(57)【要約】【課題】  積分球からの射出光と、クリティカル照明法とを組み合わせることで、被照射面上での均一な照度分布を達成する照明光学系を提供する。【解決手段】  光源２から被照射面６ａまでの光路上に、光源２からの光を導入するための入射側開口１１と、入射側開口１１から導入した光をその内部で拡散反射を繰り返し均一な光束発散度を持つ光として射出するための射出側開口１２とが形成された積分球１を配置した照明光学系であって、射出側開口１１は、照明光学系の光軸が積分球１の中心と射出側開口１１の中心とを通る線と一致し、且つ、光源２からの光が積分球１を通って、射出側開口１１と共役関係にある被照射面６ａを照明するように、積分球１に形成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から被照射面までの光路上に、前記光源からの光を導入するための入射側開口と、前記入射側開口から導入した光をその内部で拡散反射を繰り返し均一な光束発散度分布の光として射出するための射出側開口とが形成された積分球を配置した照明光学系であって、
前記射出側開口は、前記照明光学系の光軸が前記積分球の中心と前記射出側開口の中心とを通る線と一致し、且つ、前記光源からの光が前記積分球を通って前記射出側開口と共役関係にある前記被照射面を照明するように、前記積分球に形成されることを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記積分球の前記射出側開口に、前記射出側開口の大きさを変化させることができる第１の可変アパーチャーを配設することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記積分球の前記入射側開口に、前記入射側開口の大きさを変化させることができる第２の可変アパーチャーを配設することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記光源及び前記積分球の少なくとも一方に移動して、前記光源から前記入射側開口までの距離を変化させることが可能な移動手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記光源は、出力する光の強度を調整することが可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
【請求項６】
前記被照射面と前記積分球との間に、開口絞りを配設することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明光学系。
【請求項７】
前記積分球に前記射出側開口が複数形成されており、
異なる波長選択特性を有する複数の波長選択フィルタと、
前記積分球への入射光軸を中心に前記積分球を回転する回転手段とを有し、
それぞれの前記射出側開口に前記波長選択フィルタを設置し、前記回転手段により前記積分球を回転することで前記射出側開口の切り替えが可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡や測定機など、均一照度の照明が要求される光学機器の照明光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡や測定機には、被照射面上における一様な照度分布が得られる照明が要求される。従来の照明法として、代表的なものにクリティカル照明法と、ケーラー照明法が挙げられる。
【０００３】
クリティカル照明法は、図５に示すように、光源像を直接被照射面上に結像させる照明法であり、非常に明るい視野を得られることを特徴とする。しかしながら、クリティカル照明法では、照明範囲は光源の大きさとレンズの倍率によって固定されており、さらに光源の光束発散度分布がそのまま被照射面に反映されてしまう。
【０００４】
それに対し、ケーラー照明法は、図６に示すように、光源上の各点から射出する光がそれぞれ被照射面全体を照明する照明法であり、光源に不均一な光束発散度分布が存在していても被照射面上で均一な照度が得られる。さらに、ケーラー照明法では、視野絞りと開口絞りとを独立して設けることにより、視野絞りで被照射面の照明範囲を調整し、開口絞りで照明ＮＡ（視野の明るさ）を調整することが可能であるため、一般的に利用される照明方法となっている。
【０００５】
また、均一標準光源としては、従来より積分球が知られている。積分球は、光を積分球内に入射したときに、開口上の任意の点から射出する光が全て同一輝度特性（配光特性）であるという特徴を有するため、均一標準光源として利用されることが多い。但し、照明のテレセントリシティーが確保できないので、積分球の開口から射出する光をそのまま照明光として使用することはできない。そのため、照明光源として積分球を使用する場合は、図７や特許文献１の第３実施例に開示されているように、コレクタレンズを積分球の射出側開口と対向する位置に設ける必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２９７１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ケーラー照明法では、光源上の任意の点における輝度が方向によらず均一（すなわち完全拡散面）ではない限り、被照射面上での均一な照度分布が得られないことが指摘されている。これを解決するため、フライアイレンズなどを利用して照度の均一化を図っている。しかしながら、実際はフライアイレンズを構成する個々のレンズを通過する光の中でも若干の輝度のばらつきがあるために、フライアイレンズを用いても厳密な照度均一性は保証されない。
【０００８】
また、積分球開口からの射出光を照明光に用いる場合でも、単に開口の前にコレクタレンズを設置するだけでは、照明範囲や照明ＮＡの調整ができない上に、テレセントリシティーを保ったり、収差を補正したりすることが難しいため、均一照明としては不完全である。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、積分球からの射出光と、クリティカル照明法とを組み合わせることで、被照射面上での均一な照度分布を達成する照明光学系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】
【００１０】
このような目的を達成するため、本発明は、光源から被照射面までの光路上に、前記光源からの光を導入するための入射側開口と、前記入射側開口から導入した光をその内部で拡散反射を繰り返し均一な光束発散度分布の光として射出するための射出側開口とが形成された積分球を配置した照明光学系であって、前記射出側開口は、前記照明光学系の光軸が前記積分球の中心と前記射出側開口の中心とを通る線と一致し、且つ、前記光源からの光が前記積分球を通って前記射出側開口と共役関係にある前記被照射面を照明するように、前記積分球に形成される。
【００１１】
なお、前記積分球の前記射出側開口に、前記射出側開口の大きさを変化させることができる第１の可変アパーチャーを配設することが好ましい。
【００１２】
また、前記積分球の前記入射側開口に、前記入射側開口の大きさを変化させることができる第２の可変アパーチャーを配設することが好ましい。
【００１３】
また、前記光源及び前記積分球の少なくとも一方に移動して、前記光源から前記入射側開口までの距離を変化させることが可能な移動手段を有することが好ましい。
【００１４】
また、前記光源は、出力する光の強度を調整することが可能であることが好ましい。
【００１５】
また、前記被照射面と前記積分球との間に、開口絞りを配設することが好ましい。
【００１６】
また、前記積分球に前記射出側開口が複数形成されており、異なる波長選択特性を有する複数の波長選択フィルタと、前記積分球への入射光軸を中心に前記積分球を回転する回転手段とを有し、それぞれの前記射出側開口に前記波長選択フィルタを設置し、前記回転手段により前記積分球を回転することで前記射出側開口の切り替えが可能であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、積分球からの射出光と、クリティカル照明法とを組み合わせることで、被照射面上での均一な照度分布を達成する照明光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施例に係る照明光学系の断面構成図である。
【図２】第２実施例に係る照明光学系の断面構成図である。
【図３】第３実施例に係る照明光学系の断面構成図であり、積分球の入射側開口面に平行な断面で切った断面図である。
【図４】第３実施例に係る照明光学系の断面構成図であり、積分球の射出側開口面の一つに平行な断面で切った断面図である。
【図５】クリティカル照明を説明する図である。
【図６】ケーラー照明を説明する図である。
【図７】積分球開口からの射出光を照明に用いた、従来の照明光学系の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施形態においては、光の進む方向に対し、順方向を「後方」、逆方向を「前方」と定義する。本実施形態に係る照明光学系は、積分球からの射出光とクリティカル照明法を組み合わせることで、被照射面上での均一な照度分布を達成するものである。本照明光学系は、光源から被照射面までの光路上に積分球を配置したものであり、積分球には、光源からの光束を導入するための入射側開口と、入射側開口から導入した光束をその内部で拡散反射を繰り返し均一な光束発散度分布の光として射出するための射出側開口とが形成されている。本実施形態では、射出側開口は、照明光学系の光軸が積分球の中心と射出側開口の中心とを通る線と一致し、且つ、光源からの光が積分球を通って射出側開口と共役関係にある被照射面を照明するように、積分球に形成されている。また、本実施形態では、積分球と被照射面との間に、積分球側から順に並んだ、コンデンサレンズと、コレクタレンズとが配置されている。
【００２０】
上記構成によれば、積分球内に入射側開口から導入した光源からの光は、積分球内壁で拡散反射を繰り返し、均一な光束発散度分布の光として（射出側開口全点から半径方向に向かって）射出側開口から射出される。射出側開口からの射出された光は、コンデンサレンズ及びコレクタレンズを介して、被照射面上に集光される。このように、射出側開口全点で輝度特性が同一である射出側開口の像を被照射面上に（任意の倍率で）結像することにより、被照射面上における均一な照度分布が得られる。
【００２１】
本実施形態においては、積分球の射出側開口に、この開口の大きさを変化させることができる、第１の可変アパーチャーを配設することが好ましい。この構成により、第１の可変アパーチャーを視野絞りとみなすことができ、従来のクリティカル照明法では固定であった照明範囲を調整することが可能になる。
【００２２】
あるいは、第１の可変アパーチャーを配設する代わりに、積分球に開口の大きさが異なる射出側開口を複数形成し、積分球への入射光軸を中心に積分球を回転させる回転手段を備えることにより、回転手段により積分球を回転して射出側開口を切り替えて前記開口の大きさを変更し、照明範囲を調整できるように構成してもよい。
【００２３】
また、本実施形態においては、積分球の入射側開口に、この開口の大きさを変化させることができる第２の可変アパーチャーを配設することが好ましい。積分球においては射出光の輝度は入射光束の太さに比例するため、第２の可変アパーチャーを光量絞りとみなして、入射側開口の大きさを変化させ、積分球からの射出光の輝度を調整することが可能になる。その結果、被照射面における照度を調整することが可能になる。
【００２４】
なお、本実施形態においては、第２の可変アパーチャーの代わりに、光源及び積分球の少なくとも一方に移動する移動手段を備え、該手段により光源から入射側開口までの相対距離を変化させることで、積分球からの射出光の輝度を調整できるように構成してもよい。または、光源の出力強度を可変とすることでも、同様の効果が得られる。
【００２５】
また、本実施形態においては、照明ＮＡを調整するために、被照射面と積分球との間に、開口絞りを配設することが好ましい。
【００２６】
また、本実施形態においては、積分球の射出側開口あるいは入射側開口に波長選択フィルタを設け、光源からの光束のうち任意の光の波長を選択し、照明光として用いることが可能である。
【００２７】
また、本実施形態においては、射出側開口を積分球に複数形成し、各射出側開口の後方に、コレクタレンズ、開口絞り、コンデンサレンズ、被照射物の順で配置することにより、複数の被照射物に対して一度に均一照明を提供することが可能である。
【００２８】
また、本実施形態においては、射出側開口を積分球に複数形成し、異なる波長選択特性を有する複数の波長選択フィルタと、積分球への入射光軸を中心に積分球を回転する回転手段とを有し、それぞれの射出側開口に波長選択フィルタを設置し、回転手段により積分球を回転することで射出側開口の切り替えができるように構成してもよい。この構成によれば、回転手段により積分球を回転するだけで、照明光の波長帯域を容易に切り替えることが可能になる。特に、フィルタ交換が難しい程、射出側開口と他の構成要素（具体的には、図１に示す射出側開口１２とコレクタレンズ３）が近接した場合などに有効である。
【実施例】
【００２９】
以下、本実施形態に係る各実施例について、図面に基づいて説明する。
【００３０】
（第１実施例）
第１実施例に係る照明光学系は、図１に示すように、入射側開口１１と射出側開口１２とが形成された積分球１と、入射側開口１１の前方に設けられた光源２と、射出側開口１２から後方に向かって順に並んだコレクタレンズ３と、開口絞り４と、コンデンサレンズ５と、被照射物６とを有して構成される。
【００３１】
その際、射出側開口１１は、照明光学系の光軸が積分球１の中心と射出側開口１２の中心を通る線と一致し、且つ、光源１からの光が積分球１を通って射出側開口１１と共役関係にある被照射面６ａを照明するように、積分球１に形成する。また、コレクタレンズ３の前側主点から射出側開口１２までの距離が、コレクタレンズ３の焦点距離と等しくなるように配置する。また、コンデンサレンズ５の後側主点から被照射物６までの距離、及び、コンデンサレンズ５の前側主点から開口絞り４までの距離が、それぞれコンデンサレンズ５の焦点距離と等しくなるように配置する。
【００３２】
入射側開口１１には入射側可変アパーチャー１３（光量絞り）が、射出側開口１２には射出側可変アパーチャー１４（視野絞り）が設けられている。また、これら入射側開口１１と射出側開口１２との間には、バッフル１５が設けられている。バッフル１５は、本実施例のように光源２としてコヒーレンス性の低い拡散光源を用いた場合に、積分球１内で、入射側開口１１から射出側開口１２に直接向かう光（図１では点線で示す）が存在するのを防ぐ役割を担っている。
【００３３】
上記構成によれば、光源２から射出した光は、入射側開口１１に設けられた入射側可変アパーチャー１３を通って積分球１内に入射し、積分球１の内壁で拡散反射を繰り返して均一な輝度特性を持つ光となり、射出側開口１２に設けられた射出側可変アパーチャー１４を通って積分球１外へと射出される。積分球１からの射出光は、コレクタレンズ３に入射して平行光となった後に、開口絞り４を通過し、コンデンサレンズ５により被照射面６ａ上で集光される。このように、被照射面６ａ上に輝度特性が全点で同一である射出側開口１２の像を結像させることにより、被照射面６ａ上での均一な照度分布を得ることができる。
【００３４】
なお、本実施例では、入射側可変アパーチャー１３の開口サイズを変化させることにより、積分球１からの射出される光の輝度を調整することができる。また、射出側可変アパーチャー１４の開口サイズを変化させることにより、被照射面６ａ上での照明範囲を調整することができる。また、開口絞り４の開口サイズを変化させることにより、積分球１からの射出される光の照明ＮＡを調整することができる。
【００３５】
上記実施例においては、入射側可変アパーチャー１３の開口サイズを変化させることにより、積分球１からの射出光の輝度調整を行っているが、他の方法を用いても構わない。例えば、積分球１及び光源２の少なくとも一方に移動する移動手段を備え、該手段により光源２から積分球１の入射側開口１１までの距離を縮めたり広げたりすることにより、積分球１内に入射する光束の太さを変化させ、積分球１からの射出光の輝度調整を行うことが可能である。または、光源２自体に付随の絞りにより、積分球１への入射光束の太さを制限してもよい。あるいは、光源２自体に付随のボリューム等により、出力する光の放射強度を変化させることにより、積分球１からの射出光の輝度調整を行うことも可能である。
【００３６】
また、本実施例においては、積分球１の入射側開口１１あるいは射出側開口１２に波長選択フィルタを設置することにより、光源２から射出される光のうち任意の波長を選択して照明光として用いることが可能である。
【００３７】
また、本実施例においては、積分球１に射出側開口１２を複数形成することも可能である。このとき、各射出側開口１２の後方に、コレクタレンズ３と、開口絞り４と、コンデンサレンズ５と、被照射物６とをこの順で配設することにより、複数の被照射物６に対して一度に均一照明を提供することができる。
【００３８】
（第２実施例）
第２実施例では、図２に示すように、光源２としてコヒーレンス性の高いレーザー光源を用いた点が、コヒーレンス性の低い拡散光源を用いた第１実施例（図１参照）とは異なる。このように、光源２としてコヒーレンス性の高い光源を用いると、入射側開口１１に対向する内壁部分１６に全ての光が照射されるため、入射側開口１１から射出側開口１２に直接向かう光（図２では点線で示す）は存在しないと考えられる。しかしながら、入射側開口１１に対向する内壁部分１６で拡散反射した光は、内壁部分１６で一度しか拡散反射していない光であるため、この光が直接射出側開口１２に入射することを防ぐ必要がある。したがって、第２実施例では、バッフル１５を、第１実施例のように入射側開口１１と射出側開口１２との間ではなく、図２に示すように、入射側開口１１に対向する内壁部分１６と射出側開口１２との間に位置するように構成している。
【００３９】
（第３実施例）
第３実施例では、図３及び図４に示すように、積分球１に射出側開口１２が複数形成されている点が、積分球１に射出側開口１２が１つ形成されている第１実施例（図１参照）とは主に異なっている。具体的には、本実施例に係る照明光学系では、積分球１の同一円周上に等間隔で４つの射出側開口１２が形成されており、これら各射出側開口１２は、積分球１の中心を通り、且つ照明光学系の光軸に対して垂直な同一平面上に位置している（なお、照明光学系の光軸は、積分球１の中心と入射側開口１１の中心を通るものとする）。各射出側開口１２には、それぞれ異なる波長特性を有する波長選択フィルタ１７を設置する。また、各射出側開口１２と入射側開口１１との間には、バッフル１５を設置し、積分球１への入射光が直接各射出側開口１２から出て行くことを防いでいる。さらに、積分球１には、照明光学系の光軸を中心として積分球１を回転させる回転シャフト１８が取り付けられている。以上のような構成により、本実施例に係る照明光学系においては、回転シャフト１８を用いて積分球１を回転し、被照射物６に相対する射出側開口１２を切り替えることにより、被照射物６に照射する照明光の波長帯域を容易且つスムーズに切り替えることが可能である。
【００４０】
なお、各射出側開口１２の入射側開口１１に対する位置を除いて、すなわち各射出側開口１２が積分球１の中心を通り、且つ照明光学系の光軸に対して垂直な同一平面上に位置していれば、射出側開口１２の数、位置及び間隔は本実施例に限定されるものではない。また、バッフル１５の数や位置も、入射光（第２実施例のように、コヒーレント光源の場合は１次拡散反射光）が直接射出側開口１２から出て行くことがないように選択・設置されていれば、本実施例に限定されるものではない。
【００４１】
以上のように、本発明を分かりやすくするため、実施形態の構成要件を付して説明したが、本発明がこれに限定されるものではないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４２】
１  積分球
１１  入射側開口
１２  射出側開口
１３  入射側可変アパーチャー（第２の可変アパーチャー）
１４  射出側可変アパーチャー（第１の可変アパーチャー）
１５  バッフル
１７  波長選択フィルタ
１８  回転シャフト（回転手段）
２  光源
３  コレクタレンズ
４  開口絞り
５  コンデンサレンズ
６  被照射物
６ａ  被照射面
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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