(57)【要約】      （修正有）【課題】瞳フィルタリング機能を有する光学要素を、光学系の外側に相当する物体面あるいは像面（又は照明面）付近に配置することが可能な瞳フィルタリング光学系を提供する。【解決手段】物面１の像を、レンズ２、レンズ３を使用して、像面４に投影する。物面１の近傍にフィルタ光学素子５を配置している。このフィルタ光学素子５は、その入射角に応じて、出射角と透過率が変化するような光学素子である。レンズ２より前の光学系は入側テレセントリックな光学系となっている。フィルタ光学素子５を同じ出射角で出射する光線は、フィルタ光学素子５のどの面を通るものであっても、瞳位置においては同じ位置を通ることになる。フィルタ光学素子５の透過率は、それに入射する光線の入射角によって決まるので、結局、図に示す光学系は、瞳位置にフィルタや絞りをおき、空間での透過率を変化させた光学系と同じなる。【選択図】図１
2006003767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子を、物体面あるいは像面、あるいはこれらに共役な面に近接させて配置してなることを特徴とする瞳フィルタリング光学系。
【請求項２】
光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子を、被照明面あるいはそれと共役な位置に近接させて配置してなることを特徴とする瞳フィルタリング光学系。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の瞳フィルタリング光学系であって、前記光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子が、主光線が光軸に平行であるような光学系に用いられていることを特徴とする瞳フィルタリング光学系。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の瞳フィルタリング光学系であって、前記光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子が、フォトニック結晶からなることを特徴とする瞳フィルタリング光学系。
【請求項５】
請求項４に記載の瞳フィルタリング光学系であって、前記フォトニック結晶が３次元フォトニック結晶であることを特徴とする瞳フィルタリング光学系。
【請求項６】
請求項５に記載の瞳フィルタリング光学系であって、前記３次元フォトニック結晶が面心立方格子状あるいは六方最密格子状の構造を持つことを特徴とする瞳フィルタリング光学系。
【請求項７】
請求項１から請求項６のうち、いずれか１項に記載の瞳フィルタリング光学系を有することを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系の結像特性を変化させたり、照明特性を変化させたりする等の目的で結像光学系または照明光学系等の光学装置に挿入して用いられる瞳フィルタリング光学系、及びこの瞳フィルタリング光学系を使用した光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学系の結像特性を変える目的で、瞳にフィルタリング操作を加えることがある。例えば、結像光学系の絞りの大きさを変えて分解能や焦点深度を変化させることは、カメラや投影装置において一般的に行われている。又、瞳の中央を遮蔽して点像強度分布の半値幅を小さくすること、輪帯照明により結像限界付近での像コントラストを向上させることなども行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような瞳フィルタリング装置は、像面内で一様な効果を得るため、通常、光学系の瞳に対応する位置に配置される。ところが結像光学系においては、多くの場合にこの位置は光学系の中央付近に存在する。光学系を構成する素子は単一の鏡筒となっている場合が多く、瞳フィルタリング装置を自由に交換して、種々のフィルタリングを行わせることは容易ではない。また、光学系を汚染から保全する意味でも光学系の中央部にフィルタリング装置を挿入することは必ずしも好ましくない。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、瞳フィルタリング機能を有する光学要素を、光学系の外側に相当する物体面あるいは像面（又は照明面）付近に配置することが可能な瞳フィルタリング光学系、及びこの瞳フィルタリング光学系を使用した光学装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するための第１の手段は、光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子を、物体面あるいは像面、あるいはこれらに共役な面に近接させて配置してなることを特徴とする瞳フィルタリング光学系（請求項１）である。
【０００６】
本手段においては、光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子を使用しているところに最大の特徴を有する。そして、このような光学素子を、物体面あるいは像面、あるいはこれらに共役な面に近接させて配置している。
【０００７】
例えば、物体面に近接させて配置すると、物体から放出される光がこのような光学素子に入射する角度に応じて透過率が異なることになり、瞳位置において、空間的に光の透過率を変化させることと等価となる。例えば、ある入射角度以上の光の透過率が０となるような光学素子を使用すれば、瞳の大きさを所定の大きさに制限したこと（ＮＡを所定の値にしたこと）に対応し、逆にある入射角以下の光の透過率が０となるような光学素子を用いれば、瞳位置において中央部に遮光板を入れたとのと同じ作用を生じる。
【０００８】
このような作用は、このような光学素子を、物体面あるいは像面、あるいはこれらに共役な面に近接させて配置することにより生じることは明らかである。よって、本手段においては、瞳フィルタリング機能を有する光学要素を、光学系の外側に相当する物体面あるいは像面付近に配置することが可能となる。なお、「近接」の程度は、目的とする光学特性が得られる範囲に応じて適宜決定することができる。
【０００９】
前記課題を解決するための第２の手段は、光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子を、被照明面あるいはそれと共役な位置に近接させて配置してなることを特徴とする瞳フィルタリング光学系（請求項２）である。
【００１０】
本手段においても、光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子を被照明面あるいはそれと共役な位置に近接させて配置しているので、前記第１の手段で説明したのと同じ理由により、照明ＮＡを決定したり、照明形状を変化させたりすることができる。
【００１１】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子が、主光線が光軸に平行であるような光学系に用いられていることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１２】
前記第１の手段は、物面や像面、照明面における主光線が、光軸に平行になっていない場合、すなわち入側テレセントリック、出側テレセントリックになっていない光学系においても適用が可能である。しかし、このような場合には、光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子から同一出射角で出射する光（あるいは像面、照明面への入射角が同一の光）が、瞳上の同一点に対応するわけでないので、厳密な意味で、フィルタリングを瞳位置で行った場合と作用効果が異なってくる。
【００１３】
これに対し、光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子を、主光線が光軸に平行であるような光学系に用いると、この光学素子から同一角度で出射する光（あるいは像面、照明面への入射角が同一の光）は、物体面又は像面、照明面での位置にかかわらず、瞳上の同一点を通ることになり、正しく瞳フィルタとして機能するようになる。
【００１４】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子が、フォトニック結晶からなることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００１５】
光の入射角に対応して透過率を変化させる光学素子としては、位置特性がなく角度特性があればよいので、単純な平行平板やこれに多層膜をつけたような素子でも構わない。しかし、このような素子では所望の透過率分布特性を得ることは困難である。このような目的に適しているのは平板面内で屈折率分布を持ち、しかも外部に回折、散乱光が生じないような材質である。この条件を満たす材質としてはフォトニック結晶が知られている。フォトニック結晶は透過率に強い入射角依存性を持たせることができ、また、周期が波長程度以下であれば、透過波、反射波以外の回折光および散乱光は発生することがない。
【００１６】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段であって、前記フォトニック結晶が３次元フォトニック結晶であることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００１７】
フォトニック結晶には１〜３次元のものが存在するが、１、２次元のものは面外からの入射光に対しては一般にはフォトニック結晶としての性質を示さないため、面外からの入射光に対して特性を持たせるには３次元フォトニック結晶を用いることが好ましい。
【００１８】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段であって、前記３次元フォトニック結晶が面心立方格子状あるいは六方最密格子状の構造を持つことを特徴とするもの（請求項６）である。
【００１９】
フォトニック結晶を光学素子として使用する場合、入射面の方向に依存して透過率が変化するような異方性が存在することは好ましくない場合が多い。そこで、異方性の比較的小さな面心立方格子、六方最密格子といった構造をもつフォトニック結晶を使用することが好ましい。
【００２０】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかの瞳フィルタリング光学系を有することを特徴とする光学装置（請求項７）である。
【００２１】
本手段においては、瞳フィルタリング機能を有する光学要素を、光学系の外側に相当する物体面あるいは像面（又は照明面）付近に配置することが可能であるので、取り扱いが容易となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、瞳フィルタリング機能を有する光学要素を、光学系の外側に相当する物体面あるいは像面（又は照明面）付近に配置することが可能な瞳フィルタリング光学系、及びこの瞳フィルタリング光学系を使用した光学装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の第１の例である投影光学系の概要を示す図であり、物面１の像を、レンズ２、レンズ３を使用して、像面４に投影するような光学系である。この光学系は、物体側がテレセントリックな光学系になっている。すなわち、レンズ２の前側焦点位置に物体面１が存在する。
【００２４】
この実施の形態においては、物体面１の近傍にフィルタ光学素子５を配置している。このフィルタ光学素子５は、その入射角に応じて、透過率が変化するような光学素子である。
【００２５】
このような光学系においては、フィルタ光学素子５を同じ出射角で出射する光線（すなわちフィルタ光学素子５に同じ入射角で入射する光線）は、フィルタ光学素子５のどの面を通るものであっても、瞳位置においては同じ位置を通ることになる。そして、前述のように、フィルタ光学素子５の透過率は、それに入射する光線の入射角によって決まるので、結局、図１に示す光学系は、瞳位置にフィルタや絞りをおき、空間での透過率を変化させた光学系と同じなる。
【００２６】
例えば、フィルタ光学素子５として、所定の入射角以上の入射角では光を透過させないものを使用すれば、瞳位置に所定の口径の絞りを設けたものと同じとなる。逆に一定角以下の入射角では光を透過させないような素子を使用すれば、瞳の中央を遮光したのと同様な効果がある。
【００２７】
なお、図１においては、フィルタ光学素子５を物面１の近傍（レンズ２側）に設けているが、像面４の近傍（レンズ３側）に設けても、又は物面や像面と共役な位置又はその近傍に設けても、図１に示す光学系と同様の効果が得られる。
【００２８】
図２は、本発明の実施の形態の第２の例である照明光学系の概要を示す図であり、照明光源１１からの照明光により、レンズ１２を介して、照明面１３を照明するような光学系である。この光学系においては、レンズ１２の前側焦点位置に照明光源がある。
【００２９】
すなわち、この照明光学系は、テレセントリックなケーラー照明光学系となっている。よって、照明光源１１から同じ角度で出射した光は、同じ点Ｒに集光される。
【００３０】
このような光学系において、フィルタ光学素子１４は、その入射角に応じて、透過率が変化するような光学素子である。入射角に応じて透過率が変化するということは、瞳位置にフィルタや絞りをおき、空間での透過率を変化させた光学系と同じなる。例えば、フィルタ光学素子１４として、所定の入射角以上の入射角では光を透過させないものを使用すれば、瞳位置に所定の口径の絞りを設けたものと同じとなる。逆に一定角以下の入射角では光を透過させないような素子を使用すれば、瞳の中央を遮光したのと同様な効果がある。
【００３１】
図２において、光線ａは、フィルタ光学素子１４で反射し、光線ｂは透過する。反射するか透過するかは、光のフィルタ光学素子１４への入射角に依存する。
【００３２】
なお、図２においては、フィルタ光学素子１４を照明面１３の近傍（レンズ１２側）に設けているが、照明面１３と共役な位置又はその近傍に設けても、図２に示す光学系と同様の効果が得られる。像の直前、あるいは物体や像に共役な面の近傍に配置した場合にも得られる。
【００３３】
以上説明したようなフィルタ光学素子１４に、瞳のフィルタリングを行わせる場合は、一般には透過率の最大値と最小値の比率を大きくすることが好ましい。結像特性を変化させる意味では、２倍程度以上の差があることが好ましい。
【００３４】
瞳フィルタリングの目的で使用することのできることのできるフォトニック結晶の例として、誘電体微小球を堆積したタイプのフォトニック結晶がある。ポリスチレン、石英などの微小球を水中に拡散させ、徐々に乾燥させていくと、自己組織化効果により、面心立方格子状に配列することが知られている(例：H-B. Sun et al. J. Opt. Soc. Am. B vol17, 3 pp476-480(2000))。
【００３５】
屈折率1.6のポリスチレンを自己組織化して作成したフォトニック結晶のバンド図を図３に示す。横軸は慣用的な記号(図４の波数空間での位置を示す)で表現した波数、縦軸は規格化した振動数である。
【００３６】
ここで、この結晶の(作成時の)鉛直方向に相当するのは波数空間ではΓ-Ｌ方向である。この構造に平面波が入射した場合、入射波の波数の水平成分は保存されるため、入射波によって励起され得るのはΓ-Ｌ間のバンドである。ここにバンドが存在すれば、入射波はこれに対応した波数で結晶内を通過することができる。ところが、ωａ／２πｃ＝0.6の付近にはΓ-Ｌ内にバンドが存在しないため、入射波は結晶内に進入することはできない。この振動数の光が垂直に結晶に入射しても、入射光は完全に反射することになる。
【００３７】
これに対し、入射角が傾斜した場合、入射波は入射角および波長に応じた横方向の波数ベクトル成分を持つ。この場合は、これに対応した(Γ-Ｌに平行な)部分にバンドがあるかどうかにより、入射光が結晶内を透過できるかどうかが決まる。入射角が０でない場合、対応する波数成分はＬからＵ（＝Ｋ）あるいはＷの方向に移動するが、これらの方向では最初のバンドに対応する振動数が大きいため、ωａ／２πｃ＝0.6の付近でも対応するバンドが存在することが予想される。入射角がある程度大きくなり、波数の横成分に対応するバンドが存在するようになると、光の透過率が大きくなることが予想される。この様子を図５に概念的に示す。
【００３８】
ポリスチレンの微小球の直径を200nmとした場合、面心立方格子としての格子定数は282nmとなる。波長500nmの光の規格化振動数はωａ／２πｃ＝0.56となり、Γ-Ｌでのギャップの下端付近である。微小球を10層積層させて形成したフォトニック結晶の入射光透過率の角度依存性をFDTD法により計算した結果を図７に示す。ここでは、結晶構造を上面からみた図６のＡ−Ｂ断面内とＣ−Ｄ断面内に入射面がある場合の透過率を示している。Ａ−Ｂは波数空間でＬ→Ｗ，Ｃ−ＤはＬ→Ｕの方向に対応する。また、入射光は非偏光であるものとし、入射波のE-fieldが入射面内にある場合と入射面に垂直な場合の結果を平均した。
【００３９】
有限層数の場合は、バンドの構造が多少変化するため、図３でバンドが存在しないような領域でも必ずしも透過率が０になるわけではないが、入射角０付近で透過率が小さく、入射角が大きくなると透過率も増えるという予期された傾向が現れている。また、面心立方格子配列のフォトニック結晶を使っているために、透過率の入射面依存性による異方性は十分に小さい。
【００４０】
この素子をテレセントリックあるいはそれに近い結像光学系の物体直後に挿入すると、瞳の中心付近を通過する光線に関しては周辺を通過するものよりも透過率が低くなる。したがって、この素子は中心付近で透過率を低下させたグレースケールの瞳フィルタと同等のはたらきをすることになる。一方、照明系の被照明物体の直前にこの素子を挿入した場合、同様にグレースケールの輪帯照明フィルタとしてはたらくことになる。
【００４１】
ここで示したフォトニック結晶を用いた瞳フィルタの場合、結像光学系に使う際には入射角により透過後の位相が変化してしまうが、この効果はフォーカスの調整によってある程度は補正することができる。一方、照明系においては、図２に示したようなケーラー照明光学系で使用する際には位相変化の効果は結像特性に影響しないため、全く問題なく使用することができる。
【００４２】
この種の素子においては、使用する振動数領域、素子の厚さ、フォトニック結晶の構造などを変化させることにより、瞳フィルタリング特性を調整することが可能である。本発明の方法により、様々な透過特性をもつ瞳フィルタリング装置を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態の第１の例である投影光学系の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の第２の例である照明光学系の概要を示す図である。
【図３】屈折率1.6のポリスチレンを自己組織化して作成したフォトニック結晶のバンド図である。
【図４】面心立方配列のフォトニック結晶の波数空間を示す図である。
【図５】フォトニック結晶を使用した光フィルタリング素子の作用を概念的に示す図である。
【図６】フォトニック結晶を上から見た概念図である。
【図７】微小球を10層積層させて形成したフォトニック結晶の入射光透過率の角度依存性をFDTD法により計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…物面、２…レンズ、３…レンズ、４…像面、５…フィルタ光学素子、１１…照明光源、１２…レンズ、１３…照明面、１４…フィルタ光学素子
【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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