JP7846480B2 - 照明光学系、及び、照明装置 - Google Patents

Description

本明細書の開示は、照明光学系、及び、照明装置に関する。

顕微鏡や半導体露光装置の分野では、標本面を均一に照明するために、ケーラー照明が一般的に採用されている。しかしながら、ケーラー照明では、光源の配光特性に起因した照明の不均一が生じてしまうことがある。このような技術的課題に対しては、フライアイレンズを用いることで、ケーラー照明における配光特性に起因する照明の不均一を抑制する技術が提案されている。

また、フライアイレンズと同様の効果をより少ない光学素子で実現する技術が、特許文献１において提案されている。

特開２０１６－０２５３１６号公報

特許文献１に記載の技術によれば、フライアイレンズを用いた場合とは異なり、光源像を標本面に投影するための追加の構成が必要ないため、配光特性に起因する照明の不均一を、よりシンプルな構成で抑制することが可能である。

一方で、特許文献１に記載の技術を用いて極低倍の観察に対応しようとすると、光学素子の大型化を避けることが難しい。顕微鏡などの光学機器に組み込まれる光学素子のサイズには制約があるため、特許文献１に記載の技術では、対応可能な倍率が実質的に制限される可能性がある。

以上のような実情を踏まえ、本発明の一側面に係る目的は、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制可能な技術を提供することである。

本発明の一態様に係る照明光学系は、被照明面に向けられた光学面を有し、前記被照明面に光を面状に照射する照明光学素子であって、前記光学面は、光軸に直交する直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を前記被照明面の所定領域に向けて屈折させる複数の屈折面と、前記複数の屈折面よりも前記光軸に近い位置に設けられた、前記光軸と交わる中心面と、を有する照明光学素子と、前記光学面に向かう光束の一部に正又は負の屈折力を作用させるように前記光軸上に配置された補助レンズであって、前記中心面から出射される光が発散光になるように入射した光の進行方向を変更する補助レンズと、前記照明光学素子と前記被照明面の間に設けられた補正レンズであって、前記補助レンズの作用により前記中心面から発散光として出射した光のテレセントリシティを補正する補正レンズと、を備える。
本発明の一態様に係る照明装置は、光源と、被照明面に向けられた光学面を有し、前記被照明面に光を面状に照射する照明光学素子であって、前記光学面は、光軸に直交する直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を前記被照明面の所定領域に向けて屈折させる複数の屈折面と、前記複数の屈折面よりも前記光軸に近い位置に設けられた、前記光軸と交わる中心面と、を有する、照明光学素子と、前記複数の屈折面と前記光源の間に設けられた、前記光源からの光をコリメートするフレネルレンズであって、前記複数の屈折面に対応する光線高の位置に設けられたフレネルレンズ面と、前記中心面に対応する光線高の位置に、前記光軸に直交する平面と、を有する、フレネルレンズと、前記照明光学素子と前記被照明面の間に設けられた補正レンズであって、前記光源から出射して前記平面及び前記中心面を通過した発散光のテレセントリシティを補正する補正レンズと、を備える。

上記の態様によれば、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制することができる。

第１の実施形態に係る照明装置１００の構成を例示した図である。 照明光学素子５の作用について説明するための図である。 補助レンズ３と補正レンズ６の作用について説明するための図である。 低倍観察時における照明装置１００の設定を示した図である。 高倍観察時における照明装置１００の設定を示した図である。 変形例に係る補助レンズ７の構成を示し図である。 変形例に係る照明光学素子８の構成を示した図である。 変形例に係る照明装置１０１の構成を例示した図である。 第２の実施形態に係る照明装置１０２の構成を例示した図である。 高倍観察時における照明装置１０２の設定を示した図である。 高倍観察時における照明装置１０２の別の設定を示した図である。 低倍観察時における照明装置１０２の設定を示した図である。 第３の実施形態に係る照明装置１０３の構成を例示した図である。 変形例に係る照明光学素子１６の構成を示した図である。 変形例に係る照明光学素子１７の構成を示した図である。 第４の実施形態に係る照明装置１０４の構成を例示した図である。 変形例に係る照明光学素子２０の構成を示した図である。 変形例に係る照明光学素子２１の構成を示した図である。 第５の実施形態に係る照明装置１０５の構成を例示した図である。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る照明装置１００の構成を例示した図である。図２は、照明光学素子５の作用について説明するための図である。図３は、補助レンズ３と補正レンズ６の作用について説明するための図である。図４は、低倍観察時における照明装置１００の設定を示した図である。図５は、高倍観察時における照明装置１００の設定を示した図である。以下、図１から図５を参照しながら、照明装置１００について説明する。

照明装置１００は、被照明面である標本面ＳＰを照明する装置である。照明装置１００は、後述する構成により、低倍率（例えば、４倍未満）から高倍率までの広い倍率範囲において、各倍率に対応する照野を均一に照明可能である。なお、照明装置１００は、例えば、顕微鏡で使用される顕微鏡用照明装置であるが、顕微鏡に限らずその他の観察装置で使用されてもよい。

照明装置１００は、図１に示すように、照明光を出射する光源１と、照明光学系１０と、を備えている。照明光学系１０は、光源１からの光を標本面ＳＰに照射する光学系であり、コリメータレンズ２と、補助レンズ３と、絞り４と、照明光学素子５と、補正レンズ６を備えている。

光源１は、例えば、ハロゲンランプなどのランプ光源、ＬＥＤなどである。光源１は、図２（ａ）に例示される配光特性を有する。なお、図２（ａ）の縦軸は光軸ＡＸに対する出射角であり、図２（ａ）の横軸は出射強度である。図２（ａ）に示すように、光源１は光軸ＡＸに対しておよそ対称な配光特性を有していて、出射角によって異なる強度の照明光が光源１から放射される。

コリメータレンズ２は、光源１から出射した光をコリメートして、平行光に変換する。コリメータレンズ２は、光源１から出射する光の角度方向の強度分布（図２（ａ）参照）を、コリメータレンズ２から出射する光の径方向の強度分布に変換する。

補助レンズ３は、コリメータレンズ２から出射した光のうち光軸ＡＸ付近の光の進行方向を変更する。補助レンズ３は、コリメータレンズ２と照明光学素子５の間に配置され、補正レンズ６に発散光を入射させる。なお、補助レンズ３の作用の詳細については、図３を参照しながら後述する。

絞り４は、開口径を変更可能な絞りである。絞り４は、例えば、観察倍率に応じて、開口径が変更される。絞り４は、補正レンズ６の前側焦点位置に設けられることが望ましい。絞り４の作用の詳細については、図４及び図５を参照しながら後述する。

照明光学素子５は、平行光として入射した光を被照明面（標本面ＳＰ）に面状に照射する光学素子である。照明光学素子５の材料は、例えば、ガラス、プラスチック、結晶材料（例えば、石英ガラス）などである。照明光学素子５は、標本面ＳＰに向けられた光学面５ａを有し、さらに、光学面５ａとは反対側に、第２の光学面である光学面５ｂを有している。

光学面５ｂは、光軸ＡＸと直交する平面である。一方、光学面５ａは、光軸ＡＸと交わり且つ光軸ＡＸと直交する平面である中心面ＣＳと、それぞれ光を標本面ＳＰの領域Ｒ１に向けて屈折させる複数の屈折面ＲＳと、を有している。中心面ＣＳは、複数の屈折面ＲＳよりも光軸ＡＸに近い位置に設けられている。また、複数の屈折面ＲＳは、光軸ＡＸに直交する方向（以降、直交方向と記す。）に並んでいる。照明光学素子５の作用の詳細については、図２を参照しながら後述する。

補正レンズ６は、照明光学素子５と標本面ＳＰの間に設けられた正の屈折力を有するレンズであり、照明光学系１０内で最も標本面ＳＰ側に配置される。補正レンズ６は、照明光学素子５の中心面ＣＳを通過した光のテレセントリシティを補正する。補正レンズ６の作用の詳細については、図３を参照しながら後述する。

以下、図２を参照しながら、照明光学素子５の構成についてさらに詳細に説明し、補助レンズ３が省略された構成を例にして照明光学素子５の作用について説明する。

照明光学素子５の複数の屈折面ＲＳは、図２（ｂ）に示すように、直交方向に一定のピッチＰで形成されている。このピッチＰ（つまり、複数の屈折面ＲＳの各々の直交方向の幅）が、領域Ｒ１の直交方向の幅Ｄ１になる。

また、複数の屈折面ＲＳは、図２（ｂ）に示すように、光軸ＡＸに沿った断面において、光軸ＡＸとなす鋭角の角度（角度θ１≠θ２）が異なる直線形状を有している。より詳細には、光軸ＡＸに近い屈折面ＲＳほど、光軸ＡＸに沿った断面において、光軸ＡＸに対して大きな鋭角をなしている（θ１＞θ２）。即ち、光軸ＡＸから離れた屈折面ＲＳほど、直交方向に対して大きな角度で傾斜している。

さらに、照明光学素子５は、図２（ｂ）に示すように、屈折面ＲＳが形成される各領域の最大厚さｔが一定となるように構成されている。このため、照明光学素子５には、光軸ＡＸに遠いほど、屈折面ＲＳによって深い溝が形成されている。

以上のように構成された照明光学素子５に、コリメータレンズ２から平行光が入射すると、平行光は光学面５ｂを透過して光学面５ａに入射し、光学面５ａにおいて入射した屈折面ＲＳ毎に分割される。分割された複数の光（この例では、５本の光）は、図２（ｂ）に示すように、それぞれピッチＰの光束径を有する平行光であり、それぞれ光源１における異なる出射角範囲に対応する異なる強度分布を有している。

具体的には、分割された複数の光は、例えば、光軸に対してγ度からβ度までの角度範囲に対応する強度分布Ｉ１を有する光、光軸に対してβ度からα度までの角度範囲に対応する強度分布Ｉ２を有する光、光軸に対してα度から－α度までの角度範囲に対応する強度分布Ｉ３を有する光、光軸に対して－α度から－β度までの角度範囲に対応する強度分布Ｉ４を有する光、光軸に対して－β度から－γ度までの角度範囲に対応する強度分布Ｉ５を有する光である。

その後、分割された複数の光のうち光軸ＡＸ上を進行する光は、中心面ＣＳを透過して、さらに、補正レンズ６を透過して領域Ｒ１に入射する。また、その他の平行光は、各屈折面ＲＳで領域Ｒ１に向けて屈折し、補正レンズ６を透過して領域Ｒ１に入射する。即ち、照明光学素子５で所定の出射角範囲毎に分割された光は、図２（ｃ）に示すように、領域Ｒ１で重なり合う。これにより、配光特性に起因する不均一な強度分布が標本面ＳＰ（領域Ｒ１）において平均化され、その結果、抑制される。

なお、照明光学素子５から平行光として出射した光は、領域Ｒ１に入射する前に補正レンズ６を透過し、補正レンズ６で屈折する。しかしながら、この補正レンズ６における屈折が照明の均一性に及ぼす影響は軽微である。この点の詳細については、補正レンズ６の作用に関して説明する際に詳述する。

このように、照明光学素子５は、光源１の配光特性を複数の角度範囲に分割してそれらを重ね合わせることで、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制する作用を有している。従って、照明光学素子５を用いることで、フライアイレンズを用いることなく標本面ＳＰ（被照明面）を均一に照明することができる。また、照明光学素子５は、フライアイレンズの役割に加えて、フライアイレンズと組み合わせて使用されるコンデンサレンズの役割を同時に担うことができるため、従来に比べて少ない光学素子で容易に光源１の配光特性に起因する照明の不均一を抑制することができる。

その一方で、照明光学素子５は、分割した光を内向きに屈折することによって重ね合わせるものであること、さらに、照明光学素子５によって得られる照野の大きさは屈折面ＲＳのピッチＰに依存することから、広い照野に対応するほど照明光学素子５が大型化してしまい、ひいては照明装置１００も大型化する。このため、例えば、照明光学素子５の作用だけでは、４倍未満などの極低倍の観察において装置の大型化を招くことなく均一な照明を実現することが難しい。

照明装置１００は、このような極低倍における課題を、補助レンズ３と補正レンズ６を用いることで解決する。以下、図３を参照しながら、補助レンズ３と補正レンズ６の構成についてさらに詳細に説明し、補助レンズ３と補正レンズ６の作用について説明する。

補助レンズ３は、図３に示すように、補助レンズ３と照明光学素子５との間に、補助レンズ３の後側焦点位置を有する正レンズである。より詳細には、補助レンズ３は、補正レンズ６の前側焦点位置と補助レンズ３の後側焦点位置が略一致するように配置されている。さらに、光軸ＡＸ付近の光以外への作用を避けるために、照明光学素子５の外径よりも小さな外径を有することが望ましく、例えば、中心面ＣＳの直径以内であってもよい。

補正レンズ６は、図３に示すように、標本面ＳＰに向けられた正の屈折力を有する第１レンズ面であるレンズ面６ａと、照明光学素子５に向けられた第２レンズ面であるレンズ面６ｂと、を有している。レンズ面６ａの曲率の大きさは、レンズ面６ｂの曲率の大きさよりも大きい。補正レンズ６は、例えば、標本面ＳＰに凸面を向けた平凸レンズであり、レンズ面６ｂは、例えば平面である。ただし、レンズ面６ｂは、必ずしも平面に限らない。屈折力が十分に弱ければ正の屈折力を有しても負の屈折力を有してもよい。また、レンズ面６ａは、球面形状に限らず非球面形状であってもよく、非球面形状によって収差を良好に補正してもよい。

以上の構成では、補助レンズ３に入射した光軸ＡＸ付近の平行光は、補助レンズ３によって補助レンズ３の後側焦点位置である位置ＦＰに集光し、その後、屈折力を有しない照明光学素子５の光学面５ｂ及び中心面ＣＳを通って補正レンズ６へ発散光として広がって入射する。この際、位置ＦＰが補正レンズ６の前側焦点位置に凡そ一致しているため、中心面ＣＳを通過して補正レンズ６へ入射した光は補正レンズ６によって光軸ＡＸに略平行な光に変換され、標本面ＳＰの、領域Ｒ１よりも広い領域Ｒ２に照射される。

即ち、照明装置１００は、最も高い強度分布を有する光軸ＡＸ付近の光を補助レンズ３の作用により標本面ＳＰの広い範囲に照射することで極低倍での観察に対応する広い照野を確保するとともに、補正レンズ６の作用により標本面ＳＰへ入射する光の発散を抑えることで、顕微鏡に要求されるテレセントリシティを確保することができる。なお、補助レンズ３の後側焦点位置と補正レンズ６の前側焦点位置のずれは、要求されるテレセントリシティが満たされる範囲で許容されるため、補助レンズ３の後側焦点位置と補正レンズ６の前側焦点位置は、必ずしも一致していなくてもよい。

補正レンズ６では、補正レンズ６に要求される正の屈折力のほとんどをレンズ面６ｂではなくレンズ面６ａで稼ぐことが望ましい。即ち、補正レンズ６には、レンズ面６ａが比較的大きな曲率を有する構成を採用することが望ましい。これにより、図３に示すように、照野の周辺部分に導かれる光が補正レンズ６へ入射する角度が浅すぎる、つまり、入射角が大きすぎる、ことで生じるレンズ面での全反射を防止することが可能となる。一般的な照明装置において標本面ＳＰ付近に置かれるコンデンサレンズのレンズ面は、標本面ＳＰ側よりも光源１側により大きな曲率を有しているのが通常である。このため、従来のコンデンサレンズを補正レンズ６として利用することは望ましくなく、コンデンサレンズとは別に設計された補正レンズ６を用いることが望ましい。

また、レンズ面６ａが比較的大きな曲率を有する構成を補正レンズ６に採用することは、全反射防止に加えて、低倍観察と高倍観察での照明性能を高いレベルで両立する上でも望ましい。レンズ面６ａが大きな曲率を有することで、レンズ面６ａから標本面ＳＰまでの距離を、高倍観察に対応する照明光（例えば、図２（ｂ）参照）が入射する光軸ＡＸ付近と低倍観察に対応する照明光（例えば、図３参照）が入射するレンズ外縁付近とで、大きく異ならせることができる。これにより、補助レンズ３を経由して入射する低倍観察に対応する照明光に対しては標本面ＳＰへの照射位置を十分に補正しながら、屈折面ＲＳを経由して入射する高倍観察に対応する照明光に対しては標本面ＳＰへの照射位置の移動を軽微に抑えることができる。このため、異なる屈折面ＲＳからの光が異なる領域に照射されることで生じる照明の不均一を回避しながら、低倍観察へも対応することが可能となる。

なお、補正レンズ６が及ぼす高倍観察への影響を抑制するためには、補正レンズ６は標本面ＳＰ付近に配置することが望ましい。標本面ＳＰと補正レンズ６が近いほどレンズ面６ａでの屈折による光線の横方向への移動量が少なくなり、複数の屈折面で屈折した光束間の位置ずれが小さくなるためである。また、補正レンズ６が及ぼす高倍観察への影響を抑制するためには、補正レンズ６の正の屈折力を過度に強くないことが望ましい。即ち、補正レンズ６の焦点距離はある程度長いことが望ましい。一方で、照明光学素子５で高倍観察に必要な開口数を確保しながら照明光学素子５の大きさを抑えるためには、照明光学素子５は標本面ＳＰから離れすぎないことが望しい。これらの条件を満たす上では、照明光学素子５は、補正レンズ６の前側焦点位置と補正レンズ６の間に配置されることが望ましい。

以下、図１、図４及び図５を参照しながら、絞り４の作用について説明する。まず、図１を参照すると、屈折面ＲＳを経由して標本面ＳＰに照射される高倍観察に対応する照明光は領域Ｒ１に照射されるのに対して、補助レンズ３を経由して標本面ＳＰに照射される低倍観察に対応する照明光は領域Ｒ１を含むより広い領域Ｒ２に照射されることが確認できる。

ここで、領域Ｒ１に注目すると、屈折面ＲＳ経由の照明光と補助レンズ３経由の照明光の両方が照射され、領域Ｒ１全体は凡そ均一に照明されている。このため、領域Ｒ１を観察する（つまり、領域Ｒ１の外側については観察しない）高倍観察では、絞り４で照明光を制限する必要がなく、従って、図１に示すように絞り４を開放した状態で使用すればよい。これにより、観察範囲（この場合、領域Ｒ１）を明るく均一に照明することができる。

これに対して、領域Ｒ２に着目すると、絞り４を開放した状態では、領域Ｒ２の中心部分の領域Ｒ１にのみ屈折面ＲＳ経由の照明光が照射されるため、領域Ｒ２全体が均一に照明されない。このため、領域Ｒ２（つまり、領域Ｒ１を含む領域Ｒ２全体）を観察する低倍観察において、観察側の光学系の開口数が大きく、観察側の光学系が屈折面ＲＳ経由の照明光を取り込んでしまう場合には、絞り４を用いて屈折面ＲＳ経由の照明光を遮断することが望ましく、図４に示すように絞り４の開口径を補助レンズ３の外径程度まで絞った状態で使用することが望ましい。これにより、広い観察範囲（この場合、領域Ｒ２）を均一に照明することができる。

なお、補助レンズ３が光路に対して挿脱自在に設けられている場合には、高倍観察時には、図５に示すように補助レンズ３を光路から取り除いてもよい。これにより、補助レンズ３経由で領域Ｒ２に照射されていた照明光を領域Ｒ１に集中的に照射することができる。このため、図１に示す場合よりも、より明るく照明することができる。

以上のように、照明装置１００によれば、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制することができる。従って、顕微鏡のような低倍から高倍までの様々な観察倍率で使用される観察装置に使用される照明装置として好適である。

図６は、変形例に係る補助レンズ７の構成を示し図である。上述した例では、屈折面ＲＳへの照明光の入射を妨げないように、照明光学素子５の外径よりも小さく、凡そ中心面ＣＳの直径程度の外径の補助レンズ３を例示したが、補助レンズ３の外径は中心面ＣＳの直径程度に限らない。

照明装置１００は、補助レンズ３の代わりに補助レンズ７を備えてもよい。補助レンズ７は、正の屈折力を有する補助レンズ３に相当する凸部７ａが、平行平板７ｂに支持された構造を有している。平行平板ｂを設けることで照明装置１００内の所望の位置に補助レンズ７を安定した状態で配置することができる。また、屈折面ＲＳへ入射する照明光が透過する部分が平行平板７ｂで構成されているため、屈折面ＲＳへ入射する照明光への影響を最小限に抑えることができる。

図７は、変形例に係る照明光学素子８の構成を示した図である。上述した例では、補助レンズ３と照明光学素子５を照明装置１００内に別々に設けたが、補助レンズ３は照明光学素子５と一体に形成されてもよい。

照明装置１００は、補助レンズ３と照明光学素子５の代わりに照明光学素子８を備えてもよい。照明光学素子８は、照明光学素子５の光学面５ａに相当する複数の屈折面を有する光学面８ａを有し、さらに、補助レンズ３に相当する凸部８ｂを光学面８ａとは反対側の光学面に有している。照明光学素子８を用いることで、部品点数を減らすことができるため、組み立て工程を簡素化して製造コストを抑えることができる。

図８は、変形例に係る照明装置１０１の構成を例示した図である。照明装置１０１は、照明光学系１０の代わりに照明光学系１１を備える点が、照明装置１００とは異なっている。照明光学系１１は、コリメータレンズ２と補助レンズ３の間に拡散板９を備える点が、照明光学系１０とは異なっている。照明装置１０１では、拡散板９で照明光を拡散することで照明光の強度分布の不均一を抑制することができる。これにより、照明装置１０１によれば、照明装置１００よりも、光源の配光特性に起因する照明の不均一をさらに抑制することができる。

［第２の実施形態］
図９は、本実施形態に係る照明装置１０２の構成を例示した図である。図１０は、高倍観察時における照明装置１０２の設定を示した図である。図１１は、高倍観察時における照明装置１０２の別の設定を示した図である。図１２は、低倍観察時における照明装置１０２の設定を示した図である。以下、図１から図５を参照しながら、照明装置１０２について説明する。

照明装置１０２は、照明装置１００と同様に、被照明面である標本面ＳＰを照明する装置であり、低倍率（例えば、４倍未満）から高倍率までの広い倍率範囲において、各倍率に対応する照野を均一に照明可能である点についても、照明装置１００と同様である。

照明装置１００は、低倍（例えば、２倍）と高倍（例えば、１０倍）の２段階で照明範囲を変更可能な構成であるのに対して、照明装置１０２は、低倍（例えば、２倍）と高倍（例えば、１０倍）に加えて、第２の高倍（例えば、２０倍）、第３の高倍（例えば、４０倍）の計４段階で照明範囲を変更可能である点が照明装置１００とは異なっている。具体的には、照明装置１０２は、照明光学系１０の代わりに照明光学系１２を備える点が、照明装置１００とは異なっている。また、照明光学系１２は、照明光学素子５の代わりに照明光学素子１５を備えている点が、照明光学系１０とは異なっている。

照明光学素子１５は、平行光として入射した光を標本面ＳＰに面状に照射する光学素子である。照明光学素子１５は、標本面ＳＰに向けられた光学面１５ａを有し、さらに、光学面１５ａとは反対側に、第２の光学面である光学面１５ｂを有している。

光学面１５ｂは、光軸ＡＸと直交する平面であり、光学面５ｂと同様である。一方、光学面１５ａは、光軸ＡＸと交わり且つ光軸ＡＸと直交する平面である中心面ＣＳと、それぞれ光を標本面ＳＰの領域Ｒ１１に向けて屈折させる、直交方向に一定のピッチで形成された複数の屈折面ＲＳ１と、を有している。この構成は、光学面５ａと同様である。

光学面１５ａは、さらに、複数の屈折面ＲＳ１よりも直交方向に光軸ＡＸから離れた位置に、直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を領域Ｒ１２に向けて屈折させる複数の屈折面ＲＳ２を有している。複数の屈折面ＲＳ２が形成されるピッチは、複数の屈折面ＲＳ１が形成されるピッチよりも短いため、領域Ｒ１２は領域Ｒ１１の一部である。

また、光学面１５ａは、複数の屈折面ＲＳ２よりも直交方向に光軸ＡＸから離れた位置に、直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を領域Ｒ１３に向けて屈折させる複数の屈折面ＲＳ３を有している。複数の屈折面ＲＳ３が形成されるピッチは、複数の屈折面ＲＳ２が形成されるピッチよりも短いため、領域Ｒ１３は領域Ｒ１２の一部である。

このように、光学面１５ａは、照明光学素子５の光学面５ａが有する複数の屈折面ＲＳに相当する複数の屈折面ＲＳ１に加えて、その外側に、さらに、複数の屈折面（屈折面ＲＳ２、ＲＳ３）を備える点が、光学面５ａとは異なっている。

なお、光軸から離れるほどピッチを短くする理由は、一般により高倍の観察ほどより大きな開口数が要求されるからである。従って、必要な開口数が確保できるのであれば、必ずしも外側にある複数の屈折面が内側にある複数の屈折面よりもピッチが短くなくてもよい。

領域Ｒ１３には、補助レンズ３経由の照明光と屈折面経由の照明光の全てが照射されるため、領域Ｒ１３全体は凡そ均一に照明されている。このため、領域Ｒ１３を観察する第３の高倍観察（例えば、４０倍）では、図９に示すように絞り４を開放した状態で使用すればよい。これにより、観察範囲（この場合、領域Ｒ１３）を明るく均一に照明することができる。

領域Ｒ１２には、絞り４を開放した状態では、領域Ｒ１２の中心部分の領域Ｒ１３にのみ屈折面ＲＳ３経由の照明光が照射されるため、領域Ｒ１２全体が均一に照明されない。このため、領域Ｒ１２（つまり、領域Ｒ１３を含む領域Ｒ１２全体）を観察する第２の高倍観察（例えば、２０倍）において、観察側の光学系の開口数が大きく、観察側の光学系が屈折面ＲＳ３経由の照明光を取り込んでしまう場合には、絞り４を用いて屈折面ＲＳ３経由の照明光を遮断することが望ましく、図１０に示すように絞り４の開口径を屈折面ＲＳ３の内側まで絞った状態で使用することが望ましい。これにより、観察範囲（この場合、領域Ｒ１２）を均一に照明することができる。

領域Ｒ１１には、絞り４を開放した状態では、領域Ｒ１１の中心部分（領域Ｒ１２、領域Ｒ１３）にのみ屈折面ＲＳ１以外の屈折面（屈折面ＲＳ２、屈折面ＲＳ３）経由の照明光が照射されるため、領域Ｒ１１全体が均一に照明されない。このため、領域Ｒ１１（つまり、領域Ｒ１２、領域Ｒ１３を含む領域Ｒ１１全体）を観察する高倍観察（例えば、１０倍）において、観察側の光学系の開口数が大きく、観察側の光学系が屈折面ＲＳ２及び屈折面ＲＳ３経由の照明光を取り込んでしまう場合には、絞り４を用いて屈折面ＲＳ３経由の照明光と屈折面ＲＳ２経由の照明光を遮断することが望ましく、図１１に示すように絞り４の開口径を屈折面ＲＳ２の内側まで絞った状態で使用することが望ましい。これにより、観察範囲（この場合、領域Ｒ１１）を均一に照明することができる。

領域Ｒ１４には、絞り４を開放した状態では、領域Ｒ１４の中心部分（領域Ｒ１１、領域Ｒ１２、領域Ｒ１３）にのみ屈折面経由の照明光が照射されるため、領域Ｒ１４全体が均一に照明されない。このため、領域Ｒ１４（つまり、領域Ｒ１１、領域Ｒ１２、領域Ｒ１３を含む領域Ｒ１４全体）を観察する低倍観察において、観察側の光学系の開口数が大きく、観察側の光学系が屈折面ＲＳ１、屈折面ＲＳ２、及び屈折面ＲＳ３経由の照明光を取り込んでしまう場合には、絞り４を用いて屈折面経由の照明光を遮断することが望ましく、図１２に示すように絞り４の開口径を屈折面ＲＳ１の内側まで絞った状態で使用することが望ましい。これにより、観察範囲（この場合、領域Ｒ１４）を均一に照明することができる。

以上のように、照明装置１０２によれば、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制することができる。特に、照明装置１０２によれば、高倍観察で複数の異なる倍率に対応することができる。

［第３の実施形態］
図１３は、本実施形態に係る照明装置１０３の構成を例示した図である。以下、図１３を参照しながら、照明装置１０３について説明する。

照明装置１０３は、照明装置１００と同様に、被照明面である標本面ＳＰを照明する装置であり、低倍率（例えば、４倍未満）から高倍率までの広い倍率範囲において、各倍率に対応する照野を均一に照明可能である点についても、照明装置１００と同様である。

照明装置１０３は、照明光学系１０の代わりに照明光学系１３を備える点が、照明装置１００とは異なっている。また、照明光学系１３は、補助レンズ３の代わりに補助レンズ１４を備える点が、照明光学系１０とは異なっている。

補助レンズ１４は、補正レンズ６の前側焦点位置と補助レンズ１４の後側焦点位置が略一致するように配置される点は補助レンズ３と同様である。ただし、補助レンズ１４は、補助レンズ３とは異なり負レンズであり、補助レンズ１４の後側焦点位置と照明光学素子との間に配置される点が補助レンズ３とは異なっている。なお、補助レンズ１４は、図１３に示すように、照明光学素子５の光学面５ｂに接合されてもよい。

補助レンズ１４は、補助レンズ１４に入射した平行光を補助レンズ１４の負の屈折力で発散光に変換する。補助レンズ１４から出射した発散光は、照明光学素子５の中心面ＣＳを通って補正レンズ６へ入射し、補正レンズ６で略平行光に変換されて標本面ＳＰの領域Ｒ２に照射される。

以上のように、照明装置１０３によっても、照明装置１００と同様に、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制することができる。また、補助レンズに負レンズを用いることで照明装置１０３の全長を照明装置１００よりも抑えることができる。

図１４は、変形例に係る照明光学素子１６の構成を示した図である。図１５は、変形例に係る照明光学素子１７の構成を示した図である。上述した例では、補助レンズ１４は、照明光学素子５の平面（光学面５ｂ）に接合される例を示したが、照明光学素子の光学面の一部に補助レンズに相当する曲面を設けてもよい。即ち、照明光学素子と補助レンズは一体に形成されてもよい。

照明装置１０３は、補助レンズ１４と照明光学素子５の代わりに、図１４に示す照明光学素子１６を備えてもよい。照明光学素子１６は、照明光学素子５の光学面５ａに相当する複数の屈折面を有する光学面１６ａを有し、さらに、補助レンズ１４に相当する凹面Ｓ１を光学面１６ａとは反対側の光学面１６ｂに有している。光学面１６ｂは、中心面ＣＳに対応する位置に設けられた凹面Ｓ１と、平面Ｓ０を有している。

照明装置１０３は、補助レンズ１４と照明光学素子５の代わりに、図１５に示す照明光学素子１７を備えてもよい。照明光学素子１７は、複数の屈折面を有する光学面１７ａを有し、さらに、光学面１７ａとは反対側の光学面１７ｂに有している。光学面１７ｂは、光軸ＡＸに直交する平面である。光学面１７ａは、中心面ＣＳの代わりに凹面Ｓ２を有する点が、光学面５ａとは異なっている。

照明光学素子１６又は照明光学素子１７を用いることで、部品点数を減らすことができるため、組み立て工程を簡素化して製造コストを抑えることができる。

［第４の実施形態］
図１６は、本実施形態に係る照明装置１０４の構成を例示した図である。以下、図１６を参照しながら、照明装置１０４について説明する。

照明装置１０４は、照明装置１００と同様に、被照明面である標本面ＳＰを照明する装置であり、低倍率（例えば、４倍未満）から高倍率までの広い倍率範囲において、各倍率に対応する照野を均一に照明可能である点についても、照明装置１００と同様である。

照明装置１０４は、照明光学系１０の代わりに照明光学系１９を備える点が、照明装置１００とは異なっている。照明光学系１９は、コリメータレンズ２と補助レンズ３と照明光学素子５の代わりに照明光学素子１８を備える点が、照明光学系１０とは異なっている。

照明光学素子１８は、複数の屈折面を有する光学面１８ａを有し、さらに、光学面１８ａとは反対側の光学面１８ｂに有している。光学面１８ｂは、コリメータレンズとして機能するフレネルレンズ面である。光学面１８ａは、中心面ＣＳの代わりに凹面Ｓ３を有する点が、光学面５ａとは異なっている。凹面Ｓ３の負の屈折力は、補助レンズ３と同様に補正レンズ６に発散光を入射させる役割を担っている。

以上のように構成された照明光学系１９は、光源１から出射した光に対して照明光学系１０と同様に作用するため、照明装置１０４によっても、照明装置１００と同様に、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制することができる。

また、コリメータレンズ２の代わりにフレネルレンズ面（光学面１８ｂ）を用い、さらに、補助レンズ３の代わりに凹面Ｓ３を用いて、照明光学素子１８がコリメータレンズ２と補助レンズ３の役割を兼ねることで、部品点数を減らすことができる。このため、組み立て工程を簡素化して製造コストを抑えることができる。また、照明装置１０４の全長も短く抑えることができる。

図１７は、変形例に係る照明光学素子２０の構成を示した図である。図１８は、変形例に係る照明光学素子２１の構成を示した図である。上述した例では、照明光学素子１８に凹面Ｓ３を設けることで補助レンズ３を省略可能とする例を示したが、照明光学素子に凸面を設けることで補助レンズ３を省略してもよい。

照明装置１０４は、照明光学素子１８の代わりに、図１７に示す照明光学素子２０を備えてもよい。照明光学素子２０は、照明光学素子５の光学面５ａに相当する複数の屈折面を有する光学面２０ａを有し、さらに、光学面２０ａとは反対側の光学面２０ｂに有している。光学面２０ｂは、コリメータレンズ２に相当するフレネルレンズ面ＦｒＳと、補助レンズ３に相当する凸面Ｓ４を有している。凸面Ｓ４は、補正レンズ６の前側焦点位置である位置ＦＰに後側焦点位置を有している。

また、照明装置１０４は、照明光学素子１８の代わりに、図１８に示す照明光学素子２１を備えてもよい。照明光学素子２１は、照明光学素子５の光学面５ａに相当する複数の屈折面を有する光学面２１ａを有し、さらに、光学面２１ａとは反対側の光学面２１ｂに有している。照明光学素子２１は、光学面２１ｂが有する凸面の後側焦点位置（位置ＦＰ）が照明光学素子２１内に位置する点が照明光学素子２０とは異なっている。その他の点は、照明光学素子２０と同様である。

［第５の実施形態］
図１９は、本実施形態に係る照明装置１０５の構成を例示した図である。以下、図１９を参照しながら、照明装置１０５について説明する。

照明装置１０５は、照明装置１００と同様に、被照明面である標本面ＳＰを照明する装置であり、低倍率（例えば、４倍未満）から高倍率までの広い倍率範囲において、各倍率に対応する照野を均一に照明可能である点についても、照明装置１００と同様である。

照明装置１０５は、照明光学系１０の代わりに照明光学系２３を備える点が、照明装置１００とは異なっている。照明光学系２３は、コリメータレンズ２と補助レンズ３と照明光学素子５の代わりに照明光学素子２２を備える点、及び、光源１が補正レンズ６の前側焦点位置に配置される点が、照明光学系１０とは異なっている。

照明光学素子２２は、複数の屈折面を有する光学面２２ａを有し、さらに、光学面２２ａとは反対側の光学面２２ｂに有している。光学面２２ａは、照明光学素子５の光学面５ａと同様に、中心面ＣＳと複数の屈折面ＲＳを有する。光学面２２ｂは、コリメータレンズ２に相当するフレネルレンズ面ＦｒＳと、光軸ＡＸと直交する平面Ｓ０を有している。なお、光学面２２ｂは、フレネルレンズ面ＦｒＳを、光学面２２ａの複数の屈折面ＲＳに対応する光線高の位置に有し、平面Ｓ０を、中心面ＣＳに対応する光線高の位置に有している。

照明光学系２３では、フレネルレンズ面ＦｒＳで光源１からの光をコリメートすることで、照明光学素子２２がコリメータレンズ２と同様に機能する。このため、コリメータレンズ２を省略することができる。また、中心面ＣＳに対応する光学面２２ｂの位置に平面Ｓ０が設けられることで、光源１からの発散光がそのまま補正レンズ６へ入射する。さらに、光源１が補正レンズ６の前側焦点位置に配置されることで、補正レンズ６へ入射した発散光が補正レンズ６によってコリメートされる。このため、補助レンズ３を省略することができる。

以上のように構成された照明光学系２３は、光源１から出射した光に対して照明光学系１０と同様に作用するため、照明装置１０５によっても、照明装置１００と同様に、低倍から高倍までの広い観察倍率において、光源の配光特性に起因する照明の不均一を抑制することができる。

また、コリメータレンズ２と補助レンズ３を省略することで、部品点数を減らすことができる点、その結果として、組み立て工程を簡素化して製造コストを抑えることができる点、さらに、照明装置１０５の全長も短く抑えることができる点については、照明装置１０４と同様である。

上述した実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。上述の実施形態を変形した変形形態および上述した実施形態に代替する代替形態が包含され得る。つまり、各実施形態は、その趣旨および範囲を逸脱しない範囲で構成要素を変形することが可能である。また、１つ以上の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより、新たな実施形態を実施することができる。また、各実施形態に示される構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよく、または実施形態に示される構成要素にいくつかの構成要素を追加してもよい。さらに、各実施形態に示す処理手順は、矛盾しない限り順序を入れ替えて行われてもよい。即ち、本発明の照明光学系、照明装置は、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。

上述した実施形態では、絞りの開口径を変更することで、観察倍率に応じた照明範囲内の照明の均一性を確保する例を示したが、観察倍率に応じた絞りの調整は必ずしも必要ではない。上述した例では、絞りは高い開口数の光を遮って照明範囲内の照明の均一性を確保する目的で使用されるが、低倍の対物レンズの瞳径は高倍の対物レンズの瞳径よりも小さいため、必要以上に高い開口数の光は対物レンズを含む観察光学系内でケラレてしまう。このため、必ずしも照明の均一性が維持しなくても、照明の不均一の影響が像面に及ぶことを回避することができる。

１００～１０５ 照明装置
１ 光源
２ コリメータレンズ
３ 補助レンズ
４ 絞り
５、８、１５～１８、２０～２２ 照明光学素子
６ 補正レンズ
７、１４ 補助レンズ
７ｂ 平行平板
９ 拡散板
１０～１３、１９、２３ 照明光学系
ＡＸ 光軸
ＣＳ 中心面
ＦＳ 平面
Ｉ１～Ｉ５ 強度分布
Ｐ ピッチ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１１～Ｒ１４ 領域
Ｓ１～Ｓ３ 凹面
Ｓ４ 凸面
ＳＰ 標本面
ＲＳ、ＲＳ１～ＲＳ３ 屈折面

Claims (21)

1. 被照明面に向けられた光学面を有し、前記被照明面に光を面状に照射する照明光学素子であって、
   前記光学面は、
   光軸に直交する直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を前記被照明面の所定領域に向けて屈折させる複数の屈折面と、
   前記複数の屈折面よりも前記光軸に近い位置に設けられた、前記光軸と交わる中心面と、
   を有する、照明光学素子と、
   前記光学面に向かう光束の一部に正又は負の屈折力を作用させるように前記光軸上に配置された補助レンズであって、前記中心面から出射される光が発散光になるように入射した光の進行方向を変更する補助レンズと、
   前記照明光学素子と前記被照明面の間に設けられた補正レンズであって、前記補助レンズの作用により前記中心面から発散光として出射した光のテレセントリシティを補正する補正レンズと、を備える
   ことを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１に記載の照明光学系において、
   前記補正レンズは、
   前記被照明面に向けられた正の屈折力を有する第１レンズ面と、
   前記照明光学素子に向けられた第２レンズ面と、を有し、
   前記第１レンズ面の曲率の大きさは、前記第２レンズ面の曲率の大きさよりも大きい
   ことを特徴とする照明光学系。
3. 請求項２に記載の照明光学系において、
   前記第１レンズ面は、非球面形状を有する
   ことを特徴とする照明光学系。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の照明光学系において、
   前記補正レンズは、前記被照明面に凸面を向けた平凸レンズである
   ことを特徴とする照明光学系。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の照明光学系において、
   前記照明光学素子は、前記補正レンズの前側焦点位置と前記補正レンズとの間に配置される
   ことを特徴とする照明光学系。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の照明光学系において、さらに、
   前記照明光学素子は、前記補助レンズの後側焦点位置と前記補正レンズとの間に配置される
   ことを特徴とする照明光学系。
7. 請求項６に記載の照明光学系において、
   前記補助レンズは、前記補助レンズと前記照明光学素子との間に、前記補助レンズの前記後側焦点位置を有する正レンズである
   ことを特徴とする照明光学系。
8. 請求項６に記載の照明光学系において、
   前記補助レンズは、前記補助レンズの前記後側焦点位置と前記照明光学素子との間に配置された負レンズである
   ことを特徴とする照明光学系。
9. 請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の照明光学系において、
   前記補助レンズの外径は、前記照明光学素子の外径よりも小さい
   ことを特徴とする照明光学系。
10. 請求項９に記載の照明光学系において、
    前記補助レンズの外径は、前記中心面の直径以内である
    ことを特徴とする照明光学系。
11. 請求項６乃至請求項１０のいずれか１項に記載の照明光学系において、
    前記補助レンズは、前記補正レンズの前側焦点位置と前記補助レンズの前記後側焦点位置が略一致するように配置される
    ことを特徴とする照明光学系。
12. 請求項６乃至請求項１０のいずれか１項に記載の照明光学系において、
    前記補助レンズは、前記照明光学素子と一体に形成される
    ことを特徴とする照明光学系。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の照明光学系において、さらに、
    前記補正レンズの前側焦点位置に配置された、絞りを備える
    ことを特徴とする照明光学系。
14. 請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の照明光学系において、
    前記複数の屈折面は、前記光軸に沿った断面において、前記光軸となす角度が異なる直線形状を有し、
    前記光軸に近い屈折面ほど、前記光軸に沿った断面において、前記光軸と大きな角度をなす
    ことを特徴とする照明光学系。
15. 請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の照明光学系において、
    前記光学面は、さらに、
    前記複数の屈折面よりも前記直交方向に前記光軸から離れた位置に、前記直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を前記所定領域の一部に向けて屈折させる複数の第２の屈折面を有し、
    前記複数の第２の屈折面が形成されるピッチは、前記複数の屈折面が形成されるピッチよりも短い
    ことを特徴とする照明光学系。
16. 請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の照明光学系において、さらに、
    前記被照明面に照射する光を発する光源と前記照明光学素子の間に、コリメータレンズを備える
    ことを特徴とする照明光学系。
17. 請求項１６に記載の照明光学系において、
    前記コリメータレンズは、フレネルレンズである
    ことを特徴とする照明光学系。
18. 請求項１７に記載の照明光学系において、
    前記フレネルレンズは、前記照明光学素子と一体に形成される
    ことを特徴とする照明光学系。
19. 請求項１乃至請求項１８のいずれか１項に記載の照明光学系と、
    光源と、を備える
    ことを特徴とする照明装置。
20. 光源と、
    被照明面に向けられた光学面を有し、前記被照明面に光を面状に照射する照明光学素子であって、
    前記光学面は、
    光軸に直交する直交方向に一定のピッチで形成された、それぞれ光を前記被照明面の所定領域に向けて屈折させる複数の屈折面と、
    前記複数の屈折面よりも前記光軸に近い位置に設けられた、前記光軸と交わる中心面と、
    を有する、照明光学素子と、
    前記複数の屈折面と前記光源の間に設けられた、前記光源からの光をコリメートするフレネルレンズであって、
    前記複数の屈折面に対応する光線高の位置に設けられたフレネルレンズ面と、
    前記中心面に対応する光線高の位置に、前記光軸に直交する平面と、を有する、フレネルレンズと、
    前記照明光学素子と前記被照明面の間に設けられた補正レンズであって、前記光源から出射して前記平面及び前記中心面を通過した発散光のテレセントリシティを補正する補正レンズと、を備える
    ことを特徴とする照明装置。
21. 請求項２０記載の照明装置において、
    前記光源は、前記補正レンズの前側焦点位置に配置される
    ことを特徴とする照明装置。