JP2001338502A - 照明光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 異なるランプの光を出射するように切り換え
られる小型で低価格の照明光学装置の提供。 【解決手段】 第１の光源51と、第１の光源から放射さ
れた光を第１の光源に向かって反射するように、第１の
光源の背面側に設けられた反射鏡52と、第１の光源から
放射された光を収束点に収束するように第１の光源の前
面側に設けられた第１のレンズ53と、収束点に設けられ
た第２の光源54と、第２の光源の前面側に設けられた第
２のレンズ55とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明光学装置に関
し、特に顕微鏡などの照明光源として使用される照明光
学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】顕微鏡や映写機などの光学装置では、発
光ランプを有する照明光学装置が光源として使用され
る。このような内部に発光ランプを有する照明光学装置
を、ランプハウスと呼ぶので、ここでもこの語を使用す
る場合がある。図１は、顕微鏡の基本的な構成を示す図
である。図１に示すように、ステージ１０１上に保持さ
れた試料１００が顕微鏡の対物レンズ１１の下の焦点位
置に配置される。照明光学装置（ランプハウス）１５か
らの光は、リレーレンズ１４及びハーフミラー１２を介
して対物レンズ１１に入射し、試料１００を照明する。
対物レンズ１１は、照明された試料１００上の光学像を
イメージセンサ１３上に投影する。イメージセンサ１３
の代わりに、接眼レンズに設け、肉眼で観察する場合も
ある。また、照明光学系については、光源の像がそのま
ま試料上に投影されるクリティカル照明や、光源の像は
試料上に投影されないケーラー照明などが知られてい
る。各種の光学顕微鏡の構成や照明光学系については広
く知られており、ここでは詳しい説明を省略するが、本
発明は顕微鏡の照明光学装置に限定されるものではな
く、どのような光学装置に使用される照明光学装置にも
適用可能であり、またクリティカル照明やケーラー照明
に限定されず、発光ランプを有する照明光学装置であれ
ばどのような照明光学系にも適用可能である。

【０００３】光学顕微鏡の光源としては、白熱ランプ、
及びキセノンランプや水銀ランプなどの放電型ランプが
使用されるが、照明光の波長を試料や用途に応じて変更
できることが要求される場合がある。例えば、半導体ウ
エハの表面に形成されたパターンを検査するインスペク
ションマシンでは、照明光を検査内容に応じて紫外線と
可視光との間で切り換えることが要求される。図２は、
照明光の波長を変更可能にした照明光学装置の従来の構
成例を示す図である。

【０００４】図２に示すように、この照明光学装置で
は、第１の照明ユニット３０から出射された第１の波長
成分の光と、第２の照明ユニット４０から出射された第
２の波長成分の光とをハーフミラー２１で合成する。ハ
ーフミラー２１の一方の面には、第１の波長成分の光は
反射するが、第２の波長成分の光は透過するような干渉
フィルタが形成されている。第１の照明ユニット３０の
出射部にはシャッタ３４が、第２の照明ユニット４０の
出射部にはシャッタ４４が設けられ、各照明ユニットか
ら出射される光を遮光できるようになっている。

【０００５】第１の照明ユニット３０には、例えば、紫
外線を発光する水銀ランプ３１と、水銀ランプ３１の背
面側に設けられた水銀ランプ３１の発光部を中心とし、
発光部から放射される光を元の方向に戻す球面ミラー３
２と、水銀ランプ３１の前面側に設けられた水銀ランプ
３１の発光部からの光を平行光とするコンデンサレンズ
３３が設けられている。同様に、第２の照明ユニット４
０には、例えば、可視域全般に波長成分を有する光を発
光するキセノンランプ４１と、キセノンランプ４１の背
面側に設けられたキセノンランプ３１の発光部を中心と
し、発光部から放射される光を元の方向に戻す球面ミラ
ー４２と、キセノンランプ４１の前面側に設けられたキ
セノンランプ４１の発光部からの光を平行光とするコン
デンサレンズ４３が設けられている。なお、ここでは、
コンデンサレンズ３３と３４は、ランプからの光を平行
光にするとしたが、使用する照明光学系に応じて、所定
の位置に収束する場合もある。実際にはランプの発光部
は点光源ではないので、球面ミラー３２と４２はランプ
からの光をすべて発光部に戻すように反射することはで
きず、コンデンサレンズ３３と３４も発光部からの光を
すべて所定の位置に収束（平行光の場合は無限遠）する
ことはできないが、説明を簡略にするためにここでは
「球面ミラーは発光部からの光を元の方向に戻す」及び
「コンデンサレンズは発光部からの光を所定の位置に収
束する」との表現を使用した。従って、このような表現
には、発光部の大きさに起因する誤差や、反射ミラーや
コンデンサレンズの変形例による誤差も範囲内に含むも
のとする。

【０００６】図３は、図２の構成において、第２の照明
ユニット４０とハーフミラー２１の部分の側面図であ
る。参照番号２２は、ハーフミラー２１を保持する枠で
ある。図示のように、キセノンランプ４１は、中央が球
状の円筒状のガラス管であり、内部には高圧のキセノン
ガスが封止されており、両端の口金から伸びる電極間で
放電を発生されることにより可視域の連続スペクトルを
含む光が発光する。水銀ランプも類似の構成を有する
が、内部には数気圧の水銀蒸気が封止されており、電極
が間隔がキセノンランプに比べて広い。

【０００７】なお、照明光の波長を変更する必要のない
場合、すなわち異なる特性のランプを使用する必要のな
い場合には、第１又は第２の照明ユニットの一方のみが
使用される。この場合には、当然ハーフミラーは必要な
い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】照明光の波長を変更す
る照明光学装置の従来例では、図２に示すように、２つ
の照明ユニットを出射方向が直交するように配置し、更
にハーフミラーを設けている。各照明ユニットは一方に
長く、それらを直交して配置する必要があるため、照明
光学装置が大きくなるという問題があった。

【０００９】また、ハーフミラーは、一方の照明ユニッ
トから出射される光は反射し、他方の照明ユニットから
出射される光は透過する特殊な干渉フィルタを設ける必
要があるため高価であるという問題があった。本発明
は、このような問題を解決するためのものであり、小型
で低価格の照明光学装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を実現するた
め、本発明の照明光学装置では、２つの光源を直列に配
置し、背面側には反射鏡を、前面側にはコンデンサレン
ズを配置すると共に、２つの光源の間には２つの光源が
結像関係になるようなレンズを配置する。すなわち、本
発明の照明光学装置は、第１の光源と、第１の光源から
放射された光を第１の光源に向かって反射するように、
第１の光源の背面側に設けられた反射鏡と、第１の光源
から放射された光を収束点に収束するように、第１の光
源の前面側に設けられた第１のレンズと、収束点に設け
られた第２の光源と、第２の光源の前面側に設けられた
第２のレンズとを備えることを特徴とする。

【００１１】本発明の照明光学装置では、第１の光源か
ら背面側に放射された光は反射鏡により反射されて第１
の光源に戻る。第１の光源から前面に放射された光は、
背面から戻った光と共に第１のレンズにより収束点に収
束された後第２のレンズに入射する。従って、本発明の
照明光学装置では、第１の光源を点灯すれば、実質的に
従来例と同様の照明光が出射され、しかも同等の効率が
得られる。また、第２の光源から背面側に放射された光
は、第１のレンズにより第１の光源の部分に収束された
後反射鏡で反射されて逆の経路を進み、再び収束点、す
なわち第２の光源の部分に収束される。第２の光源から
前面に放射された光は、背面から戻った光と共に第２の
レンズに入射する。従って、第２の光源を点灯すれば、
実質的に従来例と同様の照明光が出射され、しかも同等
の効率が得られる。更に、本発明の照明光学装置では、
２つの光源を直列に配置するので一方向に若干長くなる
が、２つのユニットを直交して配置しないので、全体と
しては小型にできる。また、高価なハーフミラーを使用
しないので、照明光学装置のコストを低減できる。

【００１２】第１の光源から放射された光は第２の光源
の発光部を通過し、第２の光源から背面に放射された光
は第１の光源の発光部を通過するので、発光部は放電型
ランプのように空間であることが望ましい。言い換えれ
ば、発光部には白熱ランプのようなフィラメントが存在
しないことが望ましい。照明光の波長を変更する照明光
学装置の場合には、第１の光源と第２の光源は、発光波
長が異なる特性のランプにする。

【００１３】図２の従来例では、２つの照明ユニットの
光源３１と４１として同じ特性のランプを使用すること
はなかった。しかし、本発明の照明光学装置では、第１
の光源と第２の光源に同じ特性のランプを使用すること
も可能であり、２つのランプを同時に使用すれば、照明
光の光量を約２倍にすることができる。また、一方のラ
ンプを点灯し、そのランプの発光量が所定値以下に減少
した時点で他方のランプを点灯するようにすれば、ラン
プの交換周期を２倍にすることが可能である。更に一方
のランプを点灯している時に他方のランプを交換するこ
とも可能であり、これにより照明を中断せずにランプ交
換ができる。また、ランプ及びランプを収容するランプ
ハウスは、点灯時に高温になるがその状態で安定してお
り（通常は冷却され、平衡状態になる）、一旦消灯する
と安定するまでに時間を有する。一方のランプを点灯し
ながら他方のランプを交換すれば、ランプハウスの温度
の低下が防止でき、交換したランプは高温のランプハウ
ス内に保持されるのであらかじめ予熱されるので、次に
点灯する場合も冷却した状態から点灯するのに比べて安
定状態まで立ち上がるのに要する時間を大幅に低減でき
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】図４は、本発明の実施例の顕微鏡
の照明光源として使用される照明光学装置の構成を示す
図である。図示のように、反射ミラー５２、第１の光源
５１の発光部、第１のレンズ５３、第２の光源５４の発
光部及び第２のレンズ５５が光軸上に直列に配置され
る。例えば、第１の光源５１はキセノンランプであり、
第２の光源５４は水銀ランプである。反射ミラー５２
は、第１の光源５１の発光部を中心とする球面ミラーで
ある。第１のレンズ５３は、第１の光源５１の発光部と
第２の光源５４の発光部が結像関係とするレンズであ
り、第１の光源５１の発光部からの光を第２の光源５４
の発光部に収束すると共に、逆に第２の光源５４の発光
部からの光を第１の光源５１の発光部に収束する。な
お、第１のレンズ５３は第１の光源５１の発光部と第２
の光源５４の発光部の中間に配置されること、すなわち
第１の光源５１の発光部と第２の光源５４の発光部は等
倍の結像関係であることが望ましい。第２のレンズ５５
は、第２の光源５４の発光部と所定の収束位置を結像関
係とするレンズであり、第２の光源５４の発光部からの
光を所定の収束位置（ここでは無限遠）に収束する。収
束位置は、顕微鏡との関係で定める必要がある。

【００１５】第１の光源５１を構成するランプは、電源
５６に接続され、途中に設けられたスイッチ５７により
点灯と消灯が切り換えられるようになっている。同様
に、第２の光源５４を構成するランプは、電源５８に接
続され、途中に設けられたスイッチ５９により点灯と消
灯が切り換えられるようになっている。第１の光源５１
の発光する光（可視連続スペクトル）で照明する場合に
は、スイッチ５７を接続状態にし、スイッチ５９を遮断
状態にする。また、第２の光源５４の発光する光（紫外
線）で照明する場合には、スイッチ５７を遮断状態に
し、スイッチ５９を接続状態にする。

【００１６】第１の光源５１を点灯して第２の光源５４
を消灯した時には、第１の光源５１の発光部から背面側
に放射された光は反射鏡５２により反射されて第１の光
源５１の発光部に戻る。第１の光源５１の発光部から前
面に放射された光は、背面から戻った光と共に第１のレ
ンズ５３により第２の光源５４の発光部に収束された後
広がり、第２のレンズに入射して所定の収束点に向かっ
て収束される（収束点が負であれば発散する）。また、
第１の光源５１を消灯して第２の光源５４を点灯した時
には、第２の光源５４の発光部から背面側に放射された
光は、第１のレンズ５３により第１の光源５１の発光部
に収束された後反射鏡５２で反射されて逆の経路を進
み、再び第２の光源５４の発光部に収束される。第２の
光源５４の発光部から前面に放射された光は、背面から
戻った光と共に第２のレンズ５５に入射して所定の収束
点に向かって収束される。

【００１７】ここで、第１のレンズ５３が第１の光源５
１及び第２の光源５４からの光を捕捉する立体角が、コ
ンデンサレンズが捕捉する立体角と同じで、第１のレン
ズ５３の結像性能が良好で透過率（表面反射を含む）が
１００％に近ければ、従来例に近い効率（出射される光
量のランプの総発光量に対する割合）が得られる。以上
のように、本実施例の照明光学装置では、２つの光源を
直列に配置するので一方向に若干長くなるが、２つのユ
ニットを直交して配置した図２の従来例に比べて、全体
としては小型にできる。また、高価なハーフミラーを使
用しないので、照明光学装置のコストを低減できる。

【００１８】図４の実施例の構成で、同じ特性のランプ
を、第１の光源５１と第２の光源５４として使用するこ
とも可能である。例えば、２つのランプを同時に点灯す
れば出射光量を約２倍にすることができる。ランプは同
じ条件で点灯した場合、発光量は徐々に低下し、ある程
度低下すると必要な出射光量が得られなくなるのでラン
プを交換する必要がある。すなわちランプには寿命があ
り、所定の時間（交換時間）だけ点灯したら交換してい
る。ここで、第１の光源５１を構成するランプを点灯
し、第２の光源５４を構成するランプを消灯した状態で
使用し、第１の光源５１のランプを交換時間だけ点灯し
たら、第１の光源５１のランプを消灯し、第２の光源５
４のランプを点灯して、更に交換時間だけ点灯する。そ
の後、両方のランプを一緒に交換すれば、交換のサイク
ルを２倍に伸ばすことができる。

【００１９】更に一方のランプを点灯している時に他方
のランプを交換することも可能であり、これにより照明
を中断せずにランプ交換ができる。また、ランプ及びラ
ンプを収容するランプハウスは、点灯時に高温になるが
その状態で安定しており（通常は冷却され、平衡状態に
なる）、一旦消灯すると安定するまでに時間を有する。
一方のランプを点灯しながら他方のランプを交換すれ
ば、ランプハウスの温度の低下が防止でき、交換したラ
ンプは高温のランプハウス内に保持されるのであらかじ
め予熱されるので、次に点灯する場合も冷却した状態か
ら点灯するのに比べて安定状態まで立ち上がるのに要す
る時間を大幅に低減できる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
２つの特性の異なるランプの光を出射するように切り換
えられる小型の照明光学装置が低コストで実現できる。
また、２倍近くの出射光量が得られるか、ランプの交換
周期を２倍にでき、照明を中断せずにランプが交換でき
る照明光学装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】照明光学装置を使用した光学顕微鏡の構成例を
示す図である。

【図２】２つの特性の異なるランプの光を出射するよう
に切り換えられる照明光学装置の従来の構成例を示す図
である。

【図３】図２の装置の一部の側面図である。

【図４】本発明の実施例の照明光学装置の構成を示す図
である。

【符号の説明】

５１…第１光源 ５２…反射鏡 ５３…第１のレンズ ５４…第２の光源 ５５…第２のレンズ ５６、５８…電源 ５７、５９…スイッチ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の光源と、 該第１の光源から放射された光を前記第１の光源に向か
   って反射するように、前記第１の光源の背面側に設けら
   れた反射鏡と、 前記第１の光源から放射された光を収束点に収束するよ
   うに、前記第１の光源の前面側に設けられた第１のレン
   ズと、 前記収束点に設けられた第２の光源と、 前記第２の光源の前面側に設けられた第２のレンズとを
   備えることを特徴とする照明光学装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の照明光学装置であっ
   て、 前記第１の光源と前記第２の光源は、放電型のランプで
   ある照明光学装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の照明光学装置で
   あって、 前記第１の光源と前記第２の光源は、発光波長が異なる
   特性のランプである照明光学装置。
4. 【請求項４】 請求項１又は２に記載の照明光学装置で
   あって、 前記第１の光源と前記第２の光源は、同一特性のランプ
   である照明光学装置。