特許 7520100 複合ビームコンバイナを用いるマルチモード広角照明

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-11

(45)【発行日】2024-07-22

(54)【発明の名称】複合ビームコンバイナを用いるマルチモード広角照明

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/06 20060101AFI20240712BHJP

   G02B 21/36 20060101ALI20240712BHJP

   G02B 5/04 20060101ALI20240712BHJP

【ＦＩ】

G02B21/06

G02B21/36

G02B5/04 Z

【請求項の数】 58

(21)【出願番号】P 2022500755

(86)(22)【出願日】2020-07-09

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-09-13

(86)【国際出願番号】 IL2020050765

(87)【国際公開番号】W WO2021005601

(87)【国際公開日】2021-01-14

【審査請求日】2023-05-26

(31)【優先権主張番号】62/872,731

(32)【優先日】2019-07-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】501005438

【氏名又は名称】オルボテック リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】フィッシュ ダビド

(72)【発明者】

【氏名】アドラー アブラハム

(72)【発明者】

【氏名】ルツカー イリア

(72)【発明者】

【氏名】カツィール イーガル

(72)【発明者】

【氏名】ローゼンバーグ アビノアム

【審査官】殿岡 雅仁

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０２４１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１７０８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０７５４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０２９１５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１０２１３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５３３５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０８８４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５３７４８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２１／００ － ２１／３６

Ｇ０２Ｂ ２３／２４ － ２３／２６

Ｇ０１Ｎ ２１／８４ － ２１／９５８

Ｇ０２Ｂ ６／２６ － ６／４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学装置であって、
照明アセンブリであって、
制御可能な空間分布を有する放射線を放出する延在放射線源と、
０．３を超える開口数を有する前記放出された放射線を受取って、第１光軸に沿って視野上まで投射するように構成されたテレセントリック集光光学系と、
を備える照明アセンブリと、
センサ、及び前記視野を第２光軸に沿って前記センサ上に結像させるように構成された対物光学系を備える結像アセンブリと、
前記視野と、前記集光及び対物光学系との間に配置されたプリズムコンバイナであって、前記第１光軸と前記第２光軸とを結合しながら、前記光軸のうちの少なくとも１つを前記プリズムコンバイナ内部で多重回だけ反射させるように構成されたプリズムコンバイナと、
を備え、
前記視野上に投射される前記放射線の角度範囲は、暗視野照明範囲及び明視野照明範囲のいずれか、または両方から構成されるように選択可能である、光学装置。

【請求項2】

前記集光光学系は、２ｍｍを超える対角寸法を有する前記視野の面積にわたって、前記面積によって１０％以下だけ変化する放射照度を用いて、及び前記面積内の全ての点で前記開口数によって２０％以下だけ変化する放射強度を用いて、前記放射線を均一に投射するように構成されている、請求項１に記載の光学装置。

【請求項3】

前記集光光学系がそれにわたって前記光学放射線を投射する前記視野の前記面積の前記対角寸法が１５ｍｍを超過している、請求項２に記載の光学装置。

【請求項4】

前記延在放射線源は、エミッタのアレイを備え、前記装置は、放射線源コントローラを備え、前記放射線源コントローラは、前記放射線源コントローラによって前記エミッタを選択的に活性化させることによって前記空間分布を制御するように結合されている、請求項１に記載の光学装置。

【請求項5】

前記エミッタのアレイは、異なる各波長の多重エミッタを備え、前記放射線源コントローラは、前記エミッタを選択的に活性化させて、前記視野上に投射された前記放射線のスペクトル成分を制御するように構成されている、請求項４に記載の光学装置。

【請求項6】

前記エミッタのアレイは、第１アレイであり、前記集光光学系は、均質化ロッドの第２アレイを備え、各ロッドは、１つ又は複数の前記エミッタからの前記放出された放射線を受取るように配置された入射面と、前記放射線がそれを通して放出される出射面と、を備えている、請求項４に記載の光学装置。

【請求項7】

前記集光光学系は、
コリメートレンズの第３アレイであって、各コリメートレンズは、前記均質化ロッドの各１つから放出された前記放射線を受取って平行にするように構成されている、コリメートレンズの第３アレイと、
前記コリメートレンズの第３アレイから前記平行放射線を受取って、前記放射線を前記視野上に透過させて集束させるように配置された集束レンズと、
を備えている、請求項６に記載の光学装置。

【請求項8】

前記コリメートレンズは、フレネルレンズを備えている、請求項７に記載の光学装置。

【請求項9】

前記集束レンズは、フレネルレンズを備えている、請求項７に記載の光学装置。

【請求項10】

各前記均質化ロッドの前記出射面は、視野レンズ及び拡散体のうちの少なくとも１つを備えている、請求項６に記載の光学装置。

【請求項11】

前記放射線源コントローラは、選択的に前記エミッタを活性化させて、前記視野上に投射される前記放射線の角度範囲を選択するように構成されている、請求項４に記載の光学装置。

【請求項12】

前記角度範囲は、暗視野及び明視野照明範囲から構成された１群の角度範囲から選択される、請求項１１に記載の光学装置。

【請求項13】

前記プリズムコンバイナは、前記第１光軸を透過させて、前記第２光軸を前記プリズムコンバイナ内部で２回だけ反射させるように構成されている、請求項１に記載の光学装置。

【請求項14】

前記第２光軸は、前記視野に隣接している前記プリズムコンバイナの表面から全反射によって反射させられる、請求項１３に記載の光学装置。

【請求項15】

前記集光光学系は、前記プリズムコンバイナの近くにメニスカス形状を有する補正レンズを備えている、請求項１に記載の光学装置。

【請求項16】

前記プリズムコンバイナは、前記第１光軸を前記プリズムコンバイナ内部で多重回だけ反射させて、前記視野上に投射される前記放射線を均質化するように構成されている、請求項１に記載の光学装置。

【請求項17】

前記第１光軸は、前記結像アセンブリに面する前記プリズムコンバイナの表面から全反射によって反射させられる、請求項１６に記載の光学装置。

【請求項18】

前記プリズムコンバイナは、矩形断面を有し、前記集光光学系の近くの入射面と、前記視野の近くの出射面と、を備えており、前記集光光学系は、前記延在放射線源によって放出された前記放射線を前記入射面上に集束させるように構成されている、請求項１６に記載の光学装置。

【請求項19】

前記延在放射線源は、エミッタのアレイを備えており、前記集光光学系は、前記エミッタのそれぞれを前記入射面上に結像させるように構成されている、請求項１８に記載の光学装置。

【請求項20】

前記集光光学系は、フレネル集束レンズを備えている、請求項１９に記載の光学装置。

【請求項21】

前記延在放射線源は、
放射線源と、
前記放射線源によって放出された前記放射線を受取って選択的に透過させるように構成された空間光変調器と、
を備え、
前記装置は、放射線源コントローラを備え、前記放射線源コントローラは、前記空間光変調器を駆動することによって前記空間分布を制御するように結合されている、請求項１に記載の光学装置。

【請求項22】

前記放射線源コントローラは、前記空間光変調器を選択的に制御して、前記視野上に投射される前記放射線の角度範囲を選択するように構成されている、請求項２１に記載の光学装置。

【請求項23】

前記空間光変調器は、デジタルマイクロミラーデバイスを備えている、請求項２１に記載の光学装置。

【請求項24】

前記空間光変調器は、液晶デバイスを備えている、請求項２１に記載の光学装置。

【請求項25】

前記プリズムコンバイナは、
前記第１光軸に沿って前記集光光学系によって投射された前記放射線を受取るように配置された入射面と、
前記視野の近くの出射面と、
前記プリズムコンバイナ内部の多重ビームスプリッタ層であって、前記多重ビームスプリッタ層のそれぞれは、前記第２光軸を透過させながら、前記放射線の各部分を前記出射面を通して前記視野上まで反射させるように構成されている、多重ビームスプリッタ層と、
を備えている、請求項１に記載の装置。

【請求項26】

前記プリズムコンバイナは、前記投射された放射線のための導波管として機能するように構成されている、請求項２５に記載の光学装置。

【請求項27】

前記プリズムコンバイナは、前記ビームスプリッタ層に平行であるミラーを備え、該ミラーは、前記入射面を通って入る前記放射線を受取って、前記受取られた放射線を反射させることにより、前記放射線を前記プリズムコンバイナ内部で伝播させるように構成されている、請求項２５に記載の光学装置。

【請求項28】

前記第１光軸に沿った前記開口数は、０．５を超えている、請求項１に記載の光学装置。

【請求項29】

前記第１光軸に沿った前記開口数は、０．７を超えている、請求項２８に記載の光学装置。

【請求項30】

検査のための方法であって、
制御可能な空間分布を有する放射線を延在放射線源から放出するステップと、
テレセントリック集光光学系を用いて０．３を超える開口数を有する前記放出された放射線を受取って第１光軸に沿って視野上まで投射するステップと、
前記視野を対物光学系によって第２光軸に沿ってセンサに結像させるステップと、
プリズムコンバイナを用いて前記第１光軸と前記第２光軸とを結合するステップであって、前記プリズムコンバイナは、前記光軸のうちの少なくとも１つを前記プリズムコンバイナ内部で多重回だけ反射させる、ステップと、
を含み、
前記視野上に投射される前記放射線の角度範囲は、暗視野照明範囲及び明視野照明範囲のいずれか、または両方から構成されるように選択可能である、
方法。

【請求項31】

前記放射線を投射するステップは、２ｍｍを超える対角寸法を有する前記視野の面積にわたって、前記面積によって１０％以下だけ変化する放射照度を用いて、及び前記面積内の全ての点で前記開口数によって２０％以下だけ変化する放射強度を用いて、前記放射線を均一に投射するステップを含む、請求項３０に記載の方法。

【請求項32】

前記集光光学系がそれにわたって前記光学放射線を投射する前記視野の前記面積の前記対角寸法は、１５ｍｍを超えている、請求項３１に記載の方法。

【請求項33】

前記放射線を放出するステップは、
前記放射線をエミッタのアレイから放出するステップと、
前記エミッタを選択的に活性化させることによって前記空間分布を制御するステップと、
を含む、請求項３０に記載の方法。

【請求項34】

前記エミッタのアレイは、異なる各波長の多重エミッタを備え、前記エミッタを選択的に活性化させるステップは、活性化させるための前記エミッタを選択することによって、前記視野上に投射される前記放射線のスペクトル成分を制御するステップを含む、請求項３３に記載の方法。

【請求項35】

前記エミッタのアレイは、第１アレイであり、前記集光光学系は、均質化ロッドの第２アレイを備え、それぞれのロッドは、前記エミッタのうちの１つ又は複数からの前記放出された放射線を受取るように配置された入射面と、前記放射線がそれを通して放出される出射面と、を備えている、請求項３３に記載の方法。

【請求項36】

前記集光光学系は、
コリメートレンズの第３アレイであって、
それぞれのコリメートレンズが、前記均質化ロッドの各１つから放出された前記放射線を受取って平行にするように構成されている、コリメートレンズの第３アレイと、
前記コリメートレンズの第３アレイから前記平行放射線を受取り、前記放射線を前記視野上まで透過させて集束させるように配置された集束レンズと、
を備えている、請求項３５に記載の方法。

【請求項37】

前記コリメートレンズは、フレネルレンズを備えている、請求項３６に記載の方法。

【請求項38】

前記集束レンズは、フレネルレンズを備えている、請求項３６に記載の方法。

【請求項39】

それぞれの均質化ロッドの前記出射面は、視野レンズ及び拡散体のうちの少なくとも１つを備えている、請求項３５に記載の方法。

【請求項40】

前記エミッタを選択的に活性化させるステップは、前記視野上まで投射された前記放射線の角度範囲を選択するステップを含む、請求項３３に記載の方法。

【請求項41】

前記角度範囲を選択するステップは、前記範囲を、暗視野及び明視野照明範囲から構成された一群の角度範囲から選択するステップを含む、請求項４０に記載の方法。

【請求項42】

前記第１光軸と前記第２光軸とを結合するステップは、前記第１光軸を透過させるステップと、前記第２光軸を前記プリズムコンバイナ内部で２回だけ反射させるステップと、を含む、請求項３０に記載の方法。

【請求項43】

前記第２光軸は、前記視野に隣接している前記プリズムコンバイナの表面から全反射によって反射させられる、請求項４２に記載の方法。

【請求項44】

前記集光光学系は、前記プリズムコンバイナの近くにメニスカス形状を有する補正レンズを備えている、請求項３０に記載の方法。

【請求項45】

前記光軸を結合するステップは、前記第１光軸を前記プリズムコンバイナ内部で多重回だけ反射させることにより、前記視野上まで投射される前記放射線を均質化するステップを含む、請求項３０に記載の方法。

【請求項46】

前記第１光軸は、前記対物光学系を含む結像アセンブリに面する前記プリズムコンバイナの表面から全反射によって反射させられる、請求項４５に記載の方法。

【請求項47】

前記プリズムコンバイナは、矩形断面を有し、前記集光光学系の近くの入射面と、前記視野の近くの出射面と、を備え、前記集光光学系は、前記延在放射線源によって放出された前記放射線を前記入射面上に集束させるように構成されている、請求項４５に記載の方法。

【請求項48】

前記延在放射線源は、エミッタのアレイを備え、前記集光光学系は、前記エミッタのそれぞれを前記入射面上に結像させるように構成されている、請求項４７に記載の方法。

【請求項49】

前記テレセントリック集光光学系は、フレネル集束レンズを備えている、請求項４８に記載の方法。

【請求項50】

前記放射線を放出するステップは、空間光変調器を適用して前記放射線の前記空間分布を制御するステップを含む、請求項３０に記載の方法。

【請求項51】

前記空間分布を選択的に制御するステップは、前記視野上まで投射される前記放射線の角度範囲を選択するステップを含む、請求項５０に記載の方法。

【請求項52】

前記空間光変調器は、デジタルマイクロミラーデバイスを備えている、請求項５０に記載の方法。

【請求項53】

前記空間光変調器は、液晶デバイスを備えている、請求項５０に記載の方法。

【請求項54】

前記プリズムコンバイナは、
前記第１光軸に沿って前記集光光学系によって投射された前記放射線を受取るように配置された入射面と、
前記視野の近くの出射面と、
前記プリズムコンバイナ内部の多重ビームスプリッタ層であって、前記多重ビームスプリッタ層のそれぞれは、前記第２光軸を透過させながら、前記放射線の各部分を前記出射面を通して前記視野上まで反射させるように構成されている、多重ビームスプリッタ層と、
を備えている、請求項３０に記載の方法。

【請求項55】

前記プリズムコンバイナは、前記投射された放射線のための導波管として機能するように構成されている、請求項５４に記載の方法。

【請求項56】

前記プリズムコンバイナは、前記ビームスプリッタ層に平行であるミラーを備え、前記ミラーは、前記入射面を通って入る前記放射線を受取って、前記受取られた放射線を反射させることにより、前記放射線を前記プリズムコンバイナ内部で伝播させるように構成されている、請求項５４に記載の方法。

【請求項57】

前記第１光軸に沿った前記開口数は、０．５を超えている、請求項３０に記載の方法。

【請求項58】

前記第１光軸に沿った前記開口数は、０．７を超えている、請求項５７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概して、光学装置及び方法に関し、特に照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

照明装置が、光学デバイス内で用いられて、結像光学系によって結像される物体を照明する。

【0003】

特許文献１が、光学デバイスを記載し、該光学デバイスは、２つの主要面及び縁を有する光波透過基体と、光を全反射によって基体内に結合するための光学手段と、基体によって支持された複数の部分反射面と、を含み、部分反射面は、互いに平行であって、基板の縁のいずれにも平行ではなく、１つ又は複数の部分反射面が異方性面である。

【0004】

特許文献２が、ディスプレイユニットのスクリーンからの光束が光学システムによって観察光学システムまで導かれる装置を記載している。サンプルの像が上に表示される表示画面が、観察光学システムの接眼レンズによって観察されてもよい。

【0005】

特許文献３が、物体を検査する方法及び検査システムを記載しており、該システムは、少なくとも１つの１次光ビームを被検査物体の領域に向かって誘導するように適合された少なくとも１つの照明経路結像レンズが後に続く少なくとも１つの１次光源と、少なくとも１つのコリメート構成要素及び少なくとも１つの２次光ビームをその領域に向かって誘導するように適合された少なくとも１つの集光構成要素が後に続く少なくとも１つの２次光源と、を含み、少なくとも１つの１次光ビーム及び少なくとも１つの２次光ビームがその領域を照明することにより、実質的に領域の結像される部分内のそれぞれの点が、実質的に均一な強度によって特徴付けられる大きい角度範囲にわたって照明され、集光経路が、イメージセンサと、ビームスプリッタ経路と、集光経路結像レンズと、を含み、ビームスプリッタは、領域と集光経路結像レンズとの間に配置され、少なくとも１つのコリメート構成要素が、少なくとも１つの１次光ビームがそれを通って伝播する中央開口を画定している。

【0006】

特許文献４が、少なくとも１つの観察ビーム経路を備える顕微鏡、特に外科用顕微鏡のための照明装置について記載しており、該照明装置は、照明システムと、照明システムから放出された光を観察されるべき物体、特に手術されるべき眼の上まで偏向させる偏向装置と、を備え、偏向装置は、少なくとも１つの観察ビーム経路に関して様々な照明角度の下で物体の照明を提供し、偏向装置は、物理的ビームスプリッタとして少なくとも部分的に提供された２つの偏向要素を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２７９０１７号明細書

【文献】米国特許第６，２９２，２１４号明細書

【文献】米国特許第８，５１４，３８５号明細書

【文献】米国特許出願公開第２００４／０１７４５９１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

一般的な照明装置は、高度の放射強度及び放射照度が大きい対角寸法を有する照明視野にわたって必要とされるとき、特に対角寸法が、照明装置の視野と最近点との間の空間（一般に「作動距離」又は「自由作動距離」と呼ばれる）よりもはるかに大きいとき、光学視野の開口数及び角度範囲に関して制限を受ける。逆にいうと、高い開口数及び大きい光学視野に対しては、高度の放射強度及び放射照度を達成することは困難である。照明装置が結像システムの一部として用いられるとき、照明の経路内にビームスプリッタを挿入することがしばしば必要であり、その結果、結像アセンブリは光学視野の像を捕捉することがある。この制約は、照明装置の設計目標を満たす際の困難性を悪化させる。

【課題を解決するための手段】

【0009】

以下に記述される本発明の実施形態が、視野の照明及び結像のための改善された装置及び方法を提供する。

【0010】

本発明は、以下の図面と共に、その実施形態についての後続の詳細な説明からより完全に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に従う、照明及び結像装置についての概略断面図である。

【図2】本発明の一実施形態に従う、図１の光学装置についての詳細を示す概略断面図である。

【図3】本発明の代替の一実施形態に従う、光学装置についての詳細を示す概略断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に従う、図１の装置に用いられる放射線源についての概略正面図である。

【図5】本発明の一実施形態に従う、図１の装置に用いられるコリメートレンズアレイについての概略正面図である。

【図6】本発明の一実施形態に従う、図１の装置に用いられるプリズムコンバイナについての概略断面図である。

【図7】本発明の別の一実施形態に従う、光学装置についての概略断面図である。

【図8】本発明の更に別の一実施形態に従う、光学装置についての概略断面図である。

【図9】本発明の一実施形態に従う、図８の装置における空間光変調器からの放射線のエミッタンスの異なる空間分布についての概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（概要）
光学結像システムの用途、例えば、製造プロセス中のワークピースについての光学検査において、照明装置が用いられて光学放射線によってワークピース上の視野を照明する。（本説明及び特許請求の範囲において用いられるような用語「光学放射線」、「放射線」、及び「光」とは、一般に、可視、赤外、及び紫外放射線のうちのいずれか及び全てを指す。）ワークピースの照明を受けた視野は、結像光学系によって結像され、好適なセンサによって検出される。

【0013】

いくつかの用途では、正確な検査は、大きい対角寸法を有する視野が広範囲の照明角度にわたって照明されること、すなわち、照明が高い開口数（ＮＡ）を有することを必要とする。検査は、単位立体角当たりの放射束（放射強度）が開口数にわたって均一であること、及び単位面積当たりの放射束（放射照度）が視野にわたって均一であることの両方を更に必要とすることがある。

【0014】

光学放射測定では、放射強度Ｉ及び放射照度Ｅが、放射束Φに関して定義されている。放射束Φは、放射線視野内を流れるエネルギを表しており、共通に用いられる単位はワット（Ｗ）である。
放射強度Ｉは、式（１）で定義され、
Ｉ＝ｄΦ／ｄΩ （１）
ここに、Ωは、立体角である。放射強度Ｉについての共通単位は、Ｗ／ｓｒであり、ここに、ｓｒは立体角に対する単位としてのステラジアンである。放射強度は、立体角内に放出された束、又は立体角内に受取られた束のいずれかを指してもよい。記号Ｉ_ＥＭＩＴ及びＩ_ＲＣＶが、以下の説明で用いられて、放出された放射強度及び受取られた放射強度をそれぞれ示す。

【0015】

受取られた束Φについての放射照度Ｅは、式（２）で定義され、
Ｅ＝ｄΦ／ｄＡ （２）
ここに、Ａは、束を受取る面積である。放射照度Ｅについての共通単位は、Ｗ／ｃｍ^２である。

【0016】

本説明において用いられる追加の放射分析用語、放出された束Φに対するエミッタンスＭは、式（３）によって定義され、
Ｍ＝ｄΦ／ｄＡ （３）
ここに、Ａは、束を放出する面積である。

【0017】

一般的な照明装置は、高度の放射強度及び放射照度が大きい対角寸法を有する照明視野にわたって必要とされるとき、特に対角寸法が、照明装置の視野と最近点との間の空間（一般に「作動距離」又は「自由作動距離」と呼ばれる）よりもはるかに大きいとき、光学視野の開口数及び角度範囲に関して制限を受ける。逆にいうと、高い開口数及び大きい光学視野に対しては、高度の放射強度及び放射照度を達成することは困難である。照明装置が結像システムの一部として用いられるとき、照明の経路内にビームスプリッタを挿入することがしばしば必要であり、その結果、結像アセンブリは光学視野の像を捕捉することがある。この制約は、照明装置の設計目標を満たす際の困難性を悪化させる。

【0018】

本明細書に記載されている本発明の実施形態は、大きい開口数及び大きい光学視野にわたって高度の放射強度と放射照度の両方を達成する、ビームスプリッタ及び結像アセンブリと共に使用するための照明装置を提供することによって上記の問題に対処する。

【0019】

開示された実施形態では、照明アセンブリが延在放射線源を含み、これは、制御可能な空間分布を有する放射線を放出する。集光光学系は、０．３を超える開口数（ＮＡ）を有する放出された放射線を受取り、それを光軸に沿って２ｍｍから２０ｍｍまでの対角寸法の視野上に集束させる。装置は、また、センサ及び対物光学系を備える結像アセンブリを含み、これらは、視野を第２光軸に沿ってセンサ上に結像させる。プリズムコンバイナは、視野と集光及び対物光学系との間に配置されており、光軸のうちの少なくとも１つをプリズムコンバイナ内部で多重回だけ反射させながら、光軸を結合する。

【0020】

大きいＮＡ及び広い視野にもかかわらず、開示された照明アセンブリのテレセントリック構成は、それに付随する並進不変性によって視野の高度に均一な照明を保証する。例えば、以下に説明する照明アセンブリは、視野によって１０％以下だけ変化する放射照度、及び視野内の全ての点で開口数によって２０％以下だけ変化する受取り放射強度によって視野を照明し得る。ビームスプリッタ内部での多重反射が、これらの目的を満たしながら、大きいＮＡを可能にするのに有効である。更に、集光光学系及びプリズムコンバイナについての設計は、短い作動距離と広い照明視野との組み合わせを有する照明装置の構成を可能にする。

【0021】

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に従う光学装置１０についての概略断面図である。装置１０は、以下で説明するように、プリズムコンバイナ３２と共に、照明アセンブリ２０と、結像アセンブリ７６と、を備え、該プリズムコンバイナは、照明アセンブリと結像アセンブリとの光軸同士を結合する。

【0022】

照明アセンブリ２０は、延在放射線源２２と、放射線源コントローラ２３と、集光光学系２１とを備えている。集光光学系２１は、均質化ロッドアレイ２９と、コリメートレンズアレイ２７と、集束レンズ２８と、補償レンズ３０と、を備えている。コリメートレンズアレイ２７は、個々のコリメートレンズ７０を備え、更なる詳細が図２～３及び５に示されている。照明アセンブリ２０は、プリズムコンバイナ３２と共に、視野３４を第１光軸３５に沿って照明する。

【0023】

結像アセンブリ７６は、対物光学系７７と、センサ７９と、を備え、対物光学系は、視野３４をセンサ上に結像する。

【0024】

放射線源コントローラ２３は、典型的には、プログラム可能なプロセッサを備え、該プロセッサは、本明細書に記載された機能を実行するようにソフトウェア及び／又はファームウェアにプログラムされている。その代替として又は追加として、放射線源コントローラ２３は、ハードワイヤード及び／又はプログラム可能なハードウェア論理回路を備え、これらは、コントローラの機能のうちの少なくともいくつかを実行する。放射線源コントローラ２３が、単純化のために、単一のモノリシック機能ブロックとして図に示されているけれども、実際は、コントローラは、単一のチップ、又は２つ以上のチップのセットを含んでもよく、これらのチップは、図に示され、文書に記述されている信号を出力するのに好適なインターフェースを備えている。以下の実施形態との関連で示され記述されたコントローラは、同様の構成のものである。

【0025】

プリズムコンバイナ３２が、図１に概略的に示され、図６に更に詳細に示されている。プリズムコンバイナ３２は、内部ビームスプリッタ層を有する、放射線に対して透過的である材料から製造された多面体を含み、該内部ビームスプリッタ層は、プリズムコンバイナに入射する放射線の一部を透過させ一部を反射させるように、部分的に透過させ部分的に反射させる。

【0026】

装置１０の照明スキームは、２つの独立した部分、すなわち、延在放射線源２２及び均質化ロッドアレイ２９を含む非結像光学系と、コリメートレンズアレイ２７、集束レンズ２８、補償レンズ３０及びプリズムコンバイナ３２を含む結像光学系と、に分けられてもよい。非結像光学系の機能は、光源２２によって放出された異なる波長の光を混合して、集光効率を向上させることである。非結像光学系の付加的な機能は、照明の角度一様性を改善することであり、それで、低周波不均一性を高周波不均一性に変換し、次いで微細拡散器の使用によって容易に平滑化されてもよい。結像光学系の一部が用いられて、非結像光学系部分から放出された均質化光を開口セグメント同士間の良好な分離によって視野３４上に再集束させ、これは、それぞれの均質化ロッド２９が対応するレンズ７０にだけ光線を送ることを示す。均質化ロッド及びレンズについて、以下で更に詳細に説明する。

【0027】

均質化ロッドアレイ２９は、均質化ロッド２４を含み、該均質化ロッドは、典型的には、光源２２によって放出された放射線に対して透過的である材料から作製された中実ロッド、及び／又は反射性の内壁を有する中空ロッドを含む。それぞれのロッドは、一方の端部に入射面２５と、別の端部に出射面２６と、を備えている。均質化ロッド２４の断面は、典型的には矩形（例えば、正方形）、又は円形であるが、別の断面が代替として用いられてもよい。断面は、場合によっては、ロッドの軸に沿って変化してもよい。図示の実施形態では、例えば、それぞれの均質化ロッド２４の出射面２６の線形範囲は、２．５又は３倍だけ入射面２５よりも大きい。それぞれの均質化ロッド２４内を伝播する光のエテンデューが保存されるので、出射面２６での光の放出角度は、同じく２．５又は３倍だけ低減される。（用語「エテンデュー」とは、光ビームの断面積と、弧に対する立体角との積を意味する。）それぞれの均質化ロッド２４は、ロッド内部での多重反射によって入射面２５及び出射面２６に入る放射線の空間的均一性を増大させる。

【0028】

延在放射線源２２（図４に更に詳細に示す）が、放射線源コントローラ２３からの信号によって駆動されて、入射面２５を通して均質化ロッド２４中に放射線を放出する。放射線は、均質化ロッド２４を通してそれらの出射面２６まで透過させられ、そこから、放射線は、均一放出エミッタンスＭ（均質化ロッドの均質化効果による）を伴ってコリメートレンズアレイ２７に向かって出る（図５に更に詳細に示す）。

【0029】

コリメートレンズアレイ２７は、放射線を受取り、出射面２６のそれぞれの点から出た光線を透過させて平行にする。例えば、点３８から出る光線３６は、コリメートレンズアレイ２７のレンズ７０のうちの１つによって光線４０へと平行にされる。コリメートレンズアレイ２７によって透過させられて平行にされた光線は、集束レンズ２８によって受取られ、透過させられ、集束させられる。集束レンズ２８によって集束させられた全ての光線は、補償レンズ３０によって受取られ、補償レンズによって更にプリズムコンバイナ３２を通して視野３４まで投射される。例えば、平行光線４０は、集束レンズ２８によって光線４２に集束させられ、そして視野３４上の点４３に集束する。

【0030】

コリメートレンズアレイ２７は、照明アセンブリ２０のためのストップを形成し、それぞれのコリメートレンズ７０は、ストップの区画を含む。コリメートレンズアレイ２７は、集束レンズ２８と補償レンズ３０との組み合わせの焦点面に位置しているので、視野３４から見られるような像は、無限遠に位置している（集光光学系２１の射出瞳が無限遠に有効であることを意味する）。無限遠の射出瞳を有するこの構成は、「テレセントリック構成」と呼ばれる。従って、集光光学系２１は、視野３４にテレセントリックな照明を提供し、視野から観察された全角度範囲は、視野にわたって並進不変である。

【0031】

視野３４上での放射照度Ｅ（空間範囲）に関して、それぞれの均質化ロッド２４の出射面２６は、コリメートレンズアレイ２７及び集束レンズ２８によって視野内に結像され、その結果、出射面２６の全ての像が視野内で重なる。補償レンズ３０の機能は、照明アセンブリ２０の光学収差を減少させることによって結像の品質を改善することである。例えば、補償レンズ３０は、光学系の球面収差を補償するために用いられるメニスカス形状を有してもよい。それぞれの出射面２６の放射エミッタンスＭの均一性が、視野３４上に均一な放射照度Ｅを生じさせる。

【0032】

図２に詳細に示されるように、視野３４上の受取り放射強度Ｉ_ＲＣＶ（角度範囲）については、所与の出射面２６からの放射線は、照明アセンブリ２０の全開口数の一部を満たす。コリメートレンズアレイ２７（図５に詳細に示される）は、隣接する出射面２６からの放射線同士の間の隙間を伴わずに、照明アセンブリの開口数を満たし、それで、照明の開口数の範囲内で実質的に均一な受取り放射強度Ｉ_ＲＣＶを生じさせる。更に、上述したような照明のテレセントリック性に起因して、視野３４から観察されるような照明の全角度範囲は、視野にわたって並進不変である。例えば、以下に更に十分に説明するように、この特性は、照明アセンブリ２０のマルチモーダル機能を実装する際に特に有用であり、明視野照明と暗視野照明の両方を提供する。

【0033】

発明者によるシミュレーションに基づくと、開示された実施形態は、２ｍｍから２０ｍｍまでの対角寸法の視野にわたって０．３を超える開口数（ＮＡ）と、視野によって１０％以下だけ変化する放射照度と、視野内の全ての点において開口数によって２０％以下だけ変化する放射強度と、を用いた視野３４の照明を可能にする。いくつかの実施形態では、これらの高いレベルの均一性及び広い視野角が、０．５を超える又は０．７５を超えさえするＮＡによって達成される。

【0034】

代替の一実施形態（更に図３に詳細に示される）では、それぞれの出射面２６は、視野レンズ４０６及び拡散体４２０を含むことにより、視野３４における放射照度Ｅ及び受取り放射強度Ｉ_ＲＣＶの均一性を更に制御する。

【0035】

図２は、本発明の一実施形態に従う、光学装置１０内の部分的な光路の詳細３０３を示す概略断面図である。この図は、集光光学系２１のテレセントリック設計の効果を示す。

【0036】

詳細３０３が、光学装置１０の以下の部分、すなわち、均質化ロッド２４、第３光軸３０１に沿って出射面２６の反対側に配置されたコリメートレンズ７０（コリメートレンズアレイ２７からの）、第１光軸３５に沿った集束レンズ２８、及び視野３４のうちの１つの出射面２６を備えている。コリメートレンズ７０と出射面２６との間の距離は、ｆ_ＣＯＬＬであり、ここに、ｆ_ＣＯＬＬは、コリメートレンズの有効焦点距離である。

【0037】

図１に示すように、照明は、テレセントリックであり、その理由は、コリメートレンズ７０が、集束レンズ２８と補償レンズ３０との組み合わせの焦点面内に位置しているからである。明瞭のために、補償レンズ３０及びプリズムコンバイナ３２は、詳細３０３から省略されている。

【0038】

出射面２６の中心にある点３００は、光線３０２ａ、３０２ｂ、及び３０２ｃを放出し、ここに、中心光線３０２ｂは、第３光軸３０１と一致し、コリメートレンズ７０と第２光軸との交点にある点３２０を通過する。（レンズ７０及び２８は、薄いレンズとして取り扱われる。）光線３０２ａ及び３０２ｃは、中心光線３０２ｂの周りに対称に位置している、点３００からの光線の円錐の極光線である。（用語「光線の円錐」とは、点から放出されるか又は点に入射するいずれかの光線の群を表すために用いられる。光線の円錐の角度範囲は、その開口数によって示される。）コリメートレンズ７０は、光線３０２ａ、３０２ｂ、及び３０２ｃをそれぞれ光線３０４ａ、３０４ｂ、及び３０４ｃに対して平行にし、これらは、次いで集束レンズ２８によって光線３０６ａ、３０６ｂ、及び３０６ｃに集束され、第１光軸３５と視野の交点にある、視野３４上の点３０８に集束する。

【0039】

出射面２６の端にある点３１０は、光線３１２ａ、３１２ｂ、及び３１２ｃを放出し、中心光線３１２ｂは、コリメートレンズ７０上の点３２０を通過する。光線３１２ａ、３１２ｃは、中心光線３１２ｂの周りに対称に位置する、点３１０からの光線の円錐の極光線である。光線３１２ａ、３１２ｂ、及び３１２ｃは、コリメートレンズ７０によって光線３１４ａ、３１４ｂ、及び３１４ｃに対してそれぞれ平行にされ、これらは、次いで集束レンズ２８によって光線３１６ａ、３１６ｂ、及び３１６ｃに集束されて、視野３４上の点３１８に集束する。

【0040】

両方の光線３０４ｂ、３１４ｂは、コリメートレンズ７０上の点３２０を通過する。点３２０を含むコリメートレンズ７０は、集束レンズ２８の焦点面に位置しているので、集束レンズは、点３２０からの光線３０４ｂ、３１４ｂを屈折させることにより、得られた屈折光線３０６ｂと３１６ｂとが互いに平行になる。光線の２つの円錐（一方は光線３０６ａ～３０６ｃを含み、別の方は光線３１６ａ～３１６ｃを含む）の中心光線３０６ｂと３１６ｂとの平行度、及び極光線が光路全体にわたってそれらの各中心光線の周りで対称であるという事実に起因して、２つの円錐は、２つの別個の視野点３０８及び３１８での視野３４において第１光軸３５の周りに同じ開口数にわたって延在する。従って、照明の開口数は、集光光学系２１のテレセントリックな設計に起因して並進不変である。

【0041】

光線３０６ａ～３０６ｃを含む円錐内部の点３０８における受取り放射強度の角度均一性は、出射面２６上の点３００における放出放射強度Ｉ_ＥＭＩＴの角度均一性によって決定される。同様に、光線３１６ａ～３１６ｃを含む円錐内部の点３１８における受取り放射強度の角度均一性は、点３１０における放出放射強度Ｉ_ＥＭＩＴの角度均一性によって決定される。

【0042】

従って、視野３４に衝突する放射線の円錐の開口数は、コリメートレンズアレイ２７内のコリメータレンズ７０の範囲及び横方向位置によって決定され、開口数は、視野３４にわたって並進不変である。更に、開口数内の視野３４上の受取り放射強度の均一性は、出射面２６からの放出放射強度の均一性によって決定される。

【0043】

視野３４内のそれぞれの点は、それぞれの均質化ロッド２４の出射面２６内の対応する点からの放射線を受取る。従って、例えば、点３０８は、それぞれの出射面２６の中心点から放射線を受取り、点３１８は、それぞれの出射面上の縁点からの放射線を受取る。それで、視野３４上の放射照度Ｅは、全ての均質化ロッド２４の平均エミッタンスＭであり、放射照度の高度の均一性に寄与する。

【0044】

図３は、本発明の代替実施形態に従う、平凸視野レンズ４０６の追加を示す別の部分的な光路についての詳細４００を示す概略断面図である。この詳細は、詳細３０３（図２）の代わりに装置１０において用いられてもよい。

【0045】

詳細４００は、以下の部分、すなわち、延在放射線源２２内部のエミッタ５４のアレイ４０１（図４に詳細に示されるような）と、入射面２５及び出射面２６を有する均質化ロッド２４と、第３光軸３０１に沿って出射面２６の反対側のコリメートレンズ７０と、第１光軸３５に沿った集束レンズ２８と、視野３４と、を備えている。視野レンズ４０６は、出射面２６と接触して又はそれに近接して位置し、平凸形状の平坦面は、視野レンズを出射面に接合するのに好適である。

【0046】

光線４１０は、群５４から放出され、均質化ロッド２４の側壁によって光線４１２内へと反射させられる。反射に起因して、仮想源４０２ａは、グループ５４の像として形成される。仮想源４０２ａの位置は、点線４１４で示されるような光線４１２を面４１６まで延長することによって見出され、該面は、一般に均質化ロッド２４の側壁による光線の折り曲げに基づく曲面である。均質化ロッド２４によって群５４から放出された光線の多重反射は、追加の仮想源４０２を生成することにより、仮想延在源４０４を一緒に形成する。中実均質化ロッド２４については、源４０４の最大横方向範囲Ｗが、以下の式（４）に従って、ロッドの長さＬと、出射面２６の直線寸法と入射面２５の直線寸法との比Ｍと、その材料の屈折率ｎと、によって与えられる。

【数1】

【0047】

隣接する仮想源４０２同士の間の間隔は、均質化ロッド２４内での反射数の増加と共に減少する。有限の長さＬに起因して、これらの間隔は、完全には消滅しない。

【0048】

視野レンズ４０６は、延在仮想源４０４を像４０８としてコリメートレンズ７０上に結像させ、それでコリメートレンズを像で満たし、その結果、コリメートレンズから視野３４に入射する照明の開口数を満たす。照明が照明装置（コリメートレンズ７０）の開口ストップ内に結像されるので、照明は、ケーラー型のものである。

【0049】

拡散体４２０（典型的には、例えば５度の拡散角度を有する弱い拡散体）が、コリメートレンズ７０により近い側に視野レンズ４０６に当接して置かれることにより、コリメートレンズから出る放射線の角度均一性を改善し、その結果として視野３４内の放射照度Ｅの均一性を改善してもよい。

【0050】

図１～３に開示された実施形態の光学構成要素の典型的な材料及び寸法が、以下の表１に示されている。

【表1】

【0051】

図４は、本発明の実施形態に従う、照明アセンブリ２０内で用いられる延在放射線源２２の概略正面図である。延在放射線源２２は、円形である中央セル５２を除いて、先端が切れた扇形形状のセル５０を含む。均質化ロッド２４は、延在放射源２２のそれぞれのセルに面する入射面２５を有するちょうど１つの均質化ロッドが存在するように配置されている。

【0052】

延在放射線源２２のそれぞれのセルは、そのセルに面する１つの均質化ロッド２４に向かって放射線を放出するエミッタの群５４を備えている。エミッタ５４の群のうちの１つについての拡大挿入図５６は、エミッタ５４の群のそれぞれが、波長λ_１で放射線を放出する３つのエミッタ５８と、異なる波長λ_２で放射線を放出する３つのエミッタ６０と、を備えている態様の詳細を示している。エミッタ５８及び６０は、ソリッドステートエミッタ、例えば、ＯＳＲＡＭ ＧｍｂＨ（Ｍａｒｃｅｌ－Ｂｒｅｕｅｒ－Ｓｔｒａｓｓｅ ６，８０８０７ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ，ＧＥＲＭＡＮＹ）からの赤色ＬＥＤ ｃ４１－Ａ６０等の発光ダイオード（ＬＥＤ）、及びＣＲＥＥ Ｉｎｃ．（４６００ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｒｉｖｅ，Ｄｕｒｈａｍ，Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ ２７７０３，ＵＳＡ）からの青色ＬＥＤ ＥＺ１３５０を含む。その代替として、エミッタ５８及び６０は、重複しているスペクトル範囲にわたる放射線を放出してもよい。更なる代替として、エミッタ５８及び６０は、可視スペクトルにわたって延在する広帯域放射線を放出する、いわゆる白色ＬＥＤ、例えば、ＣＲＥＥ Ｉｎｃから入手可能なものを備えてもよい。その代替として、エミッタ５８及び６０は、電磁スペクトルの赤外（ＩＲ）又は紫外（ＵＶ）部分内の放射線を放出してもよい。エミッタ５８及び６０は、好ましくは、互いに近接して置かれたＬＥＤダイを備える。エミッタ５８と６０とを近接して配置することの目的は、ロッド２４内に射出される高い光学パワー及び照明の改善された均一性の両方を達成することである。それぞれの群５４内のエミッタ５８及び６０のそれぞれは、放射線源コントローラ２３によって独立して活性化されてもよい。照明アセンブリ２０は、従って、例えば、暗視野照明又は右側若しくは左側だけ等の開口数の部分だけを照明するだけでなく、異なる波長λ_１、λ_２での独立又は同時の照明を可能にすることによって、照明のスペクトル成分を制御してもよい。

【0053】

代替の一実施形態では、エミッタのそれぞれの群５４は、例えば、異なる波長で放出する３、４、５、又は６個のエミッタを備えていてもよい。これらのエミッタを独立して活性化することによって、照明のスペクトル成分は、利用可能な波長の任意の組み合わせを含むように制御されてもよい。

【0054】

図５は、本発明の一実施形態に従う、照明アセンブリ２０内のコリメートレンズアレイ２７についての概略正面図である。コリメートレンズアレイ２７は、延在放射線源２２と同様に、円形である中心レンズ７２を除いて、先端が切れた扇形形状のレンズ７０を備えている。その代替として、レンズ７０及び７２の別の形状が、用いられてもよい。コリメートレンズアレイ２７は、アレイのそれぞれのレンズが均質化ロッド２４の正確に１つの出射面２６から放出された放射線を受け取るように設計されている。コリメートレンズアレイ２７のそれぞれのレンズは、一緒に突き合わされたレンズを有するフレネルレンズから構成されている、すなわち、それぞれのフレネルレンズセグメント７０から誘導された部分的な開口数の間に実質的に隙間が形成されないので、視野３４上の照明の均一な受取り放射線強度Ｉ_ＲＣＶを向上させる。特に、開示された実施形態のビーム結合設計は、全照明開口数の軸方向部分とその周囲又は周辺部分とを併合して、均一で実質的に隙間のない照明を達成することを可能にする。代替実施形態では、上記の球面若しくは非球面又はその任意の組み合わせを有するレンズ等のフレネルレンズ以外のレンズが用いられてもよい。

【0055】

図６は、本発明の一実施形態に従う、結像アセンブリ７６と共に、図１のプリズムコンバイナ３２についての概略断面図である。プリズムコンバイナ３２は、上側プリズム８０と、下側プリズム８２とを備え、これらはビームスプリッタ層８４によって結合されている。プリズムコンバイナ３２は、第１面９０と、第２面９４と、第３面１０２と、を更に備えている。結像アセンブリ７６の対物光学系７７は、視野３４を第２光軸７８に沿って、例えば０．１から０．３までの間の光学開口数を有するセンサ７９上に結像する。第１及び第２光軸３５及び７８は、それぞれ、ビームスプリッタ層８４と視野３４との間の空間内で折り重なっている。

【0056】

照明アセンブリ２０から第１面９０に到達する極光線８６及び８８は、延在放射線源２２の両側の２つの最外セル５０から発生する。照明アセンブリ２０から第１面９０に到達する中心光線９２は、延在放射線源２２の中央セル５２内で発生する。光線８６、８８及び９２の全ては、部分的に透過させられ、プリズムコンバイナ３２内側のビームスプリッタ層８４によって部分的に反射させられるが、透過させられた光線のみが示されている。開示された実施形態では、光線８６、８８、及び９２は、プリズムコンバイナ３２から第２面９４を通って出射し、光線８６及び８８は、±５５度を超える入射角で視野３４に入射し、光線９２は、法線方向の角度（０度）で視野に入射する。

【0057】

照明は、視野上の特徴に依存する角度の分布における光線９６として視野３４から散乱させられる（典型的には、反射及び／又は回折させられる）。図示された例では、結像アセンブリ７６の対物光学系の開口数内にあるそれらの光線９６のみが示されている。光線９６は、第２面９４を通ってプリズムコンバイナ３２に入り、ビームスプリッタ層８４によって部分的に反射させられ、部分的に透過させられるが、反射光線９８だけが示されている。反射光線９８は、第２面９４に当たり、そこで、それらは全反射（ＴＩＲ）によって光線１００へと反射させられる。全体として、第２光軸７８は、プリズムコンバイナ３２内部で２回だけ反射する。光線１００は、第３面１０２を通ってプリズムコンバイナ３２を出て、結像アセンブリ７６によって受取られ、次いで、センサ７９上に視野３４に結像する。

【0058】

光線８６及び８８が対物光学系７７の開口数を超える開口数で視野３４に当たると、それらは、暗視野照明を生成し、ところが、より小さい入射角で視野に当たる光線９２は、明視野照明を生成する。放射線源コントローラ２３は、延在放射源２２のエミッタの異なる群５４を活性化させることによって、照明の開口数を制御してもよく、暗視野若しくは明視野照明のいずれか、又はその両方を選択してもよい。それの追加として又は代替として、放射線源コントローラ２３は、特定の方位角又は方位角の範囲を選択することにより、対応する単数又は複数の扇形内のエミッタのみを活性化させることによって照明してもよい。

【0059】

（第２実施形態）
図７は、本発明の別の一実施形態に従う、光学装置１２０についての概略断面図である。

【0060】

光学装置１２０は、照明アセンブリ１２２と、結像アセンブリ１２４と、プリズムコンバイナ１３４と、を備えている。照明アセンブリ１２２は、延在放射線源１２６と、放射線源コントローラ１２８と、集光光学系１２９と、を備え、これらは、コリメートレンズアレイ１３０と、集束レンズ１３２と、を含む。照明アセンブリ１２２は、プリズムコンバイナ１３４を通して、視野１３６を第１光軸１３８に沿って照明する。プリズムコンバイナ１３４から有限の分離（典型的には１ｍｍ）を有する視野１３６は、（表面１５２によって反射させられ、）上記で示したような結像アセンブリ７６と設計が類似している結像アセンブリ１２４によって、プリズムコンバイナを通して第２光軸１４０に沿って結像される。

【0061】

延在放射線源１２６は、アレイ状に配列されて放射線源コントローラ１２８に結合されたソリッドステートエミッタ１４２を備えており、それぞれのソリッドステートエミッタは、コントローラによって独立して活性化される。それぞれのエミッタ１４２は、単一の波長又は波長範囲で放射し、これは、典型的には全てのエミッタについて同じである。代替の一実施形態では、均一な角度範囲を有する波長同士又はそれらの組み合わせ同士の間で切り替え可能な多重波長照明が、それぞれのソリッドステートエミッタ１４２を、前述の実施形態におけるような、多重の、独立して活性化されるソリッドステートエミッタを光学的に結合するエミッタアセンブリで置換することによって実装されてもよい。

【0062】

コリメートレンズアレイ１３０は、フレネルレンズ１４４のアレイを備え、それぞれのレンズは、正確に１つのソリッドステートエミッタ１４２の反対側に配置され、レンズは、（図５のコリメートレンズアレイ２７内のレンズと同様に）一緒に突き合わされている。集束レンズ１３２は、単一のフレネルレンズを備えている。代替の実施形態では、球面若しくは非球面を有するレンズ、又はそのいずれかの組み合わせ等のフレネルレンズ以外のレンズを用いてもよい。

【0063】

プリズムコンバイナ１３４は、ロッドであって、それに沿って一定の矩形断面（用語「矩形」は、正方形の形状を含む）を有するロッドと、集光光学系１２９に面してそれに近接した第１面１４６と、視野１３６に面してそれに近接した第２面１４８と、結像アセンブリ１２４に面する第３面１５０と、を備えている。プリズムコンバイナ１３４は、第１面１４６を介して受取られた放射線の空間分布のための均質化ロッドとして機能し、その長軸に対して４５°の角度でビームスプリッタ被覆１５２を備えている。集光光学系１２９は、以下に詳述するように、延在放射線源１２６によって放出された放射線を第１面１４６上に集束させる。その一定の断面のために、プリズムコンバイナ１３４は、（それぞれの反射における符号の変化と共に）放射線の角度方向を保存する。

【0064】

ソリッドステートエミッタ１４２のそれぞれによって放出された放射線が、特定のエミッタに面するコリメートレンズアレイ１３０の１つのフレネルレンズ１４４によって、受取られ、透過させられ、そして平行にされる。例えば、ソリッドステートエミッタ１４２ａ上の点１５４から放出された放射線は、光線１５６として、フレネルレンズ１４４ａによって透過させられ、平行にされることにより、光線１５８を形成する。集束レンズ１３２は、これらの光線を受取って、それらを光線１６０として第１面１４６上の点１６２に集束させ、それで、ソリッドステートエミッタ１４２ａを照明アセンブリ１２２からの放射線のための入射面である第１面上に結像させる。図７に示す実施形態では、点１５４は、ソリッドステートエミッタ１４２ａの縁に位置するように選ばれ、フレネルレンズ１４４と集束レンズ１３２との焦点距離の比は、点１５４の像である点１６２が第１面１４６の縁に位置するように選ばれる。ソリッドステートエミッタ１４２ａ上の残りの点は、また、点１６２と第１面の反対側の縁にある点１６８との間の第１面１４６上に結像され（対応する光線は示されていない）、その結果、ソリッドステートエミッタの像が、第１面を正確に満たす。同様に、全ての別のソリッドステートエミッタ１４２の像は、第１面１４６を満たし、それで、第１面上の全てのエミッタからの放射線を平均化する。フレネルレンズ１４４と集束レンズ１３２との焦点距離の異なる比を選ぶことにより、それぞれのソリッドステートエミッタの像が第１面１４６をいっぱいに満たすようにさせられてもよい。

【0065】

視野１３６上での照明の角度挙動についての解析は、２つの部分に分割され、第１が、第１面１４６上での照明の角度挙動を解析し、第２が、角度挙動を視野１３６に転送する。

【0066】

第１面１４６上での照明の角度挙動は、図２及び光学装置１２０と光学装置１０との間の類似性を利用して解析される、すなわち、コリメートレンズアレイ１３０及び集束レンズ１３２は、コリメートレンズアレイ２７及び集束レンズ２８と比較されてもよい。ソリッドステートエミッタ１４２は、出射面２６に類似し、第１面１４６は、視野３４に類似している。更に、光学装置１０におけるテレセントリック配列と同様に、コリメートレンズアレイ１３０は、ソリッドステートエミッタ１４２がその焦点面に位置するように位置し、集束レンズ１３２は、コリメートレンズアレイ１３０がその焦点面に位置するように位置している。

【0067】

従って、光学装置１０と同様に、コリメートレンズアレイ１３０のレンズ１４４は、照明アセンブリ１２２のストップを規定し、それぞれのレンズ１４４から第１面１４６上に到達する照明の円錐の開口数を決定する。装置１０のように、集光光学系１２９は、テレセントリックであり、照明の開口数は、第１面１４６上で並進不変である。特に、示している例では、第１面１４６上の光線１６０の円錐の開口数は、レンズ１４４ａによって決定される。

【0068】

第１面１４６から視野１３６への角度挙動の転送は、ここで、第１面を通してプリズムコンバイナ１３４に入る光線１６０を用いて解析されてもよい。光線１６０は、プリズムコンバイナ１３４内の第１光軸１３８の周りで多重反射を経験するけれども、それらは、（それぞれの反射における符号の変化と共に）プリズムコンバイナの矩形断面に起因して、第１光軸に対するそれらの角度を維持する。（概略図の明瞭のために、プリズムコンバイナ１３４に入る際の光線１６０の屈折が無視され、反射の数は２に制限されている。）図２と同様に、ソリッドステートエミッタ１４２ａの全ての点からの光線は、第１面１４６において同じ開口数を満たす。全てのこれらの光線が、プリズムコンバイナ１３４によって視野１３６まで転送され、プリズムコンバイナが、それらの空間分布を均質化するけれども、それらの角度分布を保存するので、視野は、光線１６０と同じ開口数によってその横方向範囲にわたって照明される。

【0069】

光学装置１０と同様に、コリメートレンズアレイ１３０のフレネルレンズ１４４を一緒に突き合わせることによって、全ソリッドステートエミッタ１４２が活性化されたときに、視野１３６の照明の開口数全体のシームレスな充填が達成されてもよい。

【0070】

逆に、いくつかのソリッドステートエミッタ１４２だけが活性化されるとき、視野１３６の指向性照明が達成される。例えば、ソリッドステートエミッタ１４２ａが活性化されるならば、全ての放射線は、大きい角度で視野１３６に入る。この角度が結像アセンブリ１２４の開口数を越えるとき、照明は、暗視野照明を含む。同様に、第１光軸１３８上に位置するソリッドステートエミッタ１４２ｂを活性化することにより、明視野照明を生成する。第１光軸１３８に対して非対称であるソリッドステートエミッタ１４２の群を活性化させることは、プリズムコンバイナ１３４内での前後の反射に起因して、視野１３６上に２倍の角度対称性を有する照明を生成する。

【0071】

第１面１４６からプリズムコンバイナ１３４によって透過させられた放射線が、第２面１４８から出るときに空間的に均質に及び角度的に均一に分布することに起因して、第２面１４８と視野１３６との間の距離が、視野１３６上での所望の放射照度と光機械的構成に基づいて選ばれてもよい。この距離は、例えば、０．５ｍｍから２ｍｍまでの間にあってもよい。

【0072】

本発明者らのシミュレーションに基づくと、本実施形態は、２ｍｍから２０ｍｍまでの対角寸法にわたって０．３を超える開口数による、視野によって１０％以下だけ変化する放射照度による、及び視野内の全ての点で開口数によって２０％以下だけ変化する放射強度による、視野１３６の照明を可能にする。

【0073】

視野１３６によって反射及び回折させられた放射線は、第２面１４８を通ってプリズムコンバイナ１３４内へと戻り、ビームスプリッタ被覆１５２まで伝播し、そして、被覆によって部分的に反射させられ、部分的に透過させられる。反射させられた放射線は、第３面１５０を通って出て、結像アセンブリ１２４によって受取られ、次いで、視野１３６をそのセンサ上に結像させる。第１及び第２光軸１３８及び１４０は、それぞれ、ビームスプリッタ被覆１５２と視野１３６との間の空間内で重なり合う。

【0074】

（第３実施形態）
図８は、本発明の更に別の一実施形態に従う、光学装置２００についての概略断面図である。

【0075】

光学装置２００は、照明アセンブリ２０２と、結像アセンブリ２０４と、プリズムコンバイナ２０６と、を備えている。照明アセンブリ２０２は、延在放射源２０８と、空間光変調器２１０と、コリメートレンズ２１２と、を備えている。コリメートレンズ２１２は、照明アセンブリ２０２の集光光学系として機能し、そして、照明アセンブリ２０２のストップである空間光変調器２１０がその焦点面と一致するようにテレセントリック位置にある。コリメートレンズ２１２は、図示された実施形態では、フレネルレンズを備えている。その代替として、それは、球面若しくは非球面のいずれかを有する従来の高ＮＡレンズ、又はフレネル型、球面、及び非球面のいずれかの組み合わせを有するレンズを含んでもよい。レンズ２１２の焦点距離及び直径は、要求される照明ＮＡ及び所望の照明視野サイズに従って選択される。放射線源コントローラ２１４は、延在放射線源２０８及び空間光変調器２１０に結合されている。

【0076】

照明アセンブリ２０２は、以下に詳述するように、プリズムコンバイナ２０６を通して、視野２１６を多重の第１光軸２１８ｃに沿って照明する。結像アセンブリ２０４は、センサと、対物光学系（上記のような）と、を含み、該対物光学系は、視野２１６を第２光軸２２０に沿ってセンサ上に結像させる。

【0077】

プリズムコンバイナ２０６は、互いに対して平行である、第１面２２２と、第２面２２４と、を備えている。プリズムコンバイナ２０６は、内部ミラー２２６と、多重の内部ビームスプリッタ層２２８と、を更に備え、ミラーとビームスプリッタ層の両方は、互いに平行であり、面２２２及び２２４に対して傾斜している。

【0078】

延在放射線源２０８は、第１光軸２１８に沿って空間光変調器２１０に向かって放射線を放出し、該放射線は、延在放射線源２０８と視野２１６との間の光路の異なる部分内で反射によって２１８ａ、２１８ｂ、及び２１８ｃとラベル付けされた部分に分割される。放射線源２０８は、マルチメディアプロジェクタ光エンジンと同様に構成されてもよい。その光源は、例えば、単一の白色光又は単色ＬＥＤ、赤色、緑色、青色又は赤外ＬＥＤ等の多重着色型ＬＥＤ、１つ又は複数のレーザ、あるいはレーザ励起型蛍光体を含んでもよい。プリズムコンバイナ２０６の多重ビームスプリッタ層２２８が、照明された視野を複製するので、放射線源２０８のエテンデューは、ビームスプリッタ層２２８のうちの１つによって照明された視野にわたって必要とされる均一な照明ＮＡを提供するのに十分に高いことのみが要求される。プリズムコンバイナ２０６によるエテンデューの増大は、以下でより詳細に説明するように、照明の放射強度についての対応する損失を伴う。空間光変調器２１０は、コントローラ２１４から受取られた信号に基づいて、それがコリメートレンズ２１２に向かって透過させて投射する放射線の空間分布を制御する（例を図９に示す）。空間光変調器２１０は、例えば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、透過型液晶（ＬＣ）デバイス、又はシリコン上反射型液晶（ＬＣＯＳ）デバイスであってもよい。その代替として、ＳＬＭは、延在光源２０８と一体化されていてもよく、そしてセグメント型ＬＥＤ源、又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アレイを含んでもよい。

【0079】

テレセントリック設計に起因して、コリメートレンズ２１２は、空間光変調器２１０上の任意の所与の点から発生する放射線を平行にし、それで、平行にされた光線束を形成し、該光線束の第１光軸２１８ａに対する角度が、所与の点の第１光軸からの距離と、コリメートレンズ２１２ａの焦点距離と、によって決定される。

【0080】

第１光軸２１８ａは、第１面２２２を通ってプリズムコンバイナ２０６に入り、そしてミラー２２６に当たる。ミラー２２６は、第１光軸２１８ａを反射させられる第１光軸２１８ｂへと反射させ、続いて、それは、ビームスプリッタ層２２８に到達する前に、第１面２２２と第２面２２４との間で多重回だけ反射させられる。第１面と第２面との間での反射の数は、プリズムコンバイナ２０６の厚さ及びミラー２２６の傾斜角度によって決定される。ミラー２２６の傾斜角度が十分であることにより、放射線が、続いて全反射によって第１面２２２及び第２面２２４から反射するとき、そして、プリズムコンバイナ２０６が十分に薄いとき、ビームスプリッタは、導波路として作用する。開示された実施形態では、プリズムコンバイナ２０６は、典型的には、長さ５０ｍｍ～２００ｍｍ、幅２０ｍｍ～５０ｍｍ、及び厚さ２ｍｍ～１０ｍｍである。内面反射の数は、典型的には１０未満であるけれども、より多くてもよい。面２２２及び２２４の平行度に起因して、プリズムコンバイナ２０６内を伝播する放射線の光線角度が保存され、視野２１６に当たる照明は、テレセントリックである。照明がテレセントリックであるので、空間光変調器２１０上のそれぞれの空間位置は、視野２１６上に投射された放射線の角度方向に変換され、そして、空間光変調器を制御することによって、放射線の角度範囲が選ばれてもよい。

【0081】

それぞれのビームスプリッタ層２２８において、第１光軸２１８ｂが、部分的に透過させられて、反射させられる光軸２１８ｃのうちの１つへと部分的に反射させられる。光軸２１８ｃの全ては、第２面２２４を通って出て、視野２１６に当たり、それで視野を照明する。連続するビームスプリッタ層２２８の反射率は、ビームスプリッタ２０６の長さに沿って増加する反射率と共に段階的に変化することにより、それぞれの層２２８からの反射束が、別の層に対する所定の限界、例えば１０％を超えて変化することがない。この目盛り付けは、例えば、薄膜干渉被覆を利用することによって、離散波長について達成されてもよく、それぞれの連続したビームスプリッタ被覆は、反射率と透過率との間に必要な比率を有するように設計される。好適な薄膜被覆は、例えば、ＲＥＯ Ｉｎｃ．（５５０５ Ａｉｒｐｏｒｔ Ｂｌｖｄ，Ｂｏｕｌｄｅｒ ＣＯ ８０３０，ＵＳＡ）及びＩＤＥＸ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（２００ Ｄｏｒａｄｏ Ｐｌａｃｅ ＳＥ，Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ ＮＭ ８７１２３，ＵＳＡ）から入手可能である。同様に、機能光学被覆は、開示された実施形態について意図されたものよりも、より広い波長範囲及びより厳しい均一性要件を有するにもかかわらず、Ｌｕｍｕｓ（８ Ｐｉｎｃｈａｓ Ｓａｐｉｒ Ｓｔｒｅｅｔ、Ｎｅｓｓ Ｚｉｏｎａ、ＩＳＲＡＥＬ ７４０３６３１）によって製造された延在現実光学エンジンにおいて実現される。

【0082】

その代替として、目盛り付けは、種々の直径の金属ドットを含むハーフトーン型（水玉模様型とも呼ばれる）被覆によって達成されてもよい。誘電体被覆上の水玉模様被覆の利点は、それが入射波長及び入射角に反応しないことである。その欠点は、多重透過に起因する効率の低下である。反射率と透過率との間の比は、グリッドの透過部分に対して不透明反射ドットのサイズを変えることによって容易に制御されてもよい。好適な水玉模様ビーム分割被覆は、例えば、Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｉｎｃ．（５６ Ｓｐａｒｔａ Ａｖｅｎｕｅ，Ｎｅｗｔｏｎ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ ０７８６０，ＵＳＡ）、Ｅｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｉｎｃ．（１０１ Ｅａｓｔ Ｇｌｏｕｃｅｓｔｅｒ Ｐｉｋｅ，Ｂａｒｒｉｎｇｔｏｎ，ＮＪ ０８００７－１３８０ ＵＳＡ）、Ｓｉｇｍａ Ｋｏｋｉ Ｃｏ．Ｌｔｄ．（１－１９－９，Ｍｉｄｏｒｉ，Ｓｕｍｉｄａ－ｋｕ，Ｔｏｋｙｏ，１３０－００２１，ＪＡＰＡＮ）、及びＳｈｉｍａｄｚｕ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（１ Ｎｉｓｈｉｎｏｋｙｏ Ｋｕｗａｂａｒａ－ｃｈｏ，Ｎａｋａｇｙｏ－ｋｕ，Ｋｙｏｔｏ ６０４－８５１１，Ｊａｐａｎ）から入手可能である。

【0083】

ビームスプリッタ層２２８は、典型的には、視野２１６の平面から２ｍｍから２０ｍｍまでの範囲内の距離に位置している。従って、ビームスプリッタ層２２８の０．１５ｍｍから０．３ｍｍまでの間のドットピッチは、水玉模様被覆の離散的性質によって生じさせられたいずれかの潜在的な空間的又は角度的な不均一性を平均化するのに十分に小さい。

【0084】

視野２１６上の照明は、無限焦点であり、ＳＬＭ２１０の像は、無限遠に投射されるので、被覆２２８の一番端同士の間の弧状のプリズムコンバイナ２０６の部分は、照明視野に対する追加的な限界開口を構成する。この限界開口は、放射線がそれを通して視野まで誘導される第２面２２４の有効開口２３０として概略的に表される。ＳＬＭ２１０の投射された像に由来する照明光は、視野２１６の境界の外側の有効開口２３０によってぼかされる。

【0085】

開示された実施形態は、高い開口数を有する視野２１６の照明を可能にし、プリズムコンバイナ２０６内の光の伝播がＴＩＲに依存するという事実のみによって制限される。屈折率ｎ＜２を有するガラスから構成されたプリズムコンバイナ２０６については、視野２１６に当たる照明のＮＡは、０．３５に制限される。

【0086】

開示された実施形態は、視野２１６にわたって、視野によって１０％以下だけ変化する放射照度と、視野内のすべての点において開口数によって１０％以下だけ変化する放射強度と、を更に提供する。

【0087】

放射線照明視野２１６は、プリズムコンバイナ２０６に向かって戻るように散乱させられ（反射及び回折させられ）、ビームスプリッタによって第２光軸２２０に沿って結像アセンブリ２０４内へと透過させられ、該結像アセンブリは、次いで視野２１６をそのセンサ上に結像させる。

【0088】

開示された実施形態は、その制限された照明ＮＡにも関わらず、明確な性能上の利点を有する。例えば、照明視野２１６の所与の対角線寸法に対して、それは、比較的大きい明瞭な照明スタンドオフと、短い作動距離（プリズムコンバイナ２０６と視野２１６との間の距離を指す）との有利な組み合わせを可能にする。特徴についてのこの組み合わせは、例えば、平坦でないか又は反りのある電子基体上に印刷又は堆積された微細パターンについての高速度検査において重要である。

【0089】

それに加えて、上述のように、照明された視野を複製することは、照明アセンブリ２０２のエテンデューに対する要件を低減する。これは、照明アセンブリ２０２のより低い電力要件だけでなく、アセンブリのより小さいサイズ及びより低いコストへと変換する。

【0090】

図９は、本発明の実施形態に従う、図８の空間光変調器２１０からの放射線のエミッタンスの異なる空間分布についての概略図である。

【0091】

空間光変調器２１０から出る放射線の６つの異なる空間分布２５０、２５２、２５４、２５６、２５８、及び２６０が、図９に例として示されている。それぞれの分布は、分布２５４内の中央領域２６２等の中心領域と、分布２５４内の環状部２６４等の中央領域の周りの環状部と、を備えている。白色領域は、エミッタンスＭの高いレベル、例えば９０％を示し、１００％は、エミッタンスの最大可能レベルを指し、０％は、ゼロエミッタンスを指す。ライトハッチングは、エミッタンスの中間レベル、例えば５０％を示し、ダークハッチングは、エミッタンスの低いレベル、例えば１０％以下を示す。空間光変調器２１０の横方向寸法とコリメートレンズ２１２の焦点距離との適切な組み合わせによって、中央領域２６２と環状部２６４との間の境界は、結像アセンブリ２０４の対物光学系の開口数に対応するように選ばれてもよい。この実施形態では、中央領域２６２は、明視野照明に対応し、環状部２６４は、暗視野照明に対応する。分布２５０…２６０は、空間光変調器２１０からのエミッタンスの空間分布についての異なる選択を示しており、これらは、視野２１６において完全明視野照明及び暗視野照明の異なる角度分布を与える。

【0092】

上記の実施形態のそれぞれは、特定の明確な特徴を有しているけれども、これらの特徴の別の組み合わせが、本明細書の読後において当業者に明らかになると想定され、それらは、本発明の範囲内にあると考えられる。非限定的な例として、上記の第３実施形態のＳＬＭベースの放射線源は、第１実施形態又は第２実施形態の光学系と共に用いられてもよく、第１及び第２実施形態におけるエミッタのアレイは、第３実施形態の光学系と共に用いられてもよい。すべてのかかる代替実施形態は、本発明の範囲内にあると考えられる。

【0093】

従って、上記の実施形態は、例として挙げられており、本発明は、上記に特に図示され説明されてきたものに限定されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明の範囲は、上記の様々な特徴の組み合わせ及びその部分的組み合わせの両方を含み、それだけでなく、前述の説明の読後において当業者に生じると想定され、そして従来技術において開示されていないそれらについての変形及び修正を含む。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】