JP5086580B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は光源から発せられる光線の照度ムラを補正する光学素子と、その光学素子を利用する装置に関する。

近年は顕微鏡観察において、デジタルカメラ等を介して標本の撮影をする機会が増えてきている。ＣＣＤやＣＭＯＳ等のセンサを用いたデジタルカメラは、人間の直接的な目視による観察や銀塩フィルムカメラによる写真撮影に比べて、明るさの変化に対して敏感である。このため、デジタルカメラによる撮影では、直接的な目視や銀塩フィルムカメラによる撮影では問題となっていなかった照明ムラも顕著に現れてしまう。従って、顕微鏡の照明装置において、照明ムラを極力なくして一様に照明する必要性が従来よりも大きくなってきている。

従来からの照明ムラに対する対策方法として、ケーラー照明と呼ばれるものがある。この照明は理論上では標本面に対して均一な照明を与えることができる構成となっている。しかし実際には、光源が発する光線の角度方向に対する光の強度分布は一様ではないため、照明ムラが生じてしまう。仮に、光源から発せられる光線の角度分布を一様にすることができれば、照明ムラのない一様な照明を得ることができるが、実際には困難である。

そこで、光源の角度方向分布に起因する照明ムラを改善する手段として、フライアイレンズに代表されるインテグレータにより、光束を多数に分割して各光束により一様に照明させる手法が従来用いられてきた。しかし、この方法を採ると照明光学系の装置自体が大きくなり、またコストも大きなものとなってしまうという難点があった。

そこで、特願２００５−２１５９９２号では、照明ムラを補正するために、ＮＤフィルタ、フロストフィルタ等の光学素子を使った照度分布の補正方法について提案した。また、特許文献１でも同様の光学素子について開示されている。
特開２００６−３０５３５号公報

しかし、この方法にも改良すべき克服すべき課題が存在する。例えば、ＮＤフィルタを使った場合は波長特性の影響を免れない。つまり、ＮＤフィルタを使った場合は、白色光で照射し正確な色再現をしたいという目的に適わないという問題がある。

また、フロストフィルタの場合は計算（シミュレーション）どおりの透過率に加工することが難しいなどの問題がある。つまり、設計の段階で算出された透過率を実現できないことによる不正確さが残ってしまう。

また、特許文献１に開示されている方法は光源の強度分布を直接的に補完するような透過率分布を持つ光学素子によって、照度分布を補正している。この方法は照明光学系の特性を真に利用しているとは言えない。

上記問題を解決するために、特願２００５−２１５９９２号とは原理的に異なる透過率分布をもつ光学素子を提供する。また、本発明によるこの光学素子は、光源の強度分布と補完するような透過率分布ではないにも拘らず、照明系の光学的特性を使って照度分布の不均一を補正する。そして、加工の点や設計の点でも利点を持つ照度分布を均一化するための光学素子を提供する。

本発明の上記課題は、光源と、前記光源から発せられる光線の被照明面での照度ムラを補正する照度均一化光学素子とを備えた照明装置であって、前記照度均一化光学素子は、少なくとも一つの光学面に、利用される光波の波長よりも広い幅の凸溝または凹溝である複数の溝を有し、かつ隣あう溝同士が前記波長よりも広い間隔で、光軸との距離に応じて前記溝の分布が変化するよう配置され、透過する光線の一部または全部を前記溝での屈折によって幾何光学的に光路より排除することにより照度を均一化することを特徴とする照明装置を使って達成される。この照明装置の光学素子の溝は光波の波長よりも広い幅であるので、回折現象を起こさずに溝部分の入射光線を排除できる。

前記溝は凸溝とすることが考えられる。このような溝は成型加工に適する。また、一方の傾斜面が垂直であるV字溝であることが望ましい。
前記溝は凹溝とすることが考えられる。このような溝は切削加工に適する。また、前記凹溝は一方の傾斜面が垂直であるV字溝であることが望ましい。

さらに、前記溝は光学素子の光軸を中心に、同心円状であることが望ましい。
典型的な照明ムラは中心の照度が周辺部よりも強いので、前記溝の分布は光学素子の光軸中心より周辺部にかけて減少することが望ましい。

前記光学素子はプラスチックで生成されることもガラスで生成されることも考えられる。
本発明の光学素子は照明装置で利用されることが望ましく、ケーラー照明装置であることがより望ましい。

本発明の照明装置は顕微鏡に使われることが望ましい。また、プロジェクターやステッパー（縮小投影型露光装置）で利用することも可能である。

本発明によれば、透過する光を幾何光学的に制御することにより、波長依存性が少ない照度均一化光学素子が提供される。
また、凹溝あるいは凸溝を成形することにより本発明の光学素子は実現されるために、加工が非常に容易であり、そして個体差の少ない製品が生産される。

さらに、幾何光学的な構成であることによる計算（シミュレーション）の利便性と、光学素子の加工における利便性の相乗効果により、設計段階の理論値に忠実に相関した製品が製造される。

以下では、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下では本発明の実施例として顕微鏡で使われる照明装置に即して説明を進めるが、本発明の適応範囲はこれに制限されるものではない。例えば、プロジェクターやステッパー等の投影装置や露光装置にも活用される。プロジェクターに本発明を実施する際は、顕微鏡における標本面に載せたプレパラートの代わりにフィルムや液晶パネル等を設置した構成を考えればよく、ステッパーに本発明を実施する際はプレパラートの代わりはフォトマスクである。どちらの場合も本発明の本質的部分はより前段において作用するので、本発明の実施に影響がない。また、光源から発せられる光線の照度ムラを補正する光学系の中でも本発明は適切に実施され得る。

図１は典型的な照明装置の例であるケーラー照明装置の構成を示す図である。ランプハウス１は、光を発する光源２と、光源２から発せられる発散光を平行光に変換するコレクタレンズ３を有する。また、照明範囲を限定する視野絞り４は被照明面５と共役な位置に配される。ランプハウス１からの略平行光は、視野絞り４を通過し、フィールドレンズ６によって開口絞り７の面に集光される。その後、コンデンサレンズ８を通り、光源からの光は被照明面５へと照射される。なお、同図において９はミラーである。

図１に示されたケーラー照明は、仮に光源２から発せられる光線の角度分布を一様にすることができれば、原理的には照明ムラのない照明を与えることができる。しかしながら、実際の光源が発する光線の角度分布は一様ではない。このことが照明ムラを生じる原因となってしまう。なお、典型的な照度ムラは光軸の中心付近で照度が高く、周辺部に行くにしたがって照度が減少する。

そこで、特願２００５−２１５９９２号では、図２に示されるように、コレクタレンズ３と視野絞り４の間に、照度分布を補正するための光学素子１０を挿入する手法について開示した。特願２００５−２１５９９２号で使われた光学素子は、図３Ａや図３Ｂのように単調に透過率が周辺部に行くにしたがって増加するものであった。もちろんこの光学素子も上述の照明ムラを補正するには十分な性能を持っていたが、照明光学系の持っている特性を利用した製品化という視点に立ったときに満足できない部分もあった。

本発明では、図３Ａや図３Ｂに示されるような透過率分布とはまったく異なるものでありながらも、光学的工夫を施すことにより、実効的には照明ムラを補正することができる光学素子を提案する。本発明の一実施形態による光学素子の透過率分布は離散的な分布をしており、その結果、加工が容易であり、製品化にも適したものとなる。

図１から理解されるように、被照明面５のある１点を照らす光線は、照明系の中をある程度の大きさをもった領域を通過する。例えば図４を使って説明すると、光軸から少しずれた被照明面５のある１点を照らす光線は図１における平面Ａの位置では、領域Ｙを通過する。なお、同図において領域Ｘは、照明範囲を照らすための光線のすべてである全光束の通過する領域を示す。つまり、この領域Ｙを通過する光線の総量を制御することによって、照明面における１点の照度を制御することができる。

本実施形態の光学素子は、図５に模式的に示されるように、同心円状に凹溝１２あるいは凸溝１３が形成され、光軸との距離に応じて溝の分布が変化するように配置されている。また、この溝の断面は図６に示されるように、片切の山型（Ｖ字溝を構成する一方の傾斜面が垂直である形状）をしている。なお、理論上は溝の断面は両切りでも構わないが、現実的には頂点部が丸みや切頂形になってしまうので、加工時の誤差の影響を受けやすいという点で好ましくない。

なお、本実施形態による光学素子は同心円状ではない溝を利用することもできる。例えば、照度ムラが光軸回転対称ではない場合は、溝の配置も光軸回転対称ではないほうが好ましい。また、後で詳説するように、本発明の光学系における溝は照明面での溝には対応しない。つまり、同心円状ではなくとも適切に配置された幾何模様の溝などを利用しても本発明を実施することが十分可能である。

なお、本実施形態の光学素子はレンズに溝加工を施したものでもよく、フィルタに溝加工を施したものでもよい。つまり、新しい光学素子として、照明光学系に挿入することもできるし、もともと設置される光学素子に溝加工を施しても構わない。もちろん、挿脱可能な設置形態には新たな光学素子として用意することが好ましい。

本発明の実施形態に係わる光学素子の光学系内における設置位置は、本発明の実施における重要な設計事項であるが、満たすべき適切な条件も存在する。ここでは図１に示されるケーラー照明における設置位置について例示する。

この実施形態では光学素子を、次の条件式を満たす位置と共役な位置に配置させるのが好ましい。

但し、ｆ_CDはコンデンサレンズ８の焦点距離、Ｌは上記光学素子をコンデンサレンズ８と被照明面５との間に配置したときの距離である。
上記条件式の下限値０．０３を下 回ると、上記光学素子が光源により被照明面側に投影される位置が被照明面に近づき過ぎ、光学素子の溝が撮像面に写りこんでしまう。一方、条件式の上限値０．４を上回ると、被照明面５から遠くに離れすぎ、本実施形態の光学素子を挿入しても照明ムラをなくして一様な照明にする作用が得られ難くなる。また、コンデンサレンズ８と被照明面５の間に設置することよりも、より光源に近い共役な位置に配置される方が好ましい。

また、本発明の実施形態に係わる光学素子の素材としてはガラスやプラスチック等が考えられる。このとき、切削による生産には図６（ａ）の形の凹溝１２が適している。また、成型による生産には図６（ｂ）の形の凸溝が適している。どちらの形にせよ、本発明の効果は本質的には変わらない。

さらに、本実施形態における凹溝１２あるいは凸溝１３の幅ｄは、照明系で利用される光線の波長λよりも大きくなければいけない。その理由は、この条件の下でないと入射された光線が回折してしまい、本発明の目的が達せられないからである。また、隣接した溝同士の間隔Ｄ−ｄも光線の波長λよりも大きくなければいけない。つまりＤ＞λ＋ｄ＞２ｄを満たさなければいけない。例えば、本実施形態の光学素子を光学顕微鏡の照明装置に利用する場合、溝の幅ｄは1000 ｎｍ以上であることが望ましい。また、光学素子の径ｒに対し溝の幅ｄが大きすぎる場合は、照明面に影を落としてしまう。よって、光学素子の径ｒと溝の幅ｄの間の関係として、d/r ≦ 0.001を満たすことが望ましい。

次に、図７を使って本発明の実施形態に係わる光学素子の溝の幾何光学的作用について説明する。まず、平面部分は入力された光線ａは影響を受けずにそのまま直進する。一方、溝の部分に進入した光線ｂは溝角度θに応じて偏向角φで曲げられる。このとき、偏向角φがある程度大きくなるように設定した場合、溝を通過した光線は絞りまたは他の光学素子の外径によって遮断される。この偏向角φの角度の大きさは光学素子の設置位置にも依存するが、おおよそ１０度以上が望ましい。なお、溝角度θと偏向角φの関係をグラフにしたものが図８である。つまり、このグラフから読み取れるように、溝角度θは７０度以下であることが望ましい。

図９は、上記の構成による光学素子の透過率を模式的に説明するグラフである。上記の光学素子の溝の部分は光線が排除されるので、透過率は０％と見做せる。本来の透過率の定義では屈折されても光線は透過するので１００％である。しかし、本説明の中では溝部分に入射した光線は利用されないので０％であるとした。また、平面部においては影響を受けずにそのまま通過できるので、透過率は理論的には１００％である。また、図５のように、光軸からの距離に応じて溝の分布は減少する場合には、透過率が０％の部分も光軸からの距離に応じて疎らになる。

図１０は、本発明の実施形態による光学素子が、照明面の照度分布と補完するような透過率を持っていないにも拘わらず、実効的には照明面の照度分布を補完することが出来る理由を説明するための図である。図４の説明で述べたように、被照明面５のある１点を照らす光は、照明系の中である程度の大きさをもつ領域を通過する。図１０は、図１における平面Ａの位置に本発明の実施の一形態例の図５に示された光学素子を配置した場合の、被照明面５の異なる２点を照らす光線が通る領域を図示したものである。同図において、領域Ｓは被照明面の比較的中心付近の１点を照らす光線が通過する領域を表し、領域Ｔは被照明面の比較的中心から離れた１点を照らす光線が通過する領域を表す。同図から理解されるように、領域Ｓの方が領域Ｔよりも溝１２との交差部分が多い。その結果、被照明面５で考えると、本発明の実施の一形態によるこの光学素子の透過率は、実効的には中心から周辺へ行くほど増加する透過率分布となる。

ここでは、本発明の実施形態による光学素子が、照明面の照度分布と補完するような透過率を持っていないにも拘わらず、実効的には照明面の照度分布を補完することが出来る理由を別の視点から説明をする。図１に代表される照明光学系において、被照明面と光源の関係は像と瞳の関係になっている。このことが、被照明面での照度ムラが光源での角度に関する輝度分布に起因する理由となっている。一方、本発明の実施形態による光学素子を設置する位置（例えば図１におけるAの位置）は、像の位置でも瞳の位置でもない、中間的な位置である。そのことはこの光学素子にとっては位置と角度（あるいは開口）の関係も中間的な性質を持つことを意味する。つまり、光学素子面の位置が単純に被照明面の位置に対応するのではなく、開口（あるいは角度）との関係も考慮しなければいけない。しかし、逆に考えれば、光線を遮る位置だけを調節することによって、非照明面での位置と照度を調節することができる。本発明ではこの性質を利用しているために、照明面の照度分布と補完するような透過率を持っていないにも拘わらず、実効的には照明面の照度分布を補完することが出来るのである。

以上のような構成により、光源の強度分布を直接的に相殺するのではない透過率分布を持ちながらも、照度ムラを補正できる光学素子が得られる。

従来の照明装置の構成図である。 照明ムラを補正するためのフィルタの挿入例の図である。 従来の照明ムラ補正フィルタの例である（その１）。 従来の照明ムラ補正フィルタの例である（その２）。 照明面でのある１点を照らすための光束を説明する図である。 本発明で提供される光学素子の例を示す模式図である。 本発明で提供される光学素子の例の表面溝の図である。 本発明における溝の光学的作用を説明する図である。 面角度と偏向角の関係を説明する図である。 本発明で提供される光学素子の透過率分布の図である。 本発明で提供される光学素子が照明ムラを補正する理由を説明する図である。

符号の説明

１・・・ランプハウス
２・・・光源
３・・・コレクタレンズ
４・・・視野絞り
５・・・被照明面
６・・・フィールドレンズ
７・・・開口絞り
８・・・コンデンサレンズ
９・・・ミラー
１０・・・光学素子
１２・・・凹溝
１３・・・凸溝

Claims (11)

1. 光源と、前記光源から発せられる光線の被照明面での照度ムラを補正する照度均一化光学素子とを備えた照明装置であって、
   前記照度均一化光学素子は、少なくとも一つの光学面に、利用される光波の波長よりも広い幅の凸溝または凹溝である複数の溝を有し、かつ隣あう溝同士が前記波長よりも広い間隔で、光軸との距離に応じて前記溝の分布が変化するよう配置され、透過する光線の一部または全部を前記溝での屈折によって幾何光学的に光路より排除することにより照度を均一化することを特徴とする照明装置。
2. 前記照度均一化光学素子は、ケーラー照明における被照明面と光源との間の中間的な位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記溝の分布は、前記光軸中心より周辺部にかけて減少することを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記溝は、前記光軸を中心とした同心円状に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記溝は、Ｖ字凸溝またはＶ字凹溝であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記溝の溝角度は７０度以下であることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
7. 前記照度均一化光学素子の前記Ｖ字凸溝または前記Ｖ字凹溝は、一方の傾斜面が前記光学面に対して垂直であることを特徴とする請求項５または６に記載の照明装置。
8. 前記照度均一化光学素子は、レンズまたはフィルタの光学面に溝加工してなることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の照明装置。
9. 顕微鏡に用いることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の照明装置。
10. プロジェクターに用いることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の照明装置。
11. 露光装置に用いることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の照明装置。