JP4746444B2 - 照明光学系 - Google Patents

Description

本発明は長尺な領域を照明する照明装置、特に、液晶パネル用の液晶基板、プリント配線基板、半導体素子、撮像素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスを製造するための露光に好ましい照明装置に関する。

長尺な領域を照明するための従来の照明装置は、シリンドリカルレンズを用いるものであった（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３５３０９０号公報

従来の照明装置は、シリンドリカルレンズを用いて、長尺な領域を照明するものであった。シリンドリカルレンズを用いた場合には、少なくとも２つのシリンドリカルレンズを必要とした。このため、照明する領域を大きくすることが困難であり、また、仮に大きくできたとしても、装置が高価にならざるを得なかった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、長尺かつ広い領域を、照度を低下させることなく的確に照明できる照明光学系を提供することにある。

以上のような目的を達成するために、本発明においては、入射面に入射された光束を、その断面の大きさを変更すると共に、射出面に導く断面積変更インテグレータを用いて、断面積変更インテグレータの射出面に対して光学的にほぼ共役な位置に配置された被照射体を照明する。

具体的には、本発明に係る照明光学系は、
光源から発せられた光束を被照射体に照射する照明光学系であって、
前記光源から発せられた光束を集光する集光光学系と、
前記集光光学系から導かれた光束が入射する入射面と、前記入射面に入射された光束を射出する射出面と、を有する断面積変更インテグレータと、を含み、
前記断面積変更インテグレータは、前記入射面に入射された光束を、その断面の大きさを変更すると共に、前記射出面に導き、
前記被照射体は、前記断面積変更インテグレータの前記射出面に対して光学的にほぼ共役な位置に配置され、
前記断面積変更インテグレータの前記射出面から射出された光束を導いて、前記被照射体に照野を形成することを特徴とする。

本発明に係る照明光学系は、光源から発せられた光束を被照射体に照射するものである。この照明光学系は、集光光学系と、断面積変更インテグレータとを含む。集光光学系は、光源から発せられた光束を集光する。断面積変更インテグレータは、入射面と射出面とを有する。入射面には、集光光学系から導かれた光束が入射する。射出面からは、入射面に入射された光束を射出される。断面積変更インテグレータは、入射面に入射された光束を、その断面の大きさを変更する。すなわち、入射面に入射された光束が射出面に向かって進むに従って、その光束の断面の大きさが変更される。ここで断面とは、光束の進行方向に対して略垂直な面における光束の断面である。光束の進行方向は、断面積変更インテグレータ内で光束の全体がおおよそ進行する方向であればよい。断面の大きさが変更された光束は、断面積変更インテグレータの射出面に導かれ射出される。

被照射体は、断面積変更インテグレータの射出面に対して光学的にほぼ共役な位置に配置されている。このように配置することで、照度を高くして光束を被照射体に照射することができる。

上述したように、断面積変更インテグレータは、入射面に入射された光束を、その断面の大きさを変更する。このため、被照射体の照明すべき領域の形状に適合するように、光束の断面を変更して、光束を照射することができる。また、断面積変更インテグレータに入射した光束を射出できるので、照度を下げることなく、被照射体に光束を照射することができる。

本発明に係る照明光学系は、
前記断面積変更インテグレータの前記射出面の面積が、前記断面積変更インテグレータの前記入射面の面積よりも大きいのが好ましい。

断面積変更インテグレータの射出面の面積が、入射面の面積よりも大きいので、被照射体の広い領域を照射することができる。

本発明に係る照明光学系は、
前記断面積変更インテグレータは、前記入射面に入射した光束が前記射出面に向かって進むに従って、その光束の断面を、前記断面積変更インテグレータの光軸に対して垂直な一の方向に沿って伸張変形又は収縮変形させるものが好ましい。

このようにすることで、被照射体に光束を照射すべき長尺な領域の形状に応じて、照射する光束の断面の形状を適合させることができる。

本発明に係る照明光学系は、
前記断面積変更インテグレータの前記入射面と、前記断面積変更インテグレータの前記射出面とは、略長方形状の形状を有し、
前記断面積変更インテグレータの前記入射面の一の向かい合う辺の長さと、前記断面積変更インテグレータの前記射出面の一の向かい合う辺の長さとは、略同じであり、
前記断面積変更インテグレータの前記射出面の一の向かい合う辺と異なる他の向かい合う辺の長さは、前記断面積変更インテグレータの前記入射面の一の向かい合う辺と異なる他の向かい合う辺の長さよりも長いものが好ましい。

このようにすることで、被照射体に光束を照射すべき長尺な領域の形状に応じて、照射する光束の断面の形状を適合させることができる。また、断面積変更インテグレータの入射面の一の向かい合う辺の長さと、射出面の一の向かい合う辺の長さとは、略同じであるので、断面積変更インテグレータの構造を簡素にでき、照明光学系を安価にすることができる。

本発明に係る照明光学系は、
前記集光光学系と前記断面積変更インテグレータとの間に配置された均一化インテグレータを含み、
前記均一化インテグレータは、前記集光光学系によって集光された光束が入射する入射面と、前記均一化インテグレータの前記入射面に入射された光束を射出する射出面と、を有し、前記均一化インテグレータの前記入射面に入射された光束の照度を均一に近づけて前記均一化インテグレータの前記射出面に導き、
前記均一化インテグレータの前記射出面は、前記断面積変更インテグレータの前記入射面に向かい合うように位置づけられたものが好ましい。

このようにすることで、均一化インテグレータから射出された光束を断面積変更インテグレータに入射させることができるので、均一化インテグレータで予め照度を均一に近づけることができ、照度がより均一に近づいた光束を被照射体に照射することができる。

本発明に係る照明光学系は、
前記均一化インテグレータの前記射出面に配置された反射手段を含み、
前記反射手段は、前記均一化インテグレータの前記射出面から射出された光束の一部を通過させる通過部と、残りの光束を反射させる反射部とを有し、
前記反射手段の前記通過部は、前記断面積変更インテグレータの前記入射面に向かい合うように位置づけられ、
前記反射手段の前記通過部を透過した光束は、前記断面積変更インテグレータの前記入射面へ導かれ、
前記反射手段の前記反射部によって反射された光束は、前記均一化インテグレータの前記入射面と、前記集光光学系とを介して前記光源近傍に至るものが好ましい。

このようにしたことで、光源の出力を高めたり、光源を大きくしたりする等の光源に変更を加えることなく、被照射物体の照野に、照度が均一でかつ大きい光束を照射することができる。特に、被照射物体の照野の形状が円形でないような場合、例えば矩形のような場合でも、光源に変更を加えることなく、照射する光束の照度を上げることができる。

本発明に係る照明光学系は、
前記断面積変更インテグレータから射出された光束を、第１の直線偏光成分の第１偏光光束と、前記第１偏光光束に対して直交する第２の直線偏光成分の第２偏光光束と、に分離する偏光手段を含み、かつ、
前記第１偏光光束は、前記被照射体へ導かれ、前記被照射体の前記照野を形成するものが好ましい。

このようにすることで、光源の出力を高めたり、光源を大きくしたりする等の光源に変更を加えることなく、被照射物体の照野に、照度が均一でかつ大きい光束を照射することができる。

「第１偏光光束」がＰ偏光の光束であり、「第２偏光光束」がＳ偏光の光束であるものが好ましい。

長尺かつ広い領域を、照度を低下させることなく的確に照明できる。

以下に、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。

＜＜＜第１の実施の形態＞＞＞
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の照明装置１０の概略を示す図である。
照明装置１０は、ランプハウス２０と、ロッド２４０と、ロッド２５０と、レンズ系２９０とを含む。ランプハウス２０は、載置台５０に載置され、発光体２１０から発せられた光束が、被照射体４０に照射されるように配置されている。

なお、図１では、後述する発光体２１０から発せられる光束のうち１つの光線の光路について示した。また、図１では、光学系を明確に示すために、ランプハウス２０と、載置台５０とは、破線で示した。さらにまた、被照射体４０は、図示しない支持台に搭載されて、所望する位置に位置づけられているものとする。

＜＜光源＞＞
光源は、発光体２１０からなる。この発光体２１０は、所望する波長の光束を発するものを用いる。例えば、水銀ランプ等の短い波長の紫外線を発するものを用いることができる。発光体２１０のバルブ内には、発光物質である水銀と、陽極（図示せず）と陰極（図示せず）との２つの電極が封入されている。この陰極と陽極とは、対向して配置されている。各電極は金属導体（図示せず）に電気的に接続されており、陰極と陽極との間でアーク放電が形成される。

発光体２１０の一方の口金２１２ａは、後述する楕円鏡２２０の外側に設けられた支持部材（図示せず）に固定されている。また、他方の口金２１２ｂは、図示しない電源ケーブルに接続されている。発光体２１０は、これらの口金を介して両電極に所定の電圧が引加されることにより放電する。なお、電源ケーブルは、径が小さく、発光体２１０から発せられる光束を妨げることはない。

陽極と陰極との間でアーク放電を起こすと、アーク柱と呼ばれる放電部分から強い発光を生じる。このアーク柱から放射される光束は、四方に広がる発散光である。

＜＜集光光学系＞＞
集光光学系は、光源から発せられた光束を集光する。具体的には、集光光学系は、発光体２１０から発せられた光束を集光する。

＜楕円鏡２２０＞
集光光学系は、楕円鏡２２０からなる。図３に示すように、楕円鏡２２０は、反射面２２２を有し、楕円鏡２２０は、反射面２２２の形状を回転楕円面とした反射鏡である。楕円鏡２２０は、光を発するための開放端部２２４を有する。開放端部２２４の縁に沿った輪郭は、略円形状の形状を有する。楕円鏡２２０の底部には、貫通孔２２６が形成されている。貫通孔２２６には、発光体２１０の一部が配置される。発光体２１０の一部を貫通孔２２６に配置することで、後述するように、発光体２１０のアーク部分が楕円鏡２２０の第１の焦点に位置するように、発光体２１０を位置づけることができる。楕円鏡２２０は、開放端部２２４が最も上になるように、かつ、底部の貫通孔２２６が最も下になるように配置される。楕円鏡２２０をこのように配置することで、発光体２１０から発せられた光束を、楕円鏡２２０で反射して、ランプハウス２０の上部に導くことができる。

上述したように、発光体２１０から発せられる光束は、四方に広がる発散光であるため、発光体２１０からの発散光を被照射体４０に直接照射した場合には、被照射体４０上の照野に照射する光束の照度が不足する。このため、発光体２１０から発せられた光束を一旦集光することによって、被照射体４０上の照野に照射する光束の照度を上げることができる。このようにすることで、発光体２１０から発せられた光束の利用効率を高めることができる。

上述したように、本発明に係る照明装置では、集光光学系に楕円鏡２２０を使用する。楕円鏡２２０は、第１の焦点と第２の焦点との２つの焦点を有し、発光体２１０は、発光体２１０のアーク部分が楕円鏡２２０の第１の焦点に位置するように、支持部材（図示せず）によって支持されている。このようにすることで、発光体２１０から発せられた光束は、楕円鏡２２０の反射面２２２で反射して第２の焦点に集光される。

＜反射ミラー２３０＞
反射ミラー２３０は、楕円鏡２２０の上方に配置されている。反射ミラー２３０は、発光体２１０から発せられ、楕円鏡２２０で反射された光束の進行方向を変更するためのものであり、発光体２１０から発せられた光束を、後述するオプティカルインテグレータの入射面に導くためのものである。具体的には、反射ミラー２３０は、楕円鏡２２０で反射されて、上方に向かった光束を、ランプハウス２０の側方（図１又は図３の右方向）に向かうように、進行方向を変更する。発光体２１０や後述するオプティカルインテグレータの配置に応じて、反射ミラー２３０を、省略したり、配置する位置や角度を適宜変更したりしてもよい。

＜＜均一化インテグレータ＞＞
均一化インテグレータは、入射面と射出面とを有する。入射面には、集光光学系によって集光された光束が入射する。均一化インテグレータは、入射面に入射された光束によって被照射体４０に形成される照野を均一に照明するためのものである。均一化インテグレータの射出面からは、被照射体４０上に形成される照野を均一に照明するための光束が射出される。均一化インテグレータは、入射面に入射された光束によって照野を均一に照明できるものであればよい。さらに、光源である発光体２１０に色むらがある場合や、発光体２１０のアークにちらつきがある場合でも、被照射体４０の照野における色むらやちらつきを低下させることができる。

均一化インテグレータには、例えば、後述するように、ロッド２４０がある。

＜ロッド２４０＞
ロッド２４０は、本実施の形態では、略六角柱状の形状を有するガラスロッドである。ロッド２４０は、図２に示すように、入射面２４２と射出面２４４と、６つの側面２４８ａ〜２４８ｆとを有する。

ロッド２４０の入射面２４２には、発光体２１０から発せられた光束の全体が入射される。このため、ロッド２４０の入射面２４２に入射する光束の形状は、ほぼ円形である。このようなことから、ロッド２４０の断面形状を円形に近いものにし、かつ、ロッド２４０の製造を容易にするために、断面形状を六角形にしたロッドを用いるのが望ましい。断面形状が六角形のロッドを用いることで、エネルギーロスを少なくすることができる。

ロッド２４０は、入射面２４２から入射した光束の照度を均一に近づけて射出面２４４から射出する。入射面２４２から入射した光束は、ロッド２４０の内部で、６つの側面２４８ａ〜２４８ｆにおける反射を繰り返し、光束が射出面２４４に至るまでに角度成分が混合されて照度が均一に近づけられる。さらに、ロッド２４０は、色むら、ちらつきなどを低減することもできる。

さらに、ロッド２４０は、ロッド２４０内を光束が進行するに従って、光束の断面の形状を変換する。例えば、発光体２１０から発せられる光束の場合には、光束の進行方向に対して垂直な断面における形状は、ほぼ円形状であり、この断面形状を有する光束が、ロッド２４０の入射面２４２に入射される。ロッド２４０の断面が六角形である場合には、ロッド２４０の射出面２４４から射出される光束は、その断面の形状はほぼ六角形となる。

なお、本実施の形態では、ロッド２４０として、略六角柱状の形状を有するものを用いたが、照度を均一に近づることができ、かつ、エネルギーロスを少なくできるものであればよい。例えば、円柱や、四角柱等の断面が多角形の形状を有する柱状体でもよい。

ロッド２４０は、図１又は図３に示すように、長手方向が水平になるように配置されている。具体的には、入射面２４２が左側に位置し、射出面２４４が右側に位置するように、ロッド２４０を配置する。このようにすることで、入射面２４２に入射した光を射出面２４４から水平方向に射出することができる。

ロッド２４０は、ロッド２４０の光源像共役面が、光学的に楕円鏡２２０の第２の焦点に、又は第２の焦点と共役な点に、位置するように配置される。本実施の形態では、上述したように、反射ミラー２３０を設けた構成としているので、ロッド２４０は、ロッド２４０の光源像共役面が、反射ミラー２３０を介して、光学的に楕円鏡２２０の第２の焦点に、又は第２の焦点と共役な点に、位置するように配置されている。

なお、楕円鏡２２０とロッド２４０との間に、リレー光学系（図示せず）を設けてもよい。このような構成とした場合には、リレー光学系によって、楕円鏡２２０の第２焦点の位置が、ロッド２４０の照野共役面にリレーされるようにすればよい。さらに、光源共役の関係に着目した場合には、光源共役面が、ロッド２４０の入射面になるように、リレー光学系を構成して配置すればよい。

このようにロッド２４０を配置することで、発光体２１０から発せられた光束を、楕円鏡２２０の反射面２２２によって、均一化インテグレータの光源像共役面に集光させることができる。

＜＜反射手段２４６＞＞
図２は、ロッド２４０の例（ａ）と、このロッド２４０に形成された反射手段２４６の例（ｂ）とを示す図である。なお、図２（ａ）は、ロッド２４０の正面図であり、図２（ｂ）は、ロッド２４０の右側面図である。

上述したように、ロッド２４０は、光束の進行方向に沿って長尺な略六角柱状の形状を有する共に、その長手方向に対して垂直な断面は、６つの側面２４８ａ〜２４８ｆから構成される略六角形状の形状を有する。

ロッド２４０は、発光体２１０から発せられた光束が入射する入射面２４２と、ロッド２４０の内部で照度が均一に近づけられた光束が射出される射出面２４４とを有する。

図２（ｂ）に示すように、射出面２４４には、反射手段２４６が形成されている。この反射手段２４６は、反射部２４６ａ及び２４６ｂと、通過部２４６ｃとを有する。なお、図２（ｂ）に示した例では、反射部２４６ａ及び２４６ｂと、通過部２４６ｃとを明確に区別して示すために、反射部２４６ａ及び２４６ｂに斜線を付して示した。

後述するように、反射部２４６ａと２４６ｂとは、射出面２４４から射出された光束を反射させて、再び、ロッド２４０に戻す。通過部２４６ｃは、射出面２４４から射出された光束を通過させる。

通過部２４６ｃの形状は、扁平な六角形をしており、後述する断面積変更インテグレータであるロッド２５０の入射面２５２の形状に適合するように定められた形状である。なお、ロッド２５０の入射面２５２の形状が矩形である場合には、通過部２４６ｃの形状も矩形にするのが最も好ましいが、この第１の実施の形態では、反射手段２４６の形成を簡便にするため、通過部２４６ｃの形状を扁平な六角形とした。

反射部２４６ａと２４６ｂとの形状は、通過部２４６ｃの形状によって定められる。反射部２４６ａと２４６ｂとを形成する材料は、光束を反射するものであればよく、特に、反射率が高く、かつ、熱によって反射率等が変化しにくいものが好ましい。例えば、クロムやアルミ等の金属を、特に、望ましいのは誘電体を、射出面２４４に蒸着することによって、反射部２４６ａと２４６ｂとを形成することができる。誘電体を用いた場合には、光束の吸収を少なくして熱の発生を抑えることができる。

通過部２４６ｃを通過した光束は、後述するロッド２５０に向かって進む。一方、反射部２４６ａ又は２４６ｂによって反射された光束は、再びロッド２４０の内部を通過して、入射面２４２から集光光学系に向かって射出される。

＜反射手段２４６による光束の経路＞
以下では、発光体２１０から発せられた光束が辿る経路を図３を用いて説明する。なお、図３に示した光路は、発光体２１０から発せられ光束のうちの代表的な１つの光線について示したものである。上述したように、ロッド２４０の射出面２４４には、反射手段２４６が形成されている。図３では、発光体２１０から発せられて反射手段２４６の反射部２４６ａと２４６ｂとに至るまでの光路を実線Ｐ１〜Ｐ５で示し、反射手段２４６の反射部２４６ａ又は２４６ｂによって反射されて戻る光路を破線Ｒ１〜Ｒ６で示した。

この反射手段２４６を用いるときには、ロッド２４０は、ロッド２４０の光源像共役面が、光学的に楕円鏡２２０の第２の焦点に位置するように配置される。なお、ロッド２４０の光源像共役面が、光学的に楕円鏡２２０の第２の焦点と共役な点に位置するように、ロッド２４０を配置してもよい。本実施の形態では、上述したように、反射ミラー２３０を設けた構成としているので、ロッド２４０は、ロッド２４０の光源像共役面が、反射ミラー２３０を介して、光学的に楕円鏡２２０の第２の焦点に位置するように配置されている。

なお、楕円鏡２２０とロッド２４０との間に、リレー光学系（図示せず）を設けた構成としてもよい。この場合には、リレー光学系によって、楕円鏡２２０の第２焦点の位置が、ロッド２４０の照野共役面にリレーされるようにすればよい。さらに、光源共役の関係に着目した場合には、光源共役面が、ロッド２４０の入射面になるように、リレー光学系を構成して配置すればよい。このようなリレー光学系は、反射ミラー２３０によって集光された光束を、ロッド２４０に入射させるのに、適切な光束に変換する。

まず、発光体２１０のアーク部分から発せられた光束は、光路Ｐ１に示すように、楕円鏡２２０の反射面２２２に到達する。光束は、反射面２２２によって反射されて、光路Ｐ２に示すように、反射ミラー２３０に至る。光束は、反射ミラー２３０によって反射されて、光路Ｐ３に示すように、ロッド２４０の入射面２４２に到達し、ロッド２４０の内部に進入する。ロッド２４０の内部では、光路Ｐ４及びＰ５に示すように、６つの側面２４８ａ〜２４８ｆによって反射しながら均一化されてロッド２４０の射出面２４４に向かって進む。ロッド２４０は、ロッド２４０の内部に進入した光束によって、被照射体４０上に形成される照野を均一に照明するためのものである。ロッド２４０の射出面２４４に形成された反射手段２４６の通過部２４６ｃからは、このような光束が射出される。

ロッド２４０の射出面２４４において、通過部２４６ｃに至った光束Ｓ１及びＳ２は、通過して後述するロッド２５０に向かって進む。一方、反射部２４６ａ又は２４６ｂに至った光束は、反射部２４６ａ又は２４６ｂによって反射されて、光路Ｒ１及びＲ２に示すように、６つの側面２４８ａ〜２４８ｆによって反射しながらロッド２４０の入射面２４２に向かってロッド２４０の内部を進む。入射面２４２に至った光束は、入射面２４２から射出されて、反射ミラー２３０に至る。光束は、反射ミラー２３０によって反射されて、光路Ｒ３に示すように、楕円鏡２２０の反射面２２２に向かって進む。反射面２２２に到達した光束は、反射面２２２によって反射されて、光路Ｒ４に示すように、発光体２１０のアーク部分（図示せず）に向かって進む。

アーク部分に到達した光束は、光路Ｒ４に示すように、アーク部分を通り抜けて、楕円鏡２２０に反射面２２２に向かって進み、反射面２２２によって反射される。上述したように、発光体２１０のアーク部分は、楕円鏡２２０の第１の焦点であるため、反射面２２２によって反射された光束は、光路Ｒ５及びＲ６に示すように、反射ミラー２３０を介して、楕円鏡２２０の第２の焦点であるロッド２４０の光源像共役面（図示せず）に向かって進む。すなわち、アーク部分に到達した光束は、光路Ｒ４に示すように、楕円鏡２２０の反射面２２２に向かって進み、反射面２２２によって反射されて、光路Ｒ５に示すように、再び、反射ミラー２３０に向かって進む。反射ミラー２３０に到達した光束は、反射ミラー２３０によって反射されて、ロッド２４０の入射面２４２に向かって進み、ロッド２４０に進入する。

このように、反射手段２４６の反射部２４６ａ及び２４６ｂによって反射された光束は、ロッド２４０の入射面２４２と、集光光学系である楕円鏡２２０と、を介して光源である発光体２１０のアーク部分に至る。さらに、その後、光束は、楕円鏡２２０を介して、再び、ロッド２４０の入射面２４２に導かれて、ロッド２４０の内部を進む。

上述したように、通過部２４６ｃの形状は、ロッド２５０の入射面の形状に適合するように定められた形状である。反射部２４６ａと２４６ｂによって反射された光束は、本来、反射部２４６ａと２４６ｂがない場合には、ロッド２５０の入射面に到達しなかった光束であり、ロッド２５０への入射に寄与し得なかった光束である。この光束を反射部２４６ａと２４６ｂとによって反射し、再び、ロッド２４０に戻すことによって、ロッド２５０に至らしめることができ、発光体２１０の出力や数を変更することなく、ロッド２５０に入射させる光束の量を増やすことができ、被照射体４０に形成される照野の照度を上げることができる。

＜＜断面積変更インテグレータ＞＞
断面積変更インテグレータは、入射面と射出面とを有する。入射面には、集光光学系から発せられ、均一化インテグレータであるロッド２４０を通過した光束が入射する。断面積変更インテグレータは、入射面に入射された光束を、その断面の大きさを変更すると共に射出面に導く。射出面からは、入射面から導かれた光束が射出される。

断面積変更インテグレータには、例えば、後述するように、ロッド２５０がある。

＜ロッド２５０＞
図４は、ロッド２５０を示す正面図（ａ）、平面図（ｂ）、左側面図（ｃ）及び右側面図（ｄ）である。ロッド２５０は、入射面２５２と、射出面２５４と、２つの側面２５６ａ及び２５６ｂと、２つの側面２５８ａ及び２５８ｂとを有する。

入射面２５２は、図４（ｃ）に示すように、略長方形状の形状を有する。この入射面２５２が、上述したロッド２４０の射出面２４４に形成された反射手段２４６の通過部２４６ｃと隣り合うように、ロッド２５０は配置されている（図５参照）。なお、ロッド２５０の入射面２５２が、ロッド２４０の射出面２４４に形成された反射手段２４６の通過部２４６ｃと密着するように、ロッド２５０を配置するのが好ましい。

射出面２５４は、図４（ｄ）に示すように、略長方形状の形状を有する。また、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、射出面２５４は、入射面２５２と略平行になるように形成されている。この射出面２５４が、被照射体４０に形成される照野と共役となるように、ロッド２５０は配置されている。

図４（ｃ）及び（ｄ）に示すように、入射面２５２の一の向かい合う辺２６２ａ及び２６２ｂの長さと、射出面２５４の一の向かい合う辺２６４ａ及び２６４ｂの長さとは、略同じになるように、入射面２５２と射出面２５４とは形成されている。また、射出面２５４の一の向かい合う辺２６４ａ及び２６４ｂと異なる他の向かい合う辺２６４ｃ及び２６４ｄの長さが、入射面２５２の一の向かい合う辺２６２ａ及び２６２ｂと異なる他の向かい合う辺２６２ｃ及び２６２ｄの長さよりも長くなるように、入射面２５２と射出面２５４とは形成されている。

図４（ａ）に示すように、２つの側面２５６ａと２５６ｂとは、略長方形状の形状を有する。また、図４（ｂ）に示すように、２つの側面２５６ａと２５６ｂとは、互いに向かい合ってはいるが平行とならないように形成されている。

図４（ｂ）に示すように、２つの側面２５８ａと２５８ｂとは、略台形状の形状を有する。また、図４（ｃ）又は（ｄ）に示すように、２つの側面２５８ａと２５８ｂとは、互いに平行となるように形成されている。具体的には、図４（ｂ）に示すように、入射面２５２から射出面２５４へ向かうに従って、２つの側面２５６ａと２５６ｂとの間隔が次第に広がるように、２つの側面２５６ａ及び２５６ｂと、２つの側面２５８ａ及び２５８ｂとが形成されている。

この２つの側面２５６ａと２５６ｂとの広がり方は、図４（ｂ）に示すように、光軸Ｔ１に対して対称となるようにするのが好ましい。光軸Ｔ１に対して対称となるように、２つの側面２５６ａと２５６ｂとを形成することによって、光軸Ｔ１に対して照度に偏りが生じないように、ロッド２５０内を通過する光束の照度を均一に保つことができる。さらに、入射面２５２から射出面２５４へ向かうに従って、２つの側面２５６ａと２５６ｂとの間隔が広がるようにすることで、ロッド２５０内を通過する光束の断面の形状を、光軸Ｔ１に対して垂直な一の方向Ｘに沿って伸張させることができる。本実施の形態では、この「一の方向」は、図３（ｃ）又は（ｄ）に示す線Ｘの方向であり、入射面２５２や射出面２５４の長手方向である。

上述したように、ロッド２５０内を光束を通過させることで、光束を伸張させることができる。この伸張の度合いは、入射面２５２の向かい合う辺２６２ｃ又は２６２ｄの長さと、射出面２５４の向かい合う辺２６４ｃ又は２６４ｄの長さとの比で定まる。具体的には、辺２６２ｃの長さと辺２６４ｃの長さとの比、又は辺２６２ｄの長さと辺２６４ｄの長さとの比によって、伸張率が定まる。例えば、辺２６２ｃの長さと辺２６４ｃの長さとが、２：３であるときには、伸張率は、３／２倍となる。すなわち、入射面２５２に入射した光束は、その断面が、Ｘ方向（図４（ｃ）又は（ｄ）参照）に３／２倍だけ伸張されて、射出面２５４から射出される。この伸張率は、ロッド２５０の入射面２５２の形状と、被照射体４０に形成される照野の形状と、に応じて定めればよい。例えば、被照射体４０に形成される照野の形状が、縦と横との比が１：４の矩形であり、ロッド２５０の入射面２５２の形状が、縦と横の比が１：２．７である場合には、４／２．７≒３／２と求めることができる。すなわち、辺２６２ｃの長さと辺２６４ｃの長さとの比、又は辺２６２ｄの長さと辺２６４ｄの長さとの比を２：３と定めることができる。なお、上述した例では、ロッド２５０の入射面２５２の形状と、被照射体４０に形成される照野の形状と、から伸張率を定める場合を示したが、伸張率と、被照射体４０に形成される照野の形状と、からロッド２５０の入射面２５２の形状を定めてもよい。

また、本実施の形態では、入射面２５２の辺２６２ａ及び２６２ｂの長さと、射出面２５４の辺２６４ａ及び２６４ｂの長さとが、略同じになるようにしたが、これらについても辺の比が異なるようにしてもよい。このようにすることで、被照射体４０に形成される照野の形状に適合した光束を射出面２５４から射出することができる。

上述したように、ロッド２５０の入射面２５２が、上述したロッド２４０の射出面２４４に形成された反射手段２４６の通過部２４６ｃと隣り合うように、ロッド２５０は配置されている。ロッド２５０を、上述したような形状とし、かつ、このように配置することで、入射面２５２に入射したときの光束の断面よりも一の方向（Ｘ方向）に伸張した断面の光束を、射出面２５４から射出することができる。このように一の方向（Ｘ方向）に伸張した断面の光束を、射出面２５４から射出することができるので、ＮＡ（開口数）を大きくすることができ、照度を低下させることなく射出面２５４から光束を射出することができる。また、一の方向（Ｘ方向）に対して垂直な方向については、光束の断面を広げずに射出面２５４から射出するので、照野の輪郭を明確にして被照射体４０を照明することができる。このようにすることで、被照射体４０の長尺な形状の領域を、照度を下げることなく、照野の輪郭を明確にして照明することができる。

＜＜導光手段＞＞
＜レンズ系２９０＞
図１に示すように、上述したロッド２５０の射出面２５４から発せられた光束の進行方向には、レンズ系２９０が配置されている。なお、レンズ系２９０は、少なくとも１枚以上のレンズからなり、図１では、レンズ系２９０を代表するものとして、２枚のレンズのみを示した。また、図１では、光束の進行方向を変更するための反射ミラー２８０も配置されている。このレンズ系２９０は、ロッド２５０の射出面２５４の像を、拡大して被照射体４０に投影するためのものである。レンズ系２９０は、リレーレンズであり、被照射体４０の近傍で、光束がテレセントリックになるように光束を変換する。なお、レンズ系２９０は、被照射体４０に形成する照野の大きさや照野までの距離等に応じて適宜変更したり省略したりしてもよい。

＜＜照明装置１０の概要＞＞
上述したように、ロッド２５０は、入射面２５２から射出面２５４へ向かうに従って、２つの側面２５６ａと２５６ｂとの間隔が次第に広がるようにして、射出面２５４が入射面２５２よりも大きくなるように形成されている。ロッド２５０をこのようにすることで、射出面２５４から射出される光束の断面を、入射面２５２に入射したときの光束の断面よりも一の方向に伸張した断面にすることができる。具体的には、断面が楕円となるような光束を射出面２５４から射出することができ、ロッド２５０の射出面２５４から発せられた光束の全体の形状が楕円錐又は楕円錐台となるようにして、被照射体４０を照明することができる。このため、矩形状の形状の照野や、長尺な形状の照野を被照射体４０に適切に形成することができる。さらに、上述した一の方向に対して垂直な方向については、照野の輪郭を明確にできる。

また、このように照野を形成する場合に、入射面２５２に入射した光束の全てを、射出面２５４から射出することができるので、一の方向（図４（ｃ）又は（ｄ）のＸ方向）についてのＮＡ（開口数）を大きくすることができ、照度を低下させることなく、射出面２５４から光束を射出することができ、被照射体４０に照野を形成することができる。

さらに、反射手段２４６が、上述したロッド２４０の射出面２４４に形成されている。反射手段２４６は、通過部２４６ｃと反射部２４６ａ及び２４６ｂとを有する。通過部２４６ｃは、集光光学系によって集光された光束の一部を通過させる。通過部２４６ｃを通過した光束は、ロッド２５０の入射面２５２に入射する。一方、反射部２４６ａ及び２４６ｂは、通過部２４６ｃを通過できなかった残りの光束を反射させる。反射手段によって反射された光束は、楕円鏡２２０等の集光光学系を介して発光体２１０近傍に至り、その後、再び、ロッド２４０に向かう。このようにすることで、反射手段２４６の通過部２４６ｃを通過する光束を増やすことができるので、発光体２１０の出力や数を変更することなく、ロッド２５０に入射させる光束の照度を上げることができ、被照射体４０に形成する照野の照度を上げることができる。

＜＜＜第２の実施の形態＞＞＞
図６は、本発明に係る第２の実施の形態の照明装置１００の概略を示す図である。なお、図６に示した図では、第１の実施の形態と同様の構成には、同一の符号を付して示した。

第２の実施の形態では、発光体２１０からなる光源と、楕円鏡２２０からなる集光光学系と、均一化インテグレータであるロッド２４０と、断面積変更インテグレータであるロッド２５０と、レンズ系２９０と、プリズム３１０と、λ／４波長板３２０と、偏光フィルター３３０とを含む。なお、発光体２１０からなる光源と、楕円鏡２２０からなる集光光学系と、均一化インテグレータであるロッド２４０と、断面積変更インテグレータであるロッド２５０と、レンズ系２９０とは、第１の実施の形態と同様の構成であるので説明を省略する。

＜プリズム３１０＞
レンズ系２９０から発せられた光束は、プリズム３１０に入射される。プリズム３１０は、光束を反射させて斜め下方に導くためのものである。

＜λ／４波長板３２０＞
プリズム３１０によって導かれた光束は、λ／４波長板３２０に入射する。λ／４波長板３２０は、通過する光束の位相をπ／２だけ遅らせた光波を射出する。また、本実施の形態では、λ／４波長板３２０を用いたが、λ／４波長板３２０に限らず、所定方向の直線偏光の位相を所望する角度ωだけ遅らせる光学リターダーを用いることができる。

＜偏光フィルター３３０＞
偏光フィルター３３０は、入射した光束のうち、Ｐ偏光の光束のみを透過させ、Ｓ偏光の光束を反射する。ここで、Ｐ偏光とは、光の振動面が入射面と平行な直線偏光をいい、Ｓ偏光は、光の振動面が入射面と垂直な直線偏光をいう。Ｐ偏光の光束が「第１偏光光束」に対応し、Ｓ偏光の光束が「第２偏光光束」に対応する。

偏光フィルター３３０を透過した光束は、被照射体４０に向かって射出され、被照射体４０に照射される。

＜光束の経路＞
発光体２１０のアーク部分から発せられた光束が、プリズム３１０に至るまでの経路（Ｐ１１〜Ｐ１５）は、第１の実施の形態の照明装置１０と同様である。

図６の光路Ｐ１５に示すように、レンズ系２９０から発せられた光束は、プリズム３１０に至り、プリズム３１０によって反射された光束は、光路Ｐ１６に示すように、λ／４波長板３２０と偏光フィルター３３０とを介して、被照射体４０に照射される。

偏光フィルター３３０は、偏光フィルター３３０に入射した光束のうち、Ｐ偏光の光束のみを透過し、Ｓ偏光の光束は反射する。したがって、被照射体４０には、Ｐ偏光の光束のみが照射される。偏光フィルター３３０によって反射されたＳ偏光の光束は、光吸収体３４０に入射されて、光吸収体３４０の内部で吸収される。

＜＜照明装置１００の概要＞＞
この第２の実施の形態の照明装置１００でも、ロッド２５０を用いている。このため、射出面２５４から射出される光束の断面を、入射面２５２に入射したときの光束の断面よりも一の方向（図４（ｃ）又は（ｄ）のＸ方向）に伸張した断面にすることができる。したがって、矩形状の形状の照野や、長尺な形状の照野を被照射体４０に適切に形成することができる。さらに、上述した一の方向に対して垂直な方向については、照野の輪郭を明確することができる。

また、このように照野を形成する場合に、入射面２５２に入射した光束の全てを、射出面２５４から射出することができるので、一の方向（図４（ｃ）又は（ｄ）のＸ方向）についてのＮＡ（開口数）を大きくすることができ、照度を低下させることなく、射出面２５４から光束を射出することができ、被照射体４０に照野を形成することができる。

また、反射手段２４６が、上述したロッド２４０の射出面２４４に形成されている。この反射手段２４６によって、通過部２４６ｃを通過できなかった残りの光束を反射させる。反射手段２４６によって反射された光束は、楕円鏡２２０等の集光光学系を介して発光体２１０近傍に至り、その後、再び、ロッド２４０に向かう。このようにすることで、反射手段２４６の通過部２４６ｃを通過する光束を増やすことができるので、発光体２１０の出力や数を変更することなく、ロッド２５０に入射させる光束の照度を上げることができ、被照射体４０に形成する照野の照度を上げることができる。

さらに、第２の実施の形態では、集光光学系によって集光された光束を、Ｐ偏光の光束と、Ｓ偏光の光束とに分離する。Ｓ偏光の光束は、偏光フィルター３３０によって反射される成分の光束である。

第１の実施の形態による照明装置１０の概要を示す図である。 ロッド２４０の例を示す正面図（ａ）と、このロッド２４０に形成された反射手段２４６の例を示す右側面図（ｂ）とである。 第１の実施の形態による照明装置１０における光路を示す図である。 ロッド２５０を示す正面図（ａ）、平面図（ｂ）、左側面図（ｃ）及び右側面図（ｄ）である。 ロッド２４０とロッド２５０との配置を示す斜視図である。 第２の実施の形態による照明装置１００の概要を示す図である。

符号の説明

１０、１００ 照明装置
４０ 被照射体
２１０ 発光体（光源）
２２０ 楕円鏡（集光光学系）
２４０ ロッド（均一化インテグレータ）
２４２ 入射面
２４４ 射出面
２４６ 反射手段（反射手段）
２４６ａ及び２４６ｂ 通過部
２４６ｃ 反射部
２５０ ロッド（断面積変更インテグレータ）
２５２ 入射面
２５４ 射出面
３２０ λ／４波長板

Claims (7)

1. 光源から発せられた光束を集光する集光光学系と、
   入射光束の形状に近づけられた断面形状で、入射した光束を内部で反射を繰り返すことで角度成分を混合して照度を均一に近づける均一化インテグレータと、
   前記均一化インテグレータから光束を入射し、入射面及び出射面の断面形状が略長方形で、前記入射面の形状と被照射体に形成される照野の形状に応じた伸張率で断面の大きさが変更され、断面の大きさが変更された前記光束を射出する断面積変更インテグレータと、
   を備え、
   前記均一化インテグレータの出射面には、前記断面積変更インテグレータの入射面の形状に適合する形状で前記光束を通過させる通過部と、前記通過部の形状によって定められた形状で前記光束を反射させる反射部とを有する反射手段が形成される
   ことを特徴とする照明光学系。
2. 前記断面積変更インテグレータから入射した光束のうち、光の振動面が入射面と平行な直線偏光の第１偏光光束のみを透過させて前記被照射体へ出射され、光の振動面が入射面と垂直な直線偏光の第２偏光光束を反射する偏光分離手段を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記均一化インテグレータにおいて、前記入射光束の形状が略円形状であり、前記断面形状が略六角形の六角柱形状である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
4. 前記通過部は、前記断面積変更インテグレータの入射面の形状に適合するように定められると共に、前記反射手段の形成を簡便にする扁平な六角形の形状である、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の照明光学系。
5. 前記集光光学系は、第１の焦点と第２の焦点を有する楕円鏡を使用し、前記第１の焦点に位置する前記光源から発せられた光束を前記第２の焦点に集光し、
   前記均一化インテグレータは、前記第２の焦点又は第２の焦点と共役な点に光源像共役面が位置するように配置され、
   前記断面積変更インテグレータは、射出面が前記被照射体に形成される照野と共役となるように配置される、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の照明光学系。
6. 前記断面積変更インテグレータは、
   入射面の辺の長さよりも出射面の辺の長さが長くなるように断面の大きさが変更され、入射面から射出面へ向かうに従い間隔が次第に広がる略台形状の形状で向かい合うように形成された２つの側面と、
   入射面辺の長さと射出面の辺の長さとが略同じになるように形成された２つの側面と、
   を有し、
   内部を通過する光束を、断面の形状が光軸に対して垂直な一の方向に沿って伸張させて出射させる
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の照明光学系。
7. 前記略台形状の２つの側面は、光軸に対して対称に形成される
   ことを特徴とする請求項６に記載の照明光学系。

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