JPH0560982A - ケーラー照明光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 拡散板のように不要な方向に光束を拡散した
り、複数の微小レンズからなる複合レンズのように境界
線による照明ムラが生じたりすることなく、明るく、か
つ均一に試料を照明するケーラー照明光学系を得ること
を目的とする。 【構成】 断面が凹円弧からなる凹曲面部と、断面が凸
円弧からなる凸曲面部とを同心円状に配列し、かつ、前
記凹円弧の基準円と凸円弧の基準円とが接する点で前記
凹円弧と前記凸円弧とを接続するようにして形成した光
束分散フィルタ８を光源１と視野絞り７との間の照明光
路中に設けたケーラー照明照明光学系とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ケーラー照明光学系に
関し、特に、光路中に設ける光束分散フィルタを改良し
たケーラー照明光学系に関する。

【０００２】

【従来技術】従来のケーラー照明光学系は、図６に示す
ように、光源１と、集光レンズ２と、光源結像レンズ３
と、コンデンサレンズ４と開口絞り５と視野絞り６とか
ら構成される。光源１からの光束は、まず、集光レンズ
２によって集光され平行光束になると、つぎに、光源結
像レンズ３によって、コンデンサレンズ４の前側焦点面
（反射照明は対物レンズの後側焦点面）に配置された開
口絞り５の位置付近に結像し、光源像１２ａを形成す
る。この光源像１２ａからの光束は、コンデンサレンズ
４（反射照明は対物レンズ）によって略平行な光束とな
り試料を均一に照明する。

【０００３】このようなケーラー照明光学系を顕微鏡の
照明系に用いる場合、前記光源像１２ａは、顕微鏡の対
物レンズの開口数に応じて、前記開口絞り５の開口部全
体を十分に覆うだけの大きさが必要である。そのため、
光源１からの光束を集光レンズ２と結像レンズ３とによ
り拡大して光源像１２ｂを得たり、集光レンズ２と結像
レンズ３との間に拡散板７を設けたり、あるいは、微小
なレンズの集合からなる複合レンズと拡散板とを併用し
りたして、開口絞り５の開口部に無数の光源像を形成し
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
たように、レンズによって光源像を拡大した場合、対物
レンズの開口数を満たすことができても、拡大された光
源像１２ｂ上を通過する光束を平行な光束にして試料を
照明するため、試料上の照明面積が小さくなる。また、
拡散板を用いた場合、無数の光源像を形成して対物レン
ズの開口数を満たし、かつ、光源像の面積を増やすこと
ができても、不必要な方向にも拡散される光束があるた
めに照明効率が悪くなる。また、複合レンズと拡散フィ
ルタとの場合、複合レンズによって大きく拡大すること
なく対物レンズの開口数を満たし、かつ、光源像の面積
を増やすことができて試料上の照明面積は増加しても、
複合レンズの境界部が境界線として認識されるという照
明ムラを無くすため拡散板を用いることから、照明効率
が悪くなり、明るい照明を行うことが難しかった。

【０００５】本発明は、上記のごとき問題に鑑みてなさ
れたものであり、本発明の目的は、照明ムラがなく、か
つ、明るく、試料上の照明面積が大きな照明を行うケー
ラー照明光学系を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】課題を解決するために請
求項１記載の発明のケーラー照明光学系は、光源（１）
と、視野絞り（６）と、光源結像レンズ（３）と、開口
絞り（５）と、コンデンサレンズ（４）と、前記光源と
前記視野絞りとの間の光路中に設けられる光束分散手段
（８）とを有するケーラー照明光学系において、前記光
束分散手段は凹曲面部（８ａ）と凸曲面部（８ｂ）とか
らなり、前記ケーラー照明光学系の光軸に垂直に配置さ
れる表面を有し、さらに、前記光軸を含んだ所定平面に
おける前記表面の断面形状が、前記凹曲面部を示す凹円
弧（８０ａ）と前記凸曲面部を示す凸円弧（８０ｂ）と
が交互に配列されてなり、前記交互に配列された凹円弧
と凸円弧における隣接した凹円弧と凸円弧とは、前記凹
円弧の基準円（８０ａ′）と前記凸円弧の基準円（８０
ｂ′）とが接する点で接続されてなるものである。

【０００７】また、請求項２記載の発明は、前記光束分
散手段の表面を、前記凹曲面部と前記凸曲面部とが前記
光軸を中心とした同心円状あるいは渦巻き状に配列した
ケーラー照明光学系である。請求項３記載の発明は、前
記光源結像レンズの焦点距離をｆ、前記開口絞りの開口
部に結像される中心光源像と最外枠光源像との距離を
ｒ、前記光束分散手段の屈折率をｎとすると、前記所定
平面における前記光束分散手段の断面を、光軸と直交す
る直交線（１０′）と、前記隣接した凹円弧と凸円弧と
の接点の接線（８ｔ）とのなす角度θが、数１で表され
るように形成したケーラー照明光学系である。

【０００８】

【作用】本発明のケーラー照明光学系によれば、光束分
散手段に入射した光源からの光束は、光束分散手段上の
入射した場所における凹円弧、凸円弧の傾斜角度に応じ
て、所定の範囲内に偏向され、この偏向された光束は、
光源結像レンズによって、光束分散手段の凹円弧，凸円
弧の傾きに応じて、所定の位置に形成された無限個の光
源像の集合からなる面状の光源像を形成し、前記面状の
光源像上からの光束は、コンデンサレンズによって平行
光束になり、この平行光束によって試料を照明する。

【０００９】

【実施例】本発明の実施例のケーラー照明光学系につい
て説明する。図１に示すように、このケーラー照明光学
系は、光源１と、光源１からの照明光束を集光する集光
レンズ２と、集光レンズ２からの光束を結像する光源結
像レンズ３と、光源結像レンズ３からの光束を平行光束
にし、試料９を照明するコンデンサレンズ４と、コンデ
ンサレンズ４の前側焦点面に設けられた開口絞り５と、
集光レンズ２と光源結像レンズ３との間に設けられる視
野絞り６と、集光レンズ２と視野絞り６との間の光路中
に設けられる光束分散フィルタ８と、からなる。

【００１０】前記ケーラー照明光学系の光束分散フィル
タ８は、前記光路中において、光軸１０とフィルタの中
心とが一致するように設けられる。この光軸１０を含む
所定平面（紙面）における光束分散フィルタ８の断面
は、図２の断面図に示すように、同じ大きさの円弧から
なる凹状の円弧８０ａと凸状の円弧８０ｂとが交互に配
列された表面と、平面に形成された裏面とを有する。ま
た、前記表面は、図２の正面図に示すように、断面が凹
円弧である凹曲面部８ａと断面が凸円弧である凸曲面部
８ｂとが交互にかつ同心円状になるように形成されてな
る。また、図３の拡大断面図に示すように、隣接してい
る凹円弧８０ａと凸円弧８０ｂとが、凹円弧の基準円８
０ａ′と凸円弧の基準円８０ｂ′とが接する点によって
接続され、さらに、光軸１０と直交する直交線１０′
と、凹円弧と凸円弧との接点における接線８ｔとのなす
角θが、数１のθとなるように形成されている。

【００１１】ただし、前記像の半径をｒ、光源結像レン
ズ３の焦点距離をｆ、光束分散フィルタ８の屈折率をｎ
とする。

【００１２】つぎに、このように形成された光束分散フ
ィルタ８を設けたケーラー照明光学系の動作について説
明する。光源１からの照明光束は、集光レンズ２によっ
て集光される。集光された光束は、光束分散フィルタ８
によって次のように分散偏向される。まず、光束分散フ
ィルタ８の凹円弧と凸円弧とのそれぞれの頂点を通過す
る光束は、フィルタがないかのように直進し、また、円
弧の最大傾斜部分である凹円弧と凸円弧との接点に入射
する光束は、接点における傾きに応じて、最も大きく偏
向される。また、前記頂点と前記接点との間に入射する
光束は、入射した点の凹円弧または凸円弧の傾きに応じ
て、分散偏向される。このようにして分散偏向された光
束は、光源結像レンズ３によって、開口絞り５の開口部
近傍に結像し、光源像を形成する。この時、光束分散フ
ィルタ８の凹円弧の頂点及び凸円弧の頂点を通過した光
束は、開口絞り５の開口部の中心に光源像１１ａを形成
し、凹円弧と凸円弧との接点に入射した光束は、中心か
ら最も離れた位置に光源像１１ｂを形成する。また、凹
円弧，凸円弧のその他の傾斜部分に入射したそれぞれの
光束は、その点における傾斜角度に応じて前記中心から
所定距離だけ離れた位置（光源像１１ａと１１ｂとの
間）に、それぞれの光源像を形成する。開口絞り５の開
口部で結像した光源像上の点からの光束は、コンデンサ
レンズ４により集光されて平行光束となって、試料９を
照明する。

【００１３】このような実施例のケーラー照明光学系
は、以下に詳細に説明するように、試料を均一にしかも
明るく照明することができる。光束分散フィルタ８によ
って分散偏向された光源１からの光束は、光源結像レン
ズ３によって、開口絞り５の開口部に結像し、光源像を
形成する。この光源像は、円弧の傾斜に応じて分散偏向
されてできる無限個の光源像を凹円弧、凸円弧の数だけ
繰り返すようにして光軸を中心とした放射状に形成した
無限個の光源像の集合であり、この無限個の光源像の集
合は、個々の光源像が認識されることはなく、開口絞り
５の開口部を均一に照明する半径ｒの円に形成された面
状の光源像（以下面像と略する）となる。しかも、光束
分散フィルタ８は、凹円弧と凸円弧とを交互に、かつ凹
円弧の基準円と凸円弧の基準円とが接するように、凹円
弧と凸円弧とを接続して表面を形成しているため、凹円
弧と凸円弧の境界による境界線が形成される証明ムラが
ない。このような面像上の点からの光束が、コンデンサ
レンズによって集光され、平行光束となって試料を照明
する。したがって、試料を均一に照明することができ
る。また、面像を形成する無限個の光源像の一つ一つの
像の拡大倍率は小さくてよいので、従来の拡大された光
源像等と比べて、試料上の照明面積を大きくすることも
できる。また、光束分散フィルタ８によって分散偏向さ
れる光束は、拡散板のように不要な方向に偏向される光
束がなく、所定の範囲内に分散偏向される。つまり、前
記範囲内に分散偏向された光束を光源結像レンズによっ
て結像することによって、分散偏向された光束を無駄な
く有効に利用することができる。

【００１４】尚、実施例のケーラー照明光学系は、光束
分割フィルタの表面に形成される個々の円弧の大きさ、
つまり円弧の基準円の半径の大きさを同一としたが、凹
円弧と凸円弧の接点における傾斜角度が数１で求めた角
度θに形成されていれば、個々の円弧の半径が同一でな
くてもよく、このような光束分散フィルタの場合でも、
前記したように所定の範囲に分散偏向され、光源結像レ
ンズにより結像することにより、半径ｒの円状の面像が
形成される。この半径ｒの円の大きさが、不図示の対物
レンズの開口数を十分に満たすようにすることにより、
光源からの光束を無駄なく、有効に利用することができ
る。

【００１５】尚、実施例のケーラー照明光学系は、開口
絞りの開口部において、すでに一定の範囲の均一な照明
面（面像）を形成しているので、開口絞りの代わりに試
料を置く照明系を構成し、試料を照明する場合も、試料
上の一定の範囲を均一に照明することができる。また、
実施例の光束分散フィルタ８は、凹曲面部と凸曲面部と
を同心円状に配置して形成したが、蚊取り線香のよう
に、凹円弧部と凸円弧部とを渦巻き状に配置して形成し
てもよい。ただし、この渦巻きフィルタの場合、フィル
タの表面は、光軸を含む所定の断面において凹円弧と凸
円弧の連続となるが、例えば、凹曲面部及び凸曲面部の
始点を含む断面において、必ずしも円弧の連続とはなら
ない断面がある。しかし、円弧の連続とならない断面に
おいて、表面の傾斜角度が数１で求めたθを越えないよ
うに形成すれば、実施例の光束分散フィルタのように、
略半径ｒの円内に無限個の光源像が形成される。したが
って、このように形成された渦巻きフィルタをケーラー
照明照明光学系に用いた場合も、光源からの光束を無駄
なく利用でき、かつ、試料上の照明面積も大きくでき
る。しかも、円弧の連続とならない部分は全体の一部で
あるから実施例の光束分散フィルタと同じように、略均
一に照明できると見なすことができる。

【００１６】また、図５に示すような、光束分散フィル
タ８のその他の変形例は、凹曲面部と凸曲面部とを交互
にかつ平行に配列して形成した表面と、前記表面の凹曲
面部と凸曲面部の長手方向に対して直交するように凹曲
面部と凸曲面部とを交互にかつ平行に配列した裏面とを
有する両面分散フィルタである。この両面分散フィルタ
は、表面はその断面が円弧となるＸ方向にのみ分散偏向
し、Ｘ方向に直交するＹ方向には分散偏向せず、また、
裏面は逆にＹ方向にのみ分散し、Ｘ方向には分散しな
い。このような両面分散フィルタをケーラー照明光学系
に用いた場合、光束分散フィルタ８を用いた場合のよう
に、光源結像レンズの焦点位置に所定の範囲の面像を形
成することができ、均一で効率のよい照明ができる。さ
らに、両面分散フィルタは、表面側の凹円弧と凸円弧の
接点の傾斜角度と裏面側の接点の傾斜角度とを任意の異
なる角度に形成することにより、Ｘ、Ｙ方向に任意の倍
率に拡大した任意の範囲を均一に照明することができ
る。尚、前記両面分散フィルタのかわりに、表面のみに
断面が凹円弧の凹曲面部と断面が凸円弧の凸曲面部とを
交互に平行に配列した２枚のフィルタを、互いの表面に
配列された曲面部の長手方向が直交するように配置して
用いてもよい。

【００１７】

【発明の効果】本発明のケーラー照明光学系は、上記し
た如く、光源と視野絞りとの間に光束分散手段を設けた
ことにより、照明ムラがなく、明るく、かつ、試料上の
照明面積を大きな照明を行うことができる。なぜなら、
光束分散手段によって分散偏向される光源からの光束
は、所定の範囲内に分散偏向されるため、光源結像レン
ズで結像することにより、所定の範囲内に集光される。
したがって、光源からの光束を無駄なく利用でき、明る
い照明を行うことができる。また、前記光源結像レンズ
によって形成される光源像は、任意の範囲に形成された
無限個の光源像の集合、つまり、任意の範囲にできた面
状光源像である。この面状光源像を形成する個々の光源
像は、拡大倍率の小さな光源像であり、この拡大倍率の
小さな光源像上からの光束を用いて試料を照明すること
により、試料上の照明面積を大きくすることができる。
また、光束分散手段の凹円弧と凸円弧とが、凹円弧の基
準円と凸円弧の基準円とが接する点によって接続される
ことにより、所定の断面において、凹円弧と凸円弧とが
連続的に傾きが変化する。したがって、凹円弧と凸円弧
との接続点が境界線となる照明ムラがなく、均一に照明
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例のケーラー照明光学系を示す
光路図である。

【図２】 光束分散フィルタを示す正面，Ａ−Ａ′矢視
断面図である。

【図３】 光束分散フィルタの一部拡大断面図である。

【図４】 光束分割フィルタの一部拡大断面図である。

【図５】 光束分割フィルタの変形例を示す斜視図であ
る。

【図６】 従来のケーラー照明光学系を示す光路図であ
る。

【符号の説明】

１…光源 ２…集光レンズ ３…光源結像レンズ ４…コンデンサレンズ ５…開口絞り ６…視野絞り ８…光束分散フィルタ（光束分散手段） ８ａ…凹曲面部 ８ｂ…凸曲面部 ８０ａ…凹円弧 ８０ｂ…凸円弧

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、視野絞りと、光源結像レンズと、
   開口絞りと、コンデンサレンズと、光源と視野絞りとの
   間の光路中に設けられる光束分散手段とを有し、前記コ
   ンデンサレンズの前側焦点面近傍に置かれた前記開口絞
   りの開口部に前記光束分散手段によって分散偏向された
   光源からの光束を結像させたのち、コンデンサレンズで
   平行光束にして試料を照明するケーラー照明光学系にお
   いて、 前記光束分散手段は、凹曲面部と凸曲面部とからなり、
   前記ケーラー照明光学系の光軸に垂直に配置される表面
   を有し、 前記光軸を含んだ所定平面における前記表面の断面形状
   が、前記凹曲面部を示す凹円弧と前記凸曲面部を示す凸
   円弧とが交互に配列されてなり、前記交互に配列された
   凹円弧と凸円弧における隣接した凹円弧と凸円弧とは、
   前記凹円弧の基準円と前記凸円弧の基準円とが接する点
   で接続されてなることを特徴とするケーラー照明光学
   系。
2. 【請求項２】前記光束分散手段は、前記凹曲面部と前記
   凸曲面部とが前記光軸を中心とした同心円状あるいは渦
   巻き状に配列してなる表面を有することを特徴とする請
   求項１記載のケーラー照明光学系。
3. 【請求項３】前記所定平面における前記光束分散手段の
   断面において、光軸と直交する直交線と、前記隣接した
   凹円弧と凸円弧との接点の接線と、のなす角度θが、 【数１】 ただし、前記光源結像レンズの焦点距離をｆ、前記開口
   絞りの開口部に結像される中心光源像と最外枠光源像と
   の距離をｒ、前記光束分散手段の屈折率をｎとするで表
   されるように、前記光束分散手段の表面を形成すること
   を特徴とする請求項１記載のケーラー照明光学系。