JP4765314B2

JP4765314B2 - Illumination optics

Info

Publication number: JP4765314B2
Application number: JP2004376572A
Authority: JP
Inventors: 康晴中島
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP2006184443A

Description

本発明は、光照射面における照度分布を調整可能な照明光学装置に関し、特に、光照射面を均一に照明する場合に好適な照明光学装置に関する。 The present invention relates to an illumination optical apparatus capable of adjusting an illuminance distribution on a light irradiation surface, and more particularly to an illumination optical apparatus suitable for illuminating a light irradiation surface uniformly.

光照射面における照度分布を調整するために、コンデンサレンズの少なくとも一部のレンズ群（以下「調整群」）を光軸方向に移動させることが提案されている（例えば特許文献１〜３を参照）。コンデンサレンズの調整群を移動させると、コンデンサレンズの歪曲収差が変化し、光照射面における照度分布も変化する。光照射面の任意の位置における歪曲収差量Ｖと照度Ｉとの関係は、特許文献３に記載されている通り、コンデンサレンズの全体の焦点距離ｆと定数Ａとを用いて、近似的に次の式(１)により表される。 In order to adjust the illuminance distribution on the light irradiation surface, it has been proposed to move at least a part of the lens group of the condenser lens (hereinafter referred to as “adjustment group”) in the optical axis direction (see, for example, Patent Documents 1 to 3). ). When the adjustment group of the condenser lens is moved, the distortion aberration of the condenser lens changes, and the illuminance distribution on the light irradiation surface also changes. The relationship between the distortion aberration amount V and the illuminance I at an arbitrary position on the light irradiation surface is approximately as follows using the entire focal length f and constant A of the condenser lens as described in Patent Document 3. (1).

また、コンデンサレンズの調整群を移動させたときに、コンデンサレンズの焦点距離が変化しないようにするため、特許文献１では、調整群とは別のレンズ群を移動させて、調整群の移動による焦点距離の変化を補償している。この場合、焦点距離が変化しないため、照度分布の調整時に、照明範囲や照明の開口数(照明ＮＡ)を一定に保つことができる。

Further, in order to prevent the focal length of the condenser lens from changing when the condenser lens adjustment group is moved, in Patent Document 1, a lens group different from the adjustment group is moved to move the adjustment group. Compensates for changes in focal length. In this case, since the focal length does not change, the illumination range and the numerical aperture of illumination (illumination NA) can be kept constant when adjusting the illuminance distribution.

さらに、コンデンサレンズの調整群を移動させたときに、バックフォーカス（つまり作動距離）が変化しないようにするため、特許文献２では、調整群とは別の補正光学系を追加して設け、調整群の移動によるバックフォーカスの変化を補償している。この場合、バックフォーカスが変化しないため、照度分布の調整時に、コンデンサレンズと光照射面との距離を固定したままで照明状態を良好に保つことができる。
特公平４−１３６８６号公報特開平１０−１８９４２７号公報特開平１１−２２４８５３号公報 Further, in order to prevent the back focus (that is, the working distance) from changing when the adjustment group of the condenser lens is moved, in Patent Document 2, a correction optical system different from the adjustment group is additionally provided and adjusted. Compensates for changes in back focus caused by group movement. In this case, since the back focus does not change, it is possible to maintain a good illumination state while fixing the distance between the condenser lens and the light irradiation surface when adjusting the illuminance distribution.
Japanese Patent Publication No. 4-13686 JP-A-10-189427 Japanese Patent Laid-Open No. 11-224853

しかしながら、コンデンサレンズの調整群の移動による焦点距離の変化やバックフォーカスの変化を補償するために、調整群とは別のレンズ群を移動させたり補正光学系を追加して設けるような構成では、コンデンサレンズの構成が複雑化してコストアップになるだけでなく、照度分布の調整作業も煩雑になってしまう。
本発明の目的は、コンデンサレンズの焦点距離とバックフォーカスの変化を伴わずに、光照射面における照度分布を調整できる簡素な照明光学装置を提供することにある。 However, in order to compensate for changes in focal length and back focus due to movement of the condenser lens adjustment group, in a configuration in which a lens group other than the adjustment group is moved or a correction optical system is additionally provided, Not only does the configuration of the condenser lens become complicated and the cost increases, but also the adjustment work of the illuminance distribution becomes complicated.
An object of the present invention is to provide a simple illumination optical device that can adjust the illuminance distribution on the light irradiation surface without changing the focal length and back focus of the condenser lens.

請求項１に記載の照明光学装置は、光源または光源像の側から光照射面に向かって順に、屈折力を有しない第１光学系と、正の屈折力を有する第２光学系とが配置され、前記第１光学系は、前記第２光学系に対して相対位置が可変であり、前記光照射面における照度分布の調整用の光学系である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の照明光学装置において、前記第１光学系は、正の屈折力を有する第３光学系と、絞りと、正の屈折力を有する第４光学系とで構成され、前記第３光学系の後側焦点面と前記絞りと前記第４光学系の前側焦点面とが一致するように配置されるものである。 In the illumination optical device according to claim 1, a first optical system having no refractive power and a second optical system having a positive refractive power are disposed in order from the light source or the light source image side toward the light irradiation surface. The first optical system is an optical system for adjusting an illuminance distribution on the light irradiation surface, the relative position of which is variable with respect to the second optical system.
According to a second aspect of the present invention, in the illumination optical device according to the first aspect, the first optical system includes a third optical system having a positive refractive power, a stop, and a fourth optical power having a positive refractive power. The optical system is arranged such that the rear focal plane of the third optical system, the stop, and the front focal plane of the fourth optical system coincide with each other.

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の照明光学装置において、倍率が等しい複数の前記第１光学系を備え、前記複数の第１光学系のうち何れか１つが選択的に光路内に配置されるものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の照明光学装置において、前記第２光学系は、凹面鏡である。 According to a third aspect of the present invention, in the illumination optical device according to the first or second aspect, the illumination optical device includes a plurality of the first optical systems having the same magnification, and any one of the plurality of first optical systems is It is selectively placed in the optical path.
According to a fourth aspect of the present invention, in the illumination optical device according to any one of the first to third aspects, the second optical system is a concave mirror.

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の照明光学装置において、前記第１光学系の前段にオプティカルインテグレータを備えたものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の照明光学装置において、前記第１光学系の前段に光路長変更手段を備えたものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the illumination optical device according to any one of the first to fourth aspects, an optical integrator is provided in the preceding stage of the first optical system.
According to a sixth aspect of the present invention, in the illumination optical apparatus according to any one of the first to fifth aspects, an optical path length changing means is provided in the preceding stage of the first optical system.

本発明の照明光学装置によれば、コンデンサレンズの焦点距離とバックフォーカスの変化を伴わずに、光照射面における照度分布を調整することができる。 According to the illumination optical device of the present invention, the illuminance distribution on the light irradiation surface can be adjusted without changing the focal length and back focus of the condenser lens.

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の照明光学装置１０は、図１(ａ)に示す通り、光源１１と、屈折力を有しないアフォーカル光学系１２と、正の屈折力を有する集光光学系１３とで構成される。アフォーカル光学系１２と集光光学系１３とは、コンデンサレンズ(１２,１３)として機能する。光源１１からの光束は、コンデンサレンズ(１２,１３)を介して、光照射面１０Ａに導かれる。照明光学装置１０は、光照射面１０Ａを均一に照明する装置である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
As shown in FIG. 1A, the illumination optical device 10 of the first embodiment includes a light source 11, an afocal optical system 12 having no refractive power, and a condensing optical system 13 having a positive refractive power. Is done. The afocal optical system 12 and the condensing optical system 13 function as condenser lenses (12, 13). The light beam from the light source 11 is guided to the light irradiation surface 10A via the condenser lenses (12, 13). The illumination optical device 10 is a device that uniformly illuminates the light irradiation surface 10A.

コンデンサレンズ(１２,１３)は、光源１１と光照射面１０Ａとの間に配置され、かつ、光照射面１０Ａをテレセントリック照明するように配置されている。つまり、コンデンサレンズ(１２,１３)の前側焦点面に光源１１を配置し、後側焦点面を光照射面１０Ａとしている。このため、コンデンサレンズ(１２,１３)から光照射面１０Ａに向かう光束の主光線は、コンデンサレンズ(１２,１３)の光軸に平行となる。 The condenser lenses (12, 13) are disposed between the light source 11 and the light irradiation surface 10A, and are disposed so as to telecentric illuminate the light irradiation surface 10A. That is, the light source 11 is disposed on the front focal plane of the condenser lenses (12, 13), and the rear focal plane is the light irradiation surface 10A. For this reason, the chief ray of the light beam traveling from the condenser lens (12, 13) toward the light irradiation surface 10A is parallel to the optical axis of the condenser lens (12, 13).

また、アフォーカル光学系１２は、２群構成であり、負の屈折力を有する凹レンズ２Ａと、正の屈折力を有する凸レンズ２Ｂとで構成され、その間隔ｄ₁が固定されている。このアフォーカル光学系１２は、ガリレオ型のアフォーカル光学系であり、請求項の「第１光学系」に対応する。ガリレオ型は、正負の２群が互いに収差を打ち消し合うため、光学系全体の収差補正が容易であり、比較的簡素に構成できる。集光光学系１３は、凸レンズからなり、請求項の「第２光学系」に対応する。 In addition, the afocal optical system 12 has a two-group configuration, and includes a concave lens 2A having a negative refractive power and a convex lens 2B having a positive refractive power, and the distance d ₁ is fixed. The afocal optical system 12 is a Galileo type afocal optical system and corresponds to the “first optical system” in the claims. In the Galileo type, since the two positive and negative groups cancel out aberrations, aberration correction of the entire optical system is easy, and a relatively simple configuration can be achieved. The condensing optical system 13 includes a convex lens, and corresponds to a “second optical system” in the claims.

照明光学装置１０を薄肉レンズ系とした場合の屈折力配置を図１(ｂ)に示す。薄肉レンズ系における周知の近軸光線追跡によれば、アフォーカル光学系１２の焦点距離ｆ_Cと屈折力φ_Cは、凹レンズ２Ａの屈折力φ₁(＜０)と、凸レンズ２Ｂの屈折力φ₂(＞０)と、凹レンズ２Ａと凸レンズ２Ｂとの間隔ｄ₁を用い、次の式(２)により表される。また、アフォーカル光学系１２の焦点距離ｆ_Cは無限大（つまり屈折力φ_C＝０）であり、次の式(３)が成り立つ。この式(３)は、次の式(４)のように表すこともできる。式(４)のｆ₁(＝１/φ₁)は凹レンズ２Ａの焦点距離、ｆ₂(＝１/φ₂)は凸レンズ２Ｂの焦点距離に対応する。 FIG. 1B shows the refractive power arrangement when the illumination optical device 10 is a thin lens system. According to the well-known paraxial ray tracing in the thin lens system, the focal length f _C and the refractive power φ _C of the afocal optical system 12 are the refractive power φ ₁ (<0) of the concave lens 2A and the refractive power φ of the convex lens 2B. ₂ (> 0) and the distance d ₁ between the concave lens 2A and the convex lens 2B are expressed by the following equation (2). Further, the focal length f _C of the afocal optical system 12 is infinite (that is, refractive power φ _C = 0), and the following expression (3) is established. This equation (3) can also be expressed as the following equation (4). In Expression (4), f ₁ (= 1 / φ ₁ ) corresponds to the focal length of the concave lens 2A, and f ₂ (= 1 / φ ₂ ) corresponds to the focal length of the convex lens 2B.

さらに、上記のアフォーカル光学系１２は、集光光学系１３に対して相対位置（ここでは間隔ｄ₂）が可変であり、光照射面１０Ａにおける照度分布の調整に用いられる。つまり、アフォーカル光学系１２は、照度分布を調整する際の可動部（調整群）である。アフォーカル光学系１２を光軸方向に移動させて間隔ｄ₂を変化させると、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差が変化し、光照射面１０Ａにおける照度分布も変化する。

Further, the afocal optical system 12 has a variable relative position (here, the distance d ₂ ) with respect to the condensing optical system 13, and is used for adjusting the illuminance distribution on the light irradiation surface 10A. That is, the afocal optical system 12 is a movable part (adjustment group) when adjusting the illuminance distribution. When the afocal optical system 12 is moved in the optical axis direction to change the distance d _2, the distortion of the condenser lens (12, 13) is changed, and changes the illuminance distribution at the light irradiation surface 10A.

光照射面１０Ａの任意の位置における歪曲収差量Ｖと照度Ｉとの関係は、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆと定数Ａとを用いて、上記の式(１)により表される。なお、アフォーカル光学系１２を光照射面１０Ａの方に移動させて歪曲収差をプラス方向に変化させることにより、光照射面１０Ａの周辺部の照度Ｉが減少する。逆に、アフォーカル光学系１２を光源１１の方に移動させて歪曲収差をマイナス方向に変化させることにより、光照射面１０Ａの周辺部の照度Ｉが増加する。 The relationship between the distortion amount V and the illuminance I at an arbitrary position on the light irradiation surface 10A is expressed by the above equation (1) using the focal length f of the condenser lens (12, 13) and the constant A. . Note that the illuminance I at the periphery of the light irradiation surface 10A is reduced by moving the afocal optical system 12 toward the light irradiation surface 10A to change the distortion aberration in the plus direction. Conversely, by moving the afocal optical system 12 toward the light source 11 to change the distortion aberration in the minus direction, the illuminance I in the peripheral portion of the light irradiation surface 10A increases.

このようなアフォーカル光学系１２の移動による照度分布の調整は、例えば、光照射面１０Ａにおける照度均一性を補正するために行われる。つまり、コンデンサレンズ(１２,１３)の製造誤差（例えば光学部材の表面のコート特性の誤差など）に起因して、個体ごとに異なる照度不均一（照度むら）を生じ、要求される高度な照度均一性の仕様を満たさない場合に、アフォーカル光学系１２の移動による照度分布の調整が行われる。この場合、光照射面１０Ａの複数の箇所でモニタした照度Ｉに応じて、その照度Ｉが一致するようにアフォーカル光学系１２を移動させればよい。 The adjustment of the illuminance distribution by the movement of the afocal optical system 12 is performed, for example, to correct the illuminance uniformity on the light irradiation surface 10A. In other words, due to manufacturing errors of the condenser lenses (12, 13) (for example, errors in the coating characteristics of the surface of the optical member), illuminance non-uniformity (irradiance unevenness) that varies from individual to individual occurs, and the required high illuminance. When the uniformity specification is not satisfied, the illuminance distribution is adjusted by moving the afocal optical system 12. In this case, the afocal optical system 12 may be moved so that the illuminance I matches in accordance with the illuminance I monitored at a plurality of locations on the light irradiation surface 10A.

第１実施形態の照明光学装置１０では、集光光学系１３を固定して、アフォーカル光学系１２を光軸方向に移動させ、アフォーカル光学系１２と集光光学系１３との間隔ｄ₂（厳密には主点間距離）を変化させることにより、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖを変化させ、光照射面１０Ａにおける照度分布を調整する。この場合、照度分布の中心対称成分（凹凸むら）を調整することができる。また、照度分布を調整することにより、製造誤差に起因する照度不均一（照度むら）を相殺することができ、光照射面１０Ａにおける照度均一性が向上する。 In the illumination optical device 10 of the first embodiment, the condensing optical system 13 is fixed, the afocal optical system 12 is moved in the optical axis direction, and the distance d ₂ between the afocal optical system 12 and the condensing optical system 13 is reached. By changing (strictly speaking, the distance between principal points), the distortion aberration amount V of the condenser lens (12, 13) is changed, and the illuminance distribution on the light irradiation surface 10A is adjusted. In this case, the centrally symmetric component (unevenness unevenness) of the illuminance distribution can be adjusted. Further, by adjusting the illuminance distribution, illuminance nonuniformity (illuminance unevenness) due to manufacturing errors can be offset, and the illuminance uniformity on the light irradiation surface 10A is improved.

ここで、照度分布を調整する際のコンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆおよびバックフォーカスＢｆについて説明する。
上記と同様の薄肉レンズ系における近軸光線追跡によれば、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆは、一般に、上記のパラメータ（屈折力φ₁,φ₂,間隔ｄ₁）と、集光光学系１３の屈折力φ₃(＞０)と、アフォーカル光学系１２と集光光学系１３との距離ｄ₂と、アフォーカル光学系１２の屈折力φ_Cとを用い、次の式(５),式(６)により表される。 Here, the focal length f and the back focus Bf of the condenser lens (12, 13) when adjusting the illuminance distribution will be described.
According to paraxial ray tracing in a thin lens system similar to the above, the focal length f and back focus Bf of the condenser lens (12, 13) are generally the above parameters (refractive powers φ ₁ , φ ₂ , spacing d _1). ), The refractive power φ ₃ (> 0) of the condensing optical system 13, the distance d ₂ between the afocal optical system 12 and the condensing optical system 13, and the refractive power φ _C of the afocal optical system 12. Are expressed by the following equations (5) and (6).

式(５),式(６)から明らかなように、照度分布を調整するために間隔ｄ₂を変化させても、間隔ｄ₂の変化はアフォーカル光学系１２の屈折力φ_C＝０との積によって打ち消されるため、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆが変化することはない。すなわち、間隔ｄ₂を変化させても、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆを一定に保つことができる。

Equation (5), as is apparent from equation (6), also by changing the distance d ₂ in order to adjust the illuminance distribution, changes in the distance d ₂ from the refractive power phi _C = 0 of the afocal optical system 12 Therefore, the focal length f and the back focus Bf of the condenser lens (12, 13) do not change. That is, even if the distance d ₂ is changed, the focal length f and the back focus Bf of the condenser lens (12, 13) can be kept constant.

したがって、第１実施形態の照明光学装置１０では、アフォーカル光学系１２の移動により間隔ｄ₂を変化させることで、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆの変化を伴わずに、光照射面１０Ａにおける照度分布を調整することができる。さらに、従来装置のような補償光学系を別に設ける必要がないため、コンデンサレンズ(１２,１３)の構成が簡素になり、低コスト化が図られる。また、照度分布の調整作業の簡略化も図られる。 Therefore, in the illumination optical device 10 according to the first embodiment, the distance d ₂ is changed by the movement of the afocal optical system 12 so that the focal length f of the condenser lenses (12, 13) and the back focus Bf are not changed. In addition, the illuminance distribution on the light irradiation surface 10A can be adjusted. Further, since it is not necessary to separately provide a compensation optical system as in the conventional apparatus, the configuration of the condenser lenses (12, 13) is simplified and the cost can be reduced. In addition, the adjustment work of the illuminance distribution can be simplified.

上記の式(５),式(６)にアフォーカル光学系１２の屈折力φ_C＝０を代入し、上記の式(４)を用いて変形すると、次の式(７),式(８)を得ることができる。式(７)のｆ₁,ｆ₂は凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの焦点距離に対応する。式(７),式(８)のｆ₃(＝１/φ₃)は集光光学系１３の焦点距離（有限値）である。また、ｍ_Cは凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの焦点距離の比（ｍ_C＝−ｆ₂/ｆ₁）であり、アフォーカル光学系１２の倍率を表す。 Substituting the refractive power φ _C = 0 of the afocal optical system 12 into the above formulas (5) and (6) and transforming using the above formula (4), the following formulas (7) and (8) ) Can be obtained. In Equation (7), f ₁ and f ₂ correspond to the focal lengths of the concave lens 2A and the convex lens 2B. In the equations (7) and (8), f ₃ (= 1 / φ ₃ ) is the focal length (finite value) of the condensing optical system 13. M _C is the ratio of the focal lengths of the concave lens 2A and the convex lens 2B (m _C = −f ₂ / f ₁ ), and represents the magnification of the afocal optical system 12.

例えば、第１実施形態の照明光学装置１０の各パラメータのうち、光照射面１０Ａにおける照明領域の大きさＤ₂＝６０ｍｍ、光照射面１０Ａを照明する光束の開口数ＮＡ＝０.０５、コンデンサレンズ(１２,１３)のバックフォーカスＢｆ＝１２５ｍｍ、光源１１の大きさＤ₁＝１０ｍｍとする。

For example, among the parameters of the illumination optical apparatus 10 according to the first embodiment, the size D ₂ of the illumination area on the light irradiation surface 10A = 60 mm, the numerical aperture NA of the light beam that illuminates the light irradiation surface 10A = 0.05, the condenser The back focus Bf of the lenses (12, 13) is set to 125 mm, and the size D ₁ of the light source 11 is set to 10 mm.

コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆは、光源１１の大きさＤ₁と光照射面１０Ａにおける照明光の開口数ＮＡとを用いて、次の式(９)により表される。そして、式(９)にＤ₁＝１０ｍｍとＮＡ＝０.０５を代入すると、コンデンサレンズ(１２,１３)の好適な焦点距離ｆ＝１００ｍｍとなる。
ｆ＝Ｄ₁/(２×ＮＡ) …(９)
また、上記の式(８)にＢｆ＝１２５ｍｍを代入すると、集光光学系１３の好適な焦点距離ｆ₃＝１２５ｍｍとなる。ただし、式(８)は、厚みの無い仮想的なレンズにおける説明であるため、厳密には、実際のレンズの厚みに応じてバックフォーカスＢｆが１２５ｍｍより若干短くなる場合がある。実際のレンズ設計の際には、この薄肉レンズ系の光線追跡に基づく式(７),(８)と現実のレンズとの差異を踏まえ、各レンズの焦点距離,間隔を修正する必要がある。 The focal length f of the condenser lens (12, 13), by using the numerical aperture NA of the illumination light in the size D ₁ and the light irradiation face 10A of the light source 11 is represented by the following equation (9). Substituting D ₁ = 10 mm and NA = 0.05 into Equation (9) results in a suitable focal length f = 100 mm for the condenser lens (12, 13).
f = D ₁ / (2 × NA) (9)
Further, when Bf = 125 mm is substituted into the above equation (8), a suitable focal length f _{3 of the} condensing optical system 13 is 125 mm. However, since equation (8) is an explanation for a virtual lens having no thickness, strictly speaking, the back focus Bf may be slightly shorter than 125 mm depending on the actual thickness of the lens. When designing an actual lens, it is necessary to correct the focal length and interval of each lens in consideration of the difference between the equations (7) and (8) based on the ray tracing of this thin lens system and the actual lens.

上記の式(７)にｆ₃＝１２５ｍｍとｆ＝１００ｍｍを代入すると、アフォーカル光学系１２の好適な倍率ｍ_C＝１.２５となる。この場合、凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの組み合わせとしては、例えば、凹レンズ２Ａの焦点距離ｆ₁＝−４０ｍｍとし、凸レンズ２Ｂの焦点距離ｆ₂＝５０ｍｍとすることが考えられる。この場合、上記の式(４)から、凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの間隔ｄ₁＝１０ｍｍとなる。 Substituting f ₃ = 125 mm and f = 100 mm into the above equation (7) yields a suitable magnification m _c = 1.25 of the afocal optical system 12. In this case, as a combination of the concave lens 2A and the convex lens 2B, for example, the focal length f ₁ of the concave lens 2A may be −40 mm, and the focal length f ₂ of the convex lens 2B may be 50 mm. In this case, from the above equation (4), the distance d ₁ between the concave lens 2A and the convex lens 2B is d ₁ = 10 mm.

次に、第１実施形態の照明光学装置１０において照度分布を調整する際の歪曲収差量Ｖの中心値について説明する。光照射面１０Ａには、仮に製造誤差に起因する照度不均一が存在しなくても、光源１１から放射される光の配光分布に起因する照度不均一が存在する。このため、光源１１に起因する照度不均一を相殺できるような歪曲収差量Ｖを予め求めておき、これを中心値とすることが好ましい。 Next, the center value of the distortion amount V when adjusting the illuminance distribution in the illumination optical apparatus 10 of the first embodiment will be described. Even if there is no illuminance non-uniformity due to manufacturing errors on the light irradiation surface 10A, there is non-uniform illuminance due to the light distribution of the light emitted from the light source 11. For this reason, it is preferable to obtain in advance a distortion aberration amount V that can cancel out the uneven illuminance caused by the light source 11 and use this as the center value.

光源１１から放射される光の配光分布がランバート則を満たす場合、光源１１から光軸方向に放射される光の強度をＩ₀とすると、光軸に対して斜め方向（θ方向）に放射される光の強度Ｉ(θ)は、次の式(１０)により表される。強度Ｉ₀,Ｉ(θ)は、光照射面１０Ａにおける強度である。
Ｉ(θ)＝Ｉ₀×cosθ …(１０)
さらに、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖ＝０の場合、光軸に対して斜め方向（θ方向）に放射される光が、光照射面１０Ａに到達する点の光軸からの距離（つまり像高ｙ）は、光の放射方向の傾斜角θと、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとを用いて、次の式(１１)により表される。 When the light distribution of light emitted from the light source 11 satisfies the Lambert law, if the intensity of light emitted from the light source 11 in the optical axis direction is I ₀ , the light is emitted obliquely (θ direction) with respect to the optical axis. The intensity I (θ) of the emitted light is expressed by the following equation (10). Intensities I ₀ and I (θ) are intensities at the light irradiation surface 10A.
I (θ) = I ₀ × cos θ (10)
Further, when the distortion aberration amount V = 0 of the condenser lens (12, 13), the light emitted in the oblique direction (θ direction) with respect to the optical axis is from the optical axis at the point where it reaches the light irradiation surface 10A. The distance (that is, the image height y) is expressed by the following equation (11) using the inclination angle θ in the light emission direction and the focal length f of the condenser lens (12, 13).

ｙ＝ｆ×tanθ …(１１)
このため、例えば光照射面１０Ａにおける照明領域の大きさＤ₂を６０ｍｍとし、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆ＝１００ｍｍとする場合、照明領域の最外周部（つまり像高ｙ＝３０ｍｍの点）に到達する光の傾斜角θmax＝１６.７°となる。そして、傾斜角θmax＝１６.７°を上記の式(１０)に代入すると、照明領域の最外周部（像高ｙ＝３０ｍｍ）における光の強度Ｉ(θmax)＝０.９６×Ｉ₀となる。 y = f × tan θ (11)
Thus, for example, the magnitude D ₂ of the illumination region in the light irradiation face 10A and 60 mm, if the focal length f = 100 mm of the condenser lens (12, 13), the outermost peripheral portion (i.e. image height y = 30 mm in the illumination region The inclination angle θmax of the light reaching the point (1) is 16.7 °. When the inclination angle θmax = 16.7 ° is substituted into the above equation (10), the light intensity I (θmax) = 0.96 × I _{0 at} the outermost peripheral portion (image height y = 30 mm) of the illumination area is Become.

すなわち、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖ＝０と仮定した場合、照明領域の最外周部（像高ｙ＝３０ｍｍ）における光の強度Ｉ(θmax)は、照明領域の中心部（像高ｙ＝０）における強度Ｉ₀の約９６％となる。このときの照度分布を図２(ａ)に実線で示す。図２(ａ)の横軸は像高ｙを表し、縦軸は光の強度を表す。
このような光源１１に起因する照度不均一を補正して図２(ｂ)のような照度分布を得るために必要なコンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖは、次のようにして求めることができる。まず、上記の式(１)に、補正前の強度Ｉ(θmax)＝０.９６×Ｉ₀と、そのときの歪曲収差量Ｖ＝０を代入し、次の関係式(１２)を得る。また同様に、補正後の所望の強度Ｉ₀を代入し、次の関係式(１３)を得る。 That is, when it is assumed that the distortion aberration amount V = 0 of the condenser lens (12, 13), the light intensity I (θmax) at the outermost peripheral portion (image height y = 30 mm) of the illumination region is the central portion of the illumination region ( This is about 96% of the intensity I _{0 at} the image height y = 0). The illuminance distribution at this time is shown by a solid line in FIG. In FIG. 2A, the horizontal axis represents the image height y, and the vertical axis represents the light intensity.
The distortion aberration amount V of the condenser lens (12, 13) necessary for correcting the illuminance non-uniformity caused by the light source 11 to obtain the illuminance distribution as shown in FIG. 2B is as follows. Can be sought. First, the intensity I (θmax) = 0.96 × I ₀ before correction and the distortion aberration amount V = 0 at that time are substituted into the above equation (1) to obtain the following relational equation (12). Similarly, the desired intensity I ₀ after correction is substituted to obtain the following relational expression (13).

そして、上記の式(１２),(１３)から“０.９６×(１−４Ｖ)＝１”となり、照明領域の最外周部（像高ｙ＝３０ｍｍ）で、中心部（像高ｙ＝０）と同じ強度Ｉ₀を得るためには、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖ≒−１％とすることが必要であると分かる。この歪曲収差量Ｖ≒−１％は、光源１１に起因する照度不均一を相殺可能な歪曲収差量Ｖである。そして、この歪曲収差量Ｖ≒−１％を、照度分布の調整時の中心値とすることが望ましい。照度分布の調整によって製造誤差に起因する照度不均一を補正する場合には、上記の中心値（Ｖ≒−１％）から歪曲収差量Ｖを増減させればよい。

Then, from the above equations (12) and (13), “0.96 × (1−4V) = 1”, and the outermost peripheral portion (image height y = 30 mm) of the illumination area, the central portion (image height y = It can be seen that in order to obtain the same intensity I ₀ as 0), it is necessary to set the distortion aberration amount V≈−1% of the condenser lenses (12, 13). This distortion aberration amount V≈−1% is a distortion aberration amount V that can cancel the uneven illuminance caused by the light source 11. Then, it is desirable that this distortion aberration amount V≈−1% be the center value when adjusting the illuminance distribution. When correcting the illuminance non-uniformity caused by the manufacturing error by adjusting the illuminance distribution, the distortion aberration amount V may be increased or decreased from the above-mentioned center value (V≈−1%).

また、第１実施形態の照明光学装置１０では、アフォーカル光学系１２の移動範囲によって、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖの増減範囲が決まり、その結果、光照射面１０Ａにおける照度分布の調整範囲も決まる。このため、製造誤差に起因する照度不均一の程度（個体差）を考慮して、必要となる照度分布の調整範囲（例えば±２％）を決定し、この調整範囲を実現可能な歪曲収差量Ｖの増減範囲（例えば±０.５％）に応じて、アフォーカル光学系１２を設計すればよい。 In the illumination optical device 10 of the first embodiment, the range of increase or decrease of the distortion amount V of the condenser lens (12, 13) is determined by the moving range of the afocal optical system 12, and as a result, the illuminance on the light irradiation surface 10A. The distribution adjustment range is also determined. For this reason, considering the degree of illuminance non-uniformity caused by manufacturing errors (individual differences), the adjustment range (for example, ± 2%) of the required illuminance distribution is determined, and the distortion aberration amount that can realize this adjustment range The afocal optical system 12 may be designed in accordance with the increase / decrease range of V (for example, ± 0.5%).

上記のように、第１実施形態の照明光学装置１０では、コンデンサレンズ(１２,１３)の中でアフォーカル光学系１２を光源１１側に配置し、アフォーカル光学系１２を照度分布の調整に用いるため、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆの変化を伴わずに、光照射面１０Ａにおける照度分布を調整できる。つまり、アフォーカル光学系１２を移動させるだけで、焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆを一定に保ちつつ、照度分布を調整できる。 As described above, in the illumination optical device 10 according to the first embodiment, the afocal optical system 12 is arranged on the light source 11 side in the condenser lenses (12, 13), and the afocal optical system 12 is used for adjusting the illuminance distribution. Therefore, the illuminance distribution on the light irradiation surface 10A can be adjusted without changing the focal length f and the back focus Bf of the condenser lens (12, 13). That is, the illuminance distribution can be adjusted while keeping the focal length f and the back focus Bf constant only by moving the afocal optical system 12.

したがって、照度分布の調整時に、照明領域の大きさＤ₂(例えば６０ｍｍ)や照明ＮＡ(例えば０.０５)を一定に保つことができる。さらに、コンデンサレンズ(１２,１３)と光照射面１０Ａとの距離を固定したままで照明状態を良好に保つことができる。このような照明光学装置１０は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの固体撮像素子の検査装置や、半導体検査装置、半導体露光装置などに適用できる。 Therefore, when adjusting the illuminance distribution, the size D ₂ (for example, 60 mm) and the illumination NA (for example, 0.05) of the illumination area can be kept constant. Furthermore, the illumination state can be kept good with the distance between the condenser lenses (12, 13) and the light irradiation surface 10A fixed. Such an illumination optical device 10 can be applied to a solid-state imaging device inspection device such as a CCD or CMOS sensor, a semiconductor inspection device, a semiconductor exposure device, or the like.

固体撮像素子の検査に用いる場合、照明光学装置１０の光照射面１０Ａには、検査対象の固体撮像素子の撮像面が配置される。固体撮像素子は、２次元光学センサとして広い分野で使用される。近年の電子カメラの普及に伴って、画素数の大きな固体撮像素子が実用化され、各画素の前面にマイクロレンズを備えたものも実用化されている。マイクロレンズは各画素での受光量を増やすと共に受光方向を特定方向に限定するためのものである。 When used for the inspection of the solid-state imaging device, the imaging surface of the solid-state imaging device to be inspected is disposed on the light irradiation surface 10 </ b> A of the illumination optical device 10. A solid-state imaging device is used in a wide field as a two-dimensional optical sensor. With the spread of electronic cameras in recent years, solid-state imaging devices having a large number of pixels have been put into practical use, and those equipped with a microlens on the front surface of each pixel have also been put into practical use. The microlens increases the amount of light received by each pixel and limits the light receiving direction to a specific direction.

固体撮像素子の検査は、固体撮像素子の製造工程においてウエハから切り出される前にウエハ状態で行われ、画素欠陥の有無,光に対する感度,色再現性,分光特性などを調べるものである。また、第１実施形態の照明光学装置１０の他に、不図示のプローバーと信号処理装置を用いて行われる。プローバーは、固体撮像素子の回路の電極に、電気端子(プローブ)を接触させるための装置である。信号処理装置は、プローブを介して固体撮像素子への電力の供給や固体撮像素子との信号の授受を行い、固体撮像素子の出力信号が適正か否か（つまり固体撮像素子の良否）を判定する装置である。 The inspection of the solid-state imaging device is performed in a wafer state before being cut out from the wafer in the manufacturing process of the solid-state imaging device, and examines the presence / absence of pixel defects, sensitivity to light, color reproducibility, spectral characteristics, and the like. Further, in addition to the illumination optical device 10 of the first embodiment, a prober and a signal processing device (not shown) are used. The prober is a device for bringing an electric terminal (probe) into contact with an electrode of a circuit of a solid-state imaging device. The signal processing device supplies power to the solid-state image sensor and sends / receives signals to / from the solid-state image sensor via the probe, and determines whether the output signal of the solid-state image sensor is appropriate (that is, whether the solid-state image sensor is good or bad) It is a device to do.

固体撮像素子の製造工程では、全ての単位画素の素子に欠陥がないことを検査する必要がある。この検査は、照度平均値±１.５％程度の高い照度均一性を有する照明光で垂直方向から所定の開口数にて固体撮像素子を照明し、各素子からの出力が規定値になっているかどうかを調べることにより行われる。なお、このような固体撮像素子検査用照明装置の構成例として例えば特開２０００−２９５６３９等がある。 In the manufacturing process of the solid-state imaging device, it is necessary to inspect that all the unit pixel devices are free from defects. In this inspection, the solid-state imaging device is illuminated with a predetermined numerical aperture from the vertical direction with illumination light having high illuminance uniformity of about ± 1.5% of illuminance average value, and the output from each device becomes a specified value It is done by checking whether or not. An example of the configuration of such a lighting device for inspecting a solid-state imaging device is, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-295539.

また、半導体素子や液晶基板の製造に用いられる露光装置では、光照射面１０Ａにレチクルが配置され、レチクル上に形成された回路パターンを照明光学装置１０で照明し、このパターンを投影光学系により感光剤（レジストなど）を塗布した感光基板（ガラスプレートやシリコンウエハなど）に結像転写するフォトリソグラフィ工程が用いられる。この露光装置において、レチクル面上の照明が均一でない場合、感光基板上に形成されるパターンの線幅が不均一になる。そのため半導体素子や液晶基板の露光装置には高い照度均一性が求められ、第１実施形態の照明光学装置１０を用いることが有効である。 In an exposure apparatus used for manufacturing a semiconductor element or a liquid crystal substrate, a reticle is arranged on the light irradiation surface 10A, and a circuit pattern formed on the reticle is illuminated by the illumination optical apparatus 10, and this pattern is projected by a projection optical system. A photolithography process is used in which an image is transferred to a photosensitive substrate (such as a glass plate or a silicon wafer) coated with a photosensitive agent (such as a resist). In this exposure apparatus, when the illumination on the reticle surface is not uniform, the line width of the pattern formed on the photosensitive substrate becomes non-uniform. Therefore, high illuminance uniformity is required for an exposure apparatus for a semiconductor element or a liquid crystal substrate, and it is effective to use the illumination optical apparatus 10 of the first embodiment.

なお、上記した第１実施形態では、アフォーカル光学系１２の光源１１側に凹レンズ２Ａを配置し、その後段に凸レンズ２Ｂを配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば図３に示す通り、光源１１側に凸レンズ２Ｃを配置し、その後段に凹レンズ２Ｄを配置しても、ガリレオ型のアフォーカル光学系を構成することができる。
また、上記した第１実施形態では、アフォーカル光学系１２を光軸方向に移動させる例を説明したが、本発明はこれに限定されない。アフォーカル光学系１２を光軸に対して偏心方向に移動させても構わない。この場合、光照射面１０Ａにおける照度分布の傾斜成分（中心非対称成分）を調整することができる。この調整時にも、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆを一定に保つことができる。 In the first embodiment described above, the concave lens 2A is disposed on the light source 11 side of the afocal optical system 12, and the convex lens 2B is disposed on the subsequent stage. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 3, a Galileo afocal optical system can be configured by arranging a convex lens 2C on the light source 11 side and a concave lens 2D on the subsequent stage.
In the first embodiment described above, the example in which the afocal optical system 12 is moved in the optical axis direction has been described. However, the present invention is not limited to this. The afocal optical system 12 may be moved in the eccentric direction with respect to the optical axis. In this case, the gradient component (center asymmetric component) of the illuminance distribution on the light irradiation surface 10A can be adjusted. Even during this adjustment, the focal length f and the back focus Bf of the condenser lens (12, 13) can be kept constant.

さらに、複数のアフォーカル系１２を予め用意し、このうち何れか１つを選択的に光路内に配置するように構成してもよい。ただし、全てのアフォーカル光学系１２は、その倍率ｍ_Cが互いに等しくなるように、凹レンズ２Ａ(または凸レンズ２Ｃ)の焦点距離ｆ₁と凸レンズ２Ｂ(または凹レンズ２Ｄ)の焦点距離ｆ₂との組み合わせが決められている。複数のアフォーカル系１２を使い分けることで、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖの増減範囲をシフトさせることができるため、光照射面１０Ａにおける照度分布の調整範囲を広げることができる。アフォーカル光学系１２の交換時にも、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆを一定に保つことができる。
（第２実施形態）
第２実施形態の照明光学装置２０は、図４(ａ)に示す通り、上記したガリレオ型のアフォーカル光学系１２に代えて、ケプラー型のアフォーカル光学系１５を用いたものである。照明光学装置２０を薄肉レンズ系とした場合の屈折力配置を図４(ｂ)に示す。 Further, a plurality of afocal systems 12 may be prepared in advance, and any one of them may be selectively disposed in the optical path. However, the combination of all of the afocal optical system 12, as its magnification m _C are equal to each other, the focal length f ₂ of the concave lens 2A (or convex lens 2C) focal length f ₁ and a convex lens 2B (or concave 2D) Is decided. By properly using a plurality of afocal systems 12, the increase / decrease range of the distortion aberration amount V of the condenser lens (12, 13) can be shifted, so that the adjustment range of the illuminance distribution on the light irradiation surface 10A can be expanded. Even when the afocal optical system 12 is replaced, the focal length f and the back focus Bf of the condenser lenses (12, 13) can be kept constant.
(Second Embodiment)
The illumination optical device 20 of the second embodiment uses a Kepler type afocal optical system 15 instead of the above-described Galileo type afocal optical system 12 as shown in FIG. FIG. 4B shows the refractive power arrangement when the illumination optical device 20 is a thin lens system.

ケプラー型のアフォーカル光学系１５は、２群構成であり、２群の双方が正の屈折力を有する凸レンズ５Ａ,５Ｂにより構成される。また、凸レンズ５Ａ,５Ｂの間に絞り５Ｃが配置され、光源１１側の凸レンズ５Ａの後側焦点面と絞り５Ｃと光照射面１０Ａ側の凸レンズ５Ｂの前側焦点面とが一致するように配置されている。
さらに、絞り５Ｃの配置面Ｆ（図４(ｂ)）は光照射面１０Ａと共役である。この場合、絞り５Ｃは、照野を制限する照野絞りとして機能する。したがって、第２実施形態の照明光学装置２０では、光照射面１０Ａの照明領域の形状を絞り５Ｃの形状と概ね相似に制限できる。また、絞り５Ｃを異なる寸法形状のものに交換する（または絞り５Ｃを径可変の虹彩絞りとする）ことで、照明領域を可変にすることもできる。その他、絞り５Ｃを設けたことにより、光学系の迷光による悪影響を低減できる。 The Kepler type afocal optical system 15 has a two-group configuration, and both the two groups are configured by convex lenses 5A and 5B having positive refractive power. A diaphragm 5C is arranged between the convex lenses 5A and 5B, and is arranged so that the rear focal plane of the convex lens 5A on the light source 11 side coincides with the front focal plane of the diaphragm 5C and the convex lens 5B on the light irradiation surface 10A side. ing.
Furthermore, the arrangement surface F (FIG. 4B) of the diaphragm 5C is conjugate with the light irradiation surface 10A. In this case, the stop 5C functions as an illumination field stop that limits the illumination field. Therefore, in the illumination optical device 20 according to the second embodiment, the shape of the illumination area of the light irradiation surface 10A can be limited to be approximately similar to the shape of the stop 5C. Further, the illumination area can be made variable by replacing the diaphragm 5C with one having a different size and shape (or making the diaphragm 5C a variable diameter iris diaphragm). In addition, by providing the diaphragm 5C, it is possible to reduce the adverse effects of the optical system due to stray light.

さらに、第２実施形態の照明光学装置２０でも、上記の式(７),(８)にしたがって各パラメータを求めることができる。例えば、照明領域の大きさＤ₂＝６０ｍｍ、照明ＮＡ＝０.０５、バックフォーカスＢｆ＝１２５ｍｍ、光源１１の大きさＤ₁＝１０ｍｍとし、光源１１の配光分布がランバート則（式(１０)）を満たす場合、各パラメータの好適な値は次のようになる。 Furthermore, also in the illumination optical device 20 of the second embodiment, each parameter can be obtained according to the above equations (7) and (8). For example, the size D ₂ of the illumination area is 60 mm, the illumination NA is 0.05, the back focus Bf is 125 mm, the size D _{1 of} the light source 11 is 10 mm, and the light distribution of the light source 11 is Lambert's law (formula (10) ), The preferred values for each parameter are as follows:

コンデンサレンズ(１５,１３)の焦点距離ｆ＝−１００ｍｍ、歪曲収差量Ｖの調整中心値Ｖ≒−１％、集光光学系１３の焦点距離ｆ₃＝１２５ｍｍ、アフォーカル光学系１５の倍率ｍ_C＝１.２５、凹レンズ５Ａの焦点距離ｆ₁＝４０ｍｍ、凸レンズ５Ｂの焦点距離ｆ₂＝５０ｍｍである。
また、絞り５Ｃと光照射面１０Ａとの倍率Ｍは、凸レンズ５Ｂの焦点距離ｆ₂＝５０ｍｍと、集光光学系１３の焦点距離ｆ₃＝１２５ｍｍとを用い、Ｍ＝１２５/５０＝２.５となる。この場合、光照射面１０Ａにおける照明領域の大きさＤ₂＝６０ｍｍとするためには、絞り５Ｃの直径を２４ｍｍとすればよい。 The focal length f of the condenser lens (15, 13) = − 100 mm, the adjustment center value V≈−1% of the distortion amount V, the focal length f ₃ of the condensing optical system 13 = 125 mm, the magnification m of the afocal optical system 15 _C = 1.25, the focal length f ₁ of the concave lens 5A = 40 mm, and the focal length f ₂ of the convex lens 5B = 50 mm.
Further, the magnification M between the diaphragm 5C and the light irradiation surface 10A is obtained by using the focal length f ₂ = 50 mm of the convex lens 5B and the focal length f ₃ = 125 mm of the condensing optical system 13 and M = 125/50 = 2. 5 In this case, in order to set the size D ₂ of the illumination area on the light irradiation surface 10A to 60 mm, the diameter of the diaphragm 5C may be set to 24 mm.

なお、ケプラー型のアフォーカル光学系１５を用いる場合には、アフォーカル光学系１５の倍率ｍ_Cが負となり、コンデンサレンズ(１５,１３)の焦点距離ｆも負となるが、光照射面１０Ａにおける照明状態に本質的な違いはない。
第２実施形態の照明光学装置２０では、ケプラー型のアフォーカル光学系１５の移動により間隔ｄ₂を変化させることで、コンデンサレンズ(１５,１３)の焦点距離ｆとバックフォーカスＢｆの変化を伴わずに、光照射面１０Ａにおける照度分布を調整することができる。また、第２実施形態でも、アフォーカル光学系１５を光軸に対して偏心方向に移動させることで、照度分布の傾斜成分を調整できる。さらに、複数のアフォーカル光学系１５を使い分けることで、照度分布の調整範囲を広げることもできる。 When the Kepler type afocal optical system 15 is used, the magnification m _C of the afocal optical system 15 is negative and the focal length f of the condenser lens (15, 13) is also negative, but the light irradiation surface 10A. There is no essential difference in lighting conditions.
In the illumination optical apparatus 20 according to the second embodiment, the distance d ₂ is changed by the movement of the Kepler type afocal optical system 15, thereby causing a change in the focal length f and the back focus Bf of the condenser lens (15, 13). Without being limited, the illuminance distribution on the light irradiation surface 10A can be adjusted. Also in the second embodiment, the inclination component of the illuminance distribution can be adjusted by moving the afocal optical system 15 in the decentered direction with respect to the optical axis. Furthermore, the illuminance distribution adjustment range can be expanded by properly using a plurality of afocal optical systems 15.

上記した第２実施形態では、２群構成のケプラー型のアフォーカル光学系１２を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。アフォーカル光学系として３枚以上のレンズからなる構成を採用することもできる。
（第３実施形態）
第３実施形態の照明光学装置３０は、図５(ａ)に示す通り、上記した第１実施形態の照明光学装置１０のアフォーカル光学系１２の前段に光路長変更機構(３１,３２)を設けたものである。光路長変更機構(３１,３２)は、厚さの異なる複数の平行平面板３１,３２,…を有し、このうち何れか１つを選択的に光路内に配置できるようになっている。 In the second embodiment described above, the Kepler type afocal optical system 12 having a two-group configuration has been described as an example, but the present invention is not limited to this. A configuration comprising three or more lenses can also be employed as the afocal optical system.
(Third embodiment)
As shown in FIG. 5A, the illumination optical apparatus 30 according to the third embodiment includes an optical path length changing mechanism (31, 32) in front of the afocal optical system 12 of the illumination optical apparatus 10 according to the first embodiment. It is provided. The optical path length changing mechanism (31, 32) has a plurality of parallel flat plates 31, 32,... Having different thicknesses, and any one of them can be selectively arranged in the optical path.

平行平面板３１,３２,…を配置することで、その厚さに応じて、光源１１からコンデンサレンズ(１２,１３)までの光路長を変更することができる。このような平行平面板３１,３２,…の切り替えは、光照射面１０Ａにおける照度分布を調整する際、アフォーカル光学系１２の移動量に応じて行われる。
光路長変更機構(３１,３２)を設けない場合、アフォーカル光学系１２を光軸方向に移動させると、コンデンサレンズ(１２,１３)の前側焦点面の位置が変化する。このため、光源１１の位置が固定である場合には、照度分布の調整に応じて光照射面１０Ａでのテレセントリシティが変化してしまう。 By arranging the plane parallel plates 31, 32,..., The optical path length from the light source 11 to the condenser lenses (12, 13) can be changed according to the thickness thereof. .. Is switched according to the amount of movement of the afocal optical system 12 when adjusting the illuminance distribution on the light irradiation surface 10A.
When the optical path length changing mechanism (31, 32) is not provided, when the afocal optical system 12 is moved in the optical axis direction, the position of the front focal plane of the condenser lens (12, 13) changes. For this reason, when the position of the light source 11 is fixed, the telecentricity on the light irradiation surface 10A changes according to the adjustment of the illuminance distribution.

しかし、第３実施形態の照明光学装置３０では、光路長変更機構(３１,３２)を用いることによって、コンデンサレンズ(１２,１３)の前側焦点面と光源１１とを常に一致させることができ、テレセントリシティの変化を補償することができる。
例えば、アフォーカル光学系１２の倍率ｍ_C(＝−ｆ₂/ｆ₁)の絶対値が｜ｍ_C｜＜１の場合には、アフォーカル光学系１２を光照射面１０Ａの方に移動させたときに厚い平行平面板(３２)を挿入し、光源１１の方に移動させたときに薄い平行平面板(３１)を挿入する（または全ての平行平面板を退避させる）。また、｜ｍ_C｜＞１の場合には、光照射面１０Ａの方に移動させたときに薄い平行平面板(３１)を挿入し（または全ての平行平面板を退避させ）、光源１１の方に移動させたときに厚い平行平面板(３２)を挿入する。 However, in the illumination optical device 30 of the third embodiment, by using the optical path length changing mechanism (31, 32), the front focal plane of the condenser lens (12, 13) and the light source 11 can always be matched, A change in telecentricity can be compensated.
For example, when the absolute value of the magnification m _C (= −f ₂ / f ₁ ) of the afocal optical system 12 is | m _C | <1, the afocal optical system 12 is moved toward the light irradiation surface 10A. When inserted, a thick plane parallel plate (32) is inserted, and when moved toward the light source 11, a thin plane parallel plate (31) is inserted (or all the plane parallel plates are retracted). If | m _C |> 1, a thin parallel plane plate (31) is inserted (or all parallel plane plates are retracted) when moved toward the light irradiation surface 10A, and the light source 11 A thick plane parallel plate (32) is inserted when moved in the direction.

第３実施形態の照明光学装置３０では、第１実施形態の効果に加えて、照度分布を調整する際のテレセントリシティの変化を補償することも可能となる。そのため、照明光学装置１０により照明された物体を撮像して検査する装置（例えば半導体検査装置）や、投影光学系により投影する装置（例えば半導体露光装置）などに特に好適である。
なお、上記した光路長変更機構(３１,３２)に代えて、図５(ｂ)に示すような光路長変更機構(３３,３４)を設けた場合にも、上記と同様の効果を得ることができる。ただし、光路長変更機構(３３,３４)では、２枚の偏角プリズム３３,３４のうち何れか一方を光軸と垂直方向に移動させるため、光路長を連続的に変更することができ、照度分布を調整する際のテレセントリシティの変化を連続的に補償することが可能となる。 In the illumination optical device 30 of the third embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, it is also possible to compensate for a change in telecentricity when adjusting the illuminance distribution. Therefore, it is particularly suitable for an apparatus that images and inspects an object illuminated by the illumination optical apparatus 10 (for example, a semiconductor inspection apparatus), an apparatus that projects by a projection optical system (for example, a semiconductor exposure apparatus), and the like.
In addition, when the optical path length changing mechanism (33, 34) as shown in FIG. 5B is provided in place of the optical path length changing mechanism (31, 32), the same effect as described above can be obtained. Can do. However, in the optical path length changing mechanism (33, 34), either one of the two declination prisms 33, 34 is moved in the direction perpendicular to the optical axis, so that the optical path length can be continuously changed. It becomes possible to continuously compensate for changes in telecentricity when adjusting the illuminance distribution.

また、上記のような光路長変更機構(３１,３２)や光路長変更機構(３３,３４)を、第２実施形態で説明したケプラー型のアフォーカル系１５（図４）の前段に設ける場合にも、同様の効果を得ることができる。
（第４実施形態）
第４実施形態の照明光学装置４０は、図６に示す通り、上記した第１実施形態の照明光学装置１０の集光光学系１３に代えて、凹面鏡４１を設けたものである。凹面鏡４１も、正の屈折力を有する。第４実施形態の照明光学装置４０では、アフォーカル光学系１２と凹面鏡４１とが、コンデンサレンズ(１２,４１)として機能する。照明光学装置４０を薄肉レンズ系とした場合の屈折力配置は図１(ａ)と同じである。 When the optical path length changing mechanism (31, 32) and the optical path length changing mechanism (33, 34) as described above are provided in the front stage of the Kepler type afocal system 15 (FIG. 4) described in the second embodiment. In addition, a similar effect can be obtained.
(Fourth embodiment)
As shown in FIG. 6, the illumination optical device 40 of the fourth embodiment is provided with a concave mirror 41 instead of the condensing optical system 13 of the illumination optical device 10 of the first embodiment described above. The concave mirror 41 also has a positive refractive power. In the illumination optical device 40 of the fourth embodiment, the afocal optical system 12 and the concave mirror 41 function as a condenser lens (12, 41). The refractive power arrangement when the illumination optical device 40 is a thin lens system is the same as that shown in FIG.

第４実施形態の照明光学装置４０では、第１実施形態の効果に加えて、光照射面１０Ａにおける照明領域を広くすることも可能となる。また、コンデンサレンズ(１２,４１)の集光部を反射光学系とした（つまり凹面鏡４１を用いた）ことにより、色収差を低減させることができる。
そのため、特に広い光照射面を必要とする場合や、広い波長帯域の光（例えば白色光）による照明を行う場合、または、異なる波長の光源を切り替える場合に好適である。例えば、半導体ウエハの全面を一括照明して検査する半導体検査装置（自動マクロ検査装置など）の照明光学装置に有効である。 In the illumination optical device 40 according to the fourth embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the illumination area on the light irradiation surface 10A can be widened. Further, by using the condensing part of the condenser lens (12, 41) as a reflection optical system (that is, using the concave mirror 41), chromatic aberration can be reduced.
Therefore, it is suitable particularly when a wide light irradiation surface is required, when illumination with light in a wide wavelength band (for example, white light) is performed, or when light sources having different wavelengths are switched. For example, it is effective for an illumination optical apparatus of a semiconductor inspection apparatus (such as an automatic macro inspection apparatus) that inspects the entire surface of a semiconductor wafer by performing collective illumination.

上記のような凹面鏡４１を、第２実施形態で説明したケプラー型のアフォーカル系１５（図４）と組み合わせて設ける場合にも、同様の効果を得ることができる。また、凹面鏡４１を用いる場合にも、第３実施形態で説明した光路長変更機構(３１,３２)や光路長変更機構(３３,３４)を設けることで、照度分布を調整する際のテレセントリシティの変化を補償することが可能となる。
（第５実施形態）
第５実施形態の照明光学装置５０は、図７(ａ)に示す通り、上記した第１実施形態の照明光学装置１０のアフォーカル光学系１２の前段にフライアイインテグレータ５１と開口絞り５２を設けたものである。フライアイインテグレータ５１の前段には光源が配置されるが、図７(ａ)では光源を図示省略した。ここでは、照明領域５０ｍｍ×５０ｍｍ、照明ＮＡ＝０．０６、バックフォーカスＢｆ＝２００ｍｍ程度となる場合を例に説明する。 The same effect can be obtained when the concave mirror 41 as described above is provided in combination with the Kepler type afocal system 15 (FIG. 4) described in the second embodiment. Even when the concave mirror 41 is used, the optical path length changing mechanism (31, 32) and the optical path length changing mechanism (33, 34) described in the third embodiment are provided, so that the telecentric when adjusting the illuminance distribution is provided. It will be possible to compensate for changes in the city.
(Fifth embodiment)
As shown in FIG. 7A, the illumination optical apparatus 50 according to the fifth embodiment is provided with a fly-eye integrator 51 and an aperture stop 52 in front of the afocal optical system 12 of the illumination optical apparatus 10 according to the first embodiment. It is a thing. A light source is disposed in front of the fly eye integrator 51, but the light source is not shown in FIG. Here, a case where the illumination area is 50 mm × 50 mm, the illumination NA = 0.06, and the back focus Bf = 200 mm will be described as an example.

フライアイインテグレータ５１は、四角柱の要素レンズ５３を３×３個（計９個）積み重ねたものである。また、各要素レンズ５３の焦点距離ｆｅ＝２１ｍｍ、入射面および出射面の大きさＤ₃＝７×７ｍｍとする。不図示の光源からの光は、フライアイインテグレータ５１の各要素レンズ５３によって集光され、その出射面に複数の光源像（２次光源）を形成する。 The fly eye integrator 51 is formed by stacking 3 × 3 (a total of nine) square prism element lenses 53. Further, the focal length fe of each element lens 53 is set to 21 mm, and the size D ₃ of the entrance surface and the exit surface is set to 7 × 7 mm. Light from a light source (not shown) is collected by each element lens 53 of the fly eye integrator 51, and forms a plurality of light source images (secondary light sources) on its emission surface.

また、フライアイインテグレータ５１の出射面はコンデンサレンズ(１２,１３)の前側焦点面と一致し、光照射面１０Ａはコンデンサレンズ(１２,１３)の後側焦点面と一致し、光照射面１０Ａをテレセントリック照明している。各要素レンズ５３の入射面と光照射面１０Ａは共役な配置となり、各要素レンズ５３の入射面（Ｄ₃＝７×７ｍｍ）が光照射面１０Ａに拡大投影される。 Further, the exit surface of the fly eye integrator 51 coincides with the front focal plane of the condenser lens (12, 13), the light irradiation surface 10A coincides with the rear focal plane of the condenser lens (12, 13), and the light irradiation surface 10A. The telecentric lighting. The incident surface of each element lens 53 and the light irradiation surface 10A are conjugated, and the incident surface (D ₃ = 7 × 7 mm) of each element lens 53 is enlarged and projected onto the light irradiation surface 10A.

開口絞り５２は、フライアイインテグレータ５１の出射面近傍に配置され、フライアイインテグレータ５１の出射面の光束を絞ることで、照明ＮＡを所定の値（本実施形態ではＮＡ０．０６）に制限している。
第５実施形態の照明光学装置５０におけるコンデンサレンズ(１２,１３)の好適な焦点距離ｆは、次のようにして求めることができる。各要素レンズ５３の入射面は光照射面１０Ａと共役であり、このときの投影倍率βは、各要素レンズ５３の焦点距離ｆｅを用いて、次の式(１４)により表される。 The aperture stop 52 is disposed in the vicinity of the exit surface of the fly eye integrator 51, and restricts the illumination NA to a predetermined value (NA 0.06 in this embodiment) by restricting the light flux on the exit surface of the fly eye integrator 51. Yes.
A suitable focal length f of the condenser lenses (12, 13) in the illumination optical device 50 of the fifth embodiment can be obtained as follows. The incident surface of each element lens 53 is conjugate with the light irradiation surface 10A, and the projection magnification β at this time is expressed by the following equation (14) using the focal length fe of each element lens 53.

そして、各要素レンズ５３の入射面(Ｄ₃＝７×７ｍｍ)を光照射面１０Ａの照明領域(５０ｍｍ×５０ｍｍ)に投影するための倍率β＝−５０/７であり、この値と各要素レンズ５３の焦点距離ｆｅ＝２１ｍｍを上記の式(１４)を代入することにより、コンデンサレンズ(１２,１３)の好適な焦点距離ｆ＝１５０ｍｍとなる。

The magnification β for projecting the incident surface (D ₃ = 7 × 7 mm) of each element lens 53 onto the illumination area (50 mm × 50 mm) of the light irradiation surface 10A is β = −50 / 7, and this value and each element By substituting the above formula (14) for the focal length fe = 21 mm of the lens 53, the preferred focal length f of the condenser lens (12, 13) is 150 mm.

また、照明光学装置５０における集光光学系１３の好適な焦点距離ｆ₃は、バックフォーカスＢｆ＝２００ｍｍを上記の式(８)に代入することにより、ｆ₃＝２００ｍｍとなる。ただし、式(８)は、厚みの無い仮想的なレンズにおける説明であるため、厳密には、実際のレンズの厚みに応じてバックフォーカスＢｆが２００ｍｍより若干短くなる場合がある。実際のレンズ設計の際には、この薄肉レンズ系の光線追跡に基づく式(７),(８)と現実のレンズとの差異を踏まえ、各レンズの焦点距離,間隔を修正する必要がある。 Further, a suitable focal length f ₃ of the condensing optical system 13 in the illumination optical device 50 is f ₃ = 200 mm by substituting the back focus Bf = 200 mm into the above equation (8). However, since equation (8) is an explanation for a virtual lens having no thickness, strictly speaking, the back focus Bf may be slightly shorter than 200 mm depending on the actual thickness of the lens. When designing an actual lens, it is necessary to correct the focal length and interval of each lens in consideration of the difference between the equations (7) and (8) based on the ray tracing of this thin lens system and the actual lens.

さらに、アフォーカル光学系１２の好適なパラメータ（倍率ｍ_C,焦点距離ｆ₁,ｆ₂,間隔ｄ₁）は、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆ＝１５０ｍｍと、集光光学系１３の焦点距離ｆ₃＝２００ｍｍを、上記の式(７)に代入することにより、倍率ｍ_C＝１.３３となる。この場合、凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの組み合わせとしては、例えば、凹レンズ２Ａの焦点距離ｆ₁＝−６０ｍｍとし、凸レンズ２Ｂの焦点距離ｆ₂＝８０ｍｍとすることが考えられる。この場合、上記の式(４)から、凹レンズ２Ａ,凸レンズ２Ｂの間隔ｄ₁＝２０ｍｍとなる。 Further, suitable parameters (magnification m _C , focal lengths f ₁ , f ₂ , distance d ₁ ) of the afocal optical system 12 are the focal length f = 150 mm of the condenser lens (12, 13), and the condensing optical system 13. By substituting the focal length f ₃ = 200 mm into the above equation (7), the magnification m _C = 1.33. In this case, as a combination of the concave lens 2A and the convex lens 2B, for example, the focal length f ₁ of the concave lens 2A may be −60 mm, and the focal length f ₂ of the convex lens 2B may be 80 mm. In this case, from the above equation (4), the distance d ₁ between the concave lens 2A and the convex lens 2B is d ₁ = 20 mm.

また、開口絞り５２の好適な径は、次のようにして求めることができる。上記の式(９)における光源１１の大きさＤ₁を開口絞り５２の径（つまりフライアイインテグレータ５１の出射面に形成された２次光源の大きさ）と考えて、式(９)にコンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆ＝１５０ｍｍと、照明ＮＡ＝０.０６を代入することにより、開口絞り５２の好適な径は、φ１８ｍｍとなる。 Further, a suitable diameter of the aperture stop 52 can be obtained as follows. Considering the size D ₁ of the light source 11 in the above equation (9) as the diameter of the aperture stop 52 (that is, the size of the secondary light source formed on the exit surface of the fly-eye integrator 51), By substituting the focal length f = 150 mm of the lenses (12, 13) and the illumination NA = 0.06, the preferred diameter of the aperture stop 52 is φ18 mm.

次に、第５実施形態の照明光学装置５０において照度分布を調整する際の歪曲収差量Ｖの中心値について説明する。上記と同様、光照射面１０Ａには、仮に製造誤差に起因する照度不均一が存在しなくても、フライアイインテグレータ５１から放射される光の配光分布に起因する照度不均一が存在する。このため、フライアイインテグレータ５１に起因する照度不均一を相殺できるような歪曲収差量Ｖを予め求めておき、これを中心値とすることが好ましい。 Next, the center value of the distortion amount V when adjusting the illuminance distribution in the illumination optical apparatus 50 of the fifth embodiment will be described. Similar to the above, the illumination surface 10A has illuminance non-uniformity due to the light distribution of light emitted from the fly-eye integrator 51, even if illuminance non-uniformity due to manufacturing errors does not exist. For this reason, it is preferable that a distortion aberration amount V that can cancel out the uneven illuminance caused by the fly-eye integrator 51 is obtained in advance, and this is used as the center value.

フライアイインテグレータ５１に起因する照度不均一をコンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖによって相殺し、光照射面１０Ａにおける照明領域の照度分布を均一とするためには、フライアイインテグレータ５１の各要素レンズ５３の入射面での矩形が、照明領域で完全に相似形となるように、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖを決めればよい。 In order to cancel the uneven illuminance caused by the fly-eye integrator 51 by the distortion aberration amount V of the condenser lens (12, 13) and make the illuminance distribution in the illumination area on the light irradiation surface 10A uniform, the fly-eye integrator 51 The distortion aberration amount V of the condenser lens (12, 13) may be determined so that the rectangle on the incident surface of each element lens 53 is completely similar in the illumination area.

各要素レンズ５３の入射高ｈ(＝Ｄ₃/２)は、各要素レンズ５３から光軸に対して斜め方向（θ方向）に放射される光の傾斜角θ、各要素レンズ５３の焦点距離ｆｅ、各要素レンズ５３の正弦条件の不満足量Ｓ.Ｃ.(θ)を用いて、次の関係式(１５)を満足する。また、照明領域の高さＨ(＝Ｄ₂/２)は、コンデンサレンズ(１２,１３)の焦点距離ｆ、コンデンサレンズ(１２,１３)の写像関係ｇ(θ)を用いて、次の関係式(１６)を満足する。 Incidence height h of each element lens 53 (= D _3/2), the inclination angle of the light emitted in an oblique direction (theta direction) with respect to the optical axis from each element lens 53 theta, focal lengths of the element lenses 53 The following relational expression (15) is satisfied by using the unsatisfactory amount SC (θ) of the sine condition of each element lens 53. The height H of the illumination area (= D _2/2), the focal length f of the condenser lens (12, 13), using a mapping relationship g of the condenser lens (12, 13) (theta), the following relationship Formula (16) is satisfied.

さらに、要素レンズ５３の入射高ｈ(＝Ｄ₃/２)と照明領域の高さＨ(＝Ｄ₂/２)は、完全に相似形となる場合、要素レンズ５３の入射面の矩形と光照射面１０Ａの照明領域との投影倍率βを用いて、次の関係式(１７)を満足する。

Furthermore, the incidence height h of the element lenses 53 (= D _3/2) to the height H of the illumination area (= D _2/2) when it is fully made similar in shape, rectangle and the light incident surface of the element lenses 53 The following relational expression (17) is satisfied using the projection magnification β with the illumination area of the irradiation surface 10A.

Ｈ＝−β×ｈ …(１７)
したがって、上記の式(１５),(１６)を式(１７)に代入すると共に、上記の式(１４)を用いて整理すると、コンデンサレンズ(１２,１３)の写像関係ｇ(θ)は、次の式(１８)のようになる。 H = −β × h (17)
Therefore, when the above equations (15) and (16) are substituted into the equation (17) and rearranged using the above equation (14), the mapping relationship g (θ) of the condenser lens (12, 13) is The following equation (18) is obtained.

式(１８)の写像関係ｇ(θ)は、フライアイインテグレータ５１の配光分布を加味しつつ、光照射面１０Ａにおける照明領域の照度分布を均一にできるような写像関係である。このため、式(１８)の写像関係ｇ(θ)において、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖは有限値をとる。この歪曲収差量Ｖは、理想的な写像関係ｇ'(θ)＝tanθ との差分により求めることができる。

The mapping relationship g (θ) in Expression (18) is a mapping relationship that can make the illuminance distribution of the illumination area on the light irradiation surface 10A uniform while taking into consideration the light distribution of the fly-eye integrator 51. For this reason, in the mapping relationship g (θ) of Expression (18), the distortion aberration amount V of the condenser lenses (12, 13) takes a finite value. This distortion aberration amount V can be obtained from the difference from the ideal mapping relationship g ′ (θ) = tan θ.

ここで、フライアイインテグレータ５１の配光分布を加味した写像関係ｇ(θ)を、理想的な写像関係ｇ'(θ)＝tanθ と、コンデンサレンズ(１２,１３)の歪曲収差量Ｖとを用いて表すと、次の式(１９)のようになる。したがって、式(１９)に式(１８)を代入することで、フライアイインテグレータ５１に起因する照度不均一を相殺可能な歪曲収差量Ｖは、次の式(２０)により表される。 Here, the mapping relationship g (θ) taking into account the light distribution of the fly-eye integrator 51, the ideal mapping relationship g ′ (θ) = tan θ, and the distortion aberration amount V of the condenser lens (12, 13) are obtained. In terms of use, the following equation (19) is obtained. Therefore, by substituting equation (18) into equation (19), the distortion aberration amount V that can cancel the uneven illuminance caused by fly-eye integrator 51 is expressed by the following equation (20).

式(２０)の歪曲収差量Ｖを見積もるためには、要素レンズ５３の正弦条件の不満足量Ｓ.Ｃ.(θ)を見積もる必要がある。不満足量Ｓ.Ｃ.(θ)は、要素レンズ５３の形状や材料(例えばガラス)の特性により異なる。例えば、要素レンズ５３の材料の屈折率ｎ＝１.５１６８とし、要素レンズ５３の端面の一辺の大きさＤ₃＝７ｍｍとする。また、上記の屈折率ｎと、要素レンズ５３の長さＬ（図７(ｂ)）と、入射面の曲率半径Ｒ₁と、出射面の曲率半径Ｒ₂と、焦点距離ｆｅとが、次の式(２１),(２２)を満たすとする。

In order to estimate the distortion amount V of the equation (20), it is necessary to estimate the unsatisfactory amount S.C. (θ) of the sine condition of the element lens 53. The unsatisfactory amount S.C. (θ) varies depending on the shape of the element lens 53 and the characteristics of the material (eg, glass). For example, the refractive index n of the material of the element lens 53 is 1.5168, and the size D ₃ of one side of the end surface of the element lens 53 is 7 mm. Further, the refractive index n, the length L of the element lens 53 (FIG. 7B), the radius of curvature R ₁ of the entrance surface, the radius of curvature R ₂ of the exit surface, and the focal length fe are as follows. It is assumed that the equations (21) and (22) are satisfied.

Ｌ＝ｎ×ｆｅ …(２１)
｜Ｒ₁｜＝｜Ｒ₂｜＝(ｎ−１)×ｆｅ …(２２)
このとき光照射面１０Ａの照明領域の四隅に到達する光束の不満足量Ｓ.Ｃ.(θ)＝−０.５１となる。そして、この不満足量Ｓ.Ｃ.(θ)＝−０.５１と、要素レンズ５３の焦点距離ｆｅ＝２１ｍｍを、式(２０)に代入することにより、フライアイインテグレータ５１に起因する照度不均一を相殺可能な歪曲収差量Ｖ＝−５.３％と見積もることができる。フライアイインテグレータ５１を用いた場合には、歪曲収差量Ｖ＝−５.３％を、照度分布の調整時の中心値とすることが望ましい。照度分布の調整によって製造誤差に起因する照度不均一を補正する場合には、上記の中心値（Ｖ≒−５.３％）から歪曲収差量Ｖを増減させればよい。 L = n × fe (21)
| R ₁ | = | R ₂ | = (n−1) × fe (22)
At this time, the unsatisfactory amount S.C. (θ) of the light flux reaching the four corners of the illumination area of the light irradiation surface 10A becomes −0.51. Then, by substituting the unsatisfactory amount S.C. (θ) = − 0.51 and the focal length fe = 21 mm of the element lens 53 into the equation (20), the illuminance non-uniformity caused by the fly-eye integrator 51 is obtained. Can be estimated as a distortion aberration amount V = −5.3%. When the fly eye integrator 51 is used, it is desirable to set the distortion amount V = −5.3% as the center value when adjusting the illuminance distribution. When correcting the illuminance non-uniformity caused by the manufacturing error by adjusting the illuminance distribution, the distortion aberration amount V may be increased or decreased from the above-mentioned center value (V≈−5.3%).

第５実施形態の照明光学装置５０では、第１実施形態の効果に加えて、フライアイインテグレータ５１を用いたことにより、光照射面１０Ａを重畳的にテレセントリック照明するため、光照射面１０Ａにおける極めて高い照明均一性を実現することができる。つまり、光源(不図示)の輝度分布に起因する照明ムラだけでなく、光源の各点での指向性の影響（角度特性に起因する照明ムラ）を取り除くこともできる。 In the illumination optical device 50 according to the fifth embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the fly-eye integrator 51 is used so that the light irradiation surface 10A is superimposed and telecentric illuminated. High illumination uniformity can be realized. That is, not only the illumination unevenness due to the luminance distribution of the light source (not shown) but also the influence of directivity (illumination unevenness due to the angle characteristics) at each point of the light source can be removed.

なお、上記した第５実施形態では、フライアイインテグレータ５１による照明均一化を１段階利用する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、２組以上のフライアイインテグレータをアフォーカル光学系１２の前段に設ける場合にも本発明を適用できる。さらに、照明均一化手段（オプティカルインテグレータ）としてフライアイインテグレータを用いる場合に限定されず、フライアイインテグレータとインテグレータロッド（および/またはバンドルファイバ）を組み合わせて用いてもよいし、インテグレータロッドのみを照明均一化手段として用いても構わない。 In the fifth embodiment described above, the example in which the illumination uniformization by the fly eye integrator 51 is used in one stage has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to a case where two or more sets of fly eye integrators are provided in front of the afocal optical system 12. Furthermore, it is not limited to the case where a fly-eye integrator is used as an illumination uniformizing means (optical integrator), but a fly-eye integrator and an integrator rod (and / or bundle fiber) may be used in combination, or only an integrator rod may be illuminated uniformly. It may be used as an activating means.

また、上記のような照明均一化手段を、第２実施形態で説明したケプラー型のアフォーカル系１５（図４）と組み合わせて設ける場合にも、同様の効果を得ることができる。さらに、照明均一化手段による２次光源とコンデンサレンズ(１２,１３)との間に、第３実施形態で説明した光路長変更機構(３１,３２)や光路長変更機構(３３,３４)を設けることで、照度分布を調整する際のテレセントリシティの変化を補償することが可能となる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、光照射面１０Ａをテレセントリック照明する例で説明したが、本発明はこれに限定されない。光源または光源像とコンデンサレンズと光照射面との配置関係がテレセントリック以外の条件を満たす場合も、本発明を適用できる。 The same effect can be obtained when the illumination uniforming means as described above is provided in combination with the Kepler type afocal system 15 (FIG. 4) described in the second embodiment. Furthermore, the optical path length changing mechanism (31, 32) and the optical path length changing mechanism (33, 34) described in the third embodiment are provided between the secondary light source by the illumination uniformizing means and the condenser lenses (12, 13). By providing, it becomes possible to compensate for a change in telecentricity when adjusting the illuminance distribution.
(Modification)
In the above-described embodiment, the example in which the light irradiation surface 10A is telecentric illuminated has been described, but the present invention is not limited to this. The present invention can also be applied when the positional relationship between the light source or light source image, the condenser lens, and the light irradiation surface satisfies conditions other than telecentric.

さらに、上記した実施形態では、各レンズ２Ａ,２Ｂ,１３,５Ａ,５Ｂ,…が単レンズである例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば球面収差を低減するために、各レンズ２Ａ,２Ｂ,１３,５Ａ,５Ｂ,…を複数の単レンズからなるレンズ群としてもよい。また、例えば波長帯域の広い光源により光照射面１０Ａを照明する場合には、各レンズ群２Ａ,２Ｂ,１３,５Ａ,５Ｂ,…を、ガラス材料の種類が異なる凸レンズと凹レンズとの張り合わせとすることにより、色収差補正をすることが可能である。 Furthermore, in the above-described embodiment, an example in which each lens 2A, 2B, 13, 5A, 5B,... Is a single lens has been described, but the present invention is not limited to this. For example, in order to reduce spherical aberration, each lens 2A, 2B, 13, 5A, 5B,... May be a lens group composed of a plurality of single lenses. For example, when the light irradiation surface 10A is illuminated by a light source having a wide wavelength band, each lens group 2A, 2B, 13, 5A, 5B,... Is bonded to a convex lens and a concave lens made of different glass materials. As a result, it is possible to correct chromatic aberration.

また、上記した第１実施形態から第４実施形態では、光源１１の配光分布が式(１０)のランバート則を満たすと仮定したが、本発明はこれに限定されない。光源１１の配光分布が既知であれば、上記と同様に、光源に起因する照度不均一を相殺可能な好適な歪曲収差量Ｖを算出することができる。 In the first to fourth embodiments described above, it is assumed that the light distribution of the light source 11 satisfies the Lambert law of Equation (10), but the present invention is not limited to this. If the light distribution of the light source 11 is known, a suitable distortion amount V that can cancel out uneven illuminance caused by the light source can be calculated in the same manner as described above.

第１実施形態の照明光学装置１０の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the illumination optical apparatus 10 of 1st Embodiment. 光照射面１０Ａにおける照度分布を説明する図である。It is a figure explaining the illumination intensity distribution in 10 A of light irradiation surfaces. ガリレオ型のアフォーカル光学系の別の構成例を説明する図である。It is a figure explaining another structural example of a Galileo type afocal optical system. 第２実施形態の照明光学装置２０の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the illumination optical apparatus 20 of 2nd Embodiment. 第３実施形態の照明光学装置３０の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the illumination optical apparatus 30 of 3rd Embodiment. 第４実施形態の照明光学装置４０の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the illumination optical apparatus 40 of 4th Embodiment. 第５実施形態の照明光学装置５０の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the illumination optical apparatus 50 of 5th Embodiment.

Explanation of symbols

１０，２０，３０，４０，５０照明光学装置
１０Ａ光照射面
１１光源
１２，１５アフォーカル光学系
２Ａ，２Ｄ凹レンズ
２Ｂ，２Ｃ，５Ａ，５Ｂ凸レンズ
５Ｃ絞り
１３集光光学系
３１，３２平行平面板
３３，３４偏角プリズム
４１凹面鏡
５１フライアイインテグレータ
５２開口絞り
５３要素レンズ
10, 20, 30, 40, 50 Illumination optical device 10A Light irradiation surface 11 Light source 12, 15 Afocal optical system 2A, 2D Concave lens 2B, 2C, 5A, 5B Convex lens 5C Aperture 13 Condensing optical system 31, 32 Parallel plane plate 33, 34 Deflection prism 41 Concave mirror 51 Fly eye integrator 52 Aperture stop 53 Element lens

Claims

A first optical system having no refractive power and a second optical system having a positive refractive power are arranged in order from the light source or the light source image side toward the light irradiation surface,
The illumination optical device, wherein the first optical system has a variable relative position with respect to the second optical system, and is an optical system for adjusting an illuminance distribution on the light irradiation surface.

The illumination optical apparatus according to claim 1,
The first optical system includes a third optical system having a positive refractive power, a stop, and a fourth optical system having a positive refractive power, and a rear focal plane of the third optical system and the stop And the front focal plane of the fourth optical system are arranged so as to coincide with each other.

The illumination optical apparatus according to claim 1 or 2,
A plurality of the first optical systems having the same magnification;
Any one of the plurality of first optical systems is selectively disposed in an optical path. An illumination optical apparatus, wherein:

The illumination optical apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The illumination optical apparatus, wherein the second optical system is a concave mirror.

The illumination optical apparatus according to any one of claims 1 to 4,
An illumination optical apparatus comprising an optical integrator in front of the first optical system.

The illumination optical apparatus according to any one of claims 1 to 5,
An illumination optical apparatus comprising: an optical path length changing unit in front of the first optical system.