(57)【要約】  複雑な構造を用いることなく、発光部の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる照明光学装置及びこれを用いた光学装置を提供する。発光部と、発光部から発せられる拡散光を平行光に変換するレンズ系と、レンズアレイによって得られた平行光の断面積を調整するアフォーカル光学系と、アフォーカル光学系によって断面積を調整された平行光から複数光源像を形成するフライアイレンズと、フライアイレンズが形成した複数光源像を光源として用いるケーラー照明光学系とが設けられている。
2008529037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部と、
該発光部から射出された発散光を平行光の光束に変換するレンズ系と、
該レンズ系によって得られた前記平行光の光束の断面積を調整するアフォーカル光学系と、
該アフォーカル光学系によって断面積を調整された前記平行光から複数光源像を形成するフライアイレンズと、
該フライアイレンズが形成した前記複数光源像を光源として用いるケーラー照明光学系とを有し、
前記レンズ系によって得られた前記平行光の、前記アフォーカル光学系通過直後の光束径をＤ１、前記アフォーカル光学系への入射直前の光束系をＤ２とし、β＝Ｄ１／Ｄ２とすると、βが条件式０．２５＜β＜２を満足する照明光学装置。
【請求項２】
発光部と、
該発光部から射出された発散光を平行光の光束に変換するレンズ系と、
該レンズ系によって得られた前記平行光の光束の断面積を調整するアフォーカル光学系と、
該アフォーカル光学系によって断面積を調整された前記平行光から複数光源像を形成するフライアイレンズと、
該フライアイレンズが形成した前記複数光源像を光源として用いるケーラー照明光学系とを有し、
前記発光部が、互いの光軸を平行にして複数配置されており、
前記レンズ系が、前記複数の発光部のそれぞれに対応するレンズ素子を備え該レンズ素子によって対応する前記発光部の発する光を平行光に変換するレンズアレイである照明光学装置。
【請求項３】
前記レンズ素子の個数をＫＳ個とし、前記フライアイレンズを構成する要素レンズの個数をＫＦ個とすると、ＫＦ＞４ＫＳとされている請求項２記載の照明光学装置。
【請求項４】
前記発光部及び前記レンズ素子が、それぞれ光軸を前記アフォーカル光学系の光軸と平行にして、前記アフォーカル光学系の光軸に直交する平面上に配列されている請求項２記載の照明光学装置。
【請求項５】
前記複数の発光部が、同一波長の光を発する構成とされている請求項２記載の照明光学装置。
【請求項６】
請求項１または２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に記載の照明装置が知られている。
この照明光学装置は、複数の光源が発する光束を、フライアイレンズを用いることによって照明光のパワーや照度均一性等を向上させるとともに、各光源の光束を光束分割光学系（ハーフプリズム）によって分割してそれぞれ異なる角度からフライアイレンズに入射させることによって照度むらを防止している。
【特許文献１】特開平６−３４９７１０号公報（第１０欄第３１行〜第１１欄第３０行、及び図７参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、この照明光学装置は、光束分割系が必要となるなど、光学系が複雑になるという問題がある。また、所望の性能を得るためには高度な部品精度が要求されるために、装置のコストが非常に高くなるという問題がある。さらに、光源から発する光を、ケラレ等を防止しつつ効率的にフライアイレンズに取り込むために、光源の形状や配置、及びフライアイレンズの形状等の制約が多くなるという問題がある。また、光源の種類や強度等を、測定試料の性質等に応じて適宜選択可能な構成とすることが望まれる。しかし、このような構成を採用することは、上記従来の照明光学装置では不可能であった。
【０００４】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、複雑な構造を用いることなく、光源の形状や配置、及びフライアイレンズの形状等の制約を受けることなく、光源の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる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。さらに、好ましくは、測定試料の性質等により光源を適宜選択可能な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】
【０００５】
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、発光部と、該発光部から射出された発散光を平行光の光束に変換するレンズ系と、該レンズ系によって得られた前記平行光の光束の断面積を調整するアフォーカル光学系と、該アフォーカル光学系によって断面積を調整された前記平行光から複数光源像を形成するフライアイレンズと、該フライアイレンズが形成した前記複数光源像を光源として用いるケーラー照明光学系とを有している照明光学装置を提供する。
【０００６】
このように構成される照明光学装置では、発光部の発する発散光がレンズ系によって無駄なく集められて照明光として利用されるので、効率のよい照明を行うことができる。
また、このようにして集められた照明光がレンズ系及びアフォーカル光学系によって平行光としてフライアイレンズに入射させられて、この平行光からフライアイレンズによって複数光源像が形成され、この複数光源像がケーラー照明光学系の光源として利用される。すなわち、この照明光学装置では、レンズ系によって得られた平行光の光束の断面積がアフォーカル光学系によって調整された状態で、フライアイレンズに照明光として入射させられるので、フライアイレンズの要素レンズの形状に由来するケラレが生じにくい。また、この照明光学装置では、フライアイレンズが形成した複数光源像を複数の方向から重畳して被照射面に照射するので、照度分布が均一化された照明を得ることができる。
このように、この照明光学装置では、複雑な構成を用いずに、発光部の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
【０００７】
ここで、レンズ系によって得られた平行光の、アフォーカル光学系通過直後の光束径をＤ１、アフォーカル光学系への入射直前の光束系をＤ２とし、β＝Ｄ１／Ｄ２と定義する。このβの値が０．２５を下回る場合には、発光部に比べてフライアイレンズが相対的に小さくなりすぎて、発光部の発する光の利用効率が低下する可能性がある。また、βの値が２を上回る場合には、発光部の有効口径に比べてフライアイレンズの口径が大きくなりすぎて装置が不必要に大型化してしまう。
このため、本発明の照明光学装置では、アフォーカル光学系が、条件式０．２５＜β＜２を満足する構成とすることが好ましい。さらにいえば、アフォーカル光学系は、条件式０．４＜β＜１を満足する構成とすることがより好ましい。
【０００８】
また、アフォーカル光学系が、発光部側に配置された第１群と、フライアイレンズ側に配置された第２群とを有しており、第１群が、第１群と第２群との間で発光部の像を結像させる構成とされていてもよい。
この場合には、発光部の像（光源像）の瞳位置をフライアイレンズの入射面に配置できるので、発光部の発する光を効率よくフライアイレンズに入射させることができる。
【０００９】
ここで、この場合には、アフォーカル光学系の第２群が、第１群とは独立した光学系をなしている。
そこで、アフォーカル光学系を、第１群と第２群との間で分割可能な構成としてもよい。この場合には、第１群のみ、もしくは第１群と発光部とを、異なる構成のものに交換することが可能になる。そして、第１群のみ、もしくは第１群と発光部とを、要求される照明条件や使用する発光部の性質に応じて適切に選択することで、最適な照明を行うことができる。
【００１０】
また、本発明の照明光学装置において、アフォーカル光学系が、レンズ系によって得られた平行光の光束の断面積の調整機能を有していてもよい。
この場合には、発光部を交換することにより発光部から発せられた光束の断面積が変化しても、アフォーカル光学系によって、アフォーカル光学系を通過した平行光の光束の断面積を適切な大きさに調整することで、発光部の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
このアフォーカル光学系の調整機能は、例えば、アフォーカル光学系を、一部レンズの差し替えが可能な構成とすることで実現することができる。この場合には、一部レンズを適切なレンズに差し替えることで、アフォーカル光学系を通過した平行光の光束の断面積を適切な大きさに調整することができる。
また、このアフォーカル光学系の調整機能は、アフォーカル光学系に一部のレンズを光軸方向に移動させる機構（例えばズーム機構）を設けることによって実現することができる。この場合には、アフォーカル光学系を交換することなく、アフォーカル光学系を通過した平行光の光束の断面積を適切な大きさに調整することができる。
【００１１】
ここで、アフォーカル光学系を、複数の発光部側に配置された第１群と、フライアイレンズ側に配置された第２群とを有し、第１群は凸レンズまたは凸レンズ群によって構成され、第２群は凹レンズまたは凹レンズ群によって構成され、第１群が第２群との間で複数の発光部２の像を結像させずに光束の断面積を調整する構成としてもよい。この場合には、アフォーカル光学系を構成するレンズに要求されるパワーが小さくて済み、その分、収差の発生等が抑えられるので、光学設計が容易で、製造コストが低くて済む。
【００１２】
また、本発明の照明光学装置において、発光部が、互いの光軸を平行にして複数配置されており、レンズ系が、複数の発光部のそれぞれに対応するレンズ素子を備えこれらレンズ素子によって対応する発光部の発する光を平行光に変換するレンズアレイであってもよい。
【００１３】
このように構成される照明光学装置では、各発光部の発する光がそれぞれ対応するレンズ素子によって無駄なく集められて照明光として利用されるので、効率のよい照明を行うことができる。このようにして集められた照明光がレンズ系及びアフォーカル光学系によって平行光としてフライアイレンズに入射させられて、この平行光からフライアイレンズによって複数光源像が形成され、この複数光源像がケーラー照明光学系の光源として利用される。すなわち、この照明光学装置では、アフォーカル光学系によって、レンズ系からの平行光の光束の断面積が調整された状態で、フライアイレンズに照明光が入射させられるので、フライアイレンズの要素レンズの形状に由来するケラレが生じにくい。また、この照明光学装置では、フライアイレンズが形成した複数光源像を複数の方向から重畳して被照射面に照射するので、照度分布が均一化された照明を得ることができる。
このように、この照明光学装置では、複雑な構成を用いずに、複数の発光部の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
【００１４】
ここで、レンズ素子の個数をＫＳ個とし、フライアイレンズを構成する要素レンズの個数をＫＦ個とすると、ＫＦ＞４ＫＳとされていてもよい。
このように構成される照明光学装置では、フライアイレンズが、一つの発光部から４つ以上の光源像を形成することができる。これにより、ケーラー照明光学系が、発光部の数に比べて多数の方向から被照射面を照射することができるので、照度分布がより一層均一化された照明を行うことができる。
【００１５】
発光部及びレンズ素子が、それぞれ光軸をアフォーカル光学系の光軸と平行にして、アフォーカル光学系の光軸に直交する平面上に配列されていてもよい。
このように構成される照明光学装置では、レンズ素子が、対応する発光部から射出された光を、ほぼ平行光に変換することができるので、照明光のロスが少なくて済む。
【００１６】
前記複数の発光部が、同一波長の光を発する構成とされていてもよい。
この場合には、各発光部の発する光の波長の違いによる収差（色収差）が生じにくい。このため、この照明光学装置は、光学設計が容易で、製造が容易である。
なお、ここで言う同一波長とは、完全に波長が同一であるということを意味しているのではなく、各発光部の個体差に由来する波長のばらつきについては許容されるものとする。
【００１７】
この照明光学装置において、アフォーカル光学系及びフライアイレンズが交換可能とされていてもよい。
この場合には、本発明にかかる照明光学装置を、例えば顕微鏡の落射照明装置等、フライアイレンズよりも後段側に設けられるレンズ群のうちの少なくとも一部（例えば対物レンズ）を変更可能な照明光学装置に適用した場合に、この変更可能なレンズ群の特性に応じて、アフォーカル光学系及びフライアイレンズを適切な特性のものに交換することができ、照明ロスが生じにくい。
【００１８】
本発明は、上記した本発明に係る照明光学装置を有する光学装置を提供する。
このように構成される光学装置では、複雑な構成を用いずに、発光部の形状や配置、及びフライアイレンズの形状等の制約を受けることなく、発光部の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
このような光学装置としては、例えば、本発明に係る照明光学装置を光源として画像を投影する投影光学系を有する投影装置、本発明に係る照明光学装置を用いて感光体上にマスクパターンを投影する投影光学系を有する露光装置、本発明に係る照明光学装置によって照明された観察対象物を観察する観察光学系を有する顕微鏡等がある。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、複雑な構造を用いることなく、発光部の形状や配置、及びフライアイレンズの形状等の制約を受けることなく、発光部の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない安定的な照明を行うことができる。これにより、様々な発光部を用いてもより明るい照明を行うことができ、ＬＥＤ発光素子等の比較的輝度の低い発光部を用いても、十分な明るさを得ることができる。
ＬＥＤ発光素子は、フィラメントやアーク等の従来用いられてきた光源に比べて長寿命であるので、このようにＬＥＤ発光素子を発光部として使用することで、使用者は長期にわたって発光部の交換作業から開放される。
さらに、本発明によれば、測定試料の性質等により発光部を適宜選択することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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］
本発明の光学装置は、本発明に係る照明光学装置を有する光学装置、具体的には、本発明に係る照明光学装置を光源として画像を投影する投影光学系を有する投影装置、本発明に係る照明光学装置を用いて感光体上にマスクパターンを投影する投影光学系を有する露光装置、本発明に係る照明光学装置によって照明された観察対象物を観察する観察光学系を有する顕微鏡等である。
本実施形態では、本発明を、図１Ａ、図１Ｂに示す照明光学装置１と、この照明光学装置１によって照明された被照射面（観察対象物）を観察する観察光学系とを有する顕微鏡に適用した例を示す。
照明光学装置１は、発光部２（光源）と、発光部２から射出された発散光を平行光の光束に変換するレンズ系３と、レンズ系３によって得られた平行光の光束の断面積を調整するアフォーカル光学系４と、アフォーカル光学系４によって断面積を調整された平行光から複数光源像Ｉを形成するフライアイレンズ６と、フライアイレンズ６が形成した複数光源像Ｉを光源として用いるケーラー照明光学系７とを有している。
本実施形態では、発光部２として、互いの光軸を平行にして配置された複数の発光部２を設けており、レンズ系３として、発光部２のそれぞれに対応するレンズ素子３ａを備えこのレンズ素子３ａによって対応する発光部２の発する光を平行光に変換するレンズアレイ（以下「レンズアレイ３」と表記する）を設けている。
【００２１】
ここで、本明細書では、照明光学装置１の構成を、フライアイレンズ６で形成される多数光源像Ｉの形成位置（すなわちフライアイレンズ６の後側焦平面Ｆ１）を境として、図１Ａ側と図１Ｂ側とに分けて図示している。また、図１Ａに示す構成及び図１Ｂに示す構成は、照明光学装置１の光軸Ｏに沿って直線状に配列されている。
【００２２】
発光部２としては、ＬＥＤ発光素子等の指向性を有するものや、フィラメントやアーク等の無指向性の光源にこの光源が発する光線を集光する楕円鏡を設けるなどして指向性を持たせた光源ユニットを用いることができる。
本実施形態に係る照明光学装置１は、図１Ａ及び図２に示すように、複数のＬＥＤ発光素子を平面上に配列したＬＥＤアレイ光源１１を有しており、このＬＥＤアレイ光源１１の各ＬＥＤ発光素子がそれぞれ発光部２として用いられている。また、このＬＥＤアレイ光源１１の各ＬＥＤ発光素子は、いずれも略同一波長の光を発する構成とされている。
【００２３】
このＬＥＤアレイ光源１１では、図１Ａに示すように、ＬＥＤ発光素子によって構成される各発光部２の光軸Ｏ１が発光部２の配列される面に対して略直交させられており、ＬＥＤアレイ光源１１は、各発光部２の光軸Ｏ１がそれぞれアフォーカル光学系４の光軸Ｏ２に略平行となるように設置されている。言い換えれば、各発光部２は、それぞれ光軸Ｏ１がアフォーカル光学系４の光軸Ｏ２と略平行となるようにしてアフォーカル光学系４の光軸Ｏ２に略直交する平面上に配列されている。
【００２４】
また、各発光部２は、照明光学装置１の光軸Ｏ方向からみて極力高密度となるように密集配置されている。
本実施形態では、各発光部２は、図２に実線で示すように、一つの発光部２が光軸Ｏと同軸にして配置され、この発光部２を中心とする円周Ｃ上に、６つの発光部２が略等間隔で配置されている。これら発光部２は、各発光部２間に配線用のスペース等の最小限必要な隙間を残しつつ、可能な限り密集配置されている。このように発光部２を高密度に配置することで、アフォーカル光学系４に入射される光の密度を高めて、より明るい照明を実現することができる。
【００２５】
レンズアレイ３は、正のパワーを有する複数のレンズ素子３ａをその光軸Ｏ３と略直交する平面上に配列した構成とされている。また、レンズアレイ３は、各レンズ素子３ａの光軸Ｏ３がそれぞれアフォーカル光学系４の光軸Ｏ２に略平行となるようにして設置されている。言い換えれば、各レンズ素子３ａは、それぞれ光軸Ｏ３がアフォーカル光学系４の光軸Ｏ２と略平行となるようにしてアフォーカル光学系４の光軸Ｏ２に略直交する平面上に配列されている。
そして、このレンズアレイ３は、各レンズ素子３ａの物体側焦点がそれぞれ対応する発光部２と一致する位置に配置されている。言い換えれば、各レンズ素子３ａは、対応する発光部２と略同軸にして配置されている。
本実施形態では、レンズ素子３ａは、図２に二点鎖線で示すように、一つのレンズ素子３ａが光軸Ｏと同軸にして配置され、このレンズ素子３ａを中心とする円周Ｃ上に、６つのレンズ素子３ａが略等間隔で配置されている。また、レンズ素子３ａの径は、隣接するレンズ素子３ａ間の隙間が最小限となる径に設定されている。すなわち、レンズアレイ３は、ほぼ全体で発光部２が発した光を平行光に変換する構成とされている。このようにレンズ素子３ａを高密度に配置することで、アフォーカル光学系４に入射される平行光の密度を高めて、より明るい照明を実現することができる。
【００２６】
アフォーカル光学系４は、複数の発光部２側に配置された第１群４ａと、フライアイレンズ６側に配置された第２群４ｂとを有している。また、アフォーカル光学系４の光軸Ｏ２は、照明光学装置１の光軸Ｏと一致している。
本実施形態では、第１群４ａが、第１群４ａと第２群４ｂとの間で発光部２の像を結像させる構成とされている。
具体的には、第１群４ａは、レンズアレイ３によって得られた平行光束を収束させて第１群４ａと第２群４ｂとの間で複数の発光部２の像Ｉ’を重複して結像させる集光レンズ１６によって構成されている。また、第２群４ｂは、第１群４ａが形成する発光部２の像から発せられる光束を再び平行光束に変換してフライアイレンズ６に入射させるコリメートレンズ１７によって構成されている。
これにより、発光部２の像（光源像）の瞳位置をフライアイレンズ６の入射面に配置できるので、発光部２の発する光を効率よくフライアイレンズ６に入射させることができる。
【００２７】
ここで、アフォーカル光学系４は、レンズアレイ３によって得られた平行光の、アフォーカル光学系４通過直後の光束径をＤ１、アフォーカル光学系４への入射直前の光束系をＤ２とし、β＝Ｄ１／Ｄ２とすると、βが条件式０．２５＜β＜２を満足するように構成されている。
本実施形態では、アフォーカル光学系４は、レンズアレイ３によって得られた平行光束の断面積を低減する構成とされているので（すなわちβ＜１）、アフォーカル光学系４を通過した平行光束は、断面積が低減された分、強度が高められている。
【００２８】
また、本実施形態では、図１Ａに示すように、第２群４ｂは、照明光学装置１のハウジング１ａ内に設けられている。ハウジング１ａには、オスメス嵌合やネジ結合（ねじ込み式の接続構造）等の着脱可能な接続構造を介して、レンズユニット１ｂが着脱可能にして取り付けられており、第１群４ａは、このレンズユニット１ｂ内に設けられている。これにより、レンズユニット１ｂをハウジング１ａから取り外して、このレンズユニット１ｂの代わりに、第１群４ａの構成が異なるレンズユニット１ｂをハウジング１ａに装着することができる。
このように、要求される照明条件や使用する発光部２の性質に応じて、レンズユニット１ｂを適切な構成のものに交換することで、前記βの値を含む各種パラメータを最適化して、最適な照明を行うことができる。
【００２９】
レンズユニット１ｂには、オスメス嵌合やネジ結合等の着脱可能な接続構造を介して、光源ブロック１ｃが着脱可能にして取り付けられており、発光部２及びレンズアレイ３は、この光源ブロック１ｃ内に設けられている（発光部２のみが光源ブロック１ｃ内に設けられていて、レンズアレイ３がレンズユニット１ｂ内に設けられていてもよい）。
これにより、光源ブロック１ｃをレンズユニット１ｂから取り外して、この光源ブロック１ｃの代わりに、発光部２の構成が異なる光源ブロック１ｃをレンズユニット１ｂに装着することで、発光部２の種類を容易に変更することができる。
また、ハウジング１ａからレンズユニット１ｂを取り外して、代わりに、一つの発光部２のみを設けた光源ブロック１ｃをハウジング１ａに取り付けてもよい。この場合には、発光部２は、第２群４ｂの前側焦平面Ｆ２上（好ましくは前側焦点上）に配置される。
【００３０】
ここで、アフォーカル光学系４は、レンズアレイ３によって得られた平行光の光束の断面積の調整機能を有していてもよい。
このアフォーカル光学系４の調整機能は、例えば、アフォーカル光学系４を、一部レンズの差し替えが可能な構成とすることで実現することができる。この場合には、一部レンズを適切なレンズに差し替えることで、アフォーカル光学系４を通過した平行光の光束の断面積を適切な大きさに調整することができる。
また、このアフォーカル光学系４の調整機能は、例えばアフォーカル光学系４に一部のレンズを光軸Ｏ方向に移動させる機構（例えばズーム機構）を設けることによって実現することができる。
この場合には、発光部２等を交換することにより発光部２から発せられた光束の断面積が変化しても、アフォーカル光学系４によって、アフォーカル光学系４を通過した平行光の光束の断面積を適切な大きさに調整することで、アフォーカル光学系４を交換することなく、発光部２の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
【００３１】
フライアイレンズ６は、正のパワーを有する複数の要素レンズ６ａ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。また、フライアイレンズ６は、各要素レンズ６ａの光軸がそれぞれアフォーカル光学系４の光軸Ｏ２に略平行となるように設置されている。言い換えれば、各要素レンズ６ａは、それぞれ光軸がアフォーカル光学系４の光軸Ｏ２と略平行となるようにしてアフォーカル光学系４の光軸Ｏ２に略直交する平面上に配列されている。
本実施形態では、レンズアレイ３のレンズ素子３ａの個数をＫＳ個とし、フライアイレンズ６を構成する要素レンズ６ａの個数をＫＦ個とすると、ＫＦ＞４ＫＳとされている。
【００３２】
また、各要素レンズ６ａは、アフォーカル光学系４から入射した平行光を効率よく利用することができるよう、照明光学装置１の光軸Ｏ方向からみて極力高密度となるように密集配置されている。この要素レンズ６ａの配置パターンは、前記した各発光部２やレンズアレイ３の各レンズ素子３ａの配置パターンと同様とすることができる。
本実施形態では、フライアイレンズ６の各要素レンズ６ａは、図３に示すように、光軸Ｏ方向からみて略正六角形をなしており、一つの要素レンズ６ａが光軸Ｏと同軸にして配置され、この要素レンズ６ａの周囲を取り囲むようにして、かつ互いの周縁を密接させた状態にして、多数の要素レンズ６ａが隣接配置されている。
【００３３】
ケーラー照明光学系７は、フライアイレンズ６によって形成した各光源像Ｉ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、被照射面ＦＬの照度分布の均一化を図るものである。
【００３４】
この照明光学装置１では、各発光部２の発する光がそれぞれ対応するレンズアレイ３のレンズ素子３ａによって無駄なく集められて照明光として利用されるので、効率のよい照明を行うことができる。
特に、本実施形態では、複数の発光部２及びレンズアレイ３の各レンズ素子３ａが、それぞれ光軸Ｏ１，Ｏ３をアフォーカル光学系４の光軸Ｏ２と平行にしてアフォーカル光学系４の光軸Ｏ２に直交する平面上に配列されているので、レンズアレイ３の各レンズ素子３ａが、対応する発光部２から射出された光を、ほぼ平行光に変換することができ、照明光のロスが少なくて済む。
【００３５】
そして、フライアイレンズ６には照明光が平行光として入射させられるので、フライアイレンズ６の要素レンズ６ａの形状に由来するケラレが生じにくい。また、ケーラー照明光学系７が、フライアイレンズ６の形成した複数光源像Ｉの発する発散光を複数の方向から重畳して被照射面ＦＬに照射するので、照度分布が均一化された照明を得ることができる。
【００３６】
また、この照明光学装置１では、フライアイレンズ６を構成する要素レンズ６ａの個数がレンズアレイ３のレンズ素子３ａの個数の４倍以上に設定されている。これにより、フライアイレンズ６が、一つの発光部２から４つ以上の光源像Ｉを形成するので、ケーラー照明光学系７が、発光部２の数に比べて多数の方向から被照射面ＦＬを照射することができ、照度分布がより一層均一化された照明を行うことができる。
以上述べたように、この照明光学装置１では、複雑な構成を用いずに、複数の発光部２の発する光を効率的に集めて、照明ムラの少ない照明を行うことができる。
【００３７】
また、この照明光学装置１では、発光部２として、同一波長の光を発する光源が用いられているので、各発光部２の発する光の波長の違いによる収差（色収差）が生じにくい。このため、この照明光学装置１は、光学設計が容易で、製造が容易である。
【００３８】
また、この照明光学装置１では、アフォーカル光学系４の第２群４ｂからケーラー照明光学系７までを構成する光学系が、単一光源を光源とする照明光学系を構成している。すなわち、単一光源を光源として用いる従来の照明光学装置に、複数の発光部２とレンズアレイ３とアフォーカル光学系４の第１群４ａとを追加することで、本発明の照明光学装置１を形成することができ、製造コストが低くて済む。
【００３９】
ここで、本実施形態では、アフォーカル光学系４の第１群４ａ、第２群４ｂをそれぞれ単一のレンズによって構成した例を示したが、アフォーカル光学系４の収差等をなくして良好な照明を得ることができるよう、第１群４ａ、第２群４ｂのうちの少なくともいずれか一方を、複数のレンズによって構成してもよい。
例えば、図４及び図５に示すように、第１群４ａとして、発光部２側から順番に、両凸レンズＡ１、凹メニスカスレンズＡ２、両凸レンズＡ３、凸メニスカスレンズＡ４とを設け、第２群として、発光部２側から順番に、凸メニスカスレンズＢ１、両凸レンズＢ２、凹メニスカスレンズＢ３、両凸レンズＢ４とを設けてもよい。ここで、図４に示す例では、Ｄ１＝２８．８ｍｍ、Ｄ２＝３６ｍｍであり、β＝０．８であり、図５に示す例では、Ｄ１＝１６．２ｍｍ、Ｄ２＝３６ｍｍであり、β＝０．４５である。
【００４０】
また、本実施形態では、一つの発光部２（レンズ素子３ａ）の回りに、複数の発光部２（レンズ素子３ａ）を等間隔で配置した例を示したが、これに限られることなく、高密度配置が可能であれば、他の配置パターンで配置してもよい。例えば、図６Ａに示すように、各発光部２間（レンズ素子３ａ間）の隙間が最小となるように千鳥状（俵積み状）に配置してもよく、図６Ｂに示すように、光軸Ｏ方向から見て光軸Ｏを中心とする矩形状に配置してもよい。
また、本実施形態では、発光部２を複数設けた例を示したが、これに限られることなく、発光部２を一つだけ設けた構成としてもよい。この場合には、レンズアレイ３の代わりに、一つのレンズ素子３ａのみが用いられる。
【００４１】
また、本実施形態に係る光学装置は、照明光学装置１を落射照明装置として用いる顕微鏡であってもよい。落射照明装置は、例えば、図７に示すように、照明光学装置１のケーラー照明光学系７の後段に、対物レンズ１８を設置した構成とされている。また、この対物レンズ１８は、必要に応じて、適切な倍率のものと交換して使用される。
【００４２】
また、この顕微鏡では、照明光学装置１のアフォーカル光学系４及びフライアイレンズ６が交換可能とされていてもよい。これにより、対物レンズ１８の特性に応じて、アフォーカル光学系４及びフライアイレンズ６を適切な特性のものに交換することができ、照明ロスが生じにくい。
ここで、アフォーカル光学系４及びフライアイレンズ６を、照明光学装置１に対して着脱可能にして設けられる光学ユニット内に組み込むことで、光学ユニットを交換するだけで、アフォーカル光学系４及びフライアイレンズ６の交換を容易に行うことができる。
【００４３】
［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８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、アフォーカル光学系４の代わりに、アフォーカル光学系２２を設けたことを主たる特徴とするものである。
【００４４】
アフォーカル光学系２２は、複数の発光部２側に配置された第１群２２ａと、フライアイレンズ６側に配置された第２群２２ｂとを有している。
本実施形態では、第１群２２ａは凸レンズ２３によって構成され、第２群２２ｂは凹レンズ２４によって構成され、第１群２２ａが第２群２２ｂとの間で複数の発光部２の像を結像させずに光束の断面積を調整する構成とされている。
【００４５】
このように構成される照明光学装置２１では、アフォーカル光学系２２を構成する第１群２２ａ及び第２群２２ｂのレンズ（凸レンズ２３、凹レンズ２４）に要求されるパワーが小さくて済み、その分、収差の発生等が抑えられるので、光学設計が容易で、製造コストが低くて済む。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】本発明の第一実施形態に係る照明光学装置の構成の一部を示す図である。
【図１Ｂ】本発明の第一実施形態に係る照明光学装置の構成の一部を示す図である。
【図２】図１Ａに示す照明光学装置の発光部及びレンズアレイを光軸方向から見た図である。
【図３】図１Ａに示す照明光学装置のフライアイレンズを光軸方向から見た図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係る照明光学装置のアフォーカル光学系の他の構成例を示す図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係る照明光学装置のアフォーカル光学系の他の構成例を示す図である。
【図６Ａ】図１Ａに示す照明光学装置の発光部、レンズ素子、または要素レンズの配置の他の例を示す図である。
【図６Ｂ】図１Ａに示す照明光学装置の発光部、レンズ素子、または要素レンズの配置の他の例を示す図である。
【図７】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８】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１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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