JP7487809B2 - ホモジェナイザ、照明光学系および照明装置 - Google Patents
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Description
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。
f2≒n・R2/(n-1) ・・・(5-2)
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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、(R1、k1)=(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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 前記第1の凸レンズは、レ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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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