(57)【要約】      （修正有）【課題】光源からの光量を損失することなく輪帯照明を得られ、明るい位相差観察や暗視野観察が可能な照明光学系、露光装置用の照明光学系とそれを用いた顕微鏡照明装置。【解決手段】光源１１と、光源１１から発散する光束を集光して集光又は発散あるいは平行な光束にする集光光学系１３と、光束を輪帯状に集光するドーナツ状レンズ１０と、輪帯状に集光した光束の集光位置近傍に配置された輪帯開口２と、輪帯開口２の像を観察光学系又は投影光学系の対物レンズ５の瞳位置６に投影するコンデンサーレンズ３とを備えている照明用光学系。【選択図】図１
2006313213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から発散する光束を集光して集光又は発散あるいは平行な光束にする集光光学系と、前記光束を輪帯状に集光するドーナツ状レンズと、前記輪帯状に集光した光束の集光位置近傍に配置された輪帯開口と、前記輪帯開口の像を観察光学系又は投影光学系の対物レンズの瞳位置に投影するコンデンサーレンズとを備えていることを特徴とする照明用光学系。
【請求項２】
前記ドーナツ状レンズと前記輪帯開口が一体化されていることを特徴とする請求項１記載の照明用光学系。
【請求項３】
前記ドーナツ状レンズは光軸の周りで回転対称な形状をしており、光軸を含む断面の光軸から外れた片側の形状が光源側に凸面を向けた平凸レンズ形状のものであることを特徴とする請求項１又は２記載の照明用光学系。
【請求項４】
前記凸面の面頂の光軸からの半径をＲ、前記輪帯開口の半径をｒとするとき、Ｒ≒ｒであることを特徴とする請求項３記載の照明用光学系。
【請求項５】
前記凸面は周辺に行くに従って曲率が緩くなる面であることを特徴とする請求項３又は４記載の照明用光学系。
【請求項６】
前記ドーナツ状レンズはフレネルレンズからなることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の照明用光学系。
【請求項７】
前記集光光学系には、集光される光束を均一にする拡散素子が含まれていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の照明用光学系。
【請求項８】
前記集光光学系と前記ドーナツ状レンズを含めた光軸を含む断面内での前記光源から光源像への投影倍率をβとするとき、
０．１＜β＜２０                                              ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の照明用光学系。
【請求項９】
請求項１から８の何れか１項記載の照明用光学系が位相差観察光学系を備えた顕微鏡の照明装置に用いられ、前記位相差観察光学系の前記輪帯開口の投影位置に位相膜が輪帯状に配置されていることを特徴とする顕微鏡照明装置。
【請求項１０】
請求項１から８の何れか１項記載の照明用光学系が暗視野観察光学系を備えた顕微鏡の照明装置に用いられ、前記暗視野観察光学系の対物レンズの開口数より大きい開口数の光束を前記コンデンサーレンズを介して前記暗視野観察光学系の標本面に集光させて暗視野照明を行うことを特徴とする顕微鏡照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明用光学系及び顕微鏡照明装置に関し、特に、顕微鏡や露光装置の照明用光学系とそれを用いた顕微鏡照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、輪帯照明が得られる光学系としては、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４等のものが知られている。特許文献１〜２に記載のものは、ライトガイドの先端をリング状にしてその先端から出た光束を内視鏡視野にリング状に照射するものである。また、特許文献３に記載のものは、同心円状の等間隔の回折格子で平行光を円錐状に広がる光束に変換し、その円錐状に広がる光束を収束レンズでリング絞り上に収束させるものである。さらに、特許文献４に記載のものは、特殊結像レンズで光源の多重像を発生させ、その多重像の各々の光源像がリング状開口上に隣接して円状に並ぶようにするものである。
【０００３】
なお、平行光を円錐状に広がる光束に変換するのに、中心軸を含む断面内で中心軸から外れた凸レンズの断面の形状をその中心軸の周りで３６０°回転して得られるドーナツ状レンズあるいはアンパンレンズ（以下、ドーナツ状レンズと称する。）に平行光を入射させて円環状に集光させるものは、特許文献５において知られている。
【特許文献１】特公平５−１１２８４号公報
【特許文献２】特公平５−１１２８５号公報
【特許文献３】特開平８−３３４７０１号公報
【特許文献４】特開２００３−２７０５４２号公報
【特許文献５】特公平８−２７４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の従来の輪帯照明が得られる光学系においては、十分に狭い輪帯開口（リング絞り）に損失なく均一に集光できなかったり、効率良い輪帯照明ができなかった。
【０００５】
また、また、従来のドーナツ状レンズを用いるものは、輪帯開口に損失なく均一に集光するものではなかった。
【０００６】
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、光源からの光量を損失することなく輪帯照明を得られ、明るい位相差観察や暗視野観察が可能な照明光学系、露光装置用の照明光学系とそれを用いた顕微鏡照明装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の照明用光学系は、光源と、前記光源から発散する光束を集光して集光又は発散あるいは平行な光束にする集光光学系と、前記光束を輪帯状に集光するドーナツ状レンズと、前記輪帯状に集光した光束の集光位置近傍に配置された輪帯開口と、前記輪帯開口の像を観察光学系又は投影光学系の対物レンズの瞳位置に投影するコンデンサーレンズとを備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
この場合、前記ドーナツ状レンズと前記輪帯開口が一体化されていることが望ましい。
【０００９】
また、前記ドーナツ状レンズは光軸の周りで回転対称な形状をしており、光軸を含む断面の光軸から外れた片側の形状が光源側に凸面を向けた平凸レンズ形状のものとすることができる。
【００１０】
この場合に、前記凸面の面頂の光軸からの半径をＲ、前記輪帯開口の半径をｒとするとき、Ｒ≒ｒであることが望ましい。
【００１１】
また、前記凸面は周辺に行くに従って曲率が緩くなる面であることが望ましい。
【００１２】
また、前記ドーナツ状レンズはフレネルレンズから構成することができる。
【００１３】
また、前記集光光学系には、集光される光束を均一にする拡散素子が含まれていることが望ましい。
【００１４】
また、前記集光光学系と前記ドーナツ状レンズを含めた光軸を含む断面内での前記光源から光源像への投影倍率をβとするとき、
０．１＜β＜２０                                              ・・・（１）
なる条件を満足することが望ましい。
【００１５】
また、以上の本発明の照明用光学系が位相差観察光学系を備えた顕微鏡の照明装置に用いられ、前記位相差観察光学系の前記輪帯開口の投影位置に位相膜が輪帯状に配置されている顕微鏡照明装置として構成することができる。
【００１６】
また、以上の本発明の照明用光学系が暗視野観察光学系を備えた顕微鏡の照明装置に用いられ、前記暗視野観察光学系の対物レンズの開口数より大きい開口数の光束を前記コンデンサーレンズを介して前記暗視野観察光学系の標本面に集光させて暗視野照明を行う顕微鏡照明装置として構成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、照明の利用効率が良く、明るい位相差観察や暗視野観察を行うことが可能な照明用光学系と顕微鏡照明装置を得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の照明用光学系及び顕微鏡照明装置を図面を参照にして説明する。
【００１９】
まず、顕微鏡における従来の位相差観察と暗視野観察について説明する。図９は従来の位相差観察時の光路を輪帯開口以降について示した図である。光軸Ｏ−Ｏ’に同軸に輪帯開口板１、コンデンサーレンズ３、対物レンズ５が配置され、コンデンサーレンズ３と対物レンズ５の間に標本面４が配置され、対物レンズ５の射出瞳６位置に輪帯開口板１の輪帯開口２と共役にリング状の位相膜７が配置されている。そして、図示しない集光光学系を経た光源からの平行光等で照明された輪帯開口板１の輪帯開口２を通った光は、コンデンサーレンズ３を経て光軸Ｏ−Ｏ’を含む断面（メリジオナル断面）内で略平行な光になって、標本面４上の試料を光軸Ｏ−Ｏ’に同軸なコーン状の光束として照明する。標本面４上の試料で回折されずに透過した光束は、対物レンズ５の射出瞳６位置の位相膜７に入射して位相がずれて像面８に達し、一方、標本面４上の試料で回折された光束は大部分位相膜７の影響を受けずに像面８に達し、この２つの光束は像面８上で干渉して、試料の位相分布がコントラスト像として観察可能になる。
【００２０】
次に、図１０は従来の暗視野観察時の光路を輪帯開口以降について示した図である。光軸Ｏ−Ｏ’に同軸に輪帯開口板１、コンデンサーレンズ３、対物レンズ５、絞り９が配置され、コンデンサーレンズ３と対物レンズ５の間に標本面４が配置されている。そして、図示しない集光光学系を経た光源からの平行光等で照明された輪帯開口板１の輪帯開口２を通った光は、コンデンサーレンズ３を経て光軸Ｏ−Ｏ’を含む断面（メリジオナル断面）内で略平行な光になって、標本面４上の試料をコーン状の光束として照明する。このコーン状の光束の開口数（ＮＡ）は対物レンズ５の開口数より大きくなるように構成されているので、標本面４上の試料で散乱されずに透過する光束は、対物レンズ５の入射瞳には入らないので像面８には達せず、一方、標本面４上の試料で散乱された光の一部は対物レンズ５の開口数より小さくなり、対物レンズ５と絞り９を経て像面８に達し、像面８上に試料の暗視野像として結像し、観察可能になる。
【００２１】
しかしながら、図９、図１０何れの場合も、光源からの照明光の大部分は輪帯開口板１の輪帯開口２以外の部分を照明して損失光となるため、効率良く明るい輪帯照明はできなかった。
【００２２】
次に、本発明の照明用光学系を適用した１実施例の位相差観察光学系の配置図を図１に示す。光軸Ｏ−Ｏ’に同軸に、光源１１、拡散素子１２、集光光学系１３、ドーナツ状レンズ１０、輪帯開口板１、コンデンサーレンズ３、対物レンズ５が配置され、コンデンサーレンズ３と対物レンズ５の間に標本面４が配置され、対物レンズ５の射出瞳６位置に輪帯開口板１の輪帯開口２と共役にリング状の位相膜７が配置されている。ドーナツ状レンズ１０は光軸Ｏ−Ｏ’の周りで回転対称な形状をしており、メリジオナル断面に直交するサジタル断面内ではパワー（屈折力）を持たないが、メリジオナル断面では正のパワーＰを持つ。パワーＰは一般的な曲率と屈折率から求められる近軸焦点距離ｆの逆数１／ｆであり、ドーナツ状レンズ１０の焦点位置近傍に輪帯開口板１の輪帯開口２が配置されている。なお、集光光学系１３としては、コレクターレンズや凹面反射鏡が使用できる。
【００２３】
このような配置において、光源１１から出て拡散素子１２を経て集光光学系１３により略平行にされた照明光は、ドーナツ状レンズ１０に入射してメリジオナル断面内の後側焦点に輪帯（円環）状に集光される。その照明光の集光位置と輪帯開口板１の輪帯開口２が略一致しているので、光源１１から出た照明光は略全て輪帯開口板１の輪帯開口２を通過し、コンデンサーレンズ３を経てメリジオナル断面内で略平行な光になって、標本面４上の試料を光軸Ｏ−Ｏ’に同軸なコーン状の光束として照明する。標本面４上の試料で回折されずに透過した光束は、対物レンズ５の射出瞳６位置の位相膜７に入射して輪帯状に集光され、位相膜７を透過して位相がずれて像面８に達し、一方、標本面４上の試料で回折された光束は大部分位相膜７の影響を受けずに像面８に達し、この２つの光束は像面８上で干渉して、試料の位相分布をコントラスト像として結像する。なお、位相差顕微鏡として構成するには、この像面８上に結像しているコントラスト像を接眼レンズで拡大観察できるようにするか、その中間像を撮像素子の撮像面に投影する結像レンズを配し、撮像された画像をモニター上に表示できるようにすればよい。
【００２４】
次に、本発明の照明用光学系を適用した１実施例の暗視野観察光学系の配置図を図２に示す。光軸Ｏ−Ｏ’に同軸に、光源１１、拡散素子１２、集光光学系１３、ドーナツ状レンズ１０、輪帯開口板１、コンデンサーレンズ３、対物レンズ５、絞り９が配置され、コンデンサーレンズ３と対物レンズ５の間に標本面４が配置されている。ドーナツ状レンズ１０はメリジオナル断面に直交するサジタル断面内ではパワー（屈折力）を持たないが、メリジオナル断面では正のパワーＰを持つ。パワーＰは一般的な曲率と屈折率から求められる近軸焦点距離ｆの逆数１／ｆであり、ドーナツ状レンズ１０の焦点位置近傍に輪帯開口板１の輪帯開口２が配置されている。なお、集光光学系１３としては、コレクターレンズや凹面反射鏡が使用できる。
【００２５】
このような配置において、光源１１から出て拡散素子１２を経て集光光学系１３により略平行にされた照明光は、ドーナツ状レンズ１０に入射してメリジオナル断面内の後側焦点に輪帯（円環）状に集光される。その照明光の集光位置と輪帯開口板１の輪帯開口２が略一致しているので、光源１１から出た照明光は略全て輪帯開口板１の輪帯開口２を通過し、標本面４上の試料を光軸Ｏ−Ｏ’に同軸なコーン状の光束として照明する。このコーン状の光束の開口数は対物レンズ５の開口数より大きくなるように構成されているので、標本面４上の試料で散乱されずに透過する光束は、対物レンズ５の入射瞳には入らないので像面８には達せず、一方、標本面４上の試料で散乱された光の一部は対物レンズ５の開口数より小さくなり、対物レンズ５と絞り９を経て像面８に達し、像面８上に試料の暗視野像として結像する。なお、暗視野顕微鏡として構成するには、この像面８上に結像している暗視野像を接眼レンズで拡大観察できるようにするか、その中間像を撮像素子の撮像面に投影する結像レンズを配し、撮像された画像をモニター上に表示できるようにすればよい。
【００２６】
以上のように、位相差観察光学系、暗視野観察光学系何れの場合も、ドーナツ状レンズ１０を輪帯開口板１の入射側に配置して、光源１１からの照明光の大部分を輪帯開口２を通過させて試料の照明に利用するようにしているので、従来（図９、図１０）の場合に比較して、効率良く明るい輪帯照明が可能になる。
【００２７】
ここで、ドーナツ状レンズ１０のみでも輪帯状の集光状態が得られるが、光源１１の大きさが有限のために拡散素子１２を光源１１の後に配置して光源１１の大きさを見かけ上大きくすることが一般的である。そのため、ドーナツ状レンズ１０により形成される輪帯状の集光像はある程度の広がりを持つこととなる。そこで、さらにこの輪帯状の集光像を絞る輪帯開口２と組み合わせて使用することが重要である。また、ドーナツ状レンズ１０の内外で発生するフレアーやゴーストを避けるためにも、輪帯開口２を配置することは重要である。特に、ドーナツ状レンズ１０の片面を図１のように平面で構成する場合（図１の場合は、後側の面）は、コンデンサーレンズ３と間の繰り返し反射により像のコントラストに悪影響を与えることがあるが、輪帯開口２を配置することでこのような繰り返し反射を防止することができる。
【００２８】
ここで、まず拡張回転自由曲面を定義すると、光軸Ｏ−Ｏ’方向をＹ軸と、光軸Ｏ−Ｏ’に直交する方向をＺ軸とし、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ｂ）が定められる。
【００２９】
Ｚ＝（Ｙ2 ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ1 ＋１）Ｙ2 ／ＲＹ2 ｝1 /2］
Ｃ2 Ｙ＋Ｃ3 Ｙ2 ＋Ｃ4 Ｙ3 ＋Ｃ5 Ｙ4 ＋Ｃ6 Ｙ5 ＋Ｃ7 Ｙ6 
＋・・・・＋Ｃ21Ｙ20＋・・・・＋Ｃn+1 Ｙn ＋・・・・
・・・（ａ）
次いで、この曲線（ａ）をＺ軸正方向へ距離Ｒ（負のときはＺ負方向）だけ平行移動する。同時に、座標系も移動する。その平行移動した曲線を、移動した座標系の原点を通るＸ軸正方向を向いて左回りを正として角度θ（°）回転した曲線が定められる。その後に移動する前の座標系のＹ軸（光軸Ｏ−Ｏ’）の周りで回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。
【００３０】
その結果、拡張回転自由曲面は移動する前の座標系のＹ−Ｚ面内で自由曲面（自由曲線）になり、Ｘ−Ｚ面内で半径｜Ｒ｜の円になる。
【００３１】
この定義からＹ軸が拡張回転自由曲面の軸（回転対称軸）となる。
【００３２】
ここで、ＲＹはＹ−Ｚ断面での球面項の曲率半径、Ｃ1 は円錐定数、Ｃ2 、Ｃ3 、Ｃ4 、Ｃ5 …はそれぞれ１次、２次、３次、４次…の非球面係数である。
【００３３】
上記ドーナツ状レンズ１０は、図３に断面を示すように、上記のような拡張回転自由曲面を少なくとも一方の面に有するようにすることが望ましい。図３の場合は、光軸Ｏ−Ｏ’から外れた片側の形状が光源１１側に凸面を向けた平凸レンズ形状のものであり、その凸面に拡張回転自由曲面を用いている。なお、図３には、上記曲線（ａ）と、Ｚ軸正方向へ距離Ｒだけ平行移動した曲線と、距離Ｒと角度θと、移動する前の座標系と、移動した座標系を角度θ回転した座標系とを示してある（以下の、図４〜図６も同じ）。
【００３４】
そして、ドーナツ状レンズ１０に使用している拡張回転自由曲面が、特に非球面成分Ｃ2 、Ｃ3 、Ｃ4 、Ｃ5 …を有する場合には、θ＝９０°なる条件からずれると、断面の非球面が非対称になり、一般的に言われるコマ収差が発生し、集光状態が悪化する。
【００３５】
さて、ドーナツ状レンズ１０と輪帯開口板１を一体化することにより、輪帯状の集光像と輪帯開口２を一致させる手間が不要になり、好ましい。
【００３６】
位相差観察の場合は、対物レンズ５内は配置された輪帯状の位相膜７に対して輪帯開口２の像を正しく一致させる必要があり、さらに、ドーナツ状レンズ１０が作る輪帯状の集光像の位置も輪帯開口２に正しく一致させることは光学系の調整が非常に煩雑になる。したって、ドーナツ状レンズ１０と輪帯開口板１を一体化することが望ましい。
【００３７】
さらに好ましくは、ドーナツ状レンズ１０と一体化した輪帯開口板１を常に正規の位置にセットできるように位置決め手段を有することが、光学系の調整を簡略化するためには好ましい。
【００３８】
さらに、暗視野観察の場合（図２）は、標本面４に載せる試料のスライドガラスの厚さにより、輪帯開口板１を光軸Ｏ−Ｏ’方向に微調整することがあり、そのときにもドーナツ状レンズ１０と輪帯開口板１を一体化しておくことが操作上好ましい。
【００３９】
さらに、ドーナツ状レンズ１０で発生するサジタル断面での球面収差（コマ収差）を少なくするためには、メリジオナル断面の光軸Ｏ−Ｏ’から外れた片側の形状が光源１１側に凸面を向けた平凸レンズ形状のもので構成することが好ましい。
【００４０】
次に、ドーナツ状レンズ１０の凸面の面頂の光軸Ｏ−Ｏ’からの半径Ｒは、輪帯開口２の半径ｒと略同じであることが好ましい（図３）。
【００４１】
ドーナツ状レンズ１０に入射する光束半径Ｄに比べて、輪帯開口２の径が大きい場合には、図４に示すように、ドーナツ状レンズ１０の凸面の面頂の光軸Ｏ−Ｏ’からの半径ＲをＤ／２より大きくすることが好ましい。また、図５に示すように、光束半径Ｄに比べて、輪帯開口２の径が小さい場合には、ドーナツ状レンズ１０の凸面の面頂の光軸Ｏ−Ｏ’からの半径ＲをＤ／２より小さくすることが好ましい。
【００４２】
さらに、図４、図５のように、輪帯開口２を射出する光束の光軸Ｏ−Ｏ’に対する向きが傾いてしまう場合には、図６に示すように、輪帯開口２に光束に偏角を与える断面楔状の屈折部材１４を配置することが好ましい。このような構成は、特に高倍の対物レンズ５を用いる場合に有効である。
【００４３】
さらに、ドーナツ状レンズ１０の凸面のメリジオナル断面形状を非球面で構成する場合は、凸面の面頂から離れるに従って（レンズ外周とレンズ中心に向かって）曲率が緩く（小さく）なるように、非球面項Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ7 等を与えることが好ましい。
【００４４】
さらに、ドーナツ状レンズ１０の凸面をフレネルレンズ面で構成することにより、光軸Ｏ−Ｏ’方向の厚さを薄くすることができ、狭い照明光路内に配置することが可能となる。
【００４５】
さらに、集光光学系１３には拡散素子１２を配置し、光束はある程度広がった略均一な光束に変換することにより、光源１１の例えばフィラメントやアークの位置ムラ（光束の発光方向による指向性のムラではなく）を除去する場合に効果的である。特に、クリティカル照明の場合には、光源１１が直接標本面４に投影されるので、このムラを除去するのに拡散素子１２を配置すると効果的である。
【００４６】
さらに、光源１１の発光部は通常□１ｍｍから１ｍｍ×３ｍｍの大きさが一般的である。一方、位相差観察用の輪帯開口２の幅は通常１ｍｍ前後であるので、効率的に発光部を輪帯開口２上に投影するためには、集光光学系１３とドーナツ状レンズ１０を含めたメリジオナル断面での光源１１から光源像への投影倍率をβとするとき、
０．１＜β＜２０                                              ・・・（１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００４７】
上記条件式（１）の下限の０．１を越えると、光源１１のメリジオナル断面での大きさが小さくなるが、光源像形成後のメリジオナル断面での光線の広がり（ＮＡ）が大きくなりすぎ、無駄に広い標本面４を照明することになり、照明効率がかえって悪くなる。
【００４８】
一方、上記条件式（１）の上限の２０を越えると、光源像が大きくなりすぎ、輪帯開口２を通過する光束が減ってしまい、これも照明効率が低下する。
【００４９】
因みに、サジタル断面ではドーナツ状レンズ１０はパワーを持たないため、サジタル断面での投影倍率は異なる値をとる。
【００５０】
さらに好ましくは、
１＜β＜１０                                              ・・・（１−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００５１】
次に、ドーナツ状レンズ１０の１つの具体例を示す。このドーナツ状レンズ１０の構成パラメータは後記する。この実施例の構成パラメータは、図７に示すように、ドーナツ状レンズ１０に光源１１からの光が通る順の順光線追跡の結果に基づくものである。
【００５２】
座標系は、順光線追跡において、ドーナツ状レンズ１０の集光点が形成する面である像面の光軸Ｏ−Ｏ’上の位置を偏心光学面の原点とし、光軸Ｏ−Ｏ’の光が進む方向をＺ軸正方向とし、Ｚ軸に直交する図７の上方向をＹ軸正方向とし、図７の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００５３】
偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００５４】
また、上記実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００５５】
なお、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は０である。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。各面の偏心は、上記のように、ドーナツ状レンズ１０の集光点が形成する面である像面の光軸Ｏ−Ｏ’上の位置からの偏心量で表わす。
【００５６】
なお、拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。
【００５７】
まず、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ｂ）が定められる。
【００５８】
Ｚ＝（Ｙ2 ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ1 ＋１）Ｙ2 ／ＲＹ2 ｝1 /2］
Ｃ2 Ｙ＋Ｃ3 Ｙ2 ＋Ｃ4 Ｙ3 ＋Ｃ5 Ｙ4 ＋Ｃ6 Ｙ5 ＋Ｃ7 Ｙ6 
＋・・・・＋Ｃ21Ｙ20＋・・・・＋Ｃn+1 Ｙn ＋・・・・
・・・（ａ）
次いで、この曲線（ｂ）をＸ軸正方向を向いて左回りを正として角度θ（°）回転した曲線Ｆ（Ｙ）が定められる。この曲線Ｆ（Ｙ）もＹ−Ｚ座標面上で原点を通る。
【００５９】
その曲線Ｆ（Ｙ）をＺ正方向に距離Ｒ（負のときはＺ負方向）だけ平行移動し、その後にＹ軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。
【００６０】
その結果、拡張回転自由曲面はＹ−Ｚ面内で自由曲面（自由曲線）になり、Ｘ−Ｚ面内で半径｜Ｒ｜の円になる。
【００６１】
この定義からＹ軸が拡張回転自由曲面の軸（回転対称軸）となる。
【００６２】
ここで、ＲＹはＹ−Ｚ断面での球面項の曲率半径、Ｃ1 は円錐定数、Ｃ2 、Ｃ3 、Ｃ4 、Ｃ5 …はそれぞれ１次、２次、３次、４次…の非球面係数である。
【００６３】
なお、上記の拡張回転自由曲面の定義は、前記した定義の表現とは若干異なるが実質的に同じである。
【００６４】
ドーナツ状レンズ１０の１つの具体例の光軸Ｏ−Ｏ’に沿ってとった断面図を図７に、その斜視図を図８に示す。なお、図７には光路も示してある。
【００６５】
このドーナツ状レンズ１０は、光軸Ｏ−Ｏ’を含む断面の光軸Ｏ−Ｏ’から外れた片側の形状が光源１１側に凸面を向けた拡張回転自由曲面２１と、輪帯開口板１側の光軸Ｏ−Ｏ’に垂直な平面２２とからなるものであり、このドーナツ状レンズ１０に光源１１側から光軸Ｏ−Ｏ’に平行な光束が入射すると、座標軸を定めた像面の光軸Ｏ−Ｏ’を中心とした半径７．５ｍｍの円の上に輪帯状に集光する。その位置に、輪帯開口板１の輪帯開口２が配置される。
【００６６】
この具体例１のドーナツ状レンズ１０の有効径は、φ３０ｍｍ、メリジオナル断面の焦点距離は、３２．９３ｍｍ、集光光学系１３として焦点距離１０ｍｍの非球面レンズを用いた場合の光源１１の投影倍率βは、３．２９倍となる。
【００６７】
以下に、上記具体例１の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面を示す。
【００６８】
具体例１
面番号    曲率半径                面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                      ∞        
1      ＥＲＦＳ[1]                     偏心(1)   1.5163    64.1
2        ∞                            偏心(2) 
像  面      ∞                          
ＥＲＦＳ[1] 
ＲＹ    17.07 
θ     -90.00 
Ｒ       7.5
Ｃ5     -1.4068 ×10-5
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ  -35.00  
α   90.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ  -30.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00                                          。
【００６９】
以上、本発明の照明用光学系及び顕微鏡照明装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明は種々の変形が可能である。例えば、ドーナツ状レンズ１０の両面を、光軸Ｏ−Ｏ’を含む断面の光軸Ｏ−Ｏ’から外れた片側の形状が両凸レンズ形状のものとしてももちろんよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の照明用光学系を適用した１実施例の位相差観察光学系の配置図である。
【図２】本発明の照明用光学系を適用した１実施例の暗視野観察光学系の配置図である。
【図３】ドーナツ状レンズの１つの形態の断面図である。
【図４】入射する光束半径に比べて輪帯開口の径が大きい場合のドーナツ状レンズの形態の断面図である。
【図５】入射する光束半径に比べて輪帯開口の径が小さい場合のドーナツ状レンズの形態の断面図である。
【図６】輪帯開口を射出する光束の光軸に対する向きが傾いてしまう場合の対策を示す断面図である。
【図７】ドーナツ状レンズの１つの具体例の光軸に沿ってとった断面図である。
【図８】図７の具体例の斜視図である。
【図９】従来の位相差観察光学系の位相差観察時の光路を輪帯開口以降について示した図である。
【図１０】従来の暗視野観察光学系の暗視野観察時の光路を輪帯開口以降について示した図である。
【符号の説明】
【００７１】
Ｏ−Ｏ’…光軸
１…輪帯開口板
２…輪帯開口
３…コンデンサーレンズ
４…標本面
５…対物レンズ
６…対物レンズの射出瞳
７…位相膜
８…像面
９…絞り
１０…ドーナツ状レンズ
１１…光源
１２…拡散素子
１３…集光光学系
１４…断面楔状の屈折部材
２１…ドーナツ状レンズの光源側の面（拡張回転自由曲面）
２２…ドーナツ状レンズの輪帯開口側の面（平面）
【図１】
2006313213.tif 000003
【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】
2006313213.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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