(57)【要約】【課題】  テレセントリック照明光学系と光照射面との間隔が照明エリアの辺の長さより短い場合でも、照明一様性を崩すことなくモニタ光を取り出すことができ、光量モニタのセンサと周辺の構造物との干渉も回避できる照明光学装置を提供する。【解決手段】  テレセントリック照明光学系１３と光照射面１０ａとの間に配置され、光学系からの光Ｌ１のうち、一部を照明光Ｌ２として光照射面に導くと共に、残りの一部をモニタ光Ｌ３として光照射面とは異なる方向に導くプリズム型のビームスプリッタ１４と、モニタ光の光量を測定する手段１５とを備える。ビームスプリッタは、光軸１３ａに垂直な第１面２１と、該第１面に対して斜めに形成された第２面２２と、第１面に平行な第３面２３とを有する。第１面と第２面と第３面とを順に透過した光が照明光となる。第１面を透過して第２面で反射して第１面で反射した光がモニタ光となる。【選択図】      図１
2005346008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源または光源像の位置と光照射面との間に配置され、かつ、前記光照射面をテレセントリック照明するように配置された光学系と、
前記光学系と前記光照射面との間に配置され、前記光学系からの光のうち、一部を照明光として前記光照射面に導くと共に、残りの一部をモニタ光として前記光照射面とは異なる方向に導くプリズム型のビームスプリッタと、
前記モニタ光の光量を測定する測定手段とを備え、
前記ビームスプリッタは、前記光学系側から順に、前記光学系の光軸に垂直な第１面と、該第１面に対して斜めに形成された第２面と、前記第１面に平行な第３面とを有し、前記光学系からの光のうち、前記第１面と前記第２面と前記第３面とを順に透過した光を前記照明光とすると共に、前記第１面を透過して前記第２面に入射し、該第２面で反射して前記第１面に入射し、該第１面で反射した光を前記モニタ光とする
ことを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明光学装置において、
前記ビームスプリッタは、前記第１面と前記第２面との間の第１領域および前記第２面と前記第３面との間の第２領域を満たす媒質の屈折率が等しく、該屈折率をｎとし、前記第１面と前記第２面との成す角度をθとするとき、次の条件式(１)を満足する
１ ＞ sin２θ ≧ １/ｎ  …(１)
ことを特徴とする照明光学装置。
【請求項３】
請求項２に記載の照明光学装置において、
前記ビームスプリッタの前記第２面は、前記第１領域に対応する光学部材と前記第２領域に対応する光学部材とが接着剤によって接合された面であり、前記第１面からの光を、前記媒質の屈折率ｎと前記接着剤の屈折率との差に応じた比率で、透過光と反射光とに振幅分割する
ことを特徴とする照明光学装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の照明光学装置において、
前記測定手段は、前記光照射面と共役な位置の近傍に配置された測光手段を有する
ことを特徴とする照明光学装置。
【請求項５】
請求項４に記載の照明光学装置において、
前記測定手段の前記測光手段は、二次元撮像素子である
ことを特徴とする照明光学装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の照明光学装置において、
前記光学系は、視野絞りと開口絞りとを含み、前記光照射面をケーラー照明する
ことを特徴とする照明光学装置。
【請求項７】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の照明光学装置において、
前記光学系は、光量分布均一化部材を含む
ことを特徴とする照明光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光照射面を均一に照明する照明光学装置に関し、特に、光照射面の比較的広い範囲の均一照明に好適な照明光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光照射面を均一に照明する方法として、テレセントリック照明が知られている。コンデンサレンズによってテレセントリック照明を行う場合、コンデンサレンズの前側焦点面に例えば光源を配置し、コンデンサレンズの後側焦点面を光照射面とする。この場合、コンデンサレンズから光照射面に向かう光は、その主光線がコンデンサレンズの光軸と平行になる。したがって、光照射面を概ね均一に照明することができる。
【０００３】
さらに、この種の照明光学装置では、光照射面における光量をモニタするため、コンデンサレンズと光照射面との間にハーフミラーを斜めに配置し、一部の光をモニタ用に取り出している（例えば特許文献１を参照）。
コンデンサレンズと光照射面との間の光は主光線が光軸に平行なため、ハーフミラーの各点への入射角が等しい。したがって、ハーフミラーの各点に入射した光は、入射位置に拘わらず同じ比率で透過光と反射光とに分割され、均一な光量の反射光がモニタ用に取り出され、均一な光量の透過光が光照射面に導かれる。このように、コンデンサレンズと光照射面との間にハーフミラーを配置する場合、光照射面での照明一様性が崩れることはない。つまり、照明一様性を保ちつつ光量モニタを行うことができる。
【０００４】
また、ハーフミラーの傾き角（コンデンサレンズの光軸に対する傾き角）は、ハーフミラーからの反射光の進行方向を考慮して、光量モニタのセンサがコンデンサレンズなどの周辺の構造物と干渉しないように、適切な角度に設定される。最も一般的な傾き角は４５°である。この場合、ハーフミラーからの反射光（つまりモニタ光）は、コンデンサレンズの光軸に対して９０°方向に進行していく。
【特許文献１】特開平８−３３４９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような配置と傾き角のハーフミラーによってモニタ光を取り出す場合には、ハーフミラーを配置するために、コンデンサレンズと光照射面との間隔を大きく確保しなければならない。例えば、光照射面における一様な照明エリアが正方形状の場合、コンデンサレンズと光照射面との間隔（実際の最小間隔）は、照明光学系が装置の要求に応じた開口数（ＮＡ）を設定するため、照明エリアの一辺より大きくなる。また、当然のことながら、一様な照明エリアを広げようとすると、その分だけ、コンデンサレンズと光照射面との間隔も広げなければならない。したがって、テレセントリック照明の設計上、コンデンサレンズと光照射面との間隔を十分に大きく確保できない場合には、ハーフミラーを配置することができず、モニタ光を取り出すことも、光量モニタを行うこともできなくなってしまう。
【０００６】
本発明の目的は、小型に構成でき、例えば、ハーフミラーを配置するための十分な間隔をコンデンサレンズと光照射面との間に設けることができない場合でも、照明一様性を崩すことなくモニタ光を取り出すことができ、且つ、光量モニタのセンサと周辺の構造物との干渉も回避できる照明光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の照明光学装置は、光源または光源像の位置と光照射面との間に配置され、かつ、前記光照射面をテレセントリック照明するように配置された光学系と、前記光学系と前記光照射面との間に配置され、前記光学系からの光のうち、一部を照明光として前記光照射面に導くと共に、残りの一部をモニタ光として前記光照射面とは異なる方向に導くプリズム型のビームスプリッタと、前記モニタ光の光量を測定する測定手段とを備え、前記ビームスプリッタは、前記光学系側から順に、前記光学系の光軸に垂直な第１面と、該第１面に対して斜めに形成された第２面と、前記第１面に平行な第３面とを有し、前記光学系からの光のうち、前記第１面と前記第２面と前記第３面とを順に透過した光を前記照明光とすると共に、前記第１面を透過して前記第２面に入射し、該第２面で反射して前記第１面に入射し、該第１面で反射した光を前記モニタ光とするものである。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の照明光学装置において、前記ビームスプリッタは、前記第１面と前記第２面との間の第１領域および前記第２面と前記第３面との間の第２領域を満たす媒質の屈折率が等しく、該屈折率をｎとし、前記第１面と前記第２面との成す角度をθとするとき、次の条件式(１)を満足するものである。
１ ＞ sin２θ ≧ １/ｎ  …(１)
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の照明光学装置において、前記ビームスプリッタの前記第２面は、前記第１領域に対応する光学部材と前記第２領域に対応する光学部材とが接着剤によって接合された面であり、前記第１面からの光を、前記媒質の屈折率ｎと前記接着剤の屈折率との差に応じた比率で、透過光と反射光とに振幅分割するものである。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の照明光学装置において、前記測定手段は、前記光照射面と共役な位置の近傍に配置された測光手段を有するものである。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の照明光学装置において、前記測定手段の前記測光手段は、二次元撮像素子である。
【００１０】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の照明光学装置において、前記光学系は、視野絞りと開口絞りとを含み、前記光照射面をケーラー照明するものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の照明光学装置において、前記光学系は、光量分布均一化部材を含むものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の照明光学装置によれば、小型に構成でき、例えば、ハーフミラーを配置するための十分な間隔をコンデンサレンズと光照射面との間に設けることができない場合でも、照明一様性を崩すことなくモニタ光を取り出すことができ、且つ、光量モニタのセンサと周辺の構造物との干渉も回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の照明光学装置１０は、図１(ａ)に示す通り、光源１１と、ロータリーＮＤフィルタ１２と、コンデンサレンズ１３と、ビームスプリッタ１４と、センサ１５とで構成され、光照射面１０ａを均一に照明する装置である。光照射面１０ａにおける照明光量（照度）は、ロータリーＮＤフィルタ１２の透過率に応じて加減可能である。
【００１３】
コンデンサレンズ１３は、光源１１と光照射面１０ａとの間に配置され、かつ、光照射面１０ａをテレセントリック照明するように配置されている。つまり、コンデンサレンズ１３の前側焦点面に光源１１を配置し、コンデンサレンズ１３の後側焦点面を光照射面１０ａとしている。コンデンサレンズ１３は、請求項の「光学系」に対応する。
このような配置により、光源１１の各点から出た光は、それぞれコンデンサレンズ１３を介して集光され、コンデンサレンズ１３から光照射面１０ａに向かう際の主光線が、コンデンサレンズ１３の光軸１３ａと平行になる。そして、後述のビームスプリッタ１４を透過した光Ｌ２（これも主光線が光軸１３ａと平行）が光照射面１０ａの全体に入射する。したがって、光源１１の輝度分布に起因する照明ムラを無くし、光照射面１０ａを概ね均一に照明することができる。
【００１４】
ビームスプリッタ１４は、光照射面１０ａにおける照明光量（照度）をモニタするために設けたプリズム型の光学素子であり、コンデンサレンズ１３と光照射面１０ａとの間に配置されている。また、コンデンサレンズ１３からの光Ｌ１のうち、一部を照明光Ｌ２として光照射面１０ａに導くと共に、残りの一部をモニタ光Ｌ３として光照射面１０ａとは異なる方向（つまりセンサ１５）に導くように構成されている。
【００１５】
ビームスプリッタ１４の構成について具体的に説明する。
図１(ｂ)に示す通り、ビームスプリッタ１４には、コンデンサレンズ１３の光軸１３ａに沿って、コンデンサレンズ１３側から順に、光軸１３ａに垂直な第１の面２１と、この面２１に対して斜めに形成された第２の面２２と、第１の面２１に平行な第３の面２３とが設けられる。また、光軸１３ａから外れた部分には、第４の面２４が設けられる。このうち、面２１,２３,２４は、外部(空気)との境界面である。面２２は、後述の接着剤による内部の接合面であり、面２１からの光ＬIを透過光ＬTと反射光ＬR1とに振幅分割する。
【００１６】
上記の構成において、コンデンサレンズ１３からの光Ｌ１は、ビームスプリッタ１４の面２１に垂直に入射する。この面２１を透過した光ＬIは、面２２に入射し、そこで透過光ＬTと反射光ＬR1とに振幅分割される。このうち、透過光ＬTは、面２３を垂直に透過し、照明光Ｌ２となって光照射面１０ａに導かれる。一方、面２２での反射光ＬR1は、再び面２１に入射する。そして、この面２１で反射した光ＬR2が、面２４を垂直に透過し、モニタ光Ｌ３となってセンサ１５に導かれる。
【００１７】
ここで、ビームスプリッタ１４は、面２１と面２２との間の第１領域を満たす媒質（第１領域に対応する光学部材４Ａ）の屈折率ｎ、および、面２２と面２３との間の第２領域を満たす媒質（第２領域に対応する光学部材４Ｂ）の屈折率ｎが等しい。したがって、面２２での透過光ＬTや照明光Ｌ２のテレセン性が崩れることはない。つまり、透過光ＬTや照明光Ｌ２の主光線も光軸１３ａと平行なまま保たれる。
【００１８】
また、コンデンサレンズ１３と光照射面１０ａとの間の光（特に面２２への入射光ＬI）の主光線が光軸１３ａに平行なため、面２２の各点への入射角は等しくなる。したがって、面２２の各点に入射した光ＬIは、入射位置に拘わらず同じ比率で透過光ＬTと反射光ＬR1とに振幅分割される。このため、均一な光量の透過光ＬTが照明光Ｌ２となって光照射面１０ａに導かれ、光照射面１０ａでの照明一様性が崩れることはない。つまり、照明一様性を保ちつつ後述の光量モニタを行うことができる。
【００１９】
さらに、ビームスプリッタ１４は、面２２から面２１に再入射する反射光ＬR1が、この面２１で全反射するように構成されている。つまり、面２１と面２２との成す角度θと、光学部材４Ａ,４Ｂの屈折率ｎとの組み合わせが、次の全反射の条件式(１)を満足するように構成されている。条件式(１)の“２θ”は、面２１に再入射する光ＬR1の入射角に相当する。条件式(１)を満足する角度θは、４５°より小さい。角度θの最小値は「sin２θ＝１/ｎ」を満足する角度である。
【００２０】
１ ＞ sin２θ ≧ １/ｎ  …(１)
第１実施形態では、ビームスプリッタ１４の角度θを例えば３５°とする。この場合、光学部材４Ａ,４Ｂとして用いることのできる代表的な硝材（ＢＫ７,ＳＫ５,ＬＡＫ７,ＬＡＫ１４,ＬＡＫ１６）の何れを用いても、条件式(１)を満足することになる。次の表１に、基準波長（587.562ｎｍ（ｄ線））に対する各硝材の屈折率ｎを示す。表１には、後述の接着剤（Ａ,Ｂ,Ｃ）の屈折率ｎOも併せて示した。
【００２１】
【表１】
2005346008.tif 000003
【００２２】
このように、ビームスプリッタ１４の角度θと屈折率ｎとが全反射の条件式(１)を満足するため、面２２から面２１に再入射する光ＬR1（入射角２θ）は、その面２１で全反射し（反射光ＬR2）、面２４を垂直に透過した後、モニタ光Ｌ３となってセンサ１５に導かれる。第１実施形態では、面２１で全反射させるため、コンデンサレンズ１３側への漏れ光が無く、迷光を防止できる。さらに、モニタ光Ｌ３を取り出す際の光量損失を最小限に抑えることができる。
【００２３】
センサ１５は、ビームスプリッタ１４からのモニタ光Ｌ３の光量を測定する手段であり、不図示の集光レンズとフォトダイオードとで構成される。第１実施形態では、集光レンズの倍率βを例えばβ＝-0.5とする。フォトダイオードは、光照射面１０ａと共役な位置の近傍に配置された受光素子である。
モニタ光Ｌ３の光量は、光照射面１０ａに導かれる照明光Ｌ２の光量（つまり光照射面１０ａにおける照明光量）に比例している。このため、センサ１５によって測定されたモニタ光Ｌ３の光量に応じて、光照射面１０ａにおける照明光量をモニタできる。また、フォトダイオードを上記のように配置するため、フォトダイオードを光照射面１０ａに配置して照明光Ｌ２の光量を測定するのと近い条件で、モニタ光Ｌ３の光量を測定することになる。したがって、光照射面１０ａにおける照明光量を正確にモニタできる。
【００２４】
さらに、センサ１５からの出力（光量モニタの結果）に基づいて、ロータリーＮＤフィルタ１２をフィードバック制御し、その透過率を調整することにより、光照射面１０ａでの明るさ（照明光量）を所望の一定値に保つことができる。例えば、光源１１としてランプを用いる場合、その劣化などに起因する照明光量の変化を上記のフィードバック制御によって補正することができる。また、第１実施形態では、光照射面１０ａの照明光量を正確にモニタできるため、上記のフィードバック制御を正確に行うことができる。
【００２５】
ところで、第１実施形態の照明光学装置１０を高照度の照明に用いる場合、できるだけ多くの照明光Ｌ２を効率よく光照射面１０ａに導くために、ビームスプリッタ１４における光量損失（特に内部の面２２での反射光ＬR1の光量）を最小限に抑え、光量モニタに必要な最小限のモニタ光Ｌ３のみをセンサ１５に導くことが望まれる。最小限のモニタ光Ｌ３とは、フォトダイオードの受光感度に応じた必要最低照度に対応する。
【００２６】
一般的には、モニタ光Ｌ３の光路上にＮＤフィルタのような減光手段を設けて、モニタ光Ｌ３の光量をフォトダイオードの受光感度に適合させることもある。しかし、そのようなＮＤフィルタによる減光も光量損失であり、その分だけ光照射面１０ａに対する照明効率が低下してしまう。このため、第１実施形態では、ＮＤフィルタのような減光手段を介さずに、ビームスプリッタ１４からのモニタ光Ｌ３をセンサ１５に導く。
【００２７】
光照射面１０ａにおける照度ＩOと、センサ１５のフォトダイオードの必要最低照度ＩSとは、比例関係にあり、次の式(２)で表される。また、式(２)の比例定数ｋは、光学系のケラレなどによる損失が無いと仮定すると、次の式(３)で表される。式(３)のＲは、ビームスプリッタ１４の内部の面２２における反射率である。βは、センサ１５の集光レンズの倍率である。
【００２８】
ＩS＝ｋＩO  …(２)
ｋ＝Ｒ/β2  …(３)
そして、第１実施形態では、これらの式(２),(３)を満足するように面２２での反射率Ｒを求め、反射率Ｒに応じた所望の比率で透過光ＬTと反射光ＬR1とに振幅分割されるように、ビームスプリッタ１４の面２２を作製する。なお、式(２),(３)を満足する反射率Ｒは、次に説明する具体例のように極めて低い値となる。
【００２９】
具体例として、センサ１５のフォトダイオードの必要最低照度ＩSをＩS＝１０(lux)とし、集光レンズの倍率βをβ＝−０.５とする。この場合、光照射面１０ａにおける照度ＩOをＩO＝１００００(lux)とすると、上記の式(２),(３)から、ビームスプリッタ１４の面２２での反射率Ｒは、Ｒ＝０.０２％程度となる。
上記の具体例のように所望の反射率Ｒが極めて低い場合（Ｒ＝０.０２％程度）、光学部材４Ａ,４Ｂを接着剤４Ｃ（図２）によって接合するだけで、その反射率Ｒを安価に実現することができる。この場合、光学部材４Ａ,４Ｂが接着剤４Ｃによって接合された面（つまり、図２に示す光学部材４Ａと接着剤４Ｃとの境界面２Ａ、および光学部材４Ｂと接着剤４Ｃとの境界面２Ｂ）が、ビームスプリッタ１４の内部の面２２となる。
【００３０】
ビームスプリッタ１４の内部の面２２（つまり接着剤４Ｃとの境界面２Ａ,２Ｂ）には、面２１からの光ＬIが入射する。そして、面２１からの光ＬIは、光学部材４Ａ,４Ｂの屈折率ｎと接着剤４Ｃの屈折率ｎOとの差（≠０）に応じた比率で、透過光ＬTと反射光ＬR1とに振幅分割される。傾向として、光学部材４Ａ,４Ｂの屈折率ｎと接着剤４Ｃの屈折率ｎOとの差が小さいほど、面２２での反射率Ｒが低くなり、反射光ＬR1の光量も少なくなる。
【００３１】
次に、光学部材４Ａ,４Ｂとして用いることのできる代表的な硝材（ＢＫ７,ＳＫ５,ＬＡＫ７,ＬＡＫ１４,ＬＡＫ１６）と、屈折率ｎOの異なる接着剤（Ａ,Ｂ,Ｃ）とを、任意に組み合わせたときの反射率Ｒについて、その計算結果を次の表２に示す。この計算には、上記の表１に示す屈折率ｎと屈折率ｎOとを用いた。また、面２１と面２２との成す角度θをθ＝３５°とした。
【００３２】
【表２】
2005346008.tif 000004
【００３３】
表２から分かるように、光学部材４Ａ,４Ｂの硝材（ＢＫ７,ＳＫ５,ＬＡＫ７,ＬＡＫ１４,ＬＡＫ１６）と接着剤（Ａ,Ｂ,Ｃ）との組み合わせに応じて、つまり、屈折率ｎと屈折率ｎOとの組み合わせに応じて、面２２での反射率Ｒは、０.００３３％〜２.２９５４％まで変化する。
上記の具体例のように、面２２での反射率Ｒ＝０.０２％程度とする場合、光学部材４Ａ,４Ｂの硝材と接着剤４Ｃとの好ましい組み合わせは、表２から、硝材ＳＫ５と接着剤Ｂとの組み合わせと考えられる。このとき、硝材ＳＫ５と接着剤Ｂとの屈折率差は、０.０３２５８となる。
【００３４】
第１実施形態の照明光学装置１０では、既に説明した通り、ビームスプリッタ１４の面２１と面２２との成す角度θを例えばθ＝３５°という小さな角度に設定しても、ビームスプリッタ１４の内部の面２２での反射光ＬR1を面２１で再び反射させることができるため、光量モニタのセンサ１５と周辺の構造物（コンデンサレンズ１３やその金物など）との干渉を回避することができる。
【００３５】
さらに、ビームスプリッタ１４の面２１と面２２との成す角度θを例えばθ＝３５°という小さな角度に設定できるため、図１(ｂ)に示すビームスプリッタ１４の厚さｄ（光軸１３ａに沿った大きさ）を従来と比較して確実に小さくすることができる。
したがって、テレセントリック照明の設計上、コンデンサレンズ１３と光照射面１０ａとの間隔Ｄを十分に大きく確保できない場合（つまり間隔Ｄが照明エリアの辺の長さより短い場合）でも、その間隔Ｄの限られた空間の中にビームスプリッタ１４を配置することができる。その結果、光照射面１０ａにおける照明一様性を崩すことなく、モニタ光Ｌ３を取り出すことができ、良好な光量モニタを行える。
【００３６】
さらに、第１実施形態の照明光学装置１０では、ビームスプリッタ１４の角度θと屈折率ｎとが上記の条件式(１)を満足するため、面２２から面２１に再入射する光ＬR1を面２１で全反射させることができる。したがって、コンデンサレンズ１３側への漏れ光が無く、迷光を防止できると共に、モニタ光Ｌ３を取り出す際の光量損失を最小限に抑えることもできる。
【００３７】
また、第１実施形態の照明光学装置１０では、ビームスプリッタ１４の内部の面２２を作製する際、光学部材４Ａ,４Ｂを接着剤４Ｃ（図２）によって接合するため、一般的な金属膜や誘電体膜などを用いる場合と比較して、安価に構成できる。加えて、反射率Ｒの波長依存性や角度依存性のより少ない面２２（部分反射面）を得ることができる。
さらに、面２２での反射率Ｒを極めて低い値（Ｒ＝０.０２％程度）に設定できるため、高照度の照明において、ビームスプリッタ１４における光量損失（特に内部の面２２での反射光ＬR1の光量）を最小限に抑え、できるだけ多くの照明光Ｌ２を効率よく光照射面１０ａに導くことができる。
（第２実施形態）
第２実施形態の照明光学装置３０は、図３に示す通り、図１の照明光学装置１０の光源１１の位置に開口絞り３５を設け、この開口絞り３５の前段に光源３１とコレクタレンズ３２と視野絞り３３とフィールドレンズ３４とを配置したものである。開口絞り３５の後段の構成は、図１の照明光学装置１０のロータリーＮＤフィルタ１２以降と同じである。ちなみに、開口絞り３５は光源３１と共役である。視野絞り３３は光照射面３０ａと共役である。
【００３８】
照明光学装置３０では、開口絞り３５の位置に光源３１の像（以下「光源像３１ａ」という）が形成される。そして、光源像３１ａの位置（開口絞り３５）と光照射面３０ａとの間に、上記と同様のコンデンサレンズ１３が配置される。また、コンデンサレンズ１３の前側焦点面が光源像３１ａの位置、後側焦点面が光照射面３０ａとなる（テレセントリック照明の配置）。
【００３９】
第２実施形態の照明光学装置３０では、視野絞り３３と開口絞り３５の径を個別に調整可能である。そして、視野絞り３３の径に応じて光照射面３０ａの照明エリアを調整可能である。また、開口絞り３５の径に応じて照明の開口数を調整可能である。照明光学装置３０は、光照射面３０ａを均一にケーラー照明する装置である。ケーラー照明は、一般的な光学顕微鏡で広く採用されている照明方式である。光学顕微鏡では、通常、光照射面３０ａに標本が載置され、不図示の対物レンズと接眼レンズ(またはイメージセンサ)とを介して標本の拡大観察が行われる。
【００４０】
なお、第２実施形態では、コンデンサレンズ１３のみが請求項の「光学系」に対応すると考えてもよいし、コレクタレンズ３２と視野絞り３３とフィールドレンズ３４と開口絞り３５とコンデンサレンズ１３とが総じて「光学系」に対応すると考えてもよい。
第２実施形態の照明光学装置３０では、ビームスプリッタ１４の面２１と面２２との成す角度θを例えばθ＝３５°という小さな角度に設定しても、ビームスプリッタ１４の内部の面２２での反射光ＬR1を面２１で再び反射させることができるため、光量モニタのセンサ１５と周辺の構造物（コンデンサレンズ１３やその金物など）との干渉を回避することができる。
【００４１】
さらに、ビームスプリッタ１４の面２１と面２２との成す角度θを例えばθ＝３５°という小さな角度に設定できるため、ビームスプリッタ１４の厚さｄを従来と比較して確実に小さくすることができる。したがって、テレセントリック照明の設計上、コンデンサレンズ１３と光照射面３０ａとの間隔Ｄを十分に大きく確保できない場合（つまり間隔Ｄが照明エリアの辺の長さより短い場合）でも、その間隔Ｄの限られた空間の中にビームスプリッタ１４を配置することができる。その結果、光照射面３０ａにおける照明一様性を崩すことなく、モニタ光Ｌ３を取り出すことができ、良好な光量モニタを行える。
【００４２】
さらに、第２実施形態の照明光学装置３０では、ビームスプリッタ１４の角度θと屈折率ｎとが上記の条件式(１)を満足するため、面２２から面２１に再入射する光ＬR1を面２１で全反射させることができる。したがって、コンデンサレンズ１３側への漏れ光が無く、迷光を防止できると共に、モニタ光Ｌ３を取り出す際の光量損失を最小限に抑えることもできる。
【００４３】
また、第２実施形態の照明光学装置３０では、ビームスプリッタ１４の内部の面２２を作製する際、光学部材４Ａ,４Ｂを接着剤４Ｃ（図２）によって接合するため、安価に構成できる。加えて、反射率Ｒの波長依存性や角度依存性のより少ない面２２（部分反射面）を得ることができる。さらに、面２２での反射率Ｒを極めて低い値（Ｒ＝０.０２％程度）に設定できるため、高照度の照明において、ビームスプリッタ１４における光量損失（特に内部の面２２での反射光ＬR1の光量）を最小限に抑え、できるだけ多くの照明光Ｌ２を効率よく光照射面３０ａに導くことができる。
（第３実施形態）
第３実施形態の照明光学装置４０は、図４に示す通り、図１の照明光学装置１０の光源１１の位置にフライアイインテグレータ４３の出射面４３ｂを配置し、フライアイインテグレータ４３の前段に光源４１とコレクタレンズ４２とロータリーＮＤフィルタ１２とを配置したものである。フライアイインテグレータ４３の後段の構成は、図１の照明光学装置１０のコンデンサレンズ１３以降と同じである。ちなみに、フライアイインテグレータ４３の出射面４３ｂは光源４１と共役、入射面４３ａは光照射面４０ａと共役である。
【００４４】
第３実施形態の照明光学装置４０では、光源４１からの光がコレクタレンズ４２を介して平行光となり、フライアイインテグレータ４３に入射する。コレクタレンズ４２よりフライアイインテグレータ４３の入射面４３ａへの平行光は、フライアイインテグレータ４３の各レンズ素子によって出射面４３ｂに集光される。
そして、照明光学装置４０では、フライアイインテグレータ４３の出射面４３ｂに光源４１の多数の像（以下「光源像４１ａ」という）が形成される。そして、光源像４１ａの位置（出射面４３ｂ）と光照射面４０ａとの間に、上記と同様のコンデンサレンズ１３が配置される。また、コンデンサレンズ１３の前側焦点面が光源像４１ａの位置、後側焦点面が光照射面４０ａとなる（テレセントリック照明の配置）。
【００４５】
フライアイインテグレータ４３は、光照射面４０ａにおける照明一様性をさらに向上させるために設けた照明均一化手段であり、特に要求される照明一様性が高い場合に用いられる。フライアイインテグレータ４３を用いることにより、光源４１の輝度分布に起因する照明ムラだけでなく、光源４１の各点での指向性の影響（角度特性に起因する照明ムラ）を取り除くこともできる。
【００４６】
なお、第３実施形態では、コンデンサレンズ１３のみが請求項の「光学系」に対応すると考えてもよいし、コレクタレンズ４２とフライアイレンズ４３とコンデンサレンズ１３とが総じて「光学系」に対応すると考えてもよい。
第３実施形態の照明光学装置４０では、ビームスプリッタ１４の面２１と面２２との成す角度θを例えばθ＝３５°という小さな角度に設定しても、ビームスプリッタ１４の内部の面２２での反射光ＬR1を面２１で再び反射させることができるため、光量モニタのセンサ１５と周辺の構造物（コンデンサレンズ１３やその金物など）との干渉を回避することができる。
【００４７】
さらに、ビームスプリッタ１４の面２１と面２２との成す角度θを例えばθ＝３５°という小さな角度に設定できるため、ビームスプリッタ１４の厚さｄを従来と比較して確実に小さくすることができる。したがって、テレセントリック照明の設計上、コンデンサレンズ１３と光照射面４０ａとの間隔Ｄを十分に大きく確保できない場合（つまり間隔Ｄが照明エリアの辺の長さより短い場合）でも、その間隔Ｄの限られた空間の中にビームスプリッタ１４を配置することができる。その結果、光照射面４０ａにおける照明一様性を崩すことなく、モニタ光Ｌ３を取り出すことができ、良好な光量モニタを行える。
【００４８】
さらに、第３実施形態の照明光学装置４０では、ビームスプリッタ１４の角度θと屈折率ｎとが上記の条件式(１)を満足するため、面２２から面２１に再入射する光ＬR1を面２１で全反射させることができる。したがって、コンデンサレンズ１３側への漏れ光が無く、迷光を防止できると共に、モニタ光Ｌ３を取り出す際の光量損失を最小限に抑えることもできる。
【００４９】
また、第３実施形態の照明光学装置４０では、ビームスプリッタ１４の内部の面２２を作製する際、光学部材４Ａ,４Ｂを接着剤４Ｃ（図２）によって接合するため、安価に構成できる。加えて、反射率Ｒの波長依存性や角度依存性のより少ない面２２（部分反射面）を得ることができる。さらに、面２２での反射率Ｒを極めて低い値（Ｒ＝０.０２％程度）に設定できるため、高照度の照明において、ビームスプリッタ１４における光量損失（特に内部の面２２での反射光ＬR1の光量）を最小限に抑え、できるだけ多くの照明光Ｌ２を効率よく光照射面４０ａに導くことができる。
（第４実施形態）
第４実施形態の照明光学装置５０は、図５に示す通り、図４の照明光学装置４０のコンデンサレンズ１３に代えて中間リレーレンズ５１を配置すると共に、図４の照明光学装置４０の光照射面４０ａにフライアイインテグレータ５２の入射面５２ａを配置し、フライアイインテグレータ５２の後段にコンデンサレンズ５３を配置したものである。中間リレーレンズ５１の機能はコンデンサレンズ１３と同じである。
【００５０】
照明光学装置５０では、フライアイインテグレータ４３の出射面４３ｂとフライアイインテグレータ５２の出射面５２ｂとが、光源５１と共役であり、光源像の位置となる。また、フライアイインテグレータ４３の入射面４３ａとフライアイインテグレータ５２の入射面５２ａとが、光照射面５０ａと共役である。つまり、照明光学装置５０は、いわゆるダブルフライアイ方式となっている。
【００５１】
また、照明光学装置５０では、２段目のフライアイインテグレータ５２の入射面５２ａを光照射面と考えることもできる。そして、この光照射面（フライアイインテグレータ５２の入射面５２ａ）と、１段目のフライアイインテグレータ４３の出射面４３ｂ（光源像の位置）との間に、中間リレーレンズ５１が配置される。また、中間リレーレンズ５１の前側焦点面が出射面４３ｂ（光源像の位置）、後側焦点面が光照射面（入射面５２ａ）となる（テレセントリック照明の配置）。
【００５２】
ダブルフライアイ方式の照明光学装置５０は、前述のフライアイインテグレータ４３とコンデンサレンズ１３とを用いた均一化照明（図４）を２段階利用するものであり、半導体縮小投影露光装置の照明装置など、極限まで高い照明一様性が要求される場合に用いられる。縮小投影露光装置では、光照射面５０ａにレチクルが配置され、レチクル上の露光パターンを不図示の投影レンズによって基板(半導体ウエハなど)に投影し、露光する。また、受光素子（例えばＣＣＤ撮像素子など）の動作確認のための検査工程において、受光素子に対して様々な分光スペクトルの照明光を順に照射する装置にも好適である。
【００５３】
なお、第４実施形態では、中間リレーレンズ５１のみが請求項の「光学系」に対応すると考えてもよいし、コレクタレンズ４２とフライアイレンズ４３と中間リレーレンズ５１とが総じて「光学系」に対応すると考えてもよい。
第４実施形態の照明光学装置５０では、ビームスプリッタ１４の面２１と面２２との成す角度θを例えばθ＝３５°という小さな角度に設定しても、ビームスプリッタ１４の内部の面２２での反射光ＬR1を面２１で再び反射させることができるため、光量モニタのセンサ１５と周辺の構造物（中間リレーレンズ５１やその金物など）との干渉を回避することができる。
【００５４】
特に、第４実施形態のように（第３実施形態の場合も同様）、フライアイレンズを使用する場合は、照度均一性が十分確保できるため、センサを照射面の共役近傍に配置すると、中心部の一部の光束で光量をモニタすることも十分可能である。この場合は、角度θを小さくすることも可能であり、配置上さらに有利である。
さらに、ビームスプリッタ１４の面２１と面２２との成す角度θを例えばθ＝３５°という小さな角度に設定できるため、ビームスプリッタ１４の厚さｄを従来と比較して確実に小さくすることができる。したがって、テレセントリック照明の設計上、中間リレーレンズ５１と光照射面５０ａとの間隔Ｄを十分に大きく確保できない場合（つまり間隔Ｄが照明エリアの辺の長さより短い場合）でも、その間隔Ｄの限られた空間の中にビームスプリッタ１４を配置することができる。その結果、光照射面５０ａにおける照明一様性を崩すことなく、モニタ光Ｌ３を取り出すことができ、良好な光量モニタを行える。
【００５５】
さらに、第４実施形態の照明光学装置５０では、ビームスプリッタ１４の角度θと屈折率ｎとが上記の条件式(１)を満足するため、面２２から面２１に再入射する光ＬR1を面２１で全反射させることができる。したがって、中間リレーレンズ５１側への漏れ光が無く、迷光を防止できると共に、モニタ光Ｌ３を取り出す際の光量損失を最小限に抑えることもできる。
【００５６】
また、第４実施形態の照明光学装置５０では、ビームスプリッタ１４の内部の面２２を作製する際、光学部材４Ａ,４Ｂを接着剤４Ｃ（図２）によって接合するため、安価に構成できる。加えて、反射率Ｒの波長依存性や角度依存性のより少ない面２２（部分反射面）を得ることができる。さらに、面２２での反射率Ｒを極めて低い値（Ｒ＝０.０２％程度）に設定できるため、高照度の照明において、ビームスプリッタ１４における光量損失（特に内部の面２２での反射光ＬR1の光量）を最小限に抑え、できるだけ多くの照明光Ｌ２を効率よく光照射面５０ａに導くことができる。
【００５７】
上記した第５実施形態では、ビームスプリッタ１４を中間リレーレンズ５１と２段目のフライアイインテグレータ５２の入射面５２ａ（これも光照射面に相当）との間に配置したが、本発明はこれに限定されない。図４の構成例と同様、コンデンサレンズ５３と光照射面５０ａとの間にビームスプリッタ１４を配置してもよい。ビームスプリッタ１４の配置は光束径の小さい箇所に設定する方が、ビームスプリッタ１４を小さく構成できるため、好ましい。
【００５８】
コンデンサレンズ５３と光照射面５０ａとの間に配置する場合、コンデンサレンズ５３のみが「光学系」に対応すると考えてもよいし、中間リレーレンズ５１とフライアイレンズ５２とコンデンサレンズ５３とが総じて「光学系」に対応すると考えてもよいし、コレクタレンズ４２とフライアイレンズ４３と中間リレーレンズ５１とフライアイレンズ５２とコンデンサレンズ５３とが総じて「光学系」に対応すると考えてもよい。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、表２の計算結果に基づいて、ビームスプリッタ１４の光学部材４Ａ,４Ｂの硝材と接着剤４Ｃとの好ましい組み合わせを決めたが、本発明はこれに限定されない。次の条件式(４)を満足するように、光学部材４Ａ,４Ｂの硝材の屈折率ｎと接着剤４Ｃの屈折率ｎOとの好ましい組み合わせを選択しても構わない。ビームスプリッタ１４の面２１と面２２との成す角度θを例えばθ＝３５°とし、条件式(４)を満足する場合、ビームスプリッタ１４の内部の面２２での反射率Ｒは、Ｒ＝０.０２％程度となる。
【００５９】
｜ｎ−ｎO｜≧０.０２  …(４)
また、上記した実施形態では、ビームスプリッタ１４の面２１と面２２との成す角度θを例えばθ＝３５°に設定したが、本発明はこれに限定されない。条件式(１)を満足する角度θの範囲であれば、同様の効果を得ることができる。条件式(１)を満足する角度θは、４５°より小さい。角度θの最小値は「sin２θ＝１/ｎ」を満足する角度である。条件式(１)を満足する場合、面２１での漏れ光を無くすことができる。ただし、条件式(１)を満足する角度θの最小値より小さい場合でも、面２２における反射光ＬR2が得られる範囲で、本発明を適用可能である。
【００６０】
ビームスプリッタ１４の内部の面２２における反射率Ｒは、面２１と面２２との成す角度θと、光学部材４Ａ,４Ｂの硝材の屈折率ｎと、接着剤４Ｃの屈折率ｎOとを、適切に選択することで、任意の所望の値（例えばＲ＝０.０２％程度）に設定できる。
さらに、上記した実施形態では、上記の式(２),(３)を満足するように、ビームスプリッタ１４の面２２における反射率Ｒの所望値を決めたが、本発明はこれに限定されない。例えば、次の式(５)を満足する範囲で、反射率Ｒの所望値を決めてもよい。ＩOは光照射面における照度、ＩSはセンサ１５のフォトダイオードの必要最低照度、βはセンサ１５の集光レンズの倍率である
Ｒ≧(ＩS/ＩO)×β2  …(５)
また、上記した実施形態では、ビームスプリッタ１４の面２２を作製する際、光学部材４Ａ,４Ｂを接着剤４Ｃ（図２）によって接合したが、本発明はこれに限定されない。その他、クロムなどの金属薄膜や誘電体膜を用いて、ビームスプリッタ１４の面２２を作製しても構わない。
【００６１】
さらに、上記した実施形態では、ビームスプリッタ１４の面２２で光を振幅分割する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。面２２で光を波長分割する場合や偏光分割する場合にも本発明を適用できる。光の分割方法は、照明光学装置の用途に応じて選択すればよい。波長帯域や偏光状態の制限された光を照明光Ｌ２として光照射面に導く場合には、照明光Ｌ２として使用されなかった波長帯域や偏光状態の光をモニタ光Ｌ３として導くことが好ましい。
【００６２】
波長分割する場合、プリズム型のビームスプリッタとしてダイクロイックプリズムを用い、光の波長帯域に応じて反射光ＬR1と透過光ＬTとに分割すればよい。偏光分割する場合、プリズム型のビームスプリッタとして偏光ビームスプリッタを用い、光の偏光成分に応じて反射光ＬR1と透過光ＬTとに分割すればよい。波長分割や偏光分割する場合、不要な光をモニタ光Ｌ３として用いるため、ビームスプリッタ１４の面２２における反射率を小さくする必要はない。
【００６３】
また、上記した実施形態では、ビームスプリッタ１４からモニタ光Ｌ３を取り出す際に、面２２と面２１で合計２回反射した光ＬR2を面２４から外部に出射する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、面２３の延長上で３回目の反射をした光や、面２１の延長上で４回目の反射をした光など（つまり合計３回以上反射した光）をモニタ光Ｌ３として取り出してもよい。３回目以降も全反射させることが好ましい。反射回数が多いほど、センサ１５の位置を照明光軸から遠ざけることができる。反射回数は、周辺の構造物に応じて、センサ１５を配置し易いように決めればよい。
【００６４】
さらに、上記した実施形態では、センサ１５に集光レンズを設けたが、この集光レンズを省略した場合でも、本発明を適用できる。センサ１５が集光レンズを持たずフォトダイオードのみで構成される場合（β＝1.0）、コンデンサレンズから光照射面までの空気換算光路長と、コンデンサレンズからセンサ１５のフォトダイオードまでの空気換算光路長とを等しくすることで、光照射面とフォトダイオードとを共役な位置に配置できる。
【００６５】
また、センサ１５がフォトダイオードと絞りとで構成される場合（β＝1.0）にも、本発明を適用できる。この場合、フォトダイオード自体ではなく、絞りを光照射面に共役な位置に配置すればよい。そして、絞りを通過する全てのモニタ光Ｌ３をフォトダイオードで取り込むことで、同様の効果を得ることができる。
さらに、上記した実施形態では、センサ１５の受光素子としてフォトダイオードを用いたが、本発明はこれに限定されない。二次元撮像素子（例えばＣＣＤ撮像素子）を受光素子として用いてもよい。この場合にも、光照射面と共役な位置に二次元撮像素子を配置することが好ましい。二次元撮像素子を用いる場合、その出力信号に基づいて光照射面での光量分布を再現できるため、上記のような照明光量のフィードバック制御に加え、光照射面での照明一様性のモニタ（確認）を行うことができる。
【００６６】
また、上記した実施形態では、センサ１５からの出力（光量モニタの結果）に基づいて光照射面における照明光量をフィードバック制御する例を説明したが、フィードバック制御を省略しても構わない。
さらに、上記した実施形態では、照明均一化手段（オプティカルインテグレータ，光量分布均一化部材）としてフライアイインテグレータを用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。インテグレータロッドをフライアイインテグレータと組み合わせて用いてもよいし、インテグレータロッドのみを照明均一化手段として用いても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１実施形態の照明光学装置１０の全体構成を示す図(ａ)とビームスプリッタ１４の構成を示す図(ｂ)である。
【図２】ビームスプリッタ１４の内部の面２２の構成を示す拡大図である。
【図３】第２実施形態の照明光学装置３０の全体構成を示す図である。
【図４】第３実施形態の照明光学装置４０の全体構成を示す図である。
【図５】第４実施形態の照明光学装置５０の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０，３０，４０，５０  照明光学装置
１０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａ  光照射面
１１，３１，４１  光源
１２  ロータリーＮＤフィルタ
１３，５３  コンデンサレンズ
１４  ビームスプリッタ
４Ａ，４Ｂ  光学部材
４Ｃ  接着剤
１５  センサ
２１，２２，２３，２４  面
３２，４２  コレクタレンズ
３３  視野絞り
３４  フィールドレンズ
３５  開口絞り
４３，５２  フライアイインテグレータ
５１  中間リレーレンズ
【図１】
2005346008.tif 000005
【図２】
2005346008.tif 000006
【図３】
2005346008.tif 000007
【図４】
2005346008.tif 000008
【図５】
2005346008.tif 000009