JP2023069258A - 照明光学系、及び、照明装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制する。【解決手段】照明光学系10は、照明光学素子5と補正レンズ6を備える。照明光学素子5は、被照明面SPに向けられた光学面5aを有し、被照明面SPに光を面状に照射する。光学面5aは、光軸AXに直交する直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を領域R1に向けて屈折させる複数の屈折面RSと、複数の屈折面RSよりも光軸AXに近い位置に設けられた光軸AXと交わる中心面CSを有する。補正レンズ6は、照明光学素子5と被照明面SPの間に設けられ、中心面CSを通過した光のテレセントリシティを補正する。【選択図】図1
Description
本明細書の開示は、照明光学系、及び、照明装置に関する。
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、光源の配光特性に起因した照明の不均一が生じてしまうことがある。このような技術的課題に対しては、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。
また、フライアイレンズと同様の効果をより少ない光学素子で実現する技術が、特許文献1において提案されている。
特許文献1に記載の技術によれば、フライアイレンズを用いた場合とは異なり、光源像を標本面に投影するための追加の構成が必要ないため、配光特性に起因する照明の不均一を、よりシンプルな構成で抑制することが可能である。
一方で、特許文献1に記載の技術を用いて極低倍の観察に対応しようとすると、光学素子の大型化を避けることが難しい。顕微鏡などの光学機器に組み込まれる光学素子のサイズには制約があるため、特許文献1に記載の技術では、対応可能な倍率が実質的に制限される可能性がある。
以上のような実情を踏まえ、本発明の一側面に係る目的は、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制可能な技術を提供することである。
本発明の一態様に係る照明光学系は、被照明面に向けられた光学面を有し、前記被照明面に光を面状に照射する照明光学素子であって、前記光学面は、光軸に直交する直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を前記被照明面の所定領域に向けて屈折させる複数の屈折面と、前記複数の屈折面よりも前記光軸に近い位置に設けられた、前記光軸と交わる中心面と、を有する照明光学素子と、前記照明光学素子と前記被照明面の間に設けられた、前記中心面を通過した光のテレセントリシティを補正する補正レンズと、を備える。
上記の態様によれば、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源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。
[第1の実施形態]
図1は、本実施形態に係る照明装置100の構成を例示した図である。図2は、照明光学素子5の作用について説明するための図である。図3は、補助レンズ3と補正レンズ6の作用について説明するための図である。図4は、低倍観察時における照明装置100の設定を示した図である。図5は、高倍観察時における照明装置100の設定を示した図である。以下、図1から図5を参照しながら、照明装置100について説明する。
図1は、本実施形態に係る照明装置100の構成を例示した図である。図2は、照明光学素子5の作用について説明するための図である。図3は、補助レンズ3と補正レンズ6の作用について説明するための図である。図4は、低倍観察時における照明装置100の設定を示した図である。図5は、高倍観察時における照明装置100の設定を示した図である。以下、図1から図5を参照しながら、照明装置100について説明する。
照明装置100は、被照明面である標本面SPを照明する装置である。照明装置100は、後述する構成により、低倍率(例えば、4倍未満)から高倍率までの広い倍率範囲において、各倍率に対応する照野を均一に照明可能である。なお、照明装置100は、例えば、顕微鏡で使用される顕微鏡用照明装置であるが、顕微鏡に限らずその他の観察装置で使用されてもよい。
照明装置100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10と、を備えている。照明光学系10は、光源1からの光を標本面SPに照射する光学系であり、コリメータレンズ2と、補助レンズ3と、絞り4と、照明光学素子5と、補正レンズ6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、LEDなどである。光源1は、図2(a)に例示される配光特性を有する。なお、図2(a)の縦軸は光軸AXに対する出射角であり、図2(a)の横軸は出射強度である。図2(a)に示すように、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強度の照明光が光源1から放射される。
コリメータレンズ2は、光源1から出射した光をコリメートして、平行光に変換する。コリメータレンズ2は、光源1から出射する光の角度方向の強度分布(図2(a)参照)を、コリメータレンズ2から出射する光の径方向の強度分布に変換する。
補助レンズ3は、コリメータレンズ2から出射した光のうち光軸AX付近の光の進行方向を変更する。補助レンズ3は、コリメータレンズ2と照明光学素子5の間に配置され、補正レンズ6に発散光を入射させる。なお、補助レンズ3の作用の詳細については、図3を参照しながら後述する。
絞り4は、開口径を変更可能な絞りである。絞り4は、例えば、観察倍率に応じて、開口径が変更される。絞り4は、補正レンズ6の前側焦点位置に設けられることが望ましい。絞り4の作用の詳細については、図4及び図5を参照しながら後述する。
照明光学素子5は、平行光として入射した光を被照明面(標本面SP)に面状に照射する光学素子である。照明光学素子5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5は、標本面SPに向けられた光学面5aを有し、さらに、光学面5aとは反対側に、第2の光学面である光学面5bを有している。
光学面5bは、光軸AXと直交する平面である。一方、光学面5aは、光軸AXと交わり且つ光軸AXと直交する平面である中心面CSと、それぞれ光を標本面SPの領域R1に向けて屈折させる複数の屈折面RSと、を有している。中心面CSは、複数の屈折面RSよりも光軸AXに近い位置に設けられている。また、複数の屈折面RSは、光軸AXに直交する方向(以降、直交方向と記す。)に並んでいる。照明光学素子5の作用の詳細については、図2を参照しながら後述する。
補正レンズ6は、照明光学素子5と標本面SPの間に設けられた正の屈折力を有するレンズであり、照明光学系10内で最も標本面SP側に配置される。補正レンズ6は、照明光学素子5の中心面CSを通過した光のテレセントリシティを補正する。補正レンズ6の作用の詳細については、図3を参照しながら後述する。
以下、図2を参照しながら、照明光学素子5の構成についてさらに詳細に説明し、補助レンズ3が省略された構成を例にして照明光学素子5の作用について説明する。
照明光学素子5の複数の屈折面RSは、図2(b)に示すように、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R1の直交方向の幅D1になる。
また、複数の屈折面RSは、図2(b)に示すように、光軸AXに沿った断面において、光軸AXとなす鋭角の角度(角度θ1≠θ2)が異なる直線形状を有している。より詳細には、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に対して大きな鋭角をなしている(θ1>θ2)。即ち、光軸AXから離れた屈折面RSほど、直交方向に対して大きな角度で傾斜している。
さらに、照明光学素子5は、図2(b)に示すように、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5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。
以上のように構成された照明光学素子5に、コリメータレンズ2から平行光が入射すると、平行光は光学面5bを透過して光学面5aに入射し、光学面5aにおいて入射した屈折面RS毎に分割される。分割された複数の光(この例では、5本の光)は、図2(b)に示すように、それぞれピッチPの光束径を有する平行光であり、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強度分布を有している。
具体的には、分割された複数の光は、例えば、光軸に対してγ度からβ度までの角度範囲に対応する強度分布I1を有する光、光軸に対してβ度からα度までの角度範囲に対応する強度分布I2を有する光、光軸に対してα度から-α度までの角度範囲に対応する強度分布I3を有する光、光軸に対して-α度から-β度までの角度範囲に対応する強度分布I4を有する光、光軸に対して-β度から-γ度までの角度範囲に対応する強度分布I5を有する光である。
その後、分割された複数の光のうち光軸AX上を進行する光は、中心面CSを透過して、さらに、補正レンズ6を透過して領域R1に入射する。また、その他の平行光は、各屈折面RSで領域R1に向けて屈折し、補正レンズ6を透過して領域R1に入射する。即ち、照明光学素子5で所定の出射角範囲毎に分割された光は、図2(c)に示すように、領域R1で重なり合う。これにより、配光特性に起因する不均一な強度分布が標本面SP(領域R1)において平均化され、その結果、抑制される。
なお、照明光学素子5から平行光として出射した光は、領域R1に入射する前に補正レンズ6を透過し、補正レンズ6で屈折する。しかしながら、この補正レンズ6における屈折が照明の均一性に及ぼす影響は軽微である。この点の詳細については、補正レンズ6の作用に関して説明する際に詳述する。
このように、照明光学素子5は、光源1の配光特性を複数の角度範囲に分割してそれらを重ね合わせることで、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制する作用を有している。従って、照明光学素子5を用いることで、フライアイレンズを用いることなく標本面SP(被照明面)を均一に照明することができる。また、照明光学素子5は、フライアイレンズの役割に加えて、フライアイレンズと組み合わせて使用されるコンデンサレンズの役割を同時に担うことができるため、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。
その一方で、照明光学素子5は、分割した光を内向きに屈折することによって重ね合わせるものであること、さらに、照明光学素子5によって得られる照野の大きさは屈折面RSのピッチPに依存することから、広い照野に対応するほど照明光学素子5が大型化してしまい、ひいては照明装置100も大型化する。このため、例えば、照明光学素子5の作用だけでは、4倍未満などの極低倍の観察において装置の大型化を招くことなく均一な照明を実現することが難しい。
照明装置100は、このような極低倍における課題を、補助レンズ3と補正レンズ6を用いることで解決する。以下、図3を参照しながら、補助レンズ3と補正レンズ6の構成についてさらに詳細に説明し、補助レンズ3と補正レンズ6の作用について説明する。
補助レンズ3は、図3に示すように、補助レンズ3と照明光学素子5との間に、補助レンズ3の後側焦点位置を有する正レンズである。より詳細には、補助レンズ3は、補正レンズ6の前側焦点位置と補助レンズ3の後側焦点位置が略一致するように配置されている。さらに、光軸AX付近の光以外への作用を避けるために、照明光学素子5の外径よりも小さな外径を有することが望ましく、例えば、中心面CSの直径以内であってもよい。
補正レンズ6は、図3に示すように、標本面SPに向けられた正の屈折力を有する第1レンズ面であるレンズ面6aと、照明光学素子5に向けられた第2レンズ面であるレンズ面6bと、を有している。レンズ面6aの曲率の大きさは、レンズ面6bの曲率の大きさよりも大きい。補正レンズ6は、例えば、標本面SPに凸面を向けた平凸レンズであり、レンズ面6bは、例えば平面である。ただし、レンズ面6bは、必ずしも平面に限らない。屈折力が十分に弱ければ正の屈折力を有しても負の屈折力を有してもよい。また、レンズ面6aは、球面形状に限らず非球面形状であってもよく、非球面形状によって収差を良好に補正してもよい。
以上の構成では、補助レンズ3に入射した光軸AX付近の平行光は、補助レンズ3によって補助レンズ3の後側焦点位置である位置FPに集光し、その後、屈折力を有しない照明光学素子5の光学面5b及び中心面CSを通って補正レンズ6へ発散光として広がって入射する。この際、位置FPが補正レンズ6の前側焦点位置に凡そ一致しているため、中心面CSを通過して補正レンズ6へ入射した光は補正レンズ6によって光軸AXに略平行な光に変換され、標本面SPの、領域R1よりも広い領域R2に照射される。
即ち、照明装置100は、最も高い強度分布を有する光軸AX付近の光を補助レンズ3の作用により標本面SPの広い範囲に照射することで極低倍での観察に対応する広い照野を確保するとともに、補正レンズ6の作用により標本面SPへ入射する光の発散を抑えることで、顕微鏡に要求されるテレセントリシティを確保することができる。なお、補助レンズ3の後側焦点位置と補正レンズ6の前側焦点位置のずれは、要求されるテレセントリシティが満たされる範囲で許容されるため、補助レンズ3の後側焦点位置と補正レンズ6の前側焦点位置は、必ずしも一致していなくてもよい。
補正レンズ6では、補正レンズ6に要求される正の屈折力のほとんどをレンズ面6bではなくレンズ面6aで稼ぐことが望ましい。即ち、補正レンズ6には、レンズ面6aが比較的大きな曲率を有する構成を採用することが望ましい。これにより、図3に示すように、照野の周辺部分に導かれる光が補正レンズ6へ入射する角度が浅すぎる、つまり、入射角が大きすぎる、ことで生じるレンズ面での全反射を防止することが可能となる。一般的な照明装置において標本面SP付近に置かれるコンデンサレンズのレンズ面は、標本面SP側よりも光源1側により大きな曲率を有しているのが通常である。このため、従来のコンデンサレンズを補正レンズ6として利用することは望ましくなく、コンデンサレンズとは別に設計された補正レンズ6を用いることが望ましい。
また、レンズ面6aが比較的大きな曲率を有する構成を補正レンズ6に採用することは、全反射防止に加えて、低倍観察と高倍観察での照明性能を高いレベルで両立する上でも望ましい。レンズ面6aが大きな曲率を有することで、レンズ面6aから標本面SPまでの距離を、高倍観察に対応する照明光(例えば、図2(b)参照)が入射する光軸AX付近と低倍観察に対応する照明光(例えば、図3参照)が入射するレンズ外縁付近とで、大きく異ならせることができる。これにより、補助レンズ3を経由して入射する低倍観察に対応する照明光に対しては標本面SPへの照射位置を十分に補正しながら、屈折面RSを経由して入射する高倍観察に対応する照明光に対しては標本面SPへの照射位置の移動を軽微に抑えることができる。このため、異なる屈折面RSからの光が異なる領域に照射されることで生じる照明の不均一を回避しながら、低倍観察へも対応することが可能となる。
なお、補正レンズ6が及ぼす高倍観察への影響を抑制するためには、補正レンズ6は標本面SP付近に配置することが望ましい。標本面SPと補正レンズ6が近いほどレンズ面6aでの屈折による光線の横方向への移動量が少なくなり、複数の屈折面で屈折した光束間の位置ずれが小さくなるためである。また、補正レンズ6が及ぼす高倍観察への影響を抑制するためには、補正レンズ6の正の屈折力を過度に強くないことが望ましい。即ち、補正レンズ6の焦点距離はある程度長いことが望ましい。一方で、照明光学素子5で高倍観察に必要な開口数を確保しながら照明光学素子5の大きさを抑えるためには、照明光学素子5は標本面SPから離れすぎないことが望しい。これらの条件を満たす上では、照明光学素子5は、補正レンズ6の前側焦点位置と補正レンズ6の間に配置されることが望ましい。
以下、図1、図4及び図5を参照しながら、絞り4の作用について説明する。まず、図1を参照すると、屈折面RSを経由して標本面SPに照射される高倍観察に対応する照明光は領域R1に照射されるのに対して、補助レンズ3を経由して標本面SPに照射される低倍観察に対応する照明光は領域R1を含むより広い領域R2に照射されることが確認できる。
ここで、領域R1に注目すると、屈折面RS経由の照明光と補助レンズ3経由の照明光の両方が照射され、領域R1全体は凡そ均一に照明されている。このため、領域R1を観察する(つまり、領域R1の外側については観察しない)高倍観察では、絞り4で照明光を制限する必要がなく、従って、図1に示すように絞り4を開放した状態で使用すればよい。これにより、観察範囲(この場合、領域R1)を明るく均一に照明することができる。
これに対して、領域R2に着目すると、絞り4を開放した状態では、領域R2の中心部分の領域R1にのみ屈折面RS経由の照明光が照射されるため、領域R2全体が均一に照明されない。このため、領域R2(つまり、領域R1を含む領域R2全体)を観察する低倍観察において、観察側の光学系の開口数が大きく、観察側の光学系が屈折面RS経由の照明光を取り込んでしまう場合には、絞り4を用いて屈折面RS経由の照明光を遮断することが望ましく、図4に示すように絞り4の開口径を補助レンズ3の外径程度まで絞った状態で使用することが望ましい。これにより、広い観察範囲(この場合、領域R2)を均一に照明することができる。
なお、補助レンズ3が光路に対して挿脱自在に設けられている場合には、高倍観察時には、図5に示すように補助レンズ3を光路から取り除いてもよい。これにより、補助レンズ3経由で領域R2に照射されていた照明光を領域R1に集中的に照射することができる。このため、図1に示す場合よりも、より明るく照明することができる。
以上のように、照明装置100によれば、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源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、顕微鏡のような低倍から高倍までの様々な観察倍率で使用される観察装置に使用される照明装置として好適である。
図6は、変形例に係る補助レンズ7の構成を示し図である。上述した例では、屈折面RSへの照明光の入射を妨げないように、照明光学素子5の外径よりも小さく、凡そ中心面CSの直径程度の外径の補助レンズ3を例示したが、補助レンズ3の外径は中心面CSの直径程度に限らない。
照明装置100は、補助レンズ3の代わりに補助レンズ7を備えてもよい。補助レンズ7は、正の屈折力を有する補助レンズ3に相当する凸部7aが、平行平板7bに支持された構造を有している。平行平板bを設けることで照明装置100内の所望の位置に補助レンズ7を安定した状態で配置することができる。また、屈折面RSへ入射する照明光が透過する部分が平行平板7bで構成されているため、屈折面RSへ入射する照明光への影響を最小限に抑えることができる。
図7は、変形例に係る照明光学素子8の構成を示した図である。上述した例では、補助レンズ3と照明光学素子5を照明装置100内に別々に設けたが、補助レンズ3は照明光学素子5と一体に形成されてもよい。
照明装置100は、補助レンズ3と照明光学素子5の代わりに照明光学素子8を備えてもよい。照明光学素子8は、照明光学素子5の光学面5aに相当する複数の屈折面を有する光学面8aを有し、さらに、補助レンズ3に相当する凸部8bを光学面8aとは反対側の光学面に有している。照明光学素子8を用いることで、部品点数を減らすことができるため、組み立て工程を簡素化して製造コストを抑えることができる。
図8は、変形例に係る照明装置101の構成を例示した図である。照明装置101は、照明光学系10の代わりに照明光学系11を備える点が、照明装置100とは異なっている。照明光学系11は、コリメータレンズ2と補助レンズ3の間に拡散板9を備える点が、照明光学系10とは異なっている。照明装置101では、拡散板9で照明光を拡散することで照明光の強度分布の不均一を抑制することができる。これにより、照明装置101によれば、照明装置100よりも、光源の配光特性に起因する照明の不均一をさらに抑制することができる。
[第2の実施形態]
図9は、本実施形態に係る照明装置102の構成を例示した図である。図10は、高倍観察時における照明装置102の設定を示した図である。図11は、高倍観察時における照明装置102の別の設定を示した図である。図12は、低倍観察時における照明装置102の設定を示した図である。以下、図1から図5を参照しながら、照明装置102について説明する。
図9は、本実施形態に係る照明装置102の構成を例示した図である。図10は、高倍観察時における照明装置102の設定を示した図である。図11は、高倍観察時における照明装置102の別の設定を示した図である。図12は、低倍観察時における照明装置102の設定を示した図である。以下、図1から図5を参照しながら、照明装置102について説明する。
照明装置102は、照明装置100と同様に、被照明面である標本面SPを照明する装置であり、低倍率(例えば、4倍未満)から高倍率までの広い倍率範囲において、各倍率に対応する照野を均一に照明可能である点についても、照明装置100と同様である。
照明装置100は、低倍(例えば、2倍)と高倍(例えば、10倍)の2段階で照明範囲を変更可能な構成であるのに対して、照明装置102は、低倍(例えば、2倍)と高倍(例えば、10倍)に加えて、第2の高倍(例えば、20倍)、第3の高倍(例えば、40倍)の計4段階で照明範囲を変更可能である点が照明装置100とは異なっている。具体的には、照明装置102は、照明光学系10の代わりに照明光学系12を備える点が、照明装置100とは異なっている。また、照明光学系12は、照明光学素子5の代わりに照明光学素子15を備えている点が、照明光学系10とは異なっている。
照明光学素子15は、平行光として入射した光を標本面SPに面状に照射する光学素子である。照明光学素子15は、標本面SPに向けられた光学面15aを有し、さらに、光学面15aとは反対側に、第2の光学面である光学面15bを有している。
光学面15bは、光軸AXと直交する平面であり、光学面5bと同様である。一方、光学面15aは、光軸AXと交わり且つ光軸AXと直交する平面である中心面CSと、それぞれ光を標本面SPの領域R11に向けて屈折させる、直交方向に一定のピッチで形成された複数の屈折面RS1と、を有している。この構成は、光学面5aと同様である。
光学面15aは、さらに、複数の屈折面RS1よりも直交方向に光軸AXから離れた位置に、直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を領域R12に向けて屈折させる複数の屈折面RS2を有している。複数の屈折面RS2が形成されるピッチは、複数の屈折面RS1が形成されるピッチよりも短いため、領域R12は領域R11の一部である。
また、光学面15aは、複数の屈折面RS2よりも直交方向に光軸AXから離れた位置に、直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を領域R13に向けて屈折させる複数の屈折面RS3を有している。複数の屈折面RS3が形成されるピッチは、複数の屈折面RS2が形成されるピッチよりも短いため、領域R13は領域R12の一部である。
このように、光学面15aは、照明光学素子5の光学面5aが有する複数の屈折面RSに相当する複数の屈折面RS1に加えて、その外側に、さらに、複数の屈折面(屈折面RS2、RS3)を備える点が、光学面5aとは異なっている。
なお、光軸から離れるほどピッチを短くする理由は、一般により高倍の観察ほどより大きな開口数が要求されるからである。従って、必要な開口数が確保できるのであれば、必ずしも外側にある複数の屈折面が内側にある複数の屈折面よりもピッチが短くなくてもよい。
領域R13には、補助レンズ3経由の照明光と屈折面経由の照明光の全てが照射されるため、領域R13全体は凡そ均一に照明されている。このため、領域R13を観察する第3の高倍観察(例えば、40倍)では、図9に示すように絞り4を開放した状態で使用すればよい。これにより、観察範囲(この場合、領域R13)を明るく均一に照明することができる。
領域R12には、絞り4を開放した状態では、領域R12の中心部分の領域R13にのみ屈折面RS3経由の照明光が照射されるため、領域R12全体が均一に照明されない。このため、領域R12(つまり、領域R13を含む領域R12全体)を観察する第2の高倍観察(例えば、20倍)において、観察側の光学系の開口数が大きく、観察側の光学系が屈折面RS3経由の照明光を取り込んでしまう場合には、絞り4を用いて屈折面RS3経由の照明光を遮断することが望ましく、図10に示すように絞り4の開口径を屈折面RS3の内側まで絞った状態で使用することが望ましい。これにより、観察範囲(この場合、領域R12)を均一に照明することができる。
領域R11には、絞り4を開放した状態では、領域R11の中心部分(領域R12、領域R13)にのみ屈折面RS1以外の屈折面(屈折面RS2、屈折面RS3)経由の照明光が照射されるため、領域R11全体が均一に照明されない。このため、領域R11(つまり、領域R12、領域R13を含む領域R11全体)を観察する高倍観察(例えば、10倍)において、観察側の光学系の開口数が大きく、観察側の光学系が屈折面RS2及び屈折面RS3経由の照明光を取り込んでしまう場合には、絞り4を用いて屈折面RS3経由の照明光と屈折面RS2経由の照明光を遮断することが望ましく、図11に示すように絞り4の開口径を屈折面RS2の内側まで絞った状態で使用することが望ましい。これにより、観察範囲(この場合、領域R11)を均一に照明することができる。
領域R14には、絞り4を開放した状態では、領域R14の中心部分(領域R11、領域R12、領域R13)にのみ屈折面経由の照明光が照射されるため、領域R14全体が均一に照明されない。このため、領域R14(つまり、領域R11、領域R12、領域R13を含む領域R14全体)を観察する低倍観察において、観察側の光学系の開口数が大きく、観察側の光学系が屈折面RS1、屈折面RS2、及び屈折面RS3経由の照明光を取り込んでしまう場合には、絞り4を用いて屈折面経由の照明光を遮断することが望ましく、図12に示すように絞り4の開口径を屈折面RS1の内側まで絞った状態で使用することが望ましい。これにより、観察範囲(この場合、領域R14)を均一に照明することができる。
以上のように、照明装置102によれば、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源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。特に、照明装置102によれば、高倍観察で複数の異なる倍率に対応することができる。
[第3の実施形態]
図13は、本実施形態に係る照明装置103の構成を例示した図である。以下、図13を参照しながら、照明装置103について説明する。
図13は、本実施形態に係る照明装置103の構成を例示した図である。以下、図13を参照しながら、照明装置103について説明する。
照明装置103は、照明装置100と同様に、被照明面である標本面SPを照明する装置であり、低倍率(例えば、4倍未満)から高倍率までの広い倍率範囲において、各倍率に対応する照野を均一に照明可能である点についても、照明装置100と同様である。
照明装置103は、照明光学系10の代わりに照明光学系13を備える点が、照明装置100とは異なっている。また、照明光学系13は、補助レンズ3の代わりに補助レンズ14を備える点が、照明光学系10とは異なっている。
補助レンズ14は、補正レンズ6の前側焦点位置と補助レンズ14の後側焦点位置が略一致するように配置される点は補助レンズ3と同様である。ただし、補助レンズ14は、補助レンズ3とは異なり負レンズであり、補助レンズ14の後側焦点位置と照明光学素子との間に配置される点が補助レンズ3とは異なっている。なお、補助レンズ14は、図13に示すように、照明光学素子5の光学面5bに接合されてもよい。
補助レンズ14は、補助レンズ14に入射した平行光を補助レンズ14の負の屈折力で発散光に変換する。補助レンズ14から出射した発散光は、照明光学素子5の中心面CSを通って補正レンズ6へ入射し、補正レンズ6で略平行光に変換されて標本面SPの領域R2に照射される。
以上のように、照明装置103によっても、照明装置100と同様に、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源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。また、補助レンズに負レンズを用いることで照明装置103の全長を照明装置100よりも抑えることができる。
図14は、変形例に係る照明光学素子16の構成を示した図である。図15は、変形例に係る照明光学素子17の構成を示した図である。上述した例では、補助レンズ14は、照明光学素子5の平面(光学面5b)に接合される例を示したが、照明光学素子の光学面の一部に補助レンズに相当する曲面を設けてもよい。即ち、照明光学素子と補助レンズは一体に形成されてもよい。
照明装置103は、補助レンズ14と照明光学素子5の代わりに、図14に示す照明光学素子16を備えてもよい。照明光学素子16は、照明光学素子5の光学面5aに相当する複数の屈折面を有する光学面16aを有し、さらに、補助レンズ14に相当する凹面S1を光学面16aとは反対側の光学面16bに有している。光学面16bは、中心面CSに対応する位置に設けられた凹面S1と、平面S0を有している。
照明装置103は、補助レンズ14と照明光学素子5の代わりに、図15に示す照明光学素子17を備えてもよい。照明光学素子17は、複数の屈折面を有する光学面17aを有し、さらに、光学面17aとは反対側の光学面17bに有している。光学面17bは、光軸AXに直交する平面である。光学面17aは、中心面CSの代わりに凹面S2を有する点が、光学面5aとは異なっている。
照明光学素子16又は照明光学素子17を用いることで、部品点数を減らすことができるため、組み立て工程を簡素化して製造コストを抑えることができる。
[第4の実施形態]
図16は、本実施形態に係る照明装置104の構成を例示した図である。以下、図16を参照しながら、照明装置104について説明する。
図16は、本実施形態に係る照明装置104の構成を例示した図である。以下、図16を参照しながら、照明装置104について説明する。
照明装置104は、照明装置100と同様に、被照明面である標本面SPを照明する装置であり、低倍率(例えば、4倍未満)から高倍率までの広い倍率範囲において、各倍率に対応する照野を均一に照明可能である点についても、照明装置100と同様である。
照明装置104は、照明光学系10の代わりに照明光学系19を備える点が、照明装置100とは異なっている。照明光学系19は、コリメータレンズ2と補助レンズ3と照明光学素子5の代わりに照明光学素子18を備える点が、照明光学系10とは異なっている。
照明光学素子18は、複数の屈折面を有する光学面18aを有し、さらに、光学面18aとは反対側の光学面18bに有している。光学面18bは、コリメータレンズとして機能するフレネルレンズ面である。光学面18aは、中心面CSの代わりに凹面S3を有する点が、光学面5aとは異なっている。凹面S3の負の屈折力は、補助レンズ3と同様に補正レンズ6に発散光を入射させる役割を担っている。
以上のように構成された照明光学系19は、光源1から出射した光に対して照明光学系10と同様に作用するため、照明装置104によっても、照明装置100と同様に、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源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。
また、コリメータレンズ2の代わりにフレネルレンズ面(光学面18b)を用い、さらに、補助レンズ3の代わりに凹面S3を用いて、照明光学素子18がコリメータレンズ2と補助レンズ3の役割を兼ねることで、部品点数を減らすことができる。このため、組み立て工程を簡素化して製造コストを抑えることができる。また、照明装置104の全長も短く抑えることができる。
図17は、変形例に係る照明光学素子20の構成を示した図である。図18は、変形例に係る照明光学素子21の構成を示した図である。上述した例では、照明光学素子18に凹面S3を設けることで補助レンズ3を省略可能とする例を示したが、照明光学素子に凸面を設けることで補助レンズ3を省略してもよい。
照明装置104は、照明光学素子18の代わりに、図17に示す照明光学素子20を備えてもよい。照明光学素子20は、照明光学素子5の光学面5aに相当する複数の屈折面を有する光学面20aを有し、さらに、光学面20aとは反対側の光学面20bに有している。光学面20bは、コリメータレンズ2に相当するフレネルレンズ面FrSと、補助レンズ3に相当する凸面S4を有している。凸面S4は、補正レンズ6の前側焦点位置である位置FPに後側焦点位置を有している。
また、照明装置104は、照明光学素子18の代わりに、図18に示す照明光学素子21を備えてもよい。照明光学素子21は、照明光学素子5の光学面5aに相当する複数の屈折面を有する光学面21aを有し、さらに、光学面21aとは反対側の光学面21bに有している。照明光学素子21は、光学面21bが有する凸面の後側焦点位置(位置FP)が照明光学素子21内に位置する点が照明光学素子20とは異なっている。その他の点は、照明光学素子20と同様である。
[第5の実施形態]
図19は、本実施形態に係る照明装置105の構成を例示した図である。以下、図19を参照しながら、照明装置105について説明する。
図19は、本実施形態に係る照明装置105の構成を例示した図である。以下、図19を参照しながら、照明装置105について説明する。
照明装置105は、照明装置100と同様に、被照明面である標本面SPを照明する装置であり、低倍率(例えば、4倍未満)から高倍率までの広い倍率範囲において、各倍率に対応する照野を均一に照明可能である点についても、照明装置100と同様である。
照明装置105は、照明光学系10の代わりに照明光学系23を備える点が、照明装置100とは異なっている。照明光学系23は、コリメータレンズ2と補助レンズ3と照明光学素子5の代わりに照明光学素子22を備える点、及び、光源1が補正レンズ6の前側焦点位置に配置される点が、照明光学系10とは異なっている。
照明光学素子22は、複数の屈折面を有する光学面22aを有し、さらに、光学面22aとは反対側の光学面22bに有している。光学面22aは、照明光学素子5の光学面5aと同様に、中心面CSと複数の屈折面RSを有する。光学面22bは、コリメータレンズ2に相当するフレネルレンズ面FrSと、光軸AXと直交する平面S0を有している。なお、光学面22bは、フレネルレンズ面FrSを、光学面22aの複数の屈折面RSに対応する光線高の位置に有し、平面S0を、中心面CSに対応する光線高の位置に有している。
照明光学系23では、フレネルレンズ面FrSで光源1からの光をコリメートすることで、照明光学素子22がコリメータレンズ2と同様に機能する。このため、コリメータレンズ2を省略することができる。また、中心面CSに対応する光学面22bの位置に平面S0が設けられることで、光源1からの発散光がそのまま補正レンズ6へ入射する。さらに、光源1が補正レンズ6の前側焦点位置に配置されることで、補正レンズ6へ入射した発散光が補正レンズ6によってコリメートされる。このため、補助レンズ3を省略することができる。
以上のように構成された照明光学系23は、光源1から出射した光に対して照明光学系10と同様に作用するため、照明装置105によっても、照明装置100と同様に、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源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。
また、コリメータレンズ2と補助レンズ3を省略することで、部品点数を減らすことができる点、その結果として、組み立て工程を簡素化して製造コストを抑えることができる点、さらに、照明装置105の全長も短く抑えることができる点については、照明装置104と同様である。
上述した実施形態は、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形態に限定されるものではない。上述の実施形態を変形した変形形態および上述した実施形態に代替する代替形態が包含され得る。つまり、各実施形態は、その趣旨および範囲を逸脱しない範囲で構成要素を変形することが可能である。また、1つ以上の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより、新たな実施形態を実施することができる。また、各実施形態に示される構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよく、または実施形態に示される構成要素にいくつかの構成要素を追加してもよい。さらに、各実施形態に示す処理手順は、矛盾しない限り順序を入れ替えて行われてもよい。即ち、本発明の照明光学系、照明装置は、特許請求の範囲の記載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。
上述した実施形態では、絞りの開口径を変更することで、観察倍率に応じた照明範囲内の照明の均一性を確保する例を示したが、観察倍率に応じた絞りの調整は必ずしも必要ではない。上述した例では、絞りは高い開口数の光を遮って照明範囲内の照明の均一性を確保する目的で使用されるが、低倍の対物レンズの瞳径は高倍の対物レンズの瞳径よりも小さいため、必要以上に高い開口数の光は対物レンズを含む観察光学系内でケラレてしまう。このため、必ずしも照明の均一性が維持しなくても、照明の不均一の影響が像面に及ぶことを回避することができる。
100~105 照明装置
1 光源
2 コリメータレンズ
3 補助レンズ
4 絞り
5、8、15~18、20~22 照明光学素子
6 補正レンズ
7、14 補助レンズ
7b 平行平板
9 拡散板
10~13、19、23 照明光学系
AX 光軸
CS 中心面
FS 平面
I1~I5 強度分布
P ピッチ
R1、R2、R11~R14 領域
S1~S3 凹面
S4 凸面
SP 標本面
RS、RS1~RS3 屈折面
1 光源
2 コリメータレンズ
3 補助レンズ
4 絞り
5、8、15~18、20~22 照明光学素子
6 補正レンズ
7、14 補助レンズ
7b 平行平板
9 拡散板
10~13、19、23 照明光学系
AX 光軸
CS 中心面
FS 平面
I1~I5 強度分布
P ピッチ
R1、R2、R11~R14 領域
S1~S3 凹面
S4 凸面
SP 標本面
RS、RS1~RS3 屈折面
Claims (20)
- 被照明面に向けられた光学面を有し、前記被照明面に光を面状に照射する照明光学素子であって、
前記光学面は、
光軸に直交する直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を前記被照明面の所定領域に向けて屈折させる複数の屈折面と、
前記複数の屈折面よりも前記光軸に近い位置に設けられた、前記光軸と交わる中心面と、
を有する、照明光学素子と、
前記照明光学素子と前記被照明面の間に設けられた、前記中心面を通過した光のテレセントリシティを補正する補正レンズと、を備える
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項1に記載の照明光学系において、
前記補正レンズは、
前記被照明面に向けられた正の屈折力を有する第1レンズ面と、
前記照明光学素子に向けられた第2レンズ面と、を有し、
前記第1レンズ面の曲率の大きさは、前記第2レンズ面の曲率の大きさよりも大きい
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項2に記載の照明光学系において、
前記第1レンズ面は、非球面形状を有する
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の照明光学系において、
前記補正レンズは、前記被照明面に凸面を向けた平凸レンズである
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項1乃至請求項4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、前記補正レンズの前側焦点位置と前記補正レンズとの間に配置される
ことを特徴とする照明光学系。 - 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、さらに、
補助レンズを備え、
前記照明光学素子は、前記補助レンズの後側焦点位置と前記補正レンズとの間に配置される
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項6に記載の照明光学系において、
前記補助レンズは、前記補助レンズと前記照明光学素子との間に、前記補助レンズの前記後側焦点位置を有する正レンズである
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項6に記載の照明光学系において、
前記補助レンズは、前記補助レンズの前記後側焦点位置と前記照明光学素子との間に配置された負レンズである
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項6乃至請求項8のいずれか1項に記載の照明光学系において、
前記補助レンズの外径は、前記照明光学素子の外径よりも小さい
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項9に記載の照明光学系において、
前記補助レンズの外径は、前記中心面の直径以内である
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項6乃至請求項10のいずれか1項に記載の照明光学系において、
前記補助レンズは、前記補正レンズの前側焦点位置と前記補助レンズの前記後側焦点位置が略一致するように配置される
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項6乃至請求項10のいずれか1項に記載の照明光学系において、
前記補助レンズは、前記照明光学素子と一体に形成される
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の照明光学系において、さらに、
前記補正レンズの前側焦点位置に配置された、絞りを備える
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項1乃至請求項13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。 - 請求項1乃至請求項14のいずれか1項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、前記直交方向に一定のピッチで形成された、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の屈折面を有し、
前記複数の第2の屈折面が形成されるピッチは、前記複数の屈折面が形成されるピッチよりも短い
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項1乃至請求項15のいずれか1項に記載の照明光学系において、さらに、
前記被照明面に照射する光を発する光源と前記照明光学素子の間に、コリメータレンズを備える
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項16に記載の照明光学系において、
前記コリメータレンズは、フレネルレンズである
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項17に記載の照明光学系において、
前記フレネルレンズは、前記照明光学素子と一体に形成される
ことを特徴とする照明光学系。 - 請求項1乃至請求項18のいずれか1項に記載の照明光学系と、
光源と、を備える
ことを特徴とする照明装置。 - 請求項17又は請求項18に記載の照明光学系と、
前記補正レンズの前側焦点位置に配置された光源と、を備え、
前記フレネルレンズは、
前記複数の屈折面に対応する光線高の位置に、フレネルレンズ面を有し、
前記中心面に対応する光線高の位置に、前記光軸に直交する平面を有する
ことを特徴とする照明装置。
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JP2021181006A JP2023069258A (ja) | 2021-11-05 | 2021-11-05 | 照明光学系、及び、照明装置 |
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Cited By (1)
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CN116430570A (zh) * | 2023-06-13 | 2023-07-14 | 睿励科学仪器(上海)有限公司 | 光强校正、照明、显微镜成像、硅片缺陷检测装置及方法 |
-
2021
- 2021-11-05 JP JP2021181006A patent/JP2023069258A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116430570A (zh) * | 2023-06-13 | 2023-07-14 | 睿励科学仪器(上海)有限公司 | 光强校正、照明、显微镜成像、硅片缺陷检测装置及方法 |
CN116430570B (zh) * | 2023-06-13 | 2023-09-01 | 睿励科学仪器(上海)有限公司 | 光强校正、照明、显微镜成像、硅片缺陷检测装置及方法 |
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