JP2022055379A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の均一性を保持しながら、連続的に照度又は色を変更することができる照明装置を提供する。【解決手段】光源部１２と、該光源部１２からの光を均一化する第１の均一化光学系部１４と、該第１の均一化光学系部１４からの光をリレーするリレー光学系部１６と、該リレー光学系部１６からの光をさらに均一化する第２の均一化光学系部１８と、該第２の均一化光学系部１８からの光を照射対象面Ｆに照射する投影光学系部２０と、を備え、該第１の均一化光学系部１４よりも光源部１２側に配置されて光の照度又は色を変更させる変更光学部材５２、７２と、該変更光学部材５２，７２を光路中に進退移動させる移動機構５４、７４と、を有し、該変更光学部材５２、７２の光路中への挿入量ｄを連続的に変化させることにより投影光学系部２０から照射される光の照度又は色を連続的に変更させうる連続可変手段２２が設けられた照明装置１０から構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、固体撮像素子等の光学デバイスのテストや、顕微鏡、プロジェクタ、その他種々の照明光源として利用可能な照明装置に関する。

ＣＣＤやＣＭＯＳ等の半導体の集積回路で設けられる固体撮像素子（イメージセンサ）は、光を電気信号に変換する特性を利用して、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、携帯電話、自動車の先進運転支援システム等の各種センサ、その他種々の産業機器等に広く活用されている。固体撮像素子は、ウエハ完成後や製品出荷前にその光電特性が正常か否かの検査が必要であるが、固体撮像素子の検査を行うための照明光を照射する照明装置が種々開発されている（例えば、特許文献１参照）。従来の照明装置は、光源と、光源からの光を照度分布の均一な光として生成する多数のレンズやフィルタを有した照明光学系と該照明光学系を通過した照明光を検査対象の固体撮像素子に対して投影する投影光学系とを含む光学系と、を有しており、検査対象の固体撮像素子の受光面に均一な照明光を照射するようになっている。一方、種々の照明装置では、目的の条件に応じて照射する光の色や明るさ（照度）などを調整するために、色変換フィルタや減光フィルタ（ＮＤフィルタ）等の様々な光学フィルタが利用されている。例えば、従来のＮＤフィルタは、所定の光学濃度で形成されて光の透過率が５０％、２５％、１２．５％・・・等に段階的に設定されており、目的に応じた光学濃度値のものが選択されて、照明装置の光路中に配置されて照度調整が行われている。ＮＤフィルタは、可視光領域で透過する光の色を変化させずに、かつ均一的な透過率で光量を減少させるようになっており、照度の調整にはよく利用されている。

特許第５１８１１７４号公報

上記のように固体撮像素子は様々な分野で広く活用されていることから、製品出荷前等に行われる光学テストにおいても様々な光学条件下でのテストが要求されている。例えば、光の明暗の変化すなわち照度の変更に対応して固体撮像素子が正常に機能するかどうかのテストを行う際には、照明装置の光の照度を調整するために特定の光学濃度を持つＮＤフィルタが利用されていた。しかしながら、従来のＮＤフィルタは、それぞれ所定の光学濃度で形成されて透過率が一定値に形成されていることから、ＮＤフィルタを交換することにより光の透過率を５０％、２５％、１２．５％・・・等の段階的にしか変更することができないため、照度を連続的に変更したり微調整したりすることは困難ないし不可能であり、正確な固体撮像素子の光学テストを行うことができなかった。また、例えば、ＮＤフィルタと絞りの開口の大きさを変更できる可変絞りとを組み合わせることにより光の照度を連続的に変更する方法も知られている。この可変絞りを利用する方法の場合には、絞りの開口の大きさを変化させるにしたがって該絞りの開口から入射しうる光の角度も変化することとなる結果、光の均一性が変化し、特に絞りの開口を小さくした際に照度むらを生じさせて均一性が悪化してしまい、正確な固体撮像素子の光学テストを行えない問題があった。また、例えば、一枚のフィルタで直線状又は円形状に連続的に光学濃度を変化させた楔型や長方形状又は円形状の光学濃度連続可変型フィルタも知られている。しかしながら、従来の光学濃度連続可変型フィルタでは、該フィルタを直線的に移動させたり回転させたりすることにより光を透過させる位置の光学濃度を変更させて、連続的に照度を変換させることができる反面、照度変化に伴って光の色の変化も生じてしまい、正確な固体撮像素子の光学テストを行えない問題があった。さらに、光の色を補正するために色変換フィルタの利用が考えられるが、従来の色変換フィルタでは一枚ごとに色が固定されて形成されているため、非常に多数の色変換フィルタを用意する必要があり高コストで煩雑化するとともに、色の微調整が困難であり正確な光学テストを実現しえない問題があった。

本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、その一つの目的は、光の均一性を保持しながら、連続的に照度又は色を変更することができる照明装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、光源部１２と、該光源部１２からの光を均一化する第１の均一化光学系部１４と、該第１の均一化光学系部１４からの光をリレーするリレー光学系部１６と、該リレー光学系部１６からの光をさらに均一化する第２の均一化光学系部１８と、該第２の均一化光学系部１８からの光を照射対象面Ｆに照射する投影光学系部２０と、を備え、該第１の均一化光学系部１４よりも光源部１２側に配置されて光の照度又は色を変更させる変更光学部材５２、７２と、該変更光学部材５２，７２を光路中に進退移動させる移動機構５４、７４と、を有し、該変更光学部材５２、７２の光路中への挿入量ｄを連続的に変化させることにより投影光学系部２０から照射される光の照度又は色を連続的に変更させうる連続可変手段２２（４８、５０）が設けられた照明装置１０から構成される。

また、変更光学部材５２は、所定の透過率で光を透過する拡散板を含むこととしてもよい。

また、変更光学部材７２は、所定の色温度に変換する色変換フィルタを含むこととしてもよい。

また、連続可変手段２２は、並設された複数の変更光学部材５２、７２を有し、移動機構５４、７４は、複数の変更光学部材５２、７２をそれぞれ独立して進退移動するように設けられたこととしてもよい。

また、連続可変手段２２は、照度を変更させる照度変更光学部材５２と、色を変更させる色変更光学部材７２と、が並設され、移動機構は、照度変更光学部材５２を進退移動させる第１移動装置５４と、色変更光学部材７２を進退移動させる第２移動装置７４と、を有することとしてもよい。

また、移動機構５４、７４は、変更光学部材５２、７２を光軸Ｘに対して直交する方向に直線移動させる直線往復運動装置５６を有することとしてもよい。

また、第１の均一化光学系部１４及び第２の均一化光学系部１８は、それぞれロッドインテグレータ３０、３２を含むこととしてもよい。

また、第１均一化光学系部１４と第２の均一化光学系部１８の少なくともいずれか一方は、フライアイレンズインテグレータを含むこととしてもよい。

また、第２の均一化光学系部１８と投影光学系部２０との間の位置に、該第２の均一化光学系部１８からの光をさらに均一化する他の均一化光学系部９４が配置されたこととしてもよい。

また、変更光学部材５２、７２の光路中への挿入量ｄと、該挿入量ｄに対応して投影光学系部２０から照射される光の照射対象面Ｆでの照度又は色温度と、の関係を予め記憶したデータベース８２、９０と、該データベース８２、９０を利用して該変更光学部材の挿入量を制御する制御手段８０、８８と、を含むこととしてもよい。

本発明の照明装置によれば、光源部と、該光源部からの光を均一化する第１の均一化光学系部と、該第１の均一化光学系部からの光をリレーするリレー光学系部と、該リレー光学系部からの光をさらに均一化する第２の均一化光学系部と、該第２の均一化光学系部からの光を照射対象面に照射する投影光学系部と、を備え、該第１の均一化光学系部よりも光源部側に配置されて光の照度又は色を変更させる変更光学部材と、該変更光学部材を光路中に進退移動させる移動機構と、を有し、該変更光学部材の光路中への挿入量を連続的に変化させることにより投影光学系部から照射される光の照度又は色を連続的に変更させうる連続可変手段が設けられたことから、照射する光の均一性を保持しながら、照度又は色を連続的に変更させることができる。

また、変更光学部材は、所定の透過率で光を透過する拡散板を含む構成とすることにより、光の色の変化をほとんど伴わずに連続的にかつ高分解能にて光の照度を変更させることができ、目的の光条件での照明を実現できる。

また、変更光学部材は、所定の色温度に変換する色変換フィルタを含む構成とすることにより、変更光学部材の光路中への挿入量を変化させて光の色温度を連続的に変化させることができる。また、例えば、光源やレンズの種類や個体差、劣化等により光の色温度が異なる場合でも色の微調整を行うことができ、目的の光条件での照明を実現できる。

また、連続可変手段は、並設された複数の変更光学部材を有し、移動機構は、複数の変更光学部材をそれぞれ独立して進退移動するように設けられた構成とすることにより、複数の変更光学部材の組み合わせにより、より正確に光の照度や色を変更することができる。

また、連続可変手段は、照度を変更させる照度変更光学部材と、色を変更させる色変更光学部材と、が並設され、移動機構は、照度変更光学部材を進退移動させる第１移動装置と、色変更光学部材を進退移動させる第２移動装置と、を有する構成とすることにより、均一性を高く保持しながら、照度の連続可変を高分解能にて実現できるとともに、分光特性分布も連続可変でかつ色温度の微調整を実現できる。

また、移動機構は、変更光学部材を光軸に対して直交する方向に直線移動させる直線往復運動装置を有する構成とすることにより、移動機構を簡単な構造で具体的に実現でき、低コストで照明装置を製造することができる。

また、第１の均一化光学系部及び第２の均一化光学系部は、それぞれロッドインテグレータを含む構成とすることにより、変更光学部材の光路中への挿入量にかかわらず光の均一性を高く保持できる照明装置の構造を具体的に実現できる。

また、第１均一化光学系部と第２の均一化光学系部の少なくともいずれか一方は、フライアイレンズインテグレータを含む構成とすることにより、変更光学部材の光路中への挿入量にかかわらず光の均一性を高く保持できる照明装置の構造を具体的に実現できる。

また、第２の均一化光学系部と投影光学系部との間の位置に、該第２の均一化光学系部からの光をさらに均一化する他の均一化光学系部が配置された構成とすることにより、均一性が高い光を生成できるとともに、均一性を良好に保持しながら連続的に照度又は色を変更することができる。

また、変更光学部材の光路中への挿入量と、該挿入量に対応して投影光学系部から照射される光の照射対象面での照度又は色温度と、の関係を予め記憶したデータベースと、該データベースを利用して該変更光学部材の挿入量を制御する制御手段と、を含む構成とすることにより、簡便かつ正確に、照度の調整又は色の調整を行うことができる。その結果、目的に応じた光学条件で正確に照射できる照明装置を実現できる。

本発明の第１の実施形態に係る照明装置の概略説明図である。 図１の照明装置のＡ－Ａ線矢視図である。 図１の照明装置の連続可変手段周辺の一部拡大図である。 図１の照明装置の連続可変手段の説明図である。 図４の照明装置のＢ－Ｂ線断面図である。 図１の照明装置の変更光学部材の作用説明図である。 （ａ）は図１の照明装置の照度変更光学部材の挿入量と透過率との関係を示すグラフ、（ｂ）は色変更光学部材の挿入量とフィルタの変換能力の関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る照明装置の概略説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る照明装置の概略説明図である。

以下添付図面を参照しつつ本発明の照明装置の実施形態について説明する。本発明に係る照明装置は、例えば、固体撮像素子であるイメージセンサ等の光学デバイスをテストための照明光や顕微鏡、プロジェクタ、その他種々の照明光に利用することができ、照度の調整又は色の調整を連続的に行うことができる照明装置である。図１ないし図７は、本発明の照明装置の第１の実施形態を示している。図１に示すように、本実施形態に係る照明装置１０は、光源部１２と、第１の均一化光学系部１４と、リレー光学系部１６と、第２の均一化光学系部１８と、光を照射対象部に照射する投影光学系部２０と、光の照度又は色を変更しうる連続可変手段２２と、を備える。本実施形態では、照明装置１０は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子であるイメージセンサの光学テストに利用される光学テスト用照明装置の態様で説明する。

光源部１２は、例えば、ハロゲンランプやキセノンランプ等のランプ光源、又は発光ダイオード、もしくはその両方を組み合わせて設けられている。本実施形態では、光源部１２は、例えば、横方向（図１上、右方向）に向けて光を照射し、光を均一化して照射対象面Ｆに向けて平行光を照射するように複数のレンズ等の光学要素を組み合わせて構成された光学系２４に光を入射する。光学系２４は、例えば、コレクタレンズ２６と、第１の均一化光学系部１４と、リレー光学系部１６と、第２の均一化光学系部１８と、他のリレー光学系部２８と、投影光学系部２０と、から構成されており、図示しない遮光性の筐体内に収容されている。コレクタレンズ２６は、光源部１２からの光を集めて第１の均一化光学系部１４に光を入射する。なお、本実施形態では、コレクタレンズ２６からの光は、後述のようにターレット部３８を通って第１の均一化光学系部１４に入射される。

第１の均一化光学系部１４は、光源部１２からの光を均一化する光均一化手段である。本実施形態では、第１の均一化光学系部１４は、例えば、周知のロッドインテグレータを含む。図１に示すように、第１の均一化光学系部１４は、例えば、一方に長い柱状に設けられ両端面を光の入出射面とし、かつ断面形状が四角形状や六角形状等の対向する側面が互いに平行な面となる形状に設けられた第１ロッドインテグレータ３０からなる。第１ロッドインテグレータ３０は、光源部１２からコレクタレンズ２６を介して入口面に入射された光を、ロッド側面で全反射を繰り返すことによって出口面での照度分布の均一性が高い光として出射する。すなわち、第１の均一化光学系部１４は、その第１ロッドインテグレータ３０の出口面での入口面物体像の均一性を向上させている。なお、第１の均一化光学系部１４は、ロッドインテグレータに替えてフライアイレンズインテグレータを含む構成とすることとしてもよい。

リレー光学系部１６は、第１の均一化光学系部１４のからの光を第２の均一化光学系部１８に結像させるように光束をリレーするリレー手段である。本実施形態では、リレー光学系部１６は、１つ又は複数（例えば、２つ）のレンズを組み合わせて構成されている。リレー光学系部１６は、その前側焦点位置が第１の均一化光学系部１４の第１ロッドインテグレータ３０の出口面に設定されるとともに、その後側焦点位置が後述の第２の均一化光学系部の第２ロッドインテグレータ３２の入口面に設定されるように設けられている。これにより、第１ロッドインテグレータ３０の出口面の物体像は、第２ロッドインテグレータ３２の入口面に入射するときに瞳像に変換される。

第２の均一化光学系部１８は、リレー光学系部１６からの光をさらに均一化する第２の光均一化手段である。本実施形態では、第２の均一化光学系部１８は、第１の均一化光学系部１６と同様の構成のロッドインテグレータからなり、第２の均一化光学系部１８は、例えば、一方に長い柱状に設けられ両端面を光の入出射面とし、かつ断面形状が四角形状や六角形状等の対向する側面が互いに平行な面となる形状に設けられた第２ロッドインテグレータ３２からなる。第２ロッドインテグレータ３２は、リレー光学系部１６から入口面に入射された光を、ロッド側面で全反射を繰り返すことによって出口面での照度分布の均一性が高い光として出射することとなる。すなわち第２インテグレータ３２の入口面では物体像の均一性はそのままであるが、出口面では物体像はさらに均一化されることとなる。すなわち、第２の均一化光学系部１８は、その出口の光束は、物体像及び瞳像の両方の均一性を向上させていることとなる。これにより、第１の均一化光学系部１４よりも光源部１２側の位置で、物体像や瞳像の構成が変化しても、第２の均一化光学系部１８の出口での均一性が変化しない光学系２４となる。その結果、第１の均一化光学系部１４の光の入口よりも光源部１２側の位置において、光源部１２からの光束の一部分に後述の変更光学部材５２，７２を挿入しても該変更光学部材５２，７２の挿入量ｄに関わらず、第２の均一化光学系部１８の光の出口では、光の均一性には影響しないようになっている。なお、第２の均一化光学系部１８は、ロッドインテグレータに替えてフライアイレンズインテグレータで構成することとしてもよい。また、例えば、第１の均一化光学系部１４と第２の均一化光学系部１８の両方をそれぞれフライアイレンズインテグレータで構成することとしてもよい。

他のリレー光学系部２８は、第２の均一化光学系部１８で均一化された光を投影光学系部２０にリレーする。他のリレー光学系部２８は、複数のレンズを組み合わせて構成されているとともに、光源部１２からの光軸Ｘを下方向に折り曲げるミラー３４を有しており、第２の均一化光学系部１８の第２ロッドインテグレータ３２の出口像を投影光学系部２０に結像させる。

投影光学系部２０は、鏡筒内に複数の投影レンズ系が収容されており、第２の均一化光学系部１８からの均一性が高い光を外部への照射光として照射対象面Ｆに向けて照射する。投影光学系部２０から照射された照射光の照射対象面Ｆに、検査対象のイメージセンサが設置されて、該イメージセンサの光電特性検査等の光学テストを行えるようになっている。なお、光学系２４の構成は、上記の構成に限らず、例えば、上述の各光学系部の他に種々のレンズ、フィルタ等の光学素子を有することとしてもよい。

本実施形態では、図１、図２に示すように、光源部１２からの光を集めるコレクタレンズ２６と第１の均一化光学系部１４との間には、第１の均一化光学系部１４へ入射する光の量を調整するターレット部３８が配置されている。このターレット部３８は、例えば、複数の開口部４２０～４２５が設けられるとともに、該開口部に光学フィルタが設置されたターレット３６からなる。具体的には、ターレット部３８は、例えば、回転軸４０を中心に回転する回転円盤に６個の開口部４２０～４２５が中心軸回りに等間隔で設けられている。１つの開口部４２０を除く５個の開口部４２１～４２５には、光学濃度が異なるＮＤフィルタ４４１～４４５が設置されている。５個のＮＤフィルタは、例えば、第１ＮＤフィルタ４４１が光学濃度ＯＤ＝０．３（光の透過率が５０％）、第２ＮＤフィルタ４４２が光学濃度ＯＤ＝０．６（光の透過率が２５％）、第３ＮＤフィルタ４４３が光学濃度ＯＤ＝０．９（光の透過率が１２．５％）、第４ＮＤフィルタ４４４が光学濃度ＯＤ＝１．３（光の透過率が５％）、第５ＮＤフィルタ４４５が光学濃度ＯＤ＝１．７（光の透過率が２％）に設定されている。ＮＤフィルタが設置されない開口部４２０は光学濃度ＯＤ＝０（光の透過率が１００％）となる。例えば、回転軸４０には、ターレット３６を回転させる電動モータ４６が取り付けられている。電動モータ４６を介してターレット３６を回転軸周りに回転することで、光路中に配置されるＮＤフィルタ４４１～４４５を選択的に変更させて、ターレット部３８を通る光の照度を段階的に変更することができる。なお、ターレットを複数個設けることとしてもよい。例えば、照度を変更できるターレットと色を変更できるターレットを並設することとしてもよい。また、ターレット部３８を設置しない構成としてもよく、コレクタレンズ２６からの光をそのまま第１の均一化光学系部１４に入射したり、所定の径の開口を通して光を制限して第１の均一化光学系部１４に入射することとしてもよい。

連続可変手段２２は、第１の均一化光学系部１４よりも光源部１２側に配置されており、光の照度又は光の色を連続的に変化させうる連続可変手段である。本実施形態では、連続可変手段２２は、図１、図３、図４、図５に示すように、例えば、光の照度を連続的に変更可能な照度連続可変手段４８と、光の色を連続的に変更可能な色連続可変手段５０と、を有する。照度連続可変手段４８と色連続可変手段５０は、互いに近接して並設されるとともに、ターレット３６にも近接した位置に設置されている。なお、連続可変手段２２は、照度連続可変手段４８のみを有する構成、又は色連続可変手段５０のみを有する構成としてもよいが、両手段を有して、光の照度と光の色の両方を連続的に可変できるようにすることにより、目的の光の照射条件を正確に実現することができる。

照度連続可変手段４８は、光の照度を変化させる照度変更光学部材５２と、該照度変更光学部材５２を光路中に進退移動させる第１移動機構５４と、を有している。照度変更光学部材５２は、例えば、長方形状に形成され、所定の透過率で光を透過する拡散板を含む。拡散板は、例えば、すりガラス板、両面研磨ガラスや色ガラス、光学フィルタ等でもよく、形状も有効光束をカバーできれば長方形状に限らず、正方形状、円形状等、任意の形状でもよい。第１移動機構５４は、照度変更光学部材５２を光軸Ｘに対して直交する方向に直線移動させる直線往復運動装置５６を有する。直線往復運動装置５６は、例えば、ベースプレート５８上に所定の間隔で対向して立設されたスタンド部６０にガイドシャフト６２が架設されており、該ガイドシャフト６２に沿ってスライダ６４が往復移動自在に取り付けられている。スライダ６４の上端には、略コ字状の保持枠６６が取り付けられ、該保持枠６６に該照度変更光学部材５２の拡散板が板面を立てて保持されている。さらに、直線往復運動装置５６は、ステッピングモータ６８によって軸周りに正逆回転自在なボールねじ７０がスタンド部６０に回転自在に軸支されているとともに、該ボールねじ７０とスライダ６４とが螺合されている。ステッピングモータ６８の回転駆動によりボールねじ７０を介してスライダ６４を往復移動させることによって、照度変更光学部材５２の光路中への挿入量を連続的に変化させる。前述したように、第１の均一化光学系部１４とリレー光学系部１６と第２の均一化光学系部１８の構成により、第１の均一化光学系部１４よりも光源部１４側の位置で物体像や瞳像の構成が変化しても投影光学系部２０から照射される光の均一性は保持される。よって、照度変更光学部材５２の光路中への挿入量を変化させても光の均一性は保持される。例えば、照度変更光学部材５２が挿入されていない退避状態では、ターレット３６で設定されたＮＤフィルタの光学濃度で第１の均一化光学系部１４に入射される。照度変更光学部材５２の一部が光路中に挿入されると、その挿入量に応じてコレクタレンズ２６からの光束の一部が照度変更光学部材５２を通過して光の照度が減少されるとともに、他の部分はそのまま通過して、ターレット３６を介して第１の均一化光学系部１４に入射され、総合的に該挿入量に応じて光の照度が連続的に変更されることとなる。照度変更光学部材５２を光路中に完全に挿入して、コレクタレンズ２６からの光束の全てが照度変更光学部材５２を通過すると、該照度変更光学部材５２で設定される透過率に応じた光の照度でターレット３６を介して第１の均一化光学系部１４に入射される。すなわち、照度変更光学部材５２の光路中への挿入量ｄを連続的に変化させることにより、光源部１２からの光束の一部又は全部が照度変更光学部材５２を通過することで組み合わせの光の透過率τを連続的に変化させる構成により、光の照度を連続的に変更することができる。さらに、すりガラス板等の拡散板で照度変更光学部材５２が構成されているので、色温度の変化をほとんど又は全く生じさせることなく、光の照度を良好に変更することができる。なお、直線往復運動装置５６は、前記した構成に限らず、例えば、クランクとスライダを用いた構造やピニオン・ラック構造、油圧シリンダを有する構造等、その他任意の構造でもよい。

本実施形態では、照度連続可変手段４８による連続的な照度の変更とターレット３６による段階的な照度の変更の組み合わせで光の照度を変更させる構成としていることから、ターレット３６の第１～第５ＮＤフィルタ４４１～４４５で段階的に変更される光の透過率の間を照度変更光学部材５２の挿入量で連続的に変化させるために、照度変更光学部材５２の光の透過率は、隣り合うＮＤフィルタの透過率の比率よりも低く設定されている。すなわち、ターレット３６の隣り合うＮＤフィルタのうち光の透過率が大きい方のＮＤフィルタに設置した状態で、照度変更光学部材５２の挿入量を変化させて光の照度を変化させる場合に、照度変更光学部材５２が光束の全部を通過させるように配置させた状態では、該ＮＤフィルタと照度変更光学部材５２の組み合わせによる光の透過率τが、隣り合う光の透過率が小さい方のＮＤフィルタの光の透過率よりも小さくなるように設定されている。よって隣り合うＮＤフィルタのうち、透過率が大きい方のＮＤフィルタの光の透過率Ｔ１とし、透過率が小さい方のＮＤフィルタの光の透過率Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）とすると、照度変更光学部材５２の透過率Ｔは、Ｔ≦Ｔ２／Ｔ１で設定される。例えば、光の透過率２５％の第２ＮＤフィルタ４４２と光の透過率１２．５％の第３ＮＤフィルタ４４３の間を連続的に変化させるためには、照度変更光学部材５２の透過率Ｔは、Ｔ≦１２．５／５０＝５０とする必要がある。ターレット３６の他の隣合うＮＤフィルタとの関係から、本実施形態では、例えば、照度変更光学部材５２の光の透過率は４０％に設定されている。例えば、ターレット３６を第２ＮＤフィルタ４４２に設定した場合には、該第２ＮＤフィルタ４４２と照度変更光学部材５２との組み合わせにより、光の透過率を２５％～１０％まで連続的に変更できることとなる。これにより、ターレット３６と照度変更光学部材５２との組み合わせにより、ＮＤフィルタがない開口部４２０では光の透過率が１００％～４０％の範囲で変更でき、同様に、第１ＮＤフィルタ４４１に設定した状態では透過率が５０％～２０％、第２ＮＤフィルタ４４２に設定した状態では透過率が２５％～１０％、第３ＮＤフィルタ４４３に設定した状態では透過率が１２．５％～５％、第４ＮＤフィルタ４４４に設定した状態では透過率が５％～２％、第５ＮＤフィルタ４４５に設定した状態では透過率が２％～０．８％の範囲で連続的に変化させることができ、全体として１００％～０．８％の範囲まで連続的に光の透過率τを変化させながら、光の照度を連続的に変更することができる。

次に図６を参照しつつ、照度変更光学部材５２の挿入量ｄと光量の減少にかかわる光の透過率τとの関係について説明する。光路上の有効光束径（すなわちターレット３６の各開口部４２０～４２５の径）を２ｒ、照度変更光学部材５２の該有効光束への挿入量をｄ、照度変更光学部材５２が進退する状態での有効光束径内での組み合わせによる光の透過率をτとする。光の透過率τは、ターレット３６の設置されたＮＤフィルタの透過率Ｔａ又はＮＤフィルタがない開口部（Ｔａ＝１００％）と、照度変更光学部材５２の透過率Ｔと、の組み合わせで決定される。照度変更光学部材５２の挿入量ｄにより該照度変更光学部材５２を通過する光束の面積すなわち光路挿入面積Ｓと、照度変更光学部材５２を通過しない残りの光束の面積（πｒ^２－Ｓ）とすると、それぞれの面積比と透過率との積により、該組み合わせによる光の透過率τ＝Ｔａ×｛Ｔ×Ｓ／πｒ^２＋（１－Ｓ／πｒ^２）｝で算出される。なお、光路挿入面積Ｓは、扇形ＯＢＣの面積と三角形ＯＢＣの面積との関係より、角度ＢＯＣ＝２θ（角度ＡＯＢ＝θ、θはラジアン）とすると、Ｓ＝ｒ^２θ－（ｒ－ｄ）×｛ｒ^２－（ｒ－ｄ）^２｝^１／２＝ｒ^２×ａｒｃｃｏｓ（１－ｄ／ｒ）－（ｒ－ｄ）×√２×ｒｄ－ｄ^２となる。照度変更光学部材５２の挿入量ｄを測定することで、上記計算式より統合的な光の透過率τを算出することができ、照度を変更することができる。図７（ａ）のグラフにも示すように、本実施形態の構成では、照度変更光学部材５２の挿入量ｄと光の透過率τとの関係は直線的（リニアリティ）な関係ではないものの、連続的に変化しているのが確認できる。なお、照度連続可変手段４８は、照度変更光学部材５２と第１移動機構５４との構成を複数セット設けることとしてもよい。

色連続可変手段５０は、光の色温度を変化させる色変更光学部材７２と、該色変更光学部材７２を光路中に進退移動させる第２移動機構７４と、を有している。色変更光学部材７２は、例えば、通過する光を所定の色温度に変換する色変換フィルタを含み、照度変更光学部材５２の近接位置に並設されている。本実施形態では、色変換フィルタは、長方形状に形成されているが、それに限らず有効光束をカバーできれば、正方形状、円形状等、任意の形状でもよい。第２移動機構７４は、第１移動機構５４とは独立して色変更光学部材７２を進退移動させる。第２移動機構７４は、第１移動機構５４と同じ構成の直線往復運動装置５６を有し、同様にステッピングモータ６８の回転駆動によってボールねじ７０を介してスライダ６４を往復移動させることにより、色変更光学部材７２の光路中への挿入量ｄを連続的に変化させる。よって、色変更光学部材７２の挿入量ｄにより該色変更光学部材７２を通過する光束の面積すなわち光路挿入面積Ｓ及び面積比の算出については、照度連続可変手段４８と同じとなる。前述したように、色変更光学部材７２の光路中への挿入量を変化させても光の均一性は保持される。また色変更光学部材７２の光路中への挿入量ｄを連続的に変化させることにより、コレクタレンズ２６からの光束の一部又は全部が色変更光学部材７２を通過することで、光の色が変更される結果、光の色を連続的に変更することができる。

本実施形態では、色変更光学部材７２は、例えば、アンバー系の色変換フィルタ（ＬＡフィルタ）やブルー系の色変換フィルタ（ＬＢフィルタ）が利用される。色変更光学部材７２の挿入による色温度の変換能力は、色変更光学部材７２の挿入量ｄによる光路挿入面積Ｓと色変更光学部材７２を通過する光の色温度、及び色変更光学部材７２を通過しない残りの光束の面積（πｒ^２－Ｓ）と光源部１２からの光の色温度、の組み合わせで算出される。例えば、光源部１２からの光の色温度Ｋ０としそのミレッド値Ｖ０とし、色変換フィルタからなる色変更光学部材７２の色温度変換能力のミレッド値Ｖ１（ＬＡフィルタでは正の値、ＬＢフィルタでは負の値）とすると、色変更光学部材７２の有効光束径内への挿入量ｄに応じて変化する光のミレッド値Ｖは、色変更光学部材７２を通過した光の色温度（Ｖ０＋Ｖ１）と光路面積Ｓと色変更光学部材７２を通過しない光の色温度Ｖ０とその通過面積（πｒ^２－Ｓ）との関係より、Ｖ＝（Ｖ０＋Ｖ１）×Ｓ／πｒ^２＋Ｖ０×（１－Ｓ／πｒ^２）＝Ｖ０＋Ｖ１×Ｓ／πｒ^２となる。よって、色変更光学部材７２が光路中に挿入量ｄだけ挿入された場合の変換能力は、ミレッド値でＶ１×Ｓ／πｒ^２で求められる値で色温度を変化させることができる。例えば、色変更光学部材７２がＬＡ２０（＋２０ミレッド、厚さ３ｍｍ）の色変換フィルタとした場合、色変更光学部材７２の挿入量ｄ＝ｒ／２，ｒ，３ｒ／２，２ｒでの色温度の変換能力Ｖはそれぞれ＋４ミレッド，＋１０ミレッド，＋１６ミレッド，＋２０ミレッドとなる。また、図７（ｂ）に示すように、色変更光学部材７２の挿入量ｄと色変換能力Ｖ１との関係は直線的（リニアリティ）な関係ではないものの、連続的に変化しているのが確認できる。このように色変更光学部材７２の挿入量ｄを測定することで、上記計算式より色連続可変手段５０での色変換能力Ｖ１又は通過する光のミレッド値Ｖ、ひいては光の色温度を算出することができ、照射する光を目的の色に変更することができる。なお、色連続可変手段５０は、色変更光学部材７２と第２移動機構７４とを複数セット並設することとしてもよい。また、連続可変手段２２は、上記した個数に限らず、任意の構成としてもよい。例えば、照度又は色を変換する変更光学部材を１個又は複数個有することとしてもよい。複数の変更光学部材を有する構成では、移動機構は、複数の変更光学部材をそれぞれ独立して進退移動するとよい。また、移動機構は、直線往復するものに限らず、回転機構等により変更光学部材を光路中へ進退移動させる構成としてもよい。

上述のように本実施形態では、第１の均一化光学系部１４とリレー光学系部１６と第２の均一化光学系部１８とで均一性の高い光を生成する構成であって、第１の均一化光学系部１４よりも光源部１２側の位置に連続可変手段２２を有する構成としたことにより、光の均一性を良好に保持しながら、投影光学系部２０から照射対象面に向けて照射する光の照度の連続的な変更を高分解能にて実現できる。この際、照度変更光学部材にすりガラス等の拡散板を用いることで、色温度をほとんど又は全く変化させずに光の照度の連続的な変更を行うことができる。さらに、光の均一性を保持しながら、分光特性分布を連続的に可変で、かつ色温度の微調整することができる。これにより、例えば、光源部１２となるランプの固体差や光学系のレンズ等の固体差での色温度が微妙に異なっていたり、経時劣化により色温度が微妙に変化したりした場合でも、微調整して目的の光の色でイメージセンサの光学テスト等やその他目的に応じた条件での照明を正確に行うことができる。よって、本実施形態では、光の照度と色の完全な調整が可能となっている。

次に図８を参照しつつ本発明の照明装置の第２の実施形態について説明する。上記した第１実施形態と同一構成、同一部材には、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。上記実施形態同様に、本実施形態の照明装置１０－２は、光源部１２と、第１の均一化光学系部１４と、リレー光学系部１６と、第２の均一化光学系部１８と、投影光学系部２０と、連続可変手段２２と、を備える。本実施形態では、照射対象面Ｆの近傍位置には、照射された光の照度を測る照度計７６の検出器７８が設置されている。照度計７６には、照度変更光学部材５２の光路中への挿入量ｄを制御する照度制御手段８０が接続されている。照度制御手段８０には、該挿入量ｄと該検出器７８で検出される照射対象面の照度との関係を記憶するデータベース８２が設けられている。照明装置１０－２を実際に使用する前に、予め照度変更光学部材５２の挿入量ｄを変化させながら、該挿入量ｄでの照射対象面の照度を実際に測定し、挿入量ｄと照度とを関連付けしてデータベース８２に記憶させておく。照明装置１０－２を使用する際に、目的の照度に設定するには、照度制御手段８０により該データベース８２を利用して、第１移動機構５４を駆動して照明変更光学部材５２の挿入量ｄを制御することで光の照度を調整することができる。実際に測定した光の照度を利用することにより、正確な光の照度の制御や微調整を行うことができる。

さらに、照射対象面Ｆの近傍位置には、照射された光の各波長の強度を測る分光器８４の検出器８６が設置されている。分光器８４には、色変更光学部材７２の光路中への挿入量ｄを制御する色制御手段８８が接続されている。色制御手段８８には、該挿入量ｄと該検出器８６で検出される照射対象面の分光特性分布（色温度）との関係を記憶するデータベース９０が設けられている。照明装置１０－２を実際に使用する前に、予め色変更光学部材７２の挿入量ｄを変化させながら、該挿入量ｄでの照射対象面の分光特性分布を実際に測定し、挿入量ｄと分光特性分布とを関連付けしてデータベース９０に記憶させておく。照明装置１０－２を使用する際に、目的の色温度に設定するには、色制御手段８８により該データベース９０を利用して、第２移動機構７４を駆動して色変更光学部材７２の挿入量ｄを制御することで光の色温度を調整することができる。実際に測定した光の分光特性分布（色温度）を利用することにより、正確な光の色温度の制御や微調整を行うことができる。このような照度変更光学部材５２の挿入量ｄと光の照度の関係や、色変更光学部材７２の挿入量ｄと光の色温度の関係を予めデータベースに記憶させておき、使用する際には制御手段８０、８８で各変更光学部材の挿入量ｄを制御するマッピング機構９２を備えることで、光の照度や色の制御を簡単かつ正確に行うことができる照明装置を提供できる。

次に図９を参照しつつ本発明の照明装置の第３の実施形態について説明する。上記した第１実施形態と同一構成、同一部材には、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。上記実施形態同様に、本実施形態の照明装置１０－３は、光源部１２と、第１の均一化光学系部１４と、リレー光学系部１６と、第２の均一化光学系部１８と、投影光学系部２０と、連続可変手段２２と、を備える。本実施形態では、第２の均一化光学系部１８と投影光学系部２０との間の位置に、該第２の均一化光学系部１８からの光をさらに均一化する他の均一化光学系部９４が配置されている。

前述のリレー光学系部１６を第１のリレー光学系部とすると、第２の均一化光学系部１８の後方に該第２の均一化光学系部１８からの光をリレーする第２のリレー光学系部９６が配置されている。他の均一化光学系部９４は、例えば、第２のリレー光学系部９６を介して入射される第２の均一化光学系部１８からの光をさらに均一化する第３ロッドインテグレータ９８と、を含む。第３ロッドインテグレータ９８から出射された光は、投影光学系部２０に入射される。なお、本実施形態でも他のリレー光学系部２８を介して投影光学系部２０に入射することとしてもよい。本実施形態では、リレー光学系部及びロッドインテグレータの組み合わせを多段的に配置することで、前記実施形態と比較してより均一性が高い光を生成して、投影光学系部２０から照射することができる。なお、他の均一化光学系部９４は、例えば、リレー光学系部とロッドインテグレータとの組み合わせを複数セット繰り返し設置する構成でもよい。すなわち、他の均一化光学系部９４は、第２のリレー光学系部、第３ロッドインテグレータ、第３のリレー光学系部、第４のロッドインテグレータ、・・・、第（ｎ－１）のリレー光学系部、第ｎロッドインテグレータ（ｎは３以上の整数）を有する構成としてもよい。よって、他の均一化光学系部９４は、一個又は複数個のロッドインテグレータを含み、それらのロッドインテグレータをリレー光学系部で光をリレーする構成としてもよい。

以上説明した本発明の照明装置は、上記した実施形態のみの構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の本質を逸脱しない範囲において、任意の改変を行ってもよい。

本発明の照明装置は、例えば、固体撮像素子であるイメージセンサ等の光学デバイスのテスト用の照明や、顕微鏡やプロジェクタ等の光学機器類の照明、その他、高い均一性の光を保持しながら照度や色を連続的に変化させる必要がある種々の照明装置として利用することができる。

１０ 照明装置
１２ 光源部
１４ 第１の均一化光学系部
１６ リレー光学系部
１８ 第２の均一化光学系部
２０ 投影光学系部
２２ 連続可変手段
３０ 第１ロッドインテグレータ
３２ 第２ロッドインテグレータ
４８ 照度連続可変手段
５０ 色連続可変手段
５２ 照度変更光学部材
５４ 第１移動機構
５６ 直線往復運動装置
７２ 色変更光学部材
７４ 第２移動機構
８０ 照度制御手段
８２ データベース
８８ 色制御手段
９０ データベース
９４ 他の均一化光学系部
Ｘ 光軸

Claims (10)

1. 光源部と、
   該光源部からの光を均一化する第１の均一化光学系部と、
   該第１の均一化光学系部からの光をリレーするリレー光学系部と、
   該リレー光学系部からの光をさらに均一化する第２の均一化光学系部と、
   該第２の均一化光学系部からの光を照射対象面に照射する投影光学系部と、を備え、
   該第１の均一化光学系部よりも光源部側に配置されて光の照度又は色を変更させる変更光学部材と、
   該変更光学部材を光路中に進退移動させる移動機構と、を有し、該変更光学部材の光路中への挿入量を連続的に変化させることにより投影光学系部から照射される光の照度又は色を連続的に変更させうる連続可変手段が設けられたことを特徴とする照明装置。
2. 変更光学部材は、所定の透過率で光を透過する拡散板を含むことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 変更光学部材は、所定の色温度に変換する色変換フィルタを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の照明装置。
4. 連続可変手段は、並設された複数の変更光学部材を有し、
   移動機構は、複数の変更光学部材をそれぞれ独立して進退移動するように設けられたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の照明装置。
5. 連続可変手段は、照度を変更させる照度変更光学部材と、色を変更させる色変更光学部材と、が並設され、
   移動機構は、照度変更光学部材を進退移動させる第１移動装置と、色変更光学部材を進退移動させる第２移動装置と、を有することを特徴とする請求項４記載の照明装置。
6. 移動機構は、変更光学部材を光軸に対して直交する方向に直線移動させる直線往復運動装置を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の照明装置。
7. 第１の均一化光学系部及び第２の均一化光学系部は、それぞれロッドインテグレータを含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の照明装置。
8. 第１均一化光学系部と第２の均一化光学系部の少なくともいずれか一方は、フライアイレンズインテグレータを含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の照明装置。
9. 第２の均一化光学系部と投影光学系部との間の位置に、該第２の均一化光学系部からの光をさらに均一化する他の均一化光学系部が配置されたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の照明装置。
10. 変更光学部材の光路中への挿入量と、該挿入量に対応して投影光学系部から照射される光の照射対象面での照度又は色温度と、の関係を予め記憶したデータベースと、
    該データベースを利用して該変更光学部材の挿入量を制御する制御手段と、を含むことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の照明装置。

Images