JP2010145780A - インテグレータ、このインテグレータを有する照明装置、及び、この照明装置を有する顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成により低コストなインテグレータ、このインテグレータを有する照明装置、及び、この照明装置を提供する。
【解決手段】顕微鏡装置の照明装置等に用いられ、複数の単位レンズを、各レンズ面の頂点が同一平面上に位置するよう配置してなるインテグレータ３１であって、単位レンズの入射面３１ａを、光を所定方向に拡散させる拡散面により構成する。また、単位レンズの出射面３１ｂをも拡散面とすることが好ましい。更に、口径比をＦとし、拡散面で拡散された光の拡散角をθとしたとき、次式
【数４】

を満足するよう構成することが、より好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、インテグレータ、このインテグレータを有する照明装置、及び、この照明装置を有する顕微鏡装置に関する。

従来、顕微鏡照明光学系において、フライアイインテグレータを用いることで照明ムラを改善する顕微鏡照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような顕微鏡照明装置の一例として、図８に、従来技術におけるフライアイ照明光学系の構成図を示す。このフライアイ照明光学系は、光源１０と、コレクタレンズ２０、フライアイインテグレータ３０、第１リレーレンズ４１、視野絞り５０、第２リレーレンズ４０、開口絞り６０、及び、コンデンサレンズ７０からなる光学系とを用いる。コレクタレンズ２０は、その前側焦点位置に光源１０を配置し、光源１０から発せられた光を略平行光に変換する。コレクタレンズ２０の後側焦点位置には、フライアイインテグレータ３０の入射面３０ａが配置される。更に、フライアイインテグレータ３０の出射面３０ｂが、前側焦点位置となるように第１リレーレンズ４１を配置し、この第１リレーレンズ４１の後側焦点位置に視野絞り５０を配置する。

更に、第１リレーレンズ４１の後側焦点位置が、前側焦点位置となるように第２リレーレンズ４０を配置し、この第２リレーレンズ４０の後側焦点位置に開口絞り６０を配置する。また、第２リレーレンズ４０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにコンデンサレンズ７０を配置し、このコンデンサレンズ７０の後側焦点位置を視野面８０とする。

図９は、フライアイインテグレータ３０の詳細を示す図である。フライアイインテグレータ３０を構成する単位レンズは、両面の曲率半径｜ｒ｜が等しく、左右の頂点がそれぞれ反対側から平行光を入射させたときの焦点になっている。フライアイインテグレータ３０はこの単位レンズを数十個、各頂点が同一平面上に位置するように束ねて配置されている。上述のように、各単位レンズの入射面は、照明領域と共役に配置され、その像は単位レンズの位置に無関係に第１リレーレンズ４１の後側焦点（視野絞り５０の配置される面）に生じ、視野絞り５０を重畳的に照明する。フライアイインテグレータ３０の入射面３０ａ上の照度は、光源１０の放射角度特性によって中心が明るく周辺が暗く照明されるが、各単位レンズの入射面が重畳的に視野絞り５０上に投影されるため、視野絞り５０の面全体での照度の均一性が向上する。一方でフライアイインテグレータ３０の出射面３０ｂには、図９（ｂ）に示すように、各単位レンズにおける小さな光源像３０ｃが規則正しく並び、二次元光源を形成する。

更に、このフライアイ照明光学系では、ケーラー照明光学系と同様に、視野絞り５０と視野面８０、及び、二次光源と開口絞り６０とがそれぞれ共役に配置されており、視野絞り５０と開口絞り６０との径を調整することで照明領域と照明開口数とを定めることができる。更に、フライアイインテグレータ３０により視野絞り５０上に重畳的に投影され、均一に照明された光束は、更にリレーレンズ４０及びコンデンサレンズ７０により視野面８０に投影され、視野面８０を均一に照明する。

また、上述のようなフライアイインテグレータ３０を用いた照明光学系においては、照明領域における照度均一性が向上する反面、フライアイインテグレータ３０の出射面３０ｂに規則的に並んだ多数の光源像３０ｃが形成されるため、開口絞り６０の面上での規則的な明るさにムラ（瞳ムラ）が生じる。このような瞳ムラは、試料を顕微鏡等で観察した観察象の不快なちらつきの原因となる。これを防ぐために、通常、開口絞り６０の近傍、若しくは、フライアイインテグレータ３０の出射面３０ｂの近傍に、拡散板１１０を配置する必要がある。
特開２００２−６２２５号公報

しかしながら、上述のような従来の照明装置においては、光学系の部品数が多く製造コストが高価となると言う課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成により低コストなインテグレータ、このインテグレータを有する照明装置、及び、この照明装置を有する顕微鏡装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係るインテグレータは、複数の単位レンズを、各レンズ面の頂点が同一平面上に位置するよう配置してなるインテグレータであって、単位レンズの入射面が、光を所定方向に拡散させる拡散面により構成されている。

このようなインテグレータは、更に、単位レンズの出射面が、光を所定方向に拡散させる拡散面であることが好ましい。

このようなインテグレータは、単位レンズの口径比をＦとし、拡散面で拡散された光の拡散角をθとしたとき、次式

を満足することが好ましい。

また、本発明に係る照明装置は、光源と、上述のインテグレータのいずれかと、光源から放射されインテグレータを通過した光を視野面に照射する照明光学系と、を有する

また、本発明に係る顕微鏡装置は、試料に光を照射する上述の照明装置と、試料からの光により試料の像を形成する観察光学系と、を有する。

本発明に係るインテグレータ、このインテグレータを有する照明装置、及び、この照明装置を有する顕微鏡装置を以上のように構成すると、簡素な構成により低コスト化を図ることができる。

（第１の実施形態）
以下、図１を用いて、第１の実施形態に係る照明装置としてのフライアイ光学系を説明する。なおこの図１は、このフライアイ光学系を、顕微鏡装置の透過照明光学系に適用した例を示すものである。このフライアイ光学系は、光源１０と、コレクタレンズ２０、フライアイインテグレータ３１、リレーレンズ４１、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、及び、コンデンサレンズ７０からなる光学系Ｚ１とを有している。

コレクタレンズ２０は、その前側焦点位置に光源１０を配置し、光源１０から発せられた光を略平行光に変換する。コレクタレンズ２０の後側焦点位置には、フライアイインテグレータ３１の入射面３１ａが配置される。更に、フライアイインテグレータ３１の出射面３１ｂが、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４１を配置し、このリレーレンズ４１の後側焦点位置に視野絞り５０を配置する。

更に、リレーレンズ４１の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４０を配置し、このリレーレンズ４０の後側焦点位置に開口絞り６０を配置する。また、リレーレンズ４０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにコンデンサレンズ７０を配置し、このコンデンサレンズ７０の後側焦点位置を視野面８０とする。

図２は、本実施の形態に係るフライアイインテグレータ３１の詳細を示す図であり、図２（ａ）はフライアイインテグレータ３１の側面図を示し、図２（ｂ）はフライアイインテグレータ３１の射出面３１ｂ側からの背面図を示す。上述のように、フライアイインテグレータ３１を構成する単位レンズは、両面の曲率半径｜ｒ｜が等しく、左右の頂点がそれぞれ反対側から平行光を入射させたときの焦点になっており、この単位レンズを数十個、各頂点が同一平面上に位置するように束ねて配置されている。また、各単位レンズの入射面は、照明領域と共役に配置され、その像は単位レンズの位置に無関係にリレーレンズ４１の後側焦点（視野絞り５０の配置される面）に生じ、視野絞り５０を重畳的に照明する。そのため、フライアイインテグレータ３１の入射面３１ａ上の照度は、光源１０の放射角度特性によって中心が明るく周辺が暗く照明されるが、各単位レンズの入射面が重畳的に視野絞り５０上に投影されるため、視野絞り５０面全体での照度の均一性が向上する。

図３に、上述のフライアイインテグレータ３１を構成する単位レンズの詳細を示す。このフライアイインテグレータ３１の入射面３１ａは拡散面で構成されており、入射面３１ａに入射した光束は、図３に示すように、拡散角θの広がりを持って拡散する。このようにして、フライアイインテグレータ３１の出射面３１ｂには、図２（ｂ）に示すように、単位レンズ毎に拡散された光源像３１ｄが規則正しく並び、二次光源を形成する。

ここで、出射面３１ｂを拡散された光源像３１ｄで満たすための条件を説明する。すなわち、単位レンズの口径比をＦとし、拡散面で拡散された光の拡散角をθとしたときに、下記条件式（１）を満たすことが望ましい。

条件式（１）は、拡散面で拡散された光の拡散角θを規定するための条件式である。条件式（１）において、不等式の下限値に対応する条件は、拡散された光源像３１ｄの大きさが、フライアイインテグレータ３１の単位レンズの断面形状と内接するような条件である。拡散角θが、この条件式（１）の下限値を下回ると、出射面３１ｂを拡散された光源像３１ｄで完全には満たすことができず、観察像の不快なちらつきの原因となるため好ましくない。

また、条件式（１）において、不等式の上限値に対応する条件は、照明領域の照度を規定する条件である。ここで、拡散角θを大きくして、フライアイインテグレータ３１の出射面３１ｂ上での光源像３１ｄの大きさをフライアイインテグレータ３１の単位レンズの断面形状以上に大きくするとした場合、単位レンズの断面形状からはみ出した部分の光束については視野面８０に到達することがなく、視野面８０の照度は低下するが、拡散角θを下限値に設定したときの１／４の照度であれば許容できると考えられる。このため、拡散角θの上限値を、下限値の２倍の値とした。なお、拡散角θが、この条件式（１）の上限値を上回ると、照度が低下して照明効率が悪くなるため好ましくない。

フライアイインテグレータ３１は、熱可塑性樹脂の射出成型品とすることが望ましく、安価に構成することが可能であるとともに、可視光波長帯域での使用に好適なものとなる。また、視野絞り５０と視野面８０、及び、二次光源と開口絞り６０とが、それぞれ共役に配置されており、視野絞り５０と開口絞り６０との径を調整することで、照明領域と照明開口数を定めることができる。また、フライアイインテグレータ３１により、視野絞り５０上に重畳的に投影され、均一に照明された光束は、更にリレーレンズ４０及びコンデンサレンズ７０により視野面８０に投影され、視野面８０を均一に照明する。

上述の通り、フライアイインテグレータ３１の入射面３１ａを拡散面としたことで、出射面３１ｂが拡散された光源像３１ｄで満たされることにより、瞳ムラによる観察像の不快なちらつきを除去することが可能となる。

なお、この第１の実施形態においては、フライアイインテグレータ３１の入射面３１ａのみ拡散面であるとしたが、本発明はこれに限定されることはなく、出射面３１ｂについても拡散面としてもよい。前述の通り、各単位レンズの入射面は、照明領域と共役であることから、入射面に異物の付着や傷などがある場合、これらが視野面８０に投影されてしまい、照明ムラの原因となるが、出射面３１ｂを拡散面とすることで投影される異物や傷をぼかすことが可能になり、均一な照明が実現できる。また、出射面３１ｂのみを拡散面とすることも考えられ、この場合も照明ムラを解消して、均一な照明が実現できる。

また、この第１の実施形態において、フライアイインテグレータ３１の材料は熱可塑性樹脂であるとしたが、本発明はこれに限定されることはなく、ガラスレンズを多数接合して構成してもよい。特に、導体デバイス等リソグラフィー工程で製造するために用いられる投影露光装置など、紫外光源等を用いる場合においては、透過率向上のために、フライアイインテグレータ３１の材料として、合成石英や蛍石などを用いることが望ましい。

また、入射面３１ａまたは出射面３１ｂの拡散面は、サンドブラスト、レモンスキン、若しくは、回折光学面で構成してもよい。ここで拡散面を回折光学面で構成する場合は、回折次数を制限することにより、その次数の光の回折方向が所定の範囲に分布するように構成され、所望の拡散角θで光を拡散させることが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る照明装置について図４を参照して説明する。なお、図４は、この第２の実施形態に係る照明装置を、顕微鏡装置の透過照明光学系に適用した例を示すものである。この第２の実施形態に係る照明装置は、第１の実施形態とほぼ同様の構成であり、第１の実施形態におけるコレクタレンズ２０に代わり、反射型コリメータ１５を用いて構成されている。

この第２の実施形態の照明装置は、ＬＥＤ１１と、コリメータ１５、及び、フライアイインテグレータ３１により構成される光源部Ａと、コレクタレンズ２０、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、及び、コンデンサレンズ７０により構成される光学系Ｚ２とを用いている。この光学系Ｚ２は、フライアイインテグレータ３１からの光束を集光して被照射面を重畳的に照明する光学系である。

平行化素子であるコリメータ１５は、ＬＥＤ１１を保護する封止材を兼ねており、ＬＥＤ１１から放出される光束を略平行光束に変換する。このように、ＬＥＤ１１を保護する封止材に平行化素子の役割を兼用させることにより、ＬＥＤ１１からの光束の発散角が大きな場合でも、平行化素子を大型化することなく、ＬＥＤ１１からの光束を有効に利用することができる。

また、コリメータ１５の出射面近傍には、第１の実施形態で説明したフライアイインテグレータ３１の入射面３１ａが配置される。そのため、フライアイインテグレータ３１の出射面３１ｂには、単位レンズごとに拡散された光源像で満たされ、二次光源を形成する。このフライアイインテグレータ３１も、熱可塑性樹脂の射出成型品とすることが望ましく、安価に構成することが可能である。

更に、フライアイインテグレータ３１の出射面３１ｂが、前側焦点位置となるようにコレクタレンズ２０を配置し、コレクタレンズ２０の後側焦点位置に視野絞り５０を配置する。更に、コレクタレンズ２０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４０を配置し、このリレーレンズ４０の後側焦点位置に開口絞り６０を配置する。この開口絞り６０の配置される面においては、拡大された光源像が結像する。また、リレーレンズ４０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにコンデンサレンズ７０を配置し、このコンデンサレンズ７０の後側焦点位置を視野面８０とする。

また、従来のフライアイ照明系と同様に、フライアイインテグレータ３１により視野絞り５０上に重畳的に投影され、均一に照明された光束は、更にリレーレンズ４０及びコンデンサレンズ７０により視野面８０に投影され、視野面８０を均一に照明する。また、前述のように、コリメータ１５を封止樹脂と兼ねてＬＥＤ１１近傍に配置し、かつ、コリメータ１５の出射面近傍にフライアイインテグレータ３１を配置して、光源Ａを構成しているので、光学系全体を小型化することが可能である。このように、合成樹脂により構成されたコリメータ１５、及び、フライアイインテグレータ３１を光源Ａ近傍に配置する構成は、小型で発熱の少ない固体光源であるＬＥＤ１１を用いることで実現可能である。

図５は、ＬＥＤ１１及びコリメータ１５の一例を説明したものである。コリメータ１５の反射面１５ｂは回転放物面であり、放物面の焦点位置にＬＥＤ１１が配置されている。ＬＥＤ１１から放出された光束は、コリメータ１５の反射面１５ｂにて全反射し、略平行光束に変換され、出射端面１５ｄから出射される。

また、第２の実施形態においても、拡散面に拡散された光の拡散角θが、条件式（１）を満足するよう構成することにより、観察像の不快なちらつきを良好に除去することが可能となる。また、出射面３１ｂを拡散面としてもよく、均一な照明を実現することが可能となる。また、フライアイインテグレータ３１の材料として、ガラス、合成石英、蛍石などを用いることができる。また、拡散面を、回折光学面とすることもできる。これらの条件については、以降の実施形態でも同様である。

また、第２の実施形態の照明装置においては、図６に示すように、光源部を複数設けた構成としてもよい。図６に示す照明装置は、図４に示すものとほぼ同様の構成であり、光源部Ａに代わり、ＬＥＤ１１とコリメータ１５とを有する光源ユニットを複数個アレイ状に配列してなる光源部Ｂを用いた点で相違している。このような構成とすることで、より明るい照明光を得ることが可能になる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る照明装置ついて図面７を参照して説明する。この図７は、第３の実施形態である照明装置を顕微鏡装置の落射照明光学系に適用した例を示すものである。この第３の実施形態の照明装置は、光源１０と、コレクタレンズ２０、フライアイインテグレータ３１、開口絞り６０、コレクタレンズ２１、視野絞り５０、リレーレンズ４０、対物レンズ７１、第２対物レンズ７２、及び、ハーフミラー９０からなる光学系Ｚ３とを用いている。

コレクタレンズ２０は、前側焦点位置に光源１０を配置し、コレクタレンズ２０の後側焦点位置にも、第１の実施形態で説明したフライアイインテグレータ３１の入射面３１ａが配置される。そのため、フライアイインテグレータ３１の出射面３１ｂには、単位レンズごとに拡散された光源像で満たされ、二次光源を形成する。フライアイインテグレータ３１の出射面３１ｂ近傍には、開口絞り６０が配置される。更に、フライアイインテグレータ３１の出射面３１ｂが、前側焦点位置となるようにコレクタレンズ２１を配置し、このコレクタレンズ２１の後側焦点位置に視野絞り５０を配置する。更に、コレクタレンズ２１の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４０を配置し、ハーフミラー９０を介してこのリレーレンズ４０の後側焦点位置と対物レンズ７１の瞳とが一致するように対物レンズ７１を配置する。この対物レンズ７１は、コンデンサレンズを兼ねており、後側焦点位置を視野面８０とする。

光学系Ｚ３によって均一な明るさで照明された視野面８０に、不図示の被観察試料を配置する。像面１００は、対物レンズ７１及び第２対物レンズ７２からなる観察光学系により視野面８０と共役となっており、像面１００上に被観察試料の拡大像が結像する。観察者は不図示の接眼レンズにより、被観察試料の拡大像を観察する。また、視野絞り５０と視野面８０とが共役に配置され、二次光源近傍に開口絞り６０が配置されており、視野絞り５０と開口絞り６０の径を調整することで、照明領域と照明開口数を定めることができる。

第１の実施形態に係る照明装置の構成を示す平面図である。 第１の実施形態におけるフライアイインテグレータの詳細を示す図であり、（ａ）はこのフライアイインテグレータの平面図であり、（ｂ）は出射面側から見た背面図である。 第１の実施形態におけるフライアイインテグレータの単位レンズを示す平面図である。 第２の実施形態に係る照明装置の構成を示す平面図である。 第２の実施形態におけるＬＥＤ及びコリメータを説明するための説明図である。 第２の実施形態の変形例である照明装置の平面図である。 第３の実施形態に係る照明装置の構成を示す平面図である。 従来技術の照明装置を示す平面図である。 従来技術におけるフライアイインテグレータの詳細を示す図であり、（ａ）はフライアイインテグレータの平面図であり、（ｂ）は出射面側から見た背面図である。

符号の説明

１０ 光源 ３１ フライアイインテグレータ
３１ａ 入射面 ３１ｂ 出射面

Claims (5)

1. 複数の単位レンズを、各レンズ面の頂点が同一平面上に位置するよう配置してなるインテグレータであって、
   前記単位レンズの入射面が、光を所定方向に拡散させる拡散面により構成されたインテグレータ。
2. 更に、前記単位レンズの出射面が、光を所定方向に拡散させる拡散面である請求項１に記載のインテグレータ。
3. 前記単位レンズの口径比をＦとし、前記拡散面で拡散された光の拡散角をθとしたとき、次式
   

   

   を満足するよう構成された請求項１または２に記載のインテグレータ。
4. 光源と、
   請求項１〜３いずれか一項に記載のインテグレータと、
   前記光源から放射され前記インテグレータを通過した光を視野面に照射する照明光学系と、を有する照明装置。
5. 試料に光を照射する請求項４に記載の照明装置と、
   前記試料からの光により前記試料の像を形成する観察光学系と、を有する顕微鏡装置。

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