(57)【要約】【課題】高い分解能を有する結像光学系、例えば２点間の分解能が高い結像光学系を提供すること。【解決手段】物体面１０３を照明するための光源１０１、コンデンサレンズ１０２と、物体面１０３を結像面１０５へ結像させるための対物光学系１０４と、を有する結像光学系１００であって、光源１０１、コンデンサレンズ１０２から物体面１０３までの間と、対物光学系Ｌｏｂから結像面１０５までの間との少なくともいずれか一方の間に光学変調素子Ｆ１が配置され、光学変調素子Ｆ１は、中心部と周辺部とで透過率が異なる透過率特性を有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の所定面を照明するための照明系と、
前記第１の所定面を第２の所定面へ結像させるための対物光学系と、を有する結像光学系であって、
前記照明系から前記第１の所定面までの間と、前記対物光学系から前記第２の所定面までの間との少なくともいずれか一方の間に光学変調部が設けられ、
前記光学変調部は、中心部と周辺部とで透過率が異なる透過率特性を有することを特徴とする結像光学系。
【請求項２】
前記空間変調部の透過率特性は、前記中心部から前記周辺部に向かって透過率が増加することを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
【請求項３】
前記空間変調部の前記透過率特性は、透過率がステップ状に変化する特性であり、
前記対物光学系の瞳の有効半径の最大値を１．０として前記瞳の半径を正規化したときに、外側半径が０．９以上で、かつ内側半径が０．５以上の輪帯形状の領域において所定の透過率を有し、前記外側半径よりも外側の領域、及び前記内側半径よりも内側の領域で透過率が０以上０．５以下であることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
【請求項４】
前記空間変調部は、前記対物光学系の瞳位置、前記瞳位置の近傍、前記瞳位置の共役面、または前記瞳位置の近傍の共役面に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の結像光学系。
【請求項５】
前記光学変調部は、前記照明系の光源位置、前記照明系の瞳位置、前記瞳位置の近傍、前記瞳位置の共役面、または前記瞳位置の近傍の共役面に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の結像光学系。
【請求項６】
前記空間変調部は、前記照明系から前記第１の所定面までの間と、前記対物光学系から前記第２の所定面までの間との両方の間に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の結像光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明系と対物光学系とを備える結像光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ディスク装置等においては、記録密度の向上が求められている。例えば、特許文献１には、光ディスク装置において、レーザースポットの径を小さくする技術が提案されている。この従来技術では、レーザースポットの径を小さくすることを目的としている。このため、光源側で輪帯照明を行っている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３２０８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術においては、結像関係において１点の情報についてのみ考慮されているだけである。これに対して、様々な光学装置の結像光学系においては、１点のみならず、多点の集合としての像の評価、特に２点間の分解能の向上が求められる。このため、上述の文献に開示された構成では、像の評価、特に２点間の分解能の評価を行うことができない。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高い分解能を有する結像光学系、例えば２点間の分解能が高い結像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】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、第１の所定面を照明するための照明系と、第１の所定面を第２の所定面へ結像させるための対物光学系と、を有する結像光学系であって、照明系から第１の所定面までの間と、対物光学系から第２の所定面までの間との少なくともいずれか一方の間に光学変調部が設けられ、前記光学変調部は、中心部と周辺部とで透過率が異なる透過率特性を有することを特徴とする結像光学系を提供できる。
【０００７】
また、本発明の好ましい態様によれば、空間変調部の透過率特性は、中心部から周辺部に向かって透過率が増加することが望ましい。
【０００８】
また、本発明の好ましい態様によれば、空間変調部の透過率特性は、透過率がステップ状に変化する特性であり、対物光学系の瞳の有効半径の最大値を１．０として前記瞳の半径を正規化したときに、外側半径が０．９以上で、かつ内側半径が０．５以上の輪帯形状の領域において所定の透過率を有し、前記外側半径よりも外側の領域、及び前記内側半径よりも内側の領域で透過率が０以上０．５以下であることが望ましい。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様によれば、空間変調部は、対物光学系の瞳位置、瞳位置の近傍、瞳位置の共役面、または瞳位置の近傍の共役面に設けられていることが望ましい。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様によれば、光学変調部は、照明系の光源位置、照明系の瞳位置、瞳位置の近傍、瞳位置の共役面、または瞳位置の近傍の共役面に設けられていることが望ましい。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様によれば、空間変調部は、照明系から第１の所定面までの間と、対物光学系から第２の所定面までの間との両方の間に設けられていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高い分解能を有する結像光学系、例えば２点間の分解能が高い結像光学系を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る結像光学系の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の実施例１に係る結像光学系１００の概略構成を示している。結像光学系１００は、コンデンサレンズＬｃと対物光学系Ｌｏｂとを備えている。例えば、結像光学系１００は、顕微鏡の結像光学系である。
【００１５】
図１は、クリティカル照明が行われている結像光学系の光路を示している。光源１０１からの光は、コンデンサレンズＬｃと光源１０１との間に配置された絞り（開口絞り）１０２を通過して、物体面１０３に結像される。光源１０１とコンデンサレンズＬｃとで照明系を構成する。なお、瞳(入射瞳及び射出瞳)は絞りの像である。よって、絞り１０２は瞳と等価である。図１では、光源１０１とコンデンサレンズＬｃの間に光学系（レンズ）がない。よって、図１の場合、絞り（開口絞り）１０２は入射瞳でもある。以下、１０２を瞳として説明する。
ここで、コンデンサレンズＬｃの射出側開口数をＮＡｃ＝ｎｃ・ｓｉｎθｃとする。ｎｃは、媒質の屈折率である。
【００１６】
照明された物体面１０３上の物体は、対物レンズＬｏｂを介して結像面１０５上に結像される。ここで、対物レンズＬｏｂの入射側開口数をＮＡｏ＝ｎｏ・ｓｉｎθｏとする。ｎｏは、媒質の屈折率である。また、説明の便宜のため、対物レンズＬｏｂの入射瞳と射出瞳とを一致させて、瞳１０４として図示する。
【００１７】
瞳１０４上には、光学変調部として光学変調素子Ｆ１が配置されている。なお、図１では、瞳１０４は対物レンズＬｏｂの内部に存在するように図示されている。しかしながら、瞳１０４は、対物レンズＬｏｂの外部に存在させることもできる。よって、瞳１０４の位置に光学変調素子Ｆ１を配置することは可能である。この場合、光学変調部は、対物レンズＬｏｂとは独立した（分離した）素子になる。
【００１８】
また、瞳１０４の位置の位置が、対物レンズＬｏｂのレンズ面と一致する場合もある。このような場合は、レンズ表面に光学変調部を設けるようにすれば良い。この場合、光学変調部は、対物レンズＬｏｂと一体となった膜（薄膜やコーティング膜）になる。光学変調素子Ｆ１の透過率特性については、中心部と周辺部とで透過率が異なる透過率特性を有している。透過率特性については、後述する。
ここで、図１において、次式（１）〜（６）に示す定義を行う。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
さらに、開口数ＮＡｃと開口数ＮＡｏｂとの比ｍを次式のように定義する。
ｍ＝ＮＡｃ／ＮＡｏ＝ｎｃ・ｓｉｎθｃ／ｎｏ・ｓｉｎθｏ
【００２１】
図１に示されているように、光源１０１を射出した光は、瞳１０２を通過する。よって、瞳１０２の瞳面における光は、ある強度分布を持っている。そこで、本実施例では、この瞳１０２に光源があるものとみなして、この光源を有効光源している。なお、図１では、光源１０１の発光領域が非常に広いので、有効光源はインコヒーレント光源となる。
【００２２】
以下においては、有効光源を使って説明を行う。まず、有効光源１０２’の強度分布Ｓ（ｒ）、即ち瞳１０２の位置における強度分布を一様（Ｓ（ｒ）＝１）とする。そして、対物光学系Ｌｏｂの瞳１０４の振幅分布Ｐ（ｒ）、すなわち透過率特性を変化させていく。瞳１０４の振幅分布Ｐ（ｒ）は光学変調素子Ｆ１の振幅分布（透過率特性）でもある。
【００２３】
以下、透過率特性を変化させた場合について説明する。なお、振幅分布Ｐ（ｒ）を二乗したものが強度分布である。よって、強度分布を変化させることは、透過率特性を変化させることになる。
【００２４】
対物光学系Ｌｏｂの瞳の強度分布Ｐ（ｒ）２を以下のように考える。パラメータｒは、瞳の半径方向の座標を示している。図２、図３は、瞳の強度分布曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５をそれぞれ示している。
【００２５】
（Ａ１）    Ｐ（ｒ）２＝１
（Ａ２）    Ｐ（ｒ）２＝ｒ２
（Ａ３）    Ｐ（ｒ）２＝０．５×（１＋ｒ２）
（Ａ４）    Ｐ（ｒ）２＝１−０．５ｒ２
（Ａ５）    Ｐ（ｒ）２＝１−１．５６３×（ｒ−０．８）２
【００２６】
また、実際の解像限界距離ｄを次式のように定義する。
ｄ＝Ｌ（ｍ）×λ／（ｎｏ・ｓｉｎ｜θｏ｜）
ここで、Ｌ（ｍ）は、換算座標での解像限界距離に対応している。Ｌ（ｍ）の値が小さいほど、分解能が高いことを意味する。
【００２７】
図４、図５は、上述の瞳（対物光学系Ｌｏｂの瞳）の各強度分布における上述の比ｍとＬ（ｍ）との関係を示している。なお、理解の容易のため、図４、図５における各曲線にも、瞳の強度分布曲線、即ち透過率特性と同一の符号を付す。図４、図５において、曲線Ａ１は、有効光源１０２’の強度分布と対物光学系Ｌｏｂの瞳の強度分布とが一様な場合に対応する。図から明らかなように、曲線Ａ２、Ａ３、Ａ５のとき、解像限界距離Ｌ（ｍ）が小さい。特に、曲線Ａ２のとき、解像限界距離Ｌ（ｍ）が最も小さくなっている。これに対して、曲線Ａ４のときは、曲線Ａ１に比較して解像限界距離Ｌ（ｍ）が大きくなっていることがわかる。即ち、対物光学系Ｌｏｂの瞳１０４、すなわち光学変調素子Ｆ１において、中心部から周辺部に向かって透過率が増加する透過率特性が望ましいことがわかる。
【００２８】
ここで、光学変調素子Ｆ１は、対物光学系Ｌｏｂの瞳位置、瞳位置の近傍、瞳位置の共役面、または瞳位置の近傍の共役面に配置されていれば良い。
【００２９】
次に、本実施例の変形例について説明する。本変形例では、対物光学系Ｌｏｂの瞳１０４に配置されている光学変調素子Ｆ１が、輪帯形状の透過率特性を有している。対物光学系Ｌｏｂの瞳の有効半径の最大値を１．０として、瞳の半径を正規化する。そして、図６に示すように輪帯状の外側半径をＲ１、内側半径をＲ２とする。なお、遮光部分には斜線を付して示す。そして、図６の光学変調素子Ｆ１は、輪帯形状の領域で所定の透過率を有する。一方、輪帯形状の領域以外の領域、すなわち、外側半径よりも外側の領域、及び内側半径よりも内側の領域では透過率は所定の透過率よりも低い値の透過率となっている。その結果、中心部から周辺部に向かって、透過率はステップ状に変化する。
なお、輪帯形状の領域以外の領域における値は、０以上０．５以下の範囲のうちの任意の値である。なお、透過率の最大値は１（１００％光が透過）である。
【００３０】
ここで、以下の輪帯形状Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５を考える。なお、光学変調素子Ｆ１は、輪帯形状内において一定の透過率を有している。また、有効光源１０２’の強度分布は一様（Ｓ（ｒ）＝１）とする。
（Ｂ１）  Ｐ（ｒ）２＝１（円形開口に相当する）
（Ｂ２）  Ｒ１＝０．８、Ｒ２＝０．５
（Ｂ３）  Ｒ１＝１．０、Ｒ２＝０．７
（Ｂ４）  Ｒ１＝０．９、Ｒ２＝０．６
（Ｂ５）  Ｒ１＝１．０、Ｒ２＝０．５
【００３１】
図７は、上述の瞳の各強度分布（透過率特性）における比ｍとＬ（ｍ）との関係を示している。図７では、輪帯形状の領域の透過率は１、輪帯形状の領域以外の領域における透過率は０である。なお、理解の容易のため、図７における各曲線にも、瞳の強度分布と同一の符号を付す。図７において、曲線Ｂ１が有効光源１０２’の強度分布と、対物光学系Ｌｏｂの瞳の強度分布とが一様な場合に対応する。図から明らかなように、曲線Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５のときが、曲線Ｂ１に比較して解像限界距離Ｌ（ｍ）が小さいことがわかる。また、曲線Ｂ２のときは、曲線Ｂ１よりも分解能が大きくなってしまう。
【００３２】
即ち、輪帯形状、すなわち光学変調素子Ｆ１の透過率は、対物光学系Ｌｏｂの瞳１０４の有効半径の最大値を１．０として、瞳の半径を正規化したときに、外側半径が０．９以上で、かつ内側半径が０．５以上の輪帯形状の領域において所定の透過率であることが望ましい。
【００３３】
また、輪帯形状がＢ４、Ｂ５で、輪帯形状の領域以外の領域における透過率が０．５の場合の結果を、それぞれＢ４’、Ｂ５’として図８に示す。いずれの形状においても、分解能が向上していることがわかる。
【００３４】
なお、実施例１及び変形例において、例えば、太陽光で物体面１０３を照明する場合は、太陽自身が照明系に対応する。よって、このような場合は、光源１０１、入射瞳１０２及びコンデンサレンズＬｃは存在しない。また、解像限界距離Ｌ（ｍ）の図においては、ｍ＝１またはｍ＝∞の場合が、太陽光で物体面１０３を照明した場合に対応する。
【実施例２】
【００３５】
次に、本発明の実施例２に係る結像光学系２００について説明する。実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施例も、実施例１と同様にクリティカル照明の場合の光路を示している。
【００３６】
本実施例では、図９に示すように、瞳１０２の位置に光学変調素子Ｆ２が配置されている。また、本実施例でも、この瞳１０２の位置に光源があるものとみなしている。ただし、この光源の強度分布は一様とする。よって、瞳１０２の位置では、一様な強度分布の光が光学変調素子Ｆ２によって変調されることになる。
【００３７】
また、前述のように、瞳１０２の位置は有効光源１０２’の位置でもある。（図９では、光学変調素子Ｆ２と有効光源１０２’が、重ねて図示されている。）よって、瞳１０２の位置における光の強度分布は、有効光源１０２’の強度分布でもある。ただし、瞳１０２の位置には、光源１０１からの光と光学変調素子Ｆ２がある。このうち、光源１０１からの光は強度分布が一様であるから、有効光源１０２’の強度分布Ｓ（ｒ）は、光学変調素子Ｆ２の振幅分布の２乗（あるいは透過率特性）で決まることになる。
【００３８】
有効光源１０２’の強度分布Ｓ（ｒ）は、上述のように、光学変調素子Ｆ２の強度分布（透過率特性）である。そこで、光学変調素子Ｆ２の強度分布Ｓ（ｒ）、即ち透過率特性を以下のように考える。図１０は、強度分布曲線（透過率特性）Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３をそれぞれ示している。なお、対物光学系Ｌｏｂの瞳の強度分布（透過率特性）は一定（Ｐ（ｒ）＝１）であるとする。
【００３９】
（Ｃ１）    Ｓ（ｒ）＝１
（Ｃ２）    Ｓ（ｒ）＝１−（ｒ／１．５）２
（Ｃ３）    Ｓ（ｒ）＝ｒ２
【００４０】
図１１は、上述の光源１０１の各強度分布における比ｍとＬ（ｍ）との関係を示している。なお、理解の容易のため、図１１における各曲線にも、光学変調素子Ｆ２の強度分布（有効光源１０２’の強度分布）と同一の符号を付す。図１１において、曲線Ｃ１が有効光源１０２’の強度分布（透過率特性）と、対物光学系Ｌｏｂの瞳の強度分布（透過率特性）とが一様な場合に対応する。図から明らかなように、曲線Ｃ３のときが、曲線Ｃ１に比較して解像限界距離Ｌ（ｍ）が小さくなっていることがわかる。これに対して、曲線Ｃ２のときは、曲線Ｃ１に比較して解像限界距離Ｌ（ｍ）が大きくなっていることがわかる。このため、有効光源１０２’の強度分布、すなわち光学変調素子Ｆ２の透過率特性は、中心部から周辺部に向かって透過率が増加することが望ましい。
【実施例３】
【００４１】
次に、本発明の実施例３に係る結像光学系３００について、図１２を用いて説明する。実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施例では、ケーラー照明の場合の光路を示している。コレクタレンズＬｃ２により、光源１０１の像がコンデンサレンズＬｃの焦点面（前側焦点位置）、あるいはその近傍に形成されている。この光源像の位置は、瞳（開口絞り）１０２の位置、あるいはその近傍である。よって、瞳（開口絞り）１０２は、コンデンサレンズＬｃの前側焦点位置に位置している。これにより、物体面１０３は、光源１０１からの光により一様に照明される。この場合、光源１０１は、無限遠にあると見なすことができる。
【００４２】
また、本実施例では、対物光学系Ｌｏｂの瞳１０４の位置に光学変調素子Ｆ１が配置されている。また、瞳１０２の位置（有効光源の位置）に光学変調素子Ｆ２が配置されている。
【００４３】
光学変調素子Ｆ１の強度分布Ｐ（ｒ）２と、光学変調素子Ｆ２の強度分布Ｓ（ｒ）との組み合わせを以下のように考える。
（Ｄ１）    Ｓ（ｒ）＝１、Ｐ（ｒ）２＝１
（Ｄ２）    Ｓ（ｒ）＝１、Ｐ（ｒ）２＝ｒ２
（Ｄ３）    Ｓ（ｒ）＝１−（ｒ／１．５）２、Ｐ（ｒ）２＝ｒ２
（Ｄ４）    Ｓ（ｒ）＝ｒ２、Ｐ（ｒ）２＝ｒ２
【００４４】
図１３は、上述の瞳の各強度分布における比ｍとＬ（ｍ）との関係を示している。なお、理解の容易のため、図１３における各曲線にも、光学変調素子Ｆ１、Ｆ２の強度分布と同一の符号を付す。図１３において、曲線Ｄ１が有効光源１０２’の強度分布と、対物光学系Ｌｏｂの瞳の強度分布とが一様な場合に対応する。図から明らかなように、曲線Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４のときはいずれも、曲線Ｄ１に比較して解像限界距離Ｌ（ｍ）が小さいことがわかる。
【００４５】
曲線Ｄ２、Ｄ３及びＤ４では、光学変調素子Ｆ１の透過率特性が、中心部から周辺部に向かって透過率が増加する特性となっている。よって、このような光学変調素子Ｆ１を結像光学系が有することで、結像光学系の分解能を向上させることができる。特に、曲線Ｄ４に示されるように、光学変調素子Ｆ１及びＦ２の透過率特性が、中心部から周辺部に向かって透過率が増加する特性であることが望ましい。
【００４６】
なお、曲線Ｄ３では、光学変調素子Ｆ２の透過率特性が、中心部から周辺部に向かって透過率が減少する特性となっている。この場合、実施例２の結果を参照すると、このような光学変調素子Ｆ２を有する結像光学系は、分解能が良くない光学系ということになる。ただし、光学変調素子Ｆ１が、中心部から周辺部に向かって透過率が増加する透過率特性を有する場合、この光学変調素子Ｆ１と組み合わせることによって、光学系の分解能を向上させることができる。
【００４７】
上記各実施例で説明したように、光学変調素子は、光源１０１（照明系）から物体面１０３（第１の所定面）までの間と、対物光学系Ｌｏｂから結像面１０５（第２の所定面）までの間との少なくともいずれか一方の間に光学変調素子Ｆ１、Ｆ２が設けられていれば良い。そして、光学変調素子Ｆ１、Ｆ２は、中心部と周辺部とで透過率が異なる透過率特性を有している。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明に係る結像光学系は、例えば、顕微鏡、露光装置等の結像光学系に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施例１に係る結像光学系の概略構成を示す図である。
【図２】実施例１における光学変調素子Ｆ１の透過率特性を示す図である。
【図３】実施例１における光学変調素子Ｆ１の透過率特性を示す他の図である。
【図４】実施例１における分解能を示す図である。
【図５】実施例１における分解能を示す他の図である。
【図６】実施例１の変形例における光学変調素子Ｆ１の透過率特性を示す図である。
【図７】実施例１の変形例（輪帯形状の領域以外の領域における透過率＝０）における分解能を示す図である。
【図８】実施例１の変形例（輪帯形状の領域以外の領域における透過率＝０．５）における分解能を示す図である。
【図９】本発明の実施例２に係る結像光学系の概略構成を示す図である。
【図１０】実施例２における光学変調素子Ｆ１の透過率特性を示す図である。
【図１１】実施例２における分解能を示す図である。
【図１２】本発明の実施例３に係る結像光学系の概略構成を示す図である。
【図１３】実施例３における分解能を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１００  結像光学系
１０１  光源
１０２  瞳
１０２’  有効光源
１０３  物体面
１０４  瞳
１０５  結像面
Ｌｃ  コンデンサレンズ
Ｌｏｂ  対物光学系
Ｌｃ２  コレクタレンズ
Ｆ１、Ｆ２  光学変調素子
【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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【図８】
2007225845.tif 000011
【図９】
2007225845.tif 000012
【図１０】
2007225845.tif 000013
【図１１】
2007225845.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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