JP2005309288A - Optical element, illuminating optical apparatus and optical apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、投影装置、露光装置、顕微鏡等の照明光学装置、及びこれに用いるのに好適な光学素子、更にはこの照明光学装置を用いた光学装置に関するものである。 The present invention relates to an illumination optical apparatus such as a projection apparatus, an exposure apparatus, and a microscope, an optical element suitable for use in the illumination optical apparatus, and an optical apparatus using the illumination optical apparatus.
投影装置、露光装置、顕微鏡等の光学装置の照明光学系においては、物体の所定範囲にわたって明るく、かつ、明るさの均一性が高く、所定の開口数(NA)をもって物体を照明できることが求められている。特に、明るさの均一性という点において、ケーラー照明を用いるのが一般的である。また、光源としては、目的により様々なものが用いられるが、半導体製造用露光装置や大型投影装置等、特に明るい照明が求められる光学装置においては、発光量の大きなものが必要となり、水源ランプやキセノンランプ等の放電灯あるいはレーザーが用いられる。また、顕微鏡でも蛍光観察の励起光源等としてこれらの光源がよく用いられている。 In an illumination optical system of an optical device such as a projection device, an exposure device, and a microscope, it is required to be bright over a predetermined range of the object, to have high uniformity of brightness, and to illuminate the object with a predetermined numerical aperture (NA). ing. In particular, Koehler illumination is generally used in terms of brightness uniformity. Various light sources may be used depending on the purpose. However, in an optical device requiring particularly bright illumination such as a semiconductor manufacturing exposure device or a large projection device, a light source with a large amount of light emission is required. A discharge lamp such as a xenon lamp or a laser is used. In addition, these light sources are often used as excitation light sources for fluorescence observation even in a microscope.
一方、一般に、正弦条件の成り立つレンズ系では物体の大きさ(光軸に垂直に見た直径)、照明光学系では光源発光部の大きさと、このレンズ系の入射側開口数との積は、射出側でも保存されるという性質がある。ところが、放電灯やレーザー等の光源の発光部の実効的な大きさは極めて小さいので、被照明物体の照明範囲あるいは照明の開口数(NA)が大きく制限される。また、放電灯の発光強度は、電極間を結ぶ方向に対する角度の依存性が強い。上記光学装置では、一般にケーラー照明が用いられるが、ケーラー照明は、光源の強度の角度方向特性については平均化効果がないので、ケーラー照明を用いても明るさむらが生じ易くなる。 On the other hand, in general, in the lens system where the sine condition is satisfied, the product of the size of the object (diameter viewed perpendicular to the optical axis), and in the illumination optical system, the product of the size of the light source emitting part and the incident-side numerical aperture of this lens system is It has the property of being stored on the injection side. However, since the effective size of the light emitting part of a light source such as a discharge lamp or laser is extremely small, the illumination range or numerical aperture (NA) of the illuminated object is greatly limited. Further, the emission intensity of the discharge lamp is highly dependent on the angle with respect to the direction connecting the electrodes. In the optical device, Koehler illumination is generally used. However, Koehler illumination does not have an averaging effect with respect to the angular direction characteristics of the intensity of the light source, and thus uneven brightness tends to occur even when Koehler illumination is used.
そこで、上記の問題点を解決するため様々な方法が用いられている。例えば、半導体製造用露光装置や投影装置等では、非特許文献1に記載されているように、照明系にフライアイレンズ(ハエの目レンズ)を設けることで、光源からの光束を波面分割して多数の2次光源を形成し、見かけ上、発光部の大きさを大きくしている。 Therefore, various methods are used to solve the above problems. For example, in an exposure apparatus and a projection apparatus for semiconductor manufacturing, as described in Non-Patent Document 1, by providing a fly-eye lens (fly eye lens) in an illumination system, a light beam from a light source is divided into wavefronts. Thus, a large number of secondary light sources are formed, and the size of the light emitting portion is increased.
また、非特許文献2に記載されているように、フライアイレンズの代わりにライトパイプを用いることもあるが、作用は同様である。
更に、特許文献1には、フレイアイレンズとライトパイプとを併用する方法が開示されている。
As described in Non-Patent
Further, Patent Document 1 discloses a method in which a fly eye lens and a light pipe are used in combination.
また、特許文献2には、光束断面内の強度分布をホログラム素子の組み合わせにより均一化する方法が開示されている。
また、特許文献3には、光源からの光束に対して、第1の反射面で所定方向の偏光成分を反射すると共にそれに直交する偏光成分を透過させ、第1の反射面にほぼ平行に配置された第2の反射面で、第1の反射面を透過した光を反射させる方法が開示されている。この方法によれば、光源からの光束は偏光分割され、見かけ上2つの光源が形成され、光源の大きさが大きくなったことに相当する効果が得られる。
Patent Document 3 discloses that a light beam from a light source reflects a polarized light component in a predetermined direction on the first reflecting surface and transmits a polarized light component orthogonal thereto, and is arranged substantially parallel to the first reflecting surface. A method of reflecting light transmitted through the first reflecting surface with the second reflecting surface thus formed is disclosed. According to this method, the light beam from the light source is polarized and split to form two light sources, and an effect equivalent to an increase in the size of the light source can be obtained.
ところで、上記非特許文献1に記載されたフライアイレンズを用いる方法によれば、フライアイレンズの各レンズ素子に対応して、多数の光源像が形成され、これが2次的な光源となる。これにより、見かけ上光源を大きくすることができるが、このときの2次光源面では、多数の光源像が離散して2次元的に並ぶことになる。この2次光源を用いてケーラー照明を行うと、被照明物体における照度分布は均一化されるが、輝度の方向特性はむしろ悪化し、本照明系の後に続く投影光学系の結像特性に影響が出る場合がある。また、フライアイレンズは、一般的に高価であり、装置の高価格化を招く一因となっていた。
また、上記非特許文献2に記載のライトパイプを用いる方法も、上述した非特許文献1に記載のフライアイレンズを用いる方法と基本的に作用効果が同じであって、同様の問題があった。また、素子として長いので、光学系が大型化する一因となっていた。
By the way, according to the method using the fly-eye lens described in Non-Patent Document 1, a large number of light source images are formed corresponding to each lens element of the fly-eye lens, and this becomes a secondary light source. As a result, the apparent light source can be enlarged, but on the secondary light source surface at this time, a large number of light source images are discretely arranged two-dimensionally. When Koehler illumination is performed using this secondary light source, the illuminance distribution on the object to be illuminated is made uniform, but the luminance direction characteristics are rather deteriorated, affecting the imaging characteristics of the projection optical system that follows this illumination system. May appear. In addition, the fly-eye lens is generally expensive and contributes to the high cost of the device.
In addition, the method using the light pipe described in Non-Patent
また、上記特許文献1に記載の方法によれば、上述した方法に比べ照度分布の均一化効果が更に高く、輝度の方向特性の問題もいくらか緩和されるが、装置が更に高価格化、大型化するという問題があった。
また、上記特許文献2に記載の方法は、光源にレーザーを用いる場合に有効である。レーザーは、多くの場合、ビーム断面強度分布がガウス分布となっているが、本方法によれば平坦な強度分布とすることができる。しかし、一般にホログラム素子は、光学特性の波長依存性が強く、一定の波長帯域を持つような光学系では用いることができない。
Further, according to the method described in Patent Document 1, the effect of uniformizing the illuminance distribution is higher than that of the method described above, and the problem of luminance direction characteristics is somewhat mitigated. There was a problem of becoming.
The method described in
また、上記特許文献3に記載の方法によれば、簡単な光学系構成で見かけ上の光源を2つ形成することができ、明るさの均一化にも多少の効果はある。しかし、見かけ上の光源の数が僅か2つであるので、均一化効果は弱く、更には被照明物体のX方向、若しくは、Y方向のいずれか一方向にしか効果がない。また、偏光分割によって見かけ上の2つの光源ができるので、これを用いてケーラー照明を行うと、被照明物体に偏光依存性がある場合、本照明系の後に続く投影光学系の結像特性に影響が出る場合がある。 Further, according to the method described in Patent Document 3, two apparent light sources can be formed with a simple optical system configuration, and there is some effect in making the brightness uniform. However, since the number of apparent light sources is only two, the uniformizing effect is weak, and further, it is effective only in either the X direction or the Y direction of the illuminated object. In addition, two apparent light sources can be generated by polarization splitting. When Koehler illumination is performed using these light sources, if the object to be illuminated has polarization dependence, the imaging characteristics of the projection optical system that follows this illumination system can be reduced. May have an impact.
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、光源発光部の大きさが小さくとも、所定の範囲にわたり、所定の開口数をもって照明が可能であると同時に、被照明物体上での照度分布の均一性、輝度の方向特性が良好な光学素子、照明光学装置及び光学装置を提供することを目的とする。
更に、本発明は、簡単な光学系構成によって、装置の高価格化、大型化を招くことなく、これらを実現することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-described problems. Even if the size of the light source light emitting unit is small, it can be illuminated with a predetermined numerical aperture over a predetermined range, and at the same time on an object to be illuminated. It is an object of the present invention to provide an optical element, an illumination optical device, and an optical device that have good illuminance distribution uniformity and luminance direction characteristics.
Another object of the present invention is to realize these without a high price and an increase in size of the apparatus with a simple optical system configuration.
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、互いにほぼ平行な複数の面を持ち、各面が所定の透過率及び反射率を有する光学素子であって、該所定の反射率及び透過率を有する実効的な面の数をk、但しkは2以上の整数、とすると、該所定の反射率及び透過率を有する面で受けた透過又は反射の回数の合計が2k−1までの光に対してその強度、但し2k−1の値が同じで異なる経路を辿る光に対してはその合計強度、がほぼ同じになるよう、前記各面の透過率及び反射率が設定されてなることを特徴とする光学素子を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The present invention is an optical element having a plurality of surfaces substantially parallel to each other, each surface having a predetermined transmittance and reflectance, and the number of effective surfaces having the predetermined reflectance and transmittance is k. Where k is an integer equal to or greater than 2, and the intensity of light transmitted to the surface having the predetermined reflectivity and transmissivity and the total number of times of reflection or reflection is up to 2k-1, where 2k-1 There is provided an optical element characterized in that the transmittance and the reflectance of each surface are set so that the total intensities of light having the same value and following different paths are approximately the same.
この発明によれば、従来のフライアイレンズのような高価な光学素子ではなく、複数の面に所定の反射率及び透過率を持たせただけの容易な構成であるので、製作コストを低減することができる。
更に、ホログラムのように光の回折を利用するものではないので、光学特性の波長依存性を低くでき、所定の波長域を持つ光源に対しても用いることができる。
According to the present invention, it is not an expensive optical element such as a conventional fly-eye lens, but it has an easy structure in which a predetermined reflectance and transmittance are provided on a plurality of surfaces, thereby reducing manufacturing costs. be able to.
Furthermore, since the diffraction of light is not used like a hologram, the wavelength dependency of optical characteristics can be reduced, and it can be used for a light source having a predetermined wavelength range.
また、本発明は上記光学素子を少なくとも1つ有する照明光学装置を提供する。
この発明によれば、製造コストが低くかつ小型の光学素子を利用するので、装置全体の大型化及び高価格化を防止することができる。
The present invention also provides an illumination optical apparatus having at least one optical element.
According to this invention, since the manufacturing cost is low and a small optical element is used, it is possible to prevent the entire apparatus from becoming large and expensive.
本発明は、互いにほぼ平行な複数の面を持ち、各面が所定の透過率及び反射率を有する光学素子を含む照明光学装置であって、前記各面が有する所定の透過率及び反射率は、入射する光に対して偏光依存性が小さいことを特徴とする照明光学装置を提供する。
この発明によれば、照明した後に続く投影光学系の結像特性に偏光による影響を与えることはない。例えば、偏光依存性のある標本等を観察した場合においても、方向によって見え方が変わることはなく、より正確な観察が可能となる。
The present invention is an illumination optical device including an optical element having a plurality of surfaces substantially parallel to each other, each surface having a predetermined transmittance and reflectance, and each surface has a predetermined transmittance and reflectance Provided is an illumination optical device characterized by having a small polarization dependency with respect to incident light.
According to the present invention, the imaging characteristics of the projection optical system that follows the illumination are not affected by the polarization. For example, even when a polarization-dependent sample or the like is observed, the appearance does not change depending on the direction, and more accurate observation is possible.
本発明は、互いにほぼ平行な複数の面を持ち、各面が所定の透過率及び反射率を有する光学素子を二つ含み、該二つの光学素子が互いにねじれの位置関係に配置されてなることを特徴とする照明光学装置を提供する。
この発明によれば。2次元的に広がった2次光源を形成することができる。
The present invention includes two optical elements having a plurality of surfaces substantially parallel to each other, each surface having a predetermined transmittance and reflectance, and the two optical elements are arranged in a twisted positional relationship with each other. An illumination optical device is provided.
According to this invention. A secondary light source spread two-dimensionally can be formed.
また、本発明は、上記照明光学装置を有し、該照明光学装置によりなされる照明の形態がケーラー照明である光学装置を提供する。
この発明によれば、ケーラー照明により照度むら及び輝度の方向依存性を低減した状態で、より均一に照明を行うことができる。
The present invention also provides an optical device having the illumination optical device, wherein the illumination performed by the illumination optical device is Koehler illumination.
According to this invention, it is possible to perform illumination more uniformly in a state in which the illuminance unevenness and the direction dependency of luminance are reduced by Koehler illumination.
本発明によれば、照度分布が一様で、しかも輝度の方向依存性の少ない、従って照明の均一性が極めて高いと共に、光源発光部の大きさが小さくとも、必要な照明の開口数を確保しつつ所定の範囲にわたって照明が可能な照明光学装置を実現できる。
しかも、フライアイレンズのような高価な光学素子ではなく、1枚若しくは複数枚の平面基板の各面に、所定の透過率・反射率を持たせただけの極めて簡単な構造の光学素子を用いるので、安価に実現できる。
更に、この光学素子は小さいので、ライトパイプを用いた場合のように、装置の大型化を招くことがない。
また、この光学素子はホログラムのように光の回折は利用していないので、動作の波長依存性が極めて低く、所定の波長帯域を持つ光源に対しても用いることができる。
更に、この光学素子は、その動作において偏光依存性を利用していないので、本発明の照明光学装置の後に続く投影光学系の結像特性に偏光による影響が出るといった問題を生じない。
According to the present invention, the illuminance distribution is uniform, and the direction dependency of luminance is small. Therefore, the uniformity of illumination is extremely high, and the required numerical aperture of illumination is ensured even when the light source light emitting unit is small. However, it is possible to realize an illumination optical apparatus that can illuminate over a predetermined range.
Moreover, instead of an expensive optical element such as a fly-eye lens, an optical element having an extremely simple structure in which each surface of one or a plurality of planar substrates has predetermined transmittance and reflectance is used. Therefore, it can be realized at a low cost.
Furthermore, since this optical element is small, the size of the apparatus is not increased as in the case where a light pipe is used.
Further, since this optical element does not use light diffraction unlike a hologram, the wavelength dependency of operation is extremely low, and it can be used for a light source having a predetermined wavelength band.
Furthermore, since this optical element does not use polarization dependency in its operation, there is no problem that the imaging characteristic of the projection optical system following the illumination optical apparatus of the present invention is influenced by polarization.
以下、本発明の第1の実施形態に係る光学素子、照明光学装置及び光学装置について、図1〜図4を参照して説明する。
本実施形態においては、図1に示すように、光学装置を顕微鏡1として、照明光学装置を該顕微鏡1の照明光学系2に適用した場合について説明する。
上記顕微鏡1は、観察対像たる標本3を照明する上記照明光学系2と、標本3を観察する観察光学系4とを備えている。なお、標本3は、一般には、スライドガラス上に載置されるものである。
Hereinafter, an optical element, an illumination optical device, and an optical device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a case where an optical apparatus is a microscope 1 and an illumination optical apparatus is applied to an illumination
The microscope 1 includes the illumination
上記照明光学系2は、光源発光部10、反射鏡11、第1の反射素子(光学素子)12、第2の反射素子(光学素子)13、コレクターレンズ14、視野絞り15、開口絞り16、コンデンサーレンズ17及び照明側フィルター18を備えている。
上記光源発光部10は、例えば、高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の放電灯の電極間に形成される発光部である。上記反射鏡11は、回転楕円面を有する反射鏡であり、該反射鏡11の第1焦点に上記光源発光部10を配置している。
The illumination
The light source light emitting
上記第1の反射素子12は、ガラス等の透光性の部材を基板とし、その両面には、互いにほぼ平行に配される面、すなわち、第1の面12a及び第2の面12bを有する。
また、2つの面12a,12bには、例えば、誘電体多層膜が形成されてなり、所定の波長域にわたって、それぞれ所定の反射率及び透過率を有している。但し、第2の面12bは、反射率が100%に近いことが望ましい。更に、2つの面12a,12bの反射率及び透過率は、大きな偏光依存性を持たないよう、すなわち、各面12a,12bに入射する光に対して偏光依存性が小さくなるように設定されている。
The first
Further, for example, a dielectric multilayer film is formed on the two
なお、本実施形態において、反射率、あるいは、透過率が大きな偏光依存性を持たないとは、任意の一方向の偏光に対する反射率、あるいは、透過率が、それに直交する方向の偏光に対する反射率、あるいは、透過率と比べて50%以上200%以内であることを意味する。
また、第1の面12aは、反射鏡11の回転楕円面の対称軸に対してほぼ45度の角度をなして配置されている。更に、光源発光部10と第1の反射素子12との間に、不要な赤外光を除去するための図示しない赤外光除去フィルターを挿入してもよい。
In the present embodiment, the reflectance or transmittance does not have a large polarization dependency means that the reflectance for polarized light in any one direction, or the reflectance for polarized light in the direction orthogonal to it. Or, it means 50% or more and 200% or less as compared with the transmittance.
Further, the
上記第2の反射素子13は、第1の反射素子12と同様な光学素子である。すなわち、第2の反射素子13は、ガラス等の透光性光学材料を基板とし、その両面には、互いにほぼ平行な第1の面13a及び第2の面13bを有している。また、この2つの面13a、13bは、例えば、誘電体多層膜を備え、所定の波長域にわたって、それぞれ所定の反射率及び透過率を有する。但し、第2の面13bは、反射率が100%に近いことが望ましい。更に、2つの面13a、13bの反射率及び透過率は、大きな偏光依存性を持たないように設定されている。
The second
上記第1の反射素子12及び第2の反射素子13は、対向する2つの面12a,13aの法線がねじれの位置関係となるように配置されている。すなわち、第1の反射素子12の第1の面12aは、図1における紙面に対してほぼ45度となり、反射鏡11の回転楕円面の対称軸が紙面に対して垂直となるような位置関係に配置されている。
なお、図1においては、図示の便宜上、第1の反射素子12の各面12a,12bと第2の反射素子13の各面13a、13bとが平行であるように示されている。
The first reflecting
In FIG. 1, for convenience of illustration, the
上記視野絞り15は、コンデンサーレンズ17に関して標本3と共役な位置に設けられ、上記開口絞り16は、コンデンサーレンズ17の前側焦平面の位置に設けられている。また、開口絞り16は、図2に示すように、光が通過する開口16aを有し、該開口16aはその大きさが可変となっている。
The
コンデンサーレンズ17は、対物レンズ20の開口数によって、交換可能であることが望ましい。
上記照明側フィルター18は、本顕微鏡1を用いて蛍光観察を行う場合等に挿入されるフィルターであり、その設置位置は、図1に示される位置に限られるものではなく、用途により、照明光学系2の中で適宜配置することができる。
これらコレクターレンズ14、視野絞り15、開口絞り16及びコンデンサーレンズ17は、光軸Aに沿って配置される。光軸Aは、第2の反射素子13とほぼ45度で交わる。
The
The illumination-
The
上記観察光学系4は、対物レンズ20、観察側フィルター21、結像レンズ(鏡筒レンズとも称される)22、俯視プリズム23、接眼レンズ24、リレーレンズ25及び撮像手段26を備えている。
図1では、上記対物レンズ20は、標本3がその前側焦平面に置かれる無限遠補正のレンズとして描かれているが、有限遠補正レンズでもよい。この場合には、結像レンズ22は不要である。
上記観察側フィルター21は、本顕微鏡1を用いて蛍光観察を行う場合等に挿入されるフィルターである。上記俯視プリズム23は、結像レンズ22を射出した光の一部を振幅分割によって分割し、接眼レンズ24に導くプリズムである。なお、俯視プリズム23と接眼レンズ24との間に図示しない双眼プリズムを配置し、接眼レンズ24を2つ用いて両眼で観察できるように構成してもよい。
The observation optical system 4 includes an
In FIG. 1, the
The observation-
上記リレーレンズ25は、所定の倍率を持ったレンズであって、対物レンズ20と結像レンズ22とによって形成された拡大像を上記撮像手段26に伝達し、再結像させるものである。撮像手段26には、CCD(電荷結合素子)等のイメージセンサーや、写真フィルムなどを用いることができる。
The
このように構成された顕微鏡光学系1の動作について以下に説明する。但し、対物レンズ20から撮像手段26までを含む観察光学系4の動作は、通常の顕微鏡における観察光学系の動作と同様であるため、説明は省略する。
光源発光部10は、回転楕円面を有する反射鏡11の第1焦点の近傍に局在しているので、光源発光部10から発せられて反射鏡11で反射された光30は、反射鏡11の第2焦点の近傍に向かう。光30は、収束光となって、必要に応じて設けられる赤外光除去フィルター等を通過後、所定の波長域を有する光として、第1の反射素子12に入射する。
The operation of the thus configured microscope optical system 1 will be described below. However, since the operation of the observation optical system 4 including the
Since the light source light emitting
第1の反射素子12の第1の面12aは、所定の反射率及び透過率を有しているので、これに入射した光30は、この反射率及び透過率に従って一部は反射し、一部は透過する。第1の面12aで反射した光31は、そのまま第2の反射素子13に向かう。一方、第1の面12aを透過した光32は、第2の面12bに向かい、該第2の面12bで高い反射率をもって反射されて再度第1の面12aに入射する。第1の面12aに再度入射した光32は、第1の面12aの反射率及び透過率に従って一部は反射し、一部は透過して光33として第2の反射素子13に向かう。
Since the
この際、第1の面12aと第2の面12bとは、ほぼ平行に配されているので、光31及び光33はほぼ平行となって、第2の反射素子13の第1の面13aに入射する。
但し、第1の反射素子12と第2の反射素子13とは、それらの法線がねじれの位置関係に配置されているので、光31,33は、第1の面13aに入射するときに、図1に示すY方向(紙面に垂直な方向)にずれた状態で入射する。
At this time, since the
However, since the normal lines of the first
第2の反射素子13に入射した光31,33は各々、光30が第1の反射素子12に入射したときと同様の作用を受け、光31a,31b及び光33a,33bとなってコレクターレンズ14に向かう。このとき、光31a,31b及び光33a,33bは、コレクターレンズ14に入射する前に、それぞれ反射鏡11の回転楕円面の第2焦点に対応する位置に、光源発光部10の像40〜43を結ぶ。
The light 31 and 33 incident on the second reflecting
厳密には、光31a,31b及び光33a,33bは、第1の反射素子12及び第2の反射素子13の第1の面12a,13aで反射するか、ここを透過し第2の面12b,13bで反射するかにより、光軸Aの方向に関して光源発光部10の像を結ぶ位置が異なるが、光源発光部10から回転楕円面の反射面を経て第2焦点に至るまでの光路長に比べて、第1の反射素子12及び第2の反射素子13の中を通過する際の光路長は極めて短いので、実質的には同じ面内に光源発光部10の像が4個形成されると考えて良い。
なお、図1においては、回転楕円面の第2焦点に対応する位置は、第2の反射素子13とコレクターレンズ14との間にあるよう示しているが、これに限られるものではなく、例えば、第1の反射素子12と第2の反射素子13との間に位置してもよい。
Strictly speaking, the
In FIG. 1, the position corresponding to the second focal point of the spheroid is shown to be between the second
コレクターレンズ14に入射した光31a,31b及び光33a33bは、必要により配置される照明側フィルター18、視野絞り15を通過して、図2に示すように、開口絞り16の位置に光源発光部10の像45〜48を形成する。
図2は、開口絞り16を光軸Aの方向に見た図であり、開口16aの大きさが最大になっている状態を示す。これら光源発光部10の像45〜48は、反射鏡11の第2焦点近傍に形成された光源発光部10の像40〜43が、所定倍率でコレクターレンズ14によってリレーされたものと考えることもできる。
The light 31a, 31b and the light 33a33b incident on the
FIG. 2 is a view of the
図2に示す通り、光源発光部10の像45と像46、像47と像48とは、重なりを残してY方向に少しずれた位置に、また、Y軸に関して対称的に形成される。このずれは、第1の反射素子12の作用による。
同様に、光源発光部10の像45と47、像46と48とは、重なりを残してX方向に少しずれた位置に形成される。このずれは、第2の反射素子13の作用による。
As shown in FIG. 2, the
Similarly, the
従って、上述したずれ量は、第1の反射素子12及び第2の反射素子13の厚さ、あるいは、屈折率を適宜選ぶことで調整することができる。このように、光源発光部10の像45〜48の明るさが、おおよそ等しければ光源発光部10に、場所による光強度にむらがあったとしても、開口絞り16の位置では複数の光源像がずれて重なるので、場所による明るさむらの少ない2次光源が形成される。同時に光源として見かけの大きさも大きくなるので、必要な照明の開口数を確保し易くなる。
Therefore, the above-described deviation amount can be adjusted by appropriately selecting the thicknesses or refractive indexes of the first reflecting
ここで、第1の反射素子12及び第2の反射素子13の各面12a〜13bの反射率及び透過率の設定について、図3を参照して説明する。
図3は、図1に示す光源部(光源発光部10と反射鏡11)及び第1の反射素子12のみを取り出した図である。
Here, the setting of the reflectance and transmittance of each
FIG. 3 is a diagram in which only the light source unit (the light source light emitting
上述したように、開口16aにおける明るさむらを小さくするためには、光源発光部10の像45〜48の明るさがおおよそ等しい必要がある。これを実現するためには、光源部を発し、第1の反射素子12に入射する光30が、第1の面12aで反射されて得られる光31の強度と、光30が第1の面12aを透過し、第2の面12bで反射されて再び第1の面12aを透過して得られる光33の強度がおおよそ等しくなるよう、第1の面12aの反射率及び透過率を設定する。
具体的には、第1の面12aに形成される膜の吸収は無視し得るほど小さいものとし、また、第2の面12bの反射率をほぼ100%とすると、第1の面12aの反射率を約38%、よって、透過率は約62%とすればよい。
As described above, in order to reduce the brightness unevenness in the
Specifically, when the absorption of the film formed on the
但し、実際上は、図3に示すように、第1の面12aを透過した光32が、第2の面12bで反射、第1の面12aで反射(光35)、第2の面12bで反射、第1の面12aを透過という経路で出てくる光37があり、第2の反射素子13においても同様に、第2の反射面13bで2回反射して出てくる光がある。
これによって、開口絞り16においては、図4に示すように、主たる光源発光部10の像45〜48とは別の、光源発光部10の像49が形成され、その一部が開口16aにかかるので開口16a内の明るさ分布の均一性をいくらか悪化させる要因となる。
However, in practice, as shown in FIG. 3, the light 32 transmitted through the
Thereby, in the
しかし、光源発光部10の像49のそれぞれが、開口16aを通過する強度は、第1の面12aの反射率を約38%としたとき、光源発光部の像45〜48の強度に比べると、高々15%程度である。しかも、顕微鏡1は、通常開口絞り16をいくらか絞った状態、すなわち、開口16aの大きさがいくらか小さい状態で使用されることが多いので、更に影響は小さくなり実質的には無視できる。
However, the intensity at which each of the
開口絞り16を開放で使用することが多いような場合には、第1の面12aの反射率を40%〜45%程度に設定すると、開放状態の開口16a内の明るさ分布の均一性を多少改善することができる。なお、第1の反射素子12の第2の面12b、あるいは、第2の反射素子13の第2の面13bで3回以上反射して出てくる光もあるが、開放時でも開口16aを通過しないので、無視できる。
In the case where the
このように、開口絞り16の開口16aには、光源発光部10の複数の像がずれて重なることによって、明るさむらの少ない2次光源が形成され、コンデンサーレンズ17を介して標本12を照明する。このときの照明は、一般の顕微鏡における照明と同様、ケーラー照明となっている。従って、標本12では、照度むらが少ないのみならず、輝度の方向依存性も少なくなるので、より均一な照明が可能となる。
つまり、本発明によれば、照度分布が一様で、しかも輝度の方向依存性の少ない、従って、照明の均一性が極めて高く、光源発光部10の大きさが小さくとも、必要な照明の開口数を確保しつつ所定の範囲にわたって照明が可能な照明光学系2を実現することができる。
Thus, a secondary light source with little brightness unevenness is formed in the
That is, according to the present invention, the illuminance distribution is uniform and the luminance direction dependency is small. Therefore, the illumination uniformity is very high, and the required light aperture is small even if the size of the light source light emitting
また、第1の反射素子12及び第2の反射素子13の各面12a〜13bの反射、透過特性は大きな偏光依存性を持たないので、光源発光部10の像45〜48の偏光度は小さく、偏光依存性のある標本12を観察した場合でも、標本の方向によって見え方が変わる等の不具合を生じない。
In addition, since the reflection and transmission characteristics of the
また、第1の反射素子12及び第2の反射素子13は、従来のフライアイレンズのような高価な光学素子ではなく、各面12a〜13bに所定の反射率及び透過率を持たせただけの容易な構成であるので、製作コストを低減することができる。また、従来のライトパイプとは異なり、小型に製作できるので、コンパクト化を図ることができる。更に、第1の反射素子12及び第2の反射素子13は、ホログラムのように光の回折は利用していないので、光学特性の波長依存性が極めて低く、所定の波長帯域を持つ光源に対しても用いることができる。
Further, the first reflecting
次に、本発明の第2の実施形態に係る光学素子、照明光学装置及び光学装置について、図5から図7を参照して説明する。なお、この実施形態の説明においては、上述した第1の実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。 Next, an optical element, an illumination optical device, and an optical device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the description of this embodiment, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
本実施形態においては、全体的な光学系構成は、第1実施形態と同様であるが、第1の反射素子及び第2の反射素子の構成と動作において第1の実施形態と相違している。
図5に、本実施形態における第1の反射素子(光学素子)50を示す。本実施形態における第2の反射素子も、第1の反射素子50と全く同様の構成である。
In this embodiment, the overall optical system configuration is the same as that of the first embodiment, but is different from the first embodiment in the configuration and operation of the first reflecting element and the second reflecting element. .
FIG. 5 shows a first reflecting element (optical element) 50 in the present embodiment. The second reflective element in the present embodiment also has the same configuration as the first
第1の反射素子50は、図5に示すように、ガラス等の透光性光学材料からなる2枚の基板、すなわち、第1の基板51と第2の基板52が貼り合わされて構成されており、第1の基板51の第1の面53、第1の基板51の第2面と第2の基板52の第1面の接合面である面54及び第2の基板52の第2の面55は、互いにほぼ平行となっている。
As shown in FIG. 5, the first
上記第1の基板51及び第2の基板52は、材料及び厚さをそれぞれ異なるように構成してもよいが、本実施形態では共に同一のものとして説明する。上記3つの面53,54,55(各々第1の反射素子の第1面、第2面、第3面)には、例えば、誘電体多層膜が形成されており、これら3つの面53,45,55は、所定の波長域にわたって、それぞれ所定の反射率及び透過率を有する。但し、第3面55は、反射率が約100%に近いことが望ましい。更に、3つの面53,54,55の反射率及び透過率は、大きな偏光依存性を持たないように構成されている。
The
このように構成された本実施形態に係る第1の反射素子50及び第2の反射素子を有する照明光学系2の動作について以下に説明する。
第1の実施形態と同様、光源発光部10から発せられた光60は、収束光となって、必要に応じて設けられる赤外光除去フィルター等(不図示)を通過後、所定の波長域を持つ光として、第1の反射素子50に入射する。
The operation of the illumination
Similar to the first embodiment, the light 60 emitted from the light source light emitting
第1の反射素子50の第1の面53は、所定の反射率及び透過率を有するので、これに入射した光60は、この反射率及び透過率に従って一部は反射され、一部は透過する。第1の面53で反射した光61は、そのまま第2の反射素子に向かう。
一方、第1の面53を透過した光62は、第2の面54に入射し、面54の反射率及び透過率に従って一部は反射し、一部は透過する。面54において反射した光63は、第1の面53に再度入射し、第1の面53の反射率及び透過率に従って、一部は反射し、一部は透過する。ここを透過した光64は第2の反射素子に向かい、反射した光65は第2の面54に向かう。
Since the
On the other hand, the light 62 transmitted through the
また、面54を透過した光66は、第3の面55で高い反射率をもって反射され、第2の面54に再度入射し、その透過率及び反射率に従って、一部は反射し、一部は透過する。このように、第1の反射素子50に入射した光60は、各面53,54,55の反射率及び透過率に従って分岐し、反射及び透過を所定回数繰り返して第1の反射素子50から、光61,64,67,68等として射出する。
The light 66 transmitted through the
更に詳細に説明すると、第1の面53での透過をT1、反射をR1、第2の面54での透過をT2、反射をR2、第3の面55での透過をT3、反射をR3と表記すると、光61はR1として、光64はT1R2T1の経路を辿った光として、光67はT1T2R3T2T1、及びT1R2R1R2T1の2通りの経路を辿った光の重ね合わせとして、光68はT1R2R1R2R1R2T1、T1R2R1T2R3T2T1、T1T2R3R2R3T2T1、及びT1T2R3T2R1R2T1の4通りの経路を辿った光の重ね合わせとして射出する。
更に、反射及び透過の回数が多い光も出てくるが、強度は弱く、また、開口絞り16に達した段階で殆ど遮られて照明には寄与しないので、以降の説明では無視する。
More specifically, the transmission on the
Further, although light having a large number of reflections and transmissions is also emitted, the intensity is weak, and since it is almost blocked when reaching the
次に、これらの光61,64,67,68は、第2の反射素子に入射し、それぞれ第1の反射素子50に入射した光60と同様の作用を受ける。第2の反射素子を出た光は、第1の実施形態と同様に、コレクターレンズ14を介して開口絞り16の位置に、光源発光部10の像を複数形成する。
この様子を図6に示す。図6は、開口絞り16を光軸Aの方向に見た図である。図6に示すように、光源発光部10の複数の像70は、隣接する像の間で重なりを残しつつずれた状態で、X方向及びY方向に並ぶ。このとき、主たる光源発光部10の像70は、第1の実施形態が4個であったのに対し、9個できる。これら9個の主たる光源発光部10の像70は、第1の反射素子50及び第2の反射素子の各々において反射と透過の合計回数が5回以下の光(第1の反射素子50では、光61,64,67)によって形成される像である。
Next, these
This is shown in FIG. FIG. 6 is a view of the
図6に示す像71は、第1の反射素子50又は第2の反射素子において、反射と透過の合計回数が7回の光(第1の反射素子50では、光68)によって形成される光源発光部10の像である。なお、図6では、光源発光部10の像70は、隣接する像の間のみで部分的に重なっているように示しているが、各像の大きさと間隔によっては、隣接する像の間のみではなく、2つ以上隣りの像とも部分的に重なることもある。
An
ここで、第1の反射素子50の第1の面53の反射率を約24%、従って、透過率を約76%、第2の面54の反射率を約41%、従って、透過率を約59%、第3の面55の反射率をほぼ100%と設定すると、光61,64,67(すなわち、透過又は反射の合計回数が5回以下(式2k−1より算出、但しk=3)の光)の強度はほぼ同じになり、光68の強度は光61,64,67の強度の約半分となる。
Here, the reflectance of the
なお、光64,67は、それぞれ異なる経路を辿った光が重ね合わされた状態で射出する光であるが、光64,67の強度は各々、その合計強度である。
第2の反射素子についても同様の設定とすると、光源発光部10の9個の主たる像70の強度はほぼ同じとなり、これらが像の間で重なりを残しつつ、均等に配列されるので、開口16aには明るさの均一な2次光源が形成される。しかも、第1の実施形態に比べ、形成される光源発光部10の主たる像70の数が9個と多いので、明るさの平均化効果が高く、より均一性の高い2次光源を実現できる。
The
If the same setting is made for the second reflecting element, the nine
第1の実施形態の場合と同様に、図6のように、光源発光部10の像71の一部が、開口16aにかかる場合もあり、このとき、開口16aの明るさ分布の均一性をいくらか悪化させる要因となる。しかし、この場合も、開口絞り16を多少絞ることで、影響は殆どなくなる。また、開口絞り16を開放で使用することが多いような場合には、光の利用効率が若干悪化するが、図7に示すように、光源発光部10の像70及び71の間隔をいくらか広げることで、光源発光部10の像71を開口16aにかからないようにすることができる。光源発光部10の像70及び71の間隔を広げるのは、第1の反射素子50及び第2の反射素子の面間隔を適宜広げることで可能である。
以上のように、本実施形態によれば、第1実施形態と同様の作用効果を有しつつ、更に、均一性の高い照明光学系2を実現できる。
As in the case of the first embodiment, as shown in FIG. 6, a part of the
As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize the illumination
次に、本発明の第3の実施形態に係る光学素子、照明光学装置及び光学装置について、図8及び図9を参照して説明する。なお、この第3の実施形態においては、第1の実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。 Next, an optical element, an illumination optical device, and an optical device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the third embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
本実施形態においては、全体的な光学系構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の反射素子及び第2の反射素子の構成と動作において第1の実施形態と相違している。
図8に、本実施形態における第1の反射素子(光学素子)80を示す。なお、本実施形態における第2の反射素子は、第1の反射素子80と全く同様の構成である。
In this embodiment, the overall optical system configuration is the same as that of the first embodiment, but the configuration and operation of the first reflective element and the second reflective element are different from those of the first embodiment. Yes.
FIG. 8 shows a first reflecting element (optical element) 80 in the present embodiment. Note that the second reflective element in this embodiment has the same configuration as the first
上記第1の反射素子80は、図8に示すように、ガラス等の透光性光学材料からなる2枚の基板、すなわち、第1の基板81と第2の基板82とが、所定の間隔をあけて配置された構成となっている。また、第1の基板81と第2の基板82とは、枠(不図示)によって一体的に保持されている。また、第1の基板81及び第2の基板82は、各々ほぼ平行な2つの面、すなわち、第1の反射素子80の第1となる面83と同じく第2の面84、及び同じく第3の面85と同じく第4の面86を有し、第2の面84と第3の面85もほぼ平行になるように配置されている。第1の基板81及び第2の基板82は、材料及び厚さがそれぞれ異なるように構成してもよいが、本実施形態では共に同一として説明する。
上記4つの面83,84,85,86には、例えば、誘電体多層膜が形成されており、所定の波長域にわたって、それぞれ所定の反射率及び透過率を有する。但し、第4の面86は、反射率が約100%に近いことが望ましい。更に、4つの面83,84,85,86の反射率及び透過率は、大きな偏光依存性を持たないように構成されている。
As shown in FIG. 8, the first reflecting
For example, a dielectric multilayer film is formed on the four
ここで、第1の基板81と第2の基板82との間隔Sは、第1の基板81の厚さをd、屈折率nとして、次式に基づいて設定されている。
Here, the distance S between the
上記間隔Sは、この式によって求まる値から±50%程度の範囲でずらして設定してもよいが、本実施形態ではこの式によって求まる値に設定する。
更に別の構成として、第2の面84と第3の面85との間を空隙とせず、第1の基板81あるいは第2の基板82と同様の基板を3枚貼り合わせて、その接合面をもって、第2の面84及び第3の面85としてもよい。
The interval S may be set so as to be shifted within a range of about ± 50% from the value obtained by this equation. However, in this embodiment, the interval S is set to a value obtained by this equation.
As yet another configuration, a gap is not formed between the
このように構成された第1の反射素子80及び第2の反射素子を有する照明光学系2の動作について以下に説明する。
第1の実施形態と同様、光源発光部10から発せられた光90は、収束光となって、必要に応じて設けられる赤外光除去フィルター等(不図示)を通過後、所定の波長域を持つ光として、第1の反射素子80に入射する。その後、第2の実施形態と同様に、各面83,84,85,86で反射、あるいは透過を所定回数繰り返し、光91,92,93,94,95等として第1の反射素子80より射出する。
The operation of the illumination
As in the first embodiment, the light 90 emitted from the light source light emitting
更に詳細には、第1の面83での透過をT1、反射をR1、第2の面84での透過をT2、反射をR2、第3の面85での透過をT3、反射をR3、第4の面86での反射をR4として表記すると、光91はR1として、光92はT1R2T1の経路を辿った光として、光93はT1T2R3T2T1、及びT1T2R1R2T1の2通りの経路を辿った光の重ね合わせとして、光94はT1R2R1R2R1R2T1、T1R2R1T2R3T2T1、T1T2R3R2R3T2T1、T1T2R3T2R1R2T1、及びT1T2T3R4T3T2T1の5通りの経路を辿った光の重ね合わせとして、光95はT1R2R1R2R1R2R1R2T1、T1R2R1T2R3T2R1R2T1、T1R2R1T2T3R4T3T2T1等の13通りの経路を辿った光の重ね合わせとして射出する。
更に、反射及び透過の回数が多い光も出てくるが、強度は弱く、また、開口絞り16に達した段階で殆ど遮られて照明には寄与しないので、以降の説明では無視する。
More specifically, the transmission on the
Further, although light having a large number of reflections and transmissions is also emitted, the intensity is weak, and since it is almost blocked when reaching the
次に、上記光91,92,93,94,95は、第2の反射素子に入射し、それぞれ第1の反射素子80に入射した光90と同様の作用を受ける。第2の反射素子を射出した光は、第1の実施形態と同様に、コレクターレンズ14を介して開口絞り16の位置に、光源発光部10の像を複数形成する。
この様子を図9に示す。図9は、開口絞り16を光軸Aの方向に見た図である。図9に示すように、光源発光部10の複数の像100は、隣接する像の間で重なりを残しつつずれた状態で、X方向及びY方向に並ぶ。このとき、光源発光部10の主たる像100は、第2の実施形態では9個であったのに対し、16個形成されることになる。これら16個の光源発光部10の主たる像100は、第1の反射素子80及び第2の反射素子の各々において反射と透過の回数が7回以下の光(第1の反射素子80では、光91,92,93,94)によって形成される像である。
Next, the
This is shown in FIG. FIG. 9 is a view of the
図9に示す像101は、第1の反射素子80又は第2の反射素子において、反射と透過の合計回数が9回の光(第1の反射素子80では、光95)によって形成される光源発光部10の像である。なお、図9では、光源発光部10の像100は、隣接する像の間のみで部分的に重なるように示しているが、各像の大きさと間隔によっては、隣接する像の間のみではなく、2つ以上隣りの像とも部分的に重なることもある。
An
ここで、第1の反射素子80の第1の面83の反射率を約17%、従って、透過率を約83%、第2の面84の反射率を約25%、従って、透過率を約75%、第3の面85の反射率を約42%、従って、透過率を約58%、第4の面86の反射率をほぼ100%と設定すると、光91,92,93,94(すなわち、透過又は反射の合計回数が7回以下(式2k−1より算出、但しk=4)の光)の強度はほぼ同じになり、光95の強度は光91,92,93,94の強度の約半分となる。
Here, the reflectance of the
なお、光92,93,94は、それぞれ異なる経路を辿った光が重ね合わされた状態で射出する光であるが、光92,93,94の強度は各々その合計強度である。
第2の反射素子についても、同様の設定をすると、16個の光源発光部10の主たる像100の強度はほぼ同じとなり、これらが隣接する像の間で重なりを残しつつ、ずれた状態で均等に配列されるので、開口16aには明るさの均一な2次光源が形成される。しかも、第2の実施形態に比べ、形成される光源発光部10の主たる像100の数が16個と多いので、明るさの平均化効果が高く、より一層均一性の高い2次光源を実現できる。
The
For the second reflecting element, if the same setting is made, the intensity of the
しかし、図9のように、光源発光部10の像101の一部が、開口16aにかかる場合もあり、開口16aの明るさ分布の均一性をいくらか悪化させる要因となる。但し、この場合も、第2の実施形態と同様、開口絞り16を多少絞ることで、影響は殆どなくなる。また、開口絞り16を開放で使用することが多いような場合には、光の利用効率が若干悪化するが、第2実施形態と同様、光源発光部10の像100,101の間隔をいくらか広げることで、光源発光部10の像101を開口16aにかからないようにすることができる。光源発光部10の像100,101の間隔を広げるのは、第1の反射素子80及び第2の反射素子の面間隔を適宜広げることで可能である。
以上のように、本実施形態によれば、第1、第2の実施形態と同様の作用効果を有しつつ、第2の実施形態より更に均一性の高い照明光学系2が実現できる。
However, as shown in FIG. 9, a part of the
As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize the illumination
なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態において、第1の反射素子及び第2の反射素子に、更に基板等を追加して反射、透過面の数を増やしてもよい。このとき、第1の反射素子又は第2の反射素子が持つ、所定の反射率、透過率を有する実効的な面の数(接合面は1面とする)をk(kは2以上の整数)とすると、これらの面で受けた透過又は反射の回数の合計が、2k−1までの光に対してその強度(2k−1の値が同じで異なる経路を辿る光に対してはその合計強度)がほぼ同じになるよう、各面の透過率及び反射率を設定するとよい。このようにすると、開口絞りにはより多くの光源発光部の像が形成され、平均化効果を高められる。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in each of the above embodiments, a substrate or the like may be added to the first reflective element and the second reflective element to increase the number of reflective and transmissive surfaces. At this time, k (k is an integer equal to or greater than 2) is the number of effective surfaces (the number of bonding surfaces is one) that the first reflective element or the second reflective element has predetermined reflectance and transmittance. ), The total number of transmissions or reflections received at these surfaces is the sum of the light intensity up to 2k-1 (for light that has the same 2k-1 value and follows a different path). The transmittance and reflectance of each surface may be set so that the (intensity) is substantially the same. In this way, more images of the light source light emitting portions are formed on the aperture stop, and the averaging effect can be enhanced.
また、第1の反射素子と第2の反射素子の透過・反射面の数を異なるように構成すると、X方向とY方向とで大きさの異なる2次光源を形成できる。これは、特殊な場合として、第1の反射素子、あるいは、第2の反射素子のいずれか一方がない場合も含む。
更に、上記各実施形態においては、光学装置を顕微鏡として説明したが、顕微鏡への応用に限られるものではなく、露光装置、投影装置等、各種の光学装置に用いることができる。
Further, if the first reflecting element and the second reflecting element are configured to have different transmission / reflection surfaces, secondary light sources having different sizes in the X direction and the Y direction can be formed. This includes a case where there is no one of the first reflective element and the second reflective element as a special case.
Further, in each of the embodiments described above, the optical apparatus has been described as a microscope, but the present invention is not limited to application to a microscope, and can be used in various optical apparatuses such as an exposure apparatus and a projection apparatus.
1 顕微鏡(光学装置)
2 照明光学系(照明光学装置)
12,50,80 第1の反射素子(光学素子)
12a,13a,51,83 第1の面
12b,13b,52,84 第2の面
13 第2の反射素子(光学素子)
53,85 第3の面
86 第4の面
1 Microscope (optical device)
2 Illumination optical system (illumination optical device)
12, 50, 80 First reflective element (optical element)
12a, 13a, 51, 83
53, 85
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20070703 |