JP2006313213A - Optical system for illumination and microscope lighting system - Google Patents
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Description
本発明は、照明用光学系及び顕微鏡照明装置に関し、特に、顕微鏡や露光装置の照明用光学系とそれを用いた顕微鏡照明装置に関するものである。 The present invention relates to an illumination optical system and a microscope illumination apparatus, and more particularly to an illumination optical system for a microscope and an exposure apparatus and a microscope illumination apparatus using the same.
従来、輪帯照明が得られる光学系としては、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4等のものが知られている。特許文献1〜2に記載のものは、ライトガイドの先端をリング状にしてその先端から出た光束を内視鏡視野にリング状に照射するものである。また、特許文献3に記載のものは、同心円状の等間隔の回折格子で平行光を円錐状に広がる光束に変換し、その円錐状に広がる光束を収束レンズでリング絞り上に収束させるものである。さらに、特許文献4に記載のものは、特殊結像レンズで光源の多重像を発生させ、その多重像の各々の光源像がリング状開口上に隣接して円状に並ぶようにするものである。
Conventionally, optical systems capable of obtaining annular illumination include those of
なお、平行光を円錐状に広がる光束に変換するのに、中心軸を含む断面内で中心軸から外れた凸レンズの断面の形状をその中心軸の周りで360°回転して得られるドーナツ状レンズあるいはアンパンレンズ(以下、ドーナツ状レンズと称する。)に平行光を入射させて円環状に集光させるものは、特許文献5において知られている。
しかしながら、上記の従来の輪帯照明が得られる光学系においては、十分に狭い輪帯開口(リング絞り)に損失なく均一に集光できなかったり、効率良い輪帯照明ができなかった。 However, in the above-described optical system capable of obtaining the annular illumination, it has not been possible to uniformly collect light without loss at a sufficiently narrow annular opening (ring diaphragm), or efficient annular illumination has not been achieved.
また、また、従来のドーナツ状レンズを用いるものは、輪帯開口に損失なく均一に集光するものではなかった。 In addition, the conventional lens using a donut-shaped lens does not collect light uniformly at the annular opening without any loss.
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、光源からの光量を損失することなく輪帯照明を得られ、明るい位相差観察や暗視野観察が可能な照明光学系、露光装置用の照明光学系とそれを用いた顕微鏡照明装置を提供することである。 The present invention has been made in view of such a situation in the prior art, and an object thereof is to obtain annular illumination without losing the amount of light from the light source, and capable of bright phase difference observation and dark field observation. An illumination optical system, an illumination optical system for an exposure apparatus, and a microscope illumination apparatus using the same.
上記目的を達成する本発明の照明用光学系は、光源と、前記光源から発散する光束を集光して集光又は発散あるいは平行な光束にする集光光学系と、前記光束を輪帯状に集光するドーナツ状レンズと、前記輪帯状に集光した光束の集光位置近傍に配置された輪帯開口と、前記輪帯開口の像を観察光学系又は投影光学系の対物レンズの瞳位置に投影するコンデンサーレンズとを備えていることを特徴とするものである。 The illumination optical system of the present invention that achieves the above object includes a light source, a condensing optical system that condenses the light beam diverging from the light source into a condensed or divergent or parallel light beam, and the light beam in an annular shape. A donut-shaped lens for condensing, an annular aperture disposed in the vicinity of the condensing position of the luminous flux condensed in the annular shape, and an image of the annular aperture for the pupil position of the objective lens of the observation optical system or projection optical system And a condenser lens that projects onto the lens.
この場合、前記ドーナツ状レンズと前記輪帯開口が一体化されていることが望ましい。 In this case, it is desirable that the donut-shaped lens and the annular zone opening are integrated.
また、前記ドーナツ状レンズは光軸の周りで回転対称な形状をしており、光軸を含む断面の光軸から外れた片側の形状が光源側に凸面を向けた平凸レンズ形状のものとすることができる。 The donut-shaped lens has a shape that is rotationally symmetric around the optical axis, and has a plano-convex lens shape in which the shape on one side deviating from the optical axis of the cross section including the optical axis faces the convex surface on the light source side. be able to.
この場合に、前記凸面の面頂の光軸からの半径をR、前記輪帯開口の半径をrとするとき、R≒rであることが望ましい。 In this case, when the radius from the optical axis at the top of the convex surface is R and the radius of the annular zone opening is r, it is desirable that R≈r.
また、前記凸面は周辺に行くに従って曲率が緩くなる面であることが望ましい。 Further, it is desirable that the convex surface is a surface whose curvature becomes gentler toward the periphery.
また、前記ドーナツ状レンズはフレネルレンズから構成することができる。 The donut-shaped lens can be composed of a Fresnel lens.
また、前記集光光学系には、集光される光束を均一にする拡散素子が含まれていることが望ましい。 Further, it is desirable that the condensing optical system includes a diffusing element that makes the collected light beam uniform.
また、前記集光光学系と前記ドーナツ状レンズを含めた光軸を含む断面内での前記光源から光源像への投影倍率をβとするとき、
0.1<β<20 ・・・(1)
なる条件を満足することが望ましい。
When the projection magnification from the light source to the light source image in the cross section including the optical axis including the condensing optical system and the doughnut-shaped lens is β,
0.1 <β <20 (1)
It is desirable to satisfy the following conditions.
また、以上の本発明の照明用光学系が位相差観察光学系を備えた顕微鏡の照明装置に用いられ、前記位相差観察光学系の前記輪帯開口の投影位置に位相膜が輪帯状に配置されている顕微鏡照明装置として構成することができる。 Further, the illumination optical system of the present invention described above is used for an illumination device of a microscope having a phase difference observation optical system, and a phase film is arranged in a ring shape at the projection position of the ring zone opening of the phase difference observation optical system. It can be configured as a microscope illumination device.
また、以上の本発明の照明用光学系が暗視野観察光学系を備えた顕微鏡の照明装置に用いられ、前記暗視野観察光学系の対物レンズの開口数より大きい開口数の光束を前記コンデンサーレンズを介して前記暗視野観察光学系の標本面に集光させて暗視野照明を行う顕微鏡照明装置として構成することができる。 Further, the illumination optical system according to the present invention is used in an illumination device of a microscope having a dark field observation optical system, and a condenser having a numerical aperture larger than the numerical aperture of the objective lens of the dark field observation optical system is used. It can be configured as a microscope illuminator that performs dark field illumination by condensing on the sample surface of the dark field observation optical system.
本発明によると、照明の利用効率が良く、明るい位相差観察や暗視野観察を行うことが可能な照明用光学系と顕微鏡照明装置を得ることが可能である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to obtain the illumination optical system and microscope illuminating device which can use illumination efficiently and can perform bright phase difference observation and dark field observation.
以下、本発明の照明用光学系及び顕微鏡照明装置を図面を参照にして説明する。 The illumination optical system and microscope illumination apparatus of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、顕微鏡における従来の位相差観察と暗視野観察について説明する。図9は従来の位相差観察時の光路を輪帯開口以降について示した図である。光軸O−O’に同軸に輪帯開口板1、コンデンサーレンズ3、対物レンズ5が配置され、コンデンサーレンズ3と対物レンズ5の間に標本面4が配置され、対物レンズ5の射出瞳6位置に輪帯開口板1の輪帯開口2と共役にリング状の位相膜7が配置されている。そして、図示しない集光光学系を経た光源からの平行光等で照明された輪帯開口板1の輪帯開口2を通った光は、コンデンサーレンズ3を経て光軸O−O’を含む断面(メリジオナル断面)内で略平行な光になって、標本面4上の試料を光軸O−O’に同軸なコーン状の光束として照明する。標本面4上の試料で回折されずに透過した光束は、対物レンズ5の射出瞳6位置の位相膜7に入射して位相がずれて像面8に達し、一方、標本面4上の試料で回折された光束は大部分位相膜7の影響を受けずに像面8に達し、この2つの光束は像面8上で干渉して、試料の位相分布がコントラスト像として観察可能になる。
First, conventional phase difference observation and dark field observation in a microscope will be described. FIG. 9 is a diagram showing the optical path at the time of conventional phase difference observation after the annular opening. An
次に、図10は従来の暗視野観察時の光路を輪帯開口以降について示した図である。光軸O−O’に同軸に輪帯開口板1、コンデンサーレンズ3、対物レンズ5、絞り9が配置され、コンデンサーレンズ3と対物レンズ5の間に標本面4が配置されている。そして、図示しない集光光学系を経た光源からの平行光等で照明された輪帯開口板1の輪帯開口2を通った光は、コンデンサーレンズ3を経て光軸O−O’を含む断面(メリジオナル断面)内で略平行な光になって、標本面4上の試料をコーン状の光束として照明する。このコーン状の光束の開口数(NA)は対物レンズ5の開口数より大きくなるように構成されているので、標本面4上の試料で散乱されずに透過する光束は、対物レンズ5の入射瞳には入らないので像面8には達せず、一方、標本面4上の試料で散乱された光の一部は対物レンズ5の開口数より小さくなり、対物レンズ5と絞り9を経て像面8に達し、像面8上に試料の暗視野像として結像し、観察可能になる。
Next, FIG. 10 is a diagram showing an optical path at the time of conventional dark field observation after the annular opening. An
しかしながら、図9、図10何れの場合も、光源からの照明光の大部分は輪帯開口板1の輪帯開口2以外の部分を照明して損失光となるため、効率良く明るい輪帯照明はできなかった。
However, in both cases of FIG. 9 and FIG. 10, most of the illumination light from the light source illuminates a portion other than the
次に、本発明の照明用光学系を適用した1実施例の位相差観察光学系の配置図を図1に示す。光軸O−O’に同軸に、光源11、拡散素子12、集光光学系13、ドーナツ状レンズ10、輪帯開口板1、コンデンサーレンズ3、対物レンズ5が配置され、コンデンサーレンズ3と対物レンズ5の間に標本面4が配置され、対物レンズ5の射出瞳6位置に輪帯開口板1の輪帯開口2と共役にリング状の位相膜7が配置されている。ドーナツ状レンズ10は光軸O−O’の周りで回転対称な形状をしており、メリジオナル断面に直交するサジタル断面内ではパワー(屈折力)を持たないが、メリジオナル断面では正のパワーPを持つ。パワーPは一般的な曲率と屈折率から求められる近軸焦点距離fの逆数1/fであり、ドーナツ状レンズ10の焦点位置近傍に輪帯開口板1の輪帯開口2が配置されている。なお、集光光学系13としては、コレクターレンズや凹面反射鏡が使用できる。
Next, FIG. 1 shows a layout of the phase difference observation optical system of one embodiment to which the illumination optical system of the present invention is applied. A
このような配置において、光源11から出て拡散素子12を経て集光光学系13により略平行にされた照明光は、ドーナツ状レンズ10に入射してメリジオナル断面内の後側焦点に輪帯(円環)状に集光される。その照明光の集光位置と輪帯開口板1の輪帯開口2が略一致しているので、光源11から出た照明光は略全て輪帯開口板1の輪帯開口2を通過し、コンデンサーレンズ3を経てメリジオナル断面内で略平行な光になって、標本面4上の試料を光軸O−O’に同軸なコーン状の光束として照明する。標本面4上の試料で回折されずに透過した光束は、対物レンズ5の射出瞳6位置の位相膜7に入射して輪帯状に集光され、位相膜7を透過して位相がずれて像面8に達し、一方、標本面4上の試料で回折された光束は大部分位相膜7の影響を受けずに像面8に達し、この2つの光束は像面8上で干渉して、試料の位相分布をコントラスト像として結像する。なお、位相差顕微鏡として構成するには、この像面8上に結像しているコントラスト像を接眼レンズで拡大観察できるようにするか、その中間像を撮像素子の撮像面に投影する結像レンズを配し、撮像された画像をモニター上に表示できるようにすればよい。
In such an arrangement, the illumination light emitted from the
次に、本発明の照明用光学系を適用した1実施例の暗視野観察光学系の配置図を図2に示す。光軸O−O’に同軸に、光源11、拡散素子12、集光光学系13、ドーナツ状レンズ10、輪帯開口板1、コンデンサーレンズ3、対物レンズ5、絞り9が配置され、コンデンサーレンズ3と対物レンズ5の間に標本面4が配置されている。ドーナツ状レンズ10はメリジオナル断面に直交するサジタル断面内ではパワー(屈折力)を持たないが、メリジオナル断面では正のパワーPを持つ。パワーPは一般的な曲率と屈折率から求められる近軸焦点距離fの逆数1/fであり、ドーナツ状レンズ10の焦点位置近傍に輪帯開口板1の輪帯開口2が配置されている。なお、集光光学系13としては、コレクターレンズや凹面反射鏡が使用できる。
Next, FIG. 2 shows a layout of the dark field observation optical system of one embodiment to which the illumination optical system of the present invention is applied. A
このような配置において、光源11から出て拡散素子12を経て集光光学系13により略平行にされた照明光は、ドーナツ状レンズ10に入射してメリジオナル断面内の後側焦点に輪帯(円環)状に集光される。その照明光の集光位置と輪帯開口板1の輪帯開口2が略一致しているので、光源11から出た照明光は略全て輪帯開口板1の輪帯開口2を通過し、標本面4上の試料を光軸O−O’に同軸なコーン状の光束として照明する。このコーン状の光束の開口数は対物レンズ5の開口数より大きくなるように構成されているので、標本面4上の試料で散乱されずに透過する光束は、対物レンズ5の入射瞳には入らないので像面8には達せず、一方、標本面4上の試料で散乱された光の一部は対物レンズ5の開口数より小さくなり、対物レンズ5と絞り9を経て像面8に達し、像面8上に試料の暗視野像として結像する。なお、暗視野顕微鏡として構成するには、この像面8上に結像している暗視野像を接眼レンズで拡大観察できるようにするか、その中間像を撮像素子の撮像面に投影する結像レンズを配し、撮像された画像をモニター上に表示できるようにすればよい。
In such an arrangement, the illumination light emitted from the
以上のように、位相差観察光学系、暗視野観察光学系何れの場合も、ドーナツ状レンズ10を輪帯開口板1の入射側に配置して、光源11からの照明光の大部分を輪帯開口2を通過させて試料の照明に利用するようにしているので、従来(図9、図10)の場合に比較して、効率良く明るい輪帯照明が可能になる。
As described above, in both the phase difference observation optical system and the dark field observation optical system, the donut-shaped
ここで、ドーナツ状レンズ10のみでも輪帯状の集光状態が得られるが、光源11の大きさが有限のために拡散素子12を光源11の後に配置して光源11の大きさを見かけ上大きくすることが一般的である。そのため、ドーナツ状レンズ10により形成される輪帯状の集光像はある程度の広がりを持つこととなる。そこで、さらにこの輪帯状の集光像を絞る輪帯開口2と組み合わせて使用することが重要である。また、ドーナツ状レンズ10の内外で発生するフレアーやゴーストを避けるためにも、輪帯開口2を配置することは重要である。特に、ドーナツ状レンズ10の片面を図1のように平面で構成する場合(図1の場合は、後側の面)は、コンデンサーレンズ3と間の繰り返し反射により像のコントラストに悪影響を与えることがあるが、輪帯開口2を配置することでこのような繰り返し反射を防止することができる。
Here, a ring-shaped condensing state can be obtained with only the donut-shaped
ここで、まず拡張回転自由曲面を定義すると、光軸O−O’方向をY軸と、光軸O−O’に直交する方向をZ軸とし、Y−Z座標面上で原点を通る下記の曲線(b)が定められる。 Here, first, an extended rotation free-form surface is defined. An optical axis OO ′ direction is defined as a Y axis, and a direction orthogonal to the optical axis OO ′ is defined as a Z axis, and passes through the origin on the YZ coordinate plane. The curve (b) is defined.
Z=(Y2 /RY)/[1+{1−(C1 +1)Y2 /RY2 }1 /2]
C2 Y+C3 Y2 +C4 Y3 +C5 Y4 +C6 Y5 +C7 Y6
+・・・・+C21Y20+・・・・+Cn+1 Yn +・・・・
・・・(a)
次いで、この曲線(a)をZ軸正方向へ距離R(負のときはZ負方向)だけ平行移動する。同時に、座標系も移動する。その平行移動した曲線を、移動した座標系の原点を通るX軸正方向を向いて左回りを正として角度θ(°)回転した曲線が定められる。その後に移動する前の座標系のY軸(光軸O−O’)の周りで回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。
Z = (Y 2 / RY) / [1+ {1- (
C 2 Y + C 3 Y 2 + C 4 Y 3 + C 5 Y 4 + C 6 Y 5 + C 7 Y 6
+ ··· + C 21 Y 20 + ··· + C n + 1 Y n + ····
... (a)
Next, the curve (a) is translated in the Z-axis positive direction by a distance R (Z negative direction when negative). At the same time, the coordinate system moves. A curved line obtained by rotating the translated curve in the positive direction of the X axis passing through the origin of the moved coordinate system and rotating counterclockwise is defined as an angle θ (°). A rotationally symmetric surface formed by rotating around the Y axis (optical axis OO ′) of the coordinate system before moving thereafter is defined as an extended rotation free-form surface.
その結果、拡張回転自由曲面は移動する前の座標系のY−Z面内で自由曲面(自由曲線)になり、X−Z面内で半径|R|の円になる。 As a result, the extended rotation free-form surface becomes a free-form surface (free curve) in the YZ plane of the coordinate system before moving, and becomes a circle with a radius | R | in the X-Z plane.
この定義からY軸が拡張回転自由曲面の軸(回転対称軸)となる。 From this definition, the Y-axis becomes the axis of the extended rotation free-form surface (rotation symmetry axis).
ここで、RYはY−Z断面での球面項の曲率半径、C1 は円錐定数、C2 、C3 、C4 、C5 …はそれぞれ1次、2次、3次、4次…の非球面係数である。 Where RY is the radius of curvature of the spherical term in the YZ section, C 1 is the conic constant, C 2 , C 3 , C 4 , C 5 . Aspheric coefficient.
上記ドーナツ状レンズ10は、図3に断面を示すように、上記のような拡張回転自由曲面を少なくとも一方の面に有するようにすることが望ましい。図3の場合は、光軸O−O’から外れた片側の形状が光源11側に凸面を向けた平凸レンズ形状のものであり、その凸面に拡張回転自由曲面を用いている。なお、図3には、上記曲線(a)と、Z軸正方向へ距離Rだけ平行移動した曲線と、距離Rと角度θと、移動する前の座標系と、移動した座標系を角度θ回転した座標系とを示してある(以下の、図4〜図6も同じ)。
It is desirable that the donut-shaped
そして、ドーナツ状レンズ10に使用している拡張回転自由曲面が、特に非球面成分C2 、C3 、C4 、C5 …を有する場合には、θ=90°なる条件からずれると、断面の非球面が非対称になり、一般的に言われるコマ収差が発生し、集光状態が悪化する。
And when the extended rotation free-form surface used for the donut-shaped
さて、ドーナツ状レンズ10と輪帯開口板1を一体化することにより、輪帯状の集光像と輪帯開口2を一致させる手間が不要になり、好ましい。
Now, integrating the donut-shaped
位相差観察の場合は、対物レンズ5内は配置された輪帯状の位相膜7に対して輪帯開口2の像を正しく一致させる必要があり、さらに、ドーナツ状レンズ10が作る輪帯状の集光像の位置も輪帯開口2に正しく一致させることは光学系の調整が非常に煩雑になる。したって、ドーナツ状レンズ10と輪帯開口板1を一体化することが望ましい。
In the case of phase difference observation, it is necessary to correctly match the image of the
さらに好ましくは、ドーナツ状レンズ10と一体化した輪帯開口板1を常に正規の位置にセットできるように位置決め手段を有することが、光学系の調整を簡略化するためには好ましい。
More preferably, in order to simplify the adjustment of the optical system, it is preferable to have positioning means so that the annular
さらに、暗視野観察の場合(図2)は、標本面4に載せる試料のスライドガラスの厚さにより、輪帯開口板1を光軸O−O’方向に微調整することがあり、そのときにもドーナツ状レンズ10と輪帯開口板1を一体化しておくことが操作上好ましい。
Further, in the case of dark field observation (FIG. 2), the
さらに、ドーナツ状レンズ10で発生するサジタル断面での球面収差(コマ収差)を少なくするためには、メリジオナル断面の光軸O−O’から外れた片側の形状が光源11側に凸面を向けた平凸レンズ形状のもので構成することが好ましい。
Further, in order to reduce the spherical aberration (coma aberration) in the sagittal section generated in the donut-shaped
次に、ドーナツ状レンズ10の凸面の面頂の光軸O−O’からの半径Rは、輪帯開口2の半径rと略同じであることが好ましい(図3)。
Next, it is preferable that the radius R from the optical axis O-O ′ of the convex surface top of the donut-shaped
ドーナツ状レンズ10に入射する光束半径Dに比べて、輪帯開口2の径が大きい場合には、図4に示すように、ドーナツ状レンズ10の凸面の面頂の光軸O−O’からの半径RをD/2より大きくすることが好ましい。また、図5に示すように、光束半径Dに比べて、輪帯開口2の径が小さい場合には、ドーナツ状レンズ10の凸面の面頂の光軸O−O’からの半径RをD/2より小さくすることが好ましい。
When the diameter of the
さらに、図4、図5のように、輪帯開口2を射出する光束の光軸O−O’に対する向きが傾いてしまう場合には、図6に示すように、輪帯開口2に光束に偏角を与える断面楔状の屈折部材14を配置することが好ましい。このような構成は、特に高倍の対物レンズ5を用いる場合に有効である。
Furthermore, as shown in FIGS. 4 and 5, when the direction of the light beam exiting the
さらに、ドーナツ状レンズ10の凸面のメリジオナル断面形状を非球面で構成する場合は、凸面の面頂から離れるに従って(レンズ外周とレンズ中心に向かって)曲率が緩く(小さく)なるように、非球面項C3 、C5 、C7 等を与えることが好ましい。
Further, when the meridional cross-sectional shape of the convex surface of the donut-shaped
さらに、ドーナツ状レンズ10の凸面をフレネルレンズ面で構成することにより、光軸O−O’方向の厚さを薄くすることができ、狭い照明光路内に配置することが可能となる。
Furthermore, by forming the convex surface of the donut-shaped
さらに、集光光学系13には拡散素子12を配置し、光束はある程度広がった略均一な光束に変換することにより、光源11の例えばフィラメントやアークの位置ムラ(光束の発光方向による指向性のムラではなく)を除去する場合に効果的である。特に、クリティカル照明の場合には、光源11が直接標本面4に投影されるので、このムラを除去するのに拡散素子12を配置すると効果的である。
In addition, a diffusing
さらに、光源11の発光部は通常□1mmから1mm×3mmの大きさが一般的である。一方、位相差観察用の輪帯開口2の幅は通常1mm前後であるので、効率的に発光部を輪帯開口2上に投影するためには、集光光学系13とドーナツ状レンズ10を含めたメリジオナル断面での光源11から光源像への投影倍率をβとするとき、
0.1<β<20 ・・・(1)
なる条件を満足することが好ましい。
Further, the light emitting portion of the
0.1 <β <20 (1)
It is preferable to satisfy the following conditions.
上記条件式(1)の下限の0.1を越えると、光源11のメリジオナル断面での大きさが小さくなるが、光源像形成後のメリジオナル断面での光線の広がり(NA)が大きくなりすぎ、無駄に広い標本面4を照明することになり、照明効率がかえって悪くなる。
If the lower limit of 0.1 of the conditional expression (1) is exceeded, the size of the
一方、上記条件式(1)の上限の20を越えると、光源像が大きくなりすぎ、輪帯開口2を通過する光束が減ってしまい、これも照明効率が低下する。
On the other hand, if the upper limit of 20 in the conditional expression (1) is exceeded, the light source image becomes too large and the light flux passing through the
因みに、サジタル断面ではドーナツ状レンズ10はパワーを持たないため、サジタル断面での投影倍率は異なる値をとる。
Incidentally, since the donut-shaped
さらに好ましくは、
1<β<10 ・・・(1−1)
なる条件を満足することが好ましい。
More preferably,
1 <β <10 (1-1)
It is preferable to satisfy the following conditions.
次に、ドーナツ状レンズ10の1つの具体例を示す。このドーナツ状レンズ10の構成パラメータは後記する。この実施例の構成パラメータは、図7に示すように、ドーナツ状レンズ10に光源11からの光が通る順の順光線追跡の結果に基づくものである。
Next, one specific example of the donut-shaped
座標系は、順光線追跡において、ドーナツ状レンズ10の集光点が形成する面である像面の光軸O−O’上の位置を偏心光学面の原点とし、光軸O−O’の光が進む方向をZ軸正方向とし、Z軸に直交する図7の上方向をY軸正方向とし、図7の紙面内をY−Z平面とする。そして、Y軸、Z軸と右手直交座標系を構成する軸をX軸正方向とする。
The coordinate system uses the position on the optical axis OO ′ of the image plane, which is the surface formed by the condensing point of the donut-shaped
偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向をそれぞれX,Y,Z)と、光学系の原点に定義される座標系のX軸、Y軸、Z軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角(それぞれα,β,γ(°))とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はZ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα,β,γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずX軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のY軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のZ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。 For the decentered surface, the amount of decentering from the center of the origin of the optical system in the coordinate system in which the surface is defined (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction are X, Y, and Z, respectively) and the optical system The inclination angles (α, β, γ (°), respectively) of the coordinate system defining each surface centered on the X axis, Y axis, and Z axis of the coordinate system defined at the origin are given. In this case, positive α and β mean counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis, and positive γ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis. Note that the α, β, and γ rotations of the central axis of the surface are performed by rotating the coordinate system defining each surface counterclockwise around the X axis of the coordinate system defined at the origin of the optical system. Then rotate it around the Y axis of the new rotated coordinate system by β and then rotate it around the Z axis of another rotated new coordinate system by γ. It is.
また、上記実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。 Further, among the optical action surfaces constituting the optical system of the above embodiment, when a specific surface and a subsequent surface constitute a coaxial optical system, a surface interval is given, in addition, the curvature radius of the surface, The refractive index and Abbe number of the medium are given according to conventional methods.
なお、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は0である。屈折率、アッベ数については、d線(波長587.56nm)に対するものを表記してある。長さの単位はmmである。各面の偏心は、上記のように、ドーナツ状レンズ10の集光点が形成する面である像面の光軸O−O’上の位置からの偏心量で表わす。
It should be noted that a term relating to an aspheric surface for which no data is described in the configuration parameters described later is zero. About a refractive index and an Abbe number, the thing with respect to d line (wavelength 587.56nm) is described. The unit of length is mm. The decentering of each surface is represented by the amount of decentering from the position on the optical axis O-O ′ of the image surface, which is the surface formed by the condensing point of the
なお、拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。 The extended rotation free-form surface is a rotationally symmetric surface given by the following definition.
まず、Y−Z座標面上で原点を通る下記の曲線(b)が定められる。 First, the following curve (b) passing through the origin on the YZ coordinate plane is determined.
Z=(Y2 /RY)/[1+{1−(C1 +1)Y2 /RY2 }1 /2]
C2 Y+C3 Y2 +C4 Y3 +C5 Y4 +C6 Y5 +C7 Y6
+・・・・+C21Y20+・・・・+Cn+1 Yn +・・・・
・・・(a)
次いで、この曲線(b)をX軸正方向を向いて左回りを正として角度θ(°)回転した曲線F(Y)が定められる。この曲線F(Y)もY−Z座標面上で原点を通る。
Z = (Y 2 / RY) / [1+ {1- (
C 2 Y + C 3 Y 2 + C 4 Y 3 + C 5 Y 4 + C 6 Y 5 + C 7 Y 6
+ ··· + C 21 Y 20 + ··· + C n + 1 Y n + ····
... (a)
Next, a curve F (Y) obtained by rotating the curve (b) in the positive direction of the X-axis and turning it counterclockwise to be positive is determined. This curve F (Y) also passes through the origin on the YZ coordinate plane.
その曲線F(Y)をZ正方向に距離R(負のときはZ負方向)だけ平行移動し、その後にY軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。 The curve F (Y) is translated in the positive Z direction by a distance R (or negative Z direction if negative), and then the rotationally symmetric surface formed by rotating the translated curve around the Y axis is expanded and rotated. Let it be a free-form surface.
その結果、拡張回転自由曲面はY−Z面内で自由曲面(自由曲線)になり、X−Z面内で半径|R|の円になる。 As a result, the extended rotation free-form surface becomes a free-form surface (free-form curve) in the YZ plane and a circle with a radius | R | in the XZ plane.
この定義からY軸が拡張回転自由曲面の軸(回転対称軸)となる。 From this definition, the Y-axis becomes the axis of the extended rotation free-form surface (rotation symmetry axis).
ここで、RYはY−Z断面での球面項の曲率半径、C1 は円錐定数、C2 、C3 、C4 、C5 …はそれぞれ1次、2次、3次、4次…の非球面係数である。 Where RY is the radius of curvature of the spherical term in the YZ section, C 1 is the conic constant, C 2 , C 3 , C 4 , C 5 . Aspheric coefficient.
なお、上記の拡張回転自由曲面の定義は、前記した定義の表現とは若干異なるが実質的に同じである。 Note that the definition of the extended rotation free-form surface is substantially the same, although slightly different from the expression of the above definition.
ドーナツ状レンズ10の1つの具体例の光軸O−O’に沿ってとった断面図を図7に、その斜視図を図8に示す。なお、図7には光路も示してある。
FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the optical axis O-O ′ of one specific example of the donut-shaped
このドーナツ状レンズ10は、光軸O−O’を含む断面の光軸O−O’から外れた片側の形状が光源11側に凸面を向けた拡張回転自由曲面21と、輪帯開口板1側の光軸O−O’に垂直な平面22とからなるものであり、このドーナツ状レンズ10に光源11側から光軸O−O’に平行な光束が入射すると、座標軸を定めた像面の光軸O−O’を中心とした半径7.5mmの円の上に輪帯状に集光する。その位置に、輪帯開口板1の輪帯開口2が配置される。
This donut-shaped
この具体例1のドーナツ状レンズ10の有効径は、φ30mm、メリジオナル断面の焦点距離は、32.93mm、集光光学系13として焦点距離10mmの非球面レンズを用いた場合の光源11の投影倍率βは、3.29倍となる。
The effective diameter of the donut-shaped
以下に、上記具体例1の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ERFS”は拡張回転自由曲面を示す。 The configuration parameters of specific example 1 are shown below. In the table below, “ERFS” indicates an extended rotation free-form surface.
具体例1
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ERFS[1] 偏心(1) 1.5163 64.1
2 ∞ 偏心(2)
像 面 ∞
ERFS[1]
RY 17.07
θ -90.00
R 7.5
C5 -1.4068 ×10-5
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z -35.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 0.00 Z -30.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。
Example 1
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ ∞
1 ERFS [1] Eccentricity (1) 1.5163 64.1
2 ∞ Eccentricity (2)
Image plane ∞
ERFS [1]
RY 17.07
θ -90.00
R 7.5
C 5 -1.4068 × 10 -5
Eccentricity (1)
X 0.00 Y 0.00 Z -35.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (2)
X 0.00 Y 0.00 Z -30.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00.
以上、本発明の照明用光学系及び顕微鏡照明装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明は種々の変形が可能である。例えば、ドーナツ状レンズ10の両面を、光軸O−O’を含む断面の光軸O−O’から外れた片側の形状が両凸レンズ形状のものとしてももちろんよい。
As described above, the illumination optical system and the microscope illumination apparatus according to the present invention have been described based on the embodiments. However, the present invention can be variously modified. For example, it is a matter of course that the shape of one side of the doughnut-shaped
O−O’…光軸
1…輪帯開口板
2…輪帯開口
3…コンデンサーレンズ
4…標本面
5…対物レンズ
6…対物レンズの射出瞳
7…位相膜
8…像面
9…絞り
10…ドーナツ状レンズ
11…光源
12…拡散素子
13…集光光学系
14…断面楔状の屈折部材
21…ドーナツ状レンズの光源側の面(拡張回転自由曲面)
22…ドーナツ状レンズの輪帯開口側の面(平面)
OO '...
22 ... The surface (plane) of the donut-shaped lens on the annular zone opening side
Claims (10)
0.1<β<20 ・・・(1)
なる条件を満足することを特徴とする請求項1から7の何れか1項記載の照明用光学系。 When the projection magnification from the light source to the light source image in the cross section including the optical axis including the condensing optical system and the donut-shaped lens is β,
0.1 <β <20 (1)
The illumination optical system according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
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