfernten Stelle gebildet wird, ist es möglich, rl if Lage der Austritt ερυ;'U ] π im wesentlichen mit dor Ob j okt ebene¹ selbst dcinn zusamiiionfcil len zu lassen, wenn

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eine ausreichend große Entfernung von der ersten Linsengruppe L₁ bis zu der Objektebene (O) eingestellt ist, wie es für ein Projektions-Untersuchungsgerät erforderlich ist.

Der Abstand zwischen der zweiten und dritten Gruppe L„ bzw. L_ wird dadurch erhöht/ daß die Vergrößerung in Richtung auf schwächere Vergrößerung geändert wird, wie in Fig. 2B dargestellt ist. Ferner werden die zweite und dritte Gruppe individuell derart bewegt, daß das Bild S¹ der Lichtquelle mit dem Brennpunkt F₁ der ersten Gruppe L. zusammenfällt. Dieses Erhöhen des Abstands zwischen L^ und L^ führt zu einer Abnahme der Brennweite f„o des zusammengesetzten Systems L₂ und L,, wodurch wiederum die Vergrößerung ß des Bildes der Lichtquelle herabgesetzt wird. Daher wird der Zerstreuungswinkel (λ¹ des Strahlenbündels auf der Seite des Bildes der Lichtquelle größer, und man erhält einen größeren Beleuchtungsstrahl, wie es für die Beleuchtung bei schwacher Vergrößerung erforderlich ist.

Im allgemeinen ist bei Projektions-Untersuchungsgeräten die Vergrößerung in einem weiten Bereich zwischen schwacher und starker Vergrößerung variabel. Um daher ein Projektions-Untersuchungsgerät mit optimalen: Beleuchtung bei einer speziell ausgewählten Vergrößerung zu erhellten, muß auch das Beleuchtungssystem einen breiten Schwankungsboraich für die Vergrößerung aufweisen. Um den notwendigen breiten Schwan-

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kungsbereich für die Vergrößerung in der erfindungsgemäßen Anordnung zu erhalten, ist die Beleuchtungsanordnung so ausgebildet, daß die zweite Gruppe L„ über den Brennpunkt F₁ der ersten Gruppe L₁ hinausbewegt werden kann, wie in den Figuren 2C und 2D zu sehen ist. Die zweite und dritte Gruppe werden derart bewegt, daß das Bild S¹ der Lichtquelle mit dem Brennpunkt F₁₂ des aus der ersten und zweiten Gruppe L₁ und L zusammengesetzten Systems zusammenfällt. In diesem Fall ist die Vergrößerung ß' des Bildes der Lichtquelle gegeben durch:

ß¹ = ^f ₃/^f4^=: konstant (>ß)

wobei f^ die Grennweite der dritten Gruppe L_ ist.

Für den Zerstreuungswinkel &" des Strahlenbündels auf der Seite des Bildes der Lichtquelle gilt

tan*." = —-, · tanol( <*!'>a) .

Der Durchmesser 0¹ des nun beleuchteten Gesichtsfels ergibt sich durch:

0 = f₁₂· tan*/¹

wobei f.« die Brennweite des aus L. und L_ zusammengesetzten Systems ist.

Folglich wird der Durchmesser 0 mit ansteigendem Wert von f ₂ durch vermindern des Abstandes zwischen der ersten und zweiten Gruppe L₁ bzw. L~ größer.

Unter den vier in den Figuren 2A bis 2D dargestellten Stellungen ist lediglich die in Fig. 2A für starke Vergrößerung dargestellte Stellung diejenige, in der die schrägen Strahlen korrekt die Mitte der Objektebene (O) erreichen können. Jedoch kann auch in den anderen Stellungen gemäß Fig. 2B, 2C und 2D für schwächere Vergrößerungen die Randfläche der Objektoberfläche in für praktische Zwecke ausreichender Weise beleuchtet werden, weil der Strahlenbündeldurchmesser größer wird und der VJinkel der schrägen Strahlen in diesen Stellungen kleiner wird. Daher kann mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung das zu untersuchende Objekt nicht nur bei starker Vergrößerung sondern auch bei schwacher Vergrößerung wirksam beleuchtet werden. Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung weiterhin die Gruppe L„ über dem Brennpunkt der ersten Gruppe L₁ hinausbewegt werden kann, besitzt die Beleuchtungsanordnung einen weiteren Schwankungsbereich der Vergrößerung als bei herkömmlichen Anordnungen. Die numerische Apertur (N.A) der Beleuchtungsanordnung schwankt abhängig von der Größe des beleuchteten Gesichtsfeldes.

Als ein konkretes Beispiel des oben unter Bezugnahme auf die Figuren 2A bis 2D beschreibenen Beleuchtungssystems sind nachstehend die numerischen Daten bezüglich der jeweiligen Leistungsaufteilung der Gruppen in Form von Tabellen dargestellt, wobei L., L„, L_. und L₄ die erste, z/weite, dritte bzw. vierte Linsengruppe und f., f „, f₃ und f. die Brennweiten der entsprechenden Gruppen sind.

Vergrößerungsänderungsverhältnis 7,6

f₁ = 90,0

f₂ = -28,8

f₃ = 128,6

f₄ = 45,0

	Erste Stellung (Fig.2A) für starke Vergrößerung	Zweite Stellung (Fig.2B) für mittlere bis starke Vergrößerung
Abstand zwischen L. und L_n	131,3	111,6
Abstand zwischen L₀ und L-,	111,6	116,2
Abstand zwischen L₃ und L₄	23,6	38,7

Dritte Stellung Vierte Stellung

(Fig.2C) für (Fig.2D) für

mittlere bis schwache schwache

Vergrößerung Vergrößerung

83,2

137,4

45,9

70,4

189,8

6,3

NJ CD CD

Wie man aus der vorstehenden Erläuterung leicht ersieht, schafft die vorliegende Erfindung eine telezentrische Beleuchtungsanordnung, die es ermöglicht, die Vergrößerung in einem breiten Schwankungsbereich zwischen schwacher Vergrößerung und starker Vergrößerung zu ändern, während eine ausreichend große Entfernung von dem zu beleuchtenden Objekt beibehalten wird. Hierdurch wird stets eine gute und in hohem Maße wirksame telezentrische Beleuchtung in dem breiten Vergrößerungs-Schwankungsbereich gewährleistet. Die telezentrische Beleuchtungsanordnung kennt !verschiedene Anwendungsfälle. Wenn die Beleuchtungsanordnung in einem Projektions-Untersuchungsgerät eingesetzt werden soll, welches für gewöhnlich an einem relativ hellen Ort eingesetzt wird, kann die Probe gut und hell beleuchtet werden, so daß stets eine gute Beobachtung gewährleistet ist, selbst wenn eine stark vergrößernde Projektionslinse des Instruments verwendet wird. Das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem kann auch in einem Werksmikroskop und ähnlichen Instrumenten eingesetzt werden, die eine telezentrische Beleuchtung benötigen, wenn das oben geschilderte Ausführungsbeispiel etwas modifiziert wird. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Anordnung auch sinnvoll als Beleuchtungssystem für ein herkömmliches Mikroskop, wenn die Beziehung zwischen N.A. und dem Gesichtsfels geeignet ausgewählt wird.

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Claims

Patentansprüche

¹ Beleuchtungsanordnung für telezentrische Beleuchtung in einem breiten Vergrößerungs-Schwankungsbereich unter Beibehaltung einer großen Entfernung von dem zu beleuchtenden Objekt, . .
dadurch gekennzeichnet,

daß eine erste, Sammellinsengruppe (L.) vorgesehen ist, die stehenbleibt, wenn die Vergrößerung geändert wird, daß eine zweite, Zerstreuungslinsengruppe (L₃) entlang der optischen Achse beweglich vorgesehen ist, daß eine dritte, Sammellinsengruppe (L₃) entlang der optischen Achse beweglich vorgesehen ist, daß eine vierte, Sammellinsengruppe (L.) vorgesehen ist, die stehenbleibt, wenn die Vergrößerung geändert wird, daß im Brennpunkt der vierten Linsengruppe (L₄) eine Lichtquelle (S) angeordnet ist, daß die erste bis Vierte Gruppe sowie die Lichtquelle in der genannten Reihenfolge - betrachtet vom Objekt (0) aus - angeordnet sind, und daß die zweite und dritte Gruppe (L„, L₃) entlang der optischen Achse derart in vorbestimmter Beziehung bewegt werden, daß ein Bild der Lichtquelle zwischen der ersten und dritten Gruppe entsteht, um dadurch den Beleuchtungs'-zustand zwischen demjenigen für starke und demjenigen für schwache Vergrößerung zu ändern.
2. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Gruppe (Ii , L-.) entlang der optischen Achse derart bewegbar sind, daß, wenn das Bild der Lichtquelle zwischen der ersten und zweiten Gruppe liegt, die Lage des Bildes mit dem Brennpunkt auf der der Lichtquelle zugewandten Seite der ersten Gruppe zusammenfallen kann, und daß, wenn das Bild zwischen der zweiten und dritten Gruppe (L₉, L_) liegt, die Lage des Bildes mit dem Brennpunkt des aus der ersten und zweiten Gruppe zusammengesetzten Systems auf der der Lichtquelle (S) zugewandten Seite zusammenfallen kann.
3. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste bis vierte Linsengruppe folgende numerischen Daten aufweisen:

Vergrößerungsänderungsverhältnis 7,6

f_t = 90,0 f₂ = -28,8 f₃ = 128,6 f₄ = 45,0

Erste Stellung (Fig.2A) für starke Vergrößerung

Zweite Stellung
(Fig.2B) für
mittlere bis starke
Vergrößerung

Dritte Stellung Vierte Stellung

(Fig.2C) für (Fig.2D) für

mittlere bis schwache schwache

Vergrößerung Vergrößerung

Abstand zwischen L₁ und L₀ 131,3

111,6

83,2

70,4

Abstand zwischen L₀ und L₀ 111,6

116,2

137,4

189,8

Abstand zwischen L, und L„ 23,6

38,7

45,9

6,3

wobei L., L , L- und L die erste, zweite, dritte bzw. vierte Linsengruppe bedeuten und f., f„, f und f. die Brennweiten der ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Linsengruppe sind.
4. Beleuchtungsanordnung, bei der der Bereich der zu beleuchtenden Fläche zwischen einer schmalen Fläche der Oberfläche eines zu beleuchtenden Objekts und einer großen Fläche

der Oberfläche des Objekts schwankt,

gekennzeichnet durch eine erste, Sammellinsengruppe, die bei Verändern der Vergrößerung stehenbleibt, eine zweite, Zerstreuungslinsengruppe sowie eine dritte, Sammellinsengruppe, die entlang der optischen Achse in bezug aufeinander in einem vorbestimmten Verhältnis bewegbar sind, und eine Lichtquelle (S, L.), mit der parallele Lichtstrahlen an die dritte Gruppe gebbar sind, wobei die zweite und dritte Gruppe derart bewegt werden, daß die von der Lichtquelle kommenden parallelen Strahlen zwischen der ersten und dritten Gruppe fokussiert werden können, um dadurch wirksam die beleuchtete Fläche zu ändern.
5. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Sammellinsengruppe (L₄) und ein im Brennpunkt der Sammellinsengruppe angeordnetes Lichtquellenelement (S) enthält.