JPH0125046B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超高圧水銀ランプのような放電型光
源の照明光学系に関する。

従来、この種の光源は 第１図ａミラー集光タイプ ｂレンズ集光タイプ ｃバツクミラータイプ のように、ミラー又はレンズを組合せて集光させ
ていた。ここでのミラー集光タイプは、光源から
放射されるすべての光束を集光できるものとし
て、一番効率の良いものであつた。しかし、光軸
の近傍に光束は存在せず、角度分布的には中心の
抜けた照明光束になつてしまう欠点があつた。す
なわち、物体に対して透過光として照明し、対物
レンズにおいて結像する顕微鏡などにこの照明系
を用いると、対物レンズの入射瞳に対して、中心
を通る光束が存在せず、円環状の分布を持つてし
まう。このことは、多少の収差を含有した実際の
対物レンズに対し、周辺光束のみを使うことにな
り、余り望ましいことではない。

また対物レンズのN.A.に対応して、照明光の
N.Aを規定する場合、中心を通る光束がないた
め、絶対光量としても不利な面があつた。通常、 照明N.A.／対物N.A.＝σ とした場合、σは１より多少小さな値になるよう
照明N.A.を設定すると、対物レンズは深度、解
像とも一番良くなる。すなわちこの種の照明系で
は照明光束のN.Aを限定するために、絞りを光量
の多い円環部に入れる必要があり、有効に使われ
る光量は減る。例えば設定したσに合致するよう
焦点距離の短いコンデンサーレンズを使うことも
考えられる。しかし実際の光源ではなく、大きさ
を持つているため、焦点距離が短くなるとコンデ
ンサーレンズの後で平行になるべき光束が、光軸
に対し角度を持つようになり、やはり絞りで遮断
されムダになる光量が多くなる。

本発明では、第１図ａで示される従来の超高圧
水銀ランプのミラー集光タイプという効率の良い
集光法において、欠点であつた光量分布を改善し
より効率の高い理想的なミラー集光型逆エキスパ
ンドアフオーカル照明光学系を提供することを目
的としている。

以下本発明を添付図面の実施例によつて詳述す
る。

第２図は本発明の１つの実施例を示した光学系
で、公知の如く楕円ミラー１の一方の焦点０上に
光源を設けると他方の焦点０′上に集光する。そ
してこの光束をコンデンサーレンズ２で平行系に
する。本発明の特徴はこの後方に第１面及び第２
面を円錐状に加工したプリズム３を配設したもの
である。

すなわち、円錐状プリズム３は、第２図に示し
た光路の様子から分かるように、コンデンサーレ
ンズ２からの平行光束を光軸に向けて屈折させる
ためにコンデンサーレンズ２側に凸面を向けた円
錐状凸面と、この円錐状凸面により光軸に向かつ
て屈折された光束を光軸とほぼ平行に射出させる
ために円錐状凸面とほぼ同一の傾斜角を持つ円錐
状凹面とを有している。そして、この円錐状プリ
ズムは、円錐状凸面と円錐状凹面の各頂点が共に
コンデンサーレンズ２の光軸に一致するようにコ
ンデンサーレンズ２による平行光束中に配置され
ている。

第１図ａのものでは光軸近傍の光束は存在しな
いが、本発明では上記円錐状プリズム３により、
光軸より離れた平行光束を、光軸近傍までシフト
させ、理想的な光量分布としたものである。

例えば焦点０上の光源がα＝β＝45゜として立
体状に均等に光を放射しているとすると、第１図
ａ及び第２図の最終的な平行系でのスポツトダイ
ヤグラムはそれぞれ第３図及び第４図のようにな
る。

本発明の円錐状プリズム３は本実施例に限るこ
となく２つのプリズムに分解しても、凸としての
円錐と凹としての円錐があれば同様な効果を持
ち、このように分けることにより、プリズムを通
る光路長が短かくなれば、透過率の点で有利にな
ることは云う迄もない。

更に第５図示のように円錐状プリズム３をフレ
ネル型３′にしても同等の効果を得ることができ
る。

尚本発明の前記実施例では、光源を理想的な点
光源として説明した。即ち、点光源より角度αで
出た光線は、楕中ミラー１の内側絞り及び光源の
指向性により最も光軸に近い光線として、コンデ
ンサーレンズ２を通つた後、第６図に詳記した如
くHoのの高さで光軸と平行な光線となる。第２
図では、同様の光線は円錐状プリズム３により、
Ho＝Δhだけシフトして光軸と重つている（H₁
＝０）。

しかし一般に光源は有限な大きさを持つており
コンデンサーレンズ３の後で、円錐状プリズム３
に入る光線は光軸に平行なものばかりではない。

確かに点光源の場合には Δh＝Ho が望ましいが、光源が有限の大きさを持つている
ため １／２Ho＜Δh＜2Ho ……(1) とすることが望ましい。光軸に平行な光束だけを
考えると、左辺では補正不足、右辺では補正過多
になるが、大きさを持つた光源では、ともに中抜
けがなくなり、照明光として良い結果が得られ
る。

即ち、第６図に示すようにΔhとプリズム３の
頂角の半分、すなわち円錐状凸面及び円錐状凹面
の傾斜角θ、屈折率ｎ、中心厚ｄの関係式はΔh
＝ｄ tan（π／２−sin^-1cosθ／ｎ−θ）で示される
。

また、より厳密には、 Δh＝ｄ sinθ（cosθ−sinθtan sin^-1cosθ／ｎ） ……（1′） と表される。而して、光源を２次曲面ミラーで集
光させる場合について考える。例えば楕円ミラー
１では第１焦点面０に点光源を置くと、第２焦点
０′に集光するので、コンデンサーレンズ３でア
フオーカル系にした場合、楕円ミラー１の中央開
口部によりコンデンサーレンズ３の後では第３図
示のように半径Dsの円型ケラレを生じる。また、
放物面ミラー１では焦点０に点光源を置くと、平
行光束（アフオーカル系）となり、やはり中央開
口部に対して半径Dsの円型ケラレを生じる。

本発明では円錐状プリズム３の形状、屈折率ｎ
とケラレ半径Dsの関係を以下のようにすること
が望ましい。即ち、 １／２Ds≦ｄ tan（π／２−sin^-1cosθ／ｎ−θ） ≦2Ds ……(2) この範囲で円錐状プリズム３を規定することに
より、大きさを持つた光源に対しても、光量的に
も、中抜けの解消についても実用上は有効に作用
させることができる。

上記条件の下限を外れる場合には、入射平行光
束のシフト量が少ないために光軸中心において未
だ光量の分布の低下を来す恐れがあり、逆に上記
条件の上限を越える場合にも光軸中心において光
量が低下して均一性を維持することが難しくなつ
てしまう。尚、より厳密には前記（1′）式に基づ
いて、 Ds／２≦ｄ sinθ（cosθ−sinθtan sin^-1cosθ／
ｎ） ≦2Ds ……（2′） とすることが望ましい。

以上述べた如く本発明によれば、光軸上から周
辺部に亘つて理想的な光量分布の照明系が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の照明系、第２図は本発明の照明
系、第３図は従来の照明系の光量分布を示すスポ
ツトダイヤグラム、第４図は本発明の照明系の光
量分布を示すスポツトダイヤグラム、第５図は本
発明の円錐状プリズムの他の実施例、第６図は本
発明の円錐状プリズムの説明図である。 主要部分の符号の説明、１……楕円ミラー、２
……コンデンサーレンズ、３……円錐状プリズ
ム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２次曲面を有する反射鏡と、該反射鏡により
   円環状の光量分布を持つて集光される光束を平行
   光束に変換するためのコンデンサーレンズとを有
   するミラー集光型照明光学系において、前記コン
   デンサーレンズからの前記円環状の光量分布を有
   する平行光束を光軸に向けて屈折させるために該
   コンデンサーレンズ側に凸面を向けた円錐状凸面
   と該円錐状凸面により光軸に向かつて屈折された
   光束を光軸とほぼ平行に射出させるために前記円
   錐状凸面とほぼ同一の傾斜角を持つ円錐状凹面と
   を有する円錐状屈折部材を、前記円錐状凸面及び
   前記円錐状凹面の頂点が共に前記コンデンサーレ
   ンズの光軸に一致する如く前記コンデンサーレン
   ズによる平行光束中に配置したことを特徴とする
   ミラー集光型照明光学系。 ２ 前記２次曲面を有する反射鏡は楕円鏡であ
   り、前記円環状の光量分布を持つて集光される光
   束は前記楕円鏡による放電型光源からの光束であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   ミラー集光型照明光学系。 ３ 前記円錐状屈折部材は前記円錐状凸面と円錐
   状凹面とからなる円錐状プリズムであり、該円錐
   状プリズムの前記円錐状凸面及び円錐状凹面の傾
   斜角をθ、該円錐状プリズムの中心厚をｄ、屈折
   率をｎとするとき、前記反射鏡及び前記コンデン
   サーレンズから供給される平行光束の光軸上の円
   形ケラレの半径Dsに対して、 Ds／２≦ｄ tan（π／２−sin^-1cosθ／ｎ−θ） ≦2Ds の条件を満足することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項乃至第２項記載のミラー集光型照明光学
   系。