JP2006184443A - 照明光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンデンサレンズの焦点距離とバックフォーカスの変化を伴わずに、光照射面における照度分布を調整できる簡素な照明光学装置を提供すること。
【解決手段】 光源１１側から光照射面１０Ａに向かって順に、屈折力を有しない第１光学系１２と、正の屈折力を有する第２光学系１３とが配置される。第１光学系１２は、第２光学系１３に対して相対位置（例えば間隔ｄ₂）が可変であり、光照射面における照度分布の調整用の光学系である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光照射面における照度分布を調整可能な照明光学装置に関し、特に、光照射面を均一に照明する場合に好適な照明光学装置に関する。

光照射面における照度分布を調整するために、コンデンサレンズの少なくとも一部のレンズ群（以下「調整群」）を光軸方向に移動させることが提案されている（例えば特許文献１〜３を参照）。コンデンサレンズの調整群を移動させると、コンデンサレンズの歪曲収差が変化し、光照射面における照度分布も変化する。光照射面の任意の位置における歪曲収差量Ｖと照度Ｉとの関係は、特許文献３に記載されている通り、コンデンサレンズの全体の焦点距離ｆと定数Ａとを用いて、近似的に次の式(１)により表される。

また、コンデンサレンズの調整群を移動させたときに、コンデンサレンズの焦点距離が変化しないようにするため、特許文献１では、調整群とは別のレンズ群を移動させて、調整群の移動による焦点距離の変化を補償している。この場合、焦点距離が変化しないため、照度分布の調整時に、照明範囲や照明の開口数(照明ＮＡ)を一定に保つことができる。

さらに、コンデンサレンズの調整群を移動させたときに、バックフォーカス（つまり作動距離）が変化しないようにするため、特許文献２では、調整群とは別の補正光学系を追加して設け、調整群の移動によるバックフォーカスの変化を補償している。この場合、バックフォーカスが変化しないため、照度分布の調整時に、コンデンサレンズと光照射面との距離を固定したままで照明状態を良好に保つことができる。
特公平４−１３６８６号公報 特開平１０−１８９４２７号公報 特開平１１−２２４８５３号公報

しかしながら、コンデンサレンズの調整群の移動による焦点距離の変化やバックフォーカスの変化を補償するために、調整群とは別のレンズ群を移動させたり補正光学系を追加して設けるような構成では、コンデンサレンズの構成が複雑化してコストアップになるだけでなく、照度分布の調整作業も煩雑になってしまう。
本発明の目的は、コンデンサレンズの焦点距離とバックフォーカスの変化を伴わずに、光照射面における照度分布を調整できる簡素な照明光学装置を提供することにある。

請求項１に記載の照明光学装置は、光源または光源像の側から光照射面に向かって順に、屈折力を有しない第１光学系と、正の屈折力を有する第２光学系とが配置され、前記第１光学系は、前記第２光学系に対して相対位置が可変であり、前記光照射面における照度分布の調整用の光学系である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の照明光学装置において、前記第１光学系は、正の屈折力を有する第３光学系と、絞りと、正の屈折力を有する第４光学系とで構成され、前記第３光学系の後側焦点面と前記絞りと前記第４光学系の前側焦点面とが一致するように配置されるものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の照明光学装置において、倍率が等しい複数の前記第１光学系を備え、前記複数の第１光学系のうち何れか１つが選択的に光路内に配置されるものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の照明光学装置において、前記第２光学系は、凹面鏡である。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の照明光学装置において、前記第１光学系の前段にオプティカルインテグレータを備えたものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の照明光学装置において、前記第１光学系の前段に光路長変更手段を備えたものである。

本発明の照明光学装置によれば、コンデンサレンズの焦点距離とバックフォーカスの変化を伴わずに、光照射面における照度分布を調整することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の照明光学装置１０は、図１(ａ)に示す通り、光源１１と、屈折力を有しないアフォーカル光学系１２と、正の屈折力を有する集光光学系１３とで構成される。アフォーカル光学系１２と集光光学系１３とは、コンデンサレンズ(１２,１３)として機能する。光源１１からの光束は、コンデンサレンズ(１２,１３)を介して、光照射面１０Ａに導かれる。照明光学装置１０は、光照射面１０Ａを均一に照明する装置である。

コンデンサレンズ(１２,１３)は、光源１１と光照射面１０Ａとの間に配置され、かつ、光照射面１０Ａをテレセントリック照明するように配置されている。つまり、コンデンサレンズ(１２,１３)の前側焦点面に光源１１を配置し、後側焦点面を光照射面１０Ａとしている。このため、コンデンサレンズ(１２,１３)から光照射面１０Ａに向かう光束の主光線は、コンデンサレンズ(１２,１３)の光軸に平行となる。

また、アフォーカル光学系１２は、２群構成であり、負の屈折力を有する凹レンズ２Ａと、正の屈折力を有する凸レンズ２Ｂとで構成され、その間隔ｄ₁が固定されている。このアフォーカル光学系１２は、ガリレオ型のアフォーカル光学系であり、請求項の「第１光学系」に対応する。ガリレオ型は、正負の２群が互いに収差を打ち消し合うため、光学系全体の収差補正が容易であり、比較的簡素に構成できる。集光光学系１３は、凸レンズからなり、請求項の「第２光学系」に対応する。

照明光学装置１０を薄肉レンズ系とした場合の屈折力配置を図１(ｂ)に示す。薄肉レンズ系における周知の近軸光線追跡によれば、アフォーカル光学系１２の焦点距離ｆ_Cと屈折力φ_Cは、凹レンズ２Ａの屈折力φ₁(＜０)と、凸レンズ２Ｂの屈折力φ₂(＞０)と、凹レンズ２Ａと凸レンズ２Ｂとの間隔ｄ₁を用い、次の式(２)により表される。また、アフォーカル光学系１２の焦点距離ｆ_Cは無限大（つまり屈折力φ_C＝０）であり、次の式(３)が成り立つ。この式(３)は、次の式(４)のように表すこともできる。式(４)のｆ₁(＝１/φ₁)は凹レンズ２Ａの焦点距離、ｆ₂(＝１/φ₂)は凸レンズ２Ｂの焦点距離に対応する。

さらに、上記のアフォーカル光学系１２は、集光光学系１３に対して相対位置（ここでは間隔ｄ₂）が可変であり、光照射面１０Ａにおける照度分布の調整に用いられる。つまり、アフォーカル光学系１２は、照度分布を調整する際の可動部（調整群）である。アフォーカル光学系１２を光軸方向に移動させて間隔ｄ₂を変化させると、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差が変化し、光照射面１０Ａにおける照度分布も変化する。

光照射面１０Ａの任意の位置における歪曲収差量Ｖと照度Ｉとの関係は、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆと定数Ａとを用いて、上記の式(１)により表される。なお、アフォーカル光学系１２を光照射面１０Ａの方に移動させて歪曲収差をプラス方向に変化させることにより、光照射面１０Ａの周辺部の照度Ｉが減少する。逆に、アフォーカル光学系１２を光源１１の方に移動させて歪曲収差をマイナス方向に変化させることにより、光照射面１０Ａの周辺部の照度Ｉが増加する。

このようなアフォーカル光学系１２の移動による照度分布の調整は、例えば、光照射面１０Ａにおける照度均一性を補正するために行われる。つまり、コンデンサレンズ(１２,１３)の製造誤差（例えば光学部材の表面のコート特性の誤差など）に起因して、個体ごとに異なる照度不均一（照度むら）を生じ、要求される高度な照度均一性の仕様を満たさない場合に、アフォーカル光学系１２の移動による照度分布の調整が行われる。この場合、光照射面１０Ａの複数の箇所でモニタした照度Ｉに応じて、その照度Ｉが一致するようにアフォーカル光学系１２を移動させればよい。

第１実施形態の照明光学装置１０では、集光光学系１３を固定して、アフォーカル光学系１２を光軸方向に移動させ、アフォーカル光学系１２と集光光学系１３との間隔ｄ₂（厳密には主点間距離）を変化させることにより、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖを変化させ、光照射面１０Ａにおける照度分布を調整する。この場合、照度分布の中心対称成分（凹凸むら）を調整することができる。また、照度分布を調整することにより、製造誤差に起因する照度不均一（照度むら）を相殺することができ、光照射面１０Ａにおける照度均一性が向上する。

ここで、照度分布を調整する際のコンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆおよびバックフォーカスＢｆについて説明する。
上記と同様の薄肉レンズ系における近軸光線追跡によれば、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆは、一般に、上記のパラメータ（屈折力φ₁,φ₂,間隔ｄ₁）と、集光光学系１３の屈折力φ₃(＞０)と、アフォーカル光学系１２と集光光学系１３との距離ｄ₂と、アフォーカル光学系１２の屈折力φ_Cとを用い、次の式(５),式(６)により表される。

式(５),式(６)から明らかなように、照度分布を調整するために間隔ｄ₂を変化させても、間隔ｄ₂の変化はアフォーカル光学系１２の屈折力φ_C＝０との積によって打ち消されるため、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆが変化することはない。すなわち、間隔ｄ₂を変化させても、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆを一定に保つことができる。

したがって、第１実施形態の照明光学装置１０では、アフォーカル光学系１２の移動により間隔ｄ₂を変化させることで、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆの変化を伴わずに、光照射面１０Ａにおける照度分布を調整することができる。さらに、従来装置のような補償光学系を別に設ける必要がないため、コンデンサレンズ(１２,１３)の構成が簡素になり、低コスト化が図られる。また、照度分布の調整作業の簡略化も図られる。

上記の式(５),式(６)にアフォーカル光学系１２の屈折力φ_C＝０を代入し、上記の式(４)を用いて変形すると、次の式(７),式(８)を得ることができる。式(７)のｆ₁,ｆ₂は凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの焦点距離に対応する。式(７),式(８)のｆ₃(＝１/φ₃)は集光光学系１３の焦点距離（有限値）である。また、ｍ_Cは凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの焦点距離の比（ｍ_C＝−ｆ₂/ｆ₁）であり、アフォーカル光学系１２の倍率を表す。

例えば、第１実施形態の照明光学装置１０の各パラメータのうち、光照射面１０Ａにおける照明領域の大きさＤ₂＝６０ｍｍ、光照射面１０Ａを照明する光束の開口数ＮＡ＝０.０５、コンデンサレンズ(１２,１３)のバックフォーカスＢｆ＝１２５ｍｍ、光源１１の大きさＤ₁＝１０ｍｍとする。

コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆは、光源１１の大きさＤ₁と光照射面１０Ａにおける照明光の開口数ＮＡとを用いて、次の式(９)により表される。そして、式(９)にＤ₁＝１０ｍｍとＮＡ＝０.０５を代入すると、コンデンサレンズ(１２,１３)の好適な焦点距離ｆ＝１００ｍｍとなる。
ｆ＝Ｄ₁/(２×ＮＡ) …(９)
また、上記の式(８)にＢｆ＝１２５ｍｍを代入すると、集光光学系１３の好適な焦点距離ｆ₃＝１２５ｍｍとなる。ただし、式(８)は、厚みの無い仮想的なレンズにおける説明であるため、厳密には、実際のレンズの厚みに応じてバックフォーカスＢｆが１２５ｍｍより若干短くなる場合がある。実際のレンズ設計の際には、この薄肉レンズ系の光線追跡に基づく式(７),(８)と現実のレンズとの差異を踏まえ、各レンズの焦点距離,間隔を修正する必要がある。

上記の式(７)にｆ₃＝１２５ｍｍとｆ＝１００ｍｍを代入すると、アフォーカル光学系１２の好適な倍率ｍ_C＝１.２５となる。この場合、凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの組み合わせとしては、例えば、凹レンズ２Ａの焦点距離ｆ₁＝−４０ｍｍとし、凸レンズ２Ｂの焦点距離ｆ₂＝５０ｍｍとすることが考えられる。この場合、上記の式(４)から、凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの間隔ｄ₁＝１０ｍｍとなる。

次に、第１実施形態の照明光学装置１０において照度分布を調整する際の歪曲収差量Ｖの中心値について説明する。光照射面１０Ａには、仮に製造誤差に起因する照度不均一が存在しなくても、光源１１から放射される光の配光分布に起因する照度不均一が存在する。このため、光源１１に起因する照度不均一を相殺できるような歪曲収差量Ｖを予め求めておき、これを中心値とすることが好ましい。

光源１１から放射される光の配光分布がランバート則を満たす場合、光源１１から光軸方向に放射される光の強度をＩ₀とすると、光軸に対して斜め方向（θ方向）に放射される光の強度Ｉ(θ)は、次の式(１０)により表される。強度Ｉ₀,Ｉ(θ)は、光照射面１０Ａにおける強度である。
Ｉ(θ)＝Ｉ₀×cosθ …(１０)
さらに、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖ＝０の場合、光軸に対して斜め方向（θ方向）に放射される光が、光照射面１０Ａに到達する点の光軸からの距離（つまり像高ｙ）は、光の放射方向の傾斜角θと、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとを用いて、次の式(１１)により表される。

ｙ＝ｆ×tanθ …(１１)
このため、例えば光照射面１０Ａにおける照明領域の大きさＤ₂を６０ｍｍとし、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆ＝１００ｍｍとする場合、照明領域の最外周部（つまり像高ｙ＝３０ｍｍの点）に到達する光の傾斜角θmax＝１６.７°となる。そして、傾斜角θmax＝１６.７°を上記の式(１０)に代入すると、照明領域の最外周部（像高ｙ＝３０ｍｍ）における光の強度Ｉ(θmax)＝０.９６×Ｉ₀となる。

すなわち、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖ＝０と仮定した場合、照明領域の最外周部（像高ｙ＝３０ｍｍ）における光の強度Ｉ(θmax)は、照明領域の中心部（像高ｙ＝０）における強度Ｉ₀の約９６％となる。このときの照度分布を図２(ａ)に実線で示す。図２(ａ)の横軸は像高ｙを表し、縦軸は光の強度を表す。
このような光源１１に起因する照度不均一を補正して図２(ｂ)のような照度分布を得るために必要なコンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖは、次のようにして求めることができる。まず、上記の式(１)に、補正前の強度Ｉ(θmax)＝０.９６×Ｉ₀と、そのときの歪曲収差量Ｖ＝０を代入し、次の関係式(１２)を得る。また同様に、補正後の所望の強度Ｉ₀を代入し、次の関係式(１３)を得る。

そして、上記の式(１２),(１３)から“０.９６×(１−４Ｖ)＝１”となり、照明領域の最外周部（像高ｙ＝３０ｍｍ）で、中心部（像高ｙ＝０）と同じ強度Ｉ₀を得るためには、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖ≒−１％とすることが必要であると分かる。この歪曲収差量Ｖ≒−１％は、光源１１に起因する照度不均一を相殺可能な歪曲収差量Ｖである。そして、この歪曲収差量Ｖ≒−１％を、照度分布の調整時の中心値とすることが望ましい。照度分布の調整によって製造誤差に起因する照度不均一を補正する場合には、上記の中心値（Ｖ≒−１％）から歪曲収差量Ｖを増減させればよい。

また、第１実施形態の照明光学装置１０では、アフォーカル光学系１２の移動範囲によって、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖの増減範囲が決まり、その結果、光照射面１０Ａにおける照度分布の調整範囲も決まる。このため、製造誤差に起因する照度不均一の程度（個体差）を考慮して、必要となる照度分布の調整範囲（例えば±２％）を決定し、この調整範囲を実現可能な歪曲収差量Ｖの増減範囲（例えば±０.５％）に応じて、アフォーカル光学系１２を設計すればよい。

上記のように、第１実施形態の照明光学装置１０では、コンデンサレンズ(１２,１３)の中でアフォーカル光学系１２を光源１１側に配置し、アフォーカル光学系１２を照度分布の調整に用いるため、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆの変化を伴わずに、光照射面１０Ａにおける照度分布を調整できる。つまり、アフォーカル光学系１２を移動させるだけで、焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆを一定に保ちつつ、照度分布を調整できる。

したがって、照度分布の調整時に、照明領域の大きさＤ₂(例えば６０ｍｍ)や照明ＮＡ(例えば０.０５)を一定に保つことができる。さらに、コンデンサレンズ(１２,１３)と光照射面１０Ａとの距離を固定したままで照明状態を良好に保つことができる。このような照明光学装置１０は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの固体撮像素子の検査装置や、半導体検査装置、半導体露光装置などに適用できる。

固体撮像素子の検査に用いる場合、照明光学装置１０の光照射面１０Ａには、検査対象の固体撮像素子の撮像面が配置される。固体撮像素子は、２次元光学センサとして広い分野で使用される。近年の電子カメラの普及に伴って、画素数の大きな固体撮像素子が実用化され、各画素の前面にマイクロレンズを備えたものも実用化されている。マイクロレンズは各画素での受光量を増やすと共に受光方向を特定方向に限定するためのものである。

固体撮像素子の検査は、固体撮像素子の製造工程においてウエハから切り出される前にウエハ状態で行われ、画素欠陥の有無,光に対する感度,色再現性,分光特性などを調べるものである。また、第１実施形態の照明光学装置１０の他に、不図示のプローバーと信号処理装置を用いて行われる。プローバーは、固体撮像素子の回路の電極に、電気端子(プローブ)を接触させるための装置である。信号処理装置は、プローブを介して固体撮像素子への電力の供給や固体撮像素子との信号の授受を行い、固体撮像素子の出力信号が適正か否か（つまり固体撮像素子の良否）を判定する装置である。

固体撮像素子の製造工程では、全ての単位画素の素子に欠陥がないことを検査する必要がある。この検査は、照度平均値±１.５％程度の高い照度均一性を有する照明光で垂直方向から所定の開口数にて固体撮像素子を照明し、各素子からの出力が規定値になっているかどうかを調べることにより行われる。なお、このような固体撮像素子検査用照明装置の構成例として例えば特開２０００−２９５６３９等がある。

また、半導体素子や液晶基板の製造に用いられる露光装置では、光照射面１０Ａにレチクルが配置され、レチクル上に形成された回路パターンを照明光学装置１０で照明し、このパターンを投影光学系により感光剤（レジストなど）を塗布した感光基板（ガラスプレートやシリコンウエハなど）に結像転写するフォトリソグラフィ工程が用いられる。この露光装置において、レチクル面上の照明が均一でない場合、感光基板上に形成されるパターンの線幅が不均一になる。そのため半導体素子や液晶基板の露光装置には高い照度均一性が求められ、第１実施形態の照明光学装置１０を用いることが有効である。

なお、上記した第１実施形態では、アフォーカル光学系１２の光源１１側に凹レンズ２Ａを配置し、その後段に凸レンズ２Ｂを配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば図３に示す通り、光源１１側に凸レンズ２Ｃを配置し、その後段に凹レンズ２Ｄを配置しても、ガリレオ型のアフォーカル光学系を構成することができる。
また、上記した第１実施形態では、アフォーカル光学系１２を光軸方向に移動させる例を説明したが、本発明はこれに限定されない。アフォーカル光学系１２を光軸に対して偏心方向に移動させても構わない。この場合、光照射面１０Ａにおける照度分布の傾斜成分（中心非対称成分）を調整することができる。この調整時にも、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆを一定に保つことができる。

さらに、複数のアフォーカル系１２を予め用意し、このうち何れか１つを選択的に光路内に配置するように構成してもよい。ただし、全てのアフォーカル光学系１２は、その倍率ｍ_Cが互いに等しくなるように、凹レンズ２Ａ(または凸レンズ２Ｃ)の焦点距離ｆ₁と凸レンズ２Ｂ(または凹レンズ２Ｄ)の焦点距離ｆ₂との組み合わせが決められている。複数のアフォーカル系１２を使い分けることで、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖの増減範囲をシフトさせることができるため、光照射面１０Ａにおける照度分布の調整範囲を広げることができる。アフォーカル光学系１２の交換時にも、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆを一定に保つことができる。
（第２実施形態）
第２実施形態の照明光学装置２０は、図４(ａ)に示す通り、上記したガリレオ型のアフォーカル光学系１２に代えて、ケプラー型のアフォーカル光学系１５を用いたものである。照明光学装置２０を薄肉レンズ系とした場合の屈折力配置を図４(ｂ)に示す。

ケプラー型のアフォーカル光学系１５は、２群構成であり、２群の双方が正の屈折力を有する凸レンズ５Ａ,５Ｂにより構成される。また、凸レンズ５Ａ,５Ｂの間に絞り５Ｃが配置され、光源１１側の凸レンズ５Ａの後側焦点面と絞り５Ｃと光照射面１０Ａ側の凸レンズ５Ｂの前側焦点面とが一致するように配置されている。
さらに、絞り５Ｃの配置面Ｆ（図４(ｂ)）は光照射面１０Ａと共役である。この場合、絞り５Ｃは、照野を制限する照野絞りとして機能する。したがって、第２実施形態の照明光学装置２０では、光照射面１０Ａの照明領域の形状を絞り５Ｃの形状と概ね相似に制限できる。また、絞り５Ｃを異なる寸法形状のものに交換する（または絞り５Ｃを径可変の虹彩絞りとする）ことで、照明領域を可変にすることもできる。その他、絞り５Ｃを設けたことにより、光学系の迷光による悪影響を低減できる。

さらに、第２実施形態の照明光学装置２０でも、上記の式(７),(８)にしたがって各パラメータを求めることができる。例えば、照明領域の大きさＤ₂＝６０ｍｍ、照明ＮＡ＝０.０５、バックフォーカスＢｆ＝１２５ｍｍ、光源１１の大きさＤ₁＝１０ｍｍとし、光源１１の配光分布がランバート則（式(１０)）を満たす場合、各パラメータの好適な値は次のようになる。

コンデンサレンズ(１５,１３)の焦点距離ｆ＝−１００ｍｍ、歪曲収差量Ｖの調整中心値Ｖ≒−１％、集光光学系１３の焦点距離ｆ₃＝１２５ｍｍ、アフォーカル光学系１５の倍率ｍ_C＝１.２５、凹レンズ５Ａの焦点距離ｆ₁＝４０ｍｍ、凸レンズ５Ｂの焦点距離ｆ₂＝５０ｍｍである。
また、絞り５Ｃと光照射面１０Ａとの倍率Ｍは、凸レンズ５Ｂの焦点距離ｆ₂＝５０ｍｍと、集光光学系１３の焦点距離ｆ₃＝１２５ｍｍとを用い、Ｍ＝１２５/５０＝２.５となる。この場合、光照射面１０Ａにおける照明領域の大きさＤ₂＝６０ｍｍとするためには、絞り５Ｃの直径を２４ｍｍとすればよい。

なお、ケプラー型のアフォーカル光学系１５を用いる場合には、アフォーカル光学系１５の倍率ｍ_Cが負となり、コンデンサレンズ(１５,１３)の焦点距離ｆも負となるが、光照射面１０Ａにおける照明状態に本質的な違いはない。
第２実施形態の照明光学装置２０では、ケプラー型のアフォーカル光学系１５の移動により間隔ｄ₂を変化させることで、コンデンサレンズ(１５,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆの変化を伴わずに、光照射面１０Ａにおける照度分布を調整することができる。また、第２実施形態でも、アフォーカル光学系１５を光軸に対して偏心方向に移動させることで、照度分布の傾斜成分を調整できる。さらに、複数のアフォーカル光学系１５を使い分けることで、照度分布の調整範囲を広げることもできる。

上記した第２実施形態では、２群構成のケプラー型のアフォーカル光学系１２を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。アフォーカル光学系として３枚以上のレンズからなる構成を採用することもできる。
（第３実施形態）
第３実施形態の照明光学装置３０は、図５(ａ)に示す通り、上記した第１実施形態の照明光学装置１０のアフォーカル光学系１２の前段に光路長変更機構(３１,３２)を設けたものである。光路長変更機構(３１,３２)は、厚さの異なる複数の平行平面板３１,３２,…を有し、このうち何れか１つを選択的に光路内に配置できるようになっている。

平行平面板３１,３２,…を配置することで、その厚さに応じて、光源１１からコンデンサレンズ(１２,１３)までの光路長を変更することができる。このような平行平面板３１,３２,…の切り替えは、光照射面１０Ａにおける照度分布を調整する際、アフォーカル光学系１２の移動量に応じて行われる。
光路長変更機構(３１,３２)を設けない場合、アフォーカル光学系１２を光軸方向に移動させると、コンデンサレンズ(１２,１３)の前側焦点面の位置が変化する。このため、光源１１の位置が固定である場合には、照度分布の調整に応じて光照射面１０Ａでのテレセントリシティが変化してしまう。

しかし、第３実施形態の照明光学装置３０では、光路長変更機構(３１,３２)を用いることによって、コンデンサレンズ(１２,１３)の前側焦点面と光源１１とを常に一致させることができ、テレセントリシティの変化を補償することができる。
例えば、アフォーカル光学系１２の倍率ｍ_C(＝−ｆ₂/ｆ₁)の絶対値が｜ｍ_C｜＜１の場合には、アフォーカル光学系１２を光照射面１０Ａの方に移動させたときに厚い平行平面板(３２)を挿入し、光源１１の方に移動させたときに薄い平行平面板(３１)を挿入する（または全ての平行平面板を退避させる）。また、｜ｍ_C｜＞１の場合には、光照射面１０Ａの方に移動させたときに薄い平行平面板(３１)を挿入し（または全ての平行平面板を退避させ）、光源１１の方に移動させたときに厚い平行平面板(３２)を挿入する。

第３実施形態の照明光学装置３０では、第１実施形態の効果に加えて、照度分布を調整する際のテレセントリシティの変化を補償することも可能となる。そのため、照明光学装置１０により照明された物体を撮像して検査する装置（例えば半導体検査装置）や、投影光学系により投影する装置（例えば半導体露光装置）などに特に好適である。
なお、上記した光路長変更機構(３１,３２)に代えて、図５(ｂ)に示すような光路長変更機構(３３,３４)を設けた場合にも、上記と同様の効果を得ることができる。ただし、光路長変更機構(３３,３４)では、２枚の偏角プリズム３３,３４のうち何れか一方を光軸と垂直方向に移動させるため、光路長を連続的に変更することができ、照度分布を調整する際のテレセントリシティの変化を連続的に補償することが可能となる。

また、上記のような光路長変更機構(３１,３２)や光路長変更機構(３３,３４)を、第２実施形態で説明したケプラー型のアフォーカル系１５（図４）の前段に設ける場合にも、同様の効果を得ることができる。
（第４実施形態）
第４実施形態の照明光学装置４０は、図６に示す通り、上記した第１実施形態の照明光学装置１０の集光光学系１３に代えて、凹面鏡４１を設けたものである。凹面鏡４１も、正の屈折力を有する。第４実施形態の照明光学装置４０では、アフォーカル光学系１２と凹面鏡４１とが、コンデンサレンズ(１２,４１)として機能する。照明光学装置４０を薄肉レンズ系とした場合の屈折力配置は図１(ａ)と同じである。

第４実施形態の照明光学装置４０では、第１実施形態の効果に加えて、光照射面１０Ａにおける照明領域を広くすることも可能となる。また、コンデンサレンズ(１２,４１)の集光部を反射光学系とした（つまり凹面鏡４１を用いた）ことにより、色収差を低減させることができる。
そのため、特に広い光照射面を必要とする場合や、広い波長帯域の光（例えば白色光）による照明を行う場合、または、異なる波長の光源を切り替える場合に好適である。例えば、半導体ウエハの全面を一括照明して検査する半導体検査装置（自動マクロ検査装置など）の照明光学装置に有効である。

上記のような凹面鏡４１を、第２実施形態で説明したケプラー型のアフォーカル系１５（図４）と組み合わせて設ける場合にも、同様の効果を得ることができる。また、凹面鏡４１を用いる場合にも、第３実施形態で説明した光路長変更機構(３１,３２)や光路長変更機構(３３,３４)を設けることで、照度分布を調整する際のテレセントリシティの変化を補償することが可能となる。
（第５実施形態）
第５実施形態の照明光学装置５０は、図７(ａ)に示す通り、上記した第１実施形態の照明光学装置１０のアフォーカル光学系１２の前段にフライアイインテグレータ５１と開口絞り５２を設けたものである。フライアイインテグレータ５１の前段には光源が配置されるが、図７(ａ)では光源を図示省略した。ここでは、照明領域５０ｍｍ×５０ｍｍ、照明ＮＡ＝０．０６、バックフォーカスＢｆ＝２００ｍｍ程度となる場合を例に説明する。

フライアイインテグレータ５１は、四角柱の要素レンズ５３を３×３個（計９個）積み重ねたものである。また、各要素レンズ５３の焦点距離ｆｅ＝２１ｍｍ、入射面および出射面の大きさＤ₃＝７×７ｍｍとする。不図示の光源からの光は、フライアイインテグレータ５１の各要素レンズ５３によって集光され、その出射面に複数の光源像（２次光源）を形成する。

また、フライアイインテグレータ５１の出射面はコンデンサレンズ(１２,１３)の前側焦点面と一致し、光照射面１０Ａはコンデンサレンズ(１２,１３)の後側焦点面と一致し、光照射面１０Ａをテレセントリック照明している。各要素レンズ５３の入射面と光照射面１０Ａは共役な配置となり、各要素レンズ５３の入射面（Ｄ₃＝７×７ｍｍ）が光照射面１０Ａに拡大投影される。

開口絞り５２は、フライアイインテグレータ５１の出射面近傍に配置され、フライアイインテグレータ５１の出射面の光束を絞ることで、照明ＮＡを所定の値（本実施形態ではＮＡ０．０６）に制限している。
第５実施形態の照明光学装置５０におけるコンデンサレンズ(１２,１３)の好適な焦点距離ｆは、次のようにして求めることができる。各要素レンズ５３の入射面は光照射面１０Ａと共役であり、このときの投影倍率βは、各要素レンズ５３の焦点距離ｆｅを用いて、次の式(１４)により表される。

そして、各要素レンズ５３の入射面(Ｄ₃＝７×７ｍｍ)を光照射面１０Ａの照明領域(５０ｍｍ×５０ｍｍ)に投影するための倍率β＝−５０/７であり、この値と各要素レンズ５３の焦点距離ｆｅ＝２１ｍｍを上記の式(１４)を代入することにより、コンデンサレンズ(１２,１３)の好適な焦点距離ｆ＝１５０ｍｍとなる。

また、照明光学装置５０における集光光学系１３の好適な焦点距離ｆ₃は、バックフォーカスＢｆ＝２００ｍｍを上記の式(８)に代入することにより、ｆ₃＝２００ｍｍとなる。ただし、式(８)は、厚みの無い仮想的なレンズにおける説明であるため、厳密には、実際のレンズの厚みに応じてバックフォーカスＢｆが２００ｍｍより若干短くなる場合がある。実際のレンズ設計の際には、この薄肉レンズ系の光線追跡に基づく式(７),(８)と現実のレンズとの差異を踏まえ、各レンズの焦点距離,間隔を修正する必要がある。

さらに、アフォーカル光学系１２の好適なパラメータ（倍率ｍ_C,焦点距離ｆ₁,ｆ₂,間隔ｄ₁）は、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆ＝１５０ｍｍと、集光光学系１３の焦点距離ｆ₃＝２００ｍｍを、上記の式(７)に代入することにより、倍率ｍ_C＝１.３３となる。この場合、凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの組み合わせとしては、例えば、凹レンズ２Ａの焦点距離ｆ₁＝−６０ｍｍとし、凸レンズ２Ｂの焦点距離ｆ₂＝８０ｍｍとすることが考えられる。この場合、上記の式(４)から、凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの間隔ｄ₁＝２０ｍｍとなる。

また、開口絞り５２の好適な径は、次のようにして求めることができる。上記の式(９)における光源１１の大きさＤ₁を開口絞り５２の径（つまりフライアイインテグレータ５１の出射面に形成された２次光源の大きさ）と考えて、式(９)にコンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆ＝１５０ｍｍと、照明ＮＡ＝０.０６を代入することにより、開口絞り５２の好適な径は、φ１８ｍｍとなる。

次に、第５実施形態の照明光学装置５０において照度分布を調整する際の歪曲収差量Ｖの中心値について説明する。上記と同様、光照射面１０Ａには、仮に製造誤差に起因する照度不均一が存在しなくても、フライアイインテグレータ５１から放射される光の配光分布に起因する照度不均一が存在する。このため、フライアイインテグレータ５１に起因する照度不均一を相殺できるような歪曲収差量Ｖを予め求めておき、これを中心値とすることが好ましい。

フライアイインテグレータ５１に起因する照度不均一をコンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖによって相殺し、光照射面１０Ａにおける照明領域の照度分布を均一とするためには、フライアイインテグレータ５１の各要素レンズ５３の入射面での矩形が、照明領域で完全に相似形となるように、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖを決めればよい。

各要素レンズ５３の入射高ｈ(＝Ｄ₃/２)は、各要素レンズ５３から光軸に対して斜め方向（θ方向）に放射される光の傾斜角θ、各要素レンズ５３の焦点距離ｆｅ、各要素レンズ５３の正弦条件の不満足量Ｓ.Ｃ.(θ)を用いて、次の関係式(１５)を満足する。また、照明領域の高さＨ(＝Ｄ₂/２)は、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆ、コンデンサレンズ(１２,１３)の写像関係ｇ(θ)を用いて、次の関係式(１６)を満足する。

さらに、要素レンズ５３の入射高ｈ(＝Ｄ₃/２)と照明領域の高さＨ(＝Ｄ₂/２)は、完全に相似形となる場合、要素レンズ５３の入射面の矩形と光照射面１０Ａの照明領域との投影倍率βを用いて、次の関係式(１７)を満足する。

Ｈ＝−β×ｈ …(１７)
したがって、上記の式(１５),(１６)を式(１７)に代入すると共に、上記の式(１４)を用いて整理すると、コンデンサレンズ(１２,１３)の写像関係ｇ(θ)は、次の式(１８)のようになる。

式(１８)の写像関係ｇ(θ)は、フライアイインテグレータ５１の配光分布を加味しつつ、光照射面１０Ａにおける照明領域の照度分布を均一にできるような写像関係である。このため、式(１８)の写像関係ｇ(θ)において、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖは有限値をとる。この歪曲収差量Ｖは、理想的な写像関係ｇ'(θ)＝tanθ との差分により求めることができる。

ここで、フライアイインテグレータ５１の配光分布を加味した写像関係ｇ(θ)を、理想的な写像関係ｇ'(θ)＝tanθ と、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖとを用いて表すと、次の式(１９)のようになる。したがって、式(１９)に式(１８)を代入することで、フライアイインテグレータ５１に起因する照度不均一を相殺可能な歪曲収差量Ｖは、次の式(２０)により表される。

式(２０)の歪曲収差量Ｖを見積もるためには、要素レンズ５３の正弦条件の不満足量Ｓ.Ｃ.(θ)を見積もる必要がある。不満足量Ｓ.Ｃ.(θ)は、要素レンズ５３の形状や材料(例えばガラス)の特性により異なる。例えば、要素レンズ５３の材料の屈折率ｎ＝１.５１６８とし、要素レンズ５３の端面の一辺の大きさＤ₃＝７ｍｍとする。また、上記の屈折率ｎと、要素レンズ５３の長さＬ（図７(ｂ)）と、入射面の曲率半径Ｒ₁と、出射面の曲率半径Ｒ₂と、焦点距離ｆｅとが、次の式(２１),(２２)を満たすとする。

Ｌ＝ｎ×ｆｅ …(２１)
｜Ｒ₁｜＝｜Ｒ₂｜＝(ｎ−１)×ｆｅ …(２２)
このとき光照射面１０Ａの照明領域の四隅に到達する光束の不満足量Ｓ.Ｃ.(θ)＝−０.５１となる。そして、この不満足量Ｓ.Ｃ.(θ)＝−０.５１と、要素レンズ５３の焦点距離ｆｅ＝２１ｍｍを、式(２０)に代入することにより、フライアイインテグレータ５１に起因する照度不均一を相殺可能な歪曲収差量Ｖ＝−５.３％と見積もることができる。フライアイインテグレータ５１を用いた場合には、歪曲収差量Ｖ＝−５.３％を、照度分布の調整時の中心値とすることが望ましい。照度分布の調整によって製造誤差に起因する照度不均一を補正する場合には、上記の中心値（Ｖ≒−５.３％）から歪曲収差量Ｖを増減させればよい。

第５実施形態の照明光学装置５０では、第１実施形態の効果に加えて、フライアイインテグレータ５１を用いたことにより、光照射面１０Ａを重畳的にテレセントリック照明するため、光照射面１０Ａにおける極めて高い照明均一性を実現することができる。つまり、光源(不図示)の輝度分布に起因する照明ムラだけでなく、光源の各点での指向性の影響（角度特性に起因する照明ムラ）を取り除くこともできる。

なお、上記した第５実施形態では、フライアイインテグレータ５１による照明均一化を１段階利用する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、２組以上のフライアイインテグレータをアフォーカル光学系１２の前段に設ける場合にも本発明を適用できる。さらに、照明均一化手段（オプティカルインテグレータ）としてフライアイインテグレータを用いる場合に限定されず、フライアイインテグレータとインテグレータロッド（および/またはバンドルファイバ）を組み合わせて用いてもよいし、インテグレータロッドのみを照明均一化手段として用いても構わない。

また、上記のような照明均一化手段を、第２実施形態で説明したケプラー型のアフォーカル系１５（図４）と組み合わせて設ける場合にも、同様の効果を得ることができる。さらに、照明均一化手段による２次光源とコンデンサレンズ(１２,１３)との間に、第３実施形態で説明した光路長変更機構(３１,３２)や光路長変更機構(３３,３４)を設けることで、照度分布を調整する際のテレセントリシティの変化を補償することが可能となる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、光照射面１０Ａをテレセントリック照明する例で説明したが、本発明はこれに限定されない。光源または光源像とコンデンサレンズと光照射面との配置関係がテレセントリック以外の条件を満たす場合も、本発明を適用できる。

さらに、上記した実施形態では、各レンズ２Ａ,２Ｂ,１３,５Ａ,５Ｂ,…が単レンズである例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば球面収差を低減するために、各レンズ２Ａ,２Ｂ,１３,５Ａ,５Ｂ,…を複数の単レンズからなるレンズ群としてもよい。また、例えば波長帯域の広い光源により光照射面１０Ａを照明する場合には、各レンズ群２Ａ,２Ｂ,１３,５Ａ,５Ｂ,…を、ガラス材料の種類が異なる凸レンズと凹レンズとの張り合わせとすることにより、色収差補正をすることが可能である。

また、上記した第１実施形態から第４実施形態では、光源１１の配光分布が式(１０)のランバート則を満たすと仮定したが、本発明はこれに限定されない。光源１１の配光分布が既知であれば、上記と同様に、光源に起因する照度不均一を相殺可能な好適な歪曲収差量Ｖを算出することができる。

第１実施形態の照明光学装置１０の全体構成を示す図である。 光照射面１０Ａにおける照度分布を説明する図である。 ガリレオ型のアフォーカル光学系の別の構成例を説明する図である。 第２実施形態の照明光学装置２０の全体構成を示す図である。 第３実施形態の照明光学装置３０の全体構成を示す図である。 第４実施形態の照明光学装置４０の全体構成を示す図である。 第５実施形態の照明光学装置５０の全体構成を示す図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０ 照明光学装置
１０Ａ 光照射面
１１ 光源
１２，１５ アフォーカル光学系
２Ａ，２Ｄ 凹レンズ
２Ｂ，２Ｃ，５Ａ，５Ｂ 凸レンズ
５Ｃ 絞り
１３ 集光光学系
３１，３２ 平行平面板
３３，３４ 偏角プリズム
４１ 凹面鏡
５１ フライアイインテグレータ
５２ 開口絞り
５３ 要素レンズ

Claims (6)

1. 光源または光源像の側から光照射面に向かって順に、屈折力を有しない第１光学系と、正の屈折力を有する第２光学系とが配置され、
   前記第１光学系は、前記第２光学系に対して相対位置が可変であり、前記光照射面における照度分布の調整用の光学系である
   ことを特徴とする照明光学装置。
2. 請求項１に記載の照明光学装置において、
   前記第１光学系は、正の屈折力を有する第３光学系と、絞りと、正の屈折力を有する第４光学系とで構成され、前記第３光学系の後側焦点面と前記絞りと前記第４光学系の前側焦点面とが一致するように配置される
   ことを特徴とする照明光学装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の照明光学装置において、
   倍率が等しい複数の前記第１光学系を備え、
   前記複数の第１光学系のうち何れか１つが選択的に光路内に配置される
   ことを特徴とする照明光学装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の照明光学装置において、
   前記第２光学系は、凹面鏡である
   ことを特徴とする照明光学装置。
5. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載の照明光学装置において、
   前記第１光学系の前段にオプティカルインテグレータを備えた
   ことを特徴とする照明光学装置。
6. 請求項１から請求項５の何れか１項に記載の照明光学装置において、
   前記第１光学系の前段に光路長変更手段を備えた
   ことを特徴とする照明光学装置。
   

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