JP3012681B2 - 倍率可変型光学装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は倍率可変の光学装置に係り、さらに詳しくは
倍率の異なる２つの光学系により物体像を形成すること
ができ、被検体物の種々の計測やアライメントのために
使用できる倍率可変型光学装置に関する。

〔従来の技術〕

この種の装置として、変倍可能な顕微鏡を利用したも
のが知られている。かかる装置では、倍率の異なる対物
レンズを装着したターレットマウントを回転させて対物
レンズを交換することによって倍率を切換えたり、ズー
ミングによって倍率を変化させている。また、他の例と
しては、単一のマウントで対物レンズの着脱交換により
変倍を行うものもある。さらに、実開昭64−24312号公
報には、倍率の異なる光学系を併設し、光路に反射鏡を
挿脱することによって選択的に倍率の異なる物体像を形
成するようにした光学装置が示されている。

これらの光学装置は、像形成に関与する光学部材の移
動によって変倍を行っている。そのため、変倍時には光
軸ずれが生じる可能性が高く、高精度、かつ能率よく測
定又はアライメントできないという欠点があった。

一方、実開昭60−107816号公報、特開昭64−28611号
公報には上記欠点を除去することのできる構成の光学装
置が示されている。両者に示されている光学装置は、リ
レーレンズにより倍率の異なる２つの光路を形成し、対
物レンズを出射した結像光束を互いに倍率の異なる２つ
の光路に分岐する第１のハーフミラーと、２つの光路を
通った結像光束を光軸と像位置が一致するように合成す
る第２ハーフミラーと、両ミラー間の２光路の各々に挿
脱可能に配置された遮光部材とから構成されている。

この様な構成において、遮光部材を対応する光路に挿
脱することによって、一方の倍率の光路が選択されて任
意の倍率、すなわち変倍させることが可能になる。ま
た、結像に関与する光学部材の移動、切換えがないこと
から変倍時の光軸ずれが発生しない。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述したように光軸ずれを防止した光
学装置は、リレーレンズで倍率を変えているため、高倍
率側の開口数が十分でなく、解像力が低いという欠点が
あった。また、像の明るさは、開口数の二乗に比例し、
倍率の２乗に反比例することから、低倍率側と同じ対物
レンズを使用してリレーレンズで倍率を高くすること
は、高倍率像の明るさを極端に減じることになる。その
結果、高倍率像と低倍率像の明るさが大きく違ってしま
い、測定精度、アライメント精度の低下につながる。

なお、特開昭64−28611号公報には、低倍率像と高倍
率像の明るさの差を縮小するために、上記第１のハーフ
ミラーと第２のハーフミラーの反射率、透過率の関係
を、高倍率側により多くの光量が分配されるように調整
する光学装置が示されている。しかし、この様な構成で
あっても、高倍率側の開口数が小さいため、絶対的な光
量が不足し、十分な明るさを得ることができないのが現
状であった。

また、上記光学装置の構成では、対物レンズと第１の
ハーフミラーとの間に、照明光を対物レンズに同軸的に
導くために、ハーフミラーが設けられており、光路中に
３つのハーフミラーが設置されることから、光量損失が
大きい。しかも、光量損失を補うために、対物レンズ近
くに照明光学系を設けなければならず、機構が複雑とな
り装置全体が大型化するといった問題もある。

本発明は以上のような実情に鑑みてなされたもので、
倍率変換による光軸ずれの発生を防止でき、高倍率時の
対物レンズの開口数を十分な明るさを得ることのできる
大きな開口数とすることができ、照明効率が良く、光量
損失が少なく、高精度で能率良く測定やアライメントが
できる倍率変換型光学装置を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る倍率変換型
光学装置は、低倍率対物レンズを有する低倍率光路と高
倍率対物レンズを有する高倍率光路とを備えた倍率可変
型光学装置であって、試料から発した光束を分岐して前
記低倍率光路及び前記高倍率光路へそれぞれ導くハーフ
ミラーと、前記試料と前記ハーフミラーの間に配置され
た1/4波長板と、前記低倍率光路及び前記高倍率光路の
互いの結像位置が一致するように両者の光路を合成する
偏光ビームスプリッタと、前記低倍率光路又は前記高倍
率光路のいずれか一方の光路を遮光するための、前記偏
光ビームスプリッタの近傍に配置された挿脱自在な遮光
部材と、前記偏光ビームスプリッタに対して前記高倍率
光路と反対側に配置した照明光源と、を備え、前記高倍
率光路としては、前記試料から発した光束が前記ハーフ
ミラーで偏向され、前記高倍率対物レンズ、第１の反射
鏡及び第２の反射鏡を経て前記偏光ビームスプリッタに
入るように構成されており、前記照明光源からの照明光
を前記偏光ビームスプリッタを介して前記低倍率光路及
び前記高倍率光路に導き、前記試料を同軸的に照明する
ようにした。

前記照明光源と前記偏光ビームスプリッタの間に挿脱
可能な第３の反射鏡を設け、前記第３の反射鏡と前記偏
光ビームスプリッタとの間に同軸照明レンズを設けると
共に、前記第３の反射鏡と前記試料との間に斜光照明レ
ンズを設けるものとした。

〔作 用〕

以上のように構成された本発明によれば、次のような
作用を奏する。すなわち、低倍率光路及び高倍率光路が
夫々独立した対物レンズとして構成できるので、高倍率
側の光学系を構成する対物レンズの開口数を大きくする
ことが可能となる。

また、偏光ビームスプリッタが二つの光路の光軸及び
結像面を一致させる本来の機能のほかに、照明光を各光
学系へ導入するためのハーフミラーとしての機能も併せ
持つので、光学部材が削減され、機構が簡単となって装
置の小型化が図られる。

さらに、照明光は偏光ビームスプリッタによって導か
れた光学系を通って、試料を照明することとなるので、
夫々の対物レンズの開口を満たす照明が可能となり、効
率の良い明るい照明が可能となる。

また、光路合成部材として偏光ビームスプリッタを用
い、試料と前記ハーフミラーとの間に1/4波長板を設け
るようにしたので、さらに光量損失を減少させることが
でき、各レンズ面で反射された照明光が迷光となって像
面に達するのを防止し、コントラストの良い像が得られ
る。

さらに、第３の反射鏡を挿脱させることにより、同軸
照明と遮光照明とを簡単に切換えることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について第１図を参照して説
明する。

第１図は一実施例となる光学装置の光学系の構成を示
す図である。この光学装置は、試料Ｓと像面Ｉとの間の
光軸上に、試料Ｓ側から1/4波長板1,ハーフミラー2,低
倍対物レンズ3,偏光ビームスプリッタ４がそれぞれ配置
されている。1/4波長板１は、偏光変換部材として機能
するもので、その振動方向は偏光ビームスプリッタ４へ
入射して、反射または透過する光の振動方向と45度の角
度をなすように設定されている。ハーフミラー２は、光
路分岐部材として機能し、試料Ｓから発した光束を透
過、および反射することによって分岐する。ハーフミラ
ー２の透過側には上記低倍対物レンズ３が配置され、反
射側には高倍対物レンズ５が配置されている。高倍対物
レンズ５の出射側には反射鏡6,7が配置されている。こ
れら反射鏡6,7は高倍対物レンズ５の光路を変位させて
上記偏光ビームスプリッタ４へ入射させている。偏光ビ
ームスプリッタ４は、低倍対物レンズ３が配置される低
倍率光路と高倍対物レンズ５が配置される高倍率光路と
を合成する光路合成部材として機能する。この偏光ビー
ムスプリッタ４は、入射面に垂直な偏光成分のほとんど
を反射し、入射面に平行な偏光成分のほとんどを透過さ
せる。低倍対物レンズ3,高倍対物レンズ５からそれぞれ
出射し、各々の光路からこの偏光ビームスプリッタ４に
入射し、透過，反射された各光束は像面Ｉに結像する。
それぞれの光路における、偏光ビームスプリッタ4,低倍
対物レンズ３間、及び偏光ビームスプリッタ4,反射鏡７
間には、遮光部材８が挿脱自在に設けられている。

ここで、遮光部材８は、偏光ビームスプリッタ４の近
傍に配置される。なお、「近傍に配置される」の語は、
偏光ビームスプリッタ４から出射した照明光が次の光学
素子（低倍率光路では低倍対物レンズ３、高倍率光路で
は反射鏡７）に入射する手前に配置される旨を意味して
いる。

照明光源10と偏光ビームスプリッタ４との間には、光
源側から反射鏡11,同軸照明レンズ12,減光部材13がそれ
ぞれ配置されている。反射鏡11はこの同軸照明光路に対
して挿脱可能に設けられている。反射鏡11が同軸照明光
路に挿入された状態では、照明光源10からの照明光は反
射鏡11で反射され斜光照明レンズ14に入射し試料Ｓに斜
光照明される。一方、反射鏡11が同軸照明光路から脱し
た状態では、照明光源10からの照明光は同軸照明レンズ
12を通り、減光部材13を介して偏光ビームスプリッタ４
で反射または透過されて同軸照明される。よって、反射
鏡11を挿脱させることによって同軸照明と斜光照明が切
換えられ、同軸照明の光量を減光部材13で所定量減衰さ
せることにより、両照明の光量差を縮小させることがで
きる。

次に、以上のように構成された本実施例の動作につい
て説明する。

低倍率による結像時は、遮光部材８を実線で示すよう
に高倍対物レンズ５側の光路内に挿入する。この様な状
態において、照明光源10を発した照明光は、反射鏡11が
光路より脱した状態にあっては、同軸照明レンズ12を通
り、偏光ビームスプリッタ４に入射する。偏光ビームス
プリッタ４に入射した照明光のうち、入射面に垂直な偏
光成分の大半は反射されて低倍対物レンズ３側の光路に
入り、入射面に平行な偏光成分の大半は透過して高倍対
物レンズ５側の光路に入る。ここで、偏光ビームスプリ
ッタ４を透過した照明光は、遮光部材８で反射して再び
偏光ビームスプリッタ４に入射する。この戻ってきた光
束は入射面に平行な偏光成分であるので、その大半はそ
のまま透過し、反射されて像面に達するのはほんの僅か
であり、結像のコントラストを悪化させるほどではな
い。

偏光ビームスプリッタ４で反射された、入射面に垂直
な偏光成分は、低倍対物レンズ３を通り、ハーフミラー
２及び1/4波長板１を透過し、試料Ｓに入射する。試料
Ｓからの反射光は、再び1/4波長板1,ハーフミラー２を
通り低倍対物レンズ３に入射する。この光束は試料面を
介して1/4波長板１を２回透過するため、1/2波長板を透
過したのと同じこととなり、偏光方向が90度回転する。
したがって、再び低倍対物レンズ３を通り、偏光ビーム
スプリッタ４に入射した光束は、そのほとんどが偏光ビ
ームスプリッタ４を透過して像面Ｉに結像する。なお、
偏光ビームスプリッタ４で反射された照明光が低倍体物
レンズ３の各レンズ面で反射されて、再び偏光ビームス
プリッタ４に入射する光束は、そのほとんどが偏光ビー
ムスプリッタ４において反射されるので、透過して像面
Ｉに達するのは僅かであり像のコントラストを悪化させ
るほどのものではない。

また、高倍対物レンズ５によって高倍率の像を結像さ
せる場合は、図中破線で示すように、遮光部材８を、低
倍対物レンズ３側の光路上に挿入する。そして、上記低
倍率の場合と同様に、照明光源10からの照明光を高倍対
物レンズ５側の光路を介して試料Ｓを照射し、その反射
光が再び元の光路内を通り、偏光ビームスプリッタ４で
反射されて、高倍率像が像面Ｉで結像される。この高倍
率像も、1/4波長板１を２回透過して偏光方向が90度回
転するためハーフミラー２で反射された光束のほとんど
が偏光ビームスプリッタ４で反射されることから、光量
損失が少なくコントラストの良い像が得られる。なお、
照明光は、いずれの倍率の場合であっても1/4波長板１
を１度透過して偏光状態が同じになっているため、変倍
しても像に色付きの差が生じない。

また、反射鏡11を照明光路に挿入した場合には、照明
光源10を発した照明光は反射鏡11で反射され、斜光照明
レンズ14に入射し、試料Ｓを斜めから照明する。この様
にして斜光照明が行われる。なお、本実施例では、同軸
照明光路が試料Ｓよりも比較的離れて構成されているこ
とから、上記のような単純な構成で斜光照明光路が形成
できる。

この様に本実施例によれば、偏光ビームスプリッタ４
が、低倍対物レンズ３側の光路と高倍対物レンズ５側の
光路とを合成する光路合成部材と、照明光をその２つの
光路に分岐する照明光分岐部材とに兼用されるので、機
構が単純となり装置が小型化される。また、偏光ビーム
スプリッタ４で照明光を取込むと共に光路を合成し、1/
4波長板で偏光状態を変化させているので、光量損失が
少なく、各レンズ面で反射された照明光が迷光となって
像面に達するのを防止でき、コントラストの良い像を得
ることができる。

また、低倍対物レンズ３側の光路と、高倍対物レンズ
５側の光路とは、それぞれ独立した光学系として構成で
きるので、高倍対物レンズ５の開口数を大きくすること
ができ、解像力に優れ、かつ明るい像を得ることがで
き、高精度の測定が可能となる。

また、同軸照明光は、それぞれの光路を通って試料を
照明するので、対物レンズの開口を満たす照明が可能と
なり、明るく効率の良い照明を行うことができる。

さらに、反射鏡11を照明光路に挿脱自在に設け、斜光
照明と同軸照明とを選択可能としたので、試料Ｓのパタ
ーンに応じて斜光照明（暗視野照明）と同軸照明（明視
野照明）とを選択でき、SN比の良い照明法に簡単に切換
えることができ、作業能率を向上させることができる。

さらにまた、遮光部材８を任意の光路に挿入すること
により倍率を切換えることができ、倍率を変化させても
光軸ずれがないので、高倍率と低倍率の基準位置の共通
化を図ることができ、高精度で能率の良い測定，アライ
メントを行うことができる。

なお、上記実施例において、同軸照明時の光量損失
や、低倍率像と高倍率像の色付きの差を問題としなけれ
ば、1/4波長板１は他の偏光状態を変化させる部材を用
いることができる。また、偏光ビームスプリッタ４に代
えてハーフミラーを設置し、1/4波長板１を除去した構
成とすることもできる。この場合、遮光部材８は、所定
の角度を持たせて光路中に挿入するように構成する。こ
れは、遮光部材８から反射した照明光が像面Ｉに達して
像のコントラストを悪化させるのを防止するためであ
る。

また、上記した偏光ビームスプリッタを使用しない場
合は、光路合成部材と光路分岐部材のいずれかの透過率
と反射率の関係を、倍率の異なる二つの対物レンズでそ
れぞれ結像される像の明るさがほぼ等しくなるように設
定すれば、変倍による像の明るさの変化が小さく測定能
率を向上できる。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明によれば、倍率変換による
光軸ずれの発生を防止でき、高倍率時の対物レンズの開
口数を十分な明るさを得ることのできる大きな開口数を
得ることができ、照明効率が良く、光量損失が少なく、
高精度で能率良く測定やアライメントができる倍率変換
型光学装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る倍率変換型光学装置の
光学系の構成を示す図である。 １……1/4波長板、２……ハーフミラー、３……低倍対
物ンズ、４……偏光ビームスプリッタ、５……高倍対物
レンズ、6,7……反射鏡、８……遮光部材、10……照明
光源、11……反射鏡、12……同軸照明レンズ、13……減
光部材、14……斜光照明レンズ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】低倍率対物レンズを有する低倍率光路と高
   倍率対物レンズを有する高倍率光路とを備えた倍率可変
   型光学装置であって、 試料から発した光束を分岐して前記低倍率光路及び前記
   高倍率光路へそれぞれ導くハーフミラーと、 前記試料と前記ハーフミラーの間に配置された1/4波長
   板と、 前記低倍率光路及び前記高倍率光路の互いの結像位置が
   一致するように両者の光路を合成する偏光ビームスプリ
   ッタと、 前記低倍率光路又は前記高倍率光路のいずれか一方の光
   路を遮光するための、前記偏光ビームスプリッタの近傍
   に配置された挿脱自在な遮光部材と、 前記偏光ビームスプリッタに対して前記高倍率光路と反
   対側に配置した照明光源と、を備え、 前記高倍率光路は、前記試料から発した光束が前記ハー
   フミラーで偏向され、前記高倍率対物レンズ、第１の反
   射鏡及び第２の反射鏡を経て前記偏光ビームスプリッタ
   に入るように構成されており、 前記照明光源からの照明光を前記偏光ビームスプリッタ
   を介して前記低倍率光路及び前記高倍率光路に導き、前
   記試料を同軸的に照明するようにしたことを特徴とする
   倍率可変型光学装置。
2. 【請求項２】前記照明光源と前記偏光ビームスプリッタ
   の間に挿脱可能な第３の反射鏡を設け、 前記第３の反射鏡と前記偏光ビームスプリッタとの間に
   同軸照明レンズを設けると共に、前記第３の反射鏡と前
   記試料との間に斜光照明レンズを設けたことを特徴とす
   る請求項１記載の倍率可変型光学装置。