JP2000121836A

JP2000121836A - 光源装置、照明方法及びその装置、並びに、光学装置

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Publication number: JP2000121836A
Application number: JP10287881A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Suganuma; 洋菅沼
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザーの出射光を高効率で多モード光ファ
ィバーに入射させ、入射するコヒーレント光のコヒーレ
ンスを低減して、光量を低下させることなく出射させる
ことのできる光源装置、照明方法及びその装置、並びに
光学装置を提供すること。【解決手段】レーザー１５の出射光Ｌを回折型光学素
子１６によって複数の光ビームＬ₁に分岐し、それぞれ
の光ビームＬ₁を複数の多モード光ファイバー２に対し
て一対一で入射させる。更にこの光ビームスポット径を
多モード光ファイバーのコア径よりも小さくすることに
より、レーザー１５の出射光Ｌを無駄無く高効率で利用
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源装置、照明方
法及びその装置、並びに、光学装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば投射型液晶ディスプレイや
計測装置等の照明装置に用いる照明光の光源としては、
コストや簡便性など様々な理由から、ランプや発光ダイ
オード（ＬＥＤ：light emitting diode）などのインコ
ヒーレント（非干渉性）光源が用いられてきた。

【０００３】これに対して、固体レーザー、気体レーザ
ー、半導体レーザー等のレーザーを光源とするレーザー
光を照明光に用いようとする試みが行われている。レー
ザー光は指向性に優れると同時に高い強度を有してお
り、コヒーレント性（可干渉性）の高い光ビームである
が、ここで最も技術的に困難な問題となるのは、コヒー
レント性の高さ故に発生するスペックル（又はスペック
ルノイズ）である。

【０００４】例えば、半導体レーザーは、光電変換効率
が非常に高く、指向性に優れたレーザー光を出射する光
源であるが、可干渉性の高さによるスペックルの問題故
に、照明用光源として用いられることは少なかった。

【０００５】また、１９７０年代には、レーザー光を用
いたディスプレイ（以下、レーザーディスプレイと称す
る。）の研究が各地で行われたが、光源の出力不足や変
調方法などの課題の他にその実用化の障害となった問題
の一つは、このスペックルの問題であった。

【０００６】近年、固体レーザーの波長変換を用いた高
出力レーザーや、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の三原
色を発振可能な半導体レーザー、さらに、液晶やマイク
ロマシンを用いた空間光変調器（ライトバルブ）など、
レーザーディスプレイのキーコンポーネントとなる要素
技術の開発が急ピッチで進んでいる。

【０００７】ところで、Ｎ個の互いにインコヒーレント
で（即ち、相互に干渉しない）、無相関なスペックルパ
ターンを重ね合わせたとき、その和は各スペックルパタ
ーンの強度和となり、このときスペックルのコントラス
トは１／√Ｎに低下することが知られている。

【０００８】従って、Ｎ本の光ファイバーをバンドルし
て、それぞれの光ファイバーの長さを、可干渉性が無く
なる分だけ一本一本の長さを変えれば、各光ファイバー
間の干渉は無視できるようになる。この時のスペックル
は、各光ファイバーによって生じるスペックルパターン
Ｉ₁、Ｉ₂・・・Ｉ_Nの強度の重ね合わせである。従っ
て、スペックルのコントラストは平均化（均一化）によ
って低下する。即ち、無相関で強度が等しいスペックル
パターンをＮ個重ね合わせれば、そのコントラストは１
／√Ｎになる。

【０００９】スペックル（スペックルパターン）は、近
年、半導体露光装置の分野でも大きな問題になってきて
おり、これに対する対策が進められている。これは、解
像度の向上に伴い、短波長光源としてのエキシマレーザ
ーが導入されてきたことが背景にある。

【００１０】例えば、半導体装置の露光処理を行うに際
しては、コヒーレンスの制御、即ちスペックル対策とし
て、図２２に示すように、長さの異なるエレメントから
構成されるフライアイレンズ２０を用い、このフライア
イレンズ２０の出射側端面とマスク２２との間であっ
て、互いからの距離ｆの位置にレンズ２１を配するとい
ったコヒーレンス低減法が提案されている（渋谷真人、
上原誠、“照明光学装置”、特公昭６０−２３０６２９
号公報参照）。

【００１１】しかしながら、この方法では、フライアイ
レンズ２０のエレメント長が大きくなり、また、図示の
如く、各エレメントからの照明領域の大きさが異なるの
で効率が低下するなどの課題があった。

【００１２】また、同様の効果を、図２３に示すような
プリズム２３を用いて実現することが提案されている
（特願昭６３−２２１３１号公報参照）。しかしなが
ら、この方法は、コヒーレンス低減効果が不十分であ
り、また、光学的ロスが大きい。

【００１３】また、原理的には、屈折率の分散を用いて
同様の効果をあげることもできるが、通常の屈折率分散
を用いる方法で十分な効果を得るためには、コヒーレン
ス低減のためにエレメントが巨大化するという問題があ
った。

【００１４】この他にも、コヒーレンス制御の手法は数
多く提案されている。しかしながら、いずれの手法によ
っても、ディスプレイや顕微鏡等において、被照明物体
と肉眼との間に生じるスペックルを十分に低下させるに
は至っていない。さらに、このスペックルを取り除くた
めには、リソグラフィーなどの投影露光装置よりも厳し
いコヒーレンス制御が必要になる。

【００１５】即ち、図２４に示すように、照明光ａによ
って照明された物体２４は、レンズ２５によってスクリ
ーン２６上にその像２７を結ぶ。ここで、照明光ａがコ
ヒーレント光の場合、物体２４の粗面状態やレンズ２５
の光学面の状態等によるランダムな位相の錯乱を受け
て、スクリーン２６上の像２７はスペックルを伴う。

【００１６】さらに、図２５に模式的に示すように、物
体のレンズによるスクリーン上の像を目で観察すること
は、物体３０のレンズ３１によるスクリーン３２上の像
を眼球３３によって網膜３４に結像することに他ならな
い。即ち、この過程で、スクリーン３２と眼球３３とに
おける光の錯乱によってランダムな位相のずれが光路上
に生じ、この結像過程でもスペックルが発生する。ま
た、たとえスクリーン３２上の像にスペックルが重畳さ
れていなくても、像平面上で空間的コヒーレンスがあれ
ば、肉眼（網膜３４又は図２４の観察者２８）上で２次
のスペックルが生じる。

【００１７】また、リソグラフィー技術に基づく投影露
光装置において用いられるミラー揺動や回転拡散板など
の手法は、コヒーレンスを低下させる訳ではなく、スペ
ックルを移動させて平均化させるだけなので、これらの
手法を用いても、肉眼に生じるスペックルに対する効果
はあまりない。この手法をディスプレイ等に適応しよう
とすれば、スクリーンなどの被照明物体と目の間の位置
関係が変わるよう、スクリーンを振動させる他ない（Er
ic G. Rawson, Antonio B. Nafarrate, RobertE. Norto
n, Joseph W. Goodman,“Speckle-free rear-projectio
n screen using two close screens in slow relative
motion,”Journal of Optical Societyof America, Vo
l.66, No.11, November 1976, pp1290-1294参照）。し
かしながら、これは実用上はなはだ不便である。

【００１８】他方、これまで光ファイバーは、主に通信
用途を目指して開発が進められており、その構成材料と
しては石英などを主成分とするガラス材料（ガラスファ
イバー）が主に用いられてきた。また、モード分散を避
けるために、シングルモード光ファイバー（単一モード
光ファイバー）の開発に主眼が置かれてきた。

【００１９】また、ガラスファイバーは、可視短波長域
では散乱が増加し、その透過率が低下する。従って、可
視光に対する光ファイバーの応用は、長距離の電送を必
要としない顕微鏡などの照明用の多モード光ファイバー
束（多モード光ファイバーバンドル）などに限られてき
た。特に、多モード光ファイバー（マルチモード光ファ
イバー）を用いた場合、出射光の強度分布が均一になる
ため、フライアイレンズなどの複雑な光学系を必要とし
ないことも大きなメリットである。

【００２０】これに対して、最近、プラスチック多モー
ド光ファイバーが開発されて、注目を集めている（Taka
aki Ishigure, Eisuke Nihei, and Yasuhiro Koike, "G
raded-index polymer optical fiber for high-speed d
ata communication", Applied Optics, Vol.33, No.19,
1.July 1994, pp4261-4266 参照）。プラスチック多モ
ード光ファイバーは、ガラスファイバーに比べて、安価
で軽量であり、可視域において最大の透過効率を示すと
いう特徴がある。さらに、多モード分散も通常のガラス
ファイバーに比べて非常に大きい。

【００２１】また、最近では、紫外レーザー電送用の中
空導波路も研究されている（第５８回応用物理学会学術
講演会予稿集、３ａ−ＳＲ−１８、坪倉正樹、橋新裕
一、久保宇市、「紫外レーザーパワー電送用中空導波路
の改善」参照）。

【００２２】なお、多モード光ファイバー伝搬中のコヒ
ーレント光の多モード分散により、スペックルのコント
ラストが低下することは既に知られていた（今井正明、
「光ファイバーのゆらぎ特性とスペックル」、光学第８
巻第３号、１９７９年、ｐ１２８−１３４参照）。

【００２３】即ち、図２６に示すように、コア６とクラ
ッド５とからなる多モード光ファイバー２中では、異な
るモードを有するレーザー光（光ビーム）３６及びレー
ザー光（光ビーム）３７はそれぞれ異なる伝搬速度を有
しているので、多モード光ファイバー２の出射端３８側
にて、互いに異なるモード成分を有する光ビームが、異
なる時間（ｔ₁、ｔ₂及びｔ₃）に入射した光ビームに
対応するようになる。従って、もし、このモード分散に
よる広がりがコヒーレンス長以上ならば、出射光のコヒ
ーレンスは低下する。

【００２４】しかしながら、このような多モード光ファ
イバー単独では、十分に光強度の大きなレーザー光を伝
搬させることは困難であり、また、これを束ねた場合
（バンドルした場合）でも、各光ファイバーから出射さ
れるレーザー光が相互に可干渉性を有しているため、コ
ヒーレンスの制御、即ちスペックルを十分に低減させる
ことは困難であり、さらに、これを照明用途に実用的に
応用するには、分散が大きく可視域での透過率の高い光
ファイバーが必要となる。

【００２５】Gloge は、多モード弱結合光ファイバーの
半径方向のモードを無視し、パワーの時間軸上の伝搬の
みに注目した解析を行い、多モード光ファイバーのイン
パルス応答（インパルスレスポンス）を求めた〔D. Glo
ge, Bell Syst. Tech. Jour., 52, 6, 801-816 (1973)
、D. Gloge, Bell Syst. Tech. Jour., 51, 8, 1767-1
783 (1972) 、大越、岡本、保立、「光ファイバー」、
９章、オーム社（１９８３）参照〕。

【００２６】つまり、光ファイバー中を伝搬する光ビー
ムのモード間が弱結合している場合、伝搬中に屈折率の
ゆらぎや光ファイバーの曲げなどにより、各モード間に
パワーの移動が生じる。特にモードが多数あり、何度も
のモード間のパワーの移動を経て光ビームが伝搬してい
く場合、１つの入力光は幾つものモードに別れて広がっ
ていく。このような場合、光ファイバーの軸方向の伝達
関数のみが重要である。そこで、軸上同一の伝搬定数を
持つモードは、１つのモード群として、統計的な解析を
行うことが有効である。

【００２７】また、１９７０年代には、不規則なファイ
バーバンドルを通すことで、スペックルのコントラスト
が低下することが示された（D.Kohler, W.L.Seitz, T.
R.Loree and D.Gardne, "Speckle Reduction in pulsed
-Laser Phtographs", Opt.Comm., 12, 24-28, 1974
）。さらに、レーザー光源のコヒーレンス長以上に長
さが異なる光ファイバーの束（光ファイバーバンドル）
を用いてスペックルを低減させることが提案されている
〔特開平６−１６７６４０号公報、及び、本出願人によ
る特願平１０−２５６４６号（出願日平成１０年２月６
日）参照〕。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スペッ
クルのコントラストを低減させるためにファイバーバン
ドルの本数を増やしていくと、一本一本の長さの差（即
ち、光路長差）が僅かであっても、最短の光ファイバー
と最長の光ファイバーとの長さの差はかなり大きくな
る。例えば、光源がシングルモードの半導体レーザーを
用いる場合、その光源における典型的なコヒーレンス長
は１ｍ程度となってしまう。このような光路長差を生起
させるには装置が大型化するので、現実的には困難であ
る。

【００２９】また、例えば、各光ファイバーに１ｃｍず
つの光路長差を付ける場合でも、これを１００本バンド
ルし、その出射端と入射端とを揃えると、最短の光ファ
イバーと最長の光ファイバーとの長さの差は１ｍにな
る。これでは、取扱いが甚だ不便である。

【００３０】さらに、光ファイバーが長くなれば、それ
だけ透過率が低下するので、光利用効率の観点からも光
ファイバーの長さ（即ち光ファイバーバンドルにおける
光路長差）は必要十分な長さに最短化されることが望ま
しい。

【００３１】このように、現状では、簡便で安価かつ高
性能なコヒーレント制御技術が十分でないため、各種レ
ーザーを物体照明用の光源として利用することが困難で
あった。これがレーザーを用いた照明装置（例えばディ
スプレイ）などへの応用を阻んでいた。

【００３２】特に、バンドルファイバー（光ファイバー
束）を用いて前述の問題を解決しようとする場合、光フ
ァイバーの長さが長くなって光ファイバー伝搬中の損失
が大きくなること、一本一本の光ファイバーの長さが大
きく異なるために取り扱いが不便なこと等が大きな障害
となっていた。

【００３３】そこで本発明者は、更に、出射光ビームの
コヒーレンス長以上の光路長差を有する複数の多モード
光ファイバーを用いたコヒーレンス低減方法を特願平１
０−１３２８８３号（出願日平成１０年５月１５日）に
より提案している。

【００３４】しかしながら、これら先願の場合、入射コ
ヒーレント光のコヒーレンスを十分に低減させることが
できるものの、入射光の結合効率に問題がある。即ち、
図２７に示す如く、入射光のビームスポットＬ₁はバン
ドルファイバー束１Ａ以上の径であるため、バンドルフ
ァイバー束１Ａの外域１７への照射光はロスとなるほ
か、光ファイバー２間のすき間１８の照射光も無駄とな
っており、更に改善の余地があることが分かった。

【００３５】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであって、入射光を無駄なく光ファイバーに入射さ
せ、しかも、入射したコヒーレント光のコヒーレンスを
低減して光量を低下させることなく出射させることので
きる光源装置、照明方法及びその装置、並びに光学装置
を提供することを目的とするものである。

【００３６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、コヒー
レント光を複数の光ビームに分岐する光分岐手段と、こ
の分岐手段によって分岐された光ビームを一端側から入
射させ、他端側から出射させる、複数の多モード又はシ
ングルモード光ファイバーとを有し、前記分岐された光
ビームのそれぞれが、前記複数の光ファイバーのそれぞ
れに対応して入射するように構成した光源装置（以下、
本発明の光源装置と称する。）に係るものである。

【００３７】本発明の光源装置によれば、コヒーレント
光を複数の光ビームに分岐し、この分岐された光ビーム
を、複数の光ファイバーの一端側から入射してその他端
側へ出射させ、しかも、この分岐された光ビームのそれ
ぞれがこの光ファイバーのそれぞれに対応して入射する
ので、入射光を高効率で各光ファイバーに入射させるこ
とができる。そして各光ファイバーの長さを互いに異な
らせておけば、それぞれの光ファイバーの光路長差が、
いずれの光ファイバーからの出射光ビームのコヒーレン
ス長よりも大きくなり、入射コヒーレント光のコヒーレ
ンスを十分に低減させるために最低限必要な光路長差が
生起される。その結果、必要最低限の長さの光ファイバ
ーを具備して、光量が低下することなく、コヒーレンス
が低減された光を出射する光源装置を得ることができ
る。

【００３８】また、本発明は、コヒーレント光を複数の
光ビームに分岐し、この分岐した光ビームを複数の多モ
ード又はシングルモード光ファイバーの一端側から入射
させ、他端側から出射する光を照明光として用い、前記
分岐した光ビームのそれぞれを、前記複数の光ファイバ
ーのそれぞれに対応して入射させる照明方法（以下、本
発明の照明方法と称する。）に係るものである。

【００３９】本発明の照明方法によれば、コヒーレント
光を複数の光ビームに分岐し、この分岐された光ビーム
を、複数の光ファイバーの一端側から入射してその他端
側から出射する光を照明光として用い、しかもこの分岐
された光ビームのそれぞれがこの光ファイバーのそれぞ
れに対応して入射するので、高効率で入射した光によっ
て光量の低下しない出射光が得られる。そして、各光フ
ァイバーの長さを互いに異ならせておけば、光ファイバ
ーの光路長差がその出射光ビームのコヒーレンス長より
も大きくなり、入射コヒーレント光のコヒーレンスを十
分に低減させて最低限必要な光路長差が生起され、必要
最低限の長さの光ファイバーを用いてコヒーレンスの低
減した光ビームを照明用として有効に利用することがで
きる。

【００４０】また、本発明は、コヒーレント光を複数の
光ビームに分岐する光分岐手段と、この分岐手段によっ
て分岐された光ビームを一端側から入射させ、他端側か
ら照明光として出射させる、複数の多モード又はシング
ルモード光ファイバーとを有し、前記分岐された光ビー
ムのそれぞれが、前記複数の光ファイバーのそれぞれに
対応して入射するように構成した照明装置（以下、本発
明の照明装置と称する。）に係るものである。

【００４１】本発明の照明装置によれば、上記した照明
方法に基づく装置であるので再現性の良い照明装置を提
供することができる。

【００４２】また、本発明は、コヒーレント光を複数の
光ビームに分岐する光分岐手段と、この分岐手段によっ
て分岐された光ビームを一端側から入射させ、他端側か
ら出射させる、複数の多モード又はシングルモード光フ
ァイバーとを有し、前記分岐された光ビームのそれぞれ
が、前記複数の光ファイバーのそれぞれに対応して入射
するように構成した光源装置と；この光源装置からの光
を直接的又は間接的に入射させる光学素子と；を有する
光学装置（以下、本発明の光学装置と称する。）に係る
ものである。

【００４３】本発明の光学装置によれば、コヒーレント
光を複数の光ビームに分岐し、この分岐された光ビーム
を複数の光ファイバーの一端側から入射し、しかも、こ
の光ファイバーに入射する光ビームのそれぞれが、この
光ファイバーのそれぞれに対応して入射するので、高効
率で入射した光によってその他端側から光量の低下して
いない出射光が得られる。更に、各光ファイバーの長さ
を互いに異ならせておけば、光ファイバーの光路長差が
その出射光ビームのコヒーレンス長よりも大きくなり、
入射コヒーレント光のコヒーレンスを十分に低減させる
ために最低限必要な光路長差が生起される。その結果、
光量は低下することなく、必要最低限の長さの光ファイ
バーを用いて、コヒーレントが低減された出射光を有す
る光源装置から出射する照明光が、直接的又は間接的に
光学素子に入射され、良好な照明効果が得られる光学装
置を提供することができる。

【００４４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を図面を参照しながら説明するが、光ファイバーは、
コヒーレント光の多モード分散によりスペックルを低減
させ、光源としては効果的な多モード光ファイバー（単
に、光ファイバーと称することがある。）を対象として
説明する。

【００４５】上記した本発明の光源装置、照明方法、照
明装置及び光学装置においては、図１及び図２に示すよ
うに、光ビームの光ファイバーへの入射位置において、
この光ファイバーの径と同等若しくはそれ以下のビーム
径を有するように構成することが望ましい。

【００４６】図１は、本実施の形態による光ファイバー
群への光ビームの入射及びこの光ファイバーからの出射
を示す概略図であり、（ａ）は入射端側、（ｂ）は出射
端側を示すものである。

【００４７】即ち、図１（ａ）に示すように、多モード
発振するレーザー１５からの出射光Ｌを回折型光学素子
１６により複数のビームＬ₁に分岐し、それぞれの分岐
光Ｌ₁を１対１で夫々の光ファイバー２の一端側に入射
させ、図１（ｂ）に示すように、光ファイバー２がバン
ドル化された他端側から光源光Ｌ₂として出射する。

【００４８】この場合、図２に示すように、光ファイバ
ー２へ入射させる分岐光Ｌ₁のビームスポット１９の径
は、前記光ファイバーのコア径と同等若しくはそれより
も小さくすることが好ましい。

【００４９】図２は、光ファイバー２の入射端における
コア６に入射するビームスポット１９の位置を模式的に
示すものであり、（ａ）は図１（ａ）に示すように、光
ファイバー２の入射端を例えば六角形に分散配置した場
合、また図２（ｂ）はこの入射端側がバンドルされてい
る場合を示している。図示の如く、分岐光Ｌ₁のビーム
スポット１９の径は、光ファイバー２のコア６の径と同
等以下であるのが好ましい。

【００５０】このような光ビームＬ₁への分岐方法とし
ては、図１（ａ）に示すように回折型光学素子１６を用
いることにより、レーザー１５から出射されたコヒーレ
ントな出射光Ｌが回折型光学素子１６で光ビームＬ₁に
分岐され、光ファイバー２の入射端側に入射させること
ができる。

【００５１】本実施の形態に用いるレーザー１６として
は、固体・気体レーザー及び非線形光学効果を用いたこ
れらの波長変換や半導体レーザーなどが考えられる。し
かし、スペックルの抑圧のためには、低コヒーレンスな
光が望ましいので、多モード発振するものが望ましい。

【００５２】また、回折型光学素子としてはバイナリー
オプティックス又はホログラムなどとして構成されてい
ることが望ましい。即ち、半導体製造と同様にエッチン
グを用いて多段階の形状に作製されたバイナリーオプテ
ィクスや、フォトポリマーなどの記録材料を用いたホロ
グラムを用いるのが好ましいが、通常の回折格子の方向
を変えて重ね合わせることでも多数のスポットを形成す
ることができる。

【００５３】また、これ以外にも光を分岐させる方法と
しては、近年、回折型光学素子を用いた任意のパターン
のスポット生成光学素子が市販されるようになってきて
おり、加工技術の進歩により９０％以上の効率を得られ
るものも入手できるようになっているのでこれらを適宜
に用いることもできる。

【００５４】このように、複数のビームを生成させる手
段としては、従来、回折格子やビームスプリッターが用
いられてきたが、これらは多数のビームを同時に作り出
すことはできないので、多くのビームを同時に任意の配
置で生成できる本実施の形態に用いた回折型光学素子は
この点で有利である。

【００５５】光ファイバーとしては、多モード光ファイ
バー以外にシングルモードの光ファイバーが使用可能で
あり、石英などのガラスファイバーのみならず、近年進
歩の目ざましいプラスチック光ファイバーを使うことが
できる。しかし、多モードプラスチック光ファイバーは
可視光の透過率に優れている上、従来の光ファイバーの
コア径が数μｍ程度しかないのに対し、直径１ｍｍのコ
ア径のファイバーが既に市販されている。そして、調整
が容易で実用性に優れているのでこのような多モード光
ファイバーを用いるのが好ましい。

【００５６】本実施の形態における光ファイバー２の入
射端面の配置は様々なパターンが考えられる。例えば図
３（ａ）に示す矩形格子状、図３（ｂ）に示す六角形、
また、図３（ｃ）に示す線状など、任意な配置を回格光
学素子のパターンに合わせた形状に形成することもでき
る。

【００５７】しかし、どのような形状であっても、光フ
ァイバー２は自由に曲げることができるので、出射端は
照明光学系として最適な形状を入射端とは独立に形成す
ることができる。照明への応用や用途によっては特別な
パターンが必要となることもあるので、この自由度は大
きなメリットである。

【００５８】そして、本実施の形態に用いる複数の光フ
ァイバー２は、レーザー１５から出射されるコヒーレン
ト光のコヒーレンス長以上に長さが互いに異なることが
望ましく、そのためには上記したように、複数の光ファ
イバーのいずれかを曲げることにより、これらの光ファ
イバーの長さを互いに異ならせることができる。多モー
ド光ファイバーの場合はそれ自体でコヒーレンスを低減
させることができるので必ずしも長さを異ならせなくて
もよいが、上記のように長さを異ならせることによりコ
ヒーレンス低減の効果を大きくすることができる。

【００５９】更に、図１（ａ）に示すように、この複数
の光ファイバー２の光入射位置を、各光ファイバー間で
同一若しくはほぼ同一とすることが望ましく、少なくと
も光出射位置及び／又は光入射位置で束ねられているこ
とが望ましい。

【００６０】しかし、これは必ずしも束ねなくてもよ
い。例えは微量な光量でよい場合などには、分岐光Ｌ₁
が入射した１本の多モード光ファイバー２からの出射光
で足りることも考えられる。このように用途に応じて束
ねなくてもよく、束ねてもよく、束ねる場合には束ねる
本数も適宜であってよいが、このような特殊な用途を除
いて多くの場合、光学系での損失を少なくしようとする
と、レンズなどの光学部品を光源に対して大型化するこ
とが必要になるので、ファイバーの出射端をまとめれ
ば、装置を小型化できるので全体の光学系も小型化する
ことができる。

【００６１】また、本実施の形態におけるコヒーレント
光は可視域のレーザー光であることが望ましく、この場
合、光源は可視域のレーザー光を出射する各種レーザー
であってよい。

【００６２】これにより、表示装置（ディスプレイ）や
計測装置、顕微鏡等の可視域の光ビームを、照明光とす
る照明装置及びこのような光源装置を光源とする光学装
置を実現できる。

【００６３】或いは、光ファイバーとして中空多モード
光ファイバーを用い、かつ、前記コヒーレント光を紫外
域のレーザー光としてもよく（即ち、紫外域のレーザー
光を出射するレーザーが用いられていてよく）、これに
よって、紫外域の光ビームを照明光とする照明装置及び
このような光源装置を光源とする、例えば、計測装置、
顕微鏡、露光装置等の光学装置を実現できる。

【００６４】上述した如く、本実施の形態における多モ
ード光ファイバーのそれぞれの長さは、出射端での相互
のコヒーレンスが十分失われるだけの差が与えられたも
のを用い、図１に示すように、ファイバーの出射端をバ
ンドル化して、その出射光を用いて照明光学系を構成す
れば、相関のない光の重畳によりスペックルを抑圧する
ことができる。

【００６５】即ち、図４に示すように、バンドル化した
多モード光ファイバー２の出射端４からの出射光はコン
デンサーレンズ３９によって投影する物体２４に集光さ
れ、更にこの光が投影レンズ４０を介してスクリーン２
６に投影されたスペックルのない像を観察者２８は観察
することができる。

【００６６】また、本実施の形態は、図１及び図２に示
したように、回折型光学素子１６によって分岐された光
ビームスポット１９が、入射する多モード光ファイバー
２のコア径よりも小さければ、入射端面での反射ロス以
外の光はファイバー中に入射する。しかし、大きな入射
角で入射した光はファイバー中の伝播モードとはなり得
ず、損失となる。従って、各光ファイバーへの入射光は
多モード光ファイバーのＮＡ（開口数）以下の入射角で
入射させることが必要である。

【００６７】従って、図５に示すように、レーザーから
の出射光ビームＬの直径を２ａ、分岐光スポットまでの
距離をｆとして配置した場合の回折型光学素子の作る分
岐光スポット径はおよそ、λ／ＮＡ＝λｆ／ａ₁（λ：
波長）である。そこで例えば、光ファイバー２の直径を
２Ａとすれば、２Ａ＞λｆ／ａでなければならない。

【００６８】また、最も外側の光ファイバーの中心から
光軸ｃまでの距離をｘ、光ファイバーのＮＡをＮＡ
_fiberとすれば、カップリングのためには、ＮＡ_fiber
＞（ａ＋ｘ）／ｆでなければならない。

【００６９】現在市販されているプラスチック光ファイ
バーのＮＡ_fiberは最大で０．８程度のものまで存在す
るが、出射光の取扱いを考えれば、使い易いのは０．３
程度である。また、コア径は典型的には１ｍｍ（Ａ＝
０．５ｍｍ）程度である。

【００７０】そこで、例えば、２ｍ本×２ｍ本のファイ
バーを矩形に並べたとすれば、ｘ＝ｍ×１（ｎｍ）であ
る。従って、波長０．５μｍの光に対して、となる。

【００７１】回折型光学素子の直径２ａ＝２ｍｍ、分岐
光スポットまでの距離をｆ＝１００ｍｍとし、１ｍｍ間
隔で１０×１０のスポットアレイを形成するとすれば
（ｍ＝５）となり、上記のカップリング条件は簡単に満
たすことができる。従って本実施の形態の光学系は容易
に実現することができる。

【００７２】そして、本実施の形態による照明装置を用
いて、レーザーディスプレイ、レーザーを用いた顕微
鏡、計測装置、露光装置などが実現され、高効率でスペ
ックルを除去した単色性に優れた照明光学系を得ること
ができる。

【００７３】しかし、本実施の形態のおける光ファイバ
ーバンドルの長さ、及び、これを構成する各光ファイバ
ーの長さの差を決定するためには、光ファイバーから出
射される光ビームの時間コヒーレンスを求める必要があ
る。

【００７４】特に、多モード光ファイバーのモード分散
が多モードレーザー光のコヒーレンス長と比較して同程
度の場合、光ファイバーの長さの差がコヒーレンス長程
度でよいかどうかは自明ではない。そこで、多モード光
ファイバーのインパルス応答理論を用いて、光ファイバ
ーから出射される光ビームの時間コヒーンス長を求める
必要がある。

【００７５】上述したように、Gloge は、多モード弱結
合光ファイバーの半径方向のモードを無視し、パワーの
時間軸上の伝搬のみに注目した解析を行って、多モード
光ファイバーのインパルス応答を求めた〔D.Gloge, Bel
l Syst. Tech. Jour., 52, 6, 801-816 (1973)、D.Glog
e, Bell Syst. Tech. Jour., 51, 8, 1767-1783 (197
2)、大越、岡本、保立、「光ファイバー」、９章、オー
ム社（１９８３）参照〕。

【００７６】即ち、多モード光ファイバーを伝搬する光
ファイバーのモード間が弱結合している場合、伝搬中の
屈折率のゆらぎや光ファイバーの曲げなどにより、モー
ド間にパワーの移動が生じる。モードが多数あり、何度
ものモード間のパワーの移動を経て多モード光ビームが
移動していく場合、１つの入力光ビームは幾つものモー
ドに別れて広がっていく。このような場合、光ファイバ
ーの軸方向の伝達関数のみが重要になる。

【００７７】そこで、光ファイバーの光軸上で同一の伝
搬定数を持つモードを１つのモード群として統計的な解
析を行うことが有効である。ここでは、上述した Gloge
のインパルス応答の解析結果を用いて、多モード光ファ
イバー中のコヒーレンス伝搬を解析する。

【００７８】まず、十分長い多モード光ファイバーのパ
ワーインパルスレスポンスＱ（ｚ，ｔ）は、次式Ａで与
えられる。なお、下記式Ａは、多モード光ファイバーの
入射端から距離ｚにある一点での時刻ｔにおけるインパ
ルスレスポンスを示すものである。

【数１】但し、式Ａにおいて、光ファイバーコアの半径をａ、光
ビームの波長をλ、コアの屈折率をｎ₁、モード減衰定
数の係数をＡ、パワー結合定数をｄ₀とすれば、前記の
式Ａにおけるγ∞、Θ∞及びＴは、それぞれ次のように
表される。

【数２】

【００７９】このインパルスレスポンスＱ（ｚ，ｔ）に
よれば、光ファイバー出射端の振幅ｕ（ｔ）は、

【数３】で表される。

【００８０】即ち、前述の各式を用いれば、出射光ビー
ムの時間コヒーレンス関数は、入射光ビームの時間コヒ
ーレンス関数をγとして、下式のように求められる。但
し、下式は、時刻ｔ₁と時刻ｔ₁＋ｔ’とにおける時間
コヒーレンスを示すものである。

【数４】

【００８１】ここで、この式を用いて、光ファイバー長
Ｌが１ｍ、５ｍ、１０ｍ、１００ｍで、入射光ビームの
コヒーレント長Ｌc が０．７ｍｍ（図９）、７ｍｍ（図
８）、７０ｍｍ（図７）の場合について、時間コヒーレ
ンスを測定した。ここでは、インパルスレスポンスの測
定データ（Mitsuboshi MH4001, NA=0.3, 50m, SI）によ
ってフィッティングを行い、 γ∞＝０．０４５（１／ｍ）Ｔ＝０．４５ｎｓ Θ∞²＝８．１×１０^-3 とした。その測定結果を図６〜図９に示す。

【００８２】図７、図８及び図９から、光ファイバー出
射後の光ビームのコヒーレンス長は、光ファイバー入射
前の光ビームのコヒーレンス長（図中実線）に比べて、
６割程度に落ちていることが分かる。

【００８３】また、ここで興味深いのは、光ファイバー
長が長くなるにつれて、光ビームのコヒーレント長が若
干伸びていることである。これは、特に、入射光ビーム
のコヒーレンス長が長い例（図７参照）で顕著であり、
多モード光ファイバーの多モード分散による平均化の効
果によるものである。

【００８４】さらに、図６から、インパルスレスポンス
（インパルス応答）は、光ファイバーの長さが長くなる
につれて、非対称形から対称なガウシアン分布に近づき
ながらパルス幅が広がっていき、カットオフは変わらな
いものの、パルスの前後で相関性が上昇するものと思わ
れる。

【００８５】いずれにせよ、光ファイバーの長さは必要
十分な長さであればよいので、実用上は数ｍ程度である
ことが望ましい。必要以上に長い光ファイバーは重量及
び容積的に不経済であるばかりでなく、伝搬中の光ビー
ムの損失が増加する傾向にある。

【００８６】また、半導体レーザーによるレーザー光
や、多モード固体レーザーによるレーザー光、さらに
は、その非線形光学効果を利用した波長変換によるレー
ザー光は、数ｍｍから数十ｍｍ程度のコヒーレント長に
設計できる。

【００８７】従って、実用的な設計範囲においては、上
記の測定結果から、出射光ビームのコヒーレント長は入
射光ビームのコヒーレント長の６割程度になることが分
かり、各光ファイバーからの出射光ビームのコヒーレン
ス長以上、若しくは、光源から出射された光ビームのコ
ヒーレント長の６割以上の光路長差をつけた多モード光
ファイバーをバンドルすることによって、十分にコヒー
レンスを低減させることができる。

【００８８】即ち、光源から出射される光ビームのコヒ
ーレント長をＬc 、コア屈折率ｎ_coreを有するｎ番目の
多モード光ファイバーの長さをＬ_nとするとき、Ｌ_n+1−Ｌ_n≧（０．６・Ｌc ）／ｎ_core ・・・式１かつ、Ｌ_n+1−Ｌ_n＞０・・・式２を満たす、長さＬ_n（但し、ｎは１、２、・・・ｍ）の
ｍ本の多モード光ファイバーをバンドルすることによっ
て、十分にコヒーレンスを低減させることができる。こ
のように、本発明においては、（光路長差）≧（出射光ビームのＬc の６割）／（屈折
率）が成り立つことが望ましい。

【００８９】なお、光路長に差をつけるための手段とし
ては、上述の如き長さを変えた光ファイバーのバンドル
を用いるのが最も簡便であるが、前述のプリズム（図２
３参照）やフライアイレンズ（図２２参照）などの手段
を用いる場合にも、その光路長差を上述した作用に基づ
いて決定してもよい。また、この多モード光ファイバー
は、ステップインデックス型の光ファイバーであっても
よいし、グレーテッドインデックス型の光ファイバーで
あってもよい。特に、ステップインデックス型のプラス
チック光ファイバー（ＰＯＦ）が望ましい。

【００９０】以下、本発明に基づいて更に有効な実施の
形態を説明する。

【００９１】図１０に示すように、各光ファイバーの出
射光ビームのコヒーレント長以上に長さが異なる複数の
多モード光ファイバー２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・の
入射端（入射側ファイバーバンドル部）３と出射端（出
射側ファイバーバンドル部）４とをすべて揃え、これを
束ねることによって、出射光ビームのコヒーレンス長以
上に長さの互いに異なる複数の多モード光ファイバーか
らなる多モード光ファイバーバンドル１を構成すること
もできる。

【００９２】特に、その入射端３及び出射端４での束ね
方は、図１０（ｂ）に示すように、できるだけ密である
ことが、出射される（又は入射される）レーザー光の結
合（カップリング）効率の点から望ましい。

【００９３】また、各多モード光ファイバー２ａ、２
ｂ、２ｃ、２ｄ・・・は、屈折率の大きなコア５と比較
的屈折率の小さなクラッド６とからなる２重構造を有し
ており、かつ、バンドル光ファイバー１において一本一
本長さが異なっている。この長さの差、即ち光路長差
は、それぞれの出射光ビームのコヒーレンス長以上に長
さの差を有していればよい。

【００９４】このように長さの異なる複数の多モード光
ファイバーをバンドルする方法としては、図１０及び図
１１に示すように、各光ファイバーのいずれかを他のフ
ァイバーよりも、出射光ビームのコヒーレンス長以上の
長さ分だけ長くなるように曲線状に折り返してよく、こ
の折り返し部１４を設けても、多モード光ファイバーバ
ンドル１の入射端３と出射端４は各ファイバー間で共通
若しくは同一位置となっている。このように、多モード
光ファイバー２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・を用いるた
めに、折り返し等により周囲空間を有効に利用して上記
した長さの差を簡易かつコンパクトに実現することがで
きる。

【００９５】従って、図１０に示した多モード光ファイ
バーバンドル１において、複数の多モード光ファイバー
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・がバンドルされた入射側
ファイバーバンドル部３に入射するコヒーレント光α
は、多モード光ファイバーバンドル１を介して、コヒー
レンスが十分に低減された光ビームとして出射される。

【００９６】即ち、入射側ファイバーバンドル部３に入
射したコヒーレント光（特にレーザー光）αは、各多モ
ード光ファイバー２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・に同一
若しくはほぼ同一の強度をもって入射し、それぞれの多
モード光ファイバー中で、モード分散により時間的コヒ
ーレンス、空間的コヒーレンスが低減された光ビーム
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）・・・として出射され
る。

【００９７】この、図１０に示した多モード光ファイバ
ーバンドル１を用いて図１２に示すような表示装置（レ
ーザーディスプレイ）とすることもできる。

【００９８】図１２に示した表示装置は、レーザー共振
器７を出射したレーザー光がレンズ８に入射し、そし
て、レンズ８によって集光されたレーザー光は、多モー
ド光ファイバーバンドル１の入射端３に入射する。

【００９９】そして、多モード光ファイバーバンドル１
及び多モード光ファイバー９を介して出射されたレーザ
ー光は、レンズ１０を介して、例えば透過型の液晶表示
素子からなる空間光変調器（透過型ライトバルブ）１１
を照明する。この場合、多モード光ファイバー９は、シ
ングルモード光ファイバーを束ねたものであってもよい
し、或いは、出射端４において多モード光ファイバーバ
ンドル１とカップリングされた他の光ファイバーであっ
てもよい。

【０１００】そして、レンズ１０からの高強度の照明光
によって、空間光変調器１１による像が投影レンズ１２
を介してスクリーン１３に、高輝度、高精細かつコント
ラスト良く投影される。このように、空間光変調器１１
を照明する照明光は、コヒーレンスが低減されているの
で、スクリーン若しくはこれを観察する観察者の網膜の
いずれにおいてもスペックルが低減されている。

【０１０１】また、図１３に示すように、表示装置等に
用いる三原色の照明光を得る目的で、赤色波長領域のレ
ーザー光を発振可能な半導体レーザーと、緑色波長領域
のレーザー光を発振可能な半導体レーザーと、青色波長
領域のレーザー光を発振可能な半導体レーザーとを用い
た照明用光ビームの光源として構成することもできる。

【０１０２】即ち、図１３に示すように、赤色（Ｒ）発
振の半導体レーザー４１ａ、緑色（Ｇ）発振の半導体レ
ーザー４１ｂ及び青色（Ｂ）発振の半導体レーザー４１
ｃのそれぞれの半導体レーザーから出射されたレーザー
光を、レンズ４２ａ、４２ｂ及び４２ｃを介して、出射
端側を分岐した多モードバンドル光ファイバー４３ａ、
４３ｂ及び４３ｃに導き、各色のレーザー光を多モード
バンドル光ファイバーでカップリングすることができ
る。

【０１０３】図１４に示すように、大きな強度の照明光
を得る目的で、赤色半導体レーザー４１ａ、４１ｂ及び
４１ｃからの赤色レーザー光をレンズ４２を介して、多
モードバンドル光ファイバー４３ａ、４３ｂ及び４３ｃ
にそれぞれ導き、これらの多モードバンドル光ファイバ
ーをさらにカップリングすることによって、ファイバー
束４４ａにてより大きな強度の赤色レーザー光を伝搬さ
せることができる。同様にして、緑色レーザー光、青色
レーザー光を伝搬することもできる。

【０１０４】そして、赤色レーザー光を伝搬する多モー
ド光ファイバー４４ａと、緑色レーザー光を伝搬する多
モード光ファイバー４４ｂと、青色レーザー光を伝搬す
る多モード光ファイバー４４ｃとをさらにバンドル化し
た多モード光ファイバー４５にて、より強度の大きな三
原色のレーザー光を伝搬させることができる。勿論、各
色を発振する半導体レーザーの数は３つに限定されるも
のではなく、任意の複数個を使用できる。

【０１０５】図１５に示すように、Ｐ偏光を発振する半
導体レーザー１３２ａ、Ｓ偏光を発振する半導体レーザ
ー１３２ｂ、レンズ１３３ａ、１３３ｂ、ミラー１３４
及び偏光ビームスプリッター１３５からなるレーザーカ
プラーユニット１３１、及び、レンズ１３６を用いて、
Ｐ偏光のレーザー光とＳ偏光のレーザー光とを多モード
バンドル光ファイバー１３７に合波せしめ、偏光状態の
異なるレーザー光を利用してこのように、偏光ビームス
プリッターを使うことで、効率良く高強度のレーザー光
を導くことができる。

【０１０６】また、図１６は、基本的には図１４と同様
に、偏光状態の異なるレーザー光を利用した照明装置で
あり、赤色（Ｒ）レーザー光を発振可能なレーザーカプ
ラーユニット１３１ａから出射される赤色レーザー光
を、レンズ１３６ａを介して多モードバンドル光ファイ
バー１３７ａに合波せしめ、同様に、緑色（Ｇ）レーザ
ー光を発振可能なレーザーカプラーユニット１３１ｂか
ら出射される緑色レーザー光、青色（Ｂ）レーザー光を
発振可能なレーザーカプラーユニット１３１ｃから出射
される青色レーザー光をそれぞれ、レンズ１３６ｂ及び
１３６ｃを介して、多モードバンドル光ファイバー１３
７ｂ及び１３７ｃに入射させ、各多モードバンドル光フ
ァイバーを束ねることもできる。

【０１０７】ところで、図１３〜図１６に示した実施の
形態は、異なる発振波長域を有する半導体レーザーから
の出射光を一つの多モードバンドル光ファイバーに導く
例を示したが、この他、三原色の光を提供するには、い
くつかの手法が考えられる。

【０１０８】まず第１に、光源の変調である。即ち、各
色のレーザー光を周期的に発振させ、その周期毎に空間
変調器によって空間的な色分解（変調）を行うことで、
カラー像が得られる。

【０１０９】第２には、色フィルターを用いた空間変調
である。即ち、各色空間変調器がピクセルごとに特定の
色のみを通すフィルターを有していれば、これによって
空間的変調器によるカラー像が得られる。また、三原色
の合成は、下記第４の実施の形態に示すように、空間変
調器の部分で行うこともできる。

【０１１０】また、例えば、反射型液晶表示素子等の反
射型空間変調器を用い、この空間変調器の部分で三原色
の合成（図示省略）を行った後、本実施の形態に基づく
多モードバンドルファイバーに導く表示装置として構成
することもできる。

【０１１１】また、図１７に示すように、上述の手法を
用いて、反射型空間変調器１４０とビームスプリッター
１４１とからなるユニット１４２に図示省略した多モー
ド光ファイバーバンドルを介して照明光を照射すること
によって、三原色を一つの空間変調器（ユニット）で変
調できる。ここで、ビームスプリッター１４１を偏光ビ
ームスプリッターに置き換え、空間変調器自体若しくは
その光路上に波長板を配置して、変調効率を高めること
もできる。

【０１１２】また、図１８に示すように、図１７に示し
たユニットを各色ごとに用いて、すなわち、図示省略し
た多モード光ファイバーバンドルを介した照明光を、赤
色空間変調器ユニット１４２ａ、緑色空間変調器ユニッ
ト１４２ｂ及び青色空間変調器ユニット１４２ｃに導
き、空間変調後に、ダイクロイックミラー１４３を用い
て合波することもできる。

【０１１３】上記した図１３〜図１８の実施の形態は、
反射型の空間変調器について述べたが、透過形の空間変
調器（例えば透過型液晶表示素子）についても同様に構
成することができる。

【０１１４】また、図１９に示すように計測装置に適用
し、多モードバンドル光ファイバー１４５からの照明光
ａを、被計測面１４７を有する計測対象１４６に投射
し、被計測面１４７にて反射された光ビームｂを観察光
学系１４８を介して受光器１４９で検出すれば、例え
ば、その表面性（表面粗度等）を計測できる。

【０１１５】更に、計測対象物体が有する透過率や反射
率等の分光特性に特徴があれば、それに適切な波長の光
を使うことが有効である。例えば、ＦＡ（ファクトリー
オートメーション）における選別機械などで特定の色を
有する物体を認識するためには、特定の波長を有するレ
ーザー光を照射し、その他の色の物体との反射率が異な
ることで、その認識が容易になる。また、はんだ検査器
においては、基板の反射率から緑色波長領域の照明光が
最も有効だが、これも緑色波長帯域の半導体レーザーを
使うことによって実現でき、さらに、この方法を用いれ
ば、その検査における精度が一層向上する。

【０１１６】即ち、これらの検査工程において、スペッ
クルはノイズ要因となるので、本発明に基づく多モード
光ファイバーを用いることで、精度の向上が図られる。
また、観察光学系１４８に、特定の波長フィルターを加
えれば、外乱光からの影響を受けず、さらなる精度の向
上が可能となる。

【０１１７】また、図２０に示すように露光装置や顕微
鏡等の光学機器に適用し、多モードバンドル光ファイバ
ー１５１からの出射光ビームをコンデンサーレンズ１５
２を介して、被照明物体１５３に対してケーラー照明、
若しくは、クリティカル照明し、対物レンズ１５４を用
いて、照明された被照明物体１５３の像１５５を結像す
ることもできる。ここで像面を観察すれば、顕微鏡とな
り、また、被照明物体１５３の像をレジストやフィルム
等に露光（または記録）すれば露光装置となる。なお、
図中矢印に示すように、対物レンズ１５４は適宜移動さ
せることができる。

【０１１８】ここで、上述した計測装置の場合と同様
に、被照明物体が有する透過率や反射率等の分光特性に
特徴があれば、それに適切な波長の光を使うことが有効
である。例えば、被露光材料となるレジストやフィルム
が特定の波長に対して感度が高ければ、その波長で露光
することが有効である。これは、特定の発振波長帯域を
有する波長幅の狭いレーザーを用いれば可能となり、ま
た、本実施の形態に基づく手法で、そのレーザー光を低
コヒーレント化し、スペックルを除くことで、コントラ
ストに優れた露光処理を実現できる。

【０１１９】一例として、映画フィルムへのデジタル音
声トラックの記録には、緑色波長帯域の光ビームを用い
ることが有効だが、上記した手法を用いれば、これが簡
便に実現できる。また、他の例としては、中空の導波路
を多モード光ファイバーに置き換え、エキシマレーザー
や、固体レーザーの高調波などの紫外レーザー光を用い
た露光装置が考えられる。これはスペックルを抑圧でき
るのみならず、照度分布でも均一化できるので、装置が
安価かつ簡便で性能の優れたものになる。

【０１２０】また、顕微鏡を構成する場合、単一波長で
スペックルのない顕微鏡を実現できるので、サンプルに
よる反射率もしくは透過率の特性を利用して、分光もし
くは蛍光顕微鏡を構成できる。これは医用や生体用のみ
ならず、半導体などのプロセス検査など幅広い応用が考
えられる。

【０１２１】また、上記した計測装置以外の計測装置の
例としては、近年注目が集まっている低コヒーレント干
渉計などの干渉計用途にも適用することができる。

【０１２２】即ち、図２１に示すように、多モードバン
ドル光ファイバー１６０からの光ビームをコリメーター
レンズ１６１で平行光にしてビームスプリッター１６２
でその波面を分割する。一方の光ビーム（透過光）は、
参照鏡１６３（ビームスプリッターからの距離がＬ）に
向かい、他方の光ビーム（反射光）は被験側へ向かう。

【０１２３】ここで、多モードバンドル光ファイバーの
出射光のコヒーレンス長がａ以下である場合、被験側の
ミラーが、ビームスプリッターからの距離がＤ−ａの位
置にあるミラー１６４ｂ、若しくは、ビームスプリッタ
ーからの距離がＤ＋ａの位置にあるミラー１６４ｃとき
は干渉縞がほとんど生じない。これに対して、ミラー１
６４ａのように、ミラーがビームスプリッターからの距
離がＤの位置にあるときだけ干渉縞（スペックルパター
ン）が生じる。

【０１２４】ここで、ミラー１６４ａ、１６４ｂ及び１
６４ｃの代わりに、図２１（ｂ）に示す如き三次元形状
を持つサンプル１６６、或いは、図２１（ｃ）に示す如
き生体サンプル１６７を置き、これからの反射光を干渉
光として観察すれば、各サンプルの三次元形状を輪切り
にした状態で観察することができる。また、この干渉縞
のコントラストを計測することで、測長器として利用す
ることもできる。

【０１２５】上述した実施の形態はこれに限定されるも
のではなく、本発明の技術的思想に基づいて更に変形さ
せることが可能である。

【０１２６】例えば、上述したそれぞれの実施の形態の
構造や構成及び形態等も実施の形態以外に適宜に実施す
ることができる。使用する光ファイバーは、多モード以
外に、シングルモードのものでも適用可能であり、上述
と同様の効果が得られる。

【０１２７】また、本発明の光源装置の用途は上述した
実施の形態以外の各種の用途に適用することができる。

【０１２８】上述した本実施の形態によれば、光源のレ
ーザー光が複数の光ビームに分岐され、それぞれの光ビ
ームが複数の多モード光ファイバーのそれぞれに一対一
で入射し、しかもこの光ビームのビームスポット径が多
モード光ファイバーのコア径と同等若しくはそれ以下と
なっているので、多モード光Ｓファイバーへ入射するレ
ーザー光の結合効率を高めることができる。

【０１２９】更に、この光ビームが入射する複数の多モ
ード光ファイバーの長さがそれぞれ異なるため、その光
路長差が入射するコヒーレント光のコヒーレンスより大
きくなり、入射するコヒーレント光のコヒーレンスを十
分に低減させるための最低限必要な光路長差が生起さ
れ、必要最低限の長さの多モード光ファイバーを用い、
コヒーレンスが低減された光ビームを光源として各種の
照明用に適用することができる。

【０１３０】従って、コヒーレンスの低減によってスペ
ックルが抑圧されるため、この多モード光ファイバーか
らの出射光を照明の光源とする各種の光学装置におい
て、観察時や測定じのノイズが著しく低減され、測定性
能や測定精度を向上させることができる。

【０１３１】その結果、ディスプレイ、計測装置、顕微
鏡、露光装置などの光学装置を、光電変換効率の高いレ
ーザーを用いて構成することができ、これによって、こ
れらの光学装置の高性能化と共に、小型化、低コスト化
を図ることができる。

【０１３２】

【発明の作用効果】上述した如く、本発明は、コヒーレ
ント光を複数の光ビームに分岐する分岐手段と、この分
岐手段によって分岐された光ビームを一端側から入射さ
せ、他端側から出射させる、複数の光ファイバーとを有
し、前記分岐された光ビームのそれぞれが、前記複数の
光ファイバーのそれぞれに対応して入射するので、コヒ
ーレント光が高効率で光ファイバーに入射すると共に、
入射コヒーレント光のコヒーレンスを低減させて出射す
ることができる。また、各光ファイバーの長さを互いに
異ならせておけば、それぞれの光ファイバーの光路長差
がいずれの光ファイバーからの出射光ビームのコヒーレ
ンス長よりも大きくなり、入射コヒーレント光のコヒー
レンスを十分に低減させるために最低限必要な光路長差
が生起される。その結果、必要最低限の長さの多モード
光ファイバーを具備し、光量は低下することなく、コヒ
ーレンスが低減した光を出射する光源装置を得ることが
できる。

【０１３３】そして、この出射光を照明方法に用いれ
ば、コヒーレンスの低減した光ビームを有効に利用した
照明装置が提供され、また、上記の光源装置からの出射
光を直接的又は間接的に入射させる光学素子に用いれ
ば、ノイズが著しく低減された高性能で高精度な光学装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による光源装置の概略図を
示し、（ａ）は入射端側、（ｂ）は出射端側である。

【図２】同、入射端側の多モード光ファイバーの入射端
面及びビームスポットを示す模式図であり、（ａ）は入
射端面を六角形を六角形に配置した場合、（ｂ）は入射
端面をバンドルした場合である。

【図３】同、ビームスポットの配置パターンを示し、
（ａ）は矩形、（ｂ）は六角形、（ｃ）は線状のパター
ンである。

【図４】同、光源装置を用いた光学系を示す概略図であ
る。

【図５】同、光源装置における入射条件を示す原理図で
ある。

【図６】同、作用を説明するためのインパルス応答（イ
ンパルスレスポンス）を示すグラフである。

【図７】同、作用を説明するための光ファイバー出射後
の時間コヒーレンスの変化を示すグラフである（入射光
ビームのコヒーレンス長：７０．０ｍｍの場合）。

【図８】同、作用を説明するための光ファイバー出射後
の時間コヒーレンスの変化を示す他のグラフである（入
射光ビームのコヒーレンス長：７．０ｍｍの場合）。

【図９】同、作用を説明するための光ファイバー出射後
の時間コヒーレンスの変化を示す他のグラフである（入
射光ビームのコヒーレンス長：０．７０ｍｍの場合）。

【図１０】同、他の実施の形態に使用できるバンドルフ
ァイバーの概略模式図である。

【図１１】同、他の実施の形態による照明装置を示す概
略構成図である。

【図１２】同、他の実施の形態を示す概略模式図であ
る。

【図１３】同、他の実施の形態を示す概略模式図であ
る。

【図１４】同、他の実施の形態を示す他の概略模式図で
ある。

【図１５】同、他の実施の形態を示す概略模式図であ
る。

【図１６】同、他の実施の形態を示す他の概略模式図で
ある。

【図１７】同、他の実施の形態を示す概略模式図であ
る。

【図１８】同、他の実施の形態を示す他の概略模式図で
ある。

【図１９】同、他の実施の形態を示す概略模式図であ
る。

【図２０】同、他の実施の形態を示す概略模式図であ
る。

【図２１】同、更に他の実施の形態を示す概略模式図で
ある。

【図２２】従来例によるフライアイレンズを用いた照明
装置の一部概略模式図である。

【図２３】同、プリズムを用いた照明装置の一部概略模
式図である。

【図２４】コヒーレンス制御の必要性を説明するための
概略模式図である。

【図２５】同、他の概略模式図である。

【図２６】光ファイバー中のモード分散によるコヒーレ
ンス低下の原理を示す概略模式図である。

【図２７】先願における入射端側の多モード光ファイバ
ーバンドル端面と入射光との関係を示す概略図である。

【符号の説明】

１…多モード光ファイバーバンドル、２ａ、２ｂ、２
ｃ、２ｄ、９…多モード光ファイバー、３…入射端、
４、３８…出射端、５…クラッド、６…コア、７…レー
ザー発振器、８、１０、１２、４２、１３３、１３６…
レンズ、１１…空間光変調器、１３…スクリーン、１４
…折り返し部、１５…レーザー、１６…回折型光学素
子、１９…ビームスポット、３９、１５２…コンデンサ
ーレンズ、４０、１５５…投影レンズ、４１、１３２…
半導体レーザー、４３、１３７、１４５、１５１、１６
０…バンドル光ファイバー、４４…ファイバー束、１３
１…レーザーカプラーユニット、１３４、１６４…ミラ
ー、１３５、１４１、１６２…偏光ビームスプリッタ
ー、１３８…結合器、１４２…空間変調ユニット、１４
３…ダイクロイックミラー、１４６…計測対象、１４８
…観察光学系、１４９…受光器、１５３…被照明物体、
１６１…コリメーターレンズ、１６３…参照鏡、１６５
…観察面、１６６…三次元形状を有するサンプル、１６
７…生体サンプル、Ｌ…出射光、Ｌ₁…分岐光（光ビー
ム）Ｌ₂…光源光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コヒーレント光を複数の光ビームに分岐
する光分岐手段と、この分岐手段によって分岐された光
ビームを一端側から入射させ、他端側から出射させる、
複数の多モード又はシングルモード光ファイバーとを有
し、前記分岐された光ビームのそれぞれが、前記複数の
光ファイバーのそれぞれに対応して入射するように構成
した光源装置。
【請求項２】前記入射位置において、前記光ビームが
前記光ファイバーの径と同等若しくはそれ以下のビーム
径を有するように構成した、請求項１に記載した光源装
置。
【請求項３】前記分岐光のビームスポット径が、前記
光ファイバーのコア径と同等若しくはそれよりも小さ
い、請求項２に記載した光源装置。
【請求項４】前記コヒーレント光が回折型光学素子で
前記光ビームに分岐され、前記光ファイバーの入射端側
に入射する、請求項１に記載した光源装置。
【請求項５】前記回折型光学素子がバイナリーオプテ
ィクス又はホログラムなどとして構成されている、請求
項４に記載した光源装置。
【請求項６】前記コヒーレント光のコヒーレンス長以
上に前記光ファイバーの長さが互いに異なる、請求項１
に記載した光源装置。
【請求項７】前記複数の光ファイバーのいずれかを曲
げることにより、これらの光ファイバーの長さを互いに
異ならせる、請求項６に記載した光源装置。
【請求項８】前記複数の光ファイバーの光入射位置
を、各光ファイバー間で同一若しくはほぼ同一とする、
請求項１に記載した光源装置。
【請求項９】前記複数の光ファイバーが、少なくとも
光出射位置及び／又は光入射位置で束ねられている、請
求項１に記載した光源装置。
【請求項１０】前記コヒーレント光が可視域のレーザ
ー光である、請求項１に記載した光源装置。
【請求項１１】前記コヒーレント光が紫外域のレーザ
ー光である、請求項１に記載した光源装置。
【請求項１２】コヒーレント光を複数の光ビームに分
岐し、この分岐した光ビームを複数の多モード又はシン
グルモード光ファイバーの一端側から入射させ、他端側
から出射させて照明光として用い、前記分岐した光ビー
ムのそれぞれを、前記複数の光ファイバーのそれぞれに
対応して入射させる照明方法。
【請求項１３】前記入射位置において、前記光ビーム
のビーム径を前記光ファイバーの径と同等若しくはそれ
以下とする、請求項１２に記載した照明方法。
【請求項１４】前記分岐光のビームスポット径を、前
記光ファイバーのコア径と同等若しくはそれよりも小さ
くする、請求項１３に記載した照明方法。
【請求項１５】前記コヒーレント光を回折型光学素子
で前記光ビームに分岐し、前記光ファイバーの入射端側
に入射させる、請求項１２に記載した照明方法。
【請求項１６】前記回折型光学素子をバイナリーオプ
ティクス又はホログラムなどとして構成する、請求項１
５に記載した照明方法。
【請求項１７】前記コヒーレント光のコヒーレンス長
以上に前記光ファイバーの長さを互いに異ならせる、請
求項１２に記載した照明方法。
【請求項１８】前記複数の光ファイバーのいずれかを
曲げることにより、これらの光ファイバーの長さを互い
に異ならせる、請求項１７に記載した照明方法。
【請求項１９】前記複数の光ファイバーの光入射位置
を、各光ファイバー間で同一若しくはほぼ同一とする、
請求項１２に記載した照明方法。
【請求項２０】前記複数の光ファイバーを、少なくと
も光出射位置及び／又は光入射位置で束ねる、請求項１
２に記載した照明方法。
【請求項２１】前記コヒーレント光に可視域のレーザ
ー光を用いる、請求項１２に記載した照明方法。
【請求項２２】前記コヒーレント光に紫外域のレーザ
ー光を用いる、請求項１２に記載した照明方法。
【請求項２３】前記照明光を、表示装置、計測装置、
顕微鏡又は露光装置の入射光として用いる、請求項１２
に記載した照明方法。
【請求項２４】コヒーレント光を複数の光ビームに分
岐する光分岐手段と、この分岐手段によって分岐された
光ビームを一端側から入射させ、他端側から照明光とし
て出射させる、複数の多モード又はシングルモード光フ
ァイバーとを有し、前記分岐された光ビームのそれぞれ
が、前記複数の光ファイバーのそれぞれに対応して入射
するように構成した照明装置。
【請求項２５】前記入射位置において、前記光ビーム
が前記光ファイバーの径と同等若しくはそれ以下のビー
ム径を有するように構成した、請求項２４に記載した照
明装置。
【請求項２６】前記分岐光のビームスポット径が、前
記光ファイバーのコア径と同等若しくはそれよりも小さ
い、請求項２５に記載した照明装置。
【請求項２７】前記コヒーレント光が回折型光学素子
で前記光ビームに分岐され、前記光ファイバーの入射端
側に入射する、請求項２４に記載した照明装置。
【請求項２８】前記回折型光学素子がバイナリーオプ
ティクス又はホログラムなどとして構成されている、請
求項２７に記載した照明装置。
【請求項２９】前記コヒーレント光のコヒーレンス長
以上に前記光ファイバーの長さが互いに異なる、請求項
２４に記載した照明装置。
【請求項３０】前記複数の光ファイバーのいずれかを
曲げることにより、これらの光ファイバーの長さを互い
に異ならせる、請求項２９に記載した照明装置。
【請求項３１】前記複数の光ファイバーの光入射位置
を、各光ファイバー間で同一若しくはほぼ同一とする、
請求項２４に記載した照明装置。
【請求項３２】前記複数の光ファイバーが、少なくと
も光出射位置及び／又は光入射位置で束ねられている、
請求項２４に記載した照明装置。
【請求項３３】前記コヒーレント光が可視域のレーザ
ー光である、請求項２４に記載した照明装置。
【請求項３４】前記コヒーレント光が紫外域のレーザ
ー光である、請求項２４に記載した照明装置。
【請求項３５】表示装置、計測装置、顕微鏡又は露光
装置の光源として用いられる、請求項２４に記載した照
明装置。
【請求項３６】コヒーレント光を複数の光ビームに分
岐する光分岐手段と、この分岐手段によって分岐された
光ビームを一端側から入射させ、他端側から出射させ
る、複数の多モード又はシングルモード光ファイバーと
を有し、前記分岐された光ビームのそれぞれが、前記複数の光フ
ァイバーのそれぞれに対応して入射するように構成した
光源装置と；この光源装置からの光を直接的又は間接的
に入射させる光学素子と；を有する光学装置。
【請求項３７】前記入射位置において、前記光ビーム
が前記光ファイバーの径と同等若しくはそれ以下のビー
ム径を有するように構成した、請求項３６に記載した光
学装置。
【請求項３８】前記分岐光のビームスポット径が、前
記光ファイバーのコア径と同等若しくはそれよりも小さ
い、請求項３７に記載した光学装置。
【請求項３９】前記コヒーレント光が回折型光学素子
で前記光ビームに分岐され、前記光ファイバーの入射端
側に入射する、請求項３６に記載した光学装置。
【請求項４０】前記回折型光学素子がバイナリーオプ
ティクス又はホログラムなどとして構成されている、請
求項３９に記載した光学装置。
【請求項４１】前記コヒーレント光のコヒーレンス長
以上に前記複数の光ファイバーの長さが互いに異なる、
請求項３６に記載した光学装置。
【請求項４２】前記複数の光ファイバーのいずれかを
曲げることにより、これらの光ファイバーの長さを互い
に異ならせる、請求項４１に記載した光学装置。
【請求項４３】前記複数の光ファイバーの光入射位置
を、各光ファイバー間で同一若しくはほぼ同一とする、
請求項３６に記載した光学装置。
【請求項４４】前記複数の光ファイバーが、少なくと
も光出射位置及び／又は光入射位置で束ねられている、
請求項３６に記載した光学装置。
【請求項４５】前記コヒーレント光が可視域のレーザ
ー光である、請求項３６に記載した光学装置。
【請求項４６】前記コヒーレント光が紫外域のレーザ
ー光である、請求項３６に記載した光源装置。
【請求項４７】表示装置、計測装置、顕微鏡又は露光
装置の光源として構成されている、請求項３６に記載し
た光学装置。