JPH08122643A - テレセントリック照明光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】最小形状の光学部品の使用を可能として装置全
体の小型化に大きく寄与し得るテレセントリックな照明
光学装置の提供にある。 【構成】光源と、該光源からの光束を集光して光源像を
形成する集光光学系と、該光源像からの光束をコリメー
トして被照明面を照明するコリメート光学系とを有する
テレセントリックな照明光学装置において、前記コリメ
ート光学系は、前記光源側から順に、正の屈折力を持つ
第１コリメートレンズと、正の屈折力を持つ第２コリメ
ートレンズとを有する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投影検査機，工場顕微
鏡などの光学測定機用の照明光学装置に関するものであ
り、特に、透過型のテレセントリック照明光学装置に好
適なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の投影検査機の照明光学装置では、
被検物体（被照明物体）に関する測定時において生ずる
合焦誤差の影響を極力小さくするために、被検物体をテ
レセントリック透過照明していた。そして、投影検査機
の載物台上に載置されている被検物体を投影光学系によ
ってスクリーン上に拡大投影する際のピント合わせ（合
焦）は、載物台を上下することにより被検物体にピント
を合わせる方式が知られている。

【０００３】投影検査機では厚みのある被検物体を測定
することがあり、載物台を上下することにより被検物に
ピントを合わせる方式の投影検査機では、透過型照明光
学装置のレンズから被検物までの距離を大きくする必要
がある。しかしながら、測定する頻度の高い被検物体は
比較的薄いものが多いため、透過照明の最適位置は透過
照明光学装置内の最も被検物体側のコリメートレンズ
（コンデンサーレンズ）から離れた所に設定されてい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、被検物体を
スクリーン上に拡大投影する投影光学系を保持する投影
ヘッドを上下動することによりピント合わせを行なう方
式の投影検査機では、投影ヘッドの移動空間を確保しな
がら、投影検査機全体をコンパクトにするためには、透
過照明の最適位置は、透過照明装置内の最も被検物体側
のコリメートレンズから近い側に設定する必要がある。
このため、載物台を上下する合焦方式の投影検査機の透
過型照明光学装置をそのまま使用すると、被検物体（被
照明物体面）から光源までの距離が大きくなり、照明光
学装置自体の大型化を招く問題がある。

【０００５】また、投影検査機下面から載物台までの高
さを低く抑えるためにテレセントリック透過型照明装置
の光路をコリメートレンズと被検物体との間で折り曲げ
ようとすると図７のように大きなミラーが必要となり、
このミラーがむき出しになって傷、ほこり等がつかない
ようにカバーガラスを取り付ける必要がある。また、透
過照明装置内の最も被検物体側のコリメートレンズから
被検物体までの距離を小さくしてコンパクト化を図るた
めに、コリメートレンズのパワー（屈折力）を大きくす
ることが考えられるが、この場合、コリメートレンズの
曲率半径が小さくなる事に伴いコリメートレンズの中心
厚が増し、結果的にコンパクト化が難しくなる。

【０００６】本発明は上記の課題に鑑みてなされたもの
であり、最小形状の光学部品の使用を可能として装置全
体の小型化に大きく寄与し得るテレセントリック照明光
学装置の提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、光源と、該光源からの光束を集光して
光源像を形成する集光光学系と、該光源像からの光束を
集光して被照明面を照明するコリメート光学系とを有す
るテレセントリック照明光学装置において、前記コリメ
ート光学系は、前記光源側から順に、正の屈折力を持つ
第１コリメートレンズと、正の屈折力を持つ第２コリメ
ートレンズとを有する構成としたものである。

【０００８】以上の構成に基づいて、前記第１コリメー
トレンズと前記第２コリメートレンズとの間の光路中に
光路を反射偏向させる反射型偏向部材を設けたることが
望ましい。また、前記集光光学系は、前記光源側から順
に、固定された第１集光レンズと、前記集光レンズの光
軸方向に沿って移動可能な第２及び第３集光レンズとを
有し、該第２及び第３集光レンズが前記集光レンズの光
軸方向に移動することにより、前記被照明面の照明領域
の大きさを変化させることが好ましく、さらに、前記第
１コリメートレンズの焦点距離をｆ21とし、前記第２コ
リメートレンズの焦点距離をｆ22とするとき、以下の条
件を満足することがより好ましい。

【０００９】ｆ21＜ｆ22 さらに、前記第１コリメートレンズの焦点距離をｆ21と
し、前記第２コリメートレンズの焦点距離をｆ22とする
とき、以下の条件を満足することより望ましい。 1.５＜ｆ22／ｆ21＜３

【００１０】

【作用】図６は、本発明によるテレセントリック照明光
学装置の原理を示す図である。図６に示す如く、光源１
からの光束は、集光光学系１０により集光され、この集
光位置には光源像Ｉが形成される。そして、この光源像
Ｉからの光束は、正の屈折力を持つ第１コリメートレン
ズ２１と同じく正の屈折力を持つ第２コリメートレンズ
２２とを有するコリメータ光学系20によってコリメート
光（平行光束）に変換され、このコリメート光が不図示
の載物台に載置されている被照明物体面３０をテレセン
トリック照明する。

【００１１】本発明では、まず、照明光学装置の最も被
検物体側のコリメートレンズ２２から照明物体面３０ま
での距離を短くするために、コリメータ光学系２０のパ
ワーを強く（合成焦点距離を短く）している。そして、
本発明では、この強いパワーを持つコリメータ光学系２
０のパワーを各コリメートレンズ（２１，２２）に分担
させるという手法により、コリメータ光学系２０の合成
焦点距離（コリメータ光学系２０の後側主点位置から被
検物体面３０までの距離）を決定するコリメータ光学系
２０の後側主点の位置を光源側へ移動させることができ
る。この結果、コリメータ光学系２０全体の合成焦点距
離を比較的小さくしながら、コリメータ光学系２０の最
も被検物体側のレンズ面と被照明物体面３０との間の距
離を大幅に短くすることができる。しかも、コリメータ
光学系２０のパワーを各コリメートレンズ（２１，２
２）に分担させているため、各コリメートレンズ（２
１，２２）のパワーはコリメータ光学系２０の合成パワ
ーよりも小さくなり、各コリメートレンズ（２１，２
２）は、曲率半径が大きく中心厚の薄い製造容易な小型
のレンズで構成することが可能となり、コリメータ光学
系２０の全長を短くすることができる。

【００１２】従って、コリメータ光学系２０のパワーを
各コリメートレンズ（２１，２２）に分担させると、照
明光学装置の大幅なる小型化が実現できる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の実施例によるズーム方式のテ
レセントリック透過照明型の光学装置の基本構成図を示
している。そして、図２は本実施例の高倍率状態の基本
構成図を示しており、図３は本実施例の低倍率状態の基
本構成図を示している。この装置は、図１〜図３に示す
如く、光源側から順に、光源１からの光束を集光して光
源像Ｉを形成する集光光学系１０と、この光源像Ｉから
の光束をコリメート光束（平行光束）に変換して不図示
の載物台に載置されている被検物体の照明面３０をテレ
セントリック照明するコリメート光学系２０とで構成さ
れている。

【００１４】そして、集光光学系１０は、光源側から順
に、正の屈折力を持つ第１集光レンズとしての両凸レン
ズ１１と、光軸に沿って移動可能な正の屈折力を持つ第
２集光レンズとしての光源側に凸面を向けた正メニスカ
スレンズ１２と、光軸に沿って移動可能な負の屈折力を
持つ第３集光レンズとしての両凹レンズ１３とから構成
され、コリメート光学系２０は、光源側から順に、正の
屈折力を持つ第１コリメートレンズとしての被検物体側
に凸面を向けた正メニスカスレンズ２１と、正の屈折力
を持つ第３コリメートレンズ２２としての被検物体側に
より強い曲率の面を向けた正レンズとから構成されてい
る。

【００１５】高倍率状態のテレセントリック照明から低
倍率状態のテレセントリック照明へのへの変倍に際し
て、図２及び図３に示される如く、第２集光レンズ１２
は、光源１に近づくように非直線状（曲線状）に移動
し、第３集光レンズ１３は、照明物体面３０に近づくよ
うに非直線状（曲線状）に移動する。ここで、図１〜図
３に示した本実施例の各レンズを薄肉系とし時のパワー
配置の数値例をそれぞれ第１実施例として表１、第２実
施例として表２に示す。但し、第１集光レンズ１１、第
２集光レンズ１２、第３集光レンズ１３、第１コリメー
トレンズ２１、第２コリメートレンズ２２の焦点距離を
それぞれｆ11、ｆ12、ｆ13、ｆ21、ｆ22とし、第１コリ
メートレンズ２１と第２コリメートレンズ２２との合成
焦点距離をｆ20、光源１から第１集光レンズ１１の主点
までの軸上間隔をｄ0 、第１集光レンズ１１の主点から
第２集光レンズ１２の主点までの軸上間隔をｄ1 、第２
集光レンズ１２の主点から第３集光レンズ１３の主点ま
での軸上間隔をｄ2 、第３集光レンズ１３の主点から第
１コリメートレンズ２１の主点までの軸上間隔をｄ3 、
第１コリメートレンズ２１の主点から第２コリメートレ
ンズ２２の主点までの軸上間隔をｄ4 、第２コリメート
レンズ２２の主点から被照明物体面３０までの軸上間隔
をＷＤ、第２コリメートレンズ２２の主点からミラー４
０までの軸上距離をｄM 、被照明物体面３０の照明領域
の直径をφ、光源１から被照明物体面３０までの軸上距
離をΣｄとする。

【００１６】 一方、図４は、図１に示したズーム方式のテレセントリ
ック透過照明型の光学装置のコリメート光学系２０を１
群構成とした場合の比較例の基本構成図を示している。
そして、以下には、この比較例の各レンズを薄肉系とし
た時のパワー配置を上記の第１及び第２実施例と等しく
した場合での数値例を表２に示す。ここで、第１集光レ
ンズ１１、第２集光レンズ１２、第３集光レンズ１３、
第１コリメートレンズ２０の焦点距離をそれぞれｆ11、
ｆ12、ｆ13、ｆ20とし、光源１から第１集光レンズ１１
の主点までの軸上間隔をｄ0 、第１集光レンズ１１の主
点から第２集光レンズ１２の主点までの軸上間隔をｄ1
、第２集光レンズ１２の主点から第３集光レンズ１３
の主点までの軸上間隔をｄ2 、第３集光レンズ１３の主
点からコリメートレンズ２０の主点までの軸上間隔をｄ
3'、コリメートレンズ２０の主点から被照明物体面３０
までの軸上間隔をＷＤ' 、コリメートレンズ２０の主点
からミラー４０までの軸上距離をｄM'、被検物体面３０
の照明領域の直径をφとする。但し、この比較例の低倍
率状態での第３集光レンズ１３の主点とコリメートレン
ズ２０の主点との間隔ｄ3'は、第３集光レンズ１３とコ
リメートレンズ２０との間のミラー４０の配置空間を確
保するために82.7とした時の数値例を示している。

【００１７】 図１に示した第１及び第２実施例のコリメータレンズ群
２０の合成焦点距離と図４に示した比較例のコリメータ
レンズ２０の焦点距離は、表１〜表３に示す如く、とも
にｆ＝８７である。

【００１８】まず、図４の比較例における最も低倍のポ
ジションでは可動レンズである第３集光レンズ１３がコ
リメータレンズ２０にかなり近づき、特に、コリメータ
レンズ２０の焦点距離を小さくした場合はさらに第３集
光レンズ１３とコリメータレンズ２０が接近する傾向に
ある。従って、第３集光レンズ１３とコリメータレンズ
２０との間の光路中にミラーが斜設されていると、可動
レンズ13が移動できる範囲は大幅に制限されるため、コ
リメータレンズ２０の焦点距離を小さくするにも限界が
ある。なお、この事を換言すれば、可動レンズ13が移動
できる範囲を制限しないと、コリメータレンズ２０の焦
点距離を大きくなり、装置全体が大きくなる。

【００１９】以上の事を具体的に説明すると、表３に示
した比較例では、表１及び表２に示した各実施例と同じ
パワー配分として、コリメータレンズ２０の焦点距離も
各実施例と同じにしているが、表３に示した比較例の変
倍比は、２．５であり、変倍比が１０である各実施例と
は、変倍範囲が大きく制約されていることが明らかであ
る。従って、比較例のコリメータレンズ２０の焦点距離
を８７として短くする事は、変倍範囲を確保するという
点から無理がある。しかも、光源１から被検物体面３０
までの距離に関しては、比較例では各実施例よりも４
９．４〜６１．１も長くなっており、またミラー４０か
ら被照明物体面３０までの軸上距離（ミラー４０から被
照明物体面３０までの高さ方向での距離）に関しては、
１００も長くなっており、装置全体が大きくなっている
ことが理解される。

【００２０】これに対し、各実施例では、コリメータ光
学系２０の屈折力をミラー４０の前後に配置された２つ
のコリメートレンズ（２１、２２）に分担させているた
め、図１に示す如く、コリメータ光学系２０の前側主点
位置Ｈ1 は第２コリメータレンズ２２よりも光源側に位
置し、変倍範囲を確保するために可動レンズとしての第
３集光レンズ１３をコリメータ光学系２０にかなり近づ
けられ、しかも、コリメータ光学系２０の後側主点位置
Ｈ2 を第２コリメートレンズ２２よりも光源側に位置さ
せることができる。従って、各実施例では、コリメータ
光学系２０の合成焦点距離を小さくしかも大きな変倍範
囲を確保しつつ、コリメータ光学系２０内の最も被検面
側のレンズ面から物体面３０までの距離を格段に短くで
きることが理解できる。

【００２１】しかも、本発明による各実施例では、コリ
メータ光学系２０の屈折力を２つのコリメートレンズ
（２１、２２）に分担させていることから、比較例と比
べて、コリメータ光学系２０を構成する各レンズの焦点
距離ｆ21，ｆ22を、コリメータ光学系２０の合成焦点距
離ｆ20よりも大きくできるため、レンズ厚が薄く曲率半
径が大きい製造容易な形状としながら、コリメータ光学
系２０の全長を短くできる。

【００２２】以上の事から、本発明の各実施例では、大
きな変倍範囲を確保しつつ装置の小型化に極めて有利
で、しかも製造上が容易な照明光学装置が実現できてい
ることが明らかである。ここで、コリメータ光学系２０
を構成する第１コリメートレンズ２１と第２コリメート
レンズの焦点距離をそれぞれｆ21，ｆ22とするとき、レ
ンズ中心厚が薄く曲率半径が大きい製造容易な形状の各
コリメートレンズ（２１、２２）を実現し、しかも第２
コリメータレンズ２２の最も被照明物体側のレンズ面か
ら被照明物体面までの距離が短く、コンパクトな装置を
図るためには、以下の条件（１）の関係を満足すること
が望ましい。 （１） ｆ21＜ｆ22 この関係を満足しないと、第１コリメータレンズ２１は
レンズ中心厚が厚く曲率半径が小さいレンズとなるのみ
ならず、図１に示す如く、コリメータ光学系２０の主点
（後側主点）が被照明物体側へ移動し、第２コリメータ
レンズ２２の最も被照明物体側のレンズ面から被照明物
体面までの距離が長くなるという問題がある。

【００２３】さらに、コリメータ光学系２０の主点を最
適位置に位置させ、広い変倍域を確保するためには、以
下の条件（２）の関係を満足することがより望ましい。 （２） 1.５＜ｆ22／ｆ21＜３ この条件（２）の下限を越えると、第１コリメータレン
ズ２１はレンズ中心厚が厚く曲率半径が比較的小さいレ
ンズとなり、コリメータ光学系２０の主点（後側主点）
が被照明物体側へ移動する傾向となり、この結果、第２
コリメータレンズ２２の最も被照明物体側のレンズ面か
ら被照明物体面までの距離が長くなる恐れがある。逆
に、この条件（２）の上限を越えると、第２コリメータ
レンズ２２はレンズ中心厚が厚く曲率半径が小さいレン
ズとなり、コリメータ光学系２０の合成屈折力を強くす
ることが難しくなる。

【００２４】以上の事から、比較例では、表３に示す如
く、光源１から最適照明位置（被照明面３０）までの距
離（光学系の全長）はそれぞれ５０１．６であり、ミラ
ー４０から被照明物体面３０までの軸上距離（ミラー４
０から被検物体面３０までの高さ方向での距離）は２６
０である。これに対し、本発明の第１及び第２実施例で
は、表１及び表２に示す如く、光源１から最適照明位置
（被照明面３０）までの距離（光学系の全長）はそれぞ
れ４４０．６、４５２．２であり、ミラー４０から被照
明物体面３０までの軸上距離（ミラー４０から被検物体
面３０までの高さ方向での距離）は共に１６０．０であ
り、比較例よりも照明光学装置全体が格段に小型になっ
ていることが理解される。

【００２５】なお、以上の各実施例では第１コリメート
レンズ２１と第２コリメートレンズ２２との間の光路中
に光路を反射偏向させるためのミラー４０を配置してい
るが、このミラー４０の代わりに直角プリズム等の偏向
プリズムを用いても良い。図５は、本発明による上述如
き、照明光学装置を投影系が対物光学系（投影レンズ）
の光軸方向で移動可能な投影検査機に応用した例を示す
概略断面図である。この投影検査機では、投影光学系Ｐ
Ｌと第１及び第２のミラーＭ1 、Ｍ2 、さらにはスクリ
ーンＳが投影ヘッド部ＰＨとして一体に構成され、被検
物体Ｏの厚さに応じて、本体に沿って上下動が可能であ
る。本体の下部には透過照明系が内蔵され、載物台ＳＴ
が固設されている。本体の下部に内蔵された透過照明系
は、光源１、第１集光レンズ１１、移動可能な第２及び
第３集光レンズ（１２、１３）、第１コリメートレンズ
２１、ミラー４０、第２コリメートレンズ２２を有して
おり、被検物体Ｏの被照明面３０をテレセントリック透
過照明する。なお、本体８の中間部に内蔵された落射照
明系は、第２光源１００、集光レンズ１０１を有してお
り、この光源１００からの光束は、集光レンズ１０１及
び投影光学系ＰＬを介して被検物体Ｏの被照明面３０を
テレセントリック落射照明する。

【００２６】

【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、投影検査
機・工場顕微鏡などの光学測定機において被照明物体に
対しテレセントリック透過照明を実現しながら、照明装
置全体の大幅なる小型化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例の基本構成図である。

【図２】図１に示した実施例の高倍率状態での基本構成
図である。

【図３】図１に示した実施例の低倍率状態での基本構成
図である。

【図４】比較例の基本構成図である。

【図５】本発明による照明光学装置を投影検査機に応用
した時の概略断面図である。

【図６】本発明の原理を示す図である。

【図７】従来の照明光学装置の概略構成を示す図であ
る。

【主要部分の符号の説明】

１・・・光源 １０・・・集光光学系 １１・・・第１集光レンズ １２・・・第２集光レンズ １３・・・第３集光レンズ ２０・・・コリメータ光学系 ２１・・・第１コリメータレンズ ２２・・・第２コリメータレンズ ３０・・・被照明物体面 ４０・・・ミラー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、該光源からの光束を集光して光源
   像を形成する集光光学系と、該光源像からの光束をコリ
   メートして被照明面を照明するコリメート光学系とを有
   するテレセントリック照明光学装置において、 前記コリメート光学系は、前記光源側から順に、正の屈
   折力を持つ第１コリメートレンズと、正の屈折力を持つ
   第２コリメートレンズとを有することを特徴とするテレ
   セントリック照明光学装置。
2. 【請求項２】前記第１コリメートレンズと前記第２コリ
   メートレンズとの間の光路中に光路を反射偏向させる反
   射型偏向部材を設けたことを特徴とする請求項１記載の
   テレセントリック照明光学装置。
3. 【請求項３】前記集光光学系は、前記光源側から順に、
   固定された第１集光レンズと、前記集光レンズの光軸方
   向に沿って移動可能な第２及び第３集光レンズとを有
   し、該第２及び第３集光レンズが前記集光レンズの光軸
   方向に移動することにより、前記被照明面の照明領域の
   大きさを変化させることを特徴とする請求項１または請
   求項２記載のテレセントリック照明光学装置。
4. 【請求項４】前記第１コリメートレンズの焦点距離をｆ
   21とし、前記第２コリメートレンズの焦点距離をｆ22と
   するとき、以下の条件を満足することを特徴とする請求
   項３記載のテレセントリック照明光学装置。 ｆ21＜ｆ22
5. 【請求項５】前記第１コリメートレンズの焦点距離をｆ
   21とし、前記第２コリメートレンズの焦点距離をｆ22と
   するとき、以下の条件を満足することを特徴とする請求
   項３記載のテレセントリック照明光学装置。 1.５＜ｆ22／ｆ21＜３