JP5909548B2 - 反射屈折光学系 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、光学的撮像に関し、特に、例えば、顕微鏡の対物レンズ光学系又はリソグラフィ用投影光学系に使用可能な反射屈折光学系に関する。

カトプトリック（反射）光学素子とディオプトリック（屈折）光学素子との組み合わせを含む反射屈折光学系は、顕微鏡の対物レンズ光学系又はリソグラフィ用投影光学系として使用可能である。そのような光学系において軸対称のミラーが使用される場合、光学系の光軸上に光遮断部分（即ち、遮蔽部分）が現れる。遮断される光の割合を表す遮蔽比は、以下の式（１）によって定義される。

式（１）において、θ_１は、必要とされる遮蔽比を実現するための最小角度であり（以下、θ_１は「最小遮蔽角度」と称する）、θ_ｍは、物体から出る周辺光線と周辺光線が入射する面に対する軸とがなす角度である（以下、θ_ｍは「周辺角度」と称する）。

当業者には知られているように、画質の定量的尺度は、変調伝達関数（ＭＴＦ）である。ＭＴＦは、レンズ又は光学系が物体からそのレンズ又は光学系によって生成される像までコントラストを伝達する能力を表す。光学顕微鏡の場合、ＭＴＦは、物体から像面まで特定の解像度でコントラストを伝達する顕微鏡の能力を測る尺度である。顕微鏡の結像光学系の光路に何らかの障害物がある場合、像コントラストが低下するだけではなく、像面で検出される光の強度分布においてエネルギーの損失も発生する。

顕微鏡のＭＴＦは、物体中に所定の距離だけ離間して配列され、且つ、形成される像に正弦状強度を発生させる周期的な線によって生成されるコントラストから取得できる。そのような正弦状強度は、空間周波数の関数として変化する。例えば、１μ（１ｍｍ当たり１０００本の空間周波数）の空間周期を有する吸収線と透明線の対を複数含む物体を高ＮＡ顕微鏡で撮像した場合、個々の線は、中程度の像コントラストで撮像（解像）される。対の線の間の距離を０．５μ（１ｍｍ当たり２０００本と等しい空間周波数）まで減少させると、最終像のコントラストは低下し、解像不可能になることもあるが、空間周波数を２μ（１ｍｍ当たり５００本に等しい空間周波数）に増加させると、像コントラストは向上し、容易に解像可能になる。

図１Ａは、光学系の遮蔽比がＭＴＦにどのように影響するかを示すグラフである。図１Ａから理解できるように、ＭＴＦ、特に、空間周波数が低い場合及び中程度である場合のＭＴＦは、遮蔽比が大きくなるにつれて劣化する。

ＭＴＦを増加させるためには、反射屈折部を使用し続けながら、光学系の遮蔽比を減少させることが必要である。

これまで、遮蔽の問題に取り組む試みがなされてきた。例えば、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｊｒ．他の米国特許第５６５０８７７号公報は、特定の形状に構成された前面及び後面を有する反射屈折光学素子がレチクルの縮小像を基板上に高ＮＡ放射で投影するリソグラフィ用投影光学系を開示する。光学素子の後（最終）面（基板に最も近い面）は、凹面反射部分によって取り囲まれた中央開口部を有する。放射照明が通過する前面（後面の反対側）は、入射光束の一部を後面の凹面反射部分に向けて透過させる部分反射膜を有する。部分反射膜は、その面を通じて光を均一に部分透過させる。

凹面反射部分が受けた光を前面に戻すと、部分反射膜は、戻された光の一部を凹面反射部分によって反射し、中央開口部を介して光の一部を基板に向かって収束光路に沿って透過する。米国特許第５６５０８７７号公報によれば、凹面反射部分で反射されないと考えられる直接光に対応する照明光束の一部を遮断するために前面の一部を被覆することによって、中央遮蔽を制御することができる。しかしながら、直接光を遮断することによって相対的に低い遮蔽が得られるが、前面の均一な部分透過及び部分反射によって、多大なエネルギー損失が生じる。特開２００２−８２２８５号公報も、半透明膜の使用に関連する同様の方法を開示する。

Ｂ．Ｓ．Ｂｌａｉｓｓｅ他は、「Ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｗｉｔｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ ｍｉｒｒｏｒｓ」（ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＣＩＥＣＴＩＦＩＣ ＲＥＳＥＡＲＣＨ、ＳＥＣＴＩＯＮ Ｂ、第２巻、第１号（１９５２年）、頁４５３−４６６）において、半透明膜を使用する別の方法を開示する。詳細には、Ｂｌａｉｓｓｅは、以下のような部分反射膜の使用を開示する。反射率が５０％である半透明膜を面全体に被覆するのではなく、凸面の点Ｐ１と点Ｐ２との間の部分のみに被覆する。同一の凸面のＰ２−Ｐ２’の部分に１００％の反射膜を被覆する。物体Ｏから入射した光は、図１Ｂに示されるように、３つの光線群Ｇ１乃至Ｇ３に分割される。光線Ｇ１は、面４のＰ０とＰ１との間にあり、Ｇ２は、面４のＰ１とＰ２との間にあり、Ｇ３は、面４のＰ２とＰ３との間にある。Ｇ１の経路は、面４の領域Ｐ０−Ｐ１を通過し、面２の領域Ｑ１−Ｑ２で損失なく反射される。その後、領域Ｐ１−Ｐ２は、Ｇ１を５０％の損失で反射する。光線Ｇ２は、領域Ｐ１−Ｐ２を５０％の損失で通過し、部分Ｑ２−Ｑ３で反射される。その後、Ｇ２は、Ｐ２−Ｐ３で損失なく反射される。光線Ｇ３は、領域Ｐ２−Ｐ３を通過できない。換言すれば、領域Ｐ２−Ｐ３は、物体Ｏからの光の一部を遮断することによって、バッフルとして作用する。

従って、以上の従来の技術から、反射屈折光学系において遮蔽比のレベルを制御するために、部分反射膜又は段階膜を使用できることがわかる。しかしながら、遮蔽比が光学系の変調伝達関数を劣化させることは避けられない。従って、変調伝達関数を最適化しながら遮蔽比を減少させることが必要である。

本発明の実施形態は、装置及びその方法を提供する。

本発明の１つの側面によれば、物体からの光を集光する反射屈折部と、該反射屈折部を介して前記物体の像を形成する屈折部と、を備える光学系であって、前記光学系の射出瞳面の中央に遮蔽部分を形成するために、前記反射屈折部によって反射されずに前記屈折部に向かう光を遮光する、前記光学系の光軸に沿って配置された遮光部材を有し、前記反射屈折部は、前記射出瞳面における前記遮蔽部分以外の領域の透過率が前記射出瞳面の径方向に変化するように、前記光軸の周囲に部分透明面を含み、前記遮蔽部分以外の領域は、前記光軸側から周辺側に向けて順に、第１の透過率を有する第１の部分と、前記第１の透過率よりも高い第２の透過率を有する第２の部分と、前記第２の透過率よりも低い透過率を有する第３の部分と、を含む光学系が提供される。

本発明の更なる特徴は、添付図面を参照して説明される以下の例示的な実施形態によって明らかにされるであろう。

図１Ａは、遮蔽比に関して変調伝達関数（ＭＴＦ）を示すグラフである。 図１Ｂは、反射屈折部の部分反射膜の従来の使用例を示す図である。 図２は、本発明の実施形態に係る反射屈折部、視野レンズシステム及び再結像部を有する光学系を示す図である。 図３は、本発明の別の実施形態に係る反射屈折部及び視野レンズシステムを有する光学系を示す図である。 図４Ａは、反射屈折部の一例を示す図である。 図４Ａに示す反射屈折部のＭＴＦを示す図である。 図５Ａは、半透明膜を備えた物体側面を有する反射屈折部を示す図である。 図５Ａに示す反射屈折部のＭＴＦを示す図である。 図６Ａは、段階膜を備えた物体側面を有する反射屈折部を示す図である。 図６Ａに示す反射屈折部のＭＴＦを示す図である。 図７Ａは、反射屈折部を示す図である。反射屈折部は、半径方向に透過率分布を有するように光軸に沿って回転対称に配置された半透明膜を備えた物体側面を有する。 図７Ｂは、反射屈折部を示す図である。反射屈折部は、半径方向に透過率分布を有するように光軸に沿って回転対称に配置された半透明膜を備えた物体側面を有する。 図８Ａは、図５Ａに示す反射屈折部の射出瞳面における透過率分布（アポダイゼーション）を示す図である。 図８Ｂは、図６Ａに示す反射屈折部の射出瞳面における透過率分布（アポダイゼーション）を示す図である。 図８Ｃは、図７Ａに示す反射屈折部の射出瞳面における透過率分布（アポダイゼーション）を示す図である。 図９Ａは、図４Ａ、図５Ａ及び図６Ａに示す反射屈折部のＭＴＦをまとめて示す図である。 図９Ｂは、図７Ａに示す反射屈折部のＭＴＦを示す図である。 図１０Ａは、本発明の実施形態に係る反射屈折部と、光が屈折又は反射される反射屈折部の関連する面とを示す横断面図である。 図１０Ｂは、反射屈折部を固体光学素子として製造する方法の一例を示す図である。 図１１は、本発明の実施形態に係る所定の接合面で一体に組み立てられた４つの部分から構成される反射屈折部を示す図である。 図１２は、本発明の実施形態に係る像側面の１つの領域が半透明膜で被覆されている反射屈折部の一例を示す図である。 図１３は、本発明の実施形態に係る互いに所定の距離で離間して配置された第１の反射屈折素子ＣＧ１及び第２の反射屈折素子ＣＧ２から構成される反射屈折部を含む光学系を示す図である。 図１４は、図１３の第２の反射屈折素子ＣＧ２の一例を示す図である。 図１５は、図１３の第１の反射屈折素子ＣＧ１の一例を示す図である。 図１６Ａは、本発明の実施形態に係る回転対称可変透過率膜で被覆された図１３の第１の反射屈折素子ＣＧ１の更なる例を示す図である。 図１６Ｂは、図１６Ａの第１の反射屈折素子ＣＧ１がされた際のＭＴＦを示す図である。 図１７Ａは、図１３に示す反射屈折素子ＣＧの射出瞳面における透過率分布を示す図である。 図１７Ｂは、図１３に示す反射屈折素子ＣＧの射出瞳面における透過率分布を示す図である。 図１８は、図１３に示す第１の反射屈折素子ＣＧ１及び第２の反射屈折素子ＣＧ２の半透明膜構造及びその例示的な光透過を示す図である。 図１９Ａは、物体面から発し、図１３に示す反射屈折部ＣＧを透過する光線の例示的な光線軌跡を示す図である。 図１９Ｂは、物体面から発し、図１３に示す反射屈折部ＣＧを透過する光線の例示的な光線軌跡を示す図である。 図１９Ｃは、物体面から発し、図１３に示す反射屈折部ＣＧを透過する光線の例示的な光線軌跡を示す図である。 図１９Ｄは、物体面から発し、図１３に示す反射屈折部ＣＧを透過する光線の例示的な光線軌跡を示す図である。 図１９Ｅは、物体面から発し、図１３に示す反射屈折部ＣＧを透過する光線の例示的な光線軌跡を示す図である。 図１９Ｆは、物体面から発し、図１３に示す反射屈折部ＣＧを透過する光線の例示的な光線軌跡を示す図である。 図２０Ａは、図１８に示す反射屈折部の射出瞳面における透過率分布を示す図である。 図２０Ｂは、図１８に示す第１の反射屈折素子ＣＧ１及び第２の反射屈折素子ＣＧ２の半透明膜構造を有する反射屈折部のＭＴＦを、第１の反射屈折素子ＣＧ１のみに半透明膜構造を有する反射屈折部のＭＴＦと比較して示す図である。 図２１は、例示的な視野レンズ部を示す図である。 図２２は、再結像部の一例を示す図である。 図２３Ａは、本明細書において開示される付録Ｉ乃至Ｖに対応する数値の例に係る反射屈折部を備える光学系の種々の例を示す図である。 図２３Ｂは、本明細書において開示される付録Ｉ乃至Ｖに対応する数値の例に係る反射屈折部を備える光学系の種々の例を示す図である。 図２３Ｃは、本明細書において開示される付録Ｉ乃至Ｖに対応する数値の例に係る反射屈折部を備える光学系の種々の例を示す図である。 図２３Ｄは、本明細書において開示される付録Ｉ乃至Ｖに対応する数値の例に係る反射屈折部を備える光学系の種々の例を示す図である。

添付図面を参照して、以下に本発明に係る実施形態を説明する。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することを目的としており、本発明を限定することを意図しない。本明細書で使用される場合の単数形は、明確な説明がない限り複数形も含むことが意図される。更に、本明細書において使用される用語「備える」及び／又は「備えている」は、そこに挙げられている特徴、数字、ステップ、動作、要素及び／又は構成要素の存在を示すが、１つ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、要素、構成要素及び／又はそれらの組み合わせの存在又は追加を除外しないと理解されるだろう。本明細書において使用される光学素子（レンズ、ミラー又はそれらからの光学系）の物体が結像されるべき側は、その光学素子の「物体面側」、「物体側」又は「前側」と互換性をもって呼ばれ、光学素子の像が形成される側は、その光学素子の「像面側」、「像側」又は「後側」と互換性をもって呼ばれる。従って、以下に説明される種々の図面において、レンズ、ミラー又はそれらの光学系を示す各図の左側は前側又は物体側と呼ばれ、その反対の側（右側）は後側又は像側と呼ばれる。

図２は、本発明の実施形態に係る反射屈折部２００、視野レンズ群３００及び再結像部４００を有する光学系１００を示す全体概要図である。図２において、上の部分は、例示的な光線軌跡とともに光学系１００の横断面図を示し、下の部分は、反射屈折部２００、視野レンズ群３００及び再結像部４００の光学素子の概要を、光線軌跡を含めずに示す。

動作中、光学系１００は、物体面ＯＰに配置された物体Ｏの像ＩＭを像面ＩＰに形成する。像面ＩＰは、例えば、ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサなどの固体イメージセンサＳの像面に対応する。光学系１００は、リソグラフィ用投影光学系のように反転しても動作可能であり、その場合、物体面ＯＰと像面ＩＰは入れ替わる。特に、顕微鏡に適用される場合、反射屈折部２００は、物体Ｏから出る光を集光し、集光した光を視野レンズ群３００及び再結像部４００を介して像面ＩＰに向かって射出する。従って、光学系１００は、物体面ＯＰと像面ＩＰとの間でリレー光学系として作用する。図２に示すように、反射屈折部２００は、集光した光を視野レンズ群３００へ射出し、視野レンズ群３００は、中間像面ＩＭＰ１に中間像ＩＩＭ１を形成する。再結像部４００に対して、中間像ＩＩＭ１は、物体として使用され、再結像部４００は、像面ＩＰに最終像ＩＭを形成する。

光学系１００は、必ずしも図２に示す素子に限定されない。例えば、光学系１００は、再結像部４００を含む構成に限定されず、最終像ＩＭを形成する前にＩＭＰ１に中間像ＩＩＭ１を形成する構成にも限定されない。視野レンズ群３００又は再結像部４００が取り除かれた場合でも、光学系１００が本発明の趣旨及び範囲を逸脱せずに動作できることは当業者には理解されるだろう。更に、光学系１００は、１つ以上の中間像を形成するかどうかにかかわらず、或いは、中間像をまったく形成しない場合であっても、最終像ＩＭを提供するように構成されてもよい。

＜反射屈折部＞
次に、図３を参照して、反射屈折部２１００及びレンズ部２２００を含む光学系２０００を詳細に説明する。図３は、光軸ＡＸに沿って配置された反射屈折部２１００と、反射屈折部２１００と軸方向に位置合わせされて配置されたレンズ部２２００とを有する光学系２０００を示す。本実施形態において、反射屈折素子ＣＧは、反射屈折部２１００として使用され、レンズ群ＬＧは、レンズ部２２００として使用される。光学系２０００に関する例示的なレンズのデータは、「数値例」の章で説明されるとともに、表１ａ及び表１ｂにまとめて示される。物体空間テレセントリック光学系（即ち、入射瞳を無限遠に有する光学系）を形成するために、光学系の前方焦点面に開口絞りＳＴＯが配置されるべきであると考えられる。これに関連して、入射瞳が物体面ＯＰから少なくとも１０００００ｍｍの距離に位置している場合、入射瞳は、有効に無限遠にある。しかしながら、実際の実施形態において、最も外側の視野の射出瞳面は、物体面ＯＰから右側へ１６９ｍｍの距離に配置されるように設計される。

反射屈折素子ＣＧは、光軸ＡＸに沿って中心部分を除いて両面が反射膜で被覆された固体光学素子２１１０（必ずしも一体の部材でなくてもよい）によって形成されるのが好ましい。光軸ＡＸに沿って、光軸に沿った直接光のフローを抑制するために使用される装置であるバッフル２３００が配置される。動作中、光学系２０００は、物体面ＯＰの光軸ＡＸ上に配置された物体Ｏから発する光を集光し、且つ、像面ＩＰに最終像ＩＭを形成する。図４Ａは、反射屈折部２１００の構造及び機能を詳細に示す図である。

更に詳細には、図４Ａに示すように、反射屈折部２１００は、本質的には、固体光学素子２１１０及びバッフル２３００から構成される。固体光学素子２１１０は、物体側面２１２０及び像側面２１３０を有する。光学素子２１００の物体側面２１２０に点線で示されている矩形は、セクションＣＸを表す。物体側面２１２０は、光軸ＡＸを中心とする点Ｐ１１と点Ｐ１１’との間の中央透過領域２１２１（物体側透過領域）と、点Ｐ１１と点Ｐ１２及び点Ｐ１１’と点Ｐ１２’との間の透過領域２１２１と同心のゾーンにある湾曲した反射（又は半反射）領域２１２２と、透過部分２１２１及び湾曲した反射領域２１２２の周囲の回転対称形ゾーンにある平坦な反射領域２１２３（物体側平坦な反射領域）とを含む。光軸ＡＸを中心とする透過部分２１２１は、光学的に透明な（透過）領域であり、光軸ＡＸ上に配置され、且つ、物体面ＯＰに配置された物体Ｏから発した光を透過するように作用する。物体側面２１２０の反射部分２１２２及び２１２３は、入射する光の１００％が完全に反射されるように、例えば、反射材料で面を被覆することによって１００％の鏡面反射面として形成される。

像側面２１３０は、光軸ＡＸを中心とする点Ｑ１１と点Ｑ１１’との間の中央透過領域２１３１（像側透過領域）と、中央透過領域２１３１の周囲の回転対称形ゾーンの点Ｑ１１と点Ｑ１２との間及び点Ｑ１１’と点Ｑ１２’との間の湾曲した反射領域２１３２（像側反射領域）とを含む。中央透過領域２１３１は、所定の入射角で入射した光を透過するように、反射膜のない透明な面である。湾曲した反射領域２１３２は、像側面２１３０の一部領域を反射率の高い材料で被覆することによって、或いは、何らかの好適な周知の処理によって、鏡面反射面として形成されるのが好ましい。

動作中、物体面ＯＰの物体Ｏから発した光は、光軸ＡＸの周囲の点Ｐ１１と点Ｐ１１’との間の透明部分２１２１を通って固体光学素子２１１０に入射する。光軸ＡＸに沿って直接伝播する直接光は、バッフル２３００によって遮断される。所定の角度で入射した光線は、バッフル２３０によって遮断されず、像側面２１３０に向かって進む。従って、入射光線は、像側面２１３０の点Ｑ１１と点Ｑ１２との間（Ｑ１１’とＱ１２’との間）の反射領域２１３２で１回目の反射を受ける。図４に示す領域Ｑ１１−Ｑ１２、Ｑ１１’−Ｑ１２’、Ｐ１１−Ｐ１２及びＰ１１’−Ｐ１２’の反射は、使用される光の波長に合わせて最適化された反射膜を使用することによって、１００％になるように設計されるのが好ましい。像側面２１３０の反射領域２１３２で反射された後、光線は、物体側に向かって進み、Ｐ１１とＰ１２との間及びＰ１１’とＰ１２’との間の平坦な反射領域２１２３及び湾曲した反射領域２１２２で反射されることによって、像側透過部分を通って光学素子２１１０から射出し、像面ＩＰに最終像ＩＭを形成する。

このような構造の反射屈折部２１００は、少なくとも１．６５の開口数で光を集光できるが、約５０％の遮蔽比を生じる。係る反射屈折部２１００（以下、「構造Ｉ」）のＭＴＦを図４Ｂに示す。図４Ｂから理解できるように、中間の空間周波数（マーク５０からマーク２００までの間）のＭＴＦが特に低く、これは５０％の遮蔽比に起因するものと考えられる。しかしながら、光効率が７５％であるという利点もある。詳細には、本実施形態では、光学素子又はその光学系に入射する光は、入射瞳で均一な透過率を有するものと考えられる。これは１００％であるとみなされ、光効率を判定するための基準値で使用される。従って、光学素子又はその光学系の光効率は、入射点で観測（測定）された１００％の値と比較した場合の所定の平面（例えば、射出瞳面）で観測（測定）される光の透過の量である。

＜部分透明膜＞
固体光学素子２１１０の物体側面２１２０に部分透明膜を導入することができる。図５Ａは、物体側面２１２０の関連する部分を示す固体光学素子２１１０のセクションＣＸの拡大図である。図５Ａにおいて、Ｐ２４とＰ２４’との間の領域の反射率が５０％である場合、物体Ｏからの光線がＰ２４とＰ２４’との間の半透明面を通過することによって、５０％の損失が発生する。上述したように、入射光線は、像側面２１３０のＱ２１とＱ２２との間（Ｑ２１’とＱ２２’との間）の１００％の反射部分２１３２で１回目の反射を受け、物体側面２１２０に向かって戻る。従って、この時点で、光線の光の５０％がＰ２４とＰ２４’との間の半透明面を通過し、光の５０％はＰ２４とＰ２４’との間の半透明面で２回目の反射を受け、光学素子２１１０の透過領域に向かって進む。これにより、Ｐ２４とＰ２４’との間の半透明面における反射の間に５０％の損失が発生し、これは、物体からの光について、合わせて７５％が損失する可能性があることを意味する。従って、バッフル２３００による遮蔽を考慮に入れると、光効率は、２３％になる。Ｐ２４とＰ２４’との間の領域が５０％の反射率を有する場合における、この構造（以下、「構造ＩＩ」）のＭＴＦが図５Ｂに示され、これを構造ＩのＭＴＦと比較する。

図５Ｂから理解できるように、構造ＩＩの構成は２３％の光効率（即ち、構造Ｉよりも低い）を有するにもかかわらず、少なくとも空間周波数スペクトルの中央部分の空間周波数に関して、ＭＴＦは改善されている。この改善は、構造ＩＩの遮蔽比が構造Ｉよりも低いことによるものと考えられる。従って、図５Ａに示す構造ＩＩによれば、点Ｐ２４と点Ｐ２４’との間の領域全体を使用して、物体Ｏからの光を極めて高い開口数で、より効果的に集光することができる。光が効率的に集光された後、Ｐ２４とＰ２４’との間の半透明膜の面全体は、光を像側面に向かって反射するために使用されるため、遮蔽比は最小限に抑えられる。このように、バッフル２３００によって光が極めて低い割合で遮断され、半透明膜によって光の相当の部分が失われたとしても、全体としての遮蔽は少ない。

図６Ａは、像側面２１２０の透過領域に代わる更なる構造として、セクションＣＸ（図４Ａ）の別の図を示す。更に詳細には、図６Ａにおいて、点Ｐ３２と点Ｐ３２’との間の第１の領域は、０％の反射率を有するように光軸ＡＸに沿って被覆されるか又は被覆されず、第１の領域の周囲にあり、且つ、第１の領域と同心である点Ｐ３２と点Ｐ３２’との間の第２の領域は、５０％の反射率を有するように被覆され、点Ｐ３４と点Ｐ３４との間（点Ｐ３３’と点Ｐ３４’との間）の第３の領域は、１００％の反射率を有するように被覆されるように、面２１２０の透過領域は被覆されている。以下、図６Ａの構造を「構造ＩＩＩ」と称する。この構造において、点Ｐ３２と点Ｐ３２’との間の領域が０％の反射率を有し、Ｐ３２とＰ３３との間（Ｐ３２’とＰ３３’との間）の領域が５０％の反射率を有し、Ｐ３３とＰ３４との間（Ｐ３３’とＰ３４’との間）の領域が１００％の反射率を有する場合、物体Ｏから入射する光線は、３つの光線群Ｇ１１、Ｇ１２及びＧ１３に分割される。

図６Ａにおいて、光線群Ｇ１１は、光学素子２１１０の物体側面のＰ３２とＰ３３との間及びＰ３２’とＰ３３’との間にあり、光線群Ｇ１２は、Ｐ３１とＰ３２との間及びＰ３１’とＰ３２’との間にあり、光線群Ｇ１３は、Ｐ３１とＰ３１’との間にある。光線群Ｇ１１の光線は、Ｐ３２とＰ３３との間の半透明面を５０％の損失で通過し、反射領域２１３２によって損失なく反射される。物体側面に戻った後、光線群Ｇ１１は、Ｐ３３とＰ３４との間の領域で反射面によって像側面に向かって反射される。

一方、光線群Ｇ１２は、Ｐ３１とＰ３２との間の透明領域を損失なく通過する。次に、反射領域２１３２によって反射された後、光線群Ｇ１２は、Ｐ３２とＰ３３との間の領域によって５０％の損失で像側に向かって反射される。

最後に、光線群Ｇ１３は、Ｐ３１とＰ３１’との間の領域を通過するが、直接光が像面ＩＰに到達するのを防止するために、バッフル２３００によって遮断される。従って、射出瞳面における光の総透過率は、遮蔽領域を除いて５０％である。この場合の光効率は、４６％である。この構造（以下、「構造ＩＩＩ」）のＭＴＦは、図６Ｂに示される。

従って、構造ＩＩ（図５Ａ）及び構造ＩＩＩ（図６Ａ）のような部分透明膜を使用することによって、遮蔽比を低くし、且つ、ＭＴＦを改善することができる。しかしながら、光効率は５０％を超えないため、依然として低いと考えられる。従って、用途によっては、像コントラストが最適とはいえないままである。更に詳細には、図５Ａ、図５Ｂ及び図６Ａ、図６Ｂに示すような部分透明膜が使用される場合、バッフルによって遮蔽される中央部分を除き、射出瞳面における透過率分布（「アポダイゼーション」と呼ばれる）は均一である。構造ＩＩ及び構造ＩＩＩの光軸の周囲の透過率分布が図８Ａ及び図８Ｂにそれぞれ示される。

次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、半径方向に透過率分布を有する半透明膜構造の別の構造（以下、「構造ＩＶ」）を説明する。図７Ａに示すように、射出瞳面の半径方向に透過率分布を変化させるために、半透明膜は、光軸ＡＸに対して回転対称形になるように配置される。図７Ａを参照するに、固体光学素子２１１０（レンズ）の物体側面２１２０は、点Ｐ４２とＰ４２’との間の反射率が０％の円形領域（「第１の領域」）と、「第２の領域」と称する点Ｐ４２と点Ｐ４３との間（点Ｐ４２’と点Ｐ４３’との間）の反射率が４０％の環状領域と、「第３の領域」と称する点Ｐ４３と点Ｐ４４との間（点Ｐ４３’と点Ｐ４４’との間）の反射率が１００％の環状領域とに分割される。これにより、物体Ｏから入射する光線は、効果的に、４つの光線群Ｇ４１、Ｇ４２、Ｇ４３及びＧ４４に分割される。各光線群は、光学素子の中で、以下のように複数回の反射を受ける。

第１の光線群Ｇ４１（Ｇ４１’）は、点Ｐ４２と点Ｐ４３との間（点Ｐ４２’と点Ｐ４３’との間）の領域を通過する光線から構成され、第２の光線群Ｇ４２及び第３の光線群Ｇ４３は、点Ｐ４１と点Ｐ４２との間（点Ｐ４１’と点Ｐ４２’との間）を通過する光線から構成され、光線群Ｇ４４は、Ｐ４１とＰ４１’との間の領域を通過する光線から構成される。

Ｇ４１の光線は、Ｐ４２とＰ４３との間の領域を４０％の損失で通過し、像側面２１３０の点Ｑ４１と点Ｑ４２との間の反射領域２１３２によって損失なく反射される。物体側面２１２０に戻った後、光線群Ｇ４１は、点Ｐ４３とＰ４４との間の１００％の反射領域で反射されることによって、像側に向かって進む。従って、光線群Ｇ４１の光線が受ける実効損失は、４０％以下である。

光線群Ｇ４２の光線は、点Ｐ４１と点Ｐ４２との間の１００％の透過領域を損失なく透過し、その後、像側面２１３０の反射領域２１３２によって反射され、物体側面２１２０に向かって戻される。物体側面のＰ４３とＰ４４との間の領域で、光線群Ｇ４２の光線は、損失なく像側面に向かって反射される。従って、光線群Ｇ４２の光線は、１００％の実効透過率（０％の損失）で、光学素子２１１０をほぼ妨げられることなく透過する。

光線群Ｇ４３の光線は、物体側面２１２０の点Ｐ４１と点Ｐ４２との間の透明領域を損失なく通過する。像側面２１３０の反射領域２１３２によって反射された後、光線群Ｇ４３の光線は、Ｐ４２とＰ４３との間の半透明領域で６０％の損失で反射される。

光線群Ｇ４４の光線は、Ｐ４１とＰ４１’との間の領域を損失なく通過するが、直接光が像面に到達するのを防止するために、バッフル２３００によって遮断される。

図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、構造ＩＩ、構造ＩＩＩ及び構造ＩＶの射出瞳面における光の総透過率分布をそれぞれ示す。詳細には、構造ＩＶ（図８Ｃ）では、光学素子２１１０の物体側面においてこの回転対称形可変透過率を使用することによって、光効率は６８％になる。

図９Ａは、構造Ｉ乃至構造ＩＶのＭＴＦを示すグラフである。図９Ａにおいて、構造ＩＩ及び構造ＩＩＩのグラフは、互いにほぼ重なり合っている。図９Ａから理解できるように、光学素子２１１０の物体側面２１２０に回転対称形の可変透過率を与えることによって、構造ＩＶのＭＴＦは、構造Ｉと比較して改善される。詳細には、光効率が５０％のままであっても、４０％の反射率の回転対称形半透明膜を導入することによって、ＭＴＦが改善される。

Ｐ４２とＰ４３との間（Ｐ４２’とＰ４３’との間）の領域の透過率がそれぞれ２０％、３０％、４０％、７０％、８０％である場合、光効率は、それぞれ６５％、６６％、６６％、６８％、６９％になる。図９Ｂに示すように、Ｐ４２とＰ４３との間の領域の透過率に応じて、ＭＴＦの特徴を変化させることができる。図９Ｂは、種々の透過率レベルにおける構造ＩＶのＭＴＦを示す。図９Ｂから理解できるように、光学素子２１１０の物体側面２１２０に回転対称形可変透過率を与えることによって、ＭＴＦは全体が改善されるが、Ｐ４２とＰ４３との間の領域において２０％から８０％という見かけ上大きな透過率の増加があっても、光効率は６５％から６９％に向上しただけである。

部分透明膜は、面の対応する部分を反射材料で被覆することによって形成されてもよい。このような半透明膜は、例えば、化学蒸着又はエッチングによって実現されてもよい。

部分透明膜は、例えば、アルミニウム及び銀などの金属膜又は多層膜から選択可能である。反射膜の厚さは、例えば、数十ｎｍ乃至数百μｍの範囲で選択される。更に詳細には、反射膜の厚さ及び材料は、使用される光の波長に応じて選択される。反射屈折光学素子（レンズ）の材料は、例えば、クラウンガラス、鉛ガラス、異常分散ガラス、溶融シリカ、蛍石など、その同等物及びそれらの組み合わせから選択可能である。

光学素子２１１０の物体側面２１２０の半径方向に被覆された領域に関する例示的なデータを表１にまとめて示す。表１において、半径方向の距離は、光軸ＡＸから湾曲面の縁部（点Ｐ４４又はＰ４４’）に向かって測定されるものとする。

以上の説明は、反射屈折部２１００の構造及び機能の説明、特に、固体光学素子２１００の物体側面２１２０の透過率特性及び反射率特性に向けられていた。次の章では、反射屈折部をどのようにして構成するかを詳細に説明する。

リレー光学系の第１の部分は、固体ガラス光学素子（必ずしも一体の固体部材でなくてもよい）から構成され、光が屈折又は反射される４つの光学面を有するという特徴を備えた反射屈折部１２０１である。

上述したように、反射屈折部２１００は、固体光学材料、例えば、ガラスによって形成されてもよいが、必ずしも一体の固体部材でなくてもよい。重要なのは、光が屈折又は反射される４つの光学面（１２１１、１２１２、１２１３及び１２１４）を有する固体光学素子によって、反射屈折部２１００が構成されるということである。図１０Ａは、固体ガラスの反射屈折部１２００の横断面図である。図１０Ａにおいて、面１２１１は、物体に隣接し、液浸媒体は、物体空間の屈折率を反射屈折部１２００の屈折率まで減少させるか、又は、反射屈折部１２００の屈折率と等しくする。液浸媒体は、物体Ｏから発し、固体ガラスの反射屈折部１２００の面１２１２に向かって伝播する光の屈折を減少させるか、又は、なくすように作用する。反射屈折素子のガラスと同一の屈折率を有する液浸媒体が使用される場合、屈折は起こらない。実際には、何らかの屈折率差が常にあるため、多少の屈折が起こる。

面１２１１の光学的形状は、平面、球面又は非球面のいずれであってもよい。面１２１２は、光線を面１２１３に向かって集束させるように反射するために凹面であり、反射性であり、環状である。面１２１２が環状であることによって、約０．３の遮蔽が発生する。この遮蔽は重大であるが、０．３以下になる場合もある。面１２１３は、反射屈折部１２００から射出する際に光線を面１２１４に向かって反射させるように、凸面の環状反射面である。面１２１４は、反射屈折部から光線を射出させる屈折面である。光学面１２１１、１２１２、１２１３及び１２１４は、それぞれ異なり（即ち、プロファイルが互いに異なり、互いに連続しない）、平面、球面又は非球面のいずれであってもよい。

従って、この反射屈折部は、光が反射又は屈折する４つの明確に異なる面を有する。詳細には、面１２１２は、物体側に向かって凹面である環状ミラーと考えることができる面を形成し、面１２１３は、像側に向かって凸面である反射構造を形成する。この反射屈折部１２００の直径は、２５ｍｍ乃至５００ｍｍであるのが好ましい。製造に際しては、図１０Ｂに示すように、反射屈折部１２００を２つ、３つ、４つ又は５つ以上の部分に分割することができる。反射屈折部１２００は、点線（図１０Ｂに示す）に沿って組み立て及び分離が可能な部品として製造することができる。実際に、それらの部品は、屈折率が同一の液体、硬化性樹脂又は他の周知の媒体によって一体に組み立てられる。部品の間に狭い空隙が形成されていてもよく、カット面は、平面又は湾曲面のいずれであってもよい。色収差などの何らかの収差を補正するのに有用であるように、又は、製造を容易にし、且つ、製造コストを低減するように、部品は異なる材料（ガラス状）から製造されてもよい。図１０Ｂは、固体光学素子ＣＧを形成するために、異なる部品Ａ、Ｂ、Ｃ又はＤを接合できる場所の接合断面が点線によって示されている一例である。

反射屈折部１２００は、軸対称形である。詳細には、軸対称形から僅かにずれている場合もあり、実装の便宜上、平坦な折りたたみ式ミラーを含むことも可能である。非球面は、形状が球面ではなく、且つ、レンズ設計の分野では、画質を向上させるか、或いは、実装を容易にするのに有用であるものとして知られている。反射屈折部１２００は、−３乃至−２０の負の倍率で動作することができる。

反射屈折部１２００の特定の顕著な態様は、液浸媒体と接触する入射面である。第１の面１２１１は、第３の面１２１３の内側部分と一致してもよい。２つの反射面、即ち、反射屈折部の像側の凹面（第２の面１２１２）と、反対の側の凸面（第３の面１２１３）とがあり、光軸（又は対称軸）に沿って射出面（第４の面）がある。第２の面、第３の面及び第４の面は、互いに明確に異なる。第１の面も異なる面であってよいが、第３の面の中央部分と一致していてもよい。

屈折率が反射屈折部１２００の入射側（物体空間）のガラスとほぼ同一である場合、所定の波長に対して、第１の面の光学的屈折は起こらない。製造、組み立て及び位置合わせを容易にするために、第１の面を第３の面と一致させるのが好ましい。そのような構成の反射屈折光学系は、第３の面の一部である第１の入射面部分を有することになる。第３の面として使用される面の部分は、環状の反射面であり、第１の面として使用される内側部分は、透過性であるか、又は、例えば、１％乃至４０％の低い反射率を有する。

反射屈折部１２００は、第２の環状凹面（第２の面１２１２）及び第４の屈折面（第４の面１２１４）を有する。第４の面１２１４は、第２の反射凹面とは明確に異なる。光は、第２の環状面１２１２の中心を通過して、第４の屈折面１２１４へ進む。第２の環状面１２１２によって取り囲まれた反射屈折部１２００の部分は、ほぼ透過性であり、光軸ＡＸに向かう方向に多少の反射率、例えば、１％乃至４５％の反射率を有してもよい。

製造又は収差の補正に関連して上述したように、反射屈折部１２００は、周知の方法で「一体に接合され」、且つ、境界面又は接合面として異なる光学面を有する幾つかの材料から構成されてもよい。しかしながら、いずれにしても、全体として反射屈折素子は、光／放射をほぼ透過する入射面１２１１と、環状部分では反射性であり、且つ、中央部分ではほぼ透過性である第２の凹面１２１２と、環状部分では反射性であり、且つ、中央部分ではほぼ透過性である第３の凸面１２１３と、射出面として作用し、且つ、上述の３つの面とは異なる第４の屈折面１２１４とを有する。

図１１は、ａ、ｂ、ｃ及びｄとして示される４つの部品から製造可能な反射屈折部１２００を示す。これらの４つの部品は、点線として示される所定の接合面で一体に組み立てられる。４つの光学面があり、１は、液浸液と接触する光学入射面であり、２ａ及び２ｂは、第２の光学面であり、３ａ及び３ｂは、第３の光学面であり、４は、射出面である。第２の面の部分２ａは、全反射面又は反射率の高い面であり、部分２ｂは、透明であるか、或いは、低い反射率及び高い透過率、例えば、２０％の反射率及び８０％の透過率を有する面である。第３の面の部分３ａは、全反射面又は反射率の高い面であり、部分３ｂは、透明であるか、或いは、低い反射率及び高い透過率、例えば、２０％の反射率及び８０％の透過率を有する面である。面４は、射出面である。点線で示す面部分２ｂ、３ｂ及び５は、反射屈折部を形成する部品の間の接合面である。面部分２ｂ及び３ｂが部分反射（又は反射率勾配を有する）及び部分透過の面であることによって、ＭＴＦの著しい劣化が防止される。

図１２は、第１の面及び第３の面が一致し、且つ、半透明膜で被覆されている反射屈折部１２００の一例を示す。点線は、反射屈折部の異なる部品の間の接合境界面、接合面を表す。点線は、１つの固体光学素子として形成された反射屈折部の異なる部品の間の境界面又は接合面を表す。環状凹面／反射面は、２として示され、第４の面（射出面）は、４として示される。第４の面は、第１の面、第２の面及び第３の面とは明確に異なり、且つ、それらの面から分離されている。

部分膜の半透明部分に使用される実際の膜は、１）金属、２）誘電体、３）透明膜、４）半透明膜、５）反射膜、６）半反射膜、７）光遮断（光捕捉）膜などの各種膜の組み合わせであってもよい。

＜他の実施形態＞
本発明の更なる実施形態に係るＴＩＲ（全反射）を使用する高ＮＡ光学系１３００が図１３に示される。光学系１３００の光学素子の詳細なレンズデータは、表２ａ及び表２ｂに示されている。物体空間テレセントリック光学系（即ち、入射瞳を無限遠に有する光学系）を形成するために、光学系の前方焦点面に開口絞りＳＴＯが配置される。図１３に示す例示的な光学系において、最も外側の視野の射出瞳面は、物体面ＯＰからその左側へ４８７５ｍｍ離間した位置にある。本実施形態では、反射屈折部ＣＧは、互いに所定の距離だけ離間して配置された第１の反射屈折素子ＣＧ１及び第２の反射屈折素子ＣＧ２を含む。第１の反射屈折素子ＣＧ１と第２の反射屈折素子ＣＧ２との離間（距離）はブロックＢＫによって規定され、ブロックＢＫは、空の空間（空隙）を残すか、或いは、ＣＧ１とＣＧ２との間にほぼ平行な光学的に透明な材料片（例えば、ガラス）を導入するかのいずれかの方法によって実現されてもよい。また、ブロックＢＫは、光学フィルタ、位相板などに対応してもよい。特に、ＣＧ１とＣＧ２とを離間させることは、光学系の位置合わせを容易にするのに効果的である。

図１３における第１の光学素子（反射屈折素子ＣＧ１）及び第２の素子（反射屈折素子ＣＧ２）は、遮蔽を減少させ、且つ、ＭＴＦを最適にするために選択的に膜で被覆されてもよい。ＣＧ２は、内側で２回の反射が起こるように設計され、第１の素子（ＣＧ１）と第２の素子（ＣＧ２）との間に僅かな間隙がある。第１の素子ＣＧ１は、物体Ｏから入射する光を集光し、集光した光をほぼ色収差なく第２の素子ＣＧ２へリレーする。第２の素子ＣＧ２は、集光した光を第１の中間像面ＩＭＰ１に集束することによって、第１の中間像ＩＩＭ１を形成する。更に詳細には、第１の素子ＣＧ１と第２の素子ＣＧ２との組み合わせは、特に、遮蔽を制御し、且つ、光学系１３００のＭＴＦを最適にする。

第３の光学素子は、反射屈折群ＣＧ３であり、第１の中間像面ＩＭＰ１からの第１の中間像ＩＩＭ１を第２の中間像面ＩＭＰ２に再結像することによって、第２の中間像ＩＩＭ２を形成するように作用する。レンズ群ＬＧに対して、第２の中間像ＩＩＭ２は物体として使用され、レンズ群ＬＧは、像面ＩＰに最終像ＩＭを生成する。図１３に示すように、反射屈折群ＣＧ３は、図２の視野レンズ３００として考えてもよく、レンズ群ＬＧは、図２の再結像部４００として考えてもよい。

図１４は、図１３の反射屈折系ＣＧにおける反射屈折素子ＣＧ２の構造を詳細に示す。第２の群（ＣＧ２）の左側の面（物体側面）は、第１の素子ＣＧ１の後側の面と同一の形状を有する外側領域（領域（ａ））１４０４と、凸面形状を有する内側領域（領域（ｂ））１４０５とを含む２つの部分を有する。

図１５は、物体側湾曲面１５０（第１の面）及び像側平坦面１５１を有する固体レンズ１５０１から構成される第１の素子ＣＧ１の一例を示す。図１５の右側に、ＣＧ１の像側平坦面１５１（第２の面）の平面図が示される。物体側面１５０は、光軸ＡＸを中心とする中央領域の透過部分と、その透過部分の周囲の領域にある凹面反射部分とを有する。透過部分及び凹面反射部分は、互いに同心である。像側面１５１は、ほぼ平坦であり、半透明（５０％の透過率）の膜１６で被覆されている。像側面１５１は、互いに同心であり、且つ、ともに光軸ＡＸを中心とする全反射（ＴＩＲ）領域Ｐ５１及び中央遮蔽領域１７を含む。物体Ｏから入射した光線は、第１の面１５０の透過部分を通過し、まず、像側面１５１に入射して、そこで反射される。更に詳細には、臨界角θ_ｃと限界角度θ_ｍとの間の入射角を有する光線Ｒ２及びＲ３は、第２の面１５１のＴＩＲ領域Ｐ５１で全反射され、第１の面１５０の反射部分に向かって損失なく反射される。一方、最小遮蔽角度θ_１で像側面に入射した光線Ｒ１の一部は、光線Ｒ１’として半透明膜１６を透過し、別の部分は物体側面に向かって反射される。物体側面１５０の反射部分は、それらの光線を第２の面１５１に向かって光線Ｒ２’及びＲ３’として反射する。この際、反射光線Ｒ１’’、Ｒ２’及びＲ３’の全ては、面１５１のＴＩＲ領域Ｐ５１を５０％の損失で透過する。

図１５において、第１の面１５０の透過領域を通って伝播し、第２の面１５１の領域１７に入射した光線Ｒ１は、５０％の損失で直接光線Ｒ１’として透過する。従って、上述したバッフル２３００などのバッフルによって、それらの直接光線を遮断することができる。

そこで、図１３に戻って説明すると、物体面ＯＰに配置された物体から入射した光線は、第１の素子ＣＧ１の中央透過部分を通って第１の素子ＣＧ１に入射し、全反射（ＴＩＲ）によって面（Ｐ１）で反射される。臨界角よりも大きい入射角で面Ｐ１に入射した光線のみが反射され、反対側（１３０１）へ進む。光線は、物体側面１３０１から像側面に向かって臨界角よりも小さい角度で反射される。

光線が面（Ｐ１）に再び到達すると、光の角度が臨界角よりも小さいため、光線は反射されず、面Ｐ１によって屈折される。そして、光線は、図１４に示す領域（ａ）１４０４を通って第２の素子（ＣＧ２）に入射する。面（Ｐ１）の形状と領域（ａ）の形状とが同一であり、且つ、光の高さの差が極めて僅かであるため、光がＣＧ１の面（Ｐ１）から射出して、ＣＧ２の領域（ａ）に入射する時点で、単色収差は、殆ど生じない。そして、光線は、凹面状反射面（像側凹面鏡）１３０２によって収束され、凸面状反射面（凸面鏡）１３０３によって反射される。

従って、第２の素子ＣＧ２の中において、第１の中間像面ＩＭＰ１に第１の中間像ＩＩＭ１が形成される。中間像ＩＩＭ１からの光は、ミラー１３０５の中空透過領域（孔）を通過し、ミラー１３０４によって反射される。ミラー１３０５によって反射された後、光線は、ミラー１３０４の中空透過領域（孔）を通過し、第２の中間像面ＩＭＰ２に第２の中間像ＩＩＭ２が形成される。ＩＩＭ２は、レンズ群ＬＧに対して物体として使用される。そして、レンズ群ＬＧによって、像面ＩＰに最終像が形成される。臨界角によって規定される遮蔽比は、６６％である。光効率は、６３．１％である。

レンズ１５０１の像側面１５１が５０％の反射率の半透明膜１６で被覆されている場合（以下、「構造ＶＩ」）、面１５１が半透明膜で被覆されていない場合と比較してＭＴＦは改善されるが、光効率は２２％に低下する。構造Ｖ（不図示）は、像側面に膜を有していない構造である。

図１６Ａを参照して、ＣＧ１の新たな構造（以下、「構造ＶＩＩ」）を説明する。図１６Ａにおいて、光軸を中心とするＰ６１とＰ６１’との間の領域は、吸収領域であり、Ｐ６１とＰ６２との間（Ｐ６１’とＰ６２’との間）の領域は、１００％の反射率を有し、Ｐ６２とＰ６３との間（Ｐ６２’とＰ６３’との間）の領域は、５０％の反射率を有し、Ｐ６３とＰ６４との間（Ｐ６３’とＰ６４’との間）の領域は、０％の反射率を有し、Ｐ６４とＰ６５との間（Ｐ６４’とＰ６５’との間）の領域は、５０％の反射率を有するように、第１の素子ＣＧ１は、回転対称可変膜を含むように変形されている。

物体面ＯＰの物体から入射した光線は、図１６に示すように、４つの光線群Ｇ６１、Ｇ６２、Ｇ６３及びＧ６４に分割される。光線群Ｇ６１の光線は、点Ｐ６３と点Ｐ６４との間（Ｐ６３’とＰ６４’との間）にあり、Ｇ６２の光線は、Ｐ６２とＰ６３との間（Ｐ６２’とＰ６３’との間）にあり、Ｇ６３の光線は、Ｐ６１とＰ６２との間（Ｐ６１’とＰ６２’との間）にあり、Ｇ６４の光線は、Ｐ６１とＰ６１’との間にある。

Ｇ６１の光線は、Ｐ６３とＰ６４との間の領域でＴＩＲによって反射され、領域Ｑ６１及びＱ６２によって反射される。次いで、光線は、Ｐ６４とＰ６５との間の領域を５０％の損失で通過する。Ｇ６２の光線は、Ｐ６２とＰ６３との間の領域を５０％の損失で通過し、Ｑ６１とＱ６２との間の領域によって損失なく反射される。そして、Ｇ６２の光線は、Ｐ６３とＰ６４との間の領域を通過する。

Ｇ６３の光線は、Ｐ６１とＰ６２との間の領域で１００％の反射膜によって反射され、領域Ｑ６１及びＱ６２によって損失なく元の方向へ反射される。そして、光線は、Ｐ６２とＰ６３との間の領域を５０％の損失で通過する。Ｇ６４の光線は、Ｐ６１とＰ６１’との間の領域によって吸収される。

図１６Ｂに示すように、半透明膜を使用することによって、構造ＶＩ及び構造ＶＩＩのＭＴＦを改善することができる。構造ＶＩの光効率は、２２％であり、構造ＶＩＩの光効率は、４２％である。図１７Ａ及び図１７Ｂは、射出瞳面における構造ＶＩ及び構造ＶＩＩの透過率分布をそれぞれ示す。射出瞳面における透過率（透過率分布）は、構造ＶＩでは２５％、構造ＶＩＩでは５０％である。

図１８に示すように、第１の素子及び第２の素子（ＣＧ１、ＣＧ２）の面に半透明膜構造が適用される（以下、「構造ＶＩＩＩ」）。第１の素子ＣＧ１では、Ｐ７２とＰ７３との間（及びＰ７２’とＰ７３’との間）の領域に半透明膜（５０％の反射率）が適用され、Ｐ７１とＰ７２との間（及びＰ７１’とＰ７２’との間）の領域に全反射膜（１００％の反射率）が適用される。これが必要であるのは、ＭＴＦを大きくするために、遮蔽領域を拡大しなければならないからである。Ｐ７１とＰ７１’との間の領域は、像面に向かって進む光を反射屈折部によって反射されることなく阻止（遮断）するためのバッフルとして作用する吸収部分である。従って、構造ＶＩＩＩによれば、第１の素子ＣＧ１は、その像側面に、光軸ＡＸを中心とするバッフルとして作用する中央吸収領域（Ｐ７１とＰ７１’との間で０％の透過率）と、１００％の反射率を有する第１の環状又はリング形領域（吸収領域の周囲のＰ７１とＰ７２との間の領域）と、５０％の反射率を有する第２の環状又はリング形領域（第１のリング形領域の周囲のＰ７２とＰ７３との間の領域）と、０％の反射率を有し、臨界角θ_ｃよりも大きい入射角を有する光線を全内部反射させる透過領域（第２のリング形領域の周囲のＰ７３とＰ７４との間の領域）とを含む。

第２の素子ＣＧ２の物体側では、５０％の反射率を有するＰ７２とＰ７３との間（及びＰ７２’とＰ７３’との間）の領域に対応して、図１４におけるＣＧ２の領域（ｂ）１４０５の縁部のＰ８１とＰ８２との間（Ｐ８１’とＰ８２’との間）の領域に、５０％の反射率を有する半透明膜が適用される。Ｐ８１とＰ８１’との間の領域は、鏡面反射領域として形成され（１００％の反射率）、Ｐ８２とＰ８３との間（Ｐ８２’とＰ８３’との間）の領域は、０％の反射率である（透過領域）。

構造ＶＩＩＩの場合、図１９Ａ乃至図１９Ｆに示すように、光線は、６つの光線群（Ｇ７１、Ｇ７２、Ｇ７３、Ｇ７４、Ｇ７５及びＧ７６）に分割される。Ｐ７３とＰ７４との間（Ｐ７３’とＰ７４’との間）の領域は、０％の反射率である（即ち、反射膜を有していない）。Ｐ７２とＰ７３との間（Ｐ７２’とＰ７３’との間）の領域は、５０％の反射率を有し、Ｐ７１とＰ７２との間（Ｐ７１’とＰ７２’との間）の領域は、１００％の反射率を有する。Ｐ７１とＰ７１’との間の領域は、吸収領域である。Ｐ８２とＰ８４との間（Ｐ８２’とＰ８４’との間）の領域は、０％の反射率を有し、Ｐ８１とＰ８２との間（Ｐ８１’とＰ８２’との間）の領域は、５０％の反射率を有し、Ｐ８１とＰ８１’との間の領域は、１００％の反射率を有する。

Ｇ７１の光線は、図１９ＡにおけるＰ８１とＰ８２との間（Ｐ８１’とＰ８２’との間）の領域によって反射された時点で５０％のエネルギーを失う。Ｇ７２の光線は、図１９ＢにおけるＰ７３とＰ７４との間の領域のＴＩＲ領域で反射された時点及びＰ８１とＰ８１’との間の領域によって反射された時点でエネルギーを失わない。Ｇ７３の光線は、図１９ＣにおけるＰ７２とＰ７３との間（Ｐ７２’とＰ７３’との間）の領域によって５０％のエネルギーを失う。図１９Ｄにおいて、Ｇ７４の光線は、エネルギーを失わない。図１９Ｄにおいて、Ｇ７５の光は、Ｐ７２とＰ７３との間（Ｐ７２’とＰ７３’との間）の領域及びＰ８１とＰ８２との間（Ｐ８１’とＰ８２’との間）の領域を通過するため、Ｇ７５の損失は７５％である。図１９Ｆに示すように、Ｇ７６の光線は、Ｐ７１とＰ７１’との間の吸収領域によって遮断されるため、損失は１００％である。

射出瞳面における透過率分布（即ち、「アポダイゼーション」）が図２０Ａに示される。Ｇ７１の透過率は、０．５０であり、Ｇ７２の透過率は、１．００であり、Ｇ７３の透過率は、０．５０であり、Ｇ７４の透過率は、１．００であり、Ｇ７５の透過率は、０．２５であり、Ｇ７６の透過率は、０．００である。図２０Ｂに示すように、半透明膜を使用することによって、反射屈折部のＭＴＦを改善することができる。構造ＶＩＩＩの光効率は、５８％である。

＜視野レンズ部＞
図２に戻って、図２１を参照して視野レンズ２００の一例を説明する。図２１において、視野レンズ部２２００は、第１の中間像の近傍に配置された複数の屈折光学素子（レンズ）を備える。更に詳細には、図２１は、第１の中間像面ＩＭＰ１に第１の中間像ＩＩＭ１を形成するために、反射屈折部ＣＧ１（上述した通り）が物体面ＯＰから視野レンズまでどのようにして光線をリレーするかを示す。

＜再結像部＞
図２２は、再結像部の一例を示す。再結像部は、幾つかのレンズを備え、第１の中間像ＩＩＭ１を使用して最終像ＩＭ（第２の像）を生成する。リレー光学系の全体の倍率は、１乃至５倍、５乃至２５倍及び２５倍乃至無限大（無限遠に結像する）の範囲である。

＜数値例＞
例１：図２に示すリレー光学系の一例の構成データを付録Ｉに示す。この光学系の視野に沿った波面誤差は、０．０２５ミリ波長である。

このリレー光学系の特性の概要は、以下の通りである。

物体側開口数：１．６５
物体視野：７ｍｍ
波長範囲：０．４１〜０．６８μｍ
最大直径：〜３１８ｍｍ
長さ：〜１４７７ｍｍ
倍率：２０
遮蔽比：〜０．３
テレセントリック性：物体空間
視野に沿った多色ＲＭＳ波面収差：０．０２５波長
例ＩＩ：図２３Ａに示すように、第２の数値例に関する構成データを付録ＩＩに示す。

物体側開口数：１．６５
物体視野：７ｍｍ
波長範囲：０．４６〜０．６６μｍ
最大直径：〜３１８ｍｍ
長さ：〜１２６４ｍｍ
倍率：２０
遮蔽比：〜０．３
テレセントリック性：物体空間
視野に沿った多色ＲＭＳ波面収差：０．０１４波長
例ＩＩＩ：図２３Ｂは、第３の例の配置構造を示す。図２３Ｂの例に関する構成データを付録ＩＩＩに示す。

例ＩＶ：図２３Ｃは、−２０の倍率を有するリレー光学系を示す。付録ＩＶは、図２３Ｃに示す例に関する規定データを示す。視野に沿った多色ＲＭＳ波面収差は、０．０４８波長である。開口数は、１．６５であり、視野は、７．０ｍｍであり、波面補正は、多色であり、リレー光学系は、物体空間においてテレセントリックである。

例Ｖ：図２３Ｄは、負の倍率を有し、且つ、中間像を形成しないリレー光学系の一例を示す。この例の顕著な特徴は、光学系の長さが６６２ｍｍであることである。図２３Ｄは、−２０の倍率を有するリレー光学系の横断面を示す。付録Ｖは、図２３Ｄの例Ｖに関する規定データを示す。視野に沿った多色ＲＭＳ波面収差は、０．０４８波長である。開口数は、１．６５であり、視野は、７．０ｍｍであり、波面補正は、多色であり、リレー光学系は、物体空間においてテレセントリックである。

図３及び図１３に示す反射屈折光学系に対応するデータは、図３に関しては表１ａ及び表１ｂに示され、図１３に関しては表２ａ及び表２ｂに示される。図３及び図１３のそれぞれにおいて、図中の指標「ｉ」（ｉ＝１，２，３・・・）は、物体面ＯＰから像面ＩＰに至るまでの光学系における面の順番を示す。この規定によれば、「半径」データＲｉは、（ｉ番目の平面の）ｉ番目の曲率半径に対応し、厚さＴｉは、ｉ番目の面と（ｉ＋１）番目の面との間の軸上距離又は空間を示し、符号ｎｄｉ及びνｄｉは、フラウンホファーｄ線に関するｉ番目の光学素子の材料の屈折率及びアッベ数をそれぞれ表す。ｎｄｉ及びνｄｉの数値のない面番号は、その面番号が空間を表すことを示す。半径Ｒ＝１．００Ｅ＋１８（１Ｅ＋Ｘは、１×１０^＋Ｘと同等である）は、ほぼ無限大の半径、即ち、平坦な面を示す。更に、各数値例において、物体Ｏは、第１の光学面の物体側の物体面ＯＰに配置され、且つ、光軸ＡＸ上に配置されるものとする。従って、物体Ｏは、光学系と軸方向に整列しているものとする。物体空間がほぼテレセントリックであるとみなすことができるように、開口絞りが物体Ｏから相対的に長い距離離間して配置されているものとする。各数値例において、物体Ｏは、第１の光学素子の屈折率と一致する屈折率を有する流体の中に浸漬されているものとする。

各非球面において、円錐定数は、ｋによって表される（ｋは、円錐面を表す数であり、球面の場合は０、放物面の場合は−１であり、何らかの回転円錐を表す場合は他の数値が使用される）。非球面多項式次数係数は、それぞれ４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次、１６次の係数であるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｊ・・・によって示される。光軸から高さｈの位置における光軸の方向への変位は、面の頂点に対してｚによって示される。非球面の変位は、以下に示す式（２）に基づいている。

付録Ｉ

付録ＩＩ

付録ＩＩＩ

付録ＩＶ

付録Ｖ

例示的な実施形態を参照して本発明に係る実施形態を説明したが、本発明が上述した実施形態に限定されないことを理解すべきである。添付の特許請求の範囲は、全ての変形や同等の構造及び機能を含むように最も広い意味で解釈されるべきである。

Claims (17)

1. 物体からの光を集光する反射屈折部と、該反射屈折部を介して前記物体の像を形成する屈折部と、を備える光学系であって、
   前記光学系の射出瞳面の中央に遮蔽部分を形成するために、前記反射屈折部によって反射されずに前記屈折部に向かう光を遮光する、前記光学系の光軸に沿って配置された遮光部材を有し、
   前記反射屈折部は、前記射出瞳面における前記遮蔽部分以外の領域の透過率が前記射出瞳面の径方向に変化するように、前記光軸の周囲に部分透明面を含み、
   前記遮蔽部分以外の領域は、前記光軸側から周辺側に向けて順に、第１の透過率を有する第１の部分と、前記第１の透過率よりも高い第２の透過率を有する第２の部分と、前記第２の透過率よりも低い透過率を有する第３の部分と、を含むことを特徴とする光学系。
2. 前記部分透明面は、前記光軸側から周辺側に向けて順に、第１の反射率を有する第１の領域と、前記第１の反射率よりも高い第２の反射率を有する第２の領域と、前記第２の反射率よりも高い反射率を有する第３の領域と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記物体からの光のうち、前記第１の領域を通過して前記遮光部材に入射しない光は、前記第１及び第２の部分に到達することを特徴とする請求項２に記載の光学系。
4. 前記部分透明面は、前記反射屈折部の物体側面に設けられており、前記反射屈折部の像側面は、全反射領域を含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の光学系。
5. 前記物体からの光のうち、前記第１の領域を通過して前記全反射領域で反射される光は、前記第２の領域で反射されて前記第１の部分に到達する第１の光と、前記第３の領域で反射されて前記第２の部分に到達する第２の光と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の光学系。
6. 前記部分透明面は、前記光軸側から周辺側に向けて順に、第１の反射率を有する第１の領域と、前記第１の反射率よりも高い第２の反射率を有する第２の領域と、前記第２の反射率よりも高い反射率を有する第３の領域と、を含み、前記第２の領域を通過した光は前記第３の部分に到達することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
7. 前記物体からの光のうち、前記第１の領域を通過して前記遮光部材に入射しない光は、前記第１及び第２の部分に到達することを特徴とする請求項６に記載の光学系。
8. 前記部分透明面は、前記反射屈折部の物体側面に設けられており、前記反射屈折部の像側面は、全反射領域を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の光学系。
9. 前記物体からの光のうち、前記第１の領域を通過して前記全反射領域で反射される光は、前記第２の領域で反射されて前記第１の部分に到達する第１の光と、前記第３の領域で反射されて前記第２の部分に到達する第２の光と、を含むことを特徴とする請求項８に記載の光学系。
10. 前記物体からの光のうち、前記第２の領域を通過して前記全反射領域で反射される光は、前記第３の領域で反射されて前記第３の部分に到達することを特徴とする請求項８又は９に記載の光学系。
11. 前記第１の反射率は、０％であることを特徴とする請求項２乃至１０のうちいずれか１項に記載の光学系。
12. 前記反射屈折部は、互いに離間して配置された第１の反射屈折素子及び第２の反射屈折素子を含むことを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載の光学系。
13. 物体からの光を集光する反射屈折部と、該反射屈折部を介して前記物体の像を形成する屈折部と、を備える光学系であって、
    前記光学系の射出瞳面の中央に遮蔽部分を形成するために、前記反射屈折部によって反射されずに前記屈折部に向かう光を遮光する、前記光学系の光軸に沿って配置された遮光部材を有し、
    前記反射屈折部は、前記射出瞳面における前記遮蔽部分以外の領域の透過率が前記射出瞳面の径方向に変化するように、前記光軸の周囲に部分透明面を含み、
    前記遮蔽部分以外の領域は、前記光軸側から周辺側に向けて順に、第１の透過率を有する第１の部分と、前記第１の透過率よりも高い第２の透過率を有する第２の部分と、を含み、
    前記反射屈折部は、互いに離間して配置された第１の反射屈折素子及び第２の反射屈折素子を含み、
    前記第１の反射屈折素子は、物体側面と、平坦な領域を有する像側面とを含み、前記第２の反射屈折素子は、像側面と、前記第１の反射屈折素子の前記平坦な領域に対向するように構成された平坦な部分を有する物体側面とを含むことを特徴とする光学系。
14. 前記第１の反射屈折素子の前記物体側面は、前記物体側に向かって凸面であり、前記第２の反射屈折素子の前記像側面は、前記像側に向かって凸面であることを特徴とする請求項１３に記載の光学系。
15. 前記反射屈折部は、互いに対向する物体側面及び像側面を有する固体光学素子からなることを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載の光学系。
16. 前記固体光学素子は、前記物体からの光を前記物体側面及び像側面により複数回反射しつつ集光することを特徴とする請求項１５に記載の光学系。
17. 前記反射屈折部は、前記物体の第１の中間像を形成し、前記屈折部は、前記第１の中間像に基づいて前記物体の像を形成することを特徴とする請求項１乃至１６のうちいずれか１項に記載の光学系。

Images