(57)【要約】【課題】  光源発光部の大きさが小さくとも、所定の範囲にわたり、所定の開口数を持って照明を可能とすると同時に、被照明物体上での照度分布の均一性、輝度の方向特性を向上する。【解決手段】  互いにほぼ平行な複数の面１２ａ，１２ｂを持ち、各面１２ａ，１２ｂが所定の透過率及び反射率を有する光学素子であって、該所定の反射率及び透過率を有する実効的な面の数をｋ、但しｋは２以上の整数、とすると、該所定の反射率及び透過率を有する面１２ａ，１２ｂで受けた透過又は反射の回数の合計が２ｋ−１までの光に対してその強度、但し２ｋ−１の値が同じで異なる経路を辿る光に対してはその合計強度、がほぼ同じになるよう、前記各面１２ａ，１２ｂの透過率及び反射率が設定されてなることを特徴とする光学素子を提供する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いにほぼ平行な複数の面を持ち、各面が所定の透過率及び反射率を有する光学素子であって、該所定の反射率及び透過率を有する実効的な面の数をｋ、但しｋは２以上の整数、とすると、該所定の反射率及び透過率を有する面で受けた透過又は反射の回数の合計が２ｋ−１までの光に対してその強度、但し２ｋ−１の値が同じで異なる経路を辿る光に対してはその合計強度、がほぼ同じになるよう、前記各面の透過率及び反射率が設定されてなることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子を少なくとも１つ有する照明光学装置。
【請求項３】
互いにほぼ平行な複数の面を持ち、各面が所定の透過率及び反射率を有する光学素子を含む照明光学装置であって、前記各面が有する所定の透過率及び反射率は、入射する光に対して偏光依存性が小さいことを特徴とする照明光学装置。
【請求項４】
互いにほぼ平行な複数の面を持ち、各面が所定の透過率及び反射率を有する光学素子を二つ含み、該二つの光学素子が互いにねじれの位置関係に配置されてなることを特徴とする照明光学装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれかに記載の照明光学装置を備え、該照明光学装置によりなされる照明の形態がケーラー照明である光学装置。
【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、顕微鏡等の照明光学装置、及びこれに用いるのに好適な光学素子、更にはこの照明光学装置を用いた光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
投影装置、露光装置、顕微鏡等の光学装置の照明光学系においては、物体の所定範囲にわたって明るく、かつ、明るさの均一性が高く、所定の開口数（ＮＡ）をもって物体を照明できることが求められている。特に、明るさの均一性という点において、ケーラー照明を用いるのが一般的である。また、光源としては、目的により様々なものが用いられるが、半導体製造用露光装置や大型投影装置等、特に明るい照明が求められる光学装置においては、発光量の大きなものが必要となり、水源ランプやキセノンランプ等の放電灯あるいはレーザーが用いられる。また、顕微鏡でも蛍光観察の励起光源等としてこれらの光源がよく用いられている。
【０００３】
一方、一般に、正弦条件の成り立つレンズ系では物体の大きさ（光軸に垂直に見た直径）、照明光学系では光源発光部の大きさと、このレンズ系の入射側開口数との積は、射出側でも保存されるという性質がある。ところが、放電灯やレーザー等の光源の発光部の実効的な大きさは極めて小さいので、被照明物体の照明範囲あるいは照明の開口数（ＮＡ）が大きく制限される。また、放電灯の発光強度は、電極間を結ぶ方向に対する角度の依存性が強い。上記光学装置では、一般にケーラー照明が用いられるが、ケーラー照明は、光源の強度の角度方向特性については平均化効果がないので、ケーラー照明を用いても明るさむらが生じ易くなる。
【０００４】
そこで、上記の問題点を解決するため様々な方法が用いられている。例えば、半導体製造用露光装置や投影装置等では、非特許文献１に記載されているように、照明系にフライアイレンズ（ハエの目レンズ）を設けることで、光源からの光束を波面分割して多数の２次光源を形成し、見かけ上、発光部の大きさを大きくしている。
【０００５】
また、非特許文献２に記載されているように、フライアイレンズの代わりにライトパイプを用いることもあるが、作用は同様である。
更に、特許文献１には、フレイアイレンズとライトパイプとを併用する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、光束断面内の強度分布をホログラム素子の組み合わせにより均一化する方法が開示されている。
また、特許文献３には、光源からの光束に対して、第１の反射面で所定方向の偏光成分を反射すると共にそれに直交する偏光成分を透過させ、第１の反射面にほぼ平行に配置された第２の反射面で、第１の反射面を透過した光を反射させる方法が開示されている。この方法によれば、光源からの光束は偏光分割され、見かけ上２つの光源が形成され、光源の大きさが大きくなったことに相当する効果が得られる。
【特許文献１】特許第２７１２３４２号明細書
【特許文献２】特開２００２−２０２４１４号公報
【特許文献３】特開２０００−１２２０００号公報
【非特許文献１】「光学技術ハンドブック」、朝倉書店、２００２年、Ｐ．７３６
【非特許文献２】「光学技術ハンドブック」、朝倉書店、２００２年、Ｐ．７９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記非特許文献１に記載されたフライアイレンズを用いる方法によれば、フライアイレンズの各レンズ素子に対応して、多数の光源像が形成され、これが２次的な光源となる。これにより、見かけ上光源を大きくすることができるが、このときの２次光源面では、多数の光源像が離散して２次元的に並ぶことになる。この２次光源を用いてケーラー照明を行うと、被照明物体における照度分布は均一化されるが、輝度の方向特性はむしろ悪化し、本照明系の後に続く投影光学系の結像特性に影響が出る場合がある。また、フライアイレンズは、一般的に高価であり、装置の高価格化を招く一因となっていた。
また、上記非特許文献２に記載のライトパイプを用いる方法も、上述した非特許文献１に記載のフライアイレンズを用いる方法と基本的に作用効果が同じであって、同様の問題があった。また、素子として長いので、光学系が大型化する一因となっていた。
【０００８】
また、上記特許文献１に記載の方法によれば、上述した方法に比べ照度分布の均一化効果が更に高く、輝度の方向特性の問題もいくらか緩和されるが、装置が更に高価格化、大型化するという問題があった。
また、上記特許文献２に記載の方法は、光源にレーザーを用いる場合に有効である。レーザーは、多くの場合、ビーム断面強度分布がガウス分布となっているが、本方法によれば平坦な強度分布とすることができる。しかし、一般にホログラム素子は、光学特性の波長依存性が強く、一定の波長帯域を持つような光学系では用いることができない。
【０００９】
また、上記特許文献３に記載の方法によれば、簡単な光学系構成で見かけ上の光源を２つ形成することができ、明るさの均一化にも多少の効果はある。しかし、見かけ上の光源の数が僅か２つであるので、均一化効果は弱く、更には被照明物体のＸ方向、若しくは、Ｙ方向のいずれか一方向にしか効果がない。また、偏光分割によって見かけ上の２つの光源ができるので、これを用いてケーラー照明を行うと、被照明物体に偏光依存性がある場合、本照明系の後に続く投影光学系の結像特性に影響が出る場合がある。
【００１０】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、光源発光部の大きさが小さくとも、所定の範囲にわたり、所定の開口数をもって照明が可能であると同時に、被照明物体上での照度分布の均一性、輝度の方向特性が良好な光学素子、照明光学装置及び光学装置を提供することを目的とする。
更に、本発明は、簡単な光学系構成によって、装置の高価格化、大型化を招くことなく、これらを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、互いにほぼ平行な複数の面を持ち、各面が所定の透過率及び反射率を有する光学素子であって、該所定の反射率及び透過率を有する実効的な面の数をｋ、但しｋは２以上の整数、とすると、該所定の反射率及び透過率を有する面で受けた透過又は反射の回数の合計が２ｋ−１までの光に対してその強度、但し２ｋ−１の値が同じで異なる経路を辿る光に対してはその合計強度、がほぼ同じになるよう、前記各面の透過率及び反射率が設定されてなることを特徴とする光学素子を提供する。
【００１２】
この発明によれば、従来のフライアイレンズのような高価な光学素子ではなく、複数の面に所定の反射率及び透過率を持たせただけの容易な構成であるので、製作コストを低減することができる。
更に、ホログラムのように光の回折を利用するものではないので、光学特性の波長依存性を低くでき、所定の波長域を持つ光源に対しても用いることができる。
【００１３】
また、本発明は上記光学素子を少なくとも１つ有する照明光学装置を提供する。
この発明によれば、製造コストが低くかつ小型の光学素子を利用するので、装置全体の大型化及び高価格化を防止することができる。
【００１４】
本発明は、互いにほぼ平行な複数の面を持ち、各面が所定の透過率及び反射率を有する光学素子を含む照明光学装置であって、前記各面が有する所定の透過率及び反射率は、入射する光に対して偏光依存性が小さいことを特徴とする照明光学装置を提供する。
この発明によれば、照明した後に続く投影光学系の結像特性に偏光による影響を与えることはない。例えば、偏光依存性のある標本等を観察した場合においても、方向によって見え方が変わることはなく、より正確な観察が可能となる。
【００１５】
本発明は、互いにほぼ平行な複数の面を持ち、各面が所定の透過率及び反射率を有する光学素子を二つ含み、該二つの光学素子が互いにねじれの位置関係に配置されてなることを特徴とする照明光学装置を提供する。
この発明によれば。２次元的に広がった２次光源を形成することができる。
【００１６】
また、本発明は、上記照明光学装置を有し、該照明光学装置によりなされる照明の形態がケーラー照明である光学装置を提供する。
この発明によれば、ケーラー照明により照度むら及び輝度の方向依存性を低減した状態で、より均一に照明を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、照度分布が一様で、しかも輝度の方向依存性の少ない、従って照明の均一性が極めて高いと共に、光源発光部の大きさが小さくとも、必要な照明の開口数を確保しつつ所定の範囲にわたって照明が可能な照明光学装置を実現できる。
しかも、フライアイレンズのような高価な光学素子ではなく、１枚若しくは複数枚の平面基板の各面に、所定の透過率・反射率を持たせただけの極めて簡単な構造の光学素子を用いるので、安価に実現できる。
更に、この光学素子は小さいので、ライトパイプを用いた場合のように、装置の大型化を招くことがない。
また、この光学素子はホログラムのように光の回折は利用していないので、動作の波長依存性が極めて低く、所定の波長帯域を持つ光源に対しても用いることができる。
更に、この光学素子は、その動作において偏光依存性を利用していないので、本発明の照明光学装置の後に続く投影光学系の結像特性に偏光による影響が出るといった問題を生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の第１の実施形態に係る光学素子、照明光学装置及び光学装置について、図１〜図４を参照して説明する。
本実施形態においては、図１に示すように、光学装置を顕微鏡１として、照明光学装置を該顕微鏡１の照明光学系２に適用した場合について説明する。
上記顕微鏡１は、観察対像たる標本３を照明する上記照明光学系２と、標本３を観察する観察光学系４とを備えている。なお、標本３は、一般には、スライドガラス上に載置されるものである。
【００１９】
上記照明光学系２は、光源発光部１０、反射鏡１１、第１の反射素子（光学素子）１２、第２の反射素子（光学素子）１３、コレクターレンズ１４、視野絞り１５、開口絞り１６、コンデンサーレンズ１７及び照明側フィルター１８を備えている。
上記光源発光部１０は、例えば、高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の放電灯の電極間に形成される発光部である。上記反射鏡１１は、回転楕円面を有する反射鏡であり、該反射鏡１１の第１焦点に上記光源発光部１０を配置している。
【００２０】
上記第１の反射素子１２は、ガラス等の透光性の部材を基板とし、その両面には、互いにほぼ平行に配される面、すなわち、第１の面１２ａ及び第２の面１２ｂを有する。
また、２つの面１２ａ，１２ｂには、例えば、誘電体多層膜が形成されてなり、所定の波長域にわたって、それぞれ所定の反射率及び透過率を有している。但し、第２の面１２ｂは、反射率が１００％に近いことが望ましい。更に、２つの面１２ａ，１２ｂの反射率及び透過率は、大きな偏光依存性を持たないよう、すなわち、各面１２ａ，１２ｂに入射する光に対して偏光依存性が小さくなるように設定されている。
【００２１】
なお、本実施形態において、反射率、あるいは、透過率が大きな偏光依存性を持たないとは、任意の一方向の偏光に対する反射率、あるいは、透過率が、それに直交する方向の偏光に対する反射率、あるいは、透過率と比べて５０％以上２００％以内であることを意味する。
また、第１の面１２ａは、反射鏡１１の回転楕円面の対称軸に対してほぼ４５度の角度をなして配置されている。更に、光源発光部１０と第１の反射素子１２との間に、不要な赤外光を除去するための図示しない赤外光除去フィルターを挿入してもよい。
【００２２】
上記第２の反射素子１３は、第１の反射素子１２と同様な光学素子である。すなわち、第２の反射素子１３は、ガラス等の透光性光学材料を基板とし、その両面には、互いにほぼ平行な第１の面１３ａ及び第２の面１３ｂを有している。また、この２つの面１３ａ、１３ｂは、例えば、誘電体多層膜を備え、所定の波長域にわたって、それぞれ所定の反射率及び透過率を有する。但し、第２の面１３ｂは、反射率が１００％に近いことが望ましい。更に、２つの面１３ａ、１３ｂの反射率及び透過率は、大きな偏光依存性を持たないように設定されている。
【００２３】
上記第１の反射素子１２及び第２の反射素子１３は、対向する２つの面１２ａ，１３ａの法線がねじれの位置関係となるように配置されている。すなわち、第１の反射素子１２の第１の面１２ａは、図１における紙面に対してほぼ４５度となり、反射鏡１１の回転楕円面の対称軸が紙面に対して垂直となるような位置関係に配置されている。
なお、図１においては、図示の便宜上、第１の反射素子１２の各面１２ａ，１２ｂと第２の反射素子１３の各面１３ａ、１３ｂとが平行であるように示されている。
【００２４】
上記視野絞り１５は、コンデンサーレンズ１７に関して標本３と共役な位置に設けられ、上記開口絞り１６は、コンデンサーレンズ１７の前側焦平面の位置に設けられている。また、開口絞り１６は、図２に示すように、光が通過する開口１６ａを有し、該開口１６ａはその大きさが可変となっている。
【００２５】
コンデンサーレンズ１７は、対物レンズ２０の開口数によって、交換可能であることが望ましい。
上記照明側フィルター１８は、本顕微鏡１を用いて蛍光観察を行う場合等に挿入されるフィルターであり、その設置位置は、図１に示される位置に限られるものではなく、用途により、照明光学系２の中で適宜配置することができる。
これらコレクターレンズ１４、視野絞り１５、開口絞り１６及びコンデンサーレンズ１７は、光軸Ａに沿って配置される。光軸Ａは、第２の反射素子１３とほぼ４５度で交わる。
【００２６】
上記観察光学系４は、対物レンズ２０、観察側フィルター２１、結像レンズ（鏡筒レンズとも称される）２２、俯視プリズム２３、接眼レンズ２４、リレーレンズ２５及び撮像手段２６を備えている。
図１では、上記対物レンズ２０は、標本３がその前側焦平面に置かれる無限遠補正のレンズとして描かれているが、有限遠補正レンズでもよい。この場合には、結像レンズ２２は不要である。
上記観察側フィルター２１は、本顕微鏡１を用いて蛍光観察を行う場合等に挿入されるフィルターである。上記俯視プリズム２３は、結像レンズ２２を射出した光の一部を振幅分割によって分割し、接眼レンズ２４に導くプリズムである。なお、俯視プリズム２３と接眼レンズ２４との間に図示しない双眼プリズムを配置し、接眼レンズ２４を２つ用いて両眼で観察できるように構成してもよい。
【００２７】
上記リレーレンズ２５は、所定の倍率を持ったレンズであって、対物レンズ２０と結像レンズ２２とによって形成された拡大像を上記撮像手段２６に伝達し、再結像させるものである。撮像手段２６には、ＣＣＤ（電荷結合素子）等のイメージセンサーや、写真フィルムなどを用いることができる。
【００２８】
このように構成された顕微鏡光学系１の動作について以下に説明する。但し、対物レンズ２０から撮像手段２６までを含む観察光学系４の動作は、通常の顕微鏡における観察光学系の動作と同様であるため、説明は省略する。
光源発光部１０は、回転楕円面を有する反射鏡１１の第１焦点の近傍に局在しているので、光源発光部１０から発せられて反射鏡１１で反射された光３０は、反射鏡１１の第２焦点の近傍に向かう。光３０は、収束光となって、必要に応じて設けられる赤外光除去フィルター等を通過後、所定の波長域を有する光として、第１の反射素子１２に入射する。
【００２９】
第１の反射素子１２の第１の面１２ａは、所定の反射率及び透過率を有しているので、これに入射した光３０は、この反射率及び透過率に従って一部は反射し、一部は透過する。第１の面１２ａで反射した光３１は、そのまま第２の反射素子１３に向かう。一方、第１の面１２ａを透過した光３２は、第２の面１２ｂに向かい、該第２の面１２ｂで高い反射率をもって反射されて再度第１の面１２ａに入射する。第１の面１２ａに再度入射した光３２は、第１の面１２ａの反射率及び透過率に従って一部は反射し、一部は透過して光３３として第２の反射素子１３に向かう。
【００３０】
この際、第１の面１２ａと第２の面１２ｂとは、ほぼ平行に配されているので、光３１及び光３３はほぼ平行となって、第２の反射素子１３の第１の面１３ａに入射する。
但し、第１の反射素子１２と第２の反射素子１３とは、それらの法線がねじれの位置関係に配置されているので、光３１，３３は、第１の面１３ａに入射するときに、図１に示すＹ方向（紙面に垂直な方向）にずれた状態で入射する。
【００３１】
第２の反射素子１３に入射した光３１，３３は各々、光３０が第１の反射素子１２に入射したときと同様の作用を受け、光３１ａ，３１ｂ及び光３３ａ，３３ｂとなってコレクターレンズ１４に向かう。このとき、光３１ａ，３１ｂ及び光３３ａ，３３ｂは、コレクターレンズ１４に入射する前に、それぞれ反射鏡１１の回転楕円面の第２焦点に対応する位置に、光源発光部１０の像４０〜４３を結ぶ。
【００３２】
厳密には、光３１ａ，３１ｂ及び光３３ａ，３３ｂは、第１の反射素子１２及び第２の反射素子１３の第１の面１２ａ，１３ａで反射するか、ここを透過し第２の面１２ｂ，１３ｂで反射するかにより、光軸Ａの方向に関して光源発光部１０の像を結ぶ位置が異なるが、光源発光部１０から回転楕円面の反射面を経て第２焦点に至るまでの光路長に比べて、第１の反射素子１２及び第２の反射素子１３の中を通過する際の光路長は極めて短いので、実質的には同じ面内に光源発光部１０の像が４個形成されると考えて良い。
なお、図１においては、回転楕円面の第２焦点に対応する位置は、第２の反射素子１３とコレクターレンズ１４との間にあるよう示しているが、これに限られるものではなく、例えば、第１の反射素子１２と第２の反射素子１３との間に位置してもよい。
【００３３】
コレクターレンズ１４に入射した光３１ａ，３１ｂ及び光３３ａ３３ｂは、必要により配置される照明側フィルター１８、視野絞り１５を通過して、図２に示すように、開口絞り１６の位置に光源発光部１０の像４５〜４８を形成する。
図２は、開口絞り１６を光軸Ａの方向に見た図であり、開口１６ａの大きさが最大になっている状態を示す。これら光源発光部１０の像４５〜４８は、反射鏡１１の第２焦点近傍に形成された光源発光部１０の像４０〜４３が、所定倍率でコレクターレンズ１４によってリレーされたものと考えることもできる。
【００３４】
図２に示す通り、光源発光部１０の像４５と像４６、像４７と像４８とは、重なりを残してＹ方向に少しずれた位置に、また、Ｙ軸に関して対称的に形成される。このずれは、第１の反射素子１２の作用による。
同様に、光源発光部１０の像４５と４７、像４６と４８とは、重なりを残してＸ方向に少しずれた位置に形成される。このずれは、第２の反射素子１３の作用による。
【００３５】
従って、上述したずれ量は、第１の反射素子１２及び第２の反射素子１３の厚さ、あるいは、屈折率を適宜選ぶことで調整することができる。このように、光源発光部１０の像４５〜４８の明るさが、おおよそ等しければ光源発光部１０に、場所による光強度にむらがあったとしても、開口絞り１６の位置では複数の光源像がずれて重なるので、場所による明るさむらの少ない２次光源が形成される。同時に光源として見かけの大きさも大きくなるので、必要な照明の開口数を確保し易くなる。
【００３６】
ここで、第１の反射素子１２及び第２の反射素子１３の各面１２ａ〜１３ｂの反射率及び透過率の設定について、図３を参照して説明する。
図３は、図１に示す光源部（光源発光部１０と反射鏡１１）及び第１の反射素子１２のみを取り出した図である。
【００３７】
上述したように、開口１６ａにおける明るさむらを小さくするためには、光源発光部１０の像４５〜４８の明るさがおおよそ等しい必要がある。これを実現するためには、光源部を発し、第１の反射素子１２に入射する光３０が、第１の面１２ａで反射されて得られる光３１の強度と、光３０が第１の面１２ａを透過し、第２の面１２ｂで反射されて再び第１の面１２ａを透過して得られる光３３の強度がおおよそ等しくなるよう、第１の面１２ａの反射率及び透過率を設定する。
具体的には、第１の面１２ａに形成される膜の吸収は無視し得るほど小さいものとし、また、第２の面１２ｂの反射率をほぼ１００％とすると、第１の面１２ａの反射率を約３８％、よって、透過率は約６２％とすればよい。
【００３８】
但し、実際上は、図３に示すように、第１の面１２ａを透過した光３２が、第２の面１２ｂで反射、第１の面１２ａで反射（光３５）、第２の面１２ｂで反射、第１の面１２ａを透過という経路で出てくる光３７があり、第２の反射素子１３においても同様に、第２の反射面１３ｂで２回反射して出てくる光がある。
これによって、開口絞り１６においては、図４に示すように、主たる光源発光部１０の像４５〜４８とは別の、光源発光部１０の像４９が形成され、その一部が開口１６ａにかかるので開口１６ａ内の明るさ分布の均一性をいくらか悪化させる要因となる。
【００３９】
しかし、光源発光部１０の像４９のそれぞれが、開口１６ａを通過する強度は、第１の面１２ａの反射率を約３８％としたとき、光源発光部の像４５〜４８の強度に比べると、高々１５％程度である。しかも、顕微鏡１は、通常開口絞り１６をいくらか絞った状態、すなわち、開口１６ａの大きさがいくらか小さい状態で使用されることが多いので、更に影響は小さくなり実質的には無視できる。
【００４０】
開口絞り１６を開放で使用することが多いような場合には、第１の面１２ａの反射率を４０％〜４５％程度に設定すると、開放状態の開口１６ａ内の明るさ分布の均一性を多少改善することができる。なお、第１の反射素子１２の第２の面１２ｂ、あるいは、第２の反射素子１３の第２の面１３ｂで３回以上反射して出てくる光もあるが、開放時でも開口１６ａを通過しないので、無視できる。
【００４１】
このように、開口絞り１６の開口１６ａには、光源発光部１０の複数の像がずれて重なることによって、明るさむらの少ない２次光源が形成され、コンデンサーレンズ１７を介して標本１２を照明する。このときの照明は、一般の顕微鏡における照明と同様、ケーラー照明となっている。従って、標本１２では、照度むらが少ないのみならず、輝度の方向依存性も少なくなるので、より均一な照明が可能となる。
つまり、本発明によれば、照度分布が一様で、しかも輝度の方向依存性の少ない、従って、照明の均一性が極めて高く、光源発光部１０の大きさが小さくとも、必要な照明の開口数を確保しつつ所定の範囲にわたって照明が可能な照明光学系２を実現することができる。
【００４２】
また、第１の反射素子１２及び第２の反射素子１３の各面１２ａ〜１３ｂの反射、透過特性は大きな偏光依存性を持たないので、光源発光部１０の像４５〜４８の偏光度は小さく、偏光依存性のある標本１２を観察した場合でも、標本の方向によって見え方が変わる等の不具合を生じない。
【００４３】
また、第１の反射素子１２及び第２の反射素子１３は、従来のフライアイレンズのような高価な光学素子ではなく、各面１２ａ〜１３ｂに所定の反射率及び透過率を持たせただけの容易な構成であるので、製作コストを低減することができる。また、従来のライトパイプとは異なり、小型に製作できるので、コンパクト化を図ることができる。更に、第１の反射素子１２及び第２の反射素子１３は、ホログラムのように光の回折は利用していないので、光学特性の波長依存性が極めて低く、所定の波長帯域を持つ光源に対しても用いることができる。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施形態に係る光学素子、照明光学装置及び光学装置について、図５から図７を参照して説明する。なお、この実施形態の説明においては、上述した第１の実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
【００４５】
本実施形態においては、全体的な光学系構成は、第１実施形態と同様であるが、第１の反射素子及び第２の反射素子の構成と動作において第１の実施形態と相違している。
図５に、本実施形態における第１の反射素子（光学素子）５０を示す。本実施形態における第２の反射素子も、第１の反射素子５０と全く同様の構成である。
【００４６】
第１の反射素子５０は、図５に示すように、ガラス等の透光性光学材料からなる２枚の基板、すなわち、第１の基板５１と第２の基板５２が貼り合わされて構成されており、第１の基板５１の第１の面５３、第１の基板５１の第２面と第２の基板５２の第１面の接合面である面５４及び第２の基板５２の第２の面５５は、互いにほぼ平行となっている。
【００４７】
上記第１の基板５１及び第２の基板５２は、材料及び厚さをそれぞれ異なるように構成してもよいが、本実施形態では共に同一のものとして説明する。上記３つの面５３，５４，５５（各々第１の反射素子の第１面、第２面、第３面）には、例えば、誘電体多層膜が形成されており、これら３つの面５３，４５，５５は、所定の波長域にわたって、それぞれ所定の反射率及び透過率を有する。但し、第３面５５は、反射率が約１００％に近いことが望ましい。更に、３つの面５３，５４，５５の反射率及び透過率は、大きな偏光依存性を持たないように構成されている。
【００４８】
このように構成された本実施形態に係る第１の反射素子５０及び第２の反射素子を有する照明光学系２の動作について以下に説明する。
第１の実施形態と同様、光源発光部１０から発せられた光６０は、収束光となって、必要に応じて設けられる赤外光除去フィルター等（不図示）を通過後、所定の波長域を持つ光として、第１の反射素子５０に入射する。
【００４９】
第１の反射素子５０の第１の面５３は、所定の反射率及び透過率を有するので、これに入射した光６０は、この反射率及び透過率に従って一部は反射され、一部は透過する。第１の面５３で反射した光６１は、そのまま第２の反射素子に向かう。
一方、第１の面５３を透過した光６２は、第２の面５４に入射し、面５４の反射率及び透過率に従って一部は反射し、一部は透過する。面５４において反射した光６３は、第１の面５３に再度入射し、第１の面５３の反射率及び透過率に従って、一部は反射し、一部は透過する。ここを透過した光６４は第２の反射素子に向かい、反射した光６５は第２の面５４に向かう。
【００５０】
また、面５４を透過した光６６は、第３の面５５で高い反射率をもって反射され、第２の面５４に再度入射し、その透過率及び反射率に従って、一部は反射し、一部は透過する。このように、第１の反射素子５０に入射した光６０は、各面５３，５４，５５の反射率及び透過率に従って分岐し、反射及び透過を所定回数繰り返して第１の反射素子５０から、光６１，６４，６７，６８等として射出する。
【００５１】
更に詳細に説明すると、第１の面５３での透過をＴ１、反射をＲ１、第２の面５４での透過をＴ２、反射をＲ２、第３の面５５での透過をＴ３、反射をＲ３と表記すると、光６１はＲ１として、光６４はＴ１Ｒ２Ｔ１の経路を辿った光として、光６７はＴ１Ｔ２Ｒ３Ｔ２Ｔ１、及びＴ１Ｒ２Ｒ１Ｒ２Ｔ１の２通りの経路を辿った光の重ね合わせとして、光６８はＴ１Ｒ２Ｒ１Ｒ２Ｒ１Ｒ２Ｔ１、Ｔ１Ｒ２Ｒ１Ｔ２Ｒ３Ｔ２Ｔ１、Ｔ１Ｔ２Ｒ３Ｒ２Ｒ３Ｔ２Ｔ１、及びＴ１Ｔ２Ｒ３Ｔ２Ｒ１Ｒ２Ｔ１の４通りの経路を辿った光の重ね合わせとして射出する。
更に、反射及び透過の回数が多い光も出てくるが、強度は弱く、また、開口絞り１６に達した段階で殆ど遮られて照明には寄与しないので、以降の説明では無視する。
【００５２】
次に、これらの光６１，６４，６７，６８は、第２の反射素子に入射し、それぞれ第１の反射素子５０に入射した光６０と同様の作用を受ける。第２の反射素子を出た光は、第１の実施形態と同様に、コレクターレンズ１４を介して開口絞り１６の位置に、光源発光部１０の像を複数形成する。
この様子を図６に示す。図６は、開口絞り１６を光軸Ａの方向に見た図である。図６に示すように、光源発光部１０の複数の像７０は、隣接する像の間で重なりを残しつつずれた状態で、Ｘ方向及びＹ方向に並ぶ。このとき、主たる光源発光部１０の像７０は、第１の実施形態が４個であったのに対し、９個できる。これら９個の主たる光源発光部１０の像７０は、第１の反射素子５０及び第２の反射素子の各々において反射と透過の合計回数が５回以下の光（第１の反射素子５０では、光６１，６４，６７）によって形成される像である。
【００５３】
図６に示す像７１は、第１の反射素子５０又は第２の反射素子において、反射と透過の合計回数が７回の光（第１の反射素子５０では、光６８）によって形成される光源発光部１０の像である。なお、図６では、光源発光部１０の像７０は、隣接する像の間のみで部分的に重なっているように示しているが、各像の大きさと間隔によっては、隣接する像の間のみではなく、２つ以上隣りの像とも部分的に重なることもある。
【００５４】
ここで、第１の反射素子５０の第１の面５３の反射率を約２４％、従って、透過率を約７６％、第２の面５４の反射率を約４１％、従って、透過率を約５９％、第３の面５５の反射率をほぼ１００％と設定すると、光６１，６４，６７（すなわち、透過又は反射の合計回数が５回以下（式２ｋ−１より算出、但しｋ＝３）の光）の強度はほぼ同じになり、光６８の強度は光６１，６４，６７の強度の約半分となる。
【００５５】
なお、光６４，６７は、それぞれ異なる経路を辿った光が重ね合わされた状態で射出する光であるが、光６４，６７の強度は各々、その合計強度である。
第２の反射素子についても同様の設定とすると、光源発光部１０の９個の主たる像７０の強度はほぼ同じとなり、これらが像の間で重なりを残しつつ、均等に配列されるので、開口１６ａには明るさの均一な２次光源が形成される。しかも、第１の実施形態に比べ、形成される光源発光部１０の主たる像７０の数が９個と多いので、明るさの平均化効果が高く、より均一性の高い２次光源を実現できる。
【００５６】
第１の実施形態の場合と同様に、図６のように、光源発光部１０の像７１の一部が、開口１６ａにかかる場合もあり、このとき、開口１６ａの明るさ分布の均一性をいくらか悪化させる要因となる。しかし、この場合も、開口絞り１６を多少絞ることで、影響は殆どなくなる。また、開口絞り１６を開放で使用することが多いような場合には、光の利用効率が若干悪化するが、図７に示すように、光源発光部１０の像７０及び７１の間隔をいくらか広げることで、光源発光部１０の像７１を開口１６ａにかからないようにすることができる。光源発光部１０の像７０及び７１の間隔を広げるのは、第１の反射素子５０及び第２の反射素子の面間隔を適宜広げることで可能である。
以上のように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を有しつつ、更に、均一性の高い照明光学系２を実現できる。
【００５７】
次に、本発明の第３の実施形態に係る光学素子、照明光学装置及び光学装置について、図８及び図９を参照して説明する。なお、この第３の実施形態においては、第１の実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
【００５８】
本実施形態においては、全体的な光学系構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の反射素子及び第２の反射素子の構成と動作において第１の実施形態と相違している。
図８に、本実施形態における第１の反射素子（光学素子）８０を示す。なお、本実施形態における第２の反射素子は、第１の反射素子８０と全く同様の構成である。
【００５９】
上記第１の反射素子８０は、図８に示すように、ガラス等の透光性光学材料からなる２枚の基板、すなわち、第１の基板８１と第２の基板８２とが、所定の間隔をあけて配置された構成となっている。また、第１の基板８１と第２の基板８２とは、枠（不図示）によって一体的に保持されている。また、第１の基板８１及び第２の基板８２は、各々ほぼ平行な２つの面、すなわち、第１の反射素子８０の第１となる面８３と同じく第２の面８４、及び同じく第３の面８５と同じく第４の面８６を有し、第２の面８４と第３の面８５もほぼ平行になるように配置されている。第１の基板８１及び第２の基板８２は、材料及び厚さがそれぞれ異なるように構成してもよいが、本実施形態では共に同一として説明する。
上記４つの面８３，８４，８５，８６には、例えば、誘電体多層膜が形成されており、所定の波長域にわたって、それぞれ所定の反射率及び透過率を有する。但し、第４の面８６は、反射率が約１００％に近いことが望ましい。更に、４つの面８３，８４，８５，８６の反射率及び透過率は、大きな偏光依存性を持たないように構成されている。
【００６０】
ここで、第１の基板８１と第２の基板８２との間隔Ｓは、第１の基板８１の厚さをｄ、屈折率ｎとして、次式に基づいて設定されている。
【００６１】
【数１】
2005309288.tif 000003
【００６２】
上記間隔Ｓは、この式によって求まる値から±５０％程度の範囲でずらして設定してもよいが、本実施形態ではこの式によって求まる値に設定する。
更に別の構成として、第２の面８４と第３の面８５との間を空隙とせず、第１の基板８１あるいは第２の基板８２と同様の基板を３枚貼り合わせて、その接合面をもって、第２の面８４及び第３の面８５としてもよい。
【００６３】
このように構成された第１の反射素子８０及び第２の反射素子を有する照明光学系２の動作について以下に説明する。
第１の実施形態と同様、光源発光部１０から発せられた光９０は、収束光となって、必要に応じて設けられる赤外光除去フィルター等（不図示）を通過後、所定の波長域を持つ光として、第１の反射素子８０に入射する。その後、第２の実施形態と同様に、各面８３，８４，８５，８６で反射、あるいは透過を所定回数繰り返し、光９１，９２，９３，９４，９５等として第１の反射素子８０より射出する。
【００６４】
更に詳細には、第１の面８３での透過をＴ１、反射をＲ１、第２の面８４での透過をＴ２、反射をＲ２、第３の面８５での透過をＴ３、反射をＲ３、第４の面８６での反射をＲ４として表記すると、光９１はＲ１として、光９２はＴ１Ｒ２Ｔ１の経路を辿った光として、光９３はＴ１Ｔ２Ｒ３Ｔ２Ｔ１、及びＴ１Ｔ２Ｒ１Ｒ２Ｔ１の２通りの経路を辿った光の重ね合わせとして、光９４はＴ１Ｒ２Ｒ１Ｒ２Ｒ１Ｒ２Ｔ１、Ｔ１Ｒ２Ｒ１Ｔ２Ｒ３Ｔ２Ｔ１、Ｔ１Ｔ２Ｒ３Ｒ２Ｒ３Ｔ２Ｔ１、Ｔ１Ｔ２Ｒ３Ｔ２Ｒ１Ｒ２Ｔ１、及びＴ１Ｔ２Ｔ３Ｒ４Ｔ３Ｔ２Ｔ１の５通りの経路を辿った光の重ね合わせとして、光９５はＴ１Ｒ２Ｒ１Ｒ２Ｒ１Ｒ２Ｒ１Ｒ２Ｔ１、Ｔ１Ｒ２Ｒ１Ｔ２Ｒ３Ｔ２Ｒ１Ｒ２Ｔ１、Ｔ１Ｒ２Ｒ１Ｔ２Ｔ３Ｒ４Ｔ３Ｔ２Ｔ１等の１３通りの経路を辿った光の重ね合わせとして射出する。
更に、反射及び透過の回数が多い光も出てくるが、強度は弱く、また、開口絞り１６に達した段階で殆ど遮られて照明には寄与しないので、以降の説明では無視する。
【００６５】
次に、上記光９１，９２，９３，９４，９５は、第２の反射素子に入射し、それぞれ第１の反射素子８０に入射した光９０と同様の作用を受ける。第２の反射素子を射出した光は、第１の実施形態と同様に、コレクターレンズ１４を介して開口絞り１６の位置に、光源発光部１０の像を複数形成する。
この様子を図９に示す。図９は、開口絞り１６を光軸Ａの方向に見た図である。図９に示すように、光源発光部１０の複数の像１００は、隣接する像の間で重なりを残しつつずれた状態で、Ｘ方向及びＹ方向に並ぶ。このとき、光源発光部１０の主たる像１００は、第２の実施形態では９個であったのに対し、１６個形成されることになる。これら１６個の光源発光部１０の主たる像１００は、第１の反射素子８０及び第２の反射素子の各々において反射と透過の回数が７回以下の光（第１の反射素子８０では、光９１，９２，９３，９４）によって形成される像である。
【００６６】
図９に示す像１０１は、第１の反射素子８０又は第２の反射素子において、反射と透過の合計回数が９回の光（第１の反射素子８０では、光９５）によって形成される光源発光部１０の像である。なお、図９では、光源発光部１０の像１００は、隣接する像の間のみで部分的に重なるように示しているが、各像の大きさと間隔によっては、隣接する像の間のみではなく、２つ以上隣りの像とも部分的に重なることもある。
【００６７】
ここで、第１の反射素子８０の第１の面８３の反射率を約１７％、従って、透過率を約８３％、第２の面８４の反射率を約２５％、従って、透過率を約７５％、第３の面８５の反射率を約４２％、従って、透過率を約５８％、第４の面８６の反射率をほぼ１００％と設定すると、光９１，９２，９３，９４（すなわち、透過又は反射の合計回数が７回以下（式２ｋ−１より算出、但しｋ＝４）の光）の強度はほぼ同じになり、光９５の強度は光９１，９２，９３，９４の強度の約半分となる。
【００６８】
なお、光９２，９３，９４は、それぞれ異なる経路を辿った光が重ね合わされた状態で射出する光であるが、光９２，９３，９４の強度は各々その合計強度である。
第２の反射素子についても、同様の設定をすると、１６個の光源発光部１０の主たる像１００の強度はほぼ同じとなり、これらが隣接する像の間で重なりを残しつつ、ずれた状態で均等に配列されるので、開口１６ａには明るさの均一な２次光源が形成される。しかも、第２の実施形態に比べ、形成される光源発光部１０の主たる像１００の数が１６個と多いので、明るさの平均化効果が高く、より一層均一性の高い２次光源を実現できる。
【００６９】
しかし、図９のように、光源発光部１０の像１０１の一部が、開口１６ａにかかる場合もあり、開口１６ａの明るさ分布の均一性をいくらか悪化させる要因となる。但し、この場合も、第２の実施形態と同様、開口絞り１６を多少絞ることで、影響は殆どなくなる。また、開口絞り１６を開放で使用することが多いような場合には、光の利用効率が若干悪化するが、第２実施形態と同様、光源発光部１０の像１００，１０１の間隔をいくらか広げることで、光源発光部１０の像１０１を開口１６ａにかからないようにすることができる。光源発光部１０の像１００，１０１の間隔を広げるのは、第１の反射素子８０及び第２の反射素子の面間隔を適宜広げることで可能である。
以上のように、本実施形態によれば、第１、第２の実施形態と同様の作用効果を有しつつ、第２の実施形態より更に均一性の高い照明光学系２が実現できる。
【００７０】
なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態において、第１の反射素子及び第２の反射素子に、更に基板等を追加して反射、透過面の数を増やしてもよい。このとき、第１の反射素子又は第２の反射素子が持つ、所定の反射率、透過率を有する実効的な面の数（接合面は１面とする）をｋ（ｋは２以上の整数）とすると、これらの面で受けた透過又は反射の回数の合計が、２ｋ−１までの光に対してその強度（２ｋ−１の値が同じで異なる経路を辿る光に対してはその合計強度）がほぼ同じになるよう、各面の透過率及び反射率を設定するとよい。このようにすると、開口絞りにはより多くの光源発光部の像が形成され、平均化効果を高められる。
【００７１】
また、第１の反射素子と第２の反射素子の透過・反射面の数を異なるように構成すると、Ｘ方向とＹ方向とで大きさの異なる２次光源を形成できる。これは、特殊な場合として、第１の反射素子、あるいは、第２の反射素子のいずれか一方がない場合も含む。
更に、上記各実施形態においては、光学装置を顕微鏡として説明したが、顕微鏡への応用に限られるものではなく、露光装置、投影装置等、各種の光学装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係る顕微鏡の第１の実施形態を示す図であって、全体光学系を示す図である。
【図２】図１に示す顕微鏡の開口絞りを光軸の方向に見た状態を示す図であって、開口に主たる光源発光部の像が形成された状態を示す図である。
【図３】図１に示す顕微鏡の第１の反射素子及び光源発光部を示す図であって、第１の反射素子に入射した光が透過及び反射を繰り返して複数の光に分岐して射出される状態を示す図である。
【図４】図２に示す開口絞りに、主たる光源発光部の像と、該像とは別の光源発光部の像とが形成された状態を示す図である。
【図５】本発明に係る顕微鏡の第２の実施形態における第１の反射素子及び光源発光部を示す図であって、第１の反射素子に入射した光が透過及び反射を繰り返して複数の光に分岐して射出される状態を示す図である。
【図６】本発明に係る顕微鏡の第２の実施形態における顕微鏡の開口絞りを光軸の方向に見た状態を示す図であって、主たる光源発光部の像と、該像とは別の光源発光部の像とが形成された状態を示す図である。
【図７】図６に示す状態から、主たる光源発光部の像と、該像とは別の光源発光部の像との間隔を広げ、別の光源発光部の像を開口にかからないようにした状態を示す図である。
【図８】本発明に係る顕微鏡の第３の実施形態における第１の反射素子及び光源発光部を示す図であって、第１の反射素子に入射した光が透過及び反射を繰り返して複数の光に分岐して射出される状態を示す図である。
【図９】本発明に係る顕微鏡の第３の実施形態における顕微鏡の開口絞りを光軸の方向に見た状態を示す図であって、主たる光源発光部の像と、該像とは別の光源発光部の像とが形成された状態を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１    顕微鏡（光学装置）
２    照明光学系（照明光学装置）
１２，５０，８０    第１の反射素子（光学素子）
１２ａ，１３ａ，５１，８３    第１の面
１２ｂ，１３ｂ，５２，８４    第２の面
１３    第２の反射素子（光学素子）
５３，８５    第３の面
８６    第４の面
【図１】
2005309288.tif 000004
【図２】
2005309288.tif 000005
【図３】
2005309288.tif 000006
【図４】
2005309288.tif 000007
【図５】
2005309288.tif 000008
【図６】
2005309288.tif 000009
【図７】
2005309288.tif 000010
【図８】
2005309288.tif 000011
【図９】
2005309288.tif 000012