(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を供給するための光源と、
前記光源からの光束を環状の断面を有するほぼ平行な光束に整形するための整形系と、
基準光軸に沿って間隔を隔てて配置された複数のレンズ成分からそれぞれ構成されたレンズエレメントを複数有し、該複数のレンズエレメントの入射面に入射した前記環状の断面を有するほぼ平行な光束に基づいて、環状に並んだ複数の光源像を形成するためのフライアイ光学素子と、
前記複数の光源像からの光束を集光して物体面上で重ね合わせるための集光光学系とを備え、
前記フライアイ光学素子は、顕微鏡の対物レンズの倍率に応じて、前記物体面上に形成される照野の大きさを変化させるために、前記複数のレンズエレメントの各々を構成する前記複数のレンズ成分の空気間隔を変化させることにより前記複数のレンズ成分の合成焦点距離を変化させることができるように構成されていることを特徴とする暗視野照明装置。
【請求項２】
前記フライアイ光学素子を構成する前記複数のレンズエレメントは全体的に筒状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の暗視野照明装置。
【請求項３】
前記フライアイ光学素子の後側焦点面と前記集光光学系の前側焦点面とがほぼ一致するように配置され、
前記フライアイ光学素子の前側焦点面と前記物体面とが光学的にほぼ共役に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の暗視野照明装置。
【請求項４】
前記暗視野照明装置は、顕微鏡の対物レンズの開口数よりも大きな開口数の光束で前記物体を暗視野照明し、
前記フライアイ光学素子および前記集光光学系は、前記対物レンズの胴付面よりも物体側に位置決めされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の暗視野照明装置。
【請求項５】
前記フライアイ光学素子および前記集光光学系は、前記顕微鏡の結像光路中に選択的に位置決めされる複数の対物レンズの各々に対して一体的に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の暗視野照明装置。
【請求項６】
前記集光光学系は、環状のレンズ成分を有し、該レンズ成分の光源側の面および物体側の面のうちの少なくとも一方の面は非球面状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の暗視野照明装置。
【請求項７】
前記集光光学系は、環状の反射凹面鏡を有し、該反射凹面鏡の反射面は放物面状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の暗視野照明装置。
【請求項８】
前記複数のレンズエレメントの前記入射面の曲率半径と、前記光源像からの光束を出射する前記複数のレンズエレメントの出射面の曲率半径とは、略等しいことを特徴する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の暗視野照明装置。
【請求項９】
光源からの照明光束を環状の断面を有するほぼ平行な光束に整形すること、
基準光軸に沿って間隔を隔てて配置された複数のレンズ成分からそれぞれ構成された複数のレンズエレメントの入射面に入射した前記環状の断面を有するほぼ平行な光束に基づいて、環状に並んだ複数の光源像を形成すること、
前記環状に並んで形成された複数の光源像からの光束を集光して物体面上で重ね合わせて照野を形成することを含み、
顕微鏡の対物レンズの倍率に応じて、前記物体面上に形成される前記照野の大きさを変化させるために、前記複数のレンズエレメントの各々を構成する前記複数のレンズ成分の空気間隔を変化させることにより前記複数のレンズ成分の合成焦点距離を変化させることを特徴とする暗視野照明方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は暗視野照明装置および暗視野照明方法に関し、特に顕微鏡において観察すべき物体に対する落射型の暗視野照明に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程では、感光性基板であるウエハなどに付着したホコリやキズなどを検査するために、暗視野照明を用いた顕微鏡観察がよく利用される。暗視野照明を用いた顕微鏡観察では、観察すべき物体からの反射光や透過光を直接観察するのではなく、物体からの散乱光を観察する。観察すべき物体がウエハなどの場合、明視野照明よりも暗視野照明のほうが良好なコントラストで観察を行うことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の暗視野照明装置では、物体をほぼクリティカル照明するように光学配置が構成されているので、照明光束が物体面上で結像することがないように照明光を拡散させている。具体的には、環状の凹面反射鏡を介して物体へ照明光束を導く場合、凹面反射鏡よりも光源側に配置された拡散板で照明光を拡散させる。この場合、拡散板で拡散された光の一部が凹面反射鏡へ入射することがなく、すなわち照明に寄与することがなく、光量の損失が発生する。
【０００４】
一方、環状のコンデンサーレンズを介して物体へ照明光束を導く場合、コンデンサーレンズの入射面に拡散膜を形成し、この拡散膜の作用により照明光を拡散させる。この場合、特に低倍の顕微鏡対物レンズを使用する際に拡散膜で拡散された光束が視野外を照明することがないように、フレアー防止のための固定絞りをコンデンサーレンズと物体との間の光路中に配置している。その結果、コンデンサーレンズを介した光の一部が固定絞りで遮られて照明に寄与することなく失われるとともに、固定絞りの配置により作動距離が短くなって操作性が損なわれる。
【０００５】
以上のように、従来の暗視野照明装置では、拡散板に起因する光量損失または固定絞りに起因する光量損失のために、物体上の照野において十分な明るさを得られないという不都合があった。
また、従来の暗視野照明装置では、いわゆるケーラー照明の光学配置となっていないので、特に低倍の顕微鏡対物レンズを使用する場合には、観察する広い視野内において明るさのムラがあるという不都合があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、十分な明るさを有し且つ明るさのムラが良好に抑制された暗視野照明を行うことのできる暗視野照明装置および暗視野照明方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では、照明光を供給するための光源と、
前記光源からの光束を環状の断面を有するほぼ平行な光束に整形するための整形系と、
基準光軸に沿って間隔を隔てて配置された複数のレンズ成分からそれぞれ構成されたレンズエレメントを複数有し、該複数のレンズエレメントの入射面に入射した前記環状の断面を有するほぼ平行な光束に基づいて、環状に並んだ複数の光源像を形成するためのフライアイ光学素子と、
前記複数の光源像からの光束を集光して物体面上で重ね合わせるための集光光学系とを備え、
前記フライアイ光学素子は、顕微鏡の対物レンズの倍率に応じて、前記物体面上に形成される照野の大きさを変化させるために、前記複数のレンズエレメントの各々を構成する前記複数のレンズ成分の空気間隔を変化させることにより前記複数のレンズ成分の合成焦点距離を変化させることができるように構成されていることを特徴とする暗視野照明装置を提供する。
【０００８】
本発明の好ましい態様によれば、前記フライアイ光学素子を構成する前記複数のレンズエレメントは全体的に筒状に配置されている。また、本発明の好ましい態様によれば、前記フライアイ光学素子の後側焦点面と前記集光光学系の前側焦点面とがほぼ一致するように配置され、前記フライアイ光学素子の前側焦点面と前記物体面とが光学的にほぼ共役に配置されている。
【００１０】
さらに、本発明の別の局面によれば、光源からの照明光束を環状の断面を有するほぼ平行な光束に整形すること、
基準光軸に沿って間隔を隔てて配置された複数のレンズ成分からそれぞれ構成された複数のレンズエレメントの入射面に入射した前記環状の断面を有するほぼ平行な光束に基づいて、環状に並んだ複数の光源像を形成すること、
前記環状に並んで形成された複数の光源像からの光束を集光して物体面上で重ね合わせて照野を形成することを含み、
顕微鏡の対物レンズの倍率に応じて、前記物体面上に形成される前記照野の大きさを変化させるために、前記複数のレンズエレメントの各々を構成する前記複数のレンズ成分の空気間隔を変化させることにより前記複数のレンズ成分の合成焦点距離を変化させることを特徴とする暗視野照明方法を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明では、光源からの照明光束が環状の断面を有するほぼ平行な光束に整形された後、全体的に筒状に配置された複数のレンズエレメントからなるフライアイ光学素子に入射する。フライアイ光学素子の環状の入射面に入射したほぼ平行な光束は、その射出面の近傍（すなわち後側焦点面の近傍）において環状に並んだ複数の光源像を形成する。環状に並んで形成された複数の光源像からの光束は、集光光学系により集光された後、物体面上で重なり合う。
【００１２】
このように、本発明では、集光光学系を介したほぼ平行な光束あるいは適当な発散角（あるいは収れん角）を有する光束が、ケーラー照明あるいはそれに近い照明状態で物体面を重畳的に照明する。その結果、物体面上には、明るさのムラが良好に抑制された照野が形成される。また、本発明では、ケーラー照明あるいはそれに近い照明状態で物体面を照明するため、従来技術における拡散板などを用いて光束を拡散する必要がない。その結果、フライアイ光学素子に入射した光束は実質的に光量損失することなく、集光光学系を介して物体面へ導かれる。その結果、物体面上には、十分な明るさを有する照野が形成される。
【００１３】
なお、本発明では、フライアイ光学素子の後側焦点面と集光光学系の前側焦点面とがほぼ一致するように配置され、フライアイ光学素子の前側焦点面と物体面とが光学的にほぼ共役に配置されていることが好ましい。この場合、複数の光源像からの光束を平行光束に変換して物体面をケーラー照明することにより、照野内での明るさのムラをさらに良好に抑えることができる。
【００１４】
また、フライアイ光学素子の後側焦点面と射出面とがほぼ一致しても前側焦点面と入射面とが全く異なるような場合、光軸に対してある程度の角度をもって各レンズエレメントに入射した光束の主光線が、光軸に対してある程度の角度をもって各レンズエレメントから射出される。その結果、このテレセントリックでない光束に起因して、照野内で明るさのムラが発生する。したがって、照野内で明るさのムラをさらに良好に抑制するには、フライアイ光学素子の前側焦点面と入射面とがほぼ一致し且つ後側焦点面と射出面とがほぼ一致していることが好ましい。
【００１５】
なお、フライアイ光学素子の各レンズエレメントを単レンズで構成する場合、各レンズエレメントの射出面と後側焦点面とをほぼ一致させるには単レンズの光軸に沿った長さが比較的大きくなる。したがって、多数の単レンズからなるフライアイ光学素子をプラスチック等でプレス加工により１つの構成要素として一体成形すると、厚さが大きい分だけ製造誤差が発生し易い。そこで、フライアイ光学素子の各レンズエレメントを、光軸に沿って間隔を隔てて配置された複数のレンズ成分、たとえば一対のレンズ成分から構成することが好ましい。この場合、フライアイ光学素子を２つの構成要素で構成することになるので、各構成要素の厚さが小さい分だけ製造誤差が発生し難いだけでなく、一対のレンズ成分の間に空気を介在させることによりフライアイ光学素子の光軸方向の長さを小さくして小型化することができる。
【００１６】
また、本発明の別の局面によれば、光源からの照明光束が環状の断面を有するほぼ平行な光束に整形された後、全体的に筒状に配置された複数のレンズエレメントからなるフライアイ光学素子に入射する。ここで、各レンズエレメントは、光軸に沿って間隔を隔てて配置された複数のレンズ成分、たとえば一対のレンズ成分から構成され、その空気間隔を変化させることができるように構成されている。フライアイ光学素子の環状の入射面に入射したほぼ平行な光束は、環状に並んだ複数の光源像を形成する。環状に並んで形成された複数の光源像からの光束は、集光光学系により集光された後、物体面上で重なり合う。
【００１７】
この場合、各レンズエレメントを構成する一対のレンズ成分の空気間隔を変化させると、一対のレンズ成分の合成焦点距離が変化し、ひいてはフライアイ光学素子から射出された後に集光光学系へ入射する光束の発散角が変化することになる。その結果、一対のレンズ成分の空気間隔を変化させることによって、集光光学系と物体面との間隔すなわち作動距離を変化させることなく、物体面上に形成される照野の大きさを調整することができる。すなわち、本発明では、集光光学系または固定絞りをデフォーカスさせて照野の大きさを調整する必要のある従来技術と比べて、照野の大きさを調整する際に作動距離が変化しないという点で操作性が向上することになる。
【００１８】
また、本発明においては、後述するように、顕微鏡の各対物レンズに対して、その開口数および視野に応じた１組のフライアイ光学素子および集光光学素子を使用することになるが、プラスチックなどの材料を用いたプレス加工などによりフライアイ光学素子の製造を行えば、大幅なコストアップにつながることはない。さらに、本発明においては、上述したように従来技術で用いられている拡散板または拡散膜が不必要なため、化学腐食の処理が不要となり、製造コスト的にも従来技術よりも有利である。
【００１９】
また、顕微鏡では倍率の異なる複数の対物レンズが回転自在のリボルバに装着され、このリボルバの回転により所望の倍率の対物レンズが結像光路中に選択的に位置決めされる。この場合、各対物レンズの倍率に応じてその開口数および視野が実質的に異なるため、各対物レンズの開口数よりも大きな開口数の光束でその視野に応じた大きさの照野を良好に形成するには、各対物レンズ毎にフライアイ光学素子および集光光学系を設けることが必要となる。このため、フライアイ光学素子および集光光学系は、対物レンズの胴付面よりも物体側に配置されていることが好ましい。
【００２０】
この構成により、顕微鏡の結像光路中に選択的に位置決めされる複数の対物レンズの各々に対して、１組のフライアイ光学素子および集光光学系を一体的に取り付けることができ、対物レンズの切り換えに際して検鏡者に余分な操作を強いることなく良好な操作性を確保することができる。仮に、フライアイ光学素子および集光光学系を顕微鏡鏡基内に配置すると、良好な照明自体が不可能になり易いだけでなく、対物レンズの切り換え毎に検鏡者に余分な操作を強いることになり操作性が著しく悪化する。
【００２１】
また、集光光学系に収差がある程度残存していると、複数の光源像からの光束を平行光束に変換することができなくなり、その結果物体面上において明るさにある程度ムラのある照野が形成されてしまう。したがって、集光光学系として環状のレンズ成分を用いる場合、このレンズ成分の少なくとも一方の面に非球面を導入することにより集光光学系ができるだけ無収差になるように構成することが好ましい。あるいは、レンズ成分のような屈折系に代えて、原理的に無収差の集光光学系として環状の放物凹面反射鏡を用いることにより、照野内での明るさのムラをさらに良好に抑えることが好ましい。
【００２２】
以下、本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例にかかる暗視野照明装置の全体構成を概略的に示す図である。また、図２は、図１のフライアイ光学素子の構成を概略的に示す拡大斜視図である。さらに、図３は、図１のコンデンサーレンズの構成を概略的に説明する拡大斜視図である。
【００２３】
本実施例の暗視野照明装置は、図１に示すように、照明光を供給するための光源１を備えている。なお、光源１として、たとえばハロゲンランプなどを用いることができる。光源１からの光は、コレクタレンズ２を介してほぼ平行な光束となった後、集光レンズ３を介して光源像４を形成する。光源像４の形成位置の近傍には、開口絞り５が配置されている。開口絞り５を介した光源像４からの光は、フィールドレンズ６を介してほぼ平行な光束となった後、ビームエキスパンダー（不図示）に入射する。ビームエキスパンダーは、光源側から順に、たとえば負レンズと正レンズとから構成されている。
【００２４】
したがって、ビームエキスパンダーに入射した光束は、負レンズと正レンズとの作用により、ビーム径の拡大されたほぼ平行な光束となってリング絞り７に入射する。リング絞り７は、光軸を中心とした円環状の開口部を有する。そして、ビームエキスパンダーは、リング絞り７の開口部の外径に応じてビーム径を拡大する。リング絞り７の開口部を通過した円環状の断面を有するほぼ平行な光束は、中空反射ミラー８に入射する。中空反射ミラー８は、中央に形成された全体的に円形状の開口部８ａと、その外側に形成された全体的に円環状の反射部８ｂとから構成されている。
【００２５】
中空反射ミラー８の反射部８ｂで反射された円環状の断面を有するほぼ平行な光束は、フライアイ光学素子９に入射する。フライアイ光学素子９は、図２に示すように、光軸に沿って延びた多数のレンズエレメント９ａを全体的に円筒状に配置することによって構成されている。したがって、フライアイ光学素子９の入射面および射出面は、入射光束の断面に対応した円環状となっている。各レンズエレメント９ａは、光源側に凸面を向けた入射面と、物体側に凸面を向けた射出面とを有する正単レンズである。また、各レンズエレメント９ａは、その前側（光源側）焦点面と入射面とがほぼ一致し且つ後側焦点面と射出面とがほぼ一致するように形成されている。
【００２６】
したがって、フライアイ光学素子９に入射した円環状の断面を有するほぼ平行な光束は、多数のレンズエレメント９ａにより二次元的に分割され、その後側焦点面（すなわち射出面の近傍）にレンズエレメント９ａの数と同数の光源像を形成する。換言すると、フライアイ光学素子９は、円環状の断面を有するほぼ平行な入射光束に基づいて、その射出面の近傍において円環状に並んだ多数の光源像を形成する。フライアイ光学素子９により円環状に並んで形成された多数の光源像からの光束は、図３に示すような円環状のコンデンサーレンズ１０により集光された後、物体面１１上の所定領域で重ね合わされる。
【００２７】
図４および図５は、フライアイ光学素子９の射出面近傍に形成された光源像からの光束が円環状のコンデンサーレンズ１０により集光され物体面１１上の所定領域で重ね合わされる様子を示す図である。なお、図４では比較的大きな断面の平行光束がフライアイ光学素子９に供給されているのに対し、図５では比較的小さな断面の平行光束がフライアイ光学素子９に供給されている。
【００２８】
図４および図５に示すように、フライアイ光学素子９の後側焦点面（すなわち射出面）とコンデンサーレンズ１０の前側焦点面とがほぼ一致するように配置されている。また、コンデンサーレンズ１０の後側焦点面と物体面１１とがほぼ一致するように配置されている。したがって、フライアイ光学素子９により形成された多数の光源像からの光束は、コンデンサーレンズ１０によりほぼ平行な光束に変換された後、物体面１１の所定領域を重畳的に照明する。
【００２９】
このように、図１の暗視野照明装置では、フライアイ光学素子９の後側焦点面すなわち射出面と光源１（ひいては光源像４および開口絞り５）とが光学的にほぼ共役になっている。また、フライアイ光学素子９の前側焦点面すなわち入射面と物体面１１とが光学的にほぼ共役になっている。換言すると、フライアイ光学素子９の各レンズエレメントの入射面が照明視野絞り面を構成している。したがって、比較的大きな断面の平行光束をフライアイ光学素子９に供給している図４では物体面１１上において比較的大きな照野が形成されるのに対し、比較的小さな断面の平行光束をフライアイ光学素子９に供給している図５では物体面１１上において比較的小さな照野が形成される。
【００３０】
再び図１を参照すると、円筒状のフライアイ光学素子９の中空部分および円環状のコンデンサーレンズ１０の中空部分を貫通するように、顕微鏡の対物レンズ（不図示）が配置されている。すなわち、顕微鏡の対物レンズには、その開口数および視野に応じた１組のフライアイ光学素子９およびコンデンサーレンズ１０が一体的に取り付けられている。したがって、暗視野照明された物体面１１からの反射光は対物レンズに入射することなく、物体面１１からの散乱光だけが対物レンズおよび中空反射ミラー８の開口部８ａを介して暗視野像を形成し、形成された暗視野像はたとえば接眼レンズ系（不図示）を介して観察される。
【００３１】
以上のように、本実施例では、フライアイ光学素子９の前側焦点面と入射面および後側焦点面と射出面とがほぼ一致し、フライアイ光学素子９の後側焦点面とコンデンサーレンズ１０の前側焦点面とがほぼ一致し、且つコンデンサーレンズ１０の後側焦点面と物体面１１とがほぼ一致するように構成されている。したがって、フライアイ光学素子９により形成された多数の光源像からの光束は、コンデンサーレンズ１０によりほぼ平行な光束に変換された後、物体面１１の同一領域を重畳的にケーラー照明する。その結果、物体面１１上には、明るさのムラが良好に抑制された照野が形成される。また、物体面をケーラー照明するので従来技術における拡散板などを用いて光束を拡散する必要がないため、フライアイ光学素子９に入射した光束は実質的に光量損失することなく、コンデンサーレンズ１０を介して物体面１１へ導かれる。その結果、物体面１１上には、十分な明るさを有する照野が形成される。
【００３２】
なお、上述の実施例では、フライアイ光学素子９により形成された多数の光源像からの光束を集光して物体面１１上で重ね合わせるための集光光学系として、円環状のコンデンサーレンズ１０を用いている。この場合、コンデンサーレンズ１０に収差がある程度残存していると、多数の光源像からの光束を平行光束に変換することができなくなり、その結果物体面１１上において明るさにある程度ムラのある照野が形成される。したがって、上述の実施例において照野内での明るさのムラをさらに良好に抑えるには、コンデンサーレンズ１０の光源側の面および物体側の面のうちの少なくとも一方の面に非球面を導入することにより、コンデンサーレンズ１０をできるだけ無収差に構成することが好ましい。換言すると、上述の実施例の第１変形例として、コンデンサーレンズ１０のような屈折系に代えて原理的に無収差の集光光学系である円環状の放物凹面反射鏡を用いると、照野内での明るさのムラを上述の実施例よりもさらに良好に抑えることができる。
【００３３】
以下、具体的な数値例に基づいて、上述の実施例および第１変形例の作用効果を検証する。
〔第１数値例〕
第１数値例は、５倍の顕微鏡対物レンズ（すなわち低倍用対物レンズ）のための暗視野照明を行う装置であり、上述の実施例の構成に基づいて集光光学系としてコンデンサーレンズを用いている。このコンデンサーレンズは、円環状の両凸レンズであり、光源側のレンズ面が非球面状に形成されている。
【００３４】
なお、各数値例において、コンデンサーレンズの非球面は、円錐定数（コーニック定数）κが−１であるため、光軸に垂直な方向の高さをｙとし、高さｙにおける非球面の頂点の接平面から非球面までの光軸に沿った距離をｘとし、ｎ次の非球面係数をＡn とするとき、以下の数式（ａ）で表される。
【数１】
0004348574.tif 000002
【００３５】
次の表（１）に、第１数値例におけるフライアイ光学素子およびコンデンサーレンズの諸元の値を掲げる。なお、屈折率は、ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する値を示している。
【表１】
〔フライアイ光学素子のデータ〕
入射面の曲率半径            ８．２５
射出面の曲率半径            −８．２５
焦点距離                    ２５
厚さ（光軸方向の長さ）      ２５
屈折率                      １．５０１
アッベ数                    ５６．２
レンズエレメント数          ２４
〔コンデンサーレンズのデータ〕
入射面の曲率半径            非球面データを参照
射出面の曲率半径            −７０
焦点距離                    ２７．５
厚さ（光軸方向の長さ）      ９
屈折率                      １．５１６
アッベ数                    ６４．１
（非球面データ）
頂点曲率半径Ｒ  １７
非球面係数Ａ0   ０
非球面係数Ａ2    0.2941 ×10-1
非球面係数Ａ4    0.4713 ×10-5
非球面係数Ａ6   -0.1162 ×10-7
非球面係数Ａ8   -0.3743 ×10-10 
非球面係数Ａ10   0.3776 ×10-13 
【００３６】
図６は、第１数値例において物体面上に形成される照野の強度分布を示す図である。図６において、横軸は照野中心（視野中心）からの距離（ｍｍ）を、縦軸は光強度（Ｗ／ｍｍ2 ）をそれぞれ示している。図６を参照すると、５倍用の顕微鏡対物レンズのための所要視野（直径５ｍｍ）内において十分な明るさが確保され、且つ照野内での明るさのムラが良好に抑制されていることがわかる。
【００３７】
〔第２数値例〕
第２数値例は、１０倍の顕微鏡対物レンズ（すなわち中倍用対物レンズ）のための暗視野照明を行う装置であり、上述の実施例の構成に基づいて集光光学系としてコンデンサーレンズを用いている。このコンデンサーレンズは、第１数値例と同様に、円環状の両凸レンズであり光源側のレンズ面が非球面状に形成されているが、その諸元が第１数値例とは相違している。
【００３８】
次の表（２）に、第２数値例におけるフライアイ光学素子およびコンデンサーレンズの諸元の値を掲げる。なお、屈折率は、ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する値を示している。
【表２】
〔フライアイ光学素子のデータ〕
入射面の曲率半径            ６．６
射出面の曲率半径            −６．６
焦点距離                    ２０
厚さ（光軸方向の長さ）      ２０
屈折率                      １．５０１
アッベ数                    ５６．２
レンズエレメント数          ２４
〔コンデンサーレンズのデータ〕
入射面の曲率半径            非球面データを参照
射出面の曲率半径            −４０．０
焦点距離                    ２０．０
厚さ（光軸方向の長さ）      １３
屈折率                      １．５１６
アッベ数                    ６４．１
（非球面データ）
頂点曲率半径Ｒ  １７
非球面係数Ａ0   ０
非球面係数Ａ2    0.3125 ×10-1
非球面係数Ａ4   -0.2495 ×10-5
非球面係数Ａ6   -0.4253 ×10-7
非球面係数Ａ8   -0.1547 ×10-9
非球面係数Ａ10   0.3813 ×10-12 
【００３９】
図７は、第２数値例において物体面上に形成される照野の強度分布を示す図である。図７において、横軸は照野中心（視野中心）からの距離（ｍｍ）を、縦軸は光強度（Ｗ／ｍｍ2 ）をそれぞれ示している。図７を参照すると、１０倍用の対物レンズのための所要視野（直径２．５ｍｍ）内において十分な明るさが確保され、且つ照野内での明るさのムラが良好に抑制されていることがわかる。
【００４０】
〔第３数値例〕
第３数値例は、２０倍の顕微鏡対物レンズ（すなわち高倍用対物レンズ）のための暗視野照明を行う装置であり、上述の第１変形例の構成に基づいて集光光学系として放物凹面反射鏡を用いている。この放物凹面反射鏡の放物面は、その光軸に垂直な方向の高さをｙとし、高さｙにおける放物面の頂点の接平面から放物面までの光軸に沿った距離をｘとし、円錐定数をκとするとき、以下の数式（ｂ）で表される。
ｘ＝（Ａ・ｙ2 ）／〔１＋｛１−（１＋κ）Ａ2 ・ｙ2 ｝1/2 〕    （ｂ）
ただし、係数Ａ＝１／Ｒ    （Ｒは頂点曲率半径）
【００４１】
次の表（３）に、第３数値例におけるフライアイ光学素子および放物凹面反射鏡の諸元の値を掲げる。なお、屈折率は、ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する値を示している。また、第３数値例のフライアイ光学素子は、第１数値例のフライアイ光学素子と同じ諸元を有する。
【表３】
〔フライアイ光学素子のデータ〕
入射面の曲率半径            ８．２５
射出面の曲率半径            −８．２５
焦点距離                    ２５
厚さ（光軸方向の長さ）      ２５
屈折率                      １．５０１
アッベ数                    ５６．２
レンズエレメント数          ２４
〔放物凹面反射鏡の放物面のデータ〕
頂点曲率半径Ｒ              ８
焦点距離（＝Ｒ／２）        ４
円錐定数κ                  −１
係数Ａ（＝１／Ｒ）          ０．１２５
【００４２】
図８は、第３数値例において物体面上に形成される照野の強度分布を示す図である。図８において、横軸は照野中心（視野中心）からの距離（ｍｍ）を、縦軸は光強度（Ｗ／ｍｍ2 ）をそれぞれ示している。図８を参照すると、２０倍用の対物レンズのための所要視野（直径１．２５ｍｍ）内において十分な明るさが確保され、且つ照野内での明るさのムラが良好に抑制されていることがわかる。
【００４３】
なお、上述の実施例では、フライアイ光学素子９の前側焦点面と入射面とをほぼ一致させている。しかしながら、図９およびその部分拡大図である図１０に示す第２変形例のように、フライアイ光学素子９の後側焦点面と射出面とをほぼ一致させるだけで、前側焦点面と入射面とが全く異なるような構成も可能である。この場合、光軸に対してある程度の角度をもって各レンズエレメント９a'に入射した光束の主光線が、光軸に対してある程度の角度をもって各レンズエレメント９a'から射出される。その結果、このテレセントリックでない光束に起因して、照野内で明るさのムラが発生する。しかしながら、第２変形例の場合でも、従来技術と比較して、十分な明るさが確保され且つ照野内での明るさのムラが良好に抑制されることはいうまでもない。
【００４４】
また、上述の実施例では、フライアイ光学素子９の各レンズエレメント９ａを単レンズで構成している。この場合、各レンズエレメント９ａの射出面と後側焦点面とをほぼ一致させるには単レンズの光軸に沿った長さが比較的大きくなる。したがって、多数の単レンズ９ａからなるフライアイ光学素子９をプラスチック等でプレス加工により１つの構成要素として一体成形すると、厚さが大きい分だけ製造誤差が発生し易い。そこで、図１１に示す第３変形例のように、フライアイ光学素子の各レンズエレメント９ａを、光軸に沿って間隔を隔てて配置された一対のレンズ成分９ｂおよび９ｃから構成することができる。
【００４５】
第３変形例では、一対のレンズ成分９ｂおよび９ｃから構成されたレンズエレメント９ａにおいて、前側焦点面と入射面とがほぼ一致するとともに後側焦点面と射出面とがほぼ一致している。したがって、第３変形例においても、上述の実施例と同様の光学的作用効果を奏することができる。加えて、第３変形例の場合、フライアイ光学素子を２つの構成要素で構成することになるので、各構成要素の厚さが小さい分だけ製造誤差が発生し難いだけでなく、一対のレンズ成分９ｂと９ｃとの間に空気を介在させることにより各レンズエレメント９ａの光軸方向の長さを、ひいてはフライアイ光学素子９の光軸方向の長さを小さくして小型化することができる。
【００４６】
さらに、上述の実施例では、フライアイ光学素子９の射出面の近傍に多数の光源像を形成するとともに、多数の光源像からの発散光束をコンデンサーレンズ１０を介してほぼ平行な光束に変換して物体面１１へ導いている。しかしながら、フライアイ光学素子９の射出面からある程度離れた所定面上に多数の光源像を形成し、これらの多数の光源像からの発散光束をコンデンサーレンズ１０を介して適当な角度の発散光束に整えて物体面１１へ導くこともできる。この場合、上述の実施例と比較して照野内での明るさのムラが増大するが、従来技術と比較して十分な明るさを確保し且つ照野内での明るさのムラを良好に抑制することができる。
【００４７】
また、本発明では、フライアイ光学素子９の各レンズエレメント９ａを一対のレンズ成分９ｂおよび９ｃで構成する第３変形例に関連して、後述するように第４変形例および第５変形例が可能である。
図１２は、第４変形例の要部構成を示す断面図であって、フライアイ光学素子の各レンズエレメントを構成する一対のレンズ成分の空気間隔が比較的狭い状態を示す図である。また、図１３は、第４変形例の要部構成を示す断面図であって、フライアイ光学素子の各レンズエレメントを構成する一対のレンズ成分の空気間隔が比較的広い状態を示す図である。さらに、図１４は、図１２および図１３のフライアイ光学素子の構成を概略的に示す拡大斜視図である。
【００４８】
図１２〜図１４に示すように、第４変形例では第３変形例と同様に、フライアイ光学素子９は、光軸に沿って間隔を隔てて配置された一対のレンズ成分９ｂおよび９ｃからなる多数のレンズエレメント９ａを全体的に円筒状に配置することによって構成されている。しかしながら、第４変形例では、一対のレンズ成分９ｂと９ｃとの空気間隔を変化させることができるように構成されている点が第３変形例と相違している。
まず、第４変形例において図１２に示す状態では、第３変形例と同様に、フライアイ光学素子９の射出面の近傍に多数の光源像が形成されている。多数の光源像からの発散光束は、コンデンサーレンズ１０を介して物体面１１へ導かれ、物体面１１上には比較的大きな照野が形成されている。
【００４９】
これに対し、図１３に示す状態では、各レンズエレメント９ａを構成する一対のレンズ成分９ｂと９ｃとの空気間隔が増大するように、物体面側のレンズ成分９ｃが物体面側へ移動している。その結果、図１３に示す状態では、フライアイ光学素子９から射出されてコンデンサーレンズ１０へ入射する光束の発散角が図１２の状態よりも小さくなり、物体面１１上に形成される照野の大きさが図１２の状態よりも小さくなっている。したがって、図示を省略したが、一対のレンズ成分９ｂと９ｃとの空気間隔が減少するように、物体面側のレンズ成分９ｃを図１２の状態から光源側へ移動させると、フライアイ光学素子９から射出されてコンデンサーレンズ１０へ入射する光束の発散角が図１２の状態よりも大きくなり、物体面１１上に形成される照野の大きさが図１２の状態よりも大きくなる。
【００５０】
このように、第４変形例では、各レンズエレメント９ａを構成する一対のレンズ成分９ｂと９ｃとの空気間隔を変化させると、一対のレンズ成分の合成焦点距離が変化し、フライアイ光学素子９から射出されてコンデンサーレンズ１０へ入射する光束の発散角が変化することになる。その結果、一対のレンズ成分９ｂと９ｃとの空気間隔を変化させることによって、コンデンサーレンズ１０と物体面１１との間隔すなわち作動距離を変化させることなく、物体面１１上に形成される照野の大きさを調整することができる。
【００５１】
図１５は、第５変形例の要部構成を示す断面図であって、フライアイ光学素子の各レンズエレメントを構成する一対のレンズ成分の空気間隔が比較的狭い状態を示す図である。また、図１６は、第５変形例の要部構成を示す断面図であって、フライアイ光学素子の各レンズエレメントを構成する一対のレンズ成分の空気間隔が比較的広い状態を示す図である。
第５変形例は、第４変形例と類似の構成を有する。しかしながら、第４変形例では集光光学系として環状のコンデンサーレンズを用いているのに対し、第５変形例では集光光学系として環状の放物凹面反射鏡を用いる点だけが第４変形例と相違している。
【００５２】
したがって、第５変形例において図１５に示す状態（第４変形例の図１２に対応する状態）では、フライアイ光学素子９の射出面の近傍に多数の光源像が形成され、多数の光源像からの発散光束は放物凹面反射鏡１０ａを介して物体面１１へ導かれ、物体面１１上には比較的大きな照野が形成されている。
これに対し、図１６に示す状態（第４変形例の図１３に対応する状態）では、各レンズエレメント９ａを構成する一対のレンズ成分９ｂと９ｃとの空気間隔が増大するように、物体面側のレンズ成分９ｃが物体面側へ移動している。その結果、図１６に示す状態では、フライアイ光学素子９から射出されて放物凹面反射鏡１０ａへ入射する光束の発散角が図１５の状態よりも小さくなり、物体面１１上に形成される照野の大きさが図１５の状態よりも小さくなっている。
このように、第５変形例においても第４変形例と同様に、一対のレンズ成分の空気間隔を変化させることによって、作動距離を変化させることなく、物体面１１上に形成される照野の大きさを調整することができる。
【００５３】
なお、上述の実施例および各変形例では、フライアイ光学素子９を構成するレンズエレメントが全体的に筒状に配置されている。しかしながら、フライアイ光学素子９は必ずしも筒状である必要はなく、複数のレンズエレメントが集まってほぼリング状に配置されていれば同様の効果を得ることができる。したがって、例えば、複数のレンズエレメントが円周上に間隔を隔てて配置されていても良いし、複数のレンズエレメントが間隔を隔ててあるいは互いに隣接して２つの半円状に配置されていても良い。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、集光光学系を介したほぼ平行な光束が物体面を重畳的にほぼケーラー照明するので、物体面上には明るさのムラが良好に抑制された照野が形成される。また、本発明では、物体面をほぼケーラー照明するので従来技術における拡散板などを用いて光束を拡散する必要がないため、実質的に光量損失することなく物体面上には十分な明るさを有する照野が形成される。
さらに、本発明によれば、フライアイ光学素子の各レンズエレメントを構成する一対のレンズ成分の空気間隔を変化させることによって、集光光学系と物体面との間隔すなわち作動距離を変化させることなく、物体面上に形成される照野の大きさを調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例にかかる暗視野照明装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】図１のフライアイ光学素子の構成を概略的に示す拡大斜視図である。
【図３】図１のコンデンサーレンズの構成を概略的に説明する拡大斜視図である。
【図４】比較的大きい断面の平行光束に基づいてフライアイ光学素子の射出面近傍に形成された光源像からの光束が円環状のコンデンサーレンズにより集光され物体面上の所定領域で重ね合わされる様子を示す図である。
【図５】比較的小さい断面の平行光束に基づいてフライアイ光学素子の射出面近傍に形成された光源像からの光束が円環状のコンデンサーレンズにより集光され物体面上の所定領域で重ね合わされる様子を示す図である。
【図６】第１数値例において物体面上に形成される照野の強度分布を示す図である。
【図７】第２数値例において物体面上に形成される照野の強度分布を示す図である。
【図８】第３数値例において物体面上に形成される照野の強度分布を示す図である。
【図９】フライアイ光学素子の後側焦点面と射出面とがほぼ一致しているが前側焦点面と入射面とが全く異なる第２変形例の要部構成を示す図である。
【図１０】図９の部分拡大図であって、光軸に対してある程度の角度をもって各レンズエレメントに入射した光束の主光線が光軸に対してある程度の角度をもって各レンズエレメントから射出される様子を示す図である。
【図１１】フライアイ光学素子の各レンズエレメントが光軸に沿って間隔を隔てて配置された一対のレンズ成分からなる第３変形例の要部構成を示す図である。
【図１２】第４変形例の要部構成を示す断面図であって、フライアイ光学素子の各レンズエレメントを構成する一対のレンズ成分の空気間隔が比較的狭い状態を示す図である。
【図１３】第４変形例の要部構成を示す断面図であって、フライアイ光学素子の各レンズエレメントを構成する一対のレンズ成分の空気間隔が比較的広い状態を示す図である。
【図１４】図１２および図１３のフライアイ光学素子の構成を概略的に示す拡大斜視図である。
【図１５】第５変形例の要部構成を示す断面図であって、フライアイ光学素子の各レンズエレメントを構成する一対のレンズ成分の空気間隔が比較的狭い状態を示す図である。
【図１６】第５変形例の要部構成を示す断面図であって、フライアイ光学素子の各レンズエレメントを構成する一対のレンズ成分の空気間隔が比較的広い状態を示す図である。
【符号の説明】
１    光源
２    コレクタレンズ
３    集光レンズ
４    光源像
５    開口絞り
６    フィールドレンズ
７    リング絞り
８    中空反射ミラー
９    フライアイ光学素子
９ａ  フライアイ光学素子の各レンズエレメント
９ｂ、９ｃ  各レンズエレメントを構成する一対のレンズ成分
１０  コンデンサーレンズ
１０ａ  放物凹面反射鏡
１１  物体面
【図１】
0004348574.tif 000003
【図２】
0004348574.tif 000004
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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