JP7487809B2 - ホモジェナイザ、照明光学系および照明装置 - Google Patents

ホモジェナイザ、照明光学系および照明装置 Download PDF

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Description

本発明は、光強度空間分布が不均一な入射光を照射面において均一な光強度分布に変換するホモジェナイザおよびそれを用いた照明光学系並びに照明装置に関する。
液晶表示素子の映像を拡大投影する液晶プロジェクタや露光装置などの照明光学系において、照射面の光強度分布を均一化するための技術として、インテグレータレンズやフライアイレンズなどと呼ばれるレンズアレイを一対有するホモジェナイザが知られている。
図23は、液晶プロジェクタに用いられる照明光学系の一例を示す断面図である。図23に示す照明光学系200は、放電ランプ50と、放物面鏡51と、一対の凸レンズアレイ(52a、52b)を有するホモジェナイザ52と、フィールドレンズ53とを備える。なお、図23には、液晶プロジェクタの構成として、さらに照射面である液晶表示素子54と、投影レンズ55とが示されている。なお、図23の(a)は照明光学系200の主要部品の位置関係の例を示す断面図であり、図23の(b)は、さらに照明光学系200における光路の一例を追加した断面図である。
本例では、放物面鏡51の焦点位置に放電ランプ50の発光点が配置される。発光点から放射された可視光は放物面鏡51で反射されて略平行光となり、ホモジェナイザ52に入射する。ホモジェナイザ52に入射した略平行光の可視光は、凸レンズアレイ52aの各々の凸レンズにより、その焦点位置近傍に配置された対を成す凸レンズアレイ52bの各々の凸レンズ面内に集光される。該光は、凸レンズアレイ52bの各々の凸レンズにより照射面(液晶表示素子54の表示面)において重なり合う発散光となって出射される。
フィールドレンズ53は、ホモジェナイザ52の各々の凸レンズ(521aおよび521b)の光軸を照射面(液晶表示素子54の表示面)の中心に揃えるために配されている。凸レンズアレイ52bの各レンズから出射された光は、フィールドレンズ53により液晶表示素子54の表示面内に照射され、液晶表示素子54で生成された映像を図示しないスクリーンに投影する光となる。本例では、さらに、液晶表示素子54で生成された映像を、投影レンズ55を用いて拡大投影する。
このような照明光学系200では、凸レンズアレイ52aの面内で光強度分布が異なる入射光の光束を、凸レンズアレイ52aの各々の凸レンズ521aおよび凸レンズアレイ52bの各々の凸レンズ521bから出射させて、照射面において重なり合わせることで、各々の凸レンズ入射光の光強度分布が凸レンズアレイ数で平均化されて均一な光強度分布が得られる。
図24は、ホモジェナイザ52のより詳細な構成例を示す説明図である。なお、図24の(a)は、ホモジェナイザ52の断面図であり、図24の(b)は、そのうちの一方の凸レンズアレイ(52aまたは52b)の平面図である。なお、各レンズ面内に点線で示す同心円は、レンズ深さ(サグ値)が等しい等高線である(以下、他の平面図において同様)。
ホモジェナイザ52において、凸レンズアレイ52aおよび52bはそれぞれ、透光性基板の片面に同一凸レンズ形状のレンズがアレイ状に隙間なく配されている。本例の凸レンズアレイ52aおよび52bはいずれも、X軸およびY軸方向のレンズ幅がそれぞれWxとWyであるレンズが、X軸方向およびY軸方向にそれぞれNx個とNy個アレイ状に配置された、平坦部境界の無い凸レンズアレイに加工されている。以下、凸レンズアレイ52aの各々の凸レンズをそれぞれ凸レンズ521a、凸レンズアレイ52bの各々の凸レンズをそれぞれ凸レンズ521bと記す場合がある。また、凸レンズアレイ52aと52bを特に区別なく示す場合に、それらの各々の凸レンズを凸レンズ521と記す場合がある。以下、他のホモジェナイザについても同様である。
ホモジェナイザ52の入射光は、放電ランプ50の発光長(mmオーダ)の大きさに依存して、Z軸方向に対し最大入射角αの発散光となる。ここで、最大入射角αは放電ランプ50から放射される光束の最大拡散角(半角)に相当する。なお、最大拡散角(半角)は最大放射角(半角)とも呼ばれる。
図24の(a)に示すように、凸レンズアレイ52aに入射する光のうち平行光成分は、各々の凸レンズ521aの焦点面の軸上に集光されることにより、その近傍に配置された各々の凸レンズ521bの頂点の平坦部を透過し、最大拡散角(半角)βの発散光となって液晶表示素子54を照射する。各々の凸レンズにおいてレンズ幅WxとWyが異なる場合すなわち各々の凸レンズの外形(外周形状)が長方形の場合、X軸方向の最大拡散角(半角)βxとY軸方向の最大拡散角(半角)βyとが異なり、その関係はsin(βx)/sin(βy)=Wx/Wyとなる。このため、ホモジェナイザ52から出射される光の最大拡散角βを、X軸方向とY軸方向とで独立に調整できる。
一方、凸レンズアレイ52aに入射する光のうち発散光成分は、各々の凸レンズ521aの焦点面の軸外に集光する。この集光位置が凸レンズ521aと対を成す凸レンズ521b面内であれば、該凸レンズ521bで屈折した出射光は、液晶表示素子54を照射する。すなわち、レンズ幅Wx×Wyの各々の凸レンズ521aを有する凸レンズアレイ52aに入射した最大拡散角αの発散光は、凸レンズアレイ52bの凸レンズ521bによりWx×Wyの相似外形で最大拡散角βの発散光となって照射面に拡大投影される。
また、図25は、紫外線露光装置に用いられる照明光学系の一例を示す断面図である。図25に示す照明光学系210は、放電ランプ60と、楕円面鏡61と、ダイクロイックミラー66と、一対の凸レンズアレイ(62a、62b)とを有するホモジェナイザ62と、フィールドレンズ63とを備える。なお、図25には、紫外線露光装置として、さらに集光レンズ65が示されている。なお、本例の照射面は、図示省略されているが、疑似的に集光レンズ65の入射面の有効領域がそれに相当する。なお、図25の(a)は照明光学系210の主要部品の位置関係の例を示す断面図であり、図25の(b)は、さらに照明光学系210における光路の一例を追加した断面図である。
本例では、楕円面鏡61の第1焦点位置に放電ランプ60の発光点が配置される。発光点から放射された紫外光は楕円面鏡61およびダイクロイックミラー66で反射され、楕円面鏡61の第2焦点位置に配置されたホモジェナイザ62に集光する。ホモジェナイザ62に入射した光は、凸レンズアレイ62aの各々の凸レンズにより、その焦点位置近傍に配置された対を成す凸レンズアレイ62bの各々の凸レンズの開口内に集光される。該光は、凸レンズアレイ62bの各々の凸レンズにより照射面(図示せず)において重なり合う発散光となって出射される。
フィールドレンズ63は、ホモジェナイザ62の各々の凸レンズ(621aおよび621b)の光軸を照射面の中心に揃えるために配されている。また、集光レンズ65は、フィールドレンズ63から出射された発散光を略平行光に変換するためのレンズである。これらにより、ホモジェナイザ62の出射光は、フィールドレンズ63によりホモジェナイザ62の各々の凸レンズの光軸を照射面中心に揃えられ、集光レンズ65により略平行光となって照射面(図示せず)に到達する。
照明光学系210においても、凸レンズアレイ62aの面内で光強度分布が異なる入射光の光束を、凸レンズアレイ62aの各々の凸レンズ621aおよび凸レンズアレイ62bの各々の凸レンズ621bから出射させて、照射面において重なり合わせることで、各々の凸レンズ入射光の光強度分布が凸レンズアレイ数で平均化されて均一な光強度分布が得られる。ここで、均一な光強度分布とは、例えば85%以上の光強度分布をいう。
図26は、ホモジェナイザ62のより詳細な構成例を示す説明図である。図26の(a)は、ホモジェナイザ62の断面図であり、図26の(b)は、そのうちの一方の凸レンズアレイ(62aまたは62b)の平面図である。
ホモジェナイザ62は、その入射面と出射面が凸レンズアレイ62aと凸レンズアレイ62bとに加工された両面凸レンズアレイである。各々の凸レンズアレイ(62aおよび62b)は、2以上の凸レンズを境界部に平坦面やギャップが無いようにアレイ状に配置して構成される。紫外線露光装置の場合、ホモジェナイザ62には紫外線波長域で吸収が少ない合成石英が一般的に用いられる。合成石英の軟化温度は1000℃以上と高温であり、レンズアレイの金型成型加工が難しいため、角柱状に外形加工された合成石英の上下両面に凸レンズを研削加工し、複数の両面凸レンズ621をアレイ状に配置する構成が多くとられ、量産性が低い。
なお、図26の(b)には、凸レンズ面が正六角形の柱状レンズをレンズ幅Wと同じ間隔でフライアイ状に配列した凸レンズアレイ(62a,62b)の例を示すが、凸レンズアレイ(62a,62b)は、凸レンズ面が四角形の柱状レンズをアレイ状に配列したものでよい。なお、本例のホモジェナイザ62は、上記のホモジェナイザ52と比べて構成は異なるが、均一照明の原理は同じである。
図27は、ホモジェナイザ62における一つの凸レンズ対(すなわち、対をなす凸レンズ621aおよび621b)の入出射面と照射面との関係を示す説明図(YZ断面図)である。本例の照明光学系210において、凸レンズ621aに入射した最大拡散角αの発散光は、凸レンズ621aの表面で屈折してその焦点面に集光される。このとき、凸レンズ621aの開口部に入射する発散光の一部が、対をなす凸レンズ621bの開口外に到達すると、当該一部の光は、目的とする照射面内に集光されず迷光となり、照射面強度分布の劣化および光利用効率の低下を招く。凸レンズ621aの開口部に入射する発散光が対をなす凸レンズ621bの開口内に集光するためには、凸レンズアレイ62a側において開口数の大きな凸レンズ面が必要となる。また、開口数の大きな球面凸レンズでは軸外収差が発生し集光性が劣化するため、非球面形状とすることが好ましい。
凸レンズ621aの入射面と、該凸レンズ621aと対をなす凸レンズ621bの主点との距離をS、該凸レンズ621bの主点と照射面(図中の符号65)との距離をD=Sとする。また、各々の凸レンズ621bの焦点距離をfとする。すると、凸レンズの近軸近似式によりS、S、fが関係づけられ、凸レンズ621aの開口部に入射する入射瞳A(より具体的には開口形状の幅W)は、凸レンズ621bにより所定の照射面(符号65)において射出瞳Bとなって結像する。SがSに比べて充分大きな場合、光軸に平行な入射光に対するホモジェナイザ62の出射光の最大拡散角βから、射出瞳Bの口径(照射面の最大幅)Bは、B=2・S・tan(β)で近似できる。
このように、対称軸を共有する凸レンズ対をアレイ状に配列して構成される一対の凸レンズアレイを有するホモジェナイザを用いることにより、各々の凸レンズ入射面の光強度分布が重ね合されて平均化されるので、照射面を均一光強度で照明できる。なお、凸レンズの数(アレイ数)が多いほど均一性が向上する。同一面内における凸レンズのアレイ数は、例えば、16個以上が好ましく、25個以上がより好ましく、50個以上がさらに好ましい。アレイ数の上限は特に限定されないが、1mmあたりのアレイ数の上限が10000個であってもよい。
ところで、放電ランプに変わる高輝度光源としてLEDや半導体レーザ(LD)が実用化され、小型で発光効率の高い特徴から普及が加速している。上記で示した照明光学系210は、発光長がmmオーダの放電ランプから広い配光角度分布に放射された光を集光鏡(楕円面鏡61)でホモジェナイザに集光するため、小型化が難しかった。そこで、発光長がμmオーダで指向性の高い(すなわち、出射光の配光角度分布が狭い)光が効率よく得られるLD光源を用いれば、照明光学系の小型化につながる。このため、LDは、放電ランプに変わる光源として広い照明用途への利用が期待されている。
特許文献1、2には、レーザ光源を照明光源に用いた照明装置または照明光学系の例が記載されている。例えば、特許文献1には、レーザ光源と、複数の微小要素レンズを有する第1のレンズと第2のレンズで構成されたホモジェナイザとを備えたレーザ照明装置が記載されている。また、例えば、特許文献2には、レーザ光を照明光源に用いた半導体露光装置に使用される照明光学系について、ホモジェナイザとしてフライアイ・インテグレータを用いる構成が記載されている。
日本国特許第4880746号公報 日本国特開平5-251309号公報
上述したように、レーザ光源を用いることにより集光系を含む光源部の小型化は向上する。例えば、発光長がμmオーダのLD光源は、効率よく指向性の高い照明光が得られる。さらに、波長780~1300nmの近赤外波長域のレーザ光を生成する垂直共振器面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL)は、半導体ウェハ内に数10μm間隔でレーザ発光点を2次元アレイ化した構造が作り易く、発光点数を増やすことで数10ワット~数100ワットの高出力レーザ光源となる。
図28は、レーザ光源の一例を示す断面図および平面図である。図28に示すレーザ光源11は、半導体基板11a上にアレイ上に形成された面発光レーザ発光点(VCSEL発光層)11bが形成されている。このようなレーザ光源11は、出射光の光強度分布がガウシアンで近似される発散光を出射する。例えば、基板面内に、X軸方向に間隔aでNa個、Y軸方向に間隔bでNb個のレーザ発光点を有する場合、単一発光点の出射光強度をpとすると、レーザ光源11全体では、P=p・Na・Nbの光強度が得られる。具体例として、a=b=30μm、Na=Nb=100個、p=10mWとすると、3mm×3mmの発光面からP=100Wのレーザ出力が得られる。
しかし、このようなVCSELアレイを光源に用いた場合、アレイ数を増すことでレーザ光源の高出力化は可能だが、レーザアレイ光源からの出射光の最大放射角(半角)となる単一レーザ発光点の出射光の放射角(半角)δは狭い(図28の(a)参照)。このため、広い範囲を照明するには、照射面(上記の照明光学系の例でいえば、ホモジェナイザの入射面)までの距離Lを長くする必要があり、照射面の光強度は不均一なガウシアン分布となる。
アレイ型のレーザ光源における単位レーザ発光点の出射光の放射角δを、ガウシアン分布中心強度(出射角0°)で光強度分布を規格化した時の光強度比がe-2となる角度と定義すると、任意のレーザ光出射角θに対するレーザ光源単体での光強度分布I(θ)は、(1)式で記載される。
I(θ)=exp{-2(θ/δ)} (1)
なお、単一レーザ発光点の集合体から構成されるレーザ光源の光強度分布は、Z軸方向の発光点からの距離Lにより変化する。a=bおよびNa=Nbとすると、単一レーザ発光点からの光強度比がe-2となる照射面の直径Φは、Φ=2・L・tan(δ)で表される。このため、Φ≧aとなる距離Lで隣接発光点出射光の重なりが生じ、Φ≧√2・aとなる距離Lでアレイ全面積(Na×a)×(Nb×b)からの光強度比がe-2以上となる。さらに、Φ>√2・a・Naとなる距離Lでは、照射面積が拡大するとともにアレイ全面積からの光強度比が単一レーザ発光点のガウシアン光強度分布I(θ)に近づく。
上記では、レーザアレイ光源として、波長780~1300nmの近赤外波長域のレーザ光を生成するVCSELを2次元アレイ化したVCSELアレイ光源を例示したが、VCSELアレイ光源から出射する近赤外光をLiNbO等の非線形光学結晶を用いて第2高調波(SHG)変換し、可視レーザ光とすることも可能である。
また、レーザ発振活性層が導波路構造を有するファブリペロ型レーザでは、紫外域~近赤外域のレーザ発光が得られる。このようなレーザの発光点を1次元アレイ化したり、レーザ発振活性層の導波路幅を広げることで、高出力レーザ光源とできる。しかし、レーザ出射光の強度はガウシアン分布であり、レーザ発振活性層幅の広い構造のマルチモード発光では強度分布がさらに不均一となる。
このようなレーザ光源を用いることにより、集光系を含む光源部の小型化は飛躍的に向上するが、レーザ光源から放射される不均一な光強度分布の発散光を、高い集光効率を維持しつつ照射面において均一に(例えば、照射面における光強度分布が85%以上等)照射するためには、広角拡散性のホモジェナイザが必要となる。
放電ランプを光源に用いた従来の照明光学系では、光源から放射される広い配光角度分布の光を集光鏡を用いてホモジェナイザ入射面に集光するため、入射面の光強度分布は不均一であり、入射面および出射面の凸レンズアレイの開口数が小さな値となるように入射光の最大拡散角αを10°以下とする。その結果、集光鏡の外形が大型化し、ホモジェナイザ入射面の有効径Φも拡大する。このため、入射面および出射面が球面凸レンズあるいは球面凸レンズに近い非球面凸レンズを有する凸レンズアレイのホモジェナイザを用い、最大拡散角βが比較的小さい照射条件でも均一照射を実現できていた。しかし、レーザ光源から放射される狭角の発散光であってホモジェナイザ入射面で最大直径Φの光束となる発散光を、所定の照射平面において均一の光強度分布になるよう変換するホモジェナイザを考えた場合、ホモジェナイザが有する一対の凸レンズアレイにおいて凸レンズ対を構成する各々の凸レンズのXY面の幅Wを少なくともΦ/4以下(アレイ数が4×4=16個の場合)とする必要がある。ここで、各々の凸レンズのXY面の幅Wは、X方向の幅とY方向の幅が異なる場合は、いずれかの方向のうち最大の幅とする。なお、幅Wは、より好ましくはΦ/5以下(アレイ数が5×5=25個を想定)、さらに好ましくはΦ/7以下(アレイ数が7×7=49個を想定)である。
例えば、ホモジェナイザの有効径が2.0mmの場合、Φ=2.0mmとして、W≦0.5mmや、W≦0.4mmやW≦0.3mmが要求される。また、例えば、ホモジェナイザの有効径が1.0mmの場合、Φ=1.0mmとして、W≦0.25mmや、W≦0.2mmやW≦0.15mmが要求される。
既に説明したように、照明光学系においてホモジェナイザからの出射光は最大拡散角βで幅Bの照射面に拡大照射される。したがって、ホモジェナイザの出射側に位置する凸レンズアレイ(52b、62b)は拡散性微小光源に相当する。このような拡散性微小光源による照射面での光強度は、照明に関する「距離の逆2乗則」と「斜入射光のコサイン特性」とに基づく照明光学系の「コサイン4乗則」に制約される。
図29は、拡散性微小面光源から出射される光束の、光源の出射面と対向する照射面での光強度がコサイン4乗則に従う様子を示す模式図およびグラフである。なお、図29の(b)には、拡散性微小面光源から出射される発散光の、垂直対向位置での光強度(直下強度E)に対する拡散角β方向の任意の角度θ方向の光強度(Eθ)の比である光強度比(Eθ/E)が示されている。図29の(a)に模式的に示すように、拡散性微小面光源の出射面と対向する平面を照明する場合、光源から垂直な対向面の光強度(直下強度E)に対して、角度θにおける照射平面上の光強度Eθは、cosθ倍となる。図29の(b)は、θ=0~50°の角度範囲における照射平面上の光強度比cosθの計算値を示すグラフである。
図29の(b)に示すように、照射面上の光強度比は、θ≦10°では0.9より大きな値を維持するが、θ=20°では0.8未満、θ=30°では0.6未満に低下する。
したがって、従来の構成よりホモジェナイザの出射光の最大拡散角βを大きく(例えば、β≧12°等に)する際に、単純に出射側の凸レンズアレイの各々の凸レンズのレンズ形状を調整するなどして各々の凸レンズから出射される光束の拡散角を大きくする方法では、コサイン4乗則の制約などから、照射面上での光強度分布に不均一性が生じる。すなわち、従来のホモジェナイザにおける出射側の凸レンズアレイの各々の凸レンズを単純に広角化する方法では、「コサイン4乗則」の制約などから最大拡散角β≧12°の場合に0.9以上の均一な光強度分布を必ずしも実現できない。
なお、特許文献1には、レーザ光源を備えたレーザ照明装置が例示されているが、レーザ光源を用いることによる照射面での光強度分布の不均一性について何ら考慮しておらず、ホモジェナイザからの出射光の広がりや照射面での光強度分布に関する具体的記載はない。特許文献2についても同様である。
そこで、本発明は、小型で利用効率がよく、かつ照射面において高い均一性を示す光照射が可能なホモジェナイザ、照明光学系および照明装置の提供を目的とする。
また、本発明は、レーザ光源から放射される不均一な光強度分布の発散光を、最大拡散角が12°以上で、かつ高い集光効率を維持しつつ照射平面に光強度分布85%以上の均一性で投影できるホモジェナイザ、並びにそれを用いた照明光学系および照明装置の提供を目的とする。特に、半導体レーザ光源から放射されるガウシアン強度分布の発散光に対して上記の特性を示すホモジェナイザ、並びにそれを用いた照明光学系および照明装置の提供を目的とする。
本発明によるホモジェナイザは、光入射側に配置される第1の凸レンズアレイと、光出射側に配置される第2の凸レンズアレイを含む凸レンズアレイ対を備え、前記第1の凸レンズアレイと前記第2の凸レンズアレイは、互いのレンズ面が外向きまたは内向きに対向するように配置され、前記第1の凸レンズアレイは一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第1の凸レンズを有し、前記第2の凸レンズアレイは一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第2の凸レンズを有し、前記第1の凸レンズと、前記第2の凸レンズとが、対向しつつ対称軸を共有する凸レンズ対をなしており、前記第1の凸レンズは、前記対称軸を含むレンズ断面において、前記第1の凸レンズの前記レンズ断面における曲率半径をR1、コーニック定数をk1、前記第2の凸レンズの前記レンズ断面と同一断面における曲率半径をR2、コーニック定数をk2とすると、0.3≦R1/R2≦0.7を満たし、-7≦k1≦-3を満たし、-3≦k2≦0を満たすことを特徴とする。
また、本発明によるホモジェナイザは、光入射側に配置される第1の凸レンズアレイと、光出射側に配置される第2の凸レンズアレイをそれぞれ含む凸レンズアレイ対を二組備え、前記凸レンズアレイ対の各々において、前記第1の凸レンズアレイと前記第2の凸レンズアレイは、互いのレンズ面が外向きまたは内向きに対向するように配置され、前記第1の凸レンズアレイは、一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第1の凸レンズを有し、各第1の凸レンズは凸型のシリンドリカルレンズであり、前記複数の第1の凸レンズは、各々のレンズ作用を有する軸方向が平行になるように配置され、前記第2の凸レンズアレイは、一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第2の凸レンズを有し、各第2の凸レンズは凸型のシリンドリカルレンズであり、前記複数の第2の凸レンズは、各々のレンズ作用を有する軸方向が平行になるように配置され、前記凸レンズアレイ対の各々において、前記第1の凸レンズと、前記第2の凸レンズとが、対向しつつ対称面を共有する凸レンズ対をなしており、二組の凸レンズアレイ対は、レンズ作用を有する軸方向が互いに90°異なるように入射光の光進行方向である光軸方向に直列に配置され、前記凸レンズアレイ対の各々において、各々の凸レンズの母線方向に垂直な断面をレンズ断面、当該レンズ断面における対称面の位置を対称軸とすると、前記第1の凸レンズは、前記対称軸を含む前記レンズ断面において、前記第1の凸レンズの前記レンズ断面における曲率半径をR1、コーニック定数をk1、前記第2の凸レンズの前記レンズ断面と同一断面における曲率半径をR2、コーニック定数をk2とすると、0.3≦R1/R2≦0.7を満たし、-7≦k1≦-3を満たし、-3≦k2≦0を満たすように構成されてもよい。
本発明による照明光学系は、不均一の光強度分布を有する発散光を出射するレーザ光源と、上記のいずれかのホモジェナイザとを含み、レーザ光源から出射される発散光は、ホモジェナイザに入射した後、より広角な発散光となってホモジェナイザから出射された結果、所定の照射平面において均一な光強度分布で拡大投影されることを特徴とする。
本発明による照明装置は、上記の照明光学系を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、小型で利用効率がよく、かつ照射面において高い均一性を示す光照射が可能なホモジェナイザ、照明光学系および照明装置を提供できる。
また、本発明によれば、レーザ光源から放射される不均一な光強度分布の発散光を、最大拡散角が12°以上で、かつ高い集光効率を維持しつつ照射平面に光強度分布85%以上の均一性で投影できるホモジェナイザ、並びにそれを用いた照明光学系および照明装置を提供できる。特に、半導体レーザ光源から放射されるガウシアン強度分布の発散光に対して上記の特性を示すホモジェナイザ、並びにそれを用いた照明光学系および照明装置を提供できる。
図1は第1の実施形態のホモジェナイザの例を示す断面図および平面図である。 図2は凸レンズ121aの断面図および平面図である。 図3は一つの凸レンズ対(対をなす凸レンズ121aおよび凸レンズ121b)による対称軸と平行な入射光の伝搬作用を模式的に示す説明図である。 図4は一つの凸レンズ対のレンズ作用を示す断面図である。 図5は第2の実施形態のホモジェナイザ22における凸レンズ221aの例を示す模式断面図および模式平面図である。 図6は一つの凸レンズ対(対をなす凸レンズ221aおよび凸レンズ221b)による対称軸と平行な入射光の伝搬作用を模式的に示す説明図である。 図7は第3の実施形態におけるホモジェナイザ32の斜視図である。 図8はホモジェナイザ32xの例を示す断面図および平面図である。 図9はホモジェナイザ32yの例を示す断面図および平面図である。 図10は第4の実施形態における照明装置100の例を示す断面図である。 図11は第5の実施形態における照明装置110の例を示す断面図である。 図12は実施例1-1~1-10のホモジェナイザ12における各々の凸レンズ121aのレンズ形状を示す説明図である。 図13は第1の実施例のホモジェナイザ12内部の伝搬光の進行方向の角度(θ-θ)の計算結果を示すグラフである。 図14は第1の実施例のホモジェナイザ12を用いた照明装置100による照射平面17上の光強度分布の計算結果を示すグラフ(1)である。 図15は第1の実施例のホモジェナイザ12を用いた照明装置100による照射平面17上の光強度分布の計算結果を示すグラフ(2)である。 図16は第1の実施例のホモジェナイザ12を用いた照明装置100による照射平面17上の光強度分布の計算結果を示すグラフ(3)である。 図17は参考例1~4のホモジェナイザを用いた照明装置100による照射平面17上の光強度分布の計算結果を示すグラフである。 図18は実施例1-5のホモジェナイザを用いた照明装置100による照射平面の光強度分布(規格化)を階調表示により模式的に示す説明図である。 図19は比較例1のホモジェナイザを用いた照明装置100による照射平面の光強度分布(規格化)の階調表示により模式的に示す説明図である。 図20は第3の実施例のホモジェナイザ32の、1つのシリンドリカルレンズアレイの作製方法の例を示す説明図である。 図21は第3の実施例のホモジェナイザを用いた照明装置100による照射平面の光強度分布(規格化)を階調表示により模式的に示す説明図である。 図22は第4の実施例のホモジェナイザ32の、1つのシリンドリカルレンズアレイの作製方法の例を示す説明図である。 図23は液晶プロジェクタに用いられる照明光学系の一例を示す断面図である。 図24はホモジェナイザ52のより詳細な構成例を示す説明図である。 図25は紫外線露光装置に用いられる照明光学系の一例を示す断面図である。 図26はホモジェナイザ62のより詳細な構成例を示す説明図である。 図27はホモジェナイザ62における一つの凸レンズ対(対をなす凸レンズ621aおよび621b)の入出射面と照射面との関係を示す説明図である。 図28はレーザアレイ光源の一例を示す断面図および平面図である。 図29は拡散性微小面光源から出射される光束の光源の出射面と対向する照射面での光強度がコサイン4乗則に従う様子を示す模式図およびグラフである。
[実施形態1]
以下、図面を参照して本発明の実施形態の例について説明する。図1は、第1の実施形態のホモジェナイザの例を示す断面図および平面図である。図1に示すように、本実施形態のホモジェナイザ12は、平板状の透光性基板10の2つの表面(第1面および第2面)に第1の凸レンズアレイ12aと第2の凸レンズアレイ12bとを備える。
第1の凸レンズアレイ12aおよび第2の凸レンズアレイ12bにおいて、各レンズアレイを構成する個々の凸レンズ121aと凸レンズ121bとが互いに対をなしている。より具体的には、第1の凸レンズアレイ12aおよび第2の凸レンズアレイ12bはそれぞれ、隣接する凸レンズ間に平坦部が少ないギャップレスのレンズアレイであって、第1の凸レンズアレイ12aを構成する凸レンズ121aの各々は、対をなす凸レンズ121bと、レンズの対称軸およびXY面内の幅W(WxとWy)が一致している。ここで、レンズの対称軸は、光軸と同義であり、レンズの中心軸または少なくとも2回対称性を有する対称軸をいう。
凸レンズ121aと凸レンズ121b間の対称軸の軸ずれは、レンズ幅に対して5%以下が好ましく、2%以下がより好ましい。また、凸レンズアレイ12aおよび12bにおいて、隣接凸レンズ間に生じる所望の凸レンズ形状から逸脱した形状となる境界部の幅G(後述の図3参照)が、レンズ幅に対して5%以下(すなわち1つの凸レンズにつき、2.5%以下(G/2/W×100=5/2=2.5))が好ましく、2%以下(凸レンズ1つにつき1%以下)がより好ましい。例えば、W=100μmの場合、G≦5μmとなる。
本実施形態のホモジェナイザ12では、第1の凸レンズアレイ12aの各々の凸レンズ121aに光源からの光が最大入射角α(レーザ光源の場合、上記の最大放射角δに相当)で入射すると、各々の凸レンズ121a表面で屈折して透光性基板10内を伝搬し、第2の凸レンズアレイ12bの各々の凸レンズ121b表面に到達する。すると、該光は、各々の凸レンズ121b表面で屈折して、最終的に最大拡散角βの発散光となって出射する。
ここで、各々の凸レンズ121aのレンズ表面形状および基板厚(第1の凸レンズアレイ12aと第2の凸レンズアレイ12bとの距離)を、上記のホモジェナイザ52,62と同様、各々の凸レンズ121aへの入射光が、それと対を成す凸レンズ121bの有効面に到達するように設定する。
図2は、第1の凸レンズアレイ12aが有する各々の凸レンズ121aの断面図および平面図である。図2の(a)に示すように、本実施形態のホモジェナイザ12は、入射側に配置される第1の凸レンズアレイ12aの各々の凸レンズ121aの断面形状が、従来のホモジェナイザと異なる。より具体的に、各々の凸レンズ121aは、最大拡散角βが略等しい従来の凸レンズの断面形状すなわち外周部付近の傾斜が同じ程度の球面凸レンズ921の断面形状と比べて、対称軸近傍の表面の平坦部面積が狭く、かつ平坦部以外の対称軸近傍の表面がより傾斜している。すなわち、各々の凸レンズ121aは、断面形状が錐体状の円錐レンズに近く、その頂部近傍に曲率半径が小さな曲面を有する。
図2の(a)および(b)では、凸レンズ121aの対称軸を基準にしたレンズ曲面の深さ(サグ値)分布を等高線(点線)により示している。また、図2の(a)では、比較のため、球面凸レンズ921の断面形状を破線で示している。
凸レンズ121aおよび凸レンズ121bの表面形状は、対称軸からの動径方向の半径rにおけるサグ値Zを示す非球面レンズ式である式(2)を用いて表現できる。
Figure 0007487809000001
ここで、cは曲率半径Rの逆数(c=1/R)、kはコーニック定数、α~α4は非球面定数である。サグ値Zは凸レンズの深さに相当し、対称軸(r=0)を基準(Z=0)として、rの増加とともに減少(Z<0)する。ここで、半径r、曲率半径R、サグ値Zは長さを単位とし、本例ではμm単位の数値とする。なお、コーニック定数kは無次元の数値である。
非球面定数の高次項を増やすことで多様なレンズ曲面を設定できるが、ここでは非球面定数を用いない(α~α=0)で、曲率半径Rとコーニック定数kで近似する非球面レンズ形状を前提として、凸レンズ121aおよび凸レンズ121bのパラメータ(曲率半径、コーニック定数)をそれぞれ(R、k)および(R、k)で示す。なお、凸レンズ121aの曲率半径がR1、コーニック定数がkであり、凸レンズ121bの曲率半径がR2、コーニック定数がkである。
式(2)は、r=0を対称軸とする回転対称の凸レンズ形状を表すが、凸レンズ121aおよび121bは、XZ断面またはYZ断面のいずれか一方のみが凸レンズ形状で、他方の断面ではレンズ曲面形状を有しないシリンドリカルレンズとしてもよい。その場合、サグ値Zは、式(2)において動径方向の半径rの代わりに凸レンズ形状を成すX軸座標xまたはY軸座標yを用いることにより表される。
入射光として最大拡散角αが10°以上といった広角の発散光が入射する場合、入射光を、入射側の第1の凸レンズアレイ12aの各々の凸レンズ121aにより、対をなす凸レンズ121bの開口部に集光するためには、各々の凸レンズ121aとして、開口数が大きなレンズが必要となる。このとき、凸レンズ121aの開口数NAは、(3)式で規定される。
NA=W/(2f) ・・・(3)
また、凸レンズ121bの開口部に入射した該光を、最大拡散角β≧10°といった広角の発散光に変換して照射平面に拡大投影するためには、各々の凸レンズ121bとして、開口数が大きなレンズが必要となる。このとき、凸レンズ121bの開口数NAは、(4)式で規定される。
NA=W/(2f) ・・・(4)
式(3)および式(4)において、Wは凸レンズ有効面の最大幅(最大直径)、fは凸レンズ121aの焦点距離、fは凸レンズ121bの焦点距離である。なお、入射側の媒質を空気とし、屈折率nの凸レンズ121aに対称軸と平行に入射した後、対をなす屈折率nの凸レンズ121b内に集光するとしたとき、Wの小さな近軸領域の焦点距離f、fは、次式で近似される。
≒n・R/(n-1) ・・・(5-1)
≒n・R/(n-1) ・・・(5-2)
式(5-1)及び(5-2)から分かるように、Wの小さな近軸領域の焦点距離f、fはコーニック定数に影響されない。
したがって、開口数NAの大きな凸レンズであっても、コーニック定数kが負の値の非球面レンズを用いることで、レンズ外周部でレンズ面傾斜角が急激に増加して集光性が劣化する球面レンズと比べて、集光性を改善できる。コーニック定数kは、具体的には、0≧k≧-3が好ましく、-0.5≧k≧-2.5がより好ましい。k=-1は放物面、k=-2は双曲面に相当する。上記kの条件は、開口数NAの大きな凸レンズの集光性向上に有効な非球面レンズの条件として、k、kのいずれにも適用されうる。なお、上記kの条件は、α<10°やβ<10°の場合も適用可能であるが、特に、α≧10°の場合、出射側の凸レンズ121bのコーニック定数kを上記条件を満たすようにするとよい。凸レンズ121aのコーニック定数kについては、後述する条件がより優先的に適用される。
本実施形態のホモジェナイザ12に用いる第1の凸レンズアレイ12aを構成する凸レンズ121aは、光強度分布がガウシアン分布に近似されるような狭い配光角度分布の発散光が入射することを前提に、発散入射光の配光角度分布を変換して凸レンズ121bに集光させて、最終的に照射平面への均一照射を実現するためのものである。したがって、単に凸レンズ121bへの集光性向上のみを目的とする凸レンズとは好ましい形状が異なる。
図3に、本実施形態のホモジェナイザ12における凸レンズ対(対をなす凸レンズ121aおよび凸レンズ121b)による対称軸と平行な入射光の伝搬作用を模式的に示す。図3には、ホモジェナイザ12において凸レンズ対を構成する一対の凸レンズ121aと121bの断面が模式的に示されている。図3に示すように、動径距離rにおける凸レンズ121aの傾斜角は、サグ値Z(r)を有する凸レンズの入射角θに相当する。したがって、凸レンズ121aに入射する対称軸と平行な入射光は、サグ値Z(r)の位置において、入射角θで入射する光となり、入射光に対する当該凸レンズの屈折率nに応じて、スネル屈折則sin(θ)=n・sin(θ)を満たす屈折角θで凸レンズ内を伝搬する。その後、後段の凸レンズ121bの表面で屈折して、対称軸との成す角度θで出射する。屈折率nのホモジェナイザ12内部の伝搬光は、Z軸に対して角度|θ-θ|を成すため、凸レンズ121aの入射面と、伝搬光と対称軸の交点との間のZ軸方向(対称軸方向)の距離はLz=r/tan|θ-θ|で表される。Lzは、0≦r≦(W-G/2)/2の動径距離rに対し、ホモジェナイザ12の厚さT(各凸レンズ対における対称軸方向の最大距離)の0.5~2.0倍の範囲が好ましく、0.7~1.2倍の範囲がさらに好ましい。なお、上記Lzについての記載は、交点が凸レンズ121bの出射面後(Lz≧T)となる場合も該当する。
さらに、各々の凸レンズ121aは、レンズ面中心部領域の平均傾斜角が球面レンズの同領域の平均傾斜角より大きな値であるとともに、レンズ面外周部領域の平均傾斜角が球面レンズと同程度である非球面レンズ形状とする。ここで、レンズ面中心部領域は、XY面内の最大幅がWmax(図2の(b)参照)となる対称軸を含む断面において、対称軸からの動径距離rが、対称軸からの最大動径距離Wmax/2の50%以下(0≦r≦Wmax/4)の領域をいう。また、レンズ面外周部領域は、動径距離rが最大動径距離Wmax/2の50%以上(Wmax/4≦r≦Wmax/2)の領域をいう。
なお、レンズ面の中心部領域を0≦r/(Wmax/2)≦χ、レンズ面の外周部領域を(1-χ)≦r/(Wmax/2)≦1として、0<χ≦0.5を満たすχの値でそれぞれ規定してもよい。例えば、χ=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5としてもよい。いずれのχの設定値においても、球面レンズのレンズ面中心部領域の平均傾斜角に対する凸レンズ121aのレンズ面中心部領域の平均傾斜角の比率Arを、1より大きな値とするとともに、球面レンズのレンズ面外周部領域の平均傾斜角に対する凸レンズ121aのレンズ面外周部領域の平均傾斜角の比率Arを1程度とする。例えば、入射光の波長帯に対する屈折率n=1.5の凸レンズ121aの場合、Arを1.3~3.2の範囲とし、かつArを0.6~1.1の範囲とすることが好ましい。
このように本実施形態では、凸レンズ121aの曲率半径Rを、対を成す凸レンズ121bの曲率半径Rより小さな値とすることで対称軸近傍の平坦領域を減らしている。曲率半径RとRの比R/Rは、0.3~0.7の範囲が好ましく、0.4~0.6の範囲がさらに好ましい。
このとき、屈折率n≒1.5の凸レンズ121bの曲率半径Rは、当該凸レンズ121bのXY面内の最大幅Wmaxに対して、R/Wmax≧0.5が好ましく、R/Wmax≧0.9がより好ましい。このようなR/Wmaxによれば、上述した式(4)、(5-2)より、NA≦0.33が好ましく、NA≦0.19がより好ましい。このとき、θ=arcsin(NA)が10°以上となる。なお、NA=0.33でθ≒19°、NA=0.19でθ≒11°である。このとき、Wmaxは0.05~0.5mmの範囲であってもよい。なお、屈折率nが1.5より大きな凸レンズ121bを用いると、R/Wmaxが同じ値でもNAが大きな値となる。
また、凸レンズ121aのレンズ面外周部領域の傾斜角に関係するコーニック定数kは、対を成す凸レンズ121bのコーニック定数kより小さな負の値とすることが好ましい。具体的には、k=0の球面凸レンズの開口部(レンズ外周部)におけるレンズ面傾斜角より小さな傾斜角となるよう、曲率半径Rに応じてコーニック定数kを設定するのが好ましい。このとき、凸レンズ121bのコーニック定数kは、-3~0の範囲(-3≦k≦0)であってもよい。また、例えば、屈折率n≒1.5の凸レンズ121aのコーニック定数kは、-3~-7の範囲であってもよく、-3~-4の範囲がより好ましい。
凸レンズ121aの傾斜角θの箇所における対称軸と平行な入射光の屈折角θは屈折率nに依存し、ホモジェナイザ内部の伝搬光の角度|θ-θ|も変化する。したがって、ホモジェナイザ12の厚さTと凸レンズ121aおよび凸レンズ121bの幅(WxとWy)を従来と同一とし、前述の屈折率n≒1.5と異なる透光性材料を用いて従来のホモジェナイザと同様の光学機能を実現するためには、角度|θ-θ|が比較対象とされる屈折率n≒1.5のホモジェナイザと同一となるように凸レンズ121aおよび凸レンズ121bのサグ値Z(r)を調整すればよい。
凸レンズ121aおよび凸レンズ121bのサグ値Z(r)の調整は、より具体的には、α~α4=0とした(2)式において、曲率半径RおよびRとコーニック定数kおよびkを調整する。
屈折率nが大きなほど、角度|θ-θ|が同一となる凸レンズ面の傾斜角が低下し、凸レンズ121aの最大サグ値Saおよび凸レンズ121bの最大サグ値Sb(図3参照)を小さくできるため、ホモジェナイザ12の加工性が向上する。第1の凸レンズアレイ12aおよび第2の凸レンズアレイ12bの屈折率nは、例えば、1.6~2.1であってもよい。その場合、第1の凸レンズアレイ12aおよび第2の凸レンズアレイ12bが加工される透光性基板10は、凸レンズアレイと屈折率の異なる透光性無機材料であってもよい。例えば、屈折率n≒1.5の透光性ガラス基板の両面に、屈折率n=2.1の透光性誘電体を最大サグ値Saの第1の凸レンズアレイ12aおよび最大サグ値Sbの第2の凸レンズアレイ12bとなるように形成してもよい。
次に、図4を参照して、ホモジェナイザ12における一つの凸レンズ対の作用について説明する。図4の(a)~(c)は、本実施形態のホモジェナイザ12の凸レンズ対(対をなす凸レンズ121aおよび凸レンズ121b)のレンズ作用を示す断面図である。図4の(a)~(c)では、それぞれ注目する光路を斜線パターンで示している。図4の(a)に示す例は、凸レンズ121aの対称軸位置(レンズ面中心部)に入射する対称軸に略平行な入射光束に対する作用例であり、図4の(b)および(c)に示す例は、凸レンズ121aの対称軸外に入射する対称軸に略平行な入射光束に対する作用例である。
図4の(a)に示すように、凸レンズ121aの対称軸位置に略平行に入射する光束は、凸レンズ121aの平坦部に入射するため、従来のホモジェナイザと同等の、狭角の拡散角で対をなす凸レンズ121bから出射する。一方、対称軸位置より少し外れた凸レンズ121aの傾斜面に略平行に入射する光束は、図4の(b)および(c)に示すように、拡散角の幅(すなわち、光束の拡がり度合い)は変わらないが、凸レンズ121aによる屈折作用が大きいため進行方向がより外向き(すなわち、広角となる方向)に変化し、対をなす凸レンズ121bへは対称軸からより外側にずれた領域に入射する。その結果、対をなす凸レンズ121bによってより大きな拡散角の発散光となって出射する。なお、レンズ面の対称軸近傍をより多くの平坦面が占める従来のホモジェナイザでは、凸レンズ121aの対称軸近傍の対称軸から外れた領域に略平行な入射光束が入射しても、図4の(a)相当の狭い拡散角の出射光となる。
このように、本実施形態では、凸レンズ121aのレンズ面の特に対称軸近傍の領域(レンズ面中心部領域)の傾斜を大きくすることにより、入射拡散光のうち各凸レンズ121aの対称軸に略平行で対称軸近傍のレンズ面に入射する光束を、従来のホモジェナイザに比べて拡散角の大きな(広角の)発散光に変換して、対をなす凸レンズ121bから出射するようにしている。
図4の(b)および(c)の斜線パターンで例示するように、各々の凸レンズ121aの対称軸近傍領域を直進透過する光束成分を、従来よりも拡散角の広い発散光に変換する。そのため、発散光束の中心角度軸が光強度分布の最大値となるガウシアン分布に近似されるような狭い配光角度分布の光強度分布をもつ出射光のLD光源を用いる場合、照射面の光強度分布の調整に有効である。特に、狭い配光角度分布の光強度分布を有する発散光を、複数の凸レンズ対からの出射光の重ね合わせにより広角の発散光に変換して所定の照射平面を均一照明する場合、図29の(b)に示すように対称軸からの動径方向の角度θの増加に伴い凸レンズ121bからの出射光の光強度はコサイン4乗則に沿って低下する。すると、各々の凸レンズ121bからの光強度分布は裾側に行くほど光強度が小さくなりやすい。一方で、本実施形態のホモジェナイザ12を用いることにより、ホモジェナイザ12の入射光の配光角度分布に対する各々の凸レンズ121bへの入射光の光強度分布を、凸レンズ121bと対をなす凸レンズ121aのレンズ面形状(特に中心部領域の傾斜角)やホモジェナイザ12の入射光の波長帯に対する屈折率nにより調整できる(特に、対称軸付近の入射光束をより動径方向に拡散させられる)ため、均一性が改善できる。
一例として、ホモジェナイザ12において、凸レンズ121aの対称軸を含むレンズ面中心部領域へ入射する対称軸に平行な入射光のレンズ内部伝搬角|θ-θ|の平均(以下、レンズ内部平均伝搬角という)が、球面レンズのレンズ内部平均伝搬角の1.3倍以上となるように、凸レンズ121aの中心部領域の傾斜角(例えば、曲率R、コーニック定数k)や屈折率nを調整してもよい。
後述の実施例でも示すが、本実施形態のホモジェナイザ12によれば、例えば、レーザ光源から出射される最大拡散角αが12°程度のガウシアン分布を有する入射光に対して、最大拡散角βが12°以上でかつ所定の照射平面における光強度分布が85%以上や90%以上である発散光を出射できる。ここで、光強度分布とは、所定の照射平面において中心の光強度を100%としたときの、該照射平面において光強度が最も小さい位置の光強度をいう。
例えば、放射角の大きい入射光(例えば、α≧10°)をホモジェナイザ12が同等もしくはそれ以上の拡散角(例えば、β≧10°)でかつ照射平面に均一照射される発散光に変換して出射することを考えた場合、球面レンズを有する従来のレンズアレイ対では、照射面での強度分布を均一化しようとしても有効な特性は得られない。一方で、本実施形態のレンズ形状によれば、そのような放射角の大きな入射光に対しても広い角度範囲への均一照射を実現できる。
なお、第1の凸レンズアレイ12aに入射する光のうち発散光成分は、各々の凸レンズ121aの焦点面の軸外に集光するが、該光が凸レンズ121aと対を成す凸レンズ121b面内に集光するように、凸レンズ121aのレンズ面形状が調整される点は従来と同様である。
[実施形態2]
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図5は、第2の実施形態のホモジェナイザ22の第1の凸レンズアレイ22aを構成する凸レンズ221aの例を示す模式断面図および模式平面図である。図5に示すように、本実施形態のホモジェナイザ22は、第1の実施形態のホモジェナイザ12と比べ、光入射側の第1の凸レンズアレイ22aを構成する各々の凸レンズ221aの構成および作用が異なる。なお、透光性基板20および光出射側の第2の凸レンズアレイ22bを構成する凸レンズ221bの構成および作用は第1の実施形態の透光性基板10および光出射側の第2の凸レンズアレイ12bを構成する凸レンズ121bと同じである。
本実施形態の凸レンズ221aは、対称軸近傍の略平坦なレンズ表面領域(例えば、レンズ面中心部領域)に位相回折格子23が形成されている。図5の(a)には、凸レンズ221aの対称軸を基準にしたレンズ曲面の深さ(サグ値)分布が等高線(点線)で示されている。また、図5の(b)には、凸レンズ221a表面に同心円の溝が加工された位相回折格子23の凹部が黒太線で示されている。
図5の(a)に示すように、凸レンズ221aのレンズ面中心部領域にZ軸方向に入射する光は、位相回折格子23の凹凸部の周期Pおよび入射光の波長λに応じて、式(6)で規定する回折角γの方向に回折する光となって透光性基板20内を伝搬する。
sin(γ)=m・λ/(n・P) ・・・(6)
ここで、nは凸レンズ221aの屈折率、mは回折次数(整数値)である。式(6)は、位相回折格子23の周期Pおよび屈折率nによりm次回折光の回折角γを調整できることを示している。また、位相回折格子23の凹部の深さdにより凹部と凸部の透過光の位相差2π(n-n)・d/λが変化し、m次回折光の回折効率を調整できる。nは凹部の屈折率(空気の場合は1)である。
例えば、位相回折格子23の凹部と凸部の幅が同じで断面が矩形形状の場合、発生する回折光は0次と奇数次のみとなる。さらに、位相差がπとなる凹部深さd=λ/{2(n-n)}で、0次透過光が最少となり、±1次回折効率が最大略40%となる。|m|≧3の奇数次回折光は±1次回折効率にm-2を乗じた効率となる。位相差が0~πとなる凹部深さdとすることで、0次透過光と±1次回折光の光量を調整できる。
図6において斜線パターンで例示するように、凸レンズ221aの対称軸近傍のレンズ面表面に、対称軸と略平行に入射する光束は、位相回折格子23による回折作用により回折されて進行方向がより外向き(すなわち、広角となる方向)に変化し、対をなす凸レンズ221bへは対称軸からより外側にずれた領域に入射する。その結果、凸レンズ221bによってより大きな拡散角の発散光となって出射する。図6には、位相回折格子23の位相差がπの場合に出射される±1次回折光の光束が例示されている。なお、位相回折格子23の位相差を0~πの範囲に設定することにより、0次透過光の光束も発生し、0次透過光と±1次回折光の光量比を変化させることができる。これにより、凸レンズ221bのレンズ面に入射させる光の光強度分布(すなわち拡散角に対応した入射位置に対する光強度分布)、ひいては照射面の光強度分布を調整することができる。
すなわち、本実施形態のホモジェナイザ22によれば、ホモジェナイザ22の入射光の配光角度分布に対する各々の凸レンズ221bへの入射光の光強度分布を、位相回折格子23を用いて調整できるため、均一性が改善できる。
なお、図5に示す例では、位相回折格子23の凹凸部を凸レンズ221aの対称軸を中心とする一定周期Pの同心円状としたが、周期Pを動径方向で変化させて回折角を調整することも可能である。また、凹部の断面形状を鋸波状としたブレーズ回折格子あるいは鋸波を階段状ステップに分割した疑似ブレーズ回折格子とすることで、特定回折次数の回折効率を高くすることも可能である。
一例として、凸レンズ121aを用いた第1の実施形態のホモジェナイザ12により得られる光学機能を、凸レンズ221aを用いた第2の実施形態のホモジェナイザ22で実現できるように位相回折格子23を設計してもよい。
図3に示したように、第1の実施形態のホモジェナイザ12では、凸レンズ121aの動径距離rの位置に対称軸と平行に入射した光は、凸レンズ121aの屈折作用によりホモジェナイザ内部を対称軸と角度|θ-θ|を成す方向に伝搬する。したがって、第2の実施形態のホモジェナイザ22で同様の効果を実現するためには、位相回折格子23が形成される凸レンズ221aの中心部領域を0≦r/(Wmax/2)≦χ(ただし、0<χ≦0.5)とすると、凸レンズ221aの屈折および回折作用によりホモジェナイザ内部を伝搬する光線の角度|θ-θ|が凸レンズ121aを用いた場合の角度|θ-θ|と同一となるように、位相回折格子23の形状およびレンズ面外周部領域の平均傾斜角を調整すればよい。
位相回折格子23の断面形状および格子深さに応じて、複数の回折次数mの回折光(m=0、±1、±2、・・・)が発生するため、ホモジェナイザ内部を伝搬する光線の角度|θ-θ|が複数発生する場合は、各回折次数の回折効率を考慮した平均角度|θ-θ|が凸レンズ121aを用いた場合の角度|θ-θ|と同一となる位相回折格子23とすればよい。特定の回折次数m(m≠0)の回折効率が80%以上となるブレーズ位相回折格子あるいは疑似ブレーズ位相回折格子は、屈折レンズと回折レンズを併用した機能を有する。位相回折格子23は凸レンズ221aの中心部領域における直進透過光成分を低減する目的であるため、χは0.05≦χ≦0.3がより好ましい。
なお、第1および第2の実施形態のホモジェナイザ以外にも、光入射側の第1の凸レンズアレイを構成する各々の凸レンズの対称軸近傍の表面(特に平坦に近い領域)に入射する直進透過光の一部を拡散光(すなわち、対となる光出射側の凸レンズのレンズ面において対称軸位置を外した位置に入射する光)とする表面形状であれば、同様の均一拡散照明機能が得られる。
[第3の実施形態]
第1および第2の実施形態のホモジェナイザ(12、22)は、レンズ曲面が軸対称でXY平面の外形が四角形(Wx×Wy)の凸レンズをそれぞれアレイ状に加工した第1の凸レンズアレイ(12a、22a)と第2の凸レンズアレイ(12b、22b)とで構成されるため、凸レンズ面の最大直径および最大深さ(最大サグ値)は四角形の対角方向となる。外形が正方形(W=Wx=Wy)の場合、各凸レンズの最大幅(Wmax)は式(7)で表される。また、球面レンズでは正方形の辺(X軸およびY軸)方向に比べてレンズ深さは2倍となる。
Figure 0007487809000002
また、凸レンズアレイの各々において、四角形凸レンズの角部で最大傾斜角の4個の凸レンズ面が不連続的に交わり最大サグ値の構造となるため、レンズ形状を精度良く加工することが困難となり、連続的に傾斜角が変化する凹面領域が生じやすい。その結果、特に最大拡散角β≧15°の広角で照射平面を均一に照明することを目的とする場合、所望の特性を実現するホモジェナイザが得られない場合がある。このような課題を解決するために、第3の実施形態におけるホモジェナイザ32では、面対称の凸レンズ断面形状を有する(すなわち凸型の)シリンドリカルレンズアレイを用いる。
図7は、第3の実施形態におけるホモジェナイザ32の斜視図である。図7に示すように、本実施形態のホモジェナイザ32は、X軸方向にのみレンズパワーを有するX軸用のホモジェナイザ(凸レンズアレイ対)32xと、Y軸方向にのみレンズパワーを有するY軸用のホモジェナイザ(凸レンズアレイ対)32yを含む一対のホモジェナイザにより構成される。ホモジェナイザ32xとホモジェナイザ32yとは、レンズ作用を有する軸方向が互いに90°異なるように、光進行方向である光軸方向に直列に配置されている。なお、レンズパワーをレンズ作用とも呼ぶ。
図8は、ホモジェナイザ32xの例を示す断面図および平面図である。また、図9は、ホモジェナイザ32yの例を示す断面図および平面図である。
図8に示すように、ホモジェナイザ32xは、平板状の透光性基板30xの2つの表面(第1面および第2面)にそれぞれ面対称の凸レンズ断面形状を有する第1のシリンドリカルレンズアレイ32xaおよび第2のシリンドリカルレンズアレイ32xbを備える。第1のシリンドリカルレンズアレイ32xaおよび第2のシリンドリカルレンズアレイ32xbはそれぞれ、XZ断面では第1の実施形態のホモジェナイザ12の第1の凸レンズアレイ12aおよび第2の凸レンズアレイ12bと同様の凸レンズアレイ断面を有するが、YZ断面ではレンズパワーを有さない。
また、図9に示すように、ホモジェナイザ32yは、平板状の透光性基板30yの2つの表面(第1面および第2面)にそれぞれ面対称の凸レンズ断面形状を有する第1のシリンドリカルレンズアレイ32yaと第2のシリンドリカルレンズアレイ32ybとを備える。第1のシリンドリカルレンズアレイ32yaおよび第2のシリンドリカルレンズアレイ32ybはそれぞれ、YZ断面では第1の実施形態のホモジェナイザ12の第1の凸レンズアレイ12aおよび第2の凸レンズアレイ12bと同様の凸レンズアレイ断面を有するが、XZ断面ではレンズパワーを有さない。
なお、凸型のシリンドリカルレンズも広義の凸レンズに含まれる。以下では、凸型のシリンドリカルレンズアレイを凸レンズアレイと呼ぶ場合がある。また、ホモジェナイザ32x、32yの各々において、光入射側に配置される第1のシリンドリカルレンズアレイの各凸レンズに相当する各シリンドリカルレンズを第1の凸レンズ、光出射側に配置される第2のシリンドリカルレンズアレイの各凸レンズに相当するシリンドリカルレンズを第2の凸レンズとして、それら各々の凸レンズの母線方向に垂直な断面をレンズ断面、該レンズ断面における対称面の位置を(該レンズ断面における)対称軸と呼ぶ場合がある。
本実施形態では、光源からの発散光がまずホモジェナイザ32xに入射し、該光は、ホモジェナイザ32xによりX軸方向の光強度分布が照射面で均一化されるようにホモジェナイザ32yに入射する。ホモジェナイザ32yに入射した該光は、ホモジェナイザ32yによりY軸方向の光強度分布が照射面で均一化されるように出射される。その結果、第1の実施形態のホモジェナイザ12と同様の均一拡散照明機能が得られる。
なお、ホモジェナイザ32xと32yのZ軸方向の順序は特に問わない。すなわち、ホモジェナイザ32xとホモジェナイザ32yのいずれが光入射側でもよい。また、ホモジェナイザ32の小型化の点で、ホモジェナイザ32xとホモジェナイザ32yとの間隔は狭いほど好ましい。ホモジェナイザ32xおよび32yの入射光ビーム径に対し、それらホモジェナイザにおいて各々のシリンドリカルレンズアレイを構成する各々のシリンドリカルレンズ321(より具体的には321xa、321xb、321ya、321yb)は、各々のシリンドリカルレンズアレイが形成される面内のX方向またはY方向において好ましくは4個以上、より好ましくは5個以上、さらに好ましくは7個以上含まれるようにレンズ幅(図中のWx、Wy)を設定する。
本実施形態では、各々のシリンドリカルレンズアレイ(32xa、32xb、32yaおよび32yb)の各々のシリンドリカルレンズ(321xa、321xb、321yaおよび321yb)のレンズの最大深さ(サグ値)およびレンズ面の最大傾斜角を減少でき、また凸レンズ面が不連続的に交わるレンズ境界部を線状とできるので、最適設計のレンズ形状を精度よく加工できる。したがって、所望の広角拡散均一照明を実現するホモジェナイザが容易に得られる。
また、基板に対して光入射側に設けられるシリンドリカルレンズアレイ32xaおよび32yaの他の構成例として、各々のシリンドリカルレンズ(321xa、321ya)の対称面近傍の、表面が平坦に近い領域、例えば、レンズの母線方向に垂直な断面においてレンズ面中心部領域に相当する領域(以下、単にレンズ面中心部領域という)に、対称面と平行方向に直線状の凹溝が延びた位相回折格子を形成してもよい。シリンドリカルレンズにおけるレンズ面中心部領域は、レンズの母線方向に垂直な断面において対称面のある位置からの動径距離rが同位置からの最大動径距離W/2の50%以下(0≦r≦W/4)の領域としてもよいし、0<χ≦0.5の範囲をとるχに対して0≦r/(W/2)≦χを満たす領域としてもよい。
換言すると、本実施形態のホモジェナイザ32xの他の例として、第1のシリンドリカルレンズアレイ32xaおよび第2のシリンドリカルレンズアレイ32xbがそれぞれ、XZ断面では第2の実施形態のホモジェナイザ22の第1の凸レンズアレイ22aおよび第2の凸レンズアレイ22bと同様のレンズ断面を有するが、YZ断面ではレンズパワーを有さない形状のシリンドリカルレンズアレイであってもよい。また、ホモジェナイザ32yの他の例として、第1のシリンドリカルレンズアレイ32yaおよび第2のシリンドリカルレンズアレイ32ybがそれぞれ、YZ断面では第2の実施形態のホモジェナイザ22の第1の凸レンズアレイ22aおよび第2の凸レンズアレイ22bと同様のレンズ断面を有するが、XZ断面ではレンズパワーを有さない形状のシリンドリカルレンズアレイであってもよい。
このように構成することにより、第2の実施形態と同様の均一拡散照明機能が得られる。
[ホモジェナイザの他の構成]
また、上記の各実施形態のホモジェナイザにおいて、空気と接するレンズ表面(例えば、第1の凸レンズアレイ12a、第1の凸レンズアレイ22a、第1のシリンドリカルレンズアレイ32xa、第1のシリンドリカルレンズアレイ32ya、第2の凸レンズアレイ12b、第2の凸レンズアレイ22b、第2のシリンドリカルレンズアレイ32xbおよび第2のシリンドリカルレンズアレイ32ybの空気と接するレンズ表面)には、屈折率の相違に起因して発生するフレネル反射光を低減するため、入射光の波長および入射角範囲に対応した公知の誘電体多層膜設計に基づく反射防止膜(図示せず)を形成することが好ましい。
また、上記の各実施形態のホモジェナイザにおいて、各々の凸レンズの境界部の幅すなわち境界部において互いのレンズのレンズ面の動径に対する傾斜角変化の符号が変わる変曲点を結んだ距離Gが小さなほど照射面の強度分布を劣化させる迷光の発生を抑制できる。具体的には、各々の凸レンズの幅W(WxまたはWy)に対するGの比率であるG/Wは、10%以下が好ましく、5%以下がより好ましく、3%以下がさらに好ましく、特に2%以下が好ましい。また、距離Gは10μm以下が好ましく、特に光入射側の第1の凸レンズアレイ(第1の凸レンズアレイ12a、22a、第1のシリンドリカルレンズアレイ32xa、32ya)において隣接する凸レンズ間の境界部分の距離Gは5μm以下がより好ましい。
また、上記の各実施形態のホモジェナイザにおいて、各々の凸レンズの幅W(WxおよびWy)は20~500μmの範囲が照明装置の小型化および均一照明の点で好ましく、50~200μmの範囲がさらに好ましい。また、ホモジェナイザの厚さに対応する第1の凸レンズアレイと第2の凸レンズアレイの間隔Tは、各々の凸レンズの幅Wと略比例して設定され50~3000μmが好ましく、さらに透光性基板の両面に凸レンズアレイ形状を安定して作製する観点から、T=100~1000μmの範囲とすることがより好ましい。
また、上記の各実施形態では、ホモジェナイザが備える一対の凸レンズアレイの構成として、光軸合わせの容易性から、屈折率nの透光性基板10の両面に凸レンズアレイを設ける例を示したが、例えば、図24に示したように、凸レンズアレイが一方の面に形成された2つの透光性基板を、それぞれのレンズ面が内向きに対向して配置する構成であってもよい。そのような場合であっても、光入射側に配置される凸レンズアレイを第1の凸レンズアレイ、光出射側に配置される凸レンズアレイを第2の凸レンズアレイとする。なお、2つの凸レンズアレイが離れて構成されていても、第1の凸レンズアレイの各凸レンズである第1の凸レンズと、第2の凸レンズアレイの各凸レンズである第2の凸レンズとが、対向しつつ同一の対称軸を有する凸レンズ対をなすものとする。
ただし、上記構成における第1の凸レンズの内部平均伝搬角|θ-θ|は、第1の凸レンズアレイが形成されている屈折率nの第1の透光性基板に対して対称軸に平行に光が入射したときの、第1の凸レンズのレンズ面における入射角θと出射角θの関係として定義されるものとする。したがって、この場合の内部平均伝搬角における「内部」は一対の凸レンズアレイを1つの光学部材とみなしたときの該光学部材の内部を指す。
[実施形態4]
次に、本発明の第4の実施形態として、上記のホモジェナイザを用いた照明装置について説明する。図10は、第4の実施形態における照明装置100の例を示す断面図である。図10に示すように、本実施形態の照明装置100は、パッケージ13に実装固定されたレーザ光源11と、レーザ光源11から放射される光束15が入射する、パッケージ出射面側に配置されたホモジェナイザ12とを備える。なお、図10では、レーザ光源11から放射される光束15を、照射平面17において均一照射を実現するより広角な発散光16に変換して出射する光学素子の例として、第1の実施形態のホモジェナイザ12を例示しているが、該光学素子は、第2の実施形態のホモジェナイザ22や第3の実施形態のホモジェナイザ32であってもよい。
照明装置100は、レーザ光源11の安定動作および長期信頼性を確保するために、耐熱性および放熱性の高いパッケージ材料およびホモジェナイザを用いるとともに、レーザ光源11をパッケージ13内に気密封止することが好ましい。さらに、照明装置100は、必要に応じてパッケージ13内を乾燥窒素等の不活性ガス14で満たすとより好ましい。なお、図10では、レーザ光源11に電圧・電流を供給する電源および電気配線や、レーザ光源11を冷却するヒートシンク等の図示を省略している。
照明装置100において、レーザ光源11は、最大放射角δのガウシアン光強度分布の光束15を放射する。該光束15は、そのまま最大入射角α(α=δ)の光束15となってホモジェナイザ12を透過することで最大拡散角βの発散光16となり、照射平面17において均一の光強度分布となって照明される。
なお、図10では、ホモジェナイザ12をパッケージ13に一体化した照明装置100の例を示しているが、照明装置100は、パッケージ13とホモジェナイザ12とを別体で配置することも可能である。
レーザ光源11としては、300~2000nmの波長範囲内の特定波長で発振するLDが小型で高い発光輝度を有するため、適する。レーザ発光点は単一でも、複数発光点がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源でもよい。複数のレーザ発光点を高密度に生産性よく集積化できる面発光レーザ(VCSEL)を用いることにより、発光点数を増やすことで出射レーザ光強度を増加調整できるため、照射面積が大きな照明装置100のレーザ光源11に適する。面発光レーザの発振波長は780~1300nmの近赤外域が主流だが、非線形光学結晶を用いて波長変換することにより400~700nmの可視波長域のレーザ光源とすることもできる。
レーザ光源11として、レーザ活性層を光導波路構造として導波路端面の反射でエタロン共振器構造とするファブリペロ型LDの半導体チップをアレイ状に配置したものを用いてもよい。ファブリペロ型LDは、レーザ活性層の光導波路構造の幅を拡げることで高光出力が得られ、GaN結晶系を用いることで紫外~緑の発振波長のレーザ光源となる。
LDの出射光は、一般的にガウシアン光強度分布に近似される不均一分布である。面発光レーザの場合は軸対称な放射角光強度分布で、FFP(対称軸中心の最大光強度のe-2の光強度比となる放射全角)が9~20°程度である。ファブリペロ型レーザの場合は、レーザ活性層の断面形状が異なるため、光導波路面内水平方向(H)と垂直方向(V)でFFPが異なるガウシアン光強度分布で、FFP(H)=6~15°、FFP(V)=20~40°程度である。なお、前述の最大放射角δとFFPとの関係は、FFP=2×δである。
本発明の照明装置100に用いるレーザ光源11は、最大放射角δが相対的に小さな指向性の高い面発光レーザが好ましい。また、単一レーザ発光点から構成されるレーザ光源の出射光強度は低出力に留まるため、複数の面発光レーザ発光点を有するレーザアレイ光源を用いることが好ましい。
レーザ光源11は、例えば、図28の(a)および(b)に示すような、半導体基板11aに、X軸方向の間隔aでNa個、Y軸方向の間隔bでNb個のレーザ発光点11bを配列したレーザアレイ光源でもよい。このとき、間隔aおよびbは20~100μmの範囲が好ましく、各々のレーザ発光点11bから放射されるガウシアン光強度分布の光束の放射角(半角)δは4~9°程度が好ましい。
例えば、単一レーザ発光点の出射光強度を20mW、間隔a=b=50μmとすると、Na=Nb=10すなわち100個アレイの場合、総光量2Wで、発光面が0.5mm×0.5mmのレーザ光源11となる。また、例えば、Na=Nb=100すなわち10000個アレイの場合、総光量200Wで、発光面が5mm×5mmのレーザ光源11となる。
また、各レーザ発光点から放射される光束の放射角δ=8°とすると、レーザ発光点からホモジェナイザの入射面までの距離Lが3.6mm以上であれば、隣り合うレーザ発光点からの放射光と重なり合うとともに、レーザ光源11の発光面積(X軸方向:Na×aおよびY軸方向:Nb×b)より2・L・tan(δ)だけ拡がった不均一光強度分布の光束がホモジェナイザ12に入射する。
このとき、ホモジェナイザ12に入射する光束内に、ホモジェナイザ12を構成する第1の凸レンズアレイと第2の凸レンズアレイにおける凸レンズのアレイ数(NxおよびNy)をそれぞれ4個以上すなわち合計:Nx×Ny≧16が含まれるのが好ましい。また、該アレイ数を、X方向およびY方向それぞれで、5個以上(合計≧25)や、7個以上
(合計≧49)とすることにより、光入射側の第1の凸レンズアレイの各々の凸レンズからの出射光が照射平面17でより多く重畳され、光強度分布の均一性が向上する。
以上のように、本実施形態によれば、小型で高輝度のレーザ光源11を用いて、比較的短距離の照射平面に対して最大拡散角βが広角となる発散光を均一強度分布にて効率よく照明する小型な照明装置100を提供できる。なお、レーザ光源11として、上記のようなVCSELアレイ光源に限らず、ファブリペロ型レーザアレイ光源や、単一発光面のレーザ光源を用いても、同様の機能を有する照明装置100を提供できる。
また、レーザ光源に限らず、従来の放電発光ランプを光源として用いても、上記のホモジェナイザ12、22、32を用いることにより、比較的短距離の照射平面に対して最大拡散角βが広角となる拡散光を均一強度分布にて効率よく照明する照明装置を提供できる。
[実施形態5]
次に、本発明の第5の実施形態として、上記のホモジェナイザを用いた照明装置の他の例について説明する。図11は、第5の実施形態における照明装置110の例を示す断面図である。図11に示す照明装置110は、第4の実施形態の照明装置100のレーザ光源11に代わり、複数のレーザ光源112から放射された出射光を、レンズ113により光ファイバ114に集光して伝送し、光ファイバ114の光出射端を束ねてアレイ状に配置したものを、パッケージ13内のレーザ光源すなわちホモジェナイザ12に対するレーザ光源(より具体的にはレーザ発光点アレイ)111として用いている点が異なる。
レーザ光源111では、光ファイバ114の光出射端が図28の(a)に示す複数のレーザ発光点11bに相当する。なお、半導体基板11aは、複数の光ファイバ114の光出射端を束ねる固定治具に代わられる。
複数のレーザ光源112は、レンズ113により光ファイバ114に効率よく集光して伝送できるレーザ光源であればいずれでもよい。石英系の光ファイバ114では、波長190~2400nmのLD波長を伝搬するマルチモード光ファイバが利用可能で、例えば、開口数NA=0.22(放射角δ=12.7°)で、コア径50μm、クラッド径125μmである。したがって、このようなレーザ光源112を複数用いて、放射角δ=12.7°で発光点間隔が略125μmの複数のレーザ発光点を有するレーザ光源111として使用できる。
上記の各実施形態のホモジェナイザ(12、22、32)によれば、レーザ発光点の位置ずれに伴う照射平面での光強度分布変化が生じないため、複数の光ファイバ114の光出射端の間隔が一定でなくとも照明装置110の特性を維持できる。
本実施形態の照明装置110によれば、レーザ光源112と、レーザ発光点とを光ファイバ114により任意の距離で配置できるため、レーザ電源や冷却方式の設計自由度が増し、種々の照明用途に展開できる。
(実施例1)
以下、具体的な数値を用いて上記の実施形態の例を示す。まず、第1の実施例(より具体的には、実施例1-1~1-10)として、図1および図2に示す第1の実施形態のホモジェナイザ12の例を示す。本例のホモジェナイザ12はいずれも、使用波長における屈折率n=1.50で厚さT=280μmのガラス基板である透光性基板10の第1面と第2面に、XY面内でWx=100μm、Wy=80μmの長方形で対称軸が同じ凸レンズ対(凸レンズ121a,121b)を、Nx=10、Ny=12となる合計120個、アレイ状に配置して第1の凸レンズアレイ12aおよび第2の凸レンズアレイ12bを形成する。凸レンズ121aおよび凸レンズ121bはいずれもレンズ断面形状がZ軸に平行な回転軸において対称であり、対をなす凸レンズ121aおよび121bが対称軸を共有する。
図12は、第1の実施例のホモジェナイザ12における各々の凸レンズ121aのレンズ形状を示す説明図である。本例では、ホモジェナイザ12における各々の凸レンズ121aのレンズ面形状を、上述の(2)式においてα~α4=0とした場合の曲率半径Rおよびコーニック定数kで近似される非球面レンズ形状とした。
なお、図12において、実線で示すレンズ面形状は比較例1:(R、k)=(100、0)である。また、実施例1-1~1-10が対応するR、kは表1の通りである。なお、表1には実施例以外に、比較例および参考例のパラメータも示されている。図12では、表1に示す比較例1および実施例1-1~1-10のパラメータによる非球面レンズ形状の計算結果を示している。
Figure 0007487809000003
また、図13に、比較例1および実施例1-1~1-10のホモジェナイザ内部を伝搬する光線(伝搬光)の角度|θ-θ|の計算結果を示す。図12に示すように実施例1-1~1-10の各々のホモジェナイザ12における凸レンズ121aの断面形状は、比較例1に比べ、レンズ面中心部領域(r<30μm)の傾斜角が大きく、平坦部が狭い。また、レンズ面外周部領域(r>40μm)の傾斜角が略一定で、単調に増加する比較例1と異なる。すると、図13に示すように、凸レンズ121aの断面形状に対応して、ホモジェナイザ12内部の伝搬光の進行方向の角度|θ-θ|は、比較例1では動径距離(半径)rの増加とともに略線形的に増加するのに対して、実施例1-1~1-10では動径距離(半径)rの増加に対して線形増加しない。より具体的には、実施例1-1~1-10のホモジェナイザ12は、レンズ面中心部領域(r<30μm)では比較例1-1より大きな角度|θ-θ|を維持しつつ変化量は低下し、レンズ面外周部領域(r>40μm)では角度|θ-θ|の変化量は大幅に低下し、r>55μmではいずれの実施例も比較例1の角度|θ-θ|より小さな値となる。
なお、本実施例1-1~1-10では、第2の凸レンズアレイ12bの凸レンズ121bを、(R、k)=(100、0)の球面レンズとした。
図14~図16に、本実施例1-1~1-10のホモジェナイザ12を組み込んだ図10に示す照明装置100による照射平面17上の光強度分布の計算結果を示す。各例のホモジェナイザ12は、図10に示す照明装置100の、レーザ光源11が実装されたパッケージ13の光出射窓に装着した。また、D=100mmとした。また、レーザ光源11は、出射光が波長850nmで拡散角δ=8°であり、その出射光強度分布がガウシアン強度分布である面発光レーザを、間隔a=b=50μmで、Na=Nb=5の合計25個をアレイ状に配置した構成とした。なお、レーザアレイ発光面は0.25mm×0.25mmであり、レーザアレイ発光面とホモジェナイザ12の間隔Lは0.5mmである。
なお、図16(c)には、比較例1のホモジェナイザを組み込んだ図10に示す照明装置100による照射平面17上の光強度分布の計算結果を示している。
また、図17に、参考例1~4のホモジェナイザを組み込んだ図10に示す照明装置100による照射平面17上の光強度分布の計算結果を示す。ここで、参考例1~4はそれぞれ各々の凸レンズ121aのレンズ形状を(R,k)=(150、-4)、(20、-4)、(50、-1)、(50、-2)とした例である。
なお、各図において、光強度分布を、80mm×80mmの照射面内における最大光強度で規格化した相対値を%で表している。
図14~図17に示すように、実施例1-1~1-10のホモジェナイザを用いることにより、X軸方向は幅略50mmで、Y軸方向は幅略40mmで、90%以上の光強度分布となり、球面凸レンズ921を用いた比較例1に比べ照射平面の光強度分布が均一化されている。また、参考例1~3では、比較例1の光強度分布を劣化させることがわかる。なお、参考例4:(R,k)=(50、-2)では、X軸方向は幅略50mmで、Y軸方向は幅略40mmで、85%以上の光強度分布となり、球面凸レンズ921を用いた比較例1に比べて照射平面の光強度分布は均一化されることがわかるが、実施例1-1~1-10には及ばない。
このように、凸レンズ121aにはレーザ光源および照射面の使用条件に応じて最適形状範囲が有り、それらは光学設計に基づき決定できる。
また、本実施例によれば、ホモジェナイザ12から距離100mmの照射平面において、Y軸上でX軸方向の幅50mmの範囲およびX軸上でY軸方向の幅略40mmの範囲で90%以上の光強度均一性を実現できる。この照射範囲をX軸およびY軸方向の拡散角(半角)βに換算すると、βx=14.0°およびβy=11.3°となり、最大拡散角となる長方形照射平面対角方向ではβmax=17.8°となる。なお、ホモジェナイザと照射平面の距離を変えることで、均一照射面積を調整できる。
また、図18の(a)および図19の(a)に、実施例1-5および比較例1を各々用いた上記の照明装置100における照射平面の光強度分布(規格化)をXY平面で階調表示した結果を示す。なお、図18に示す階調表示が実施例1-5の計算結果であり、図19に示す階調表示が比較例1の計算結果である。なお、図18の(b)および図19の(b)はそれぞれ、説明を分かりやすくするために、(a)で示される光強度分布を10%毎の階調表示とした上で白黒二値画像に変換したものである。
図18および図19に示すように、比較例1のホモジェナイザを用いた場合、光強度分布が最も低下する照射平面の角部(最大拡散半角βmax=17.8°)では、略70%に低下するが、実施例1-5のホモジェナイザ12を用いた場合、同様の角部でも略80%以上を維持する。
表2に、実施例1-1~1-10、比較例1および参考例1~4のホモジェナイザにおいて用いられる光入射側の凸レンズアレイの各々の凸レンズ(121a相当)について、最大幅Wmaxに対するレンズ面領域毎のレンズ面平均傾斜角の計算値を示す。なお、凸レンズ(121a)の幅はWx=100μm、Wy=80μmの長方形のため、Wmax=128μmとなる。なお、レンズ面領域の区分は、レンズ面中心部領域を0≦r/(Wmax/2)≦χ、レンズ面外周部領域を(1-χ)≦r/(Wmax/2)≦1としたときの、χ=0.125、0.20、0.30、0.40、0.50に対応している。なお、ホモジェナイザの屈折率nを1.5とした。なお、表2において、さらにR=100μm、k=0の球面レンズである比較例1のレンズ面領域毎のレンズ面平均傾斜角を基準に規格化した結果も併せて示す。
Figure 0007487809000004
表2に示すように、実施例1-1~1-10のホモジェナイザ12において、各々の凸レンズ121aのレンズ面中心部領域の規格化平均傾斜角(該当するレンズ面領域の平均傾斜角を比較例1の球面レンズの対応するレンズ面領域の平均傾斜角で規格化したもの)は、いずれのχの領域でも1より大きな値(1.3~3.2)であり、より中心に近い小さなχ(χ=0.125~0.30)ほど比較例1のレンズ面平均傾斜角に比べて大きな値となっている。また、レンズ面外周部領域の規格化平均傾斜角は、0.6~1.1の範囲の値であり、より外周部に近い小さなχ(χ=0.125~0.30)ほど比較例1のレンズ面平均傾斜角に比べて小さな値となっている。
これより、例えば、レンズ面中心部領域の規格化平均傾斜角が1.3~3.2の範囲で、かつレンズ面外周部領域の規格化平均傾斜角が0.6~1.1の範囲の凸レンズ121aを有する第1の凸レンズアレイ12aを有する本実施例のホモジェナイザ12を用いることにより、照射平面17において均一の光強度分布(より具体的には図14~図16に示す光強度分布)で光を照射できる照明装置100が得られる。
また、参考例1~4のホモジェナイザにおいて、光入射側の凸レンズアレイの各々の凸レンズ(121a相当)のレンズ面中心部領域およびレンズ面外周部領域の規格化平均傾斜角は、参考例1では0.5~0.7と1より小さく、参考例3では1.4~2.0と1より大きい。また、参考例2ではレンズ面外周部領域の規格化平均傾斜角が0.8~1.0と実施例相当だが、レンズ面中心部領域の規格化平均傾斜角が2.3~4.4と実施例に比べて大きい。このような参考例1~3では、上記の実施例1-1~1-10に比べて照射平面17における光強度分布均一性が劣る結果となった。なお、参考例4ではレンズ面中心部領域の規格化平均傾斜角が1.7~2.0と実施例相当だが、レンズ面外周部領域の規格化平均傾斜角が1.0~1.2と実施例1-1~1-10に比べて大きいため光強度分布均一性がやや劣る結果となった。
また、表3に、実施例1-1~1-10、比較例1および参考例1~4のホモジェナイザにおいて用いられる光入射側の凸レンズアレイの各々の凸レンズ(121a相当)について、最大幅Wmaxに対するレンズ面領域毎の内部平均伝搬角|θ-θ|の計算結果および規格化内部平均伝搬角(比較例1の対応するレンズ面領域の内部平均伝搬角で規格化したもの)を示す。
Figure 0007487809000005
表3に示す内部平均伝搬角は、各実施例として示されるRおよびkを有する屈折率n=1.5のホモジェナイザ12についての計算値だが、屈折率nの異なるホモジェナイザ12についても、内部平均伝搬角|θ-θ|が、n=1.5の各実施例のホモジェナイザと略同じ値になるように、凸レンズ(121a)の断面形状(サグ値Z(r))を調整すれば、各実施例と同様に光強度分布均一性が改善する。ここで、内部平均伝搬角|θ-θ|は、図3に示すように凸レンズ121aの動径距離rの位置に対称軸と平行な入射光がレンズ表面で屈折したときのレンズ内部の伝搬角|θ-θ|を各レンズ面領域において平均した数値とする。
表2と表3の対比より、比較例1(球面レンズ)の値で規格化されたレンズ面平均傾斜角及び内部平均伝搬角は、いずれのレンズ面領域においてもほぼ同等の数値および傾向を示す。したがって、上記の平均傾斜角や内部平均伝搬角に関し、球面レンズの値で規格化された値である規格化平均傾斜角や規格化内部平均伝搬角を基に、実施例1-1~1-10に相当する数値範囲になるように、凸レンズ(121a)の断面形状を設定してもよい。
次に、本実施例のホモジェナイザ12の作製方法を説明する。本実施例のホモジェナイザ12は、第1の凸レンズアレイ12aおよび第2の凸レンズアレイ12bの凸レンズ形状を設計通り加工できる製法であればいずれの加工法を用いてもよい。例えば、精密プレス成型用の金型を用いて凸レンズアレイに成型加工する場合、ダイヤモンドバイトを用いて金型表面を凸レンズアレイの反転形状の凹レンズアレイ状に切削加工することで第1および第2の凸レンズアレイ用金型を作製する。そして、作製された2種類の金型に透光性ガラス材料を挟み、ガラス軟化点温度以上に全体を加熱してガラス表面に金型形状を転写した後、室温まで徐冷する。ここで、第1および第2の凸レンズアレイの対を成す各々の凸レンズの対称軸の軸ずれが生じないように2種の金型位置を精度よく調整する。このとき、軸ずれ量が、凸レンズの幅Wx、Wyの1/10以下、好ましくは1/20以下、さらに好ましくは1/30以下になるように金型位置を調整する。また、金型とガラスとの離形性や成型後のガラス表面の平坦性をよくするため、金型表面に合金膜をコートしてもよい。
金型成型に用いるガラス材料は、軟化点が低いほど成型温度を低温化できるため好ましい。また、屈折率が大きなほど、同じレンズパワーが得られる凸レンズ表面の傾斜角が小さくなるため、図1の(a)に示すサグ値SaおよびSbが減少し、成型性が向上する。具体的には、レンズ屈折率nとnの異なる凸レンズの対称軸に平行に光が入射する場合、各々の凸レンズ面の入射角をθおよびθとすると、凸レンズ内でレンズ面対称軸との成す角度(内部伝搬角)が同じ(すなわち、レンズパワーが等しい)になるように屈折角θ’とθ’で入射光が屈折するとき、屈折率nとnの凸レンズの傾斜角はθとθであり、内部伝搬角θ-θ’=θ-θ’で関係つけられる。例えば、θ=30°でn=1.50に対し、n=2.0のガラス材料ではθ=21.4°となり、レンズ面の平均傾斜角が約2/3に低下する。
第1の凸レンズアレイ12aおよび第2の凸レンズアレイ12bを構成する凸レンズは、幅Wx×Wyの長方形全面がレンズ形状を有するギャップレス構成のため、凸レンズ境界部、特に長方形角部のサグ値および傾斜角が最大となり、設計上の傾斜角が不連続に変化するため、金型作製およびレンズ成型の難易度が増す。
また、本実施例の各々のホモジェナイザ12を構成する凸レンズ121aは、図12および図13に示すように、比較例1(球面凸レンズ921)と同程度のサグ値Zであるが、最大傾斜角が小さな非球面形状であるため、金型作製およびレンズ成型の難易度は低下する。屈折率が大きな透光性材料を凸レンズに用いるとレンズ面の平均傾斜角が低下するため、金型作製およびレンズ成型の難易度はさらに低下する。
なお、レンズ材料として光硬化樹脂や熱硬化樹脂である透光性樹脂を用いて金型成型加工する場合、透光性樹脂が低い温度で硬化するため、金型材料の耐熱性などの制約は軽減される。紫外線硬化樹脂を用いる場合は、紫外光を透過する石英等のガラス材料で形成された金型を用いることが好ましい。
ホモジェナイザ12の他の作製方法として、反応性ガスを用いて直接透光性ガラス基板をドライエッチング加工してもよい。各々の凸レンズアレイ12a、12bにおいてギャップレスの凸レンズ形状とするために、レンズ形状空間分布に対応する紫外線透過率分布を有する連続階調フォトマスク(グレースケールマスク)を用い、透光性ガラス表面に塗布された紫外線感光性レジストにフォトマスクを通して紫外線で露光する。その後、感光性レジストを現像することにより、ギャップレスの凸レンズ形状の感光性レジストパターンが得られる。さらに、半導体微細加工で使用する反応性イオンエッチング装置を用い、パターニングされたレジスト表面にイオン照射することで、レジスト材料とガラス材料のドライエッチングレートに応じて、凸レンズ形状のレジストパターンが透光性ガラス表面に転写されたギャップレスの凸レンズアレイ12a、12bが得られる。
加工時間を短縮するために反応性イオンエッチングレートが大きなガラス材料および反応性ガスを選定することが好ましい。例えば、石英はガラス軟化点が高温のため金型成型加工のガラス材料には用いられないが、反応性イオンエッチングレートが大きなためドライエッチング加工に適用できる。また、反応性イオンエッチングレートが比較的小さな硼珪酸ガラス基板やサファイヤ基板などにSiO膜を成膜し、SiO膜のみを凸レンズ形状にエッチング加工してもよい。SiO(n=1.45)の代わりに屈折率の高いTiO(n=2.3)、Ta(n=2.1)やNb(n=2.1)を用いてもよい。また、SiNのxとyの組成比を調整することで屈折率nを調整した凸レンズ加工もできる。なお、SiOの反応性イオンエッチングではCFが反応性ガスとして一般に用いられる。
反応性イオンエッチングで透光性無機材料を凸レンズ加工する場合、加工時間短縮のためには、各々の凸レンズの最大サグ値Zが小さくなるホモジェナイザ12の構成が好ましい。すなわち、小さな最大サグ値Zで同じ拡散性均一化機能を実現するために、最大サグ値Zと同じ縮小率で凸レンズの外形サイズ(Wx×Wy×T)を小型化する構成に加工してもよい。
(実施例2)
次に、第2の実施例として、図5に示す第2の実施形態のホモジェナイザ22の例を示す。本例のホモジェナイザ22は、第1の凸レンズアレイ22aの各々の凸レンズ221aにおいて、(R、k)=(100、0)の球面凸レンズ921のレンズ表面の対称軸近傍の領域(レンズ面中心部領域)に、断面が矩形状の凹部溝輪帯を有する位相回折格子23を形成する。より具体的には、凸レンズ221aの最大幅Wmax=128μmに対して、レンズ面中心部領域とする0≦r/(Wmax/2)≦0.20の範囲に位相回折格子23を形成する。
本例では、位相回折格子23の凹部幅と凸部幅の比を1:1とする。また、波長λ=850nmの入射光がZ軸方向に入射するとき、凸レンズ内部に伝搬する±1次回折光の回折角γ±1が0.2~8°範囲内、好ましくは1~4°範囲内となるように凹凸部の周期Pを設定する。例えば、P=10μmとすると、γ±1=3.3°となる。さらに、位相回折格子23の凹部の深さd=0.5λ/(n-n)(n=1.5の場合、d=850nm)に加工すると、直進透過する0次光は略ゼロで、±1次回折光が略40%(合計81%)発生する。また、d=0.32λ/(n-n)(n=1.5の場合、d=543nm)では、0次光と±1次回折光の回折効率が略29%と等しく、合計で略86%となる。
第1の実施例において表3に示したように、屈折率n=1.5の比較例1(球面レンズ)のホモジェナイザは、外形20%以下の領域に入射する光線の内部平均伝搬角|θ-θ|は1.2°と小さな値だが、位相回折格子23が形成された本実施例の凸レンズ221aでは、d=850nmの場合、レンズ幅Wの20%以下の領域に入射する光線の内部平均伝搬角|θ-θ|は略3.2°と2倍以上に拡大する。本実施例の凸レンズ221aでは、位相回折格子23で発生する±1次回折光により2つの内部平均伝搬角が定義されるが、内部平均伝搬角は、Z軸方向の直進透過成分の低減機能を示す目的であるため、本実施例では内部平均伝搬角を±1次回折光に対して絶対値|θ-θ|の平均値として算出した。
このように、本実施例のホモジェナイザ22においても第1の実施例のホモジェナイザ12の凸レンズ121aと同程度の内部平均伝搬角を実現できるため、照明装置100に本例のホモジェナイザ22を用いることにより、照射平面17において第1の実施例のホモジェナイザ12を用いた場合と同程度の光強度分布の均一性を実現できる。
本実施例のホモジェナイザ22は、第1の実施例のホモジェナイザ12と同様、金型成型加工や反応性イオンエッチング加工により作製できる。
(実施例3)
次に、第3の実施例として、図7に示す第3の実施形態のホモジェナイザ32の例を示す。本例のホモジェナイザ32は、一対のホモジェナイザ32xおよび32yがそれぞれ備えるシリンドリカルレンズアレイ組(32xaと32xb、および32yaと32yb)を構成する各々のシリンドリカルレンズ(321xaと321xb、および321yaと321yb)の断面形状が軸対称ではなく面対称であり、X軸方向またはY軸方向のみにパワーを有するよう構成されている。
より具体的には、ホモジェナイザ32xの第1のシリンドリカルレンズアレイ32xaを構成する各々のシリンドリカルレンズ321xaおよび第2のシリンドリカルレンズアレイ32xbを構成する各々のシリンドリカルレンズ321xbはそれぞれYZ面対称であり、それらのXZ断面形状は第1の実施例のいずれかのホモジェナイザ12の凸レンズ121aおよび凸レンズ121bと同じ(ただし、Wmax=Wx)である。また、ホモジェナイザ32yの第1のシリンドリカルレンズアレイ32yaを構成する各々のシリンドリカルレンズ321yaおよび第2のシリンドリカルレンズアレイ32ybを構成する各々のシリンドリカルレンズ321ybはそれぞれXZ面対称であり、それらのYZ断面形状は第1の実施例のいずれかのホモジェナイザ12の凸レンズ121aおよび凸レンズ121bと同じ(ただし、Wmax=Wy)である。
本例では、ホモジェナイザ32xおよびホモジェナイザ32yの材料とされる透光性基板30x、30yとして、屈折率n=1.45で厚さT=280μmの合成石英を使用する。また、本例のホモジェナイザ32xはWx=100μmおよびNx=12とし、本例のホモジェナイザ32yはWy=80μmおよびNy=15とし、それらを0.1mmの空間を隔ててZ軸方向に直列配置する。
そのように構成すると、本例のホモジェナイザ32は、第1の実施例のいずれかのホモジェナイザ12と同様の光学機能を示す。したがって、第1の実施例と同様の効果を得ることができる。
さらに、本例のホモジェナイザ32では、ホモジェナイザ32xおよびホモジェナイザ32yにおいてシリンドリカルレンズアレイを用いているため、レンズ面が不連続的に交わるレンズ境界面が直線状で最大サグ値Zが減少する。その結果、最適設計のレンズ形状を精度良く加工でき、ホモジェナイザ出射光の所望の特性が安定して得られる。
本例のホモジェナイザ32も、第1の実施例のホモジェナイザ12と同様、金型成型加工や反応性イオンエッチング加工により作製できる。
図20は、本実施例のホモジェナイザ32の1つのシリンドリカルレンズアレイ(シリンドリカルレンズアレイ32xaおよび32xb)の作製方法の例を示す説明図である。図20に示す例は、反応性イオンガスを用いて透光性ガラス基板の表面をドライエッチング加工してシリンドリカルレンズアレイを形成する例である。
(a)まず、ホモジェナイザ32xの第1のシリンドリカルレンズアレイ32xaを作製する場合、透光性基板30xとしての石英基板の片面(例えば、第1面)に紫外線感光性のレジスト324を所定の膜厚Hで均一に塗布し、加熱硬化する。石英凸レンズ(シリンドリカルレンズ)の最大サグ値Sを最終的に得るための膜厚Hは、石英とレジストのエッチングレート比に応じて設定される。シリンドリカルレンズアレイ32yaおよび32ybの場合も、透光性基板30yとしての石英基板を用いる。
(b)次に、シリンドリカルレンズアレイ32xaを構成する各々のシリンドリカルレンズ321xaのレンズ幅がWxとなり、レンズ面境界で直線状にギャップ幅Gのレジストが除去されるように、レジスト324をパターニングする。なお、シリンドリカルレンズアレイ32xbの場合は、シリンドリカルレンズアレイ32xaの各々のシリンドリカルレンズと対称面が一致し、かつ各々のシリンドリカルレンズ321xbのレンズ幅がWxとなり、レンズ面境界で直線状にギャップ幅Gのレジストが除去されるように、レジスト324をパターニングする。なお、シリンドリカルレンズアレイ32yaおよび32ybの場合は、互いの対称面が一致した状態でレンズ幅がWyとなり、かつレンズ面境界で直線状にギャップ幅Gのレジストが除去されるように、レジスト324をパターニングする。図20の(b)では、パターニングされたレジスト324を、レジスト324’として示している。
このとき、光利用効率の点でギャップGは小さな程好ましい。具体的には、5μm以下が好ましく、2μm以下がより好ましく、1μm以下がさらに好ましい。
(c)次に、パターニングされたレジスト324’が軟化する温度(例えば、200~250℃)に加熱して液状化させ、表面張力によりレジスト表面を球面形状とした(リフロー)後、室温に冷却して球面形状を固定する。その結果、サグ値Sで断面が凸型のシリンドリカル球面レンズ形状を有するレジストパターン324’’が形成される。レジストパターン324’’の曲率半径Rおよびサグ値Sは、レジスト324’のパターニング幅W(WxまたはWy)と厚さHで定まる直方体レジスト324’の体積から決定される。リフロー加熱後に直方体レジスト324’が球面形状のレジストパターン324’’となるためには、レジスト324’の厚さHに応じたパターニング幅Wの適用範囲がある。より具体的には、幅Wは10~300μm、好ましくは20~200μmとする。
(d)レンズ形状のレジストパターン324’’が表面に形成された石英基板を反応性イオンガスを用いてドライエッチングすることにより、レジスト324’’の表面形状が石英基板の表面に転写される。なお、図20の(d)の断面図はドライエッチングの途中段階を示す。
(e)ドライエッチングによりレジスト324’’が除去されると、最終形状の各々のシリンドリカルレンズ321xaを得る。ここで、石英基板とレジスト324’’のエッチングレートが等しい場合、レジスト324’’の表面形状がそのまま石英基板表面に転写される(すなわち、シリンドリカルレンズのサグ値S=レジスト324’’のサグ値S)。エッチングレートが異なる場合は、シリンドリカルレンズのサグ値Sとレジスト324’’のサグ値Sの比率が異なり、各々のシリンドリカルレンズは、レジスト324’’が高さ方向に圧縮または延伸された形状となる。
なお、エッチングレートは反応性ガスの種類、ガス圧力や流量によって変化するため、ドライエッチング開始から終了までの時間内に設定を変化させることにより、各々のシリンドリカルレンズの断面形状が球面レンズと異なる形状のシリンドリカルレンズアレイ32xaが得られる。このような凸レンズ形状の制御方法を利用して、非球面の断面形状を有する凸型のシリンドリカルレンズアレイを加工できる。
図21に、本例のホモジェナイザ32を用いた照明装置100による、照射平面17における光強度分布のXY平面での階調表示を模式的に示す。図21に示す光強度分布は、第1の実施例で示した照明装置100において、第1の実施例のホモジェナイザ12に代えて本例のホモジェナイザ32を用い、かつホモジェナイザ32からD=100mm離れた照射平面17における光強度分布を計算した結果である。本例では、ホモジェナイザ32xとホモジェナイザ32yの間隔を0.1mmとし、レーザ光源11のレーザ発光点11bと光入射側に置かれるホモジェナイザ32(ホモジェナイザ32x)の間隔を2mmとした。なお、図21に示すホモジェナイザ32では、ホモジェナイザ32xの入射側のシリンドリカルレンズアレイ32xaとホモジェナイザ32yの入射側のシリンドリカルレンズアレイ32yaの断面レンズ形状として、実施例1-5:(R、k)=(50、-4)の凸レンズ121aと同様のレンズ形状を用いる。
図21に示すように、本実施例のホモジェナイザを用いた照明装置100においても、光強度が最も低下する照射平面の角部(最大拡散角β=17.8°)で略88%を維持することがわかる。
(実施例4)
第4の実施例では、第3の実施例のホモジェナイザ32で用いたホモジェナイザ32xの第1のシリンドリカルレンズアレイ32xaを構成する各々のシリンドリカルレンズ321xaと、ホモジェナイザ32yの第1のシリンドリカルレンズアレイ32yaを構成する各々のシリンドリカルレンズ321yaに代えて、第2の実施例の凸レンズ221aと同様のレンズ断面を有する凸型のシリンドリカルレンズを用いる。ただし、第3の実施例の各々のシリンドリカルレンズと同様に、各々のシリンドリカルレンズは、X軸方向またはY軸方向のみのレンズパワーを有し、かつ軸対称ではなく面対称の凸レンズ表面形状を有する。したがって、本例において、凸型の球面レンズと同じレンズ断面を有するシリンドリカルレンズの対称面近傍の略平坦なレンズ表面領域に形成される位相回折格子23は軸対称の輪帯状凹溝ではなく、レンズパワーの無い方向(レンズ対称面と平行方向)に延びた直線状凹溝となる。
次に、図22を参照して、本例のホモジェナイザ32における、1つの凸型球面シリンドリカルレンズアレイ(例えば、ホモジェナイザ32xの、位相回折格子23が形成された複数のシリンドリカルレンズ321xaを有する第1のシリンドリカルレンズアレイ32xa)の作製方法を説明する。
(a)まず、透光性基板30xとしての石英基板の第1面において、各々のシリンドリカルレンズ321xaの対称面を中心とする幅50μmのレンズ面領域に対応する位置に、周期P=10μmで凹部幅と凸部幅がいずれも5μmに等しい、深さd=1000nmの矩形凹溝の直線格子を有する位相回折格子325xを、加工する。すなわち、石英基板の第1面の各々のシリンドリカルレンズ321xaの凸中心部に相当する幅50μmの領域に、幅5μmで深さd=1000nmの矩形断面の凹溝を、周期10μmで長さ1mmに5本加工する。
(b)次に、位相回折格子325xが形成されている石英基板の第1面に紫外線感光性のレジスト324を所定の膜厚Hで均一に塗布し、加熱硬化する。これにより、位相回折格子325xの凹溝はレジスト324で埋まり、レジスト表面は平坦化される。位相回折格子の凹溝形状およびレジストの粘度や硬化温度によって、位相回折格子の凹凸がレジスト表面の平坦性に影響するが、後述するリフロー温度の加熱によりレジスト塗布時のレジスト表面凹凸形状は問題とならない。
(c)次に、シリンドリカルレンズアレイ32xaを構成する各々のシリンドリカルレンズ321xaのレンズ幅がWxとなり、レンズ面境界で直線状にギャップ幅Gのレジストが除去されるように、レジスト324をパターニングする。なお、シリンドリカルレンズアレイ32yaの場合は、各々のシリンドリカルレンズ321yaのレンズ幅としてWxに代えてWyを用いる。本例においても、パターニングされたレジスト324を、レジスト324’として示している。
(d)次に、パターニングされたレジスト324’が軟化する温度に加熱して液状化させ、表面張力によりレジスト表面を球面形状とした(リフロー)後、室温に冷却して球面形状を固定する。その結果、サグ値Sで断面が凸型のシリンドリカル球面レンズ形状を有するレジストパターン324’’が形成される。ここで、微細加工が施された石英基板の表面形状に関わらず、レジスト324’の表面形状は液状化したレジストの表面張力により球面形状となる。
(e)レンズ形状のレジストパターン324’’が表面に形成された石英基板を反応性イオンガスを用いてドライエッチングすることにより、レジスト324’’の表面形状が石英基板の表面に転写される。このとき、あらかじめ石英基板の表面に位相回折格子325xが加工されているため、反応性イオンエッチングによりレジスト324’’が全て除去されると、レンズ面中央部領域に位相回折格子23xが形成された、サグ値Sの複数のシリンドリカルレンズ321xaが一方向に並んだシリンドリカルレンズアレイが得られる。
レンズ形状加工前の位相回折格子325xの凹溝深さdとレンズ形状加工後の位相回折格子23xの凹溝の深さdは、位相回折格子23xの凸部材料のドライエッチングレートrと、位相回折格子325xの凹部に埋め込まれたレジスト324’’のドライエッチングレートrの大小関係に依存する。すなわち、r=rではd=0となり位相回折格子23xはシリンドリカルレンズ321xaのレンズ面には形成されず、消失するが、r<rではその比率により決定される凹部深さd>0の位相回折格子23xが形成され、r>rではd<0の位相回折格子23xすなわち位相回折格子325xの凹部が位相回折格子23xの凸部となり、該凸部の高さがrとrの比率により決定される位相回折格子23xが形成される。
例えば、r=r/2のドライエッチング条件では、d=d/2=500nmの位相回折格子23xが得られる。このような位相回折格子23xに、波長λ=850nmの光が透光性基板30に対して垂直に入射すると、直進透過する0次透過光の効率は略45%、回折角±4.9°の±1次回折光の効率は略22%(合計44%)となるため、レンズ面中心部領域から出射される光線拡散透過光成分が増加する。したがって、本例のホモジェナイザ32を用いると、第3の実施例の照明装置と同様に、照射平面における光強度分布の均一性が改善された照明装置100を得ることができる。
実施例4のホモジェナイザ32における、レンズ面中央部領域に位相回折格子を有する各々のシリンドリカルレンズの他の作製方法として、ドライエッチングレートが透光性基板30(30x、30y)およびレジスト324より低い材料で形成される耐蝕層を該透光性基板30の第1面に均一膜厚に成膜し、位相回折格子の凹溝パターンに相当する領域の耐蝕層を除去してもよい。
例えば、あらかじめ紫外線感光レジストを位相回折格子325xのパターンに加工した後、ドライエッチングレートが低いAl膜を成膜し、現像液を用いて該レジストを除去する(リフトオフ法)ことでパターニングされたAl膜層を作製できる。得られた低エッチングレートのAl膜を有する格子パターン付き透光性基板30xに対して、図20の(b)~(d)と同じ手順で加工することにより、位相回折格子23xが形成された複数のシリンドリカルレンズが並んだシリンドリカルレンズアレイが得られる。なお、位相回折格子23xの凹溝深さdはAl膜の膜厚により調整できる。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。本出願は、2018年3月20日出願の日本特許出願2018-052652に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明は、比較的短距離の照射平面に対して均一照射を行う用途に好適に適用可能である。
12、22、32 ホモジェナイザ
10、20、30、30x、30y、40 透光性基板
12a、12b 凸レンズアレイ
22a、22b 凸レンズアレイ
121a、121b 凸レンズ
221a、221b 凸レンズ
23、23x、23y 位相回折格子
325x 位相回折格子
921 球面凸レンズ
32x、32y ホモジェナイザ
32xa、32xb、32ya、32yb シリンドリカルレンズアレイ
321、321xa、321xb、321ya、321yb シリンドリカルレンズ
100、110 照明装置
11 レーザ光源
11a 半導体基板
11b レーザ発光点
13 パッケージ
14 不活性ガス
15 光束
16 発散光
17 照射平面
111 レーザ光源
112 レーザ光源
113 レンズ
114 光ファイバ
324 レジスト
200、210 照明光学系
52、62 ホモジェナイザ
52a、62a 凸レンズアレイ
52b、62b 凸レンズアレイ
521、521a、621、621a 凸レンズ
521b、621b 凸レンズ
50、60 放電ランプ
51 放物面鏡
61 楕円面鏡
53、63 フィールドレンズ
54 液晶表示素子
55 投影レンズ
65 集光レンズ
66 ダイクロイックミラー

Claims (12)

  1. 光入射側に配置される第1の凸レンズアレイと、光出射側に配置される第2の凸レンズアレイを含む凸レンズアレイ対を備え、
    前記第1の凸レンズアレイと前記第2の凸レンズアレイは、互いのレンズ面が外向きまたは内向きに対向するように配置され、
    前記第1の凸レンズアレイは一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第1の凸レンズを有し、
    前記第2の凸レンズアレイは一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第2の凸レンズを有し、
    前記第1の凸レンズと、前記第2の凸レンズとが、対向しつつ対称軸を共有する凸レンズ対をなしており、
    前記第1の凸レンズは、前記対称軸を含むレンズ断面において、前記第1の凸レンズの前記レンズ断面における曲率半径をR1、コーニック定数をk1、前記第2の凸レンズの前記レンズ断面と同一断面における曲率半径をR2、コーニック定数をk2とすると、0.3≦R1/R2≦0.7を満たし、-7≦k1≦-3を満たし、-3≦k2≦0を満たす
    ホモジェナイザ。
  2. 光入射側に配置される第1の凸レンズアレイと、光出射側に配置される第2の凸レンズアレイをそれぞれ含む凸レンズアレイ対を二組備え、
    前記凸レンズアレイ対の各々において、前記第1の凸レンズアレイと前記第2の凸レンズアレイは、互いのレンズ面が外向きまたは内向きに対向するように配置され、
    前記第1の凸レンズアレイは、一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第1の凸レンズを有し、各第1の凸レンズは凸型のシリンドリカルレンズであり、前記複数の第1の凸レンズは、各々のレンズ作用を有する軸方向が平行になるように配置され、
    前記第2の凸レンズアレイは、一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第2の凸レンズを有し、各第2の凸レンズは凸型のシリンドリカルレンズであり、前記複数の第2の凸レンズは、各々のレンズ作用を有する軸方向が平行になるように配置され、
    前記凸レンズアレイ対の各々において、前記第1の凸レンズと、前記第2の凸レンズとが、対向しつつ対称面を共有する凸レンズ対をなしており、
    二組の凸レンズアレイ対は、レンズ作用を有する軸方向が互いに90°異なるように入射光の光進行方向である光軸方向に直列に配置され、
    前記凸レンズアレイ対の各々において、各々の凸レンズの母線方向に垂直な断面をレンズ断面、当該レンズ断面における対称面の位置を対称軸とすると、
    前記第1の凸レンズは、前記対称軸を含む前記レンズ断面において、前記第1の凸レンズの前記レンズ断面における曲率半径をR1、コーニック定数をk1、前記第2の凸レンズの前記レンズ断面と同一断面における曲率半径をR2、コーニック定数をk2とすると、0.3≦R1/R2≦0.7を満たし、-7≦k1≦-3を満たし、-3≦k2≦0を満たす
    ホモジェナイザ。
  3. 前記第1の凸レンズは、ンズ面中心部領域に位相回折格子を有する、
    請求項1または請求項2に記載のホモジェナイザ。
  4. 光入射側である第1面と、前記第1面に対向する第2面を有する透光性基板をさらに有し、
    前記第1の凸レンズアレイが前記透光性基板の前記第1面側に設けられ、前記第2の凸レンズアレイが前記透光性基板の前記第2面側に設けられている、
    請求項1から請求項3のうちのいずれか一項に記載のホモジェナイザ。
  5. 前記透光性基板、前記第1の凸レンズアレイおよび前記第2の凸レンズアレイの少なくともいずれかが、透光性無機材料で形成される、
    請求項4に記載のホモジェナイザ。
  6. 前記第1の凸レンズアレイおよび前記第2の凸レンズアレイの少なくともいずれかが、
    入射光の波長帯における屈折率が1.6~2.1の透光性無機材料で形成される、
    請求項1から請求項4のうちのいずれか一項に記載のホモジェナイザ。
  7. 前記第1の凸レンズおよび前記第2の凸レンズにおいて、前記レンズ断面における前記対称軸に垂直な方向における最大幅Wmaxが0.05~0.5mmの範囲である、
    請求項1から請求項6のうちのいずれか一項に記載のホモジェナイザ。
  8. レーザ光源から放射される不均一光強度分布の拡散光が入射したときに出射される光の所定の照射平面における光強度分布が85%以上である、
    請求項1から請求項7のうちのいずれか一項に記載のホモジェナイザ。
  9. 不均一の光強度分布を有する発散光を出射するレーザ光源と、請求項1~8のいずれか一項に記載のホモジェナイザとを含み、
    前記レーザ光源から出射される発散光は、前記ホモジェナイザに入射し、より広角な発散光となって前記ホモジェナイザから出射され、所定の照射平面において均一な光強度分布で拡大投影される、
    照明光学系。
  10. レーザ光源から出射される発散光は、最大拡散角(半角)αが12°以下のガウシアン分布に近似される光強度分布を有する発散光であり、
    前記ホモジェナイザから出射される発散光は、最大拡散角(半角)βが12°以上で、
    かつ所定の照射平面における光強度分布が85%以上となる発散光である、
    請求項9に記載の照明光学系。
  11. 照射平面における光強度分布が90%以上である、
    請求項9または請求項10に記載の照明光学系。
  12. 請求項9~11のいずれか一項に記載の照明光学系を備えた照明装置。
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