專利名稱：照明光學(xué)裝置及光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種諸如投影裝置、曝光裝置和顯微鏡之類的照明光學(xué) 裝置，以及一種采用這樣的照明光學(xué)裝置的光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
在諸如投影裝置、曝光裝置和顯微鏡的光學(xué)裝置的照明光學(xué)系統(tǒng)中， 需要均勻地并用足夠明亮的光照明整個照明區(qū)域的能力。用于實現(xiàn)這樣照明的公知照明光學(xué)裝置例如包括在日本未審專利申請?zhí)亻_平6-349710號公報中描述的照明裝置(參見從第10欄中的第31 行至第11欄中的第30行的部分以及圖7)。相對于多個光源發(fā)出的光束而言，該照明光學(xué)裝置例如通過使用復(fù) 眼透鏡而提高了照明光功率和照度均勻性。另外，該照明光學(xué)裝置利用 分束光學(xué)系統(tǒng)(半棱鏡)將來自各光源的光束分開，并使光束從不同角 度入射到復(fù)眼透鏡上，以防止發(fā)生照度不均勻。然而，該照明光學(xué)裝置的問題例如在于，其需要分束系統(tǒng)，這使得 光學(xué)系統(tǒng)變得復(fù)雜。該照明光學(xué)系統(tǒng)的另一不利之處在于，由于為了獲 得期望性能需要部件精度高而使裝置變得非常昂貴。另外，為了在復(fù)眼 透鏡處有效地接收從光源發(fā)出的光，同時防止例如漸暈，光源的形狀和 布局以及復(fù)眼透鏡的形狀都受到諸多限制。此外，期望的結(jié)構(gòu)是可按照 需要根據(jù)例如待檢驗樣品的性質(zhì)來選擇光源的類型、強度等。然而，這 樣的結(jié)構(gòu)不能應(yīng)用在上述公知的照明光學(xué)裝置中。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是鑒于上述情形構(gòu)思的，并且本發(fā)明的目的在于提供一種照 明光學(xué)裝置和采用該照明光學(xué)裝置的光學(xué)裝置，所述照明光學(xué)裝置和光
學(xué)裝置能夠有效地收集從光源發(fā)出的光以便以較低的照度不均勻性進行 照明，而不必采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)且也不會給光源的形狀布局以及復(fù)眼透鏡的 形狀施加限制。優(yōu)選的是，本發(fā)明的另一目的是提供一種照明光學(xué)裝置 和采用該照明光學(xué)裝置的光學(xué)裝置，該照明光學(xué)裝置和光學(xué)裝置允許根 據(jù)例如待檢驗樣品的性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)墓庠?。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下的解決方案。本發(fā)明提供了一種照明光學(xué)裝置，該照明光學(xué)裝置包括發(fā)光部； 透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)用于將從所述發(fā)光部發(fā)出的發(fā)散光束轉(zhuǎn)變成平行 光束；無焦光學(xué)系統(tǒng)，該無焦光學(xué)系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)通過所述透鏡系統(tǒng)獲得 的平行光束的截面面積；復(fù)眼透鏡，該復(fù)眼透鏡用于從截面面積被所述 無焦光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的平行光來形成多個光源圖像；以及柯勒(Koehler) 照明光學(xué)系統(tǒng)，該柯勒照明光學(xué)系統(tǒng)采用通過所述復(fù)眼透鏡形成的所述 多個光源圖像作為光源。在具有該結(jié)構(gòu)的照明光學(xué)裝置中，由于從所述發(fā)光部發(fā)出的發(fā)散光 由所述透鏡系統(tǒng)無耗損地收集以用作照明光，因此可以實現(xiàn)有效的照明。另外，以這種方式收集的照明光通過所述透鏡系統(tǒng)和所述無焦光學(xué) 系統(tǒng)而以平行光入射到所述復(fù)眼透鏡上，從而通過所述復(fù)眼透鏡從該平 行光形成多個光源圖像，并且該多個光源圖像用作所述柯勒照明光學(xué)系 統(tǒng)的光源。換言之，在該照明光學(xué)裝置中，由于通過所述透鏡系統(tǒng)獲得 的平行光束在該平行光束的截面面積由所述無焦光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)之后以照 明光入射到所述復(fù)眼透鏡上，因此不容易產(chǎn)生由于所述復(fù)眼透鏡的組成 透鏡的形狀而引起的漸暈。此外，在該照明光學(xué)裝置中，由于通過所述 復(fù)眼透鏡形成的多個光源圖像從多個方向相互疊加在照明表面上，因此 可以實現(xiàn)具有均勻照度分布的照明。如上所述，該照明光學(xué)裝置使得可以有效地收集從所述發(fā)光部發(fā)出 的光，并以較小的照度不均勻性進行照明，而無需采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這里，將通過所述透鏡系統(tǒng)獲得的所述平行光剛通過所述無焦光學(xué) 系統(tǒng)時測量的光束直徑定義為Dl，將所述平行光即將入射到所述無焦光 學(xué)系統(tǒng)之前的光束系(beam system)定義為D2,并且將P定義為P = Dl/D2。如果該P值小于0.25，則所述復(fù)眼透鏡相比于所述發(fā)光部太小，可能會使得從所述發(fā)光部發(fā)出的光的利用率降低。另一方面，如果3值 大于2，則所述復(fù)眼透鏡的孔徑相比于所述發(fā)光部的有效孔徑過大，使得 所述裝置的尺寸大于所需尺寸。因此，在根據(jù)本發(fā)明的照明光學(xué)裝置中，所述無焦光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選滿 足條件表達式0. 25< 3 <2。更優(yōu)選的是，所述無焦光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足條件 表達式0.4<P <1。另外，所述無焦光學(xué)系統(tǒng)可包括靠近所述發(fā)光部布置的第一組和靠 近所述復(fù)眼透鏡布置的第二組，并且所述第一組可在所述第一組與所述 第二組之間形成所述發(fā)光部的圖像。在這種情況下，由于來自所述發(fā)光部的圖像(光源圖像)的光瞳位 置(pupil position)可以布置在所述復(fù)眼透鏡的入射平面上，因此可 以將從所述發(fā)光部發(fā)出的光有效地引導(dǎo)到所述復(fù)眼透鏡上。在這種情況下，所述無焦光學(xué)系統(tǒng)的所述第二組形成獨立于所述第 一組的光學(xué)系統(tǒng)。因此，可以將所述無焦光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造成使得其可以在所述第一組和 所述第二組之間分開。在這種情況下，僅有所述第一組或所述第一組和 所述發(fā)光部二者可以由具有不同結(jié)構(gòu)的部分替換。因此，可通過根據(jù)照 明需求和待使用的發(fā)光部的特性適當(dāng)?shù)剡x擇僅僅所述第一組或所述第一 組和所述發(fā)光部二者而進行最佳的照明。此外，在根據(jù)本發(fā)明的照明光學(xué)裝置中，所述無焦光學(xué)系統(tǒng)可包括 對通過所述透鏡系統(tǒng)獲得的所述平行光束的截面面積進行調(diào)節(jié)的功能。在這種情況下，即使從所述光源部發(fā)出的光束的截面面積因為所述 發(fā)光部已經(jīng)被替換而發(fā)生改變，通過所述無焦光學(xué)系統(tǒng)也可以將已經(jīng)通 過所述無焦光學(xué)系統(tǒng)的平行光束的截面面積調(diào)節(jié)到適當(dāng)大小。這使得從 所述發(fā)光部發(fā)出的光可以被有效地收集，且以較小的照度不均勻性進行 照明。所述無焦光學(xué)系統(tǒng)的這種調(diào)節(jié)功能例如可通過將所述無焦光學(xué)系統(tǒng) 構(gòu)造成使得某些透鏡是可替換的來實現(xiàn)。在這種情況下，可以通過將某 些透鏡替換為合適的透鏡而將已經(jīng)通過所述無焦光學(xué)系統(tǒng)的平行光束的 截面面積調(diào)節(jié)到適當(dāng)大小。此外，所述無焦光學(xué)系統(tǒng)的這種調(diào)節(jié)功能可以通過為所述無焦光學(xué) 系統(tǒng)設(shè)置用于沿著光軸方向移動某些透鏡的機構(gòu)(例如，變焦機構(gòu))來 實現(xiàn)。在這種情況下，無需替換所述無焦光學(xué)系統(tǒng)就可以將通過所述無 焦光學(xué)系統(tǒng)的平行光束的截面面積調(diào)節(jié)到適當(dāng)大小。這里，所述無焦光學(xué)系統(tǒng)可構(gòu)造成包括靠近多個發(fā)光部2布置的 第一組；以及第二組，該第二組靠近所述復(fù)眼透鏡布置，使得所述第一 組由凸透鏡或凸透鏡組構(gòu)成，所述第二組由凹透鏡或凹透鏡組構(gòu)成，并 且所述第一組調(diào)節(jié)光束截面面積，而無需使來自所述多個發(fā)光部2的圖 像聚焦在所述第一組和所述第二組之間。在這種情況下，構(gòu)成所述無焦 光學(xué)系統(tǒng)的透鏡所需的光焦度(power)較小，并且需要的光焦度越小， 就越能抑制像差的產(chǎn)生。這使得光學(xué)設(shè)計容易、制造成本低。另外，在根據(jù)本發(fā)明的照明光學(xué)裝置中，可以將多個所述發(fā)光部布 置成使其光軸彼此平行，并且所述透鏡系統(tǒng)可以是包括透鏡元件的透鏡 陣列，所述透鏡元件與所述多個發(fā)光部中的各發(fā)光部相對應(yīng)，以通過相 應(yīng)的透鏡元件將從各所述發(fā)光部發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成平行光。在具有該結(jié)構(gòu)的照明光學(xué)裝置中，由于從各發(fā)光部發(fā)出的光由相應(yīng) 的透鏡元件無耗損地收集以用作照明光，因此可以實現(xiàn)有效的照明。以 該方式收集的照明光通過所述透鏡系統(tǒng)和所述無焦光學(xué)系統(tǒng)而以平行光 入射到所述復(fù)眼透鏡上，從而通過所述復(fù)眼透鏡從該平行光形成多個光 源圖像，并且該多個光源圖像用作用于柯勒照明光學(xué)系統(tǒng)的光源。換言 之，在該照明光學(xué)裝置中，由于在通過所述無焦光學(xué)系統(tǒng)對來自所述透 鏡系統(tǒng)的平行光束的截面面積進行調(diào)節(jié)之后照明光才入射到所述復(fù)眼透 鏡上，因此不容易產(chǎn)生由于所述復(fù)眼透鏡的組成透鏡的形狀而引起的漸 暈。此外，在該照明光學(xué)裝置中，由于通過所述復(fù)眼透鏡形成的所述多 個光源圖像從多個方向彼此疊加在所述照明表面上，因此可以實現(xiàn)具有 均勻照度分布的照明。如上所述，該照明光學(xué)裝置使得從所述多個發(fā)光部發(fā)出的光能被有 效地收集并以較小的照度不均勻性進行照明，而不必采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)?？沙闪F>4KS，其中KS為透鏡元件的數(shù)量，而KF為構(gòu)成所述復(fù) 眼透鏡的組成透鏡的數(shù)量。在具有該結(jié)構(gòu)的照明光學(xué)裝置中，所述復(fù)眼透鏡可以從一個發(fā)光部 形成四個或更多個光源圖像。結(jié)果，所述柯勒照明光學(xué)系統(tǒng)可以從比發(fā) 光部的數(shù)量多的方向?qū)φ彰鞅砻孢M行照明。這使得甚至可以用更均勻的 照度分布進行照明。所述發(fā)光部和所述透鏡元件可以布置在與所述無焦光學(xué)系統(tǒng)的光軸 垂直的平面上，使其各光軸平行于所述無焦光學(xué)系統(tǒng)的光軸。在具有該結(jié)構(gòu)的照明光學(xué)裝置中，各透鏡元件可將從相應(yīng)發(fā)光部發(fā) 出的光轉(zhuǎn)變成大致平行光，因此使照明光損失保持較小。所述多個發(fā)光部可構(gòu)造成發(fā)出具有相同波長的光束。在這種情況下，不容易發(fā)生由于所述發(fā)光部發(fā)出的光的波長不同而 引起的像差(色差)。因此，該照明光學(xué)裝置在光學(xué)上容易設(shè)計和制造。這里所用的術(shù)語"相同波長"并不是指波長完全相同，而是允許波 長由于所述發(fā)光部之間的個體差異而存在偏差。在該照明光學(xué)裝置中，所述無焦光學(xué)系統(tǒng)和所述復(fù)眼透鏡可以是可 替換的。在這種情況下，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的照明光學(xué)裝置應(yīng)用于諸如顯微鏡的 表面照明(印i一illumination)裝置之類的照明光學(xué)裝置上時，其中至 少設(shè)置在所述復(fù)眼透鏡下游的透鏡組的部分(例如，物鏡)可被更換， 根據(jù)該透鏡組的可以被更換的性質(zhì)可用具有適當(dāng)性質(zhì)的無焦光學(xué)系統(tǒng)和 復(fù)眼透鏡替換所述無焦光學(xué)系統(tǒng)和所述復(fù)眼透鏡。因而，不容易發(fā)生照 明損失。本發(fā)明提供了一種光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置包括根據(jù)上述本發(fā)明的照 明光學(xué)裝置。在具有該結(jié)構(gòu)的照明光學(xué)裝置中，從所述發(fā)光部發(fā)出的光可以被有 效地收集以便以較小的照度不均勻性進行照明，而不必采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)且 也不會對所述發(fā)光部的形狀和布局以及所述復(fù)眼透鏡的形狀施加限制。
這樣的光學(xué)裝置例如包括具有投影光學(xué)系統(tǒng)的投影裝置，該投影光學(xué)系統(tǒng)以根據(jù)本發(fā)明的照明光學(xué)裝置作為光源對圖像進行投影；具有投影光學(xué)系統(tǒng)的曝光裝置，該投影光學(xué)系統(tǒng)通過使用根據(jù)本發(fā)明的照明光學(xué)裝置將掩模圖案投射到感光件上；以及具有觀測光學(xué)系統(tǒng)的顯微鏡, 該觀測光學(xué)系統(tǒng)用于檢驗通過根據(jù)本發(fā)明的照明光學(xué)裝置照明的目標(biāo)對 象物。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，從所述發(fā)光部發(fā)出的光可以被有效地收集 以便以較小照度不均勻性進行穩(wěn)定的照明，而不必采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)且也不 會對所述發(fā)光部的形狀和布局以及所述復(fù)眼透鏡的形狀施加限制。結(jié)果， 可以使用各種類型的發(fā)光部進行更亮的照明，并且通過具有相對較低亮 度的發(fā)光部，例如LED發(fā)光器件就可以獲得充分高的亮度。由于LED發(fā)光器件比現(xiàn)有光源(例如白熾燈和弧光燈)具有更長的 壽命，因此，使用LED發(fā)光器件作為發(fā)光部意味著使用者在很長時間內(nèi) 都無需替換發(fā)光部。另外，根據(jù)本發(fā)明，可以例如根據(jù)待檢驗的樣品的性質(zhì)來選擇發(fā)光部。


圖1A是部分地表示根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的照明光學(xué)裝置的結(jié) 構(gòu)的圖；圖1B是部分地表示根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的照明光學(xué)裝置的結(jié) 構(gòu)的圖；圖2是表示從光軸方向看時圖1A中所示的照明光學(xué)裝置的發(fā)光部和 透鏡陣列的圖；圖3是表示從光軸方向看時圖1A中所示的照明光學(xué)裝置的復(fù)眼透鏡的圖；圖4是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的照明光學(xué)裝置的無焦光學(xué)系統(tǒng)的另一示例性結(jié)構(gòu)的圖；圖5是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的照明光學(xué)裝置的無焦光學(xué)系
統(tǒng)的另一示例性結(jié)構(gòu)的圖；圖6A是表示在圖1A中所示的照明光學(xué)裝置的發(fā)光部、透鏡元件以及組成透鏡的另 一示例性布局的圖；圖6B是表示在圖1A中所示的照明光學(xué)裝置的發(fā)光部、透鏡元件以 及組成透鏡的另一示例性布局的圖；圖7是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的照明光學(xué)裝置的另一示例性 結(jié)構(gòu)的圖；圖8是表示根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的照明光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)的圖。
具體實施方式
下面參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的優(yōu)選實施方式。 [第一實施方式]根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置是包括根據(jù)本發(fā)明的照明光學(xué)裝置的光學(xué)裝 置。更具體地說，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置例如是具有投影光學(xué)系統(tǒng)的 投影裝置，該投影光學(xué)系統(tǒng)以根據(jù)本發(fā)明的照明光學(xué)裝置作為光源對圖 像進行投影；具有投影光學(xué)系統(tǒng)的曝光裝置，該投影光學(xué)系統(tǒng)通過使用 根據(jù)本發(fā)明的照明光學(xué)裝置將掩模圖案投射到感光件上；以及具有觀測 光學(xué)系統(tǒng)的顯微鏡，該觀測光學(xué)系統(tǒng)用于檢驗通過根據(jù)本發(fā)明的照明光 學(xué)裝置照明的目標(biāo)對象物。以實施例的方式來描述該實施方式，在該實施例中，本發(fā)明應(yīng)用于 具有圖1A和圖1B所示的照明光學(xué)裝置1以及觀測光學(xué)系統(tǒng)的顯微鏡， 該觀測光學(xué)系統(tǒng)用于檢驗用該照明光學(xué)裝置1照明的照明表面(待檢驗 對象物)。照明光學(xué)裝置l包括發(fā)光部2 (光源)；透鏡系統(tǒng)3，該透鏡系統(tǒng) 3用于將從發(fā)光部2發(fā)出的發(fā)散光轉(zhuǎn)變成平行光束；無焦光學(xué)系統(tǒng)4，該 無焦光學(xué)系統(tǒng)4用于調(diào)節(jié)通過透鏡系統(tǒng)3獲得的平行光束的截面面積； 復(fù)眼透鏡6，該復(fù)眼透鏡6用于從截面面積被無焦光學(xué)系統(tǒng)4調(diào)節(jié)的平行 光束形成多個光源圖像I;以及柯勒照明光學(xué)系統(tǒng)7，該柯勒照明光學(xué)系 統(tǒng)7使用通過復(fù)眼透鏡6形成的多個光源圖像I作為光源。
在該實施方式中，多個發(fā)光部2被布置成使其光軸彼此平行。對于透鏡系統(tǒng)3來說，設(shè)置了包括分別與發(fā)光部2相對應(yīng)的透鏡元件3a的透 鏡陣列(以下稱為"透鏡陣列3")，以利用這些透鏡元件3a將從相應(yīng)的 發(fā)光部2發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成平行光。在本說明書中，為了便于說明而在通過復(fù)眼透鏡6形成多個光源圖 像I的位置(即，復(fù)眼透鏡6的后焦平面F1)處將照明光學(xué)裝置l分成 兩個部分， 一部分在圖1A中示出，另一部分在圖1B中示出。此外，圖 1A所示的結(jié)構(gòu)和圖1B所示的結(jié)構(gòu)沿著照明光學(xué)裝置1的光軸0并排布置。對于發(fā)光部2來說，可以使用諸如LED發(fā)光器件之類的具有指向性 的器件，或者使用例如白熾燈或弧光燈的非指向性光源，該非指向性光 源設(shè)有用于使從其發(fā)出的光線聚焦從而顯示出指向性的橢圓形反射鏡。如圖1A和圖2所示，根據(jù)該實施方式的照明光學(xué)裝置1包括LED陣 列光源ll，其中在一平面上布置有多個LED發(fā)光器件，并且該LED陣列 光源11的LED發(fā)光器件用作發(fā)光部2。另外，該LED陣列光源11的LED 發(fā)光器件構(gòu)造成以大致相同的波長發(fā)光。如圖1A所示，在該LED陣列光源11中，由LED發(fā)光器件形成的發(fā) 光部2的光軸01與該發(fā)光部2所布置的表面大致垂直，并且LED陣列光 源11布置成使得發(fā)光部2的光軸Ol大致平行于無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸 02。換言之，發(fā)光部2布置在大致垂直于無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸02的 平面上，使得它們的各光軸01大致平行于無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸02。此外，發(fā)光部2布置成在從沿著照明光學(xué)裝置1的光軸O的方向看 時具有最大可能密度。如圖2中的實線所示，根據(jù)該實施方式，多個發(fā)光部2中的一個發(fā) 光部2布置成與光軸O同軸，而六個發(fā)光部2以大致規(guī)則間隔布置在以 該發(fā)光部2作為中心的圓周C上。這些發(fā)光部2盡可能密集地布置，同 時在發(fā)光部2之間確保用于布線等所需的最小間隔。這樣，通過以高密 度方式布置發(fā)光部2，增加了入射到無焦光學(xué)系統(tǒng)4上的光的密度以獲得 更亮的照明。透鏡陣列3構(gòu)造成使得多個具有正光焦度的透鏡元件3a布置在大致
垂直于其光軸03的平面上。而且，該透鏡陣列3布置成使得各透鏡元件 3a的光軸03大致平行于無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸02。換言之，透鏡元件 3a布置在大致垂直于無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸02的平面上，使得它們的 各光軸03大致平行于無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸02。此外，該透鏡陣列3布置在透鏡元件3a的物側(cè)焦點分別對應(yīng)于發(fā)光 部2的位置處。換言之，透鏡元件3a布置成與相應(yīng)的發(fā)光部2大致同軸。如圖2中的雙點劃線所示，根據(jù)該實施方式，透鏡元件3a中的一個 透鏡元件3a布置成與光軸O同軸，而六個透鏡元件3a以大致規(guī)則的間 隔布置在以該透鏡元件3a作為中心的圓周C上。此外，各透鏡元件3a 的直徑設(shè)定成使得相鄰?fù)哥R元件3a之間的間隙最小。換言之，透鏡陣列 3構(gòu)造成利用其大致全部將從發(fā)光部2發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成平行光。這樣，通 過以高密度方式布置透鏡元件3a,增加了入射到無焦光學(xué)系統(tǒng)4上的光 的密度，從而獲得更亮的照明。無焦光學(xué)系統(tǒng)4包括靠近多個發(fā)光部2布置的第一組4a和靠近復(fù)眼 透鏡6布置第二組4b。此外，無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸02與照明光學(xué)裝 置l的光軸O相對應(yīng)。在該實施方式中，第一組4a使發(fā)光部2的圖像聚焦在第一組4a與 第二組4b之間。更具體地說，第一組4a由聚焦透鏡16形成，該聚焦透鏡16用于將 通過陣列透鏡3獲得的平行光束轉(zhuǎn)化為來自多個發(fā)光部2的聚焦圖像I'， 這些聚焦圖像I'彼此疊加，位于第一組4a和第二組4b之間。此外，第 二組4b由準(zhǔn)直透鏡17形成，該準(zhǔn)直透鏡17用于將從由第一組4a形成 的發(fā)光部2的圖像發(fā)出的光束再次轉(zhuǎn)變成平行光束，并將該平行光束引 導(dǎo)到復(fù)眼透鏡6上。這樣，由于來自發(fā)光部2的圖像(光源圖像)的光瞳位置可布置在 復(fù)眼透鏡6的入射平面上，因此從發(fā)光部2發(fā)出的光可被有效地引導(dǎo)到 復(fù)眼透鏡6上。這里，無焦光學(xué)系統(tǒng)4構(gòu)造成使得3滿足條件表達式0. 25< 0 <2， 其中3 =D1/D2，其中Dl為通過透鏡陣列3獲得的平行光剛通過無焦光
學(xué)系統(tǒng)4后測量的光束直徑，而D2是平行光即將入射到無焦光學(xué)系統(tǒng)4 上之前的光束系。在該實施方式中，由于無焦光學(xué)系統(tǒng)4構(gòu)造成減小了由透鏡陣列3 獲得的平行光束的截面面積(即，P<1 =，因此已經(jīng)通過無焦光學(xué)系統(tǒng) 4的平行光束表現(xiàn)出的強度增加了與截面面積減少相對應(yīng)的量。此外，在該實施方式中，第二組4b設(shè)置在照明光學(xué)裝置1的外殼 la內(nèi)，如圖1A所示。透鏡單元lb通過可拆卸的連接結(jié)構(gòu)可拆卸地安裝 在外殼la上，而第一組4a設(shè)置在該透鏡單元lb中，所述可拆卸的連接 結(jié)構(gòu)例如為陽接頭/陰接頭或螺釘連接件(螺紋連接件)。因此，透鏡單 元lb可以從外殼la拆除，從而可替代該透鏡單元lb而將具有不同構(gòu)造 的第一組4a的透鏡單元lb安裝在外殼la中。通過根據(jù)照明需求以及待使用的發(fā)光部2的特性，以這樣的方式用 另一具有合適結(jié)構(gòu)的透鏡單元替換透鏡單元ib，可以優(yōu)化包括上述e值的各種參數(shù)，以進行最佳照明。光源組件lc通過可拆卸的連接結(jié)構(gòu)可拆卸地安裝在透鏡單元lb上， 而發(fā)光部2和透鏡陣列3設(shè)置在該光源組件lc中(可選的是，只有發(fā)光 部2可設(shè)置在光源組件lc中，而透鏡陣列3可設(shè)置在透鏡單元lb中)， 所述可拆卸的連接結(jié)構(gòu)例如為陽接頭/陰接頭或螺釘連接件。因此，光源組件lc可以從透鏡單元lb拆除，使得可替代該光源組 件lc而將具有不同構(gòu)造的發(fā)光部2的光源組件lc安裝在透鏡單元lb中， 這使得可以容易地將發(fā)光部2更換為其他類型?？蛇x的是，透鏡單元ib可從外殼la拆除，以將僅設(shè)有一個發(fā)光部 2的光源組件lc設(shè)置在外殼la中。在這種情況下，發(fā)光部2布置在第二 組4b的前焦平面F2上(優(yōu)選在前焦點上)。這里，前焦光學(xué)系統(tǒng)4可具有調(diào)節(jié)通過透鏡陣列3獲得的平行光束 的截面面積的功能。無焦光學(xué)系統(tǒng)4的該調(diào)節(jié)功能例如可通過將該無焦光學(xué)系統(tǒng)4構(gòu)造 成使得某些透鏡是可替換的來實現(xiàn)。在這種情況下，可通過用合適的透 鏡替換某些透鏡來將己經(jīng)通過無焦光學(xué)系統(tǒng)4的平行光束的截面面積調(diào)
節(jié)成合適大小。此外，可以通過使無焦光學(xué)系統(tǒng)4具有使某些透鏡沿著光軸O方向 移動的機構(gòu)(例如，變焦機構(gòu))而實現(xiàn)無焦光學(xué)系統(tǒng)4的該調(diào)節(jié)功能。在這種情況下，即使從發(fā)光部2發(fā)出的光束的截面面積例如因為發(fā) 光部2已經(jīng)被替換而發(fā)生改變，通過無焦光學(xué)系統(tǒng)4也可以將已經(jīng)通過 無焦光學(xué)系統(tǒng)4的平行光束的截面面積調(diào)節(jié)到適當(dāng)大小。這使得從發(fā)光 部2發(fā)出的光可以被有效地收集并以較小的照度不均勻性進行照明，而 不必替換無焦光學(xué)系統(tǒng)4。復(fù)眼透鏡6構(gòu)造成使得具有正光焦度的多個組成透鏡6a布置在大致 垂直于其光軸的平面上。此外，復(fù)眼透鏡6布置成使得組成透鏡6a的光 軸大致平行于無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸02。換言之，組成透鏡6a布置在 大致垂直于無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸02的平面上，使它們的各光軸大致平 行于無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸02。在該實施方式中成立KF〉4KS，其中KS為透鏡陣列3的透鏡元件3a 的數(shù)量，KF為組成復(fù)眼透鏡6的組成透鏡6a的數(shù)量。此外，為了能夠有效地利用來自無焦光學(xué)系統(tǒng)4的平行光，組成透 鏡6a布置成在從沿著照明光學(xué)裝置1的光軸O的方向看時具有最大可能 的密度。這些組成透鏡6a的布局樣式可以與上述發(fā)光部2和透鏡陣列3 的透鏡元件3a的布局樣式相同。在該實施方式中，如圖3所示，當(dāng)從光軸O的方向看時，復(fù)眼透鏡 6的各組成透鏡6a的形狀類似于大致正六邊形，其中， 一個組成透鏡6a 與光軸0同軸布置，并且許多其他組成透鏡6a彼此相鄰布置，從而環(huán)繞 處于中心處的該組成透鏡6a的周圍，且它們的周邊彼此緊密接觸?？吕照彰鞴鈱W(xué)系統(tǒng)7通過從多個方向?qū)⒂蓮?fù)眼透鏡6形成的光源圖 像I的光束疊加在照明表面FL上而使得照明表面FL上的照度分布均勻。在該照明光學(xué)裝置1中，由于從各發(fā)光部2發(fā)出的光被透鏡陣列3 的相應(yīng)透鏡元件3a無耗損地收集以用作照明光，因此可以實現(xiàn)有效的照 明。在該實施方式中，特別是由于多個發(fā)光部2和透鏡陣列3的透鏡元
件3a布置在垂直于無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸02的平面上，使得它們的各 光軸01、 03平行于無焦光學(xué)系統(tǒng)4的光軸02，因此透鏡陣列3的各透 鏡元件3a可以將從相應(yīng)的發(fā)光部2發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成大致平行的光，因而 使照明光損失較低。此外，由于照明光作為平行光入射到復(fù)眼透鏡6上，因此不容易產(chǎn) 生由于復(fù)眼透鏡6的組成透鏡6a的形狀而引起的漸暈。另外，由于柯勒 照明光學(xué)系統(tǒng)7從多個方向?qū)⒂赏ㄟ^復(fù)眼透鏡6形成的多個光源圖像I 發(fā)出的發(fā)散光束疊加到照明表面FL上，因此可以實現(xiàn)以均勻照度分布進 行照明。此外，在該照明光學(xué)裝置1中，組成復(fù)眼透鏡6的組成透鏡6a的數(shù) 量設(shè)定成等于或大于透鏡陣列3的透鏡元件3a的數(shù)量的四倍的值。這樣， 由于復(fù)眼透鏡6從一個發(fā)光部2形成了四個或更多個光源圖像I，因此柯 勒照明光學(xué)系統(tǒng)7可以從比發(fā)光部2數(shù)量多的方向?qū)φ彰鞅砻鍲L進行照 明。這使得甚至可以以更均勻的照度分布進行照明。如上所述，該照明光學(xué)裝置1使得從所述多個發(fā)光部2發(fā)出的光可 以被有效地收集，并以較小的照度不均勻性進行照明，而不必釆用復(fù)雜 結(jié)構(gòu)。另外，在該照明光學(xué)裝置1中，由于使用發(fā)出具有相同波長的光的 光源作為發(fā)光部2，因此不容易產(chǎn)生由于由發(fā)光部2發(fā)出的光的波長不同 而引起的像差(色差)。因此，該照明光學(xué)裝置l在光學(xué)上容易設(shè)計和制 造。此外，在該照明光學(xué)裝置l中，構(gòu)成從無焦光學(xué)系統(tǒng)4的第二組4b 到柯勒照明光學(xué)系統(tǒng)7的部分的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成了以單一光源作為光源的 照明光學(xué)系統(tǒng)。簡言之，根據(jù)本發(fā)明的照明光學(xué)裝置1可以僅僅通過將 所述多個發(fā)光部2、透鏡陣列3以及無焦光學(xué)系統(tǒng)4的第一組4a添加到 采用單一光源作為光源的公知照明光學(xué)系統(tǒng)中而制成。這使制造成本較 低。在該實施方式中，盡管無焦光學(xué)系統(tǒng)4的第一組4a和第二組4b的 每一個都由單個透鏡形成，但是第一組4a和第二組4b中的至少一個可
以由多個透鏡構(gòu)成，從而消除諸如無焦光學(xué)系統(tǒng)4的像差之類的缺陷， 由此實現(xiàn)更好的照明。例如，如圖4和圖5所示，可以從發(fā)光部2開始依次設(shè)置雙凸透鏡 Al、凹月牙形透鏡A2、雙凸透鏡A3以及凸月牙形透鏡A4作為第一組4a; 并且從發(fā)光部2開始依次設(shè)置凸月牙形透鏡B1、雙凸透鏡B2、凹月牙形 透鏡B3以及雙凸透鏡B4作為第二組。在圖4所示的實施例中，Dl = 28.8mm， D2 = 36mm，而0=0.8,在圖5所示的實施例中，Dl = 16.2訓(xùn)， D2 = 36mm，而P =0.45。在該實施方式中，盡管圍繞一個發(fā)光部2 (透鏡元件3a)以規(guī)則間 隔布置有多個發(fā)光部2 (透鏡元件3a),但該實施方式并不限于該實施例。 也可以采用不同的布局樣式，只要可進行高密度布局即可。例如，如圖 6A所示，所述多個發(fā)光部2 (透鏡元件3a)可以以Z字形方式(以堆疊 的包的形式)布置，使得發(fā)光部2之間(透鏡元件3a之間)的間隙最小， 或者如圖6B所示，它們可布置成在從光軸O的方向看時呈以光軸O為 中心的矩形。另外，在該實施方式中，盡管設(shè)置了多個發(fā)光部2，但是本實施方 式并不限于該實施例；而是可以僅設(shè)置一個發(fā)光部2。在這種情況下，僅 使用一個透鏡元件3a，而不是透鏡陣列3。此外，根據(jù)本實施方式的光學(xué)裝置可以是采用照明光學(xué)裝置1作為 表面照明裝置的顯微鏡。例如，如圖7所示，表面照明裝置構(gòu)造成在照 明光學(xué)裝置1的柯勒照明光學(xué)系統(tǒng)7的下游具有物鏡18。此外，可以按 照需要用另一具有適當(dāng)放大率的物鏡替換物鏡18。此外，在該顯微鏡中，照明光學(xué)裝置l的無焦光學(xué)系統(tǒng)4和復(fù)眼透 鏡6可以是可替換的。這使得可以根據(jù)物鏡18的特性用適當(dāng)?shù)臒o焦光學(xué) 系統(tǒng)和復(fù)眼透鏡替換無焦光學(xué)系統(tǒng)4和復(fù)眼透鏡6，從而防止容易發(fā)生照 明損失。這里，將無焦光學(xué)系統(tǒng)4和復(fù)眼透鏡6安裝在可拆卸地設(shè)置在照明 光學(xué)裝置1中的光學(xué)單元中使得可以簡單地通過替換該光學(xué)單元而容易 地替換無焦光學(xué)系統(tǒng)4和復(fù)眼透鏡6。[第二實施方式]現(xiàn)在描述本發(fā)明的第二實施方式。根據(jù)該實施方式的光學(xué)裝置通過使用如圖8所示的照明光學(xué)裝置21對照明表面進行照明。照明光學(xué)裝置21的主要特征在于，其設(shè)有無焦光學(xué)系統(tǒng)22，而不 是在第一實施方式中描述的照明光學(xué)裝置1的無焦光學(xué)系統(tǒng)4。無焦光學(xué)系統(tǒng)22包括靠近多個發(fā)光部2布置的第一組22a和靠近復(fù) 眼透鏡6布置的第二組22b。在該實施方式中，第一組22a由凸透鏡23構(gòu)成，而第二組22b由凹 透鏡24構(gòu)成。結(jié)果，第一組22a構(gòu)成為用于調(diào)節(jié)光束的截面面積，而不 將來自多個發(fā)光部2的圖像聚焦在第一組22a和第二組22b之間。在具有上述結(jié)構(gòu)的照明光學(xué)裝置21中，構(gòu)成無焦光學(xué)系統(tǒng)22的第 一組22a和第二組22b中的透鏡f凸透鏡23和凹透鏡24)所需的光焦度 較小，所需光焦度越小，就越能抑制像差的產(chǎn)生。這使得光學(xué)設(shè)計容易、 制造成本低。
權(quán)利要求
1、一種照明光學(xué)裝置，該照明光學(xué)裝置包括發(fā)光部；透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)用于將從所述發(fā)光部發(fā)出的發(fā)散光束轉(zhuǎn)變成平行光束；無焦光學(xué)系統(tǒng)，該無焦光學(xué)系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)通過所述透鏡系統(tǒng)獲得的所述平行光束的截面面積；復(fù)眼透鏡，該復(fù)眼透鏡用于從截面面積被所述無焦光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的所述平行光形成多個光源圖像；以及柯勒照明光學(xué)系統(tǒng)，該柯勒照明光學(xué)系統(tǒng)使用通過所述復(fù)眼透鏡形成的所述多個光源圖像作為光源。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明光學(xué)裝置，其中，滿足條件表達式 0. 25< P <2,其中3 =D1/D2，其中Dl為通過所述透鏡系統(tǒng)獲得的所述 平行光剛通過所述無焦光學(xué)系統(tǒng)后測量的光束直徑，而D2為在該平行光 即將入射到所述無焦光學(xué)系統(tǒng)上之前的光束系。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明光學(xué)裝置，其中，所述無焦光學(xué)系統(tǒng) 包括靠近所述發(fā)光部布置的第一組和靠近所述復(fù)眼透鏡布置的第二組， 并且所述第一組在所述第一組和所述第二組之間形成所述發(fā)光部的圖
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的照明光學(xué)裝置，其中，所述無焦光學(xué)系統(tǒng) 可以在所述第一組和所述第二組之間分開。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的照明光學(xué)裝置，其中，所述無焦光學(xué)系統(tǒng) 包括對通過所述透鏡系統(tǒng)獲得的所述平行光束的截面面積進行調(diào)節(jié)的功 能。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明光學(xué)裝置，其中，多個所述發(fā)光部布 置成使其光軸彼此平行，并且所述透鏡系統(tǒng)是一透鏡陣列，該透鏡陣列包括與所述多個發(fā)光部中 的各發(fā)光部相對應(yīng)的透鏡元件，以通過相應(yīng)的透鏡元件將從所述發(fā)光部 中的各發(fā)光部發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成平行光。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的照明光學(xué)裝置，其中，成立KF〉4KS，其 中KS是透鏡元件的數(shù)量，而KF是組成所述復(fù)眼透鏡的組成透鏡的數(shù)量。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的照明光學(xué)裝置，其中，所述發(fā)光部和所述 透鏡元件布置在垂直于所述無焦光學(xué)系統(tǒng)的光軸的平面上，使得它們的 各光軸平行于所述無焦光學(xué)系統(tǒng)的光軸。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的照明光學(xué)裝置，其中，所述多個發(fā)光部構(gòu)造成發(fā)出具有相同波長的光束。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明光學(xué)裝置，其中，所述無焦光學(xué)系 統(tǒng)和所述復(fù)眼透鏡是可替換的。
11、 一種光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明光 學(xué)裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種照明光學(xué)裝置和光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置采用所述照明光學(xué)裝置，它們能夠有效地收集從發(fā)光部(2)發(fā)出的光，用于以較低的照度不均勻性進行照明，而無需采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)。該照明光學(xué)裝置設(shè)有發(fā)光部(2)；透鏡系統(tǒng)(3)，該透鏡系統(tǒng)用于將從發(fā)光部發(fā)出的發(fā)散光束轉(zhuǎn)變成平行光束；無焦光學(xué)系統(tǒng)(4a、4b)，該無焦光學(xué)系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)通過透鏡陣列(3)獲得的平行光束的截面面積；復(fù)眼透鏡(6)，該復(fù)眼透鏡用于從截面面積被無焦光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的平行光形成多個光源圖像(I)；以及柯勒照明光學(xué)系統(tǒng)，其使用通過復(fù)眼透鏡(6)形成的多個光源圖像(I)作為光源。
文檔編號G03F7/20GK101107572SQ200680003129
公開日2008年1月16日 申請日期2006年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
發(fā)明者水澤圣幸 申請人:奧林巴斯株式會社