(57)【要約】【課題】  開口絞りを含む構成部材のレイアウトの自由度が向上した照明光学装置及びこれを用いた光学装置を提供する。【解決手段】  光源Ｓが発する光を被照射面ＦＬに照射して被照射面ＦＬの照明を行う照明光学装置１を、光源Ｓと被照射面ＦＬとの間に配置されて光源Ｓが発する光を平行光束に変換するコレクターレンズ２と、複数の要素レンズＬからなりコレクターレンズ２と被照射面ＦＬとの間に配置されて要素レンズＬによって平行光束から複数の光源像ＩＳ１を形成する第一レンズアレイＬＡ１と、複数の光源像ＩＳ１からの光を被照射面ＦＬに導く第一光学系ＯＳ１と、コレクターレンズ２と第一レンズアレイＬＡ１との間に配置されて開口径を調整可能な開口絞りＡＳとによって構成する。【選択図】    図１
2006208682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源が発する光を被照射面に照射して該被照射面の照明を行う照明光学装置であって、
前記光源と前記被照射面との間に配置されて前記光源が発する前記光を平行光束に変換するコレクターレンズと、
複数の要素レンズからなり前記コレクターレンズと前記被照射面との間に配置されて前記要素レンズによって前記平行光束から複数の光源像を形成するレンズアレイと、
前記複数の光源像からの光、もしくは前記複数の光源像と共役にして形成された複数光源像からの光を前記被照射面に導く第一光学系と、
前記コレクターレンズと前記レンズアレイとの間に配置されて開口径を調整可能な開口絞りとを備えている照明光学装置。
【請求項２】
光軸上の前記複数の光源像が形成される位置に、前記複数の光源像の外周形状と相似形状の開口部を有する仕切り板が設けられている請求項１記載の照明光学装置。
【請求項３】
前記光源が、点光源、またはレーザー光であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学装置。
【請求項４】
前記開口絞りが、前記光源から前記コレクターレンズまでの光学系を構成する第二光学系の射出瞳位置に設けられている請求項１から３のいずれかに記載の照明光学装置。
【請求項５】
請求項１から４のうちのいずれかに記載の照明光学装置を有する光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影装置、露光装置、顕微鏡などの照明光学装置、及びこの照明光学装置を用いた光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
投影装置、露光装置、顕微鏡などの光学装置の照明光学系においては、被照射領域全体を均一かつ十分な明るさで照明できることが求められる。
このような照明を実現する照明光学装置としては、例えば後記の特許文献１に記載の照明装置が知られている。
この照明装置は、図１０に示すように、光源Ｓと、この光源Ｓから放射された光束から複数の集光点ＦＰ（光源像）より成る集光点群（多数光源像）を形成する集光点群形成手段（レンズアレイ）ＬＡと、この集光点群からの光束を集めて被照射面ＦＬを照明する光学系ＯＳとを有しており、集光点群形成手段ＬＡによって形成した各集光点ＦＰからの光束を、光学系ＯＳによって複数の方向から被照射面ＦＬ上に重畳させることで、照度分布の均一化を図っている。
なお、集光点群形成手段ＬＡとしては、複数の要素レンズＬをその光軸と略直交する平面上に配列したレンズアレイ（フライアイレンズ）が用いられる。
【０００３】
従来より、この種の照明装置では、被照射面ＦＬを最適に照明するために集光点群の発する光束の断面形状を変更する手法が用いられてきた。具体的には、照明装置の光軸方向において集光点群が形成される位置に開口絞りＡＳを設けて、この開口絞りＡＳによって不要な光束を遮ることで、集光点群の発する光束の断面形状を変更している。
【特許文献１】特開２０００−１７３９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような照明装置においては、被照射面上で照明装置による照明が行われる領域（照野）の大きさ（照野の径ｄ）を維持しつつ、照明ムラをさらに小さくすることが求められている。
照明ムラを小さくするためには、集光点群形成手段ＬＡを構成する要素レンズＬの配列ピッチＰを狭める必要がある。
【０００５】
ここで、照野の径ｄは、光学系ＯＳの焦点距離を一定とした場合、光学系ＯＳが集光点群から光を取り込むＮＡの大きさによって定まる。また、ＮＡの大きさは、要素レンズＬを像側から覗き込んだ半角θ１の大きさによって定まる。具体的には、ＮＡ＝ｓｉｎθ１である。
θ１は、要素レンズＬの配列ピッチをＰとし、要素レンズＬの焦点距離をｆとすると、近軸的に次式（１）で表される。
【数１】
2006208682.tif 000003
【０００６】
以上のことからわかるように、照野の径ｄを変えずに要素レンズＬの配列ピッチＰを狭めるには、要素レンズＬの焦点距離ｆを小さくする必要がある。
このように光学系ＯＳの焦点距離ｆを小さくすると、レンズアレイＬＡと各集光点ＦＰとの距離が接近することになる。しかし、レンズアレイＬＡと光学系ＯＳとの間、特に複数の集光点ＦＰが形成される面上には開口絞りＡＳが配置されていて、要素レンズＬの焦点距離ｆをあまり小さくすることができないので、要素レンズＬの配列ピッチＰをあまり狭めることができない。
このように、従来の照明装置では、構成部材のレイアウトの自由度が低く、さらなる性能向上や用途に応じた設計変更が困難であった。
【０００７】
なお、光学系ＯＳの焦点距離を調整することによっても、照明ムラを小さくしつつ照野の大きさを維持することが可能ではあるが、この場合には上記の手法に比べて、光学装置の全長が長くなってしまう上、設計上の自由度が低下してしまうので、好ましくない。
【０００８】
本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、開口絞りを含む構成部材のレイアウトの自由度が向上した照明光学装置及びこれを用いた光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、光源が発する光を被照射面に照射して該被照射面の照明を行う照明光学装置であって、前記光源と前記被照射面との間に配置されて前記光源が発する前記光を平行光束に変換するコレクターレンズと、複数の要素レンズからなり、前記コレクターレンズと前記被照射面との間に配置されて前記要素レンズによって前記平行光束から複数の光源像を形成するレンズアレイと、前記複数の光源像からの光、もしくは前記複数の光源像と共役にして形成された複数光源像からの光を前記被照射面に導く第一光学系と、前記コレクターレンズと前記レンズアレイとの間に配置されて開口径を調整可能な開口絞りとを備えている照明光学装置を提供する。
【００１０】
このように構成される照明光学装置では、開口絞りが、レンズアレイと第一光学系との間ではなく、コレクターレンズとレンズアレイとの間に配置されている。
この照明光学装置においては、開口絞りの絞り量を調整することで、レンズアレイを構成する要素レンズのうち、平行光束が入射する要素レンズの数を調整して、被照射面に入射する光束の断面形状を変更することができるようになっている。
【００１１】
この照明光学装置では、開口絞りは、コレクターレンズとレンズアレイとの間の領域、すなわち光源からの光が平行光束となる領域に設けられているので、コレクターレンズとレンズアレイとの間であれば、開口絞りを光軸方向の任意の位置に設定することができる。また、レンズアレイと第一光学系との間に開口絞りを設ける必要がないので、レンズアレイの要素レンズの焦点距離をさらに小さくすることができる。
【００１２】
さらに、この照明光学装置では、光源から発せられた光束が平行光束として開口絞りに入射するので、集光点群形成手段によって形成した各集光点に開口絞りを設ける従来の照明装置に比べて、開口絞りに入射する光束のエネルギー密度が低くなる。
このため、光源の発する光がレーザー光のように強力な光であっても、開口絞りに損傷が生じにくい。
【００１３】
この照明光学装置において、光軸上の前記複数の光源像が形成される位置に、前記複数の光源像の外周形状と相似形状の開口部を有する仕切り板が設けられていてもよい。
【００１４】
このように構成される照明光学装置では、仕切り板には、複数の光源像の外周形状と相似形状の開口部が形成されているので、レンズアレイを通過した光束のうち、前記複数の光源像を形成する光線は、仕切り板の開口部を通じて被照射面に入射し、それ以外の光線は、仕切り板によって効果的に遮られる。
すなわち、仕切り板によって前記複数の光源像を形成する光線以外の光線が効果的に遮られるので、フレアやゴースト光を低減することができる。
【００１５】
また、この照明光学装置において、前記光源が、点光源、またはレーザー光であってもよい。
【００１６】
このように構成される照明光学装置では、光源が点光源またはレーザー光であるので、コレクターレンズを通過した光束は全て平行光束となり、軸外光成分が生じないので、開口絞りを絞った場合にも照明ムラが生じにくい。
【００１７】
また、この照明光学装置において、前記開口絞りが、前記光源から前記コレクターレンズまでの光学系を構成する第二光学系の射出瞳位置に設けられていてもよい。
【００１８】
このように構成される照明光学装置では、光源が点光源やレーザー光でない場合にも、光源からの軸上光線と、軸外光線を同ＮＡで絞ることができるので、照明ムラを低減することができる。
【００１９】
本発明は、上記いずれかの照明光学装置を有する光学装置を提供する。
【００２０】
このように構成される光学装置では、開口絞りは、コレクターレンズとレンズアレイとの間の領域、すなわち光源からの光が平行光束となる領域に設けられているので、コレクターレンズとレンズアレイとの間であれば、開口絞りを光軸方向の任意の位置に設定することができる。また、レンズアレイと第一光学系との間に開口絞りを設ける必要がないので、レンズアレイの要素レンズの焦点距離をさらに小さくすることができる。
【００２１】
さらに、この照明光学装置では、光源から発せられた光束が平行光束として開口絞りに入射するので、集光点群形成手段によって形成した各集光点に開口絞りを設ける従来の照明装置に比べて、開口絞りに入射する光束のエネルギー密度が低くなる。
このため、光源の発する光がレーザー光のように強力な光であっても、開口絞りに損傷が生じにくい。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、開口絞りを含む構成部材のレイアウトの自由度が向上した照明光学装置及びこれを用いた光学装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明による光学装置の好適な実施の形態を、図を参照しつつ説明する。
［第一実施形態］
本実施形態に係る光学装置は、図１に示す照明光学装置１を用いて被照射面の照明を行うものである。
照明光学装置１は、光源Ｓと、光源Ｓと被照射面ＦＬとの間に配置されて光源Ｓが発する光を平行光束に変換するコレクターレンズ２と、複数の要素レンズＬからなりコレクターレンズ２と被照射面ＦＬとの間に配置されて要素レンズＬによって平行光束から複数の光源像ＩＳ１を形成する第一レンズアレイＬＡ１と、複数の光源像ＩＳ１からの光束を被照射面ＦＬに導く第一光学系ＯＳ１とを有している。
【００２４】
光源Ｓとしては、コレクターレンズ２を通過した光線のほとんどが照明光学装置１の光軸に略平行な平行光束となって照明光として有効利用されるよう、点光源とみなせる光源、またはレーザー光を用いることが好ましい。
コレクターレンズ２としては、正のパワーを有するレンズが用いられる。
【００２５】
第一レンズアレイＬＡ１は、正のパワーを有する複数の要素レンズＬ（焦点距離はｆ）をその光軸Ｏと略直交する平面上に配列した構成とされている。
これら要素レンズＬは、照明光学装置１の光軸Ｏを中心とする同心円状、または光軸Ｏを中心とする同心状に配置される複数の多角形枠状をなすように配置されている。本実施形態では、要素レンズＬは、図２（ａ）に示すように、光軸方向から見て光軸Ｏを中心とする同心状に配置される複数の六角形枠状をなすように配置されている。また、これら要素レンズＬは、要素レンズＬ間の隙間が最小となるように千鳥状（俵積み状）に配置されている。これにより、光源像ＩＳ１が高密度に形成されて、より明るい照明が実現される。
【００２６】
第一光学系ＯＳ１は、第一レンズアレイＬＡ１によって形成した各光源像ＩＳ１からの光束を、複数の方向から被照射面ＦＬ上に重畳させることで、照度分布の均一化を図るものである。本実施形態では、第一光学系ＯＳ１は、その前側焦平面が第一レンズアレイＬＡ１の要素レンズＬの後側焦平面Ｆ１と一致するようにして配置された、正のパワーを有するコンデンサーレンズ６によって構成されている。
【００２７】
そして、この照明光学装置１には、コレクターレンズ２と第一レンズアレイＬＡ１との間に、開口径を調整可能な開口絞りＡＳが設けられている。
開口絞りＡＳは、図２（ａ），（ｂ）に示すように、その開口形状が第一レンズアレイＬＡ１の要素レンズＬのなす外周形状とほぼ相似形状とされており、この形状のまま開口径を調整することができるようになっている。
【００２８】
本実施形態では、開口径は、要素レンズＬの直径と同じ量ずつ増加または減少するようになっていて、第一レンズアレイＬＡ１を構成する要素レンズＬのうち、平行光束が入射される要素レンズＬが、光軸Ｏを中心とする六角形枠状部分一つ分ずつ増減させられるようになっている。ここで、図２（ｂ）は、開口絞りＡＳを図２（ａ）の状態から一段階絞った状態を示している。
【００２９】
このように構成される照明光学装置では、開口絞りＡＳが、第一レンズアレイＬＡ１と第一光学系ＯＳ１との間ではなく、コレクターレンズ２と第一レンズアレイＬＡ１との間に配置されている。
この照明光学装置１においては、開口絞りＡＳの絞り量を調整することで、第一レンズアレイＬＡ１を構成する要素レンズＬのうち、平行光束が入射する要素レンズＬの数を調整して、被照射面ＦＬに入射する光束の断面形状を変更することができるようになっている。
【００３０】
この照明光学装置１では、開口絞りＡＳは、コレクターレンズ２と第一レンズアレイＬＡ１との間の領域、すなわち光源Ｓからの光が平行光束となる領域に設けられているので、コレクターレンズ２と第一レンズアレイＬＡ１との間であれば、開口絞りＡＳを光軸方向の任意の位置に設定することができる。また、第一レンズアレイＬＡ１と第一光学系ＯＳ１との間に開口絞りＡＳを設ける必要がないので、第一レンズアレイＬＡ１の要素レンズＬの焦点距離ｆをさらに小さくすることができる。
【００３１】
さらに、この照明光学装置１では、光源Ｓから発せられた光束が平行光束として開口絞りＡＳに入射するので、集光点群形成手段によって形成した各集光点に開口絞りを設ける従来の照明装置に比べて、開口絞りＡＳに入射する光束のエネルギー密度が低くなる。
このため、光源Ｓの発する光がレーザー光のように強力な光であっても、開口絞りＡＳに損傷が生じにくい。
【００３２】
光源Ｓとして点光源とみなすことができる光源やレーザー光以外の光源（例えばフィラメントやアーク等）を用いる場合には、光源の輝度ムラ等を解消して良好な照明を行うことができるように、例えば図３に示す照明光学装置１０のように、ケーラー照明光学系（リレーコンデンサー光学系）としてもよい。
照明光学装置１０は、照明光学装置１において、第一レンズアレイＬＡ１とコンデンサーレンズ６との間に、第一レンズアレイＬＡ１によって形成された複数の光源像ＩＳ１が発する光を平行光に変換する第二コレクターレンズ１１と、第二コレクターレンズ１１の射出瞳の像をコンデンサーレンズ６の入射瞳位置ＥＮＰに形成するフィールドレンズ１２とを設けたものである。また、第二コレクターレンズ１１とフィールドレンズ１２との間には、視野絞りＦＳが設けられている。
ここで、図３では、第一レンズアレイＬＡ１の後側焦平面Ｆ１よりも光源Ｓ側の構成について図示を省略している。
【００３３】
また、本実施形態では、第一レンズアレイＬＡ１を構成する要素レンズＬを千鳥状に配置した例を示したが、これに限られることなく、図４に示すように、要素レンズＬがなす六角形枠状部分同士が重複しないように、隣接する六角形枠状部分間に隙間を設けてもよい。
この場合には、開口絞りＡＳの絞り量を調整した際に、平行光が照射される要素レンズＬの数を、厳密に各六角形枠状部分一つ分ずつ増減させることができるので、被照射面に光量ムラが生じにくい。
【００３４】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
本実施形態に係る光学装置は、図５に示す照明光学装置２１を用いて被照射面の照明を行うものである。
照明光学装置２１は、第一実施形態に示す照明光学装置１において、コレクターレンズ２と第一レンズアレイＬＡ１との間に、アフォーカル系ＡＦ１を設けたことを主たる特徴とするものである。
【００３５】
本実施形態では、アフォーカル系ＡＦ１は、正のパワーを有しコレクターレンズ２によって得られた平行光束を収束させて二次光源像ＩＳ２を形成する第一レンズ２２と、正のパワーを有し二次光源像ＩＳ２から発せられる光束を、再び平行光束に変換して第一レンズアレイＬＡ１に入射させる第二レンズ２３によって構成されている。ここで、このアフォーカル系ＡＦ１は、コレクターレンズ２によって得られた平行光束を、より細い平行光束に変換するものである。なお図５では、第一レンズアレイＬＡ１の後側焦平面Ｆ１よりも被照射面ＦＬ側の構成について図示を省略している。
【００３６】
この照明光学装置２１においても、開口絞りＡＳは、コレクターレンズ２と第一レンズアレイＬＡ１との間であれば、コレクターレンズ２と第一レンズ２２との間、第一レンズ２２と第二レンズ２３との間、第二レンズ２３と第一レンズアレイＬＡ１との間のいずれの位置に設置してもよい。
但し、開口絞りＡＳが平行光束が形成される領域（すなわちコレクターレンズ２と第一レンズ２２との間や第二レンズ２３と第一レンズアレイＬＡ１との間）に設置した場合には、開口絞りＡＳの絞り量と、第一レンズアレイＬＡ１に入射する平行光束の径との関係が線形となるので、絞り量の調整が容易となる。
【００３７】
また、開口絞りＡＳをコレクターレンズ２と第一レンズ２２との間に設置することで、開口絞りＡＳを第二レンズ２３と第一レンズアレイＬＡ１との間に設置した場合に比べて、絞り量を調整する際の開口絞りＡＳの変位量が大きくなる。このため、開口絞りＡＳの位置決め精度による影響が少なくなり、絞り量の調整を良好に行うことができる。
【００３８】
ここで、本実施形態では、アフォーカル系を、正のパワーを有する第一レンズ２２と、正のパワーを有する第二レンズ２３とを有するアフォーカル系ＡＦ１によって構成した例を示したが、これに限られることなく、図６に示すように、アフォーカル系として、正のパワーを有する第三レンズ２６と、負のパワーを有する第四レンズ２７とを有するアフォーカル系ＡＦ２によって構成してもよい。この場合においても、開口絞りＡＳは、コレクターレンズ２と第一レンズアレイＬＡ１との間の任意の位置に設置することができる。
【００３９】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について説明する。
本実施形態に係る光学装置は、図７に示す照明光学装置３１を用いて被照射面の照明を行うものである。
照明光学装置３１は、第二実施形態に示す照明光学装置２１において、光源Ｓを光軸Ｏに略直交する平面上に複数設置し、コレクターレンズ２の代わりに、これら複数の光源Ｓの各々に対応する要素レンズよりなる第二レンズアレイＬＡ２を設けたことを主たる特徴とするものである。
【００４０】
本実施形態では、複数の光源Ｓとして、複数のＬＥＤ発光素子を平面上に配列したＬＥＤアレイ光源を用いている。また、第二レンズアレイＬＡ２は、正のパワーを有する複数の要素レンズＬをその光軸と略直交する平面上に配列した構成とされている。
【００４１】
この照明光学装置３１では、複数の光源Ｓを用いているので、光源Ｓを一つだけ設けた場合に比べて、より明るい照明を行うことができる。
また、この照明光学装置３１においては、開口絞りＡＳは、第二レンズアレイＬＡ２と第一レンズアレイＬＡ１との間の任意の位置に設置することができる。
【００４２】
［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について説明する。
本実施形態に係る光学装置は、図８に示す照明光学装置４１を用いて被照射面の照明を行うものである。
照明光学装置４１は、第一実施形態に示す照明光学装置１において、開口絞りＡＳが、光源Ｓからコレクターレンズ２までの光学系を構成する第二光学系ＯＳ２（本実施形態ではコレクターレンズ２）の射出瞳位置ＥＰに設けられていることを主たる特徴とするものである。なお、図８では、第一レンズアレイＬＡ１よりも被照射面ＦＬ側の構成の図示を省略している。
【００４３】
このように構成される照明光学装置４１では、光源Ｓが点光源やレーザー光でない場合にも、光源Ｓの軸上光線と、軸外光線を同ＮＡで絞ることができるので、照明ムラを低減することができる。
【００４４】
ここで、上記各実施の形態において、図９に示すように、光軸Ｏ上の、第一レンズアレイＬＡ１によって複数の光源像ＩＳ１が形成される位置（第一レンズアレイＬＡ１の要素レンズＬの後側焦平面Ｆ１上）に、これら複数の光源像ＩＳ１の外周形状と相似形状の開口部５１ａを有する仕切り板５１が設けられていてもよい。
【００４５】
この構成を採用した照明光学装置では、第一レンズアレイＬＡ１を通過した光束のうち、複数の光源像ＩＳ１を形成する光線は、仕切り板５１の開口部５１ａを通じて被照射面ＦＬに入射し、それ以外の光線は、仕切り板５１によって効果的に遮られる。
すなわち、仕切り板５１によって複数の光源像ＩＳ１を形成する光線以外の光線が効果的に遮られるので、フレアやゴースト光を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第一実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す照明光学装置の第一レンズアレイを光軸方向から見た図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る照明光学装置の他の形態例を示す図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係る照明光学装置の第一レンズアレイの他の形態例を示す図である。
【図５】本発明の第二実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係る照明光学装置の他の形態例を示す図である。
【図７】本発明の第三実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第四実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。
【図９】本発明に係る照明光学装置の他の形態例を示す図である。
【図１０】従来の照明装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１，２１，３１，４１  照明光学装置
２  コレクターレンズ
５１  仕切り板
５１ａ  開口部
ＡＳ  開口絞り
ＥＰ  射出瞳位置
ＦＬ  被照射面
ＩＳ１  光源像
Ｌ  要素レンズ
ＬＡ１  第一レンズアレイ
Ｏ  光軸
ＯＳ１  第一光学系
ＯＳ２  第二光学系
ＥＮＰ  コンデンサーレンズの入射瞳位置
Ｓ  光源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006208682.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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