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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-03-09
(45)【発行日】2023-03-17
(54)【発明の名称】対物レンズ
(51)【国際特許分類】
G02B 13/00 20060101AFI20230310BHJP
G02B 13/04 20060101ALI20230310BHJP
【ＦＩ】
G02B13/00
G02B13/04
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021205936
(22)【出願日】2021-12-20
【審査請求日】2022-04-14
(73)【特許権者】
【識別番号】592163734
【氏名又は名称】京セラＳＯＣ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001379
【氏名又は名称】弁理士法人大島特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】田邉 貴大
【審査官】殿岡 雅仁
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－３５６２７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２１２８４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１６１８８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－１１８０７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００５－５３７５０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１３４４０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－１５５２６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１２２５９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－００３００１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－１７９２０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－２０２４５７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ９／００ － １７／０８
Ｇ０２Ｂ ２１／０２ － ２１／０４
Ｇ０２Ｂ ２５／００ － ２５／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
接合面を持たない単レンズからなる複数のレンズにより構成され、レトロ比が１．５以上の対物レンズであって、複数の前記レンズは、拡大側から順に、略アフォーカルである第１レンズ群と、正のパワーを持つ第２レンズ群とが並んで構成され、
前記第１レンズ群は、前記拡大側から順に、負のパワーを持つ第１ａレンズ群と、正のパワーを持つ第１ｂレンズ群とが並んで構成され、かつ前記第１レンズ群の焦点距離をｆ（Ｇｒ１）とし、当該対物レンズの全系の焦点距離をｆ（ｔｏｔａｌ）としたときに、｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＞１０を満たしており、
前記第２レンズ群は、前記拡大側から順に、負のパワーを持つ第２ａレンズ群と、正のパワーを持つ第２ｂレンズ群とが並んで構成され、
前記第１ａレンズ群が単レンズからなる第１ａレンズからなり、前記第１ｂレンズ群が単レンズからなる第１ｂレンズからなり、
前記第１ａレンズ群の焦点距離をｆ（Ｌ１ａ）とし、前記第１ｂレンズ群の焦点距離をｆ（Ｌ１ｂ）としたときに、－２．２＜ｆ（Ｌ１ｂ）÷ｆ（Ｌ１ａ）＜－１．４を満たす対物レンズ。
【請求項2】
すべての前記レンズが合成石英及び蛍石のいずれか一方又は両方を用いて構成される請求項１に記載の対物レンズ。
【請求項3】
前記第２ａレンズ群が２枚の負の焦点距離を持つ単レンズからなる請求項１又は２に記載の対物レンズ。
【請求項4】
前記第２ａレンズ群が１枚の単レンズからなる請求項１又は２に記載の対物レンズ。
【請求項5】
前記第２ａレンズ群が２枚の単レンズからなり、前記拡大側から順に並ぶ、負のパワーを持つ単レンズ及び正のパワーを持つ単レンズである請求項１又は２に記載の対物レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、対物レンズに関し、さらに詳細には、高開口数と長作動距離と短焦点距離とを満足する、半導体やＦＰＤをはじめとする各種検査装置に適した対物レンズに関する。
【背景技術】
【0002】
半導体やＦＰＤをはじめとする各種検査装置に用いられる様々の対物レンズが公知である（例えば、特許文献１～８）。この種の対物レンズには高開口数・短波長対応に加えて作動距離が長いことが要求される。具体的には、各種検査装置の光源には、１９３ｎｍ、２４８ｎｍ、２６６ｎｍ、３５５ｎｍ、３６５ｎｍ又はそれらに近似したレーザー発振波長が用いられ、対物レンズは、開口数（ＮＡ）が０．７５以上であり、作動距離は１ｍｍ以上、望ましくは５ｍｍ以上であることが望ましい（非特許文献１、２参照）。
【0003】
また、光学系全長をコンパクトに抑えつつ高倍率の観察を実現するため、対物レンズの焦点距離は極力短いことが望ましい。具体的な数値例でこのことを説明する。例えば、１０μｍのピクセルサイズで空間分解能０．２μｍを実現しようとすると、観察倍率が１０÷０．２＝２００倍となる。仮に対物レンズの焦点距離を８ｍｍだとすると、結像レンズの焦点距離が８×２００＝１６００ｍｍとなり、像側テレセントリックの条件下で光学系の全長は焦点距離の約２倍、すなわち３．２ｍにも達する。もし、対物レンズの焦点距離が３ｍｍだとすると、結像レンズの焦点距離は３×２００＝６００ｍｍであり、光学系の全長は約０．６ｍ×２＝１．２ｍで済む。この数値例からも対物レンズの焦点距離が短いことは有利であることが見て取れる。
【0004】
一方、使用波長が３００ｎｍを下回るいわゆる深紫外と呼ばれる波長領域において、屈折部材として用いられる硝材は事実上石英と蛍石とに限られている。また、当然ながらこの波長領域では接合レンズを使うことができない。さらに、この波長領域では、コート材料の吸収や硝材自体の吸収が顕著なものになるため、光源からの光を効率良く利用し、なおかつ光学系のダメージを減らすためには、対物レンズを構成するレンズ枚数を極力少なくすることが要求される。
【0005】
仮に近紫外（波長３５５ｎｍ以上）ないし可視（波長４００ｎｍ以上）の領域にあっても、検査装置においては数Ｗクラスのレーザー光が用いられており、しばしば対物レンズを介した照明方法（同軸落射照明）が行われる。このような高パワーのレーザー光はレンズ同士を接合する接着剤にダメージを与える可能性があるため、検査装置に使われる対物レンズには、接合レンズを用いず、すべてのレンズを単レンズにより構成することが一般的である。また、光利用効率の向上、あるいはフレアのようなロスや迷光の抑制のため、極力少ない枚数で設計がなされることは深紫外領域の光学設計と同様である。
【0006】
したがって、検査装置に用いられる対物レンズでは、通常の対物レンズに比べて光学設計の自由度が著しく制限された条件下にあっても、高開口数と長作動距離と短焦点距離とを満足する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】ＵＳ６９５２２５６Ｂ２
【文献】特開２０００－１５５２６７号公報
【文献】特開２００４－２１２９２０号公報
【文献】特開２０１０－０５５００６号公報
【文献】特公平４－０２６４４７号公報
【文献】特公平４－０３１０９７号公報
【文献】特公平５－０６７００３号公報
【文献】特公平４－０２６４４８号公報
【非特許文献】
【0008】
【文献】J. Webb et al., "Optical Design Forms for DUV&VUV Microlithographic Processes", Optical Microlithography XIV, Proceedings of SPIE Vol. 4346 (2001)
【文献】Yueqian Zhang and Herbert Gross, "Systematic design of microscope objectives " Adv. Opt. Techn. 2019; aop, Adv. Opt. Techn. 2019; 8(5): 385-402, Part I System review and analysis, Part II Lens modules and design principles, Part III miscellaneous design principles and system synthesis
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
作動距離（すなわち、レンズから像面までの距離）を焦点距離よりも長くするためには、拡大側（すなわち、入射面側）から順に、負のレンズ群と正のレンズ群とが並ぶレトロフォーカスタイプが用いられる。レトロフォーカスタイプにおいては、焦点距離に対する作動距離の比（レトロ比）を大きくすると、正のレンズ群に入射する軸上光線高が高くなり、球面収差の補正が難しくなる。また、レンズのパワー配置の著しい非対称性により、コマ収差の補正が難しくなる。ここで、改めてレトロ比Rの定義を数式で示すと以下の様になる。
Ｒ＝（作動距離）／（焦点距離）
Ｒ＝（作動距離）／（焦点距離）
【0010】
したがって、これまで知られている設計例では、レトロ比をそれほど大きく取ることができなかった。次に、検査装置での使用を前提とし（すなわち、接合レンズを含まない）、ＮＡが０．７５以上の先行例を示す。
【0011】
非特許文献１（図８及び図９）においては、いずれも焦点距離：８ｍｍ、作動距離：９ｍｍ、ＮＡ：０．７５、使用波長：２４８ｎｍの例が示されている。レトロ比は９÷８＝１．１２５である。また、ここで挙げた２例のレンズはすべて石英又は蛍石により構成されており、接合レンズは含まれていない。
【0012】
特許文献１（表１Ａ）においては、焦点距離：８．００ｍｍ、作動距離：７．７８９ｍｍ、ＮＡ：０．８５７、使用波長：２５７．２５ｎｍの例が示されている。本例のレトロ比は７．７８９÷８＝０．９７３である。また、本例のレンズはすべて石英により構成されており、接合レンズは含まれていない。
【0013】
特許文献２の実施例１においては、焦点距離：２．００ｍｍ、作動距離：２．４６ｍｍ、ＮＡ：０．９、使用波長：２４８ｎｍの例が示されている。本例のレトロ比は２．４６÷２＝１．２３である。本例のレンズは屈折率：１．５０８４の硝材から構成されており、屈折率から石英だと推定される。また接合レンズは含まれていない。
【0014】
特許文献３の実施例１においては、焦点距離：２．００ｍｍ、作動距離：０．４８ｍｍ、ＮＡ：０．９、使用波長：２４８ｎｍの例が示されている。本例のレトロ比は０．４８÷２＝０．２４である。本例のレンズはすべて石英又は蛍石により構成されており、接合レンズは含まれていない。
【0015】
開口数が比較的小さい場合は、レトロ比を大きく取ることができる。
【0016】
特許文献４の実施例１においては、焦点距離：３．６ｍｍ、作動距離：１２ｍｍ、ＮＡ：０．４、使用波長：２４８～５４９ｎｍの例が示されている。本例のレトロ比は１２÷３．６＝３．３３と他のどの先行例よりも大きいが、ＮＡが０．４と小さいため、ここでいう検査装置の用途には適さない。また、本例のレンズはすべて石英及び蛍石の少なくとも一方により構成されているが、接合レンズを含む。
【0017】
一方、高屈折率硝材や接合レンズを用いる場合、光学設計の自由度を増すことができ、従来のレトロフォーカスタイプであっても、レトロ比を大きく取ることができる。
【0018】
特許文献５の実施例３においては、焦点距離：２．０４ｍｍ、作動距離：２．９１ｍｍ、ＮＡ：０．９、可視域で使用可能な例が示されている。本例のレトロ比は２．９１÷２．０４＝１．４２６であり、非特許文献１、２、特許文献１、２、３と比較して大きい。しかし本例は高屈折率硝材及び接合レンズを用いており、可視域でのみ使用可能である。したがってここでいう検査装置の用途には適さない。また、特許文献６、７、８においても同様の実施例が見られるが、これらの実施例はすべて接合レンズを含んでおり、検査装置の用途には適さない。さらには、同様の構成により、レトロ比をさらに大きく、望ましくは３以上にする設計を行うことは困難である。
【0019】
このように、先行例では種々の検査装置で要求されるような、構成枚数が少なく、接合レンズを用いず、開口数が大きく、焦点距離に対する作動距離の比が大きい対物レンズの設計例は見受けられない。
【0020】
以上を鑑み、本発明は、構成枚数が少なく、接合レンズを用いず、開口数が大きく、焦点距離に対する作動距離の比が大きい対物レンズを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0021】
上記課題を解決するために本発明のある態様は、接合面を持たない単レンズからなる複数のレンズ（Ｌ）により構成され、レトロ比が１．５以上の対物レンズ（１）であって、複数の前記レンズは、拡大側から順に、略アフォーカルである第１レンズ群（Ｇｒ１）と、正のパワーを持つ第２レンズ群（Ｇｒ２）とが並んで構成され、前記第１レンズ群は、前記拡大側から順に、負のパワーを持つ第１ａレンズ群（Ｇｒ１ａ）と、正のパワーを持つ第１ｂレンズ群（Ｇｒ１ｂ）とが並んで構成され、かつ前記第１レンズ群の焦点距離をｆ（Ｇｒ１）とし、当該対物レンズの全系の焦点距離をｆ（ｔｏｔａｌ）としたときに、｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＞１０を満たしており、前記第２レンズ群は、前記拡大側から順に、負のパワーを持つ第２ａレンズ群（Ｇｒ２ａ）と、正のパワーを持つ第２ｂレンズ群（Ｇｒ２ｂ）とが並んで構成される。
【0022】
ただし、前記作動距離とは、複数の前記レンズ（Ｌ）の屈折面のうち最も縮小側に位置する最終屈折面から像面までの空気換算長である。また、ｆ（Ｇｒ１）は第１レンズ群Ｇｒ１の焦点距離、ｆ（ｔｏｔａｌ）は全系の焦点距離である。
【0023】
上記の態様において、すべての前記レンズ（Ｌ）が合成石英及び蛍石（ＣａＦ２）のいずれか一方又は両方を用いて構成される。
【0024】
上記の態様において、前記第１ａレンズ群（Ｇｒ１ａ）が単レンズからなる第１ａレンズ（Ｌ１ａ）からなり、前記第１ｂレンズ群（Ｇｒ１ｂ）が単レンズからなる第１ｂレンズ（Ｌ１ｂ）からなり、前記第１ａレンズの焦点距離をｆ（Ｌ１ａ）とし、前記第１ｂレンズの焦点距離をｆ（Ｌ１ｂ）としたときに、－２．２＜ｆ（Ｌ１ｂ）÷ｆ（Ｌ１ａ）＜－１．４である。
【0025】
【0026】
【0027】
上記の態様において、前記第２ａレンズ群（Ｇｒ２ａ）が２枚の単レンズ（図１２）からなり、拡大側から順に並ぶ、負のパワーを持つ単レンズ（Ｌ２ａ）及び正のパワーを持つ単レンズ（Ｌ２ｂ）である。
【発明の効果】
【0028】
以上の態様によれば、構成枚数が少なく、接合レンズを用いず、開口数が大きく、焦点距離に対する作動距離の比が大きい対物レンズの構成を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】レトロフォーカスタイプのパワー配置図
【図2】ダブルガウスタイプの瞳位置の説明
【図3】レトロフォーカスタイプの瞳位置の説明
【図4】アフォーカルコンバータータイプのパワー配置図
【図5】実施形態に係る対物レンズのパワー配置図
【図6】実施例１の対物レンズの光路図
【図7】実施例１の対物レンズの縦収差図
【図8】実施例１の対物レンズの横収差図
【図9】実施例２の対物レンズの光路図
【図10】実施例２の対物レンズの縦収差図
【図11】実施例２の対物レンズの横収差図
【図12】実施例３の対物レンズの光路図
【図13】実施例３の対物レンズの縦収差図
【図14】実施例３の対物レンズの横収差図
【図15】実施例４の対物レンズの光路図
【図16】実施例４の対物レンズの縦収差図
【図17】実施例４の対物レンズの横収差図
【図18】実施例５の対物レンズの光路図
【図19】実施例５の対物レンズの縦収差図
【図20】実施例５の対物レンズの横収差図
【発明を実施するための形態】
【0030】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図５は、実施形態に係る対物レンズ１のパワー配置図である。図５に示すように、対物レンズ１は、課題を解決するために、拡大側（すなわち、図の左側の入射面側）から順に並ぶ、群として略アフォーカルな第１レンズ群Ｇｒ１と、全体として正の焦点距離を持つ第２レンズ群Ｇｒ２とにより構成される。各レンズ群は複数のレンズＬにより構成される。すべてのレンズＬは接合面を持たない単レンズにより構成される。第１レンズ群Ｇｒ１は、拡大側から順に並ぶ、それぞれ単レンズからなる負の第１ａレンズＬ１ａ及び正の第１ｂレンズＬ１ｂからなる。第２レンズ群Ｇｒ２は拡大側から順に、負のパワーを持つ第２ａレンズ群Ｇｒ２ａと、正のパワーを持つ第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂとが並ぶレンズ構成が有効である。ここで、パワーとは焦点距離の逆数のことである。
【0031】
従来、焦点距離に対して作動距離の長い所謂長作動距離対物レンズの設計において、長い作動距離の要求を満たすためには、レトロフォーカスタイプの構成を取ることが一般的であった。レトロフォーカスタイプの構成では、拡大側から順に、負のパワーを持つ第１レンズ群Ｇｒ１と、第１レンズ群Ｇｒ１に対し大きな空気間隔を隔てて正のパワーを持つ第２レンズ群Ｇｒ２とが並んで配置される。なお、作動距離とは、対物レンズ１を構成する複数のレンズの屈折面のうち最も縮小側に位置する最終屈折面から像面までの空気換算長である。
【0032】
レトロフォーカスタイプにおいては、焦点距離に対する作動距離の比（レトロ比Ｒ）を大きくすると、正のレンズ群に入射する軸上光線高が高くなり、球面収差の補正が難しくなる。また、レンズのパワー配置の著しい非対称性により、コマ収差の補正が難しくなる。その結果、レトロ比Ｒをそれほど大きく取れないことはすでに見た通りである。
【0033】
図１に示すように、簡単のため、焦点距離がｆ１である第１群と、焦点距離がｆ２である第２群とを備え、両群の間隔がｅである薄肉レンズにより構成される光学系を考える。第１群のパワーをφ１＝１／ｆ１、第２群のパワーをφ２＝１／ｆ２とし、系全体の焦点距離をｆ、系全体のパワーをφ＝１／ｆとすると、φは式（１）により与えられる。
φ＝φ１＋φ２－ｅφ１φ２ ・・・（１）
φ＝φ１＋φ２－ｅφ１φ２ ・・・（１）
【0034】
また、この光学系の作動距離をＷＤとすると、ＷＤは式（２）で与えられる。
ＷＤ＝（１－ｅφ１）／（φ１＋φ２－ｅφ１φ２）＝（１－ｅφ１）ｆ ・・・（２）
ここで、レトロ比Ｒを前述したように焦点距離に対する作動距離の比と定める。
Ｒ＝ＷＤ／ｆ＝１－ｅφ１ ・・・（３）
式（３）をφ１について解くことにより、以下の式（４）が得られる。
φ１＝（１－Ｒ）／ｅ ・・・（４）
レンズ間隔ｅは必ず正の値であるので、レトロ比Ｒを１よりも大きくするためにはφ１は負である必要があることが式（４）よりわかる。
ＷＤ＝（１－ｅφ１）／（φ１＋φ２－ｅφ１φ２）＝（１－ｅφ１）ｆ ・・・（２）
ここで、レトロ比Ｒを前述したように焦点距離に対する作動距離の比と定める。
Ｒ＝ＷＤ／ｆ＝１－ｅφ１ ・・・（３）
式（３）をφ１について解くことにより、以下の式（４）が得られる。
φ１＝（１－Ｒ）／ｅ ・・・（４）
レンズ間隔ｅは必ず正の値であるので、レトロ比Ｒを１よりも大きくするためにはφ１は負である必要があることが式（４）よりわかる。
【0035】
レトロフォーカスタイプを検査装置の対物レンズに適用した例が、特許文献２の実施例１、特許文献３の実施例１である。
【0036】
パワー配置の対称性を向上することで、コマ収差の補正を容易にしつつ、開口数を向上する方法として、ダブルガウスタイプの配置も考えられる。このタイプは、拡大側から順に並ぶ、正のパワーを持つ第１群、負のパワーを持つ第２群、及び、正のパワーを持つ第３群により構成される。さらに、負のパワーを持つ群が凹面を内側に向かい合わせたメニスカスレンズ群からなる。
【0037】
特許文献１の実施例１は、元来レトロフォーカスタイプでありながら、最も拡大側に凸レンズを配置し、途中の負のパワーを持つレンズ群をダブルガウスタイプの特徴を持つ形状に設定している。したがって、これはレトロフォーカスタイプにダブルガウスタイプを援用した例だと考えられる。この配置では、正レンズＬ１１からなる正のパワーを持つ第１群、負メニスカスレンズＬ１０、Ｌ９からなる負のパワーを持つ第２群、レンズＬ８～Ｌ１からなる正のパワーを持つ第３群の３つのレンズ群により、対物レンズが構成されている。
【0038】
ダブルガウスタイプ、ないしダブルガウスを援用したレトロフォーカスタイプにおいては、収差補正が容易である反面、レトロフォーカスタイプと比較して、瞳位置が最も拡大側の面より内側にあるという問題がある。これは、図２に示す通り、入射瞳（すなわち、絞りの虚像）が最も拡大側（図の左側）に配置された正のレンズ群の作用により、最も拡大側から遠ざかる方向に形成されるためである。一方、レトロフォーカスタイプでは、図３に示す通り、最も拡大側（図の左側）のレンズ群は負のパワーを持つため、絞りの虚像は拡大側に近づく方向に形成される。
【0039】
実際の装置において、瞳面が対物レンズのより内側に位置するということは、配置上不利である。理由は次の通りである。すなわち、瞳がより内側にあると、対物レンズを望む光束はより広がってしまう。すると、対物レンズと結像レンズとの間に位置する種々の光学素子（例えば、照明光を導入するためのビームスプリッタ）が大型化する、あるいは挿入するスペースが限られてしまうという問題が生じるためである。
【0040】
以上を要約すると、レトロフォーカスタイプは検査装置の対物レンズに適した形式ではあるが、拡大側に位置する強い負のパワーを持つレンズ群により、球面収差及びコマ収差の補正が難しい。この問題を解決するために、最も拡大側に正のパワーを持つレンズ群を配置し、ダブルガウスタイプを援用するという方法が考えられる。しかしながら、ダブルガウスタイプにおいて、最も拡大側に配置された正のパワーを持つレンズ群の作用により、瞳が最も拡大側から遠ざかるという問題がある。
【0041】
そこで、本明細書で記述するレトロフォーカスタイプの優位点である瞳位置の特徴をそのまま継承しつつ、球面収差及びコマ収差を良好に補正するという問題解決手段を説明する。
【0042】
具体的には、対物レンズ１は、拡大側から順に、群として略アフォーカルな第１レンズ群Ｇｒ１と、全体として正の焦点距離を持つ第２レンズ群Ｇｒ２とが並ぶレンズ構成とされる。第１レンズ群Ｇｒ１は、拡大側から順に並ぶ、負の第１ａレンズＬ１ａと、正の第１ｂレンズＬ１ｂとの各単レンズからなる。第２レンズ群Ｇｒ２は、拡大側から順に並ぶ、負のパワーを持つ第２ａレンズ群Ｇｒ２ａと、正のパワーを持つ第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂとからなる。
【0043】
まず、この配置を次のように簡略化したモデルで考える。図４に示すように、それぞれ単レンズからなる負の第１ａレンズＬ１ａと正の第１ｂレンズＬ１ｂからなり、群として略アフォーカルな第１レンズ群Ｇｒ１と、正のパワーを持つ第２レンズ群Ｇｒ２とからなる光学系を考える。これをアフォーカルコンバータータイプと呼ぶ。
【0044】
第１レンズ群Ｇｒ１はいわゆるアフォーカルコンバーターの役割を果たす。平行光が拡大側から入射するとき、平行光はまず第１ａレンズＬ１ａに入射し、発散光束として第１ｂレンズＬ１ｂに入射する。第１ｂレンズＬ１ｂに入射した光は、正のレンズの作用により略平行光となり、第２レンズ群Ｇｒ２に入射する。
【0045】
第１ａレンズＬ１ａの焦点距離をｆ１ａ、第１ｂレンズＬ１ｂの焦点距離をｆ１ｂとするとき、アフォーカル比ｍは次の式（５）で与えられる。なお、この式は第１レンズ群Ｇｒ１が完全にアフォーカルでなくともおおよそ成立する。
ｍ＝－ｆ１ｂ／ｆ１ａ ・・・（５）
ｍ＝－ｆ１ｂ／ｆ１ａ ・・・（５）
【0046】
Ｌ１ｂを出た光が第２レンズ群Ｇｒ２に入射するとする。第２レンズ群Ｇｒ２の焦点距離をｆ２とするとき、焦点距離（合成焦点距離）をｆとすると、ｆは式（６）で与えられる。
ｆ＝ｆ２／ｍ＝－（ｆ１ａ／ｆ１ｂ）ｆ２ ・・・（６）
ｆ＝ｆ２／ｍ＝－（ｆ１ａ／ｆ１ｂ）ｆ２ ・・・（６）
【0047】
この光学系のバックフォーカスは、第２レンズ群Ｇｒ２に平行光束が入射することからｆ２となる。したがってこの光学系のレトロ比Ｒ１は式（７）で与えられる。
Ｒ１＝ｆ２／ｆ＝ｍ＝－ｆ１ｂ／ｆ１ａ ・・・（７）
ゆえにφ１ａの絶対値をφ１ｂの絶対値よりも大きく取ることにより、明らかにレトロ比Ｒ１＞１が実現できる。
Ｒ１＝ｆ２／ｆ＝ｍ＝－ｆ１ｂ／ｆ１ａ ・・・（７）
ゆえにφ１ａの絶対値をφ１ｂの絶対値よりも大きく取ることにより、明らかにレトロ比Ｒ１＞１が実現できる。
【0048】
この光学配置に基づく先行例が特許文献５、６、７、８に示されている。これらの先行例では、拡大側の複数のレンズ群の合成が略アフォーカルであることは認識されておらず、単にレトロフォーカスタイプにより作動距離を長くすることが意図されている。また、これらの実施例では、レトロ比Ｒが高々２以下であり、要求されている長い作動距離と短焦点距離とを両立することはできない。さらに、これらの実施例は、すべて可視光での使用を前提にしており、高屈折硝材や接合レンズといった収差補正を容易にする手段を用いているため、検査装置用途には適さない。
【0049】
さらに、特許文献５、６、７、８の例は、アフォーカル系に続く全体として正のレンズ群を負のレンズ群との組み合わせとして構成していない。その理由は、アフォーカルの位置に移動群を配置することで、球面収差を変化させるために使ういわゆる補正環付き対物レンズの構成を意図しているためである。したがって、本明細書にて開示された発明のような長い作動距離と短い焦点距離が実現されるものではない。
【0050】
よって、上記の様に単純なアフォーカルコンバータータイプでは、検査装置用途として長い作動距離と短い焦点距離とを実現することはできない。そこで本発明では、この問題点を解決するため、第２レンズ群Ｇｒ２が負のパワーを持つ第２ａレンズ群Ｇｒ２ａと正のパワーを持つ第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂとに分割される。すなわち、第２レンズ群Ｇｒ２がレトロフォーカスタイプにより構成される。第２レンズ群Ｇｒ２のレトロ比ＲをＲ２とすると、作動距離（ＷＤ）は次に示す式（８）で与えられる。
ＷＤ＝ｆ２×Ｒ２ ・・・（８）
ＷＤ＝ｆ２×Ｒ２ ・・・（８）
【0051】
式（７）を式（８）に代入することにより次式（９）が得られる。
ＷＤ＝ｆ×Ｒ１×Ｒ２ ・・・（９）
したがって、全体のレトロ比Ｒは次式（１０）のようになる。
Ｒ＝ＷＤ／ｆ＝Ｒ１×Ｒ２＝ｍ×Ｒ２ ・・・（１０）
ＷＤ＝ｆ×Ｒ１×Ｒ２ ・・・（９）
したがって、全体のレトロ比Ｒは次式（１０）のようになる。
Ｒ＝ＷＤ／ｆ＝Ｒ１×Ｒ２＝ｍ×Ｒ２ ・・・（１０）
【0052】
本発明による対物レンズ１のパワー配置は図５に示す通りである。
【0053】
全体のレトロ比Ｒは、アフォーカル比ｍとレトロフォーカスタイプの対物レンズ１のレトロ比Ｒとの積で表現される。そこで、全体のレトロ比Ｒをアフォーカルコンバーターとレトロフォーカスタイプの対物レンズ１とに分担させることにより、各レンズ群の収差補正上の負担を増すことなくレトロ比Ｒを大きく取ることができる。上記の先行例によると、レトロ比Ｒが１．５程度のレトロフォーカスタイプの実現は容易である。また、アフォーカル倍率が２倍程度のアフォーカル系の構成も容易である。したがって、構成の容易な部分系の組み合わせにより、容易にレトロ比Ｒを高く取ることができる。このタイプを改良アフォーカルコンバータータイプと呼ぶ。
【0054】
拡大側から順に負のレンズと正のレンズとが並ぶアフォーカルコンバーターの配置は、瞳位置の観点からレトロフォーカスタイプよりも有利である。その理由は次の通りである。すなわち、アフォーカルコンバーターの正のレンズ群により、一旦絞りの虚像が拡大側より遠い側に形成される。その虚像を最も拡大側の負のレンズ群により再び虚像として形成することにより、レトロフォーカスタイプよりも絞りの虚像がより拡大側（すなわち、入射面側）に形成されるためである。さらに、改良アフォーカルコンバータータイプでは、第２レンズ群Ｇｒ２が、負のパワーを持つ第２ａレンズ群Ｇｒ２ａと正のパワーを持つ第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂとに分割される。これにより、通常は第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂ近辺に配置される開口絞りの像としての瞳を、第２ａレンズ群Ｇｒ２ａにより虚像に変換する際の自由度が増す。そのため、瞳位置と収差補正とが両立しやすくなるという利点がある。瞳位置についての利点は、これまで知られていた比較的小型の対物レンズの実施例においては意識されていなかった。
【0055】
本明細書で開示した構成は、従来収差補正が難しいとされていた、最も拡大側に負レンズを配置した構成である。全体として収差補正を行うため、アフォーカルコンバーター部により発生する過剰補正の収差を、その後に続く正のレンズ群の補正不足の収差により打ち消すことを発明者は考案した。そのことにより、個々の部分群の収差を補正するよりも、全系として高度に収差補正することができる。その結果、従来のレトロフォーカスタイプや、ダブルガウスタイプ、ないし、最も拡大側に凸レンズを配置するようなアフォーカルタイプにはない短い焦点距離と長い作動距離とを両立させることできた。さらに、収差補正が良好な対物レンズ１を極力少ない枚数で構成することが新たに達成できた。
【0056】
さらに、本明細書で開示された構成が新規であることの証左として、先行例（非特許文献１の図９及び特許文献１の表１）を例にとって説明する。
【0057】
非特許文献１の図９の構成は、最も拡大側から順に、正のレンズと負のレンズとからなる略アフォーカルなレンズ群と、負のレンズ群と正のレンズ群とが距離を隔てて配置された全体として正のレンズ群とが並ぶ。この構成は、作動距離を長く取るために焦点距離を長く設定したとき、収差を良好に補正するためにアフォーカルレンズ群が正のレンズと負のレンズとの並びで構成されている。仮に、この構成が本明細書で開示されたようにアフォーカル群を負のレンズと正のレンズとの並びで構成し、焦点距離と作動距離との比を予め要求されていた範囲内に収めようとした場合、パワー配置の非対称性により収差補正を行うことが困難である。このことは特許文献１（表１）についても同様である。さらに、これらの先行例では、アフォーカルタイプの収差補正効果（すなわち、アフォーカルレンズ群と正のレンズ群との収差を互いに打ち消すことで全体として収差をきわめて小さくする効果）について意識されていない。そのため、アフォーカルレンズ群のアフォーカル比ｍは小さく、全体として収差を良好に補正するのに役立ってはいない。
【0058】
したがって、本明細書の構成は、これら先行例の単なる改良ではない。
【0059】
以上に加えて、本明細書で取り扱った検査用対物レンズを含む顕微鏡対物レンズの分類を包括的に行った非特許文献２においても、本明細書で開示された改良アフォーカルコンバータータイプについて言及されていない。したがって、本明細書で開示された構成はこれまでに見られない新しいタイプであるといえる。
【0060】
なお、ここに記載の対物レンズ１は、例えばエキシマレーザー（ＡｒＦ、ＫｒＦ）やＹＡＧレーザーの高調波（３５５ｎｍ、２６６ｎｍ）、アルゴンイオンレーザー（３６３．８ｎｍ）といった深紫外領域におけるレーザー発振波長での使用を想定している。一方、ここに記載の対物レンズ１を、例えばＹＡＧの２倍波（５３２ｎｍ）やＡｒレーザー（４８８ｎｍ）といった可視レーザー、あるいは近赤外レーザー発振波長に適用することも当然ながら可能である。また、その場合は、レンズを構成する材料が石英、蛍石に加えて通常の光学ガラスであってもよい。
【0061】
本発明によると、高い開口数とレトロ比Ｒが１．５～３倍程度の長い作動距離及び短い焦点距離とを両立可能な対物レンズ１を構成することができる。
【実施例1】
【0062】
図６～図８は、実施例１の対物レンズ１の光路図、縦収差図及び横収差図を示す。実施例１は、波長１９３．４ｎｍ±０．００１ｎｍ、焦点距離（ｆ（ｔｏｔａｌ））：３ｍｍ、ＮＡ：０．８５、作動距離：９．８７ｍｍ、視野：φ０．１８ｍｍの対物レンズ１である。レトロ比Ｒは９．８７÷３＝３．２９である。本実施例の対物レンズ１はすべて石英（合成石英を含む。以下同じ。）又は蛍石（ＣａＦ２）からなる接合面を持たない単レンズにより構成され、接合レンズを含まない。図６に示すように、本実施例の対物レンズ１は拡大側（図の左側）から順に並ぶ、略アフォーカルである第１レンズ群Ｇｒ１と、正の第２レンズ群Ｇｒ２との組み合わせである。第１レンズ群Ｇｒ１は、拡大側から順に並ぶ、負の単レンズからなる第１ａレンズＬ１ａと、負の単レンズからなる第１ｂレンズＬ１ｂとからなる。第２レンズ群Ｇｒ２は、拡大側から順に並ぶ、２枚の負の単レンズからなる第２ａ１レンズＬ２ａ１及び第２ａ２レンズＬ２ａ２からなる全体として負の第２ａレンズ群Ｇｒ２ａと、全体として正の第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂとからなる。また、第１レンズ群Ｇｒ１の焦点距離（ｆ（Ｇｒ１））が６７ｍｍであり、｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＝２２．３３となるため、本発明の条件（｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＞１０）は満たされる。第１レンズ群Ｇｒ１のアフォーカル比ｍは、ｆ（Ｌ１ａ）＝－２０．１２、ｆ（Ｌ１ｂ）＝３４．１６なので、ｍ＝ｆ（Ｌ１ｂ）÷ｆ（Ｌ１ａ）＝－１．７０となる。
【0063】
本実施例のレンズデータは表１に示す通りである。
【表1】
【実施例2】
【0064】
図９～図１１は、実施例２の対物レンズ１の光路図、縦収差図及び横収差図を示す。実施例２では、波長１９３．４ｎｍ±０．００１ｎｍ、焦点距離３ｍｍ、ＮＡ：０．９、作動距離：７．７ｍｍ、視野：φ０．１８ｍｍの対物レンズ１である。レトロ比Ｒは７÷３＝２．３３である。本実施例の対物レンズ１はすべて石英又は蛍石からなる接合面を持たない単レンズにより構成され、接合レンズを含まない。図９に示すように、本実施例の対物レンズ１は、拡大側（図の左側）から順に並ぶ、略アフォーカルである第１レンズ群Ｇｒ１と、正の第２レンズ群Ｇｒ２との組み合わせである。第１レンズ群Ｇｒ１は、拡大側から順に並ぶ、単レンズからなる負の第１ａレンズＬ１ａと、単レンズからなる正の第１ｂレンズＬ１ｂとからなる。第２レンズ群Ｇｒ２は、拡大側から順に並ぶ、負の単レンズからなる負の第２ａレンズ群Ｇｒ２ａと、全体として正の第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂとからなる。また、第１レンズ群Ｇｒ１の焦点距離（ｆ（Ｇｒ１））：４８ｍｍであり、｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＝１６となるため、本発明の条件（｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＞１０）は満たされる。第１レンズ群Ｇｒ１のアフォーカル比ｍは、ｆ（Ｌ１ａ）＝－２５．１４、ｆ（Ｌ１ｂ）＝３７．７４なので、ｍ＝ｆ（Ｌ１ｂ）÷ｆ（Ｌ１ａ）＝－１．５０となる。
【0065】
本実施例のレンズデータは表２に示す通りである。
【表2】
【実施例3】
【0066】
図１２～図１４は、実施例３の対物レンズ１の光路図、縦収差図及び横収差図を示す。実施例３は、波長２４８ｎｍ±０．０５ｎｍ、焦点距離：３ｍｍ、ＮＡ：０．８５、作動距離：６．２７ｍｍ、視野：φ０．２４の対物レンズ１である。レトロ比Ｒは７÷３＝２．０９である。本実施例の対物レンズ１はすべて石英又は蛍石からなる接合面を持たない単レンズにより構成され、接合レンズを含まない。図１２に示すように、本実施例の対物レンズ１は拡大側（図の左側）から順に並ぶ、略アフォーカルである第１レンズ群Ｇｒ１と、正の第２レンズ群Ｇｒ２との組み合わせである。第１レンズ群Ｇｒ１は、拡大側から順に並ぶ、負の単レンズからなる第１ａレンズＬ１ａと、正の単レンズからなる第１ｂレンズＬ１ｂとからなる。第２レンズ群Ｇｒ２は、負の単レンズからなる第２ａ１レンズＬ２ａ１と正の単レンズからなる第２ａ２レンズＬ２ａ２とからなる負の第２ａレンズ群Ｇｒ２ａと、全体として正の第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂとからなる。また、第１レンズ群Ｇｒ１の焦点距離（ｆ（Ｇｒ１））＝－２６３ｍｍであり、｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＝８７．６６となるため、本発明の条件（｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＞１０）は満たされる。第１レンズ群Ｇｒ１のアフォーカル比ｍは、ｆ（Ｌ１ａ）＝－１０．４６、ｆ（Ｌ１ｂ）＝２２．４６なので、ｍ＝ｆ（Ｌ１ｂ）÷ｆ（Ｌ１ａ）＝－２．１５となる。
【0067】
本実施例のレンズデータは表３に示す通りである。
【表3】
【実施例4】
【0068】
図１５～図１７は、実施例４の対物レンズ１の光路図、縦収差図及び横収差図を示す。実施例４は、波長２６６ｎｍ、焦点距離：３ｍｍ、ＮＡ：０．９、作動距離：５．４５５ｍｍ、視野：φ０．２８ｍｍの対物レンズ１である。レトロ比Ｒは５．４５５÷３＝１．８２である。本実施例の対物レンズ１はすべて石英からなる接合面を持たない単レンズにより構成され、接合レンズを含まない。図１５に示すように、本実施例の対物レンズ１は拡大側（図の左側）から順に並ぶ、略アフォーカルである第１レンズ群Ｇｒ１と、正の第２レンズ群Ｇｒ２との組み合わせである。第１レンズ群Ｇｒ１は、拡大側から順に並ぶ、負の単レンズからなる第１ａレンズＬ１ａと、正の単レンズからなる第１ｂレンズＬ１ｂとからなる。第２レンズ群Ｇｒ２は、拡大側から順に並ぶ、負の単レンズからなる負の第２ａレンズ群Ｇｒ２ａと、全体として正の第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂとからなる。また、第１レンズ群Ｇｒ１の焦点距離（ｆ（Ｇｒ１））＝３０ｍｍであり、｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＝１０となるため、本発明の条件（｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＞１０）は満たされる。第１レンズ群Ｇｒ１のアフォーカル比ｍは、ｆ（Ｌ１ａ）＝－２２．５６、ｆ（Ｌ１ｂ）＝３３．４８なので、ｍ＝ｆ（Ｌ１ｂ）÷ｆ（Ｌ１ａ）＝－１．４８となる。
【0069】
本実施例のレンズデータは表４に示す通りである。
【表4】
【実施例5】
【0070】
図１８～図２０は、実施例５の対物レンズ１の光路図、縦収差図及び横収差図を示す。実施例５は、波長１９３．４ｎｍ±０．００１ｎｍ、焦点距離（ｆ（ｔｏｔａｌ））：３ｍｍ、ＮＡ：０．８５、作動距離：９．９６ｍｍ、視野：φ０．１８ｍｍの対物レンズ１である。レトロ比Ｒは９．８７÷３＝３．３２である。本実施例の対物レンズ１はすべて石英又は蛍石からなる接合面を持たない単レンズより構成され、接合レンズを含まない。図１８に示すように、本実施例の対物レンズ１は拡大側（図の左側）から順に並ぶ、略アフォーカルである第１レンズ群Ｇｒ１と、正の第２レンズ群Ｇｒ２との組み合わせである。第１レンズ群Ｇｒ１は、拡大側から順に並ぶ、負の単レンズからなる第１ａレンズＬ１ａと、負の単レンズからなる第１ｂレンズＬ１ｂとからなる。第２レンズ群Ｇｒ２は、２枚の負の単レンズからなる第２ａ１レンズＬ２ａ１及び第２ａ２レンズＬ２ａ２からなり、全体として負の第２ａレンズ群Ｇｒ２ａと、全体として正の第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂとからなる。また、第１レンズ群Ｇｒ１の焦点距離（ｆ（Ｇｒ１））＝１０００ｍｍであり、｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＝３３３となるため、本発明の条件（｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＞１０）は満たされる。第１レンズ群Ｇｒ１のアフォーカル比ｍは、ｆ（Ｌ１ａ）＝－２２．５８、ｆ（Ｌ１ｂ）＝４６．１６なので、ｍ＝ｆ（Ｌ１ｂ）÷ｆ（Ｌ１ａ）＝－２．０４となる。
【0071】
本実施例のレンズデータは表５に示す通りである。
【表5】
【0072】
表６及び表７に各実施例のパラメータをまとめる。ただし、ｆ（＊＊）は、＊＊で示されるレンズ群あるいはレンズの焦点距離を示す。また、ｆ（ｔｏｔａｌ）は全系の焦点距離である。
【0073】
【表6】
【0074】
【表7】
【0075】
以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。
【0076】
例えば、上記実施例では、第１レンズ群Ｇｒ１が、拡大側から順に並ぶ、第１ａレンズＬ１ａと第１ｂレンズＬ１ｂとにより構成されている。他の実施例では、第１レンズ群Ｇｒ１が、拡大側から順に並ぶ、負のパワーを持つ第１ａレンズ群Ｇｒ１ａと、正のパワーを持つ第１ｂレンズ群Ｇｒ１ｂとにより構成されてもよい。この場合、対物レンズ１が、｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＞１０を満たしていればよい。
【産業上の利用可能性】
【0077】
本発明により半導体やＦＰＤをはじめとする各種検査装置に好適な、高い開口数であり、作動距離が長く、焦点距離が短く、なおかつ構成枚数の少ない対物レンズ１を提供することができる。
【符号の説明】
【0078】
１ ：対物レンズ
Ｇｒ１ ：第１レンズ群
Ｇｒ１ａ ：第１ａレンズ群
Ｇｒ１ｂ ：第１ｂレンズ群
Ｇｒ２ ：第２レンズ群
Ｇｒ２ａ ：第２ａレンズ群
Ｇｒ２ｂ ：第２ｂレンズ群
Ｌ ：レンズ
Ｌ１ａ ：第１ａレンズ
Ｌ１ｂ ：第１ｂレンズ
Ｌ２ａ１ ：第２ａ１レンズ
Ｌ２ａ２ ：第２ａ２レンズ
ｆ（Ｇｒ１）：第１レンズ群の焦点距離
ｆ（ｔｏｔａｌ）：全系の焦点距離
ｆ（Ｌ１ａ）：第１ａレンズの焦点距離
ｆ（Ｌ１ｂ）：第１ｂレンズの焦点距離
Ｇｒ１ ：第１レンズ群
Ｇｒ１ａ ：第１ａレンズ群
Ｇｒ１ｂ ：第１ｂレンズ群
Ｇｒ２ ：第２レンズ群
Ｇｒ２ａ ：第２ａレンズ群
Ｇｒ２ｂ ：第２ｂレンズ群
Ｌ ：レンズ
Ｌ１ａ ：第１ａレンズ
Ｌ１ｂ ：第１ｂレンズ
Ｌ２ａ１ ：第２ａ１レンズ
Ｌ２ａ２ ：第２ａ２レンズ
ｆ（Ｇｒ１）：第１レンズ群の焦点距離
ｆ（ｔｏｔａｌ）：全系の焦点距離
ｆ（Ｌ１ａ）：第１ａレンズの焦点距離
ｆ（Ｌ１ｂ）：第１ｂレンズの焦点距離
【要約】
【課題】半導体やＦＰＤをはじめとする各種検査装置に最適な、高開口数と長作動距離と短焦点距離とをすべて満足する対物レンズ１を提供する。
【解決手段】対物レンズ１は、拡大側から順に、略アフォーカルである第１レンズ群Ｇｒ１と、正のパワーを持つ第２レンズ群Ｇｒ２とが並んで構成される。第１レンズ群Ｇｒ１は、拡大側から順に、負のパワーを持つ第１ａレンズ群Ｇｒ１ａと、正のパワーを持つ第１ｂレンズ群Ｇｒ１ｂとが並んで構成される。第２レンズ群Ｇｒ２は、拡大側から順に、負のパワーを持つ第２ａレンズ群Ｇｒ２ａと、正のパワーを持つ第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂとが並んで構成される。第１レンズ群Ｇｒ１の焦点距離をｆ（Ｇｒ１）とし、対物レンズ１の全系の焦点距離をｆ（ｔｏｔａｌ）としたときに、｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＞１０が満たされる。
【選択図】図６
【解決手段】対物レンズ１は、拡大側から順に、略アフォーカルである第１レンズ群Ｇｒ１と、正のパワーを持つ第２レンズ群Ｇｒ２とが並んで構成される。第１レンズ群Ｇｒ１は、拡大側から順に、負のパワーを持つ第１ａレンズ群Ｇｒ１ａと、正のパワーを持つ第１ｂレンズ群Ｇｒ１ｂとが並んで構成される。第２レンズ群Ｇｒ２は、拡大側から順に、負のパワーを持つ第２ａレンズ群Ｇｒ２ａと、正のパワーを持つ第２ｂレンズ群Ｇｒ２ｂとが並んで構成される。第１レンズ群Ｇｒ１の焦点距離をｆ（Ｇｒ１）とし、対物レンズ１の全系の焦点距離をｆ（ｔｏｔａｌ）としたときに、｜ｆ（Ｇｒ１）÷ｆ（ｔｏｔａｌ）｜＞１０が満たされる。
【選択図】図６
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】