JP2016025316A - 照明光学系、照明装置、及び照明光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光源に起因する照明の不均一を少ない光学素子で抑制する技術を提供する。【解決手段】照照明光学素子３は、被照明面である標本面ＳＰの所定の領域Ａ１に光を面状に照射する光学素子である。照明光学素子３は、標本面ＳＰに向けられる光学面Ｓ１を有している。光学面Ｓ１は、光軸ＡＸに直交する直交方向に、それぞれ光を領域Ａ１に向けて屈折させる複数の屈折面ＲＳを有している。【選択図】図１

Description

本発明は、被照明面を面状に照明する照明光学素子を備えた照明光学系、及び、照明装置、さらに、被照明面を面状に照明する照明光学素子に関する。

顕微鏡や半導体露光装置の分野では、標本面を均一に照明するために、ケーラー照明が一般的に採用されている。しかしながら、ケーラー照明では、光源から出射される光量が出射角度に依存する特性（以降、配光特性と記す。）に起因した照明の不均一が生じてしまう。このため、フライアイレンズを用いることで、ケーラー照明における配光特性に起因する照明の不均一を抑制する技術が提案されている。このような技術は、例えば、特許文献１に記載されている。

特開２００４−４１６９号公報

ところで、フライアイレンズを用いて配光特性に起因する照明の不均一を抑制するためには、フライアイレンズに加えて、フライアイレンズにより形成された複数の光源像からの光を被照明面の同一の領域内に重ねて照射するためのレンズが必要である。
以上のような実情を踏まえ、本発明は、光源に起因する照明の不均一を少ない光学素子で抑制する技術を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様は、被照明面の所定領域に光を面状に照射する照明光学素子を備えた照明光学系であって、前記照明光学素子は、前記被照明面に向けられる光学面を有し、前記光学面は、光軸に直交する直交方向に、それぞれ光を前記所定領域に向けて屈折させる、前記所定領域によって定まる一定のピッチで形成された複数の屈折面を有する照明光学系を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の照明光学系において、前記複数の屈折面は、前記光軸に沿った断面において、前記光軸となす角度が異なる直線形状を有し、前記光軸に近い屈折面ほど、前記光軸に沿った断面において、前記光軸と大きな角度をなす照明光学系を提供する。

本発明の第３の態様は、第１の態様または第２の態様に記載の照明光学系において、前記光学面は、さらに、前記複数の屈折面よりも前記直交方向に前記光軸から離れた位置に、それぞれ光を前記所定領域の一部に向けて屈折させる複数の第２の屈折面を有する照明光学系を提供する。

本発明の第４の態様は、第３の態様に記載の照明光学系において、前記複数の第２の屈折面は、前記光軸に沿った前記断面において、前記光軸と異なる角度をなす直線形状を有し、前記光軸に近い第２の屈折面ほど、前記光軸に沿った前記断面において、前記光軸と大きな角度をなす照明光学系を提供する。

本発明の第５の態様は、第３の態様又は第４の態様に記載の照明光学系において、前記複数の第２の屈折面は、前記直交方向に、前記複数の屈折面が形成されるピッチよりも短い一定のピッチで形成される照明光学系を提供する。

本発明の第６の態様は、第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つに記載の照明光学系において、前記照明光学素子は、前記光学面とは反対側に、第２の光学面を有し、前記第２の光学面は、フレネル面である照明光学系を提供する。

本発明の第７の態様は、第１の態様乃至第６の態様のいずれか１つに記載の照明光学系において、前記複数の屈折面の各々の前記直交方向の幅は、前記所定領域の前記直交方向の幅に等しい照明光学系を提供する。

本発明の第８の態様は、第３の態様乃至第５の態様のいずれか１つに記載の照明光学系において、さらに、前記照明光学素子に入射する光の光束径を可変する可変絞りを備える照明光学系を提供する。

本発明の第９の態様は、第１の態様乃至第８の態様のいずれか１つに記載の照明光学系を備える照明装置を提供する。

本発明の第１０の態様は、被照明面の所定領域に光を面状に照射する照明光学素子であって、前記被照明面に向けられる光学面を有し、前記光学面は、光軸に直交する直交方向に、それぞれ光を前記所定領域に向けて屈折させる前記直交方向に、前記所定領域によって定まる一定のピッチで形成される複数の屈折面を有する照明光学素子を提供する。

本発明によれば、光源に起因する照明の不均一を少ない光学素子で抑制する技術を提供することができる。

本発明の実施例１に係る照明装置の構成を例示した図である。 本発明の実施例１に係る照明光学素子を例示した図である。 本発明の実施例１に係る照明装置の各面における照明光の光量分布を例示した図である。 フライアイレンズを備えた従来の照明装置の構成を例示した図である。 本発明の実施例１に係る照明光学素子の変形例を例示した図である。 照明光学素子の形状を説明するための図である。 本発明の実施例２に係る照明光学素子の構成を例示した図である。 本発明の実施例２に係る照明光学素子の入射側に配置された可変絞りの機能について説明するための図である。 本発明の実施例３に係る照明装置の構成を例示した図である。 本発明の実施例４に係る顕微鏡の構成を例示した図である。 本発明の実施例５に係る顕微鏡の構成を例示した図である。 本発明の実施例５に係る顕微鏡における照明光学素子、凹レンズ、視野絞りの位置関係を説明するための図である。 本発明の実施例６に係るプロジェクタの構成を例示した図である。 本発明の実施例７に係るプロジェクタの構成を例示した図である。 本発明の実施例８に係るステッパーの構成を例示した図である。 レーザに起因する照明の不均一を抑制する方法について説明するための図である。 本発明の実施例８に係るレーザ顕微鏡１００の構成を例示した図である。

図１は、本実施例に係る照明装置１０の構成を例示した図である。図２は、本実施例に係る照明光学素子３を例示した図である。図３は、本実施例に係る照明装置１０の各面における照明光の光量分布を例示した図である。

照明装置１０は、被照明面である標本面ＳＰの領域Ａ１を面状に照明する装置である。照明装置１０は、図１に示すように、照明光を出射する光源１と、照明光学系１０ａと、を備えている。照明光学系１０ａは、光源１からの光を標本面ＳＰの領域Ａ１に面状に照射する光学系であり、コレクタレンズ２と、照明光学素子３と、を備えている。

光源１は、例えば、ハロゲンランプなどのランプ光源である。光源１は、図３（ａ）に示すような配光特性を有している。図３（ａ）の横軸θは、光軸ＡＸに対する出射角である。図３（ａ）に示されるように、光源１は光軸ＡＸに対しておよそ対称な配光特性を有していて、出射角によって異なる光量の照明光が光源１から放射される。なお、光源１は、ランプ光源に限られず、ＬＥＤ光源など他の光源であってもよい。

コレクタレンズ２は、光源１から出射した光をコリメートして、平行光束として照明光学素子３に入射させる。これにより、光源１から出射する光の角度方向の光量分布（図３（ａ）参照）は、照明光学素子３に入射する光の光束径方向の光量分布（図３（ｂ）参照）に変換される。図３（ｂ）の横軸Ｘは、図２に示すＸ方向の位置である。

照明光学素子３は、平行光束として入射した光を標本面ＳＰ（被照明面）の領域Ａ１に面状に照射する光学素子である。照明光学素子３の材料は、例えば、ガラス、プラスチック、結晶材料（例えば、石英ガラス）などである。照明光学素子３は、標本面ＳＰに向けられる光学面Ｓ１を有し、さらに、光学面Ｓ１とは反対側に、第２の光学面である光学面Ｓ２を有している。

光学面Ｓ２は、光軸ＡＸと直交する平面である。一方、光学面Ｓ１は、図２に示すように、光軸ＡＸに直交する方向（例えば、図１に示すＸ方向。以降、直交方向と記す）に、それぞれ光を領域Ａ１に向けて屈折させる複数の屈折面ＲＳを有している。

複数の屈折面ＲＳは、直交方向に一定のピッチＰで形成されている。このピッチＰ（つまり、複数の屈折面ＲＳの各々の直交方向の幅）が領域Ａ１の直交方向の幅Ｄ１になる。さらに、複数の屈折面ＲＳは、光軸ＡＸに沿った断面（例えば、ＸＺ断面）において、光軸ＡＸとなす角度（角度θ０≠θ１≠θ２）が異なる直線形状を有している。そして、光軸ＡＸに近い屈折面ＲＳほど、光軸ＡＸに沿った断面において、光軸ＡＸと大きな角度をなしている（θ０＞θ１＞θ２）。なお、図２では、照明光学素子３は、屈折面ＲＳが形成される各領域の最大厚さｔが一定となるように構成されている。このため、照明光学素子３には、光軸ＡＸに遠いほど、屈折面ＲＳによって深い溝が形成されている。

照明光学素子３に平行光束として入射した光は、光学面Ｓ２を透過して光学面Ｓ１に入射し、光学面Ｓ１において入射した屈折面ＲＳ毎に分割される。なお、分割された光は、それぞれピッチＰの光束径を有する平行光束であり、図３（ｂ）に示すように、それぞれ光源１における異なる出射角範囲に対応する異なる光量分布を有している。

その後、分割された光の各々は、各屈折面ＲＳで領域Ａ１に向けて屈折し、平行光束のままで領域Ａ１に入射する。即ち、照明光学素子３で所定の出射角範囲毎に分割された光は、図３（ｃ）に示すように、領域Ａ１で重なり合う。これにより、配光特性に起因する不均一な光量分布が標本面ＳＰ（領域Ａ１）において平均化される。なお、図３（ｃ）は、標本面ＳＰにおける光量分布を示している。

本実施例によれば、光源１の配光特性に起因する照明の不均一を抑制することができる。従って、標本面ＳＰ（被照明面）を均一に照明することができる。さらに、本実施例によれば、従来に比べて少ない光学素子で容易に、光源１の配光特性に起因する照明の不均一を抑制することができる。この点について以下で詳細に説明する。

図４は、フライアイレンズ４を備えた従来の照明装置の構成を例示した図である。フライアイレンズ４は、光源から出射した光を所定の出射角範囲毎に分割する点については照明光学素子３と同様である。ただし、フライアイレンズ４は、照明光学素子３とは異なり、分割した光の各々を集光して複数の光源像１ａを形成する。このため、フライアイレンズ４を備えた従来の照明装置には、フライアイレンズ４に加えて、フライアイレンズ４が形成した複数の光源像１ａからの光をそれぞれ標本面ＳＰに照射してケーラー照明を行うためのコンデンサレンズ５が必要となる。

これに対して、照明光学素子３は、分割した光を集光することなく、そのまま標本面ＳＰに照射する。これにより、照明光学素子３は、フライアイレンズ４とコンデンサレンズ５の両方の機能を同時に実現している。このため、本実施例によれば、従来に比べて少ない光学素子で、光源１の配光特性に起因する照明の不均一を抑制して、標本面ＳＰ（被照明面）を均一に照明することができる。

また、フライアイレンズは、一般に一枚で使用されるものではなく、二枚並べて使用される。そして、高い照明の均一性を実現するためには、一方のフライアイレンズは他方のフライアイレンズに対して精度良く配置する必要がある。

これに対して、照明光学素子３の配置には、フライアイレンズの配置のような高い精度は要求されない。このため、照明光学素子３を備える本実施例に係る照明光学系１０ａ及び照明装置１０によれば、従来の照明装置よりも容易に照明の不均一を抑制することができる。

さらに、照明光学素子３は、屈折面ＲＳの断面形状が直線状であることから、材料を切削することで容易に作製することができる。なお、照明光学素子３は、型を使って作製されてもよい。この場合、切削により照明光学素子３の型を容易に作製することができる。

図２に示す照明光学素子３は、光軸ＡＸ上に光軸ＡＸと直交する屈折面ＲＳを有しているが、照明光学素子はこの構成に限定されない。照明光学素子は、図５に示す変形例に係る照明光学素子６のように、光軸ＡＸが屈折面ＲＳ間の境界を通り、光軸ＡＸに接する屈折面ＲＳが光軸ＡＸと直交する面に対して傾斜するように、構成されてもよい。

また、光源の配光特性が光軸に対して対称である場合には、照明光学素子も対称な形状であることが望ましい。図６（ａ）は、照明光学素子３を光軸ＡＸに沿った方向から見た図である。照明装置１０で照明した標本面ＳＰを接眼レンズなどで観察する場合には、照明光学素子は、図６（ａ）に示す照明光学素子３のように、光軸ＡＸを中心にしておよそ点対称な形状（ここでは、円形）であることが望ましい。図６（ｂ）は、照明光学素子３の変形例である照明光学素子７を光軸ＡＸに沿った方向から見た図である。標本面ＳＰをカメラなどで撮像する場合には、照明光学素子は、図６（ｂ）に示す照明光学素子７のように、撮像素子の形状に合わせた形状であることが望ましく、光軸ＡＸを含む基準線に対しておよそ線対称な形状（ここでは、矩形）であることが望ましい。

一般に照明装置に求められる開口数（ＮＡ）は、観察倍率に依存している。例えば、観察倍率が１０倍であれば０．４程度のＮＡが、観察倍率が２０倍であれば０．７程度のＮＡが、観察倍率が４０倍であれば０．９５程度のＮＡが、照明装置に要求される。観察倍率が高くなればなるほど、照明すべき領域は小さくなるため、要求されるＮＡが高いほど照明領域も小さくてすむ。本実施例は、この点に着目したものであり、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制しつつ、広い観察倍率に対応できる照明を実現するというものである。

図７は、本実施例に係る照明光学素子８の構成を例示した図である。なお、本実施例に係る照明光学系及び照明装置は、照明光学素子３の代わりに照明光学素子８を含む点を除き、実施例１に係る照明光学系１０ａ及び照明装置１０と同様である。照明光学素子８は、光学面Ｓ１が、複数の屈折面ＲＳに加えて、複数の屈折面ＲＳ２と複数の屈折面ＲＳ３を有している点が、照明光学素子３とは異なっている。ここでは、照明光学素子８の屈折面ＲＳ、屈折面ＲＳ２、屈折面ＲＳ３が、それぞれ、１０倍観察用、２０倍観察用、４０倍観察用の照明を形成する例について説明する。

複数の屈折面ＲＳは、照明光学素子３の複数の屈折面ＲＳと同様である。複数の屈折面ＲＳのピッチＰは、１０倍の観察で照明すべき領域Ａ１の直交方向の幅Ｄ１と同じである。最も光軸ＡＸから離れた屈折面ＲＳは、その屈折面ＲＳで屈折した光が領域Ａ１にＮＡ０．４で入射するように傾斜している。

複数の第２の屈折面である複数の屈折面ＲＳ２は、直交方向に複数の屈折面ＲＳよりも光軸ＡＸから離れた位置に形成されていて、それぞれ光を領域Ａ１の一部（領域Ａ２）に向けて屈折させるように構成されている。なお、複数の屈折面ＲＳ２は、光軸ＡＸに沿った断面において光軸ＡＸとなす角度が異なる直線形状を有している点、光軸ＡＸに近い屈折面ＲＳ２ほど光軸ＡＸに沿った断面において光軸ＡＸと大きな角度をなしている点は、複数の屈折面ＲＳと同様である。

複数の屈折面ＲＳ２は、直交方向に複数の屈折面ＲＳが形成されるピッチＰよりも短い一定のピッチＰ１で形成される点が、複数の屈折面ＲＳと異なっている。ピッチＰ１は、２０倍の観察で照明すべき領域Ａ２の直交方向の幅Ｄ２と同じである。最も光軸ＡＸから離れた屈折面ＲＳ２は、その屈折面ＲＳ２で屈折した光が領域Ａ２にＮＡ０．７で入射するように傾斜している。

複数の第３の屈折面である複数の屈折面ＲＳ３は、直交方向に複数の屈折面ＲＳ２よりも光軸ＡＸから離れた位置に形成されていて、それぞれ光を領域Ａ２の一部（領域Ａ３）に向けて屈折させるように構成されている。なお、複数の屈折面ＲＳ３は、光軸ＡＸに沿った断面において光軸ＡＸとなす角度が異なる直線形状を有している点、光軸ＡＸに近い屈折面ＲＳ３ほど光軸ＡＸに沿った断面において光軸ＡＸと大きな角度をなしている点は、複数の屈折面ＲＳ、複数の屈折面ＲＳ２と同様である。

複数の屈折面ＲＳ３は、直交方向に複数の屈折面ＲＳ２が形成されるピッチＰ１よりも短い一定のピッチＰ２で形成される点が、複数の屈折面ＲＳ、複数の屈折面ＲＳ２と異なっている。ピッチＰ２は、４０倍の観察で照明すべき領域Ａ３の直交方向の幅Ｄ３と同じである。最も光軸ＡＸから離れた屈折面ＲＳ３は、その屈折面ＲＳ３で屈折した光が領域Ａ３にＮＡ０．９５で入射するように傾斜している。

本実施例でも、照明光学素子８で所定の出射角範囲毎に分割された光が標本面ＳＰで重なり合う。このため、実施例１と同様に、光源の配光特性に起因する照明の不均一を、従来に比べて少ない光学素子で容易に抑制することができる。さらに、本実施例によれば、１０倍から４０倍までの広い観察倍率に対応した照明を行うことができる。この点について以下で具体的に説明する。

１０倍で標本を観察する場合について考える。観察対象範囲である領域Ａ１に入射した光のうちＮＡ０．４を越える光は、１０倍用の対物レンズなどの観察光学系でケラレてしまう。このため、ＮＡ０．４以内の光で観察像が形成される。従って、ＮＡ０．４を超える光（ＮＡ０．７の光やＮＡ０．９５の光など）に起因する領域Ａ１内における照明の不均一は、観察されない。

２０倍で標本を観察する場合について考える。観察対象範囲である領域Ａ２に入射した光のうちＮＡ０．７を越える光は、２０倍用の対物レンズなどの観察光学系でケラレてしまう。このため、領域Ａ２を均一に照明しているＮＡ０．７以内の光（ＮＡ０．４の光、ＮＡ０．７の光など）で観察像が形成される。従って、ＮＡ０．７を超える光（ＮＡ０．９５の光など）に起因する領域Ａ２内における照明の不均一は、観察されない。

４０倍で標本を観察する場合について考える。観察対象範囲である領域Ａ３に入射する光は、屈折面ＲＳで屈折した領域Ａ１を均一に照明するＮＡ０．４以内の光、屈折面ＲＳ２で屈折した照明される領域Ａ２を均一に照明するＮＡ０．７以内の光、屈折面ＲＳ３で屈折したＡ３を均一に照明するＮＡ０．７を越える光である。従って、領域Ａ３は、これらの光によって均一に照明されるため、照明の不均一は観察されない。
このように、本実施例では、いずれの観察倍率であっても照明の不均一が観察されない、広い観察倍率に対応した照明が実現される。

なお、本実施例に係る照明光学系及び照明装置は、図８に示すように、照明光学素子８の前側（入射側）に、照明光学素子８に入射する光の光束径を可変するための可変絞り９を備えてもよい。可変絞り９は、照明光学素子８の近傍に配置されることが望ましい。可変絞り９で照明光学素子８に入射する光の光束径を可変すると、照明光学素子８から出射する光の開口数が変化するため、可変絞り９は、開口絞りとして機能する。可変絞り９は、例えば、開口数を抑えて標本像のコントラストを改善する場合などに使用され得る。

図９は、本実施例に係る照明装置２０の構成を例示した図である。照明装置２０は、照明光学系１０ａ（コレクタレンズ２及び照明光学素子３）の代わりに、照明光学素子２１を備えている点が、実施例１に係る照明装置１０と異なっている。なお、本実施例では、照明光学素子２１は、光源１からの光を標本面ＳＰの領域Ａ１に面状に照射する照明光学系として機能する。

照明光学素子２１は、光源側の光学面である光学面Ｓ２が、フレネル面として形成されている点が、実施例１に係る照明光学素子３とは異なっている。その他の点については、照明光学素子３と同様である。

照明装置２０では、照明光学素子２１に入射した光は、フレネル面である光学面Ｓ２で平行光束に変換されて、光学面Ｓ１に入射する。つまり、光学面Ｓ２が照明装置１０のコレクタレンズ２と同様に機能する。

本実施例によっても、実施例１と同様に、光源１の配光特性に起因する照明の不均一を、従来に比べて少ない光学素子で容易に抑制することができる。さらに、本実施例によれば、コレクタレンズ２も省略することができるため、実施例１よりも少ない光学素子で照明の不均一を抑制することができる。このため、照明光学系及び照明装置全体をより安価且つコンパクトに製造することが可能となる。

図１０は、本実施例に係る顕微鏡３０の構成を例示した図である。顕微鏡３０は、図示しない観察光学系を備える点、並びに、照明光学素子３と標本面ＳＰの間に、照明光学素子３側から順に、視野絞り３１、視野絞り投影レンズ（以降、ＦＳ投影レンズと記す）３２、ダイクロイックミラー３３、及び、対物レンズ３４を備える点が、実施例１に係る照明装置１０と異なっている。なお、顕微鏡３０は、図１０に図示される構成によって標本を照明する機能を有するという点において、照明装置である。また、本実施例では、コレクタレンズ２、照明光学素子３、視野絞り３１、ＦＳ投影レンズ３２、ダイクロイックミラー３３、及び、対物レンズ３４が、光源１からの光を標本面ＳＰの領域に面状に照射する照明光学系３０ａとして機能する。

視野絞り３１は、標本面ＳＰと光学的に共役な面に配置された径を可変することができる可変絞りである。ＦＳ投影レンズ３２と対物レンズ３４によって、視野絞り３１と標本面ＳＰの共役関係が形成されている。視野絞り３１の径を可変することで、光源１からの光が照射される標本面ＳＰ上の領域の大きさを変更することができる。ダイクロイックミラー３３は、照明光路と観察光路を分岐させる光学素子である。ダイクロイックミラー３３の代わりにハーフミラーが用いられてもよい。

顕微鏡３０では、照明光学素子３は、標本面ＳＰに光を直接照射するのではなく、標本面ＳＰと光学的に共役な面に配置された視野絞り３１に光を照射する。即ち、視野絞り３１が配置された標本面ＳＰと光学的に共役な面は、照明光学素子３にとって被照明面である。

本実施例によっても、実施例１と同様に、光源１の配光特性に起因する照明の不均一を、従来に比べて少ない光学素子で容易に抑制することができる。さらに、本実施例によれば、被照明面（視野絞り３１の面）が拡大又は縮小されて標本面ＳＰに投影されるため、標本面ＳＰ上での照明領域の大きさを照明光学素子３の屈折面ＲＳのピッチＰとは異なる大きさにすることができる。

なお、図１０では、照明光学素子３が顕微鏡３０の落射照明手段を構成する例を示したが、照明光学素子３は、コンデンサレンズを介して標本面ＳＰを照明する透過透明手段を構成してもよい。

図１１は、本実施例に係る顕微鏡４０の構成を例示した図である。図１２は、顕微鏡４０における照明光学素子３、凹レンズ４１、視野絞り４３の位置関係を説明するための図である。顕微鏡４０は、図示しない観察光学系を備える点、並びに、照明光学素子３と標本面ＳＰの間に、照明光学素子３側から順に、凹レンズ４１、開口絞り４２、視野絞り４３、ＦＳ投影レンズ４４、及び、対物レンズ４５を備える点が、実施例１に係る照明装置１０と異なっている。顕微鏡４０は、標本を照明する機能を有するという点において、照明装置である。また、本実施例では、コレクタレンズ２、照明光学素子３、凹レンズ４１、開口絞り４２、視野絞り４３、ＦＳ投影レンズ４４、及び、対物レンズ４５が、光源１からの光を標本面ＳＰの領域に面状に照射する照明光学系４０ａとして機能する。

視野絞り４３、ＦＳ投影レンズ４４、対物レンズ４５は、それぞれ顕微鏡３０における視野絞り３１、ＦＳ投影レンズ３２、対物レンズ３４に相当する。即ち、顕微鏡４０では、ＦＳ投影レンズ４４と対物レンズ４５によって、視野絞り４３と標本面ＳＰの共役関係が形成されている。

実施例４に係る顕微鏡３０では、照明光学素子３は視野絞り３１に光を直接に照射する。このため、視野絞り３１によって標本面ＳＰの照明領域の大きさを可変するためには、照明光学素子３の屈折面ＲＳのピッチＰは少なくとも視野絞り３１の径程度の大きさを有する必要がある。しかしながら、ピッチＰを大きくすることは、照明光学素子３の大型化を招きやすい。また、屈折面ＲＳの数を減らすことで照明光学素子３のサイズを変えることなくピッチを大きくすることができるが、そのような構成は、照明を均一化する効果を弱めてしまう可能性がある。

本実施例は、この点に着目したものであり、照明光学素子３の屈折面ＲＳで屈折した光束の径を凹レンズ４１で拡大し、径が拡大された光束を視野絞り４３に照射する、というものである。

図１２に示されるように、照明光学系４０ａ及び顕微鏡４０では、凹レンズ４１がない状態で照明光学素子３からの複数の光束が重なる面４６（被照明面）上に凹レンズ４１によって視野絞り４３の虚像が形成されるように、凹レンズ４１が配置される。これにより、標本面ＳＰ、視野絞り４３、面４６が互いに光学的に共役な位置関係を有する。このため、照明光学素子３のピッチＰを視野絞り４３の虚像（縮小像）の大きさ程度にすることで、照明の不均一を抑制する機能を低下させることなく、視野絞り４３に視野絞り４３の径程度の光束径の光を入射させることができる。

本実施例によっても、実施例１と同様に、光源１の配光特性に起因する照明の不均一を、従来に比べて少ない光学素子で容易に抑制することができる。また、本実施例によっても、実施例４と同様に、被照明面が拡大又は縮小されて標本面ＳＰに投影されるため、標本面ＳＰ上での照明領域の大きさを照明光学素子３の屈折面ＲＳのピッチＰとは異なる大きさにすることができる。さらに、本実施例によれば、照明光学素子３のピッチＰを視野絞り４３の虚像程度の大きさにすればよいので。照明光学素子３の大型化を防止しつつ、上記の効果を得ることができる。

なお、照明光学系４０ａ及び顕微鏡４０では、凹レンズ４１の設計によって瞳位置を変化する。このため、凹レンズ４１によって瞳位置を所望の位置に形成することができるため、ＦＳ投影レンズを備えた従来の落射投光管との接続が容易になる。また、凹レンズ４１の設計によって標本面ＳＰ側のテレセントリック性を変化させることができる。この点も、従来の落射投光管との接続に有利である。

図１３は、本実施例に係るプロジェクタ５０の構成を例示した図である。プロジェクタ５０は、いわゆる液晶プロジェクタであり、照明光を出射する光源１と、コレクタレンズ２と、照明光学素子３と、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）５１と、ＬＣＤ５１を制御する制御部５２と、ＬＣＤ５１をスクリーン６０に投影する投影レンズ５３と、を備える。なお、プロジェクタ５０は、スクリーン６０を照明する機能を有するという点において、照明装置である。また、本実施例では、コレクタレンズ２、照明光学素子３、ＬＣＤ５１、及び、投影レンズ５３が、光源１からの光を標本面ＳＰの領域に面状に照射する照明光学系５０ａとして機能する。

プロジェクタ５０では、映像信号を受信した制御部５２がその映像信号に従ってＬＣＤ５１の各画素を制御することで、スクリーン６０にＬＣＤ５１の状態に応じた映像が投影される。

ＬＣＤを有する液晶プロジェクタでは、一般に、ＬＣＤが均一に照明されることが望ましい。本実施例によれば、ＬＣＤ５１を照明光学素子３で分割された光束が重なる位置に配置することで、光源１の配光特性に起因する照明の不均一を抑制して、ＬＣＤ５１を均一に照明することができる。また、少ない光学素子で照明の不均一を抑制することができるため、照明光学系５０ａ及びプロジェクタ５０を小型化することができる。

図１４は、本実施例に係るプロジェクタ７０の構成を例示した図である。プロジェクタ７０は、ＬＣＤ５１、制御部５２、投影レンズ５３の代わりに、ミラー７１、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ、商標）７２、制御部７３、投影レンズ７４を備えている点が、プロジェクタ５０とは異なっている。プロジェクタ７０は、いわゆるＤＬＰプロジェクタである。なお、プロジェクタ７０は、スクリーン６０を照明する機能を有するという点において、照明装置である。また、本実施例では、コレクタレンズ２、照明光学素子３、ミラー７１、ＤＭＤ７２、及び、投影レンズ７４が、光源１からの光を標本面ＳＰの領域に面状に照射する照明光学系７０ａとして機能する。

プロジェクタ７０では、映像信号を受信した制御部７３がその映像信号に従ってＤＭＤ７２の各ミラーを制御することで、スクリーン６０にＤＭＤ７２の状態に応じた映像が投影される。

ＤＭＤを有するＤＬＰプロジェクタでは、一般に、ＤＭＤが均一に照明されることが望ましい。本実施例によれば、ＤＭＤ７２を照明光学素子３で分割された光束が重なる位置に配置することで、光源１の配光特性に起因する照明の不均一を抑制して、ＤＭＤ７２を均一に照明することができる。また、少ない光学素子で照明の不均一を抑制することができるため、照明光学系７０ａ及びプロジェクタ７０を小型化することができる。

図１５は、本実施例に係るステッパー８０の構成を例示した図である。ステッパー８０は、照明光を出射する光源１と、コレクタレンズ２と、照明光学素子３と、視野絞り８１と、コンデンサレンズ８２と、ミラー８３と、コンデンサレンズ８４と、レチクル８５と、投影光学系８６とを備えている。なお、ステッパー８０は、レチクル８５を照明し、レチクル８５のパターンをウェハＷに投影する照明装置である。また、本実施例では、コレクタレンズ２、照明光学素子３、視野絞り８１と、コンデンサレンズ８２、ミラー８３、及び、コンデンサレンズ８４が、光源１からの光をレチクル８５の領域に面状に照射する照明光学系として機能する。

視野絞り８１は、レチクル８５と光学的に共役な面に配置された可変絞りである。コンデンサレンズ８２とコンデンサレンズ８４によって、視野絞り８１とレチクル８５の共役関係が形成されている。視野絞り８１の径を可変することで、光源１からの光が照射されるレチクル８５上の領域の大きさを変更することができる。投影光学系８６は、レチクル８５に形成されたパターンをウェハＷ上に投影する。

ステッパー８０では、レチクル８５が均一に投影されることでレチクル８５に形成されたパターンを正しく投影することができる。本実施例によれば、視野絞り８１を照明光学素子３で分割された光束が重なる位置に配置することで、光源１の配光特性に起因する照明の不均一を抑制して、レチクル８５を均一に照明することができる。また、少ない光学素子で照明の不均一を抑制することができる。

図１６は、レーザに起因する照明の不均一を抑制する方法について説明するための図である。レーザが出射するレーザ光はガウス分布を有しているため、レーザ光をそのまま照射すると、被照明面は均一に照明されない。このようなレーザに起因する照明の不均一は、図１６に示すように、レーザ光の光路中に照明光学素子３を配置することで抑制することができる。

ただし、照明光学素子３から出射したレーザ光は、入射時に比べて大きなＮＡを有することになる。レーザ光が有するＮＡをできる限り抑えるためには、照明光学素子３は面Ｐ１までの距離ΔＬが長くなるように設計された屈折面ＲＳを有することが望ましい。さらに、リレーレンズ９０で面Ｐ１を拡大して面Ｐ２に投影することで、照明領域の大きさを広げることができる。そして、照明範囲の拡大に伴って、レーザ光のＮＡも更に小さくすることができる。

図１７は、本実施例に係るレーザ顕微鏡１００の構成を例示した図である。レーザ顕微鏡１００は、上述したようなレーザ光で広い範囲を均一に照明する構成を備えたディスクスキャン型のレーザ顕微鏡である。

レーザ顕微鏡１００は、レーザ１０１と、面Ｐ１を面状に照明する照明光学素子３と、面Ｐ１を回転ディスク１１０のディスク表面１１１に拡大して投影するリレーレンズ９０と、レーザ光を反射させ標本面ＳＰから生じた蛍光を透過させるダイクロイックミラー１０２と、走査手段である回転ディスク１１０と、結像レンズ１０３と、対物レンズ１０４と、集光レンズ１０５と、ＣＣＤ１０６と、を備えている。また、本実施例では、照明光学素子３、リレーレンズ９０、ダイクロイックミラー１０２、回転ディスク１１０、結像レンズ１０３、及び、対物レンズ１０４が、レーザ１０１からの光を標本ＳＰの領域に面状に照射する照明光学系として機能する。

回転ディスク１１０は、ピンホールやスリットなどが形成された光を透過する領域（透過領域）を有し、回転により透過領域の位置が変化するように構成された走査手段である。回転ディスク１１０は、ディスク表面１１１（面Ｐ２）が標本面ＳＰ、面Ｐ１、及び、ＣＣＤ１０６の受光面と光学的に共役な位置関係を有するように、配置されている。

レーザ顕微鏡１００によれば、ディスク表面１１１の広い範囲をガウス分布よりも均一な分布を有するレーザ光で面状に照明することができる。このため、回転ディスク１１０の回転により、標本面ＳＰを均一な強度のレーザ光で走査することができる。また、従来の装置では、ガウス分布に起因する照明の不均一を抑制するために、ガウス分布のピーク近傍のみが照明に利用される。これに対してレーザ顕微鏡１００では、レーザ１０１から出射したレーザ光を無駄なく照明に利用することができる。

上述した各実施例は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。照明光学系、照明装置、及び照明光学素子は、特許請求の範囲により規定される本発明の思想を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。この明細書で説明される個別の実施例の文脈におけるいくつかの特徴を組み合わせて単一の実施例としてもよい。

なお、照明光学素子３に入射する光が平行光束である例を示したが、照明光学素子３に入射する光束は、完全な平行光束でなくてもよい。照明光学素子３に入射する光が光軸ＡＸと直交する方向に一定ではない光量を有している場合には、その光を分割して重ね合わせることで分布を平均化する効果が期待できる。

１ 光源
１ａ 光源像
２ コレクタレンズ
３、６、７、８、２１ 照明光学素子
４ フライアイレンズ
５、８２、８４ コンデンサレンズ
９ 可変絞り
１０、２０ 照明装置
１０ａ、４０ａ、５０ａ 照明光学系
３０、４０ 顕微鏡
３１、４３、８１ 視野絞り
３２、４４ ＦＳ投影レンズ
３３、１０２ ダイクロイックミラー
３４、４５、１０４ 対物レンズ
４１ 凹レンズ
４２ 開口絞り
５０、７０ プロジェクタ
５１ ＬＣＤ
５２、７３ 制御部
５３、７４ 投影レンズ
６０ スクリーン
７１、８３ ミラー
７２ ＤＭＤ
８０ ステッパー
８５ レチクル
８６ 投影光学系
９０ リレーレンズ
１００ レーザ顕微鏡
１０１ レーザ
１０３ 結像レンズ
１０５ 集光レンズ
１０６ ＣＣＤ
１１０ 回転ディスク
１１１ ディスク表面
ＳＰ 標本面
Ｓ１、Ｓ２ 光学面
ＡＸ 光軸
Ａ１、Ａ２、Ａ３ 領域
Ｗ ウェハ
Ｐ１、Ｐ２ 面
ＲＳ、ＲＳ２、ＲＳ３ 屈折面

Claims (10)

1. 被照明面の所定領域に光を面状に照射する照明光学素子を備えた照明光学系であって、
   前記照明光学素子は、前記被照明面に向けられる光学面を有し、
   前記光学面は、光軸に直交する直交方向に、それぞれ光を前記所定領域に向けて屈折させる、前記所定領域によって定まる一定のピッチで形成された複数の屈折面を有する
   ことを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１に記載の照明光学系において、
   前記複数の屈折面は、前記光軸に沿った断面において、前記光軸となす角度が異なる直線形状を有し、
   前記光軸に近い屈折面ほど、前記光軸に沿った断面において、前記光軸と大きな角度をなす
   ことを特徴とする照明光学系。
3. 請求項１または請求項２に記載の照明光学系において、
   前記光学面は、さらに、前記複数の屈折面よりも前記直交方向に前記光軸から離れた位置に、それぞれ光を前記所定領域の一部に向けて屈折させる複数の第２の屈折面を有する
   ことを特徴とする照明光学系。
4. 請求項３に記載の照明光学系において、
   前記複数の第２の屈折面は、前記光軸に沿った前記断面において、前記光軸と異なる角度をなす直線形状を有し、
   前記光軸に近い第２の屈折面ほど、前記光軸に沿った前記断面において、前記光軸と大きな角度をなす
   ことを特徴とする照明光学系。
5. 請求項３又は請求項４に記載の照明光学系において、
   前記複数の第２の屈折面は、前記直交方向に、前記複数の屈折面が形成されるピッチよりも短い一定のピッチで形成される
   ことを特徴とする照明光学系。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の照明光学系において、
   前記照明光学素子は、前記光学面とは反対側に、第２の光学面を有し、
   前記第２の光学面は、フレネル面である
   ことを特徴とする照明光学系。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の照明光学系において、
   前記複数の屈折面の各々の前記直交方向の幅は、前記所定領域の前記直交方向の幅に等しい
   ことを特徴とする照明光学系。
8. 請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の照明光学系において、さらに、
   前記照明光学系に入射する光の光束径を可変する可変絞りを備える
   ことを特徴とする照明光学系。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の照明光学系を備える
   ことを特徴とする照明装置。
10. 被照明面の所定領域に光を面状に照射する照明光学素子であって、
    前記被照明面に向けられる光学面を有し、
    前記光学面は、光軸に直交する直交方向に、それぞれ光を前記所定領域に向けて屈折させる前記直交方向に、前記所定領域によって定まる一定のピッチで形成される複数の屈折面を有する
    ことを特徴とする照明光学素子。
    

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