JPH01255818A - 反射照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は例えば、金属顕微鏡や同種の結像光学系に用
いられる、いわゆる落射照明装置（以下反射照明装置と
称する）に関するものである。

（従来の技術） 一般に、この種の結像光学系には反射照明装置が不可欠
であり、輝度の高い光源で被照射面上をできるだけ明か
るく、かつ、できるだけ均一に照明することが要求され
る。

このような反射照明装置としては従来より、例えば第７
図に示すようなケラ−照明法を採用したものが知られて
いる。なお、第７図中符号１０１は結像光学系全体を示
し、１１０は反射照明系全体を示す。

この照明系１１０は光源１１１と、コンデサーレンズ１
１２と、開口絞り１１３と、視野絞り１１４と、リレー
レンズ１１５と、結像光学系１０１の対物レンズ１０２
と、当該対物レンズ１０２と、結像光学系１０１の結像
レンズ１０３との間に配置されたビームスプリッタ１１
７とを具備して成り、照明用光源４１１からの照明光Ｂ
、をビ−ム久プリッタ１１７を介して結像光学系１０１
に取り込み、上記コンデンサレンズ１１２及びリレーレ
ンズ１１５を介して照明用光源１１１の３次光源像を対
物レンズ１０２の対物レンズ絞り１１８上に形成させる
ことによって、被照射面１０５ａ上をできるだけ均一に
照明するように構成されている。

そして、この結像光学系１０１の対物レンス゛絞り１１
８は、対物レンズ１０２の後側焦点位置Ｆ１に配置され
、かつ、上記照明系１１〈）のリレーレンズ１１５によ
って上記開口絞り１１３と共役な関係となるように配置
されており、一方、照明系１１０の視野絞り１１４はリ
レーレンズ１１５及び対物レンズ１０２によって被照射
面１０５ａと共役な関係となるように配置構成されてい
る。

従って、結像光学系１０１の対物レンズ絞り１１８は対
物レンズ１０２からの出射光束の直径を規制するととも
に、被照射面１０５ａ上からの対物レンズ１０２の開口
角２θを規定する。一方照明系１１０の開口絞り１１３
は、結像光学系１０１の対物レンズ絞り１１８の位置Ｆ
１に形成される３次光源像の大きさを規制することが呟
この開口絞り１１３を絞り込むことによｌ）、吋物し：
／ズ１０２を介して被照射面１０５ａを照明する照明光
の開口角は対物レンズ１０２の開口角２θよりら小さ（
することはできるが、大きくすることはできないことに
なる。

なお、被照射面１０５ａ上の照明領域は、照明系１１０
の視野絞り１１４を調筋することにより、適宜調節する
ことができる。

（発明が解決しようとする課題） 一般に、この種の結像光学系における物体側の幾何光学
的な焦点深度Ｑは次式で与えられる（第８図参照）。

Ｑ　”　Ｅ　／　ｔａｎθ　　−・−（１）ただし、Ｅ
は許容錯孔円７の直径、２θは対物レンズ１０２の開口
角である。

従って、この種の結像光学系を用いて平面精度が悪い物
体を観察する場合には、対物レンズ１０２の開口角２θ
を小さくして焦点深度Ｑを大きく設定するのが望ましい
。

しかしなが呟前記第７図のような構成の反射照明系１１
０では、結像光学系１０１の対物レンズ絞り１１８を絞
り込んで対物レンズ１０２の開口角２θを小さくすれば
、同時にそこへ形成した１３次光源像を小さく絞り込む
ことになり、必然的に照明光の開口角ら小さくなる。こ
のため被照射面１０５ａの照度が低下するだけでなく、
下記のような不都合を生ヒる。

例えば、照明すべき物体１０５がプリント基板等であっ
て、その表面、すなわち被照射面１０５ａにハンダメ・
ンキ等の鏡面が形成されているような場合において、当
該プリント基板１０５の平坦性が悪く、その表面１０５
ａの一部が第９図のように傾斜角φのうねりを生じてい
る時、照明光の開口角を２α討物レンンズの開口角を２
θとすると、２φくα＋θ　　・・・・・・（２） でなければ被照射面１０５ａで反射された光は全く対物
レンズ１０２に戻らなくなる。

この（２）式の条件は、被照射面１０５ａからの反射光
が少しでも対物レンズ１０２に戻るために・必要な条件
であり、望ましくは と被照射面１０５ａにφの傾きがあっても全ての反射光
が対物レンズ１０２に戻り、像面に達する光量も減少し
ないことになる。

一方、従来の反射照明装置では照明光の開口角２ａを対
物レンズの開口角２θより大きくすることができないが
、被照射面１０５ａからの反射光の一部を対物レンズ１
０２に戻すためには、少なくとも φ　　く　　θ　　　　・・・・・・（４）にする必要
があった。

ところが対物レンズ１０２の開口角２θを大きくすると
、前記した如く焦点深度が浅くなり、照明すべき物体表
面にうねりがある場合には物体全体の観察に支障を来た
すと云う問題を生ずる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、対物
レンズの開口角２θを小さく規定することにより、焦点
深度Ｑを十分大きく確保しながらら、照明光の開口角２
ａを十分大きく確保して被照射面５ａの平坦性が悪い場
合でも支障なく対象物体を観察し得るようにするととも
に、被照射面５ａの照度も十分確保し得るようにするこ
とを課題とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決するために、以下のように構成
される。

即ち、照明用光源と、結像光学系の対物レンズと、当該
対物レンズと結像光学系の結像面との開に配置されたビ
ームスプリッタとを具備して成り、照明用光源からの照
明光をビームスプリッタを介して結像光学系に取り込み
、対物レンズを介して被照射面を照明するように構成し
た反射照明装置において、ビームスプリッタと対物レン
ズとの開に環状の偏光領域を有する偏光板と１７４波長
板とを順に付設配置し、被照射面からの反射光を】／４
波長板と当該偏光板とで規制することにより、当該偏光
板の中央部を透過した光束のみが結像に寄与するように
構成したことを特徴とするものである。

（作　用） 以下便宜上、第１図に基づいて作用を説明する。

本発明では、ビームスプリッタ１７を介して結像光学系
１に取り込まれた照明光束は、偏光板１８と１７４波長
板１９と対物レンズ２とを介して被照射面５ａを照明す
る。

このとき、偏光板１８の環状偏光領域１８ａを透過した
照明光は直線偏光になり、次いで１７４波長板１９によ
って円偏光になる。そして、この円偏光にされた照明光
束は偏光板１８の中央部（非偏光領域）１８ｂを透過し
た非偏光の照明光束とともに、対物レンズ２を介して、
被照射面５ａを照明する。

これらの照明光束は被照射面５ａで反射された後、本来
ならば対物レンズ２等を介して結像に寄与するべきとこ
ろ、上記のように構成されているため、上記円偏光にさ
れた部分は被照射面５ａ上での反射により、その偏波面
の回転方向が光の進行方向に対して逆向きになり、再度
１７４波長板１９を通過したとき入射時の漏光方向と直
交する直線偏光になる。そして、この直線偏光になった
光束のうち、偏光板１８の環状偏光領域１８ａに入射し
た光束だけが遮光され、その余の光束のうち、偏光板１
８の中央部１８ｂを通過した光束のみが結像に寄与する
。

従って、対物レンズ２の開口角２θを、実質的に十分小
さく設定することができ、しかも、照明光の開口角２ａ
を対物レンズ２の実質的開口角２θよりも十分大きく設
定することが可能になる。

これにより、対物レンズ２の焦点深度を十分大きく確保
し、被照射面の平坦性が悪い場合でも、前記のような不
都合は生じない。

（実　施　例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る反射照明装置のＩｉの実施例を示
し、この図において符号１は結像光学系全体を示し、１
０は反射照明装置全体を示す。

結像光学系１は対物レンズ２と、結像レンズ３とから成
り、対物レンズ２の前側焦点位置に測定対象物５の被照
射面５ａが位置し、結像レンズ３の後側焦点位置に像面
６ａが位置するように配置構成されている。

反射照明装置１０は、照明用光源１１と、視野絞り１４
と、コンデンサーレンズ１５と、上記対物レンズ２と、
当該対物レンズ２と結像レンズ３との開に配置されたビ
ームスプリッタ１７と、ビームスプリッタ１７とコンデ
ンサーレンズ１５との間に配置された＠１偏光板１６と
、ビームスプリッタ１７および対物レンズ２の間に順次
配置された第２偏光板１８と、１７４波長板１９とから
成り、照明用光源１１がらの照明光Ｂ１をビームスプリ
ッタ１７を介して結像光学系１に取り込み、対物レンズ
２を介して被照射面５ａを照明するように構成されてい
る。

そして対物レンズ２の絞りに相当する第２偏光板１８は
、該対物レンズ２の後側焦点Ｆ１の位置に配置構成され
てお゛す、結像光学系１は物体側でテレセンドリンク光
学系になっている。

＠ｉ図より明らかなように、この反射照明装置１０は第
７図に示したものと同様のケラ−照明系であって、コン
デンサーレンズ１５によって照明用光源１１の２次光源
像を対物レンズ２の絞り位置に形成することで、被照射
面５ａをできるだけ均一に照明するように構成されてい
る。なお、第７図に示したものと同様に、必要に応じて
リレーレンズや開口絞りを付設してもよい。

上記第２偏光板１８は対物レンズ２の絞り位置に配置さ
れており、以下に説明する理由により結像光学系１の対
物レンズ絞りとしての機能を有しながらも被照射面５ａ
の照明に寄与する光束を遮光することはない。

即ち、この第２偏光板１８は例えば＠２図に示すように
、円環状の偏光領域１８ａと、その中央部に円形の非偏
光領域１８ｂとを備え、上記第１の偏光板１６を通過し
、直線偏光となった光束が、この円環状偏光領域１８ａ
をほぼ１００％透過し得るように、つまり、両偏光板１
６．１８を透過する光束の偏波面がそれぞれ図上で紙面
と垂直になるように両偏光板１６．１８が相対配置され
でいる。

従って、第２偏光板１８の円環状偏光領域１８ａ、及び
中央部の非偏光領域１８ｂを透過した光束はいずれら紙
面と垂直な偏波面を有する直線偏光となっている。

なお、第２偏光板１８の偏光領域１８ａや、中央部の非
偏光領域１８ｂの形状は、円形に限る必要はなく、使用
目的に応じて適宜変更可能である。

また、中央部の非偏光領域１８ｂはその部分に単に孔を
あけたもの、あるいは単なる透明な素板グラスで形成し
たものでもよい。

１ノ４波長板１９は、ｆｆ１２偏光板１８を透過して直
線偏光（第３図３Ａ）となった光束を円偏光に変換する
とともに、この円偏光となった光束が対物レンズ２を介
して被照射面５ａを照明し、この被照射面５ａによって
その偏波面が逆になった反射光束を、紙面と平行な偏波
面を有する直線偏光（第３図３Ｂ）に変換する。この際
、照明光束Ｂ２の開口角２ａは十分大きく確保すること
ができる。

上記したように、紙面と平行な偏波面の直線偏光に変換
された反射光束は第２偏光板１８の円環状偏光領域１８
ａによって遮光され、中央部の非偏光領域１８ｂを透過
した光束のみが、ビームスプリッタ１７を透過し、結像
レンズ３を介して結像に寄与することとなる。この際、
結像に寄与する光束Ｂ３に関する対物レンズ２の開口角
２θは照明光束Ｂ２の開口角２ａと比較して実質上十分
に小さくなり、その焦点深度Ｑを大きくすることが可能
になる。

従って、前記のように被測定物体５の表面である被照射
面５ａの平坦性が悪い場合でも、焦点深度Ｑが大きいた
め、ピンボケ等による支障がないだけでなく、被照射面
５ａにうねりが生じていようとも結像に寄与する反射光
束８つが不足するおそれはない。第３図３Ｃはこのこと
を説明する図であって、仮想線で示す外縁及び内縁は往
路における円環状偏光領域１８ａを透過した光束Ｂ２を
示し、光束Ｂ２は復路への進入に際し、被照射面５ａの
傾きにより、第２偏光板１８の偏光領域１８ａに対して
位置ずれを生じているが、中央部の非偏光領域、１８ｂ
を通過する光量はあまＩ）変化しない。

なお、上記実施例において、中央部の非偏光領域１８ｂ
に例えば、透過率８０％程度の等価中性）農度フィルタ
（いわゆるＮＤフィルタ）を装着するのが望ましい。そ
れは被照射面５ａに傾きがある場合と、ない場合とでは
以下の理由により結像の明かるさに差異を生じ、センサ
等で結像状態を観察する際にＳ／Ｎ比が変動する等の不
都合を生ずることがあるからである。

即ち、被照射面５ａに傾きがなければ、往路において非
偏光領域１８ｂを透過し′た光束が復路においてもその
まま非偏光領域を透過するのに対し、被照射面５ａに傾
きがあれば、往路において非偏光領域１８ｂを透過した
光束のみならず、その近傍の円環状偏光領域１８ａを透
過した光束ら、復路において中央部の非偏光領域１８ｂ
を通過することになる。換言すれば、結像に寄与する光
束Ｂ、中には、往路において非偏光領域１８ｂを透過し
た光束（強度１００％とする）と、円環状偏光領域１８
ａを透過した光束（強度的８０％）とが含まれるのであ
る。つまり、第２偏光板１８の偏光領域１８ａは、前記
した如く第１偏光板と同一方向の偏光面であっても実際
には１００％の透過率ではなく、８０％程度の透過率に
とどまり、偏光されなかった光束に対しては４０％程度
の透過率になっている。

従って８０％程度の透過率を有するＮＤフィルタを、中
央部の非偏光領域１８ｂに装着すれば、往路において非
偏光領域１８ｂと偏光領域１８ａのいずれを透過した光
束でもほぼ一定の光強度に揃えることができる。これに
より被照射面５ａの傾きの有無により、センサのＳ／Ｎ
比が変動するおそれはなくなる。なお肉眼で観察する場
合には、このような配慮をする必要はない。

また、上記実施例において第１の偏光板１６を省略する
こともできる。この場合には、往路において第２偏光板
１８の円環状偏光領域１８ａを通過して直線偏光となっ
た光束が１７４波長板１９によって円偏光された光束と
なり、中央部の非偏光領域１８ｂを通過した光束は非偏
光のままである。

次いで、被照射面５ａに傾きがなければ、往路において
非偏光領域１８ｂを透過した光束が復路においても上記
同様そのまま非偏光領域１８ｂを透過し、被照射面５ａ
に傾きがあれば、上記同様往路において非偏光領域１８
ｂを透過した非偏光の光束（強度１００％）と円環状偏
光領域１８ａを透過して偏光された光束（強度的４０％
）が復路において非偏光領域１８ｂを透過するとともに
、当該非偏光領域１８ｂをはみだした非偏光の光束が円
環状偏光領域１８ｍによっても遮光されず、結像に寄与
することになる。本発明はこのように往路において、第
２偏光板１８の非偏光領域１８ｂを透過した光束が結像
に寄与する場合をも排除するものではない。

また、上記実施例において、ビームスプリッタ１７に代
えて、偏光ビームスブリフタを使用することも可能であ
り、その場合には第１の偏光板１６を省略することかや
きる。

第４図は、本発明の第２の実施例を示し、第５図はその
要部拡大側面図である。

第４図において、符号１は結像光学系全体を示し、２０
は反射照明系全体を示す。

結像光学系１は２枚のレンズ２ａ、２ｂによって構成さ
れた対物レンズ２と、２枚のレンズ３ａｖ３ｂによって
構成された結像レンズ３とを備えている。絞り位置は対
物レンズ２の後側焦点Ｆ１であり、物体側でテレセント
リック光学系として構成されている。

反射照明装置２０は、線状の照明用光源２１と、第１の
偏光板２６と、上記対物レンズ２と、結像レンズ３と、
結像レンズ３とラインセンサ６との間に配置された偏光
ビームスプリッタ２７と、結像レンズ３と対物レンズ２
との間に順次配置された第２の偏光板２８と、１７４波
長板２９とから成り、照明用光源２１からの照明光Ｂ１
を第１の偏光板２６及び偏光ビームスプリッタ２７を介
して効率よく結像光学系に取り込み、結像レンズ３及び
対物レンズ２を介して被照射面５ａを照明するように構
成されている。

第４図及び第５図において、この反射照明装置２０はク
リティカル照明系であって、光源２１の像を被照射面５
ａ上に結像するように構成されている。その他の点は、
前記第１の実施例と同様であり、照明光束Ｂ２の開口角
２ａは、第２偏光板２８の円環状偏光領域２８ａの外径
によって規定され、結像に寄与する光束Ｂ、を規定する
対物レンズ２の開口角２θは円環状偏光領域２８ａの内
径によって規定される。

なお、第４図において１７４波長板２９は、ラインセン
サ６の長手方向の軸線と平行な軸線まわりに微小角だけ
回転させて配置してあり、１７４波長板２９の物体側の
面で反射した光がラインセンサ６上でゴーストを生ヒな
いよるに考慮されている。

第６図は本発明による第３の実施例であり、前記第２の
実施例において、ラインセンサ６と光源２１とを入れ代
えて配置したクリティカル照明系を例示するものであっ
て、その他の基本的な構成は、第１の実施例及び第２の
実施例と同様である。

なお第６図中符号３１は光源、３２はコンデンサレンズ
、３７は偏光ビームスプリッタ、３８は円環状偏光領域
３８ａを有する偏光板、３９は１７４波長板である。

この実施例においても、照明光束の開口角２αは円環状
偏光領域３８ａの外径によって規定され、結像に寄与す
る光束を規定する対物レンズ２の開口角２θは円環状偏
光領域３８ａの内径によって規定される。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明によれば、ビーム
スプリッタと対物レンズとの間１こ環状の偏光領域を有
する偏光板と１７′４波長板とを順に付設配置するだけ
で、照明に寄与する光束の開口角を大きく確保しなが呟
結像に寄与する光束を規定する対物レンズの開口角は十
分小さくすることができるので次のような効果を奏する
。

（イ）鏡面で形成した被照射面の平担性がよ（ない場合
でも、照明に寄与する光束の開口角を十分大トく設定す
ることができるので、その反射光が確実に対物レンズに
戻ることになり、従来例のように物体の観察に支障をき
たすおそれは解消する。

（ロ）結像に寄与する光束を規定する対物レンズの開口
角を十分小さく設定することができるので、焦点深度を
十分大きくすることができ、被照射面の平坦性がよくな
い場合や、平面精度が粗い場合にピントの合せ直しをす
る必要がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る反射照明装置の第１の実施例を示
す概要図、第２図は円環状偏光領域を有する偏光板の平
面図、第３図は往路ないし復路における光束の状態を模
式的に示す説明図、第４図は第２の実施例を示す反射照
明装置の概要図、第５図はその要部拡大側面図、第６図
は第３の実施例を示す反射照明装置の概要図、第７図は
従来例の概要図、第８図は開口角と焦点深度との関係を
示す説明図、＠９図は被反射面が傾斜している場合の照
明光束の状態を模式的に示す説明図である。 １・・・結像光学系、・　２・・・対物レンズ、３・・
・結像レンズ、　　５ａ・・・被照射面、６ａ・・・結
像面、１０・・・反射照明装置、 １７・２７・３７・・・ビームスプリッタ、１８・２８
・３８・・・環状偏光領域を有する偏光板、１８ａ・２
８ａ・３８ａ・・・環状の偏光領域、１９・２９・３９
・・・１７４波長板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、照明用光源と、結像光学系の対物レンズと、当該対
   物レンズと結像光学系の結像面との間に配置されたビー
   ムスプリッタとを具備して成り、照明用光源からの照明
   光をビームスプリッタを介して結像光学系に取り込み、
   対物レンズを介して被照射面を照明するように構成した
   反射照明装置において、ビームスプリッタと対物レンズ
   との間に環状の偏光領域を有する偏光板と１／４波長板
   とを順に付設配置し、被照射面からの反射光を１／４波
   長板と当該偏光板とで規制することにより、当該偏光板
   の中央部を透過した光束のみが結像に寄与するように構
   成したことを特徴とする反射照明装置