JP4815445B2 - 照明光学装置及び光学装置 - Google Patents
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Description
このような照明を実現する照明光学装置としては、例えば後記の特許文献に記載の照明装置が知られている。
この照明光学装置は、複数の光源が発する光束を、フライアイレンズを用いることによって照明光のパワーや照度均一性等を向上させるとともに、各光源の光束を光束分割光学系(ハーフプリズム)によって分割してそれぞれ異なる角度からフライアイレンズに入射させることによって照度むらを防止している。
本発明は、発光部と、該発光部から射出された発散光を平行光の光束に変換するレンズ系と、該レンズ系によって得られた前記平行光の光束の断面積を調整するアフォーカル光学系と、該アフォーカル光学系によって断面積を調整された前記平行光から複数光源像を形成するフライアイレンズと、該フライアイレンズが形成した前記複数光源像を光源として用いるケーラー照明光学系とを有している照明光学装置を提供する。
また、このようにして集められた照明光がレンズ系及びアフォーカル光学系によって平行光としてフライアイレンズに入射させられて、この平行光からフライアイレンズによって複数光源像が形成され、この複数光源像がケーラー照明光学系の光源として利用される。すなわち、この照明光学装置では、レンズ系によって得られた平行光の光束の断面積がアフォーカル光学系によって調整された状態で、フライアイレンズに照明光として入射させられるので、フライアイレンズの要素レンズの形状に由来するケラレが生じにくい。また、この照明光学装置では、フライアイレンズが形成した複数光源像を複数の方向から重畳して被照射面に照射するので、照度分布が均一化された照明を得ることができる。
このように、この照明光学装置では、複雑な構成を用いずに、発光部の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
このため、本発明の照明光学装置では、アフォーカル光学系が、条件式0.25<β<2を満足する構成とすることが好ましい。さらにいえば、アフォーカル光学系は、条件式0.4<β<1を満足する構成とすることがより好ましい。
この場合には、発光部の像(光源像)の瞳位置をフライアイレンズの入射面に配置できるので、発光部の発する光を効率よくフライアイレンズに入射させることができる。
そこで、アフォーカル光学系を、第1群と第2群との間で分割可能な構成としてもよい。この場合には、第1群のみ、もしくは第1群と発光部とを、異なる構成のものに交換することが可能になる。そして、第1群のみ、もしくは第1群と発光部とを、要求される照明条件や使用する発光部の性質に応じて適切に選択することで、最適な照明を行うことができる。
この場合には、発光部を交換することにより発光部から発せられた光束の断面積が変化しても、アフォーカル光学系によって、アフォーカル光学系を通過した平行光の光束の断面積を適切な大きさに調整することで、発光部の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
このアフォーカル光学系の調整機能は、例えば、アフォーカル光学系を、一部レンズの差し替えが可能な構成とすることで実現することができる。この場合には、一部レンズを適切なレンズに差し替えることで、アフォーカル光学系を通過した平行光の光束の断面積を適切な大きさに調整することができる。
また、このアフォーカル光学系の調整機能は、アフォーカル光学系に一部のレンズを光軸方向に移動させる機構(例えばズーム機構)を設けることによって実現することができる。この場合には、アフォーカル光学系を交換することなく、アフォーカル光学系を通過した平行光の光束の断面積を適切な大きさに調整することができる。
このように、この照明光学装置では、複雑な構成を用いずに、複数の発光部の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
このように構成される照明光学装置では、フライアイレンズが、一つの発光部から4つ以上の光源像を形成することができる。これにより、ケーラー照明光学系が、発光部の数に比べて多数の方向から被照射面を照射することができるので、照度分布がより一層均一化された照明を行うことができる。
このように構成される照明光学装置では、レンズ素子が、対応する発光部から射出された光を、ほぼ平行光に変換することができるので、照明光のロスが少なくて済む。
この場合には、各発光部の発する光の波長の違いによる収差(色収差)が生じにくい。このため、この照明光学装置は、光学設計が容易で、製造が容易である。
なお、ここで言う同一波長とは、完全に波長が同一であるということを意味しているのではなく、各発光部の個体差に由来する波長のばらつきについては許容されるものとする。
この場合には、本発明にかかる照明光学装置を、例えば顕微鏡の落射照明装置等、フライアイレンズよりも後段側に設けられるレンズ群のうちの少なくとも一部(例えば対物レンズ)を変更可能な照明光学装置に適用した場合に、この変更可能なレンズ群の特性に応じて、アフォーカル光学系及びフライアイレンズを適切な特性のものに交換することができ、照明ロスが生じにくい。
このように構成される光学装置では、複雑な構成を用いずに、発光部の形状や配置、及びフライアイレンズの形状等の制約を受けることなく、発光部の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
このような光学装置としては、例えば、本発明に係る照明光学装置を光源として画像を投影する投影光学系を有する投影装置、本発明に係る照明光学装置を用いて感光体上にマスクパターンを投影する投影光学系を有する露光装置、本発明に係る照明光学装置によって照明された観察対象物を観察する観察光学系を有する顕微鏡等がある。
LED発光素子は、フィラメントやアーク等の従来用いられてきた光源に比べて長寿命であるので、このようにLED発光素子を発光部として使用することで、使用者は長期にわたって発光部の交換作業から開放される。
さらに、本発明によれば、測定試料の性質等により発光部を適宜選択することが可能となる。
[第一実施形態]
本発明の光学装置は、本発明に係る照明光学装置を有する光学装置、具体的には、本発明に係る照明光学装置を光源として画像を投影する投影光学系を有する投影装置、本発明に係る照明光学装置を用いて感光体上にマスクパターンを投影する投影光学系を有する露光装置、本発明に係る照明光学装置によって照明された観察対象物を観察する観察光学系を有する顕微鏡等である。
本実施形態では、本発明を、図1A、図1Bに示す照明光学装置1と、この照明光学装置1によって照明された被照射面(観察対象物)を観察する観察光学系とを有する顕微鏡に適用した例を示す。
照明光学装置1は、発光部2(光源)と、発光部2から射出された発散光を平行光の光束に変換するレンズ系3と、レンズ系3によって得られた平行光の光束の断面積を調整するアフォーカル光学系4と、アフォーカル光学系4によって断面積を調整された平行光から複数光源像Iを形成するフライアイレンズ6と、フライアイレンズ6が形成した複数光源像Iを光源として用いるケーラー照明光学系7とを有している。
本実施形態では、発光部2として、互いの光軸を平行にして配置された複数の発光部2を設けており、レンズ系3として、発光部2のそれぞれに対応するレンズ素子3aを備えこのレンズ素子3aによって対応する発光部2の発する光を平行光に変換するレンズアレイ(以下「レンズアレイ3」と表記する)を設けている。
本実施形態に係る照明光学装置1は、図1A及び図2に示すように、複数のLED発光素子を平面上に配列したLEDアレイ光源11を有しており、このLEDアレイ光源11の各LED発光素子がそれぞれ発光部2として用いられている。また、このLEDアレイ光源11の各LED発光素子は、いずれも略同一波長の光を発する構成とされている。
本実施形態では、各発光部2は、図2に実線で示すように、一つの発光部2が光軸Oと同軸にして配置され、この発光部2を中心とする円周C上に、6つの発光部2が略等間隔で配置されている。これら発光部2は、各発光部2間に配線用のスペース等の最小限必要な隙間を残しつつ、可能な限り密集配置されている。このように発光部2を高密度に配置することで、アフォーカル光学系4に入射される光の密度を高めて、より明るい照明を実現することができる。
そして、このレンズアレイ3は、各レンズ素子3aの物体側焦点がそれぞれ対応する発光部2と一致する位置に配置されている。言い換えれば、各レンズ素子3aは、対応する発光部2と略同軸にして配置されている。
本実施形態では、レンズ素子3aは、図2に二点鎖線で示すように、一つのレンズ素子3aが光軸Oと同軸にして配置され、このレンズ素子3aを中心とする円周C上に、6つのレンズ素子3aが略等間隔で配置されている。また、レンズ素子3aの径は、隣接するレンズ素子3a間の隙間が最小限となる径に設定されている。すなわち、レンズアレイ3は、ほぼ全体で発光部2が発した光を平行光に変換する構成とされている。このようにレンズ素子3aを高密度に配置することで、アフォーカル光学系4に入射される平行光の密度を高めて、より明るい照明を実現することができる。
本実施形態では、第1群4aが、第1群4aと第2群4bとの間で発光部2の像を結像させる構成とされている。
具体的には、第1群4aは、レンズアレイ3によって得られた平行光束を収束させて第1群4aと第2群4bとの間で複数の発光部2の像I’を重複して結像させる集光レンズ16によって構成されている。また、第2群4bは、第1群4aが形成する発光部2の像から発せられる光束を再び平行光束に変換してフライアイレンズ6に入射させるコリメートレンズ17によって構成されている。
これにより、発光部2の像(光源像)の瞳位置をフライアイレンズ6の入射面に配置できるので、発光部2の発する光を効率よくフライアイレンズ6に入射させることができる。
本実施形態では、アフォーカル光学系4は、レンズアレイ3によって得られた平行光束の断面積を低減する構成とされているので(すなわちβ<1)、アフォーカル光学系4を通過した平行光束は、断面積が低減された分、強度が高められている。
このように、要求される照明条件や使用する発光部2の性質に応じて、レンズユニット1bを適切な構成のものに交換することで、前記βの値を含む各種パラメータを最適化して、最適な照明を行うことができる。
これにより、光源ブロック1cをレンズユニット1bから取り外して、この光源ブロック1cの代わりに、発光部2の構成が異なる光源ブロック1cをレンズユニット1bに装着することで、発光部2の種類を容易に変更することができる。
また、ハウジング1aからレンズユニット1bを取り外して、代わりに、一つの発光部2のみを設けた光源ブロック1cをハウジング1aに取り付けてもよい。この場合には、発光部2は、第2群4bの前側焦平面F2上(好ましくは前側焦点上)に配置される。
このアフォーカル光学系4の調整機能は、例えば、アフォーカル光学系4を、一部レンズの差し替えが可能な構成とすることで実現することができる。この場合には、一部レンズを適切なレンズに差し替えることで、アフォーカル光学系4を通過した平行光の光束の断面積を適切な大きさに調整することができる。
また、このアフォーカル光学系4の調整機能は、例えばアフォーカル光学系4に一部のレンズを光軸O方向に移動させる機構(例えばズーム機構)を設けることによって実現することができる。
この場合には、発光部2等を交換することにより発光部2から発せられた光束の断面積が変化しても、アフォーカル光学系4によって、アフォーカル光学系4を通過した平行光の光束の断面積を適切な大きさに調整することで、アフォーカル光学系4を交換することなく、発光部2の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
本実施形態では、レンズアレイ3のレンズ素子3aの個数をKS個とし、フライアイレンズ6を構成する要素レンズ6aの個数をKF個とすると、KF>4KSとされている。
本実施形態では、フライアイレンズ6の各要素レンズ6aは、図3に示すように、光軸O方向からみて略正六角形をなしており、一つの要素レンズ6aが光軸Oと同軸にして配置され、この要素レンズ6aの周囲を取り囲むようにして、かつ互いの周縁を密接させた状態にして、多数の要素レンズ6aが隣接配置されている。
特に、本実施形態では、複数の発光部2及びレンズアレイ3の各レンズ素子3aが、それぞれ光軸O1,O3をアフォーカル光学系4の光軸O2と平行にしてアフォーカル光学系4の光軸O2に直交する平面上に配列されているので、レンズアレイ3の各レンズ素子3aが、対応する発光部2から射出された光を、ほぼ平行光に変換することができ、照明光のロスが少なくて済む。
以上述べたように、この照明光学装置1では、複雑な構成を用いずに、複数の発光部2の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
例えば、図4及び図5に示すように、第1群4aとして、発光部2側から順番に、両凸レンズA1、凹メニスカスレンズA2、両凸レンズA3、凸メニスカスレンズA4とを設け、第2群として、発光部2側から順番に、凸メニスカスレンズB1、両凸レンズB2、凹メニスカスレンズB3、両凸レンズB4とを設けてもよい。ここで、図4に示す例では、D1=28.8mm、D2=36mmであり、β=0.8であり、図5に示す例では、D1=16.2mm、D2=36mmであり、β=0.45である。
また、本実施形態では、発光部2を複数設けた例を示したが、これに限られることなく、発光部2を一つだけ設けた構成としてもよい。この場合には、レンズアレイ3の代わりに、一つのレンズ素子3aのみが用いられる。
ここで、アフォーカル光学系4及びフライアイレンズ6を、照明光学装置1に対して着脱可能にして設けられる光学ユニット内に組み込むことで、光学ユニットを交換するだけで、アフォーカル光学系4及びフライアイレンズ6の交換を容易に行うことができる。
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
本実施形態に係る光学装置は、図8に示す照明光学装置21を用いて被照射面の照明を行うものである。
照明光学装置21は、第一実施形態に示す照明光学装置1において、アフォーカル光学系4の代わりに、アフォーカル光学系22を設けたことを主たる特徴とするものである。
本実施形態では、第1群22aは凸レンズ23によって構成され、第2群22bは凹レンズ24によって構成され、第1群22aが第2群22bとの間で複数の発光部2の像を結像させずに光束の断面積を調整する構成とされている。
Claims (6)
- 発光部と、
該発光部から射出された発散光を平行光の光束に変換するレンズ系と、
該レンズ系によって得られた前記平行光の光束の断面積を調整するアフォーカル光
学系と、
該アフォーカル光学系によって断面積を調整された前記平行光から複数光源像を形
成するフライアイレンズと、
該フライアイレンズが形成した前記複数光源像を光源として用いるケーラー照明光
学系とを有し、
前記発光部が、互いの光軸を平行にして複数配置されており、
前記レンズ系が、前記複数の発光部のそれぞれに対応するレンズ素子を備え該レン
ズ素子によって対応する前記発光部の発する光を平行光に変換するレンズアレイであ る照明光学装置。 - 前記レンズ系によって得られた前記平行光の、前記アフォーカル光学系通過直後の 光束径をD1、前記アフォーカル光学系への入射直前の光束系をD2とし、β=D 1/D2とすると、βが条件式0.25<β<2を満足する請求項1記載の照明光学 装置。
- 前記レンズ素子の個数をKS個とし、前記フライアイレンズを構成する要素レンズ
の個数をKF個とすると、KF>4KSとされている請求項1記載の照明光学装置。 - 前記発光部及び前記レンズ素子が、それぞれ光軸を前記アフォーカル光学系の光軸
と平行にして、前記アフォーカル光学系の光軸に直交する平面上に配列されている請 求項1記載の照明光学装置。 - 前記複数の発光部が、同一波長の光を発する構成とされている請求項1記載の照明
光学装置。 - 請求項1から5のいずれかに記載の照明光学装置を有する光学装置。
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