JP2002139696A - Illuminator having beam intensity distribution changing optical system - Google Patents
Illuminator having beam intensity distribution changing optical systemInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ビーム強度分布変
換光学系を備えた照明装置において、ガウシアン分布の
レーザー光線を、均一な線状のビーム形状に変換するた
めの技術に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technology for converting a laser beam having a Gaussian distribution into a uniform linear beam shape in an illuminating device having a beam intensity distribution converting optical system.
【0002】[0002]
【従来の技術】ガウシアン強度分布(光強度がガウス分
布をとる)の照射光(レーザー光等)を、均一なビーム
形状に変換することが、各種の応用について求められて
いる。2. Description of the Related Art It is required for various applications to convert irradiation light (laser light or the like) of a Gaussian intensity distribution (light intensity takes a Gaussian distribution) into a uniform beam shape.
【0003】図21は、ガウシアン分布を示すグラフ図
であり、上段の図は、横軸に位置座標「τ」をとり、縦
軸に強度「I」をとって示したものである。FIG. 21 is a graph showing a Gaussian distribution. The upper diagram shows the position coordinate “τ” on the horizontal axis and the intensity “I” on the vertical axis.
【0004】つまり、ビーム半径を「a」とするとき、
ガウス関数「exp(−(τ/a) 2)」(関数「ex
p(X)」は変数Xの指数関数である。)に比例した分
布関数で表される。尚、下段の図に示すように、2次元
(τ→x、y)では、「exp(−(x/a)2−(y
/a)2)=exp(−(x/a)2)・exp(−(y
/a)2)」に比例した分布となる。That is, when the beam radius is "a",
Gaussian function “exp (− (τ / a) Two) "(Function" ex
“p (X)” is an exponential function of the variable X. Min) proportional to
It is represented by a cloth function. In addition, as shown in the lower diagram,
In (τ → x, y), “exp (− (x / a)Two− (Y
/ A)Two) = Exp (− (x / a)Two) .Exp (-(y
/ A)Two) ".
【0005】図22は、所望の領域内で、均一な強度分
布をもつ所謂「トップハット」あるいは「フラットトッ
プ」と称される分布を示したグラフ図であり、上段の図
は、横軸に位置座標「τ」をとり、縦軸に強度「I」を
とって示したものである(1次元トップハット形状)。FIG. 22 is a graph showing a so-called “top hat” or “flat top” distribution having a uniform intensity distribution in a desired region. The position coordinate “τ” is taken, and the vertical axis represents the intensity “I” (one-dimensional top hat shape).
【0006】つまり、図の矩形領域「−τ0≦τ≦τ0」
において一定の強度を示す。尚、2次元では、矩形領域
を、その中心線(図のI軸)回りに回転させることによ
り得られる円筒状の分布となる(下段の図に示す。)。That is, the rectangular area "-.tau..ltoreq..tau..ltoreq..tau.0" in FIG.
Shows a constant strength. In the two dimensions, a rectangular distribution is obtained by rotating a rectangular area around its center line (I axis in the figure) (shown in the lower diagram).
【0007】ところで、このようにガウシアン強度分布
をトップハットの分布に変換する目的には下記の2つが
挙げられる。The purpose of converting the Gaussian intensity distribution into the top hat distribution in this way is as follows.
【0008】(1)瞳面上の強度分布を変換して、その
フーリエ面上のスポットのビーム径を狭めたり、結像特
性を改善すること(アポダイゼイション) (2)均一な強度分布を投影して、これを照明光として
利用すること。(1) To convert the intensity distribution on the pupil plane to narrow the beam diameter of the spot on the Fourier plane or to improve the imaging characteristics (apodization) (2) Uniform intensity distribution And use this as illumination light.
【0009】尚、(1)については、光学式ディスク等
への応用(光ピックアップ装置等)に関して重要とされ
る事項であり、これまでに各種の報告がなされている
が、あまり見るべき成果が上がっていない。その理由
は、さほどスポット径を狭める効果がないのに、サイド
バンドが増加し、軸外のコマ収差の発生によりトレラン
スがなくなり、実用的な価値が少ないからである。Note that item (1) is important for application to optical discs and the like (optical pickup devices and the like), and various reports have been made so far, but the results to be seen very little Not raised. The reason is that although there is no effect of narrowing the spot diameter so much, the side band increases, and the off-axis coma aberration causes the loss of tolerance, which is of little practical value.
【0010】また、(2)については、画像処理装置や
露光装置等において、均一な照明が求められる。Regarding (2), uniform illumination is required in an image processing apparatus, an exposure apparatus, and the like.
【0011】例えば、液晶表示パネルやDMD(Digita
l Mirror Device)等を用いたプロジェクションディス
プレイにおいて、ランプの輝度分布を補正するためにマ
イクロレンズアレイ等を用いた照明光学系が採用されて
いる。これは、エキシマレーザーステッパーに用いられ
ているフライアイレンズと同様の原理を使っており、光
源からの入射光束を空間的に分割するととも、この分割
された細部の部分光束を投影面上で全て重ね合わせれ
ば、各部分の不均一性が平均化されて是正されるという
ものである(照明光の強度分布が、矩形領域内で均一化
されたトップハットに近づく。)。For example, a liquid crystal display panel or a DMD (Digita
In a projection display using (i.e., Mirror Device) or the like, an illumination optical system using a microlens array or the like is employed to correct the luminance distribution of the lamp. This uses the same principle as a fly-eye lens used in an excimer laser stepper, which spatially splits the incident light beam from the light source and converts the partial light beams of the split details all on the projection surface. The superimposition means that the non-uniformity of each portion is averaged and corrected (the intensity distribution of the illumination light approaches a uniform top hat in a rectangular area).
【0012】[0012]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法を、コヒーレントなレーザー光を光源とする照明光
学系にそのままの形で適用する訳にはいかないという問
題がある。これは、ビームの空間コヒーレンスが高い
と、ビームの各部が重なり合った場合に干渉縞が生じて
しまうために、照明光がむしろ不均一になってしまうと
いう理由に依る。従って、重ね合わせの理を用いないビ
ーム強度分布の直接変換が必要となる。However, there is a problem that the above method cannot be applied as it is to an illumination optical system using a coherent laser beam as a light source. This is because when the spatial coherence of the beam is high, interference fringes are generated when the parts of the beam overlap, and the illumination light is rather non-uniform. Therefore, direct conversion of the beam intensity distribution without using the superposition principle is required.
【0013】そこで考えられるのが、下記に示す方法で
ある。The following method can be considered.
【0014】(a)非球面レンズを用いたビームプロフ
ァイル変換による方法 (b)回折型光学素子を用いた方法。(A) Method using beam profile conversion using an aspherical lens (b) Method using a diffractive optical element
【0015】先ず、(a)については、光密度の高いガ
ウシアンビームの中心部では光束を拡げ、光密度の低い
周辺部(裾野部分)では光束を狭めるような2枚の非球
面レンズを組み合わせた光学系を用いれば、ビームプロ
ファイルを均一化することができるという観点に立った
もので、各光束の近傍における局所的な出射倍率を変化
させて、光のパワーフロー(Power Flow)を
均一にするという発想である。First, as for (a), two aspherical lenses are combined to spread the light beam at the center of the Gaussian beam having a high light density and to narrow the light beam at the peripheral portion (foot portion) having a low light density. The use of an optical system is based on the viewpoint that a beam profile can be made uniform. By changing the local emission magnification in the vicinity of each light beam, the power flow of the light is made uniform. It is an idea.
【0016】しかし、この方法では、設計の煩雑さ、複
雑な非球面加工の困難性等の問題が残されており、一般
に広く使われるまでには至っていないのが現状である。
また、この分野の研究では、2次元領域の照明が主たる
関心事であり、1次元の線上で照明光を均一化すること
への検討が充分になされていない。However, this method still has problems such as complicated design and difficulty in complicated aspherical surface processing, and has not been widely used at present.
Further, in research in this field, illumination in a two-dimensional area is a main concern, and there has not been enough studies on making illumination light uniform on a one-dimensional line.
【0017】上記(b)については、近時における回折
型光学素子の進歩に着目して、このような複雑な光学素
子を回折型として実現する方法であるが、不要な次数の
回折光や、散乱光との干渉の問題、回折効率等を考慮す
ると、必ずしも全ての場合について実用的な解決を与え
てくれるものではない。The above method (b) is a method of realizing such a complicated optical element as a diffractive element by paying attention to the recent progress of the diffractive optical element. Considering the problem of interference with scattered light, diffraction efficiency, etc., it does not always provide a practical solution in all cases.
【0018】ところで、マイクロマシン技術によるアク
ティブ駆動のグレーティングを用いたディスプレイが開
発されて注目を集めており(グレーティングライトバル
ブ素子と称する回折格子素子が使用され、以下、これを
「GLV素子」という。)、従来の空間変調器に比べ
て、継ぎ目のない(シームレス)鮮明で明るい画像を表
示できることや、低コストで作成できること、高速動作
が可能であること等の特長をもっている(例えば、米国
特許5311360、May 10,1994、"Method and Apparatus fo
r Modulating a Light Beam"、Stanfordを参照された
い。)。1次元のGLV素子に必要な照明については、
線上領域で光をいかに均一化できるか、そして光利用効
率を高めることが要求され、そのための効果的な照明手
段が模索されているという背景がある。By the way, a display using an active driving grating by a micromachine technology has been developed and attracted attention (a diffraction grating element called a grating light valve element is used, and this is hereinafter referred to as a "GLV element"). Compared to conventional spatial modulators, it has features such as being able to display a seamless (seamless) clear and bright image, being able to be created at low cost, and being capable of high-speed operation (for example, US Pat. No. 5,311,360, May 10, 1994, "Method and Apparatus fo
r Modulating a Light Beam ", Stanford.) For the lighting required for a one-dimensional GLV element, see
There is a demand for how to make the light uniform in the line area and to increase the light use efficiency, and there is a background that effective lighting means for that purpose is being sought.
【0019】本発明は、1次元の線上領域で均一な強度
分布と高い光利用効率を得ることができる照明光学系を
提供するとともに、そのために著しいコスト上昇を招か
ないようにすることを課題とする。An object of the present invention is to provide an illumination optical system capable of obtaining a uniform intensity distribution and a high light use efficiency in a one-dimensional line area, and to prevent a remarkable increase in cost for the purpose. I do.
【0020】[0020]
【課題を解決するための手段】本発明は上記した課題を
解決するために、下記の事項に示す構成を備えたもので
ある。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has the following arrangement.
【0021】・コヒーレント光源側に配置される第一非
球面シリンドリカルレンズとその出射側に位置する第二
非球面シリンドリカルレンズとを含むビーム強度分布変
換光学系を有すること。A beam intensity distribution conversion optical system including a first aspherical cylindrical lens disposed on the side of the coherent light source and a second aspherical cylindrical lens located on the exit side thereof;
【0022】・ビーム強度分布変換光学系を経た光線を
1次元の線上に集光するためのシリンドリカルレンズを
有すること。A cylindrical lens for condensing a light beam having passed through the beam intensity distribution conversion optical system onto a one-dimensional line;
【0023】・入射平行ビームのガウシアンビーム半径
を「a」とし、第一非球面シリンドリカルレンズの開口
幅を「2・r0」、その入射光線高を「x0」、第二非球
面シリンドリカルレンズの開口幅を「2・R0」、その
出射光線高を「X0」とするとき、下記の関係式が、ビ
ーム強度分布変換光学系において、ほぼ全ての入射光線
について満たされること。The radius of the Gaussian beam of the incident parallel beam is "a", the opening width of the first aspherical cylindrical lens is "2.r0", the height of the incident light beam is "x0", and the opening of the second aspherical cylindrical lens is Assuming that the width is “2 · R0” and the height of the emitted light beam is “X0”, the following relational expression is satisfied for almost all incident light beams in the beam intensity distribution conversion optical system.
【0024】「 X0/R0 = Erf(x0/a)/
Erf(r0/a) 」 但し、Erf(x)は誤差関数であり、「Erf(x/
a)=(∫exp(−(τ/a)2)dτ)/(a・√
(π))」である。積分域は「−x≦τ≦x」。"X0 / R0 = Erf (x0 / a) /
Erf (r0 / a)] where Erf (x) is an error function, and “Erf (x / a)
a) = (∫exp (− (τ / a) 2 ) dτ) / (a · √)
(Π)) ”. The integration area is “−x ≦ τ ≦ x”.
【0025】従って、本発明によれば、非球面とされる
2つのシリンドリカルレンズのペアと、その出射側のシ
リンドリカルレンズとを組み合わせ、かつ、上記関係式
に基づいて光学設計を行うことにより、ガウシアン分布
の光を用いて、1次元の線上で強度の均一な照明領域が
得られるようにし、かつそれを簡易な構成でもって実現
することができる。Therefore, according to the present invention, a Gaussian is obtained by combining a pair of two aspherical cylindrical lenses and a cylindrical lens on the exit side thereof and performing optical design based on the above relational expression. It is possible to obtain an illumination area having a uniform intensity on a one-dimensional line by using the light of the distribution, and it can be realized with a simple configuration.
【0026】[0026]
【発明の実施の形態】図1乃至図4は、本発明に係る原
理の説明に使用する図である。1 to 4 are diagrams used for explaining the principle according to the present invention.
【0027】本発明に係るビーム強度分布変換光学系で
は、2つの非球面シリンドリカルレンズを組み合わせた
構成を有している。これは、レンズ面に関して、回転対
称の球面あるいは非球面を用いても、光軸回りの回転対
称性を考えた場合に、ビームの一部を遮光して光量を損
失させるという代償を払わなければ、1次元の線上照明
領域を均一に照明することができないことに依る。即
ち、光量の損失なしに1次元の線上照明について均一化
するためには、回転非対称の光学素子として、シリンド
リカルレンズ等を用いることが必須である。The beam intensity distribution conversion optical system according to the present invention has a configuration in which two aspherical cylindrical lenses are combined. This means that even if a rotationally symmetric spherical or aspherical surface is used for the lens surface, in consideration of rotational symmetry around the optical axis, it is necessary to pay the price of blocking some of the beam and losing the amount of light. This is because it is not possible to uniformly illuminate a one-dimensional linear illumination area. That is, in order to make uniform one-dimensional linear illumination without loss of light quantity, it is essential to use a cylindrical lens or the like as a rotationally asymmetric optical element.
【0028】図1において、「L1」が第1レンズ、
「L2」が第2レンズをそれぞれ示しており、これらが
z軸(光軸)に沿って配置されている。尚、この例で
は、上図(y−z図)において、第1レンズL1のパワ
ーが負、第2レンズL2のパワーが正とされている。
尚、3次元直交座標系については、z軸と、これに対し
て直交する平面内に設定されるx軸及びy軸によって構
成され、例えば、図示する如き方向に沿ってそれぞれ延
びる軸によって各軸を定義する。In FIG. 1, "L1" is a first lens,
“L2” indicates the second lens, and these are arranged along the z-axis (optical axis). In this example, the power of the first lens L1 is negative and the power of the second lens L2 is positive in the upper diagram (yz diagram).
The three-dimensional orthogonal coordinate system includes a z-axis and an x-axis and a y-axis set in a plane orthogonal to the z-axis. For example, each axis is defined by an axis extending along a direction as illustrated. Is defined.
【0029】これらのレンズを対にしてビーム強度分布
変換光学系Gを構成する場合において、位置座標x、y
を2変数とする、(光学系への)入射光の分布関数を
「σ(x,y)」とし、出射光の分布関数を「Σ(x,
y)」とするとき、光量損失をゼロとして、下式に示す
関係が成立する。When these lenses are paired to form a beam intensity distribution conversion optical system G, position coordinates x, y
Is the two variables, the distribution function of the incident light (to the optical system) is “σ (x, y)”, and the distribution function of the outgoing light is “Σ (x, y)”.
y) ", the relationship shown in the following equation is established with the light amount loss set to zero.
【0030】 Itotal = ∫∫σ(x,y)dxdy = ∫∫Σ(x,y)dxdy −(1)式 尚、ここで、第1レンズL1のアパーチャー(開口)を
「2x0×2y0」の矩形状とし、第2レンズL2のアパ
ーチャー(開口)を「2X0×2Y0」の矩形状としてお
り、上式の右辺第1式に示す2重積分、「∫∫σ(x,
y)dxdy」については、積分域を「−x0≦x≦x
0」、「−y0≦y≦y0」とし、また、第2式に示す2
重積分、「∫∫Σ(x,y)dxdy」については、積
分域を「−X0≦x≦X0」、「−Y0≦y≦Y0」とす
る。I total = ∫∫σ (x, y) dxdy = ∫∫Σ (x, y) dxdy− (1) Here, the aperture (aperture) of the first lens L1 is “2x0 × 2y0”. And the aperture (opening) of the second lens L2 is a rectangular shape of “2X0 × 2Y0”. The double integral shown in the first expression on the right side of the above expression, “∫∫σ (x,
y) dxdy ”, the integration area is defined as“ −x0 ≦ x ≦ x
0 ”,“ −y0 ≦ y ≦ y0 ”, and 2
Regarding the multiple integration, "∫∫Σ (x, y) dxdy", the integration areas are "-X0≤x≤X0" and "-Y0≤y≤Y0".
【0031】この光学系に対してコヒーレント光源から
入射される光の強度分布をガウス分布とした場合に、入
射平行ビームのガウシアンビーム半径(光強度が中心部
での最大強度の1/(e2)となるビーム径。「e」は
自然対数の底を示す。)を「a」としたときには、
(1)式の右辺第1式について計算した結果が下式のよ
うになる。When the intensity distribution of light incident from the coherent light source on this optical system is a Gaussian distribution, the Gaussian beam radius of the incident parallel beam (light intensity is 1 / (e 2 of the maximum intensity at the center) (E) indicates the base of the natural logarithm.) When “a” is used,
The result calculated for the first expression on the right side of the expression (1) is as follows.
【0032】 Itotal = (∫exp(−x2/a2)dx )・(∫exp(−y2/a 2 )dy) =π・a2・Erf(x0/a)・Erf(y0/a) −(2) 式 尚、上式中に示す関数「Erf(x)」は誤差関数(あ
るいはエラー関数)であり、「Erf(x/a)=(∫
exp(−τ2/a2)dτ)/(a・√(π))」とさ
れ、積分域は「−x≦τ≦x」である。Itotal = (∫exp (-xTwo/ ATwo) Dx) · (∫exp (-yTwo/ A Two ) Dy) = π · aTwo-Erf (x0 / a) -Erf (y0 / a)-(2) where the function "Erf (x)" shown in the above equation is an error function (A
Or Err (x / a) = (∫
exp (−τTwo/ ATwo) Dτ) / (a · √ (π)) ”
Thus, the integration area is “−x ≦ τ ≦ x”.
【0033】このような2次元ガウシアン分布のビーム
を、1次元の図形上に集光したときの強度分布について
は、回折の影響を無視した場合に、単に光量を1次元で
の積分として求めれば良く、下式のようになる。With respect to the intensity distribution when such a two-dimensional Gaussian distribution beam is condensed on a one-dimensional figure, if the influence of diffraction is neglected, the light amount is simply obtained as one-dimensional integration. Well, it becomes like the following formula.
【0034】I1D(x0)= ∫exp(−((x0)2
+y2)/a2)dy 尚、「1D」は1次元を意味し、また、変数yの積分域は
「−√(r2−(x0) 2)≦y≦√(r2−(x0)2)」
であり、「(x0)2+(y0)2=r2」である。I1D(X0) = ∫exp (-((x0)Two
+ YTwo) / ATwo) Dy In addition, "1D" means one dimension, and the integral area of the variable y is
"-√ (rTwo− (X0) Two) ≦ y ≦ √ (rTwo− (X0)Two) "
And "(x0)Two+ (Y0)Two= RTwo".
【0035】図2は数値計算例を示したものであり、横
軸に位置座標「x0」(変域を「−1≦x≦1」の範囲
に規格化して示す。)をとり、縦軸に光強度を相対値
(トップハットの一定レベルを「1」とする。)で示し
ている。FIG. 2 shows an example of numerical calculation, in which the horizontal axis represents position coordinates "x0" (the domain is normalized and shown in the range of "-1≤x≤1"), and the vertical axis represents the values. The light intensity is shown as a relative value (a constant level of the top hat is "1").
【0036】矩形Nで示す分布が目的とするトップハッ
トを示しており、これとグラフ線gとの比較から分かる
ように、中心域での強度が大きすぎ、周辺域で強度が不
足している。尚、実際の分布では、さらに回折の影響を
考慮しなければならないので、中心部の方が集光幅は狭
くなり、従って中心域と周辺域とで強度分布の差がさら
に大きくなる。The distribution indicated by the rectangle N indicates the target top hat, and as can be seen from the comparison with the graph line g, the intensity is too high in the central region and insufficient in the peripheral region. . In the actual distribution, the influence of diffraction must be further considered, so that the light converging width is narrower at the center, and the difference in the intensity distribution between the central region and the peripheral region is further increased.
【0037】以上のように、ガウス分布型の入射ビーム
に対して、単に非球面シリンドリカルレンズを用いて1
次元での出射光に変換したのでは、線上に集光したとき
の強度分布が均一にならないことが分かる。As described above, a Gaussian distribution type incident beam is simply obtained by using an aspherical cylindrical lens.
It can be seen that the intensity distribution when condensed on a line is not uniform if the light is converted into dimensional output light.
【0038】そこで、ケラレがないものとし、回折の影
響を無視するという条件下において、ガウス分布のビー
ム形状を、トップハットの分布形状に変換するために、
第1、第2レンズをいずれも非球面シリンドリカルレン
ズとしてビーム強度分布変換光学系を構成するととも
に、該ビーム強度分布変換光学系を経た光線を1次元の
線上に集光するためのシリンドリカルレンズ又はレンズ
群(図示せず)を配置させる。Then, under the condition that there is no vignetting and the effect of diffraction is neglected, in order to convert the beam shape of the Gaussian distribution into the distribution shape of the top hat,
Each of the first and second lenses constitutes a beam intensity distribution conversion optical system as an aspherical cylindrical lens, and a cylindrical lens or lens for condensing a light beam passing through the beam intensity distribution conversion optical system on a one-dimensional line. A group (not shown) is arranged.
【0039】図3は第1レンズL1(第一非球面シリン
ドリカルレンズ)を平凹レンズ、第2レンズL2(第二
非球面シリンドリカルレンズ)を平凸レンズとした構成
例を概略的に示したものであり、各記号の意味は下記に
示す通りである。FIG. 3 schematically shows a configuration example in which the first lens L1 (first aspherical cylindrical lens) is a plano-concave lens and the second lens L2 (second aspherical cylindrical lens) is a plano-convex lens. The meaning of each symbol is as shown below.
【0040】・「2・r0」=第1レンズの開口幅 ・「x0」=第1レンズの入射光線高 ・「(r,z)」=第1レンズの出射面における位置座
標 ・「n1」=第1レンズの屈折率 ・「t」=第1レンズ中央の厚み ・「n0」=レンズ間の屈折率(空気では1) ・「2・R0」=第2レンズの開口幅 ・「X0」=第2レンズの出射光線高 ・「(R,Z)」=第2レンズの入射面における位置座
標 ・「(0,Z0)」=第2レンズの頂点位置座標 ・「n2」=第2レンズの屈折率 ・「T」=第2レンズ中央の厚み 尚、3次元直交座標系については、Z(又はz)軸を光
軸とし、これに直交するX(又はx)軸を設定するとと
もに、両軸に直交して紙面に垂直に延びる軸をY(又は
y)軸(図示せず。)としている(つまり、各レンズは
Y軸やy軸の方向に沿って同一の断面形状を有す
る。)。また、第1レンズと第2レンズについて座標の
区別を要する場合には、第1レンズL1について小文字
のx、y、zを使用し、第2レンズL2について大文字
のX、Y、Zを使用することにする。"2.r0" = aperture width of the first lens "x0" = incident ray height of the first lens "(r, z)" = position coordinates on the exit surface of the first lens "n1" = Refractive index of the first lens • “t” = thickness at the center of the first lens • “n0” = refractive index between lenses (1 in air) • “2 · R0” = opening width of the second lens • “X0” = Height of the outgoing light ray of the second lens-"(R, Z)" = position coordinates on the incident surface of the second lens-"(0, Z0)" = vertex position coordinates of the second lens-"n2" = second lens "T" = thickness of the center of the second lens In the three-dimensional orthogonal coordinate system, the Z (or z) axis is set as the optical axis, and the X (or x) axis orthogonal to this is set. An axis orthogonal to both axes and extending perpendicular to the plane of the drawing is defined as a Y (or y) axis (not shown). Have the same cross-sectional shape along the direction of the axis.). When it is necessary to distinguish the coordinates of the first lens and the second lens, small letters x, y, and z are used for the first lens L1, and capital letters X, Y, and Z are used for the second lens L2. I will.
【0041】このような光学系において、第1レンズの
凹面(第2面)で、「0≦x≦x0」の範囲で示す領域
(図の斜線を参照。)を透過する光の光量を計算する
と、下記のようになる。In such an optical system, the amount of light transmitted through an area (see the hatched portion in the figure) indicated by the range of “0 ≦ x ≦ x0” on the concave surface (second surface) of the first lens is calculated. Then, it becomes as follows.
【0042】 I(x0) = ∫∫exp(−(x2+y2)/a2)dxdy = ((π・a2)/2)・Erf(x0/a)・Erf(y0/a ) −(3a)式 尚、上式において、変数xの積分域は「0≦x≦x0」
であり、変数yの積分域は「−y0≦y≦y0」(つま
り、y軸方向の幅が「2・y0」)である。I (x 0) = ∫∫exp (− (x 2 + y 2 ) / a 2 ) dxdy = ((π · a 2 ) / 2) · Erf (x 0 / a) · Erf (y 0 / a) − (3a) Expression In the above expression, the integral range of the variable x is “0 ≦ x ≦ x0”.
And the integral range of the variable y is “−y0 ≦ y ≦ y0” (that is, the width in the y-axis direction is “2 · y0”).
【0043】(3a)式で示される光量が、損失なく全
て第2レンズL2に入射され、かつ、「0≦X≦X0」
の範囲で示す領域(図の斜線を参照。)を透過するもの
とし、第2レンズにおける分布関数を「Σ(X,Y)」
とおくとき、下式が得られる。All the light amounts represented by the equation (3a) are incident on the second lens L2 without loss, and "0≤X≤X0"
And the distribution function of the second lens is represented by “Σ (X, Y)”.
Then, the following equation is obtained.
【0044】 I(x0) = ∫{∫Σ(X,Y)dY}dX −(3b)式 尚、上式において、変数Xの積分域は「0≦X≦X0」
であり、変数Yの積分域は「−Y0≦Y≦Y0」(つま
り、Y軸方向の幅が「2・Y0」)である。I (x 0) = ∫ {∫Σ (X, Y) dY} dX− (3b) In the above equation, the integral range of the variable X is “0 ≦ X ≦ X 0”
And the integral range of the variable Y is “−Y0 ≦ Y ≦ Y0” (that is, the width in the Y-axis direction is “2 · Y0”).
【0045】第2レンズL2を経た出射光が、その後に
線上に集光したときにトップハットの分布をとるために
は、上記(3b)式の{}内の積分(変数Yについての
積分)が定数(これを「Σc」と記す。)でなければな
らない。即ち、下式の条件を課す必要がある。In order to obtain the distribution of the top hat when the emitted light passing through the second lens L2 is subsequently converged on a line, the integral within {} in the above equation (3b) (integration with respect to the variable Y) Must be a constant (referred to as “Σc”). That is, it is necessary to impose the following condition.
【0046】 ∫Σ(X,Y)dY=Σc(定数) −(4)式 尚、変数Yの積分域は「−Y0≦Y≦Y0」である。∫Σ (X, Y) dY = Σc (constant) − (4) Note that the integral range of the variable Y is “−Y0 ≦ Y ≦ Y0”.
【0047】第1レンズにおける入射側のアパーチャー
が「−r0≦x≦r0」、「−r0≦y≦r0」であって、
第2レンズにおける出射側のアパーチャーが「−R0≦
X≦R0」、「−R0≦Y≦R0」である場合に、光量損
失がないものとすると、レンズ系の全光量「Itotal」
について下式が成立する。The aperture on the incident side of the first lens is “−r0 ≦ x ≦ r0”, “−r0 ≦ y ≦ r0”,
When the aperture on the emission side of the second lens is “−R0 ≦
If X ≦ R0 ”and“ −R0 ≦ Y ≦ R0 ”, assuming that there is no light amount loss, the total light amount of the lens system“ I total ”
The following expression holds for.
【0048】 Itotal = 2・I(r0)=2・R0・Σc −(5)式 これより「Σc」を求めることができ、下記のようにな
る。I total = 2 · I (r0) = 2 · R0 · Σc− (5) From this, “Σc” can be obtained, and is as follows.
【0049】 Σc =((π・a2)/(2・R0))・Erf(r0/a)・Erf(y0/ a) −(6)式 従って、第2レンズの開口の半値「R0」に対する、出
射光線高「X0」の比を求めると、以下の結果が得られ
る。Σc = ((π · a 2 ) / (2 · R 0)) · Erf (r 0 / a) · Erf (y 0 / a) − (6) Accordingly, the half value “R 0” of the aperture of the second lens is obtained. The following result is obtained when the ratio of the height of the emitted light beam “X0” to the ratio is obtained.
【0050】 X0/R0 = Erf(x0/a)/Erf(r0/a) −(7)式 この式は、(4)式を(3b)式に代入して積分した結
果「X0・Σc」が(3a)式に等しいこと及び(6)式
から多少の式変形で容易に確かめることができる。X0 / R0 = Erf (x0 / a) / Erf (r0 / a) −Equation (7) This equation is obtained by substituting equation (4) into equation (3b) and integrating “X0 · Σc”. Can be easily confirmed from equation (6) that equation (3a) is equal to equation (3a) with some equation modifications.
【0051】以上のように、2次元のガウシアン分布ビ
ームを1次元の線上に集光させたときにトップハットが
得られるようにするためには、ビーム強度分布変換光学
系において、(7)式が、ほぼ全ての入射光線について
満足されることが要件となる。As described above, in order to obtain a top hat when a two-dimensional Gaussian distribution beam is condensed on a one-dimensional line, in the beam intensity distribution conversion optical system, equation (7) is used. Must be satisfied for almost all incident rays.
【0052】尚、実際の結像光学系では、軸外の像の明
るさについて、所謂コサイン(余弦)4乗則を考えなけ
ればならないが、ここでは光源として主に指向性の強い
レーザー光を想定していることに注意を要する。また、
投影面の表面はランバート面(完全拡散面)ではなく鏡
面と考えているので、この場合にコサイン4乗則を当て
はめることはできない。従って、これらの事情を考慮し
た場合の設計には、コサイン4乗則を含める必要はない
が、投影レンズの口径食の影響等が顕著な場合には、こ
れらの条件に対する補正条件を上記した議論に含めた設
計を行えば良い。In an actual image forming optical system, a so-called cosine (4th power) law must be considered for the brightness of an off-axis image. Here, a laser beam having a strong directivity is mainly used as a light source. Note that we assume this. Also,
Since the surface of the projection plane is not a Lambertian plane (perfectly diffusing surface) but a mirror surface, the cosine fourth law cannot be applied in this case. Therefore, it is not necessary to include the cosine fourth law in the design in consideration of these circumstances, but when the influence of vignetting of the projection lens is significant, the correction conditions for these conditions are discussed above. What is necessary is just to do the design which included.
【0053】上記の例では、レーザー光のビーム径を拡
大する場合(拡大系)の構成を説明したが、これに限ら
ず等倍系や縮小系について本発明を適用しても良く、い
ずれの場合でも、(7)式の関係が満たされていれば、
シリンドリカルレンズによって1次元の線上領域で均一
化された照明光を得ることが可能である。In the above example, the configuration in which the beam diameter of the laser beam is expanded (expansion system) has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention may be applied to an equal magnification system or a reduction system. Even in this case, if the relationship of equation (7) is satisfied,
It is possible to obtain uniform illumination light in a one-dimensional line area by the cylindrical lens.
【0054】また、レーザー光のビーム径についての経
時変化やレーザー発光素子等の個体差等に対処するため
には、必要に応じて補正用の光学部品を、ビーム強度分
布変換光学系の入射側に配置する方法も有効である。In order to cope with time-dependent changes in the beam diameter of the laser beam and individual differences in the laser light emitting element, etc., if necessary, an optical component for correction should be provided on the entrance side of the beam intensity distribution conversion optical system. Is also effective.
【0055】例えば、図4に示す例では、アナモルフィ
ックプリズムPと平行平板H(ビーム高さ補正用)とを
組み合わせた光学系を用いてビーム径の調整手段を構成
している。両光学部品P、Hについては、同図に矢印
A、Bをそれぞれ付して示すように図示しない回転機構
によって光軸を含む平面(紙面を含む面)内で各部品の
姿勢を自在に制御することができる(それぞれの姿勢を
変化させて光軸に対する傾動角を任意に設定でき
る。)。For example, in the example shown in FIG. 4, the beam diameter adjusting means is constituted by using an optical system in which an anamorphic prism P and a parallel flat plate H (for beam height correction) are combined. Regarding the two optical components P and H, the posture of each component is freely controlled in a plane including the optical axis (a plane including the paper surface) by a rotating mechanism (not shown) as shown by arrows A and B in FIG. (The tilt angle with respect to the optical axis can be arbitrarily set by changing the respective postures.)
【0056】尚、本発明に係る照明装置については、レ
ーザーディスプレイ等の表示装置をはじめとする各種用
途の光学装置に対して広汎に用いることができる。例え
ば、上記したGLV素子を用いたレーザーディスプレイ
では、デバイスにおけるピクセル毎の回折効率を電圧に
よって制御することで、画像の明るさを均一化すること
ができるが、そのキャリブレーションの段階で一定の閾
値以上の光を捨て去ることになる。従って、照明光の強
度が不均一であると、光利用効率が犠牲にされてしま
う。即ち、光利用効率が低い場合には、レーザーの出力
を増強して目的とする輝度を達成しなければならず、レ
ーザーに対する負担、コスト上昇や消費電力等の問題が
起きてくる。よって、照明光については極力均一である
ことが好ましく、その意味で本発明の適用が好適であ
る。The illumination device according to the present invention can be widely used for optical devices for various uses including a display device such as a laser display. For example, in a laser display using the above-described GLV element, the brightness of an image can be made uniform by controlling the diffraction efficiency of each pixel in the device by using a voltage. The light above is thrown away. Therefore, if the intensity of the illumination light is not uniform, light use efficiency is sacrificed. That is, when the light use efficiency is low, it is necessary to increase the output of the laser to achieve the target brightness, and thus problems such as a burden on the laser, an increase in cost and power consumption occur. Therefore, it is preferable that the illumination light is as uniform as possible, and in that sense, the application of the present invention is suitable.
【0057】[0057]
【実施例】図5乃至図12は本発明に係る第1実施例に
ついて説明するための図である。5 to 12 are views for explaining a first embodiment according to the present invention.
【0058】図5乃至図7は光路図を示したもので、図
5が光学系の全体的な配置と光路(光線追跡結果)を示
し、図6がx、X軸方向からみた平面図(Y−Z平面上
での配置を示す。)、図7がy、Y軸方向からみた側面
図(X−Z平面上での配置を示す。)をそれぞれ示して
いる。尚、図3と同様に、3次元直交座標系の設定につ
いては、Z軸(z軸)を光軸とし、これに直交する2軸
をそれぞれX軸(x軸)、Y(y軸)としており、小文
字と大文字とを使い分けることにより、第1レンズと第
2レンズとを区別する。FIGS. 5 to 7 show optical path diagrams. FIG. 5 shows the overall arrangement of the optical system and optical paths (ray tracing results), and FIG. 6 is a plan view seen from the x- and X-axis directions. 7 shows a side view (showing the arrangement on the XZ plane) as viewed from the y- and Y-axis directions. Note that, similarly to FIG. 3, regarding the setting of the three-dimensional orthogonal coordinate system, the Z axis (z axis) is defined as the optical axis, and two axes orthogonal to this are defined as the X axis (x axis) and Y (y axis), respectively. In this case, the first lens and the second lens are distinguished by using lowercase letters and uppercase letters.
【0059】これらの図において、第1レンズL1は平
凹レンズ、第2レンズL2は平凸レンズとされ、これら
は対をなしてビーム強度分布変換光学系を構成してお
り、いずれのレンズについても、非球面シリンドリカル
レンズである(x、X軸方向に沿う形状が同一の断面形
状とされる)。In these figures, the first lens L1 is a plano-concave lens, and the second lens L2 is a plano-convex lens. These form a pair and constitute a beam intensity distribution conversion optical system. It is an aspheric cylindrical lens (shapes along the x and X axis directions have the same cross-sectional shape).
【0060】そして、第3レンズL3は平凸レンズとさ
れ、y、Y軸方向に沿って同一の断面形状とされる円筒
面状のシリンドリカルレンズである。The third lens L3 is a plano-convex lens, and is a cylindrical cylindrical lens having the same cross-sectional shape along the y- and Y-axis directions.
【0061】尚、図5では、各レンズの輪郭線を稜辺の
結合によりワイヤーフレームとして3次元形状を表現し
ている。In FIG. 5, the three-dimensional shape is represented as a wire frame by connecting the contours of the lenses to the edges.
【0062】本光学系(ラインジェネレータ)は、Rh
odes等による設計手法に基づいて上記(7)式の関
係を満足するように設計されており、第1レンズ及び第
2レンズについての仕様を表形式で示すと下記のように
なる。This optical system (line generator) is Rh
It is designed to satisfy the relationship of the above equation (7) based on a design method by Odes and the like, and the specifications of the first lens and the second lens are shown as follows in a table format.
【0063】[0063]
【表1】 [Table 1]
【0064】尚、屈折率n1、n2については、括弧内
に材質を示す。また、第2レンズL2の厚みT値につい
ては、特にその如何を問わない(∵第2レンズの出射面
では垂直入射のため、屈折しないから)が、本例では8
mmとした。The materials for the refractive indices n1 and n2 are shown in parentheses. The thickness T value of the second lens L2 is not particularly limited (∵it is not refracted at the exit surface of the second lens because it is perpendicularly incident).
mm.
【0065】設計データを表にしてまとめると、下記の
ようになる。The table below summarizes the design data.
【0066】[0066]
【表2】 [Table 2]
【0067】尚、面番号については、物側から像側にか
けて1から6まで順番に番号を付しており、面番号5
(第3レンズの凸面)の曲率は、第1レンズ、第2レン
ズの各曲率とは互いに直交する面内で規定される。The surface numbers are sequentially numbered from 1 to 6 from the object side to the image side.
The curvature of the (convex surface of the third lens) is defined in a plane orthogonal to the respective curvatures of the first lens and the second lens.
【0068】第1レンズの凹面(第2面であり、これを
「S2」と記す。)、第2レンズの凸面(第3面、これ
を「S3」と記す。)については、非球面トロイダル面
であり、下記に示す非球面式において「c=k=0」
(「c」が曲率、「1+k」が円錐係数である。)とし
て定義される(下式では、x、y、z座標とX、Y、Z
座標をレンズによって区別することなく一括して表現し
ている。)。The concave surface of the first lens (the second surface, which is described as "S2") and the convex surface of the second lens (the third surface, which is described as "S3"), are aspherical toroidal. "C = k = 0" in the aspherical expression shown below.
(“C” is the curvature, “1 + k” is the cone coefficient.) (In the following equation, x, y, z coordinates and X, Y, Z
The coordinates are expressed collectively without being distinguished by the lens. ).
【0069】z=(c・y2)/(1+√(1−(1+
k)・c2・y2))+α1・y2+α2・y4+α3・y6+
α4・y8+α5・y10+α6・y12 尚、「αi」(i=1〜6)は偶数次の非球面係数であ
り、「2・i」が次数を示す。Z = (c · y 2 ) / (1 + √ (1- (1+
k) · c 2 · y 2 )) + α1 · y 2 + α2 · y 4 + α3 · y 6 +
α4 · y 8 + α5 · y 10 + α6 · y 12 Note that "αi" (i = 1 to 6) are aspherical coefficients of even order, "2 · i" indicates the order.
【0070】設計データの一例を下表に示す。An example of the design data is shown in the table below.
【0071】[0071]
【表3】 [Table 3]
【0072】尚、上表中の「e」は、この場合、自然対
数の底ではなく、「eX=10^X」(「X」は指数、
「^」は累乗を示す。)を意味する実数の指数表記であ
る。In this case, “e” in the above table is not the base of the natural logarithm, but “eX = 10 ^ X” (“X” is an exponent,
“^” indicates a power. ) Is a real exponential notation.
【0073】このように第1、第2レンズについては、
一方の面形状が平坦面(曲率ゼロ)とされ、他方の面形
状が上記非球面式で曲率をゼロとした所定次数の多項式
により規定される。As described above, regarding the first and second lenses,
One surface shape is defined as a flat surface (zero curvature), and the other surface shape is defined by a polynomial of a predetermined order in which the curvature is zero in the aspherical expression.
【0074】図8乃至図12は光学系の特性等を示した
ものである。FIGS. 8 to 12 show the characteristics and the like of the optical system.
【0075】図8は面S2、S3のサグを示し、横軸に
z座標をとり、縦軸に前記した「r」(面上の位置、つ
まり、原点からの距離)をとったものである。FIG. 8 shows the sag of the surfaces S2 and S3, in which the abscissa represents the z coordinate and the ordinate represents the aforementioned "r" (the position on the surface, that is, the distance from the origin). .
【0076】また、図9は光線追跡結果を示しており、
横軸にz座標をとり、縦軸に「r」をとっている。FIG. 9 shows the results of ray tracing.
The horizontal axis represents the z coordinate, and the vertical axis represents “r”.
【0077】図10は入射ビームのプロファイルを示し
ており、横軸に「y」をとり、縦軸に光強度「I」の相
対値(入射ビーム中央のピーク値を「1」とする。)を
とったものである。FIG. 10 shows the profile of the incident beam. The horizontal axis represents "y", and the vertical axis represents the relative value of the light intensity "I" (the peak value at the center of the incident beam is "1"). Is taken.
【0078】図中のグラフ曲線「IB」が入射ビームの
強度分布(ガウス分布)を示し、また、グラフ曲線「I
T」がx、X軸に沿った積分値を示している。The graph curve "IB" in the figure shows the intensity distribution (Gaussian distribution) of the incident beam, and the graph curve "IB"
"T" indicates an integrated value along the x and X axes.
【0079】図11は1次元の直線上に集光される光の
強度分布についてのプロファイルを示しており、横軸に
「Y」をとり、縦軸に光強度「I」の相対値をとったも
のである。FIG. 11 shows a profile of the intensity distribution of light condensed on a one-dimensional straight line, in which “Y” is plotted on the horizontal axis and the relative value of light intensity “I” is plotted on the vertical axis. It is a thing.
【0080】図中に破線で示す矩形「DT」が、トップ
ハットの目標値(理想的な値)となる分布を示し、グラ
フ曲線「GE」が実際の分布を示している。そして、グ
ラフ曲線「GE」内に位置した実線の矩形「CL」内に
示す領域は、例えば、GLV素子を使ったレーザーディ
スプレイ装置等への適用に当たってキャリブレーション
をかけた後に取り出される、完全に均一な強度分布を示
している。A rectangle "DT" shown by a broken line in the drawing indicates a distribution that is a target value (ideal value) of the top hat, and a graph curve "GE" indicates an actual distribution. The area indicated by the solid-line rectangle "CL" located within the graph curve "GE" is, for example, a completely uniform area which is taken out after being calibrated for application to a laser display device or the like using a GLV element. It shows a strong intensity distribution.
【0081】尚、本図では、矩形「DT」内の領域に対
して、サンプリングされた光線の近傍における幾何光学
的なビーム拡大率を求め、これに基づいてビームプロフ
ァイルを算出している。そして、このビームプロファイ
ルに対して、光利用効率が最大となるキャリブレーショ
ンのスライスレベルが矩形「CL」によって示されてい
る。本設計では、キャリブレーションのスライスレベル
が92.7%、キャリブレーション後の光利用効率が8
2.3%になる。実際には、キャリブレーションについ
て数パーセントのマージンを見込むことができるので、
例えば、スライスレベルを96%程度にすれば、90%
以上の光利用効率を達成できる。但し、周辺域では光量
低下が起こるので、実際の照明領域に比して多少広い範
囲をターゲットとして設計することが好ましい。In this figure, the geometrical optical beam expansion rate in the vicinity of the sampled light ray is obtained for the area within the rectangle "DT", and the beam profile is calculated based on this. Then, for this beam profile, the slice level of the calibration that maximizes the light use efficiency is indicated by a rectangle “CL”. In this design, the calibration slice level is 92.7%, and the light use efficiency after calibration is 8%.
2.3%. In practice, you can expect a few percent margin for calibration,
For example, if the slice level is about 96%, 90%
The above light utilization efficiency can be achieved. However, since the amount of light is reduced in the peripheral area, it is preferable to design the target with a range slightly wider than the actual illumination area.
【0082】図12は第1乃至第3レンズからなる光学
系によって、集光面でのy軸上に得られる積算エネルギ
ー量「EE(”Encircled Energy”)」(相対値)を示
したものであり、横軸に原点(レンズ中心)からの距離
(光軸からの距離)をとり、縦軸には原点からy=y0
にかけての領域に含まれる光量の相対値(y=y0で
「1」とする。)をとっている。FIG. 12 shows the integrated energy “EE (“ Encircled Energy ”)” (relative value) obtained on the y-axis at the light-converging surface by the optical system including the first to third lenses. The horizontal axis represents the distance from the origin (center of the lens) (the distance from the optical axis), and the vertical axis represents y = y0 from the origin.
The relative value of the amount of light contained in the region up to is taken ("1" at y = y0).
【0083】完全な均一光では、y=0〜y0の範囲で
強度が一定であり、従ってその積分値はy軸座標値に比
例した関係が期待されるが、図示するように、横軸に対
してほぼ比例した線形関係が認められる。In the case of perfect uniform light, the intensity is constant in the range of y = 0 to y0. Therefore, the integral value is expected to have a relationship proportional to the y-axis coordinate value. An almost proportional linear relationship is observed.
【0084】図13乃至図20は本発明に係る第2実施
例について説明するための図である。FIGS. 13 to 20 are views for explaining the second embodiment according to the present invention.
【0085】図13乃至図15は光路図を示したもの
で、図13が光学系の全体的な配置と光路(光線追跡結
果)を示し、図14がx、X軸方向からみた平面図(Y
−Z平面上での配置を示す。)、図15がy、Y軸方向
からみた側面図(X−Z平面上での配置を示す。)をそ
れぞれ示している。尚、3次元直交座標系の設定につい
ては、前記第1実施例の場合と同じである。FIGS. 13 to 15 show optical path diagrams. FIG. 13 shows the overall arrangement of the optical system and the optical path (ray tracing result), and FIG. 14 is a plan view viewed from the x- and X-axis directions. Y
-Shows the arrangement on the Z plane. ) And FIG. 15 show side views (showing the arrangement on the XZ plane) as viewed from the y and Y axis directions, respectively. The setting of the three-dimensional orthogonal coordinate system is the same as that of the first embodiment.
【0086】本実施例に係る光学系は、5つのレンズL
1乃至L5によって構成されており、そのうちの第1レ
ンズL1が平凹レンズ、第2レンズL2が平凸レンズと
され、これらが対をなしてビーム強度分布変換光学系を
構成している。そして、両レンズについては、いずれも
非球面シリンドリカルレンズである(x軸、X軸方向に
沿う形状が同一の断面形状とされる。)。The optical system according to this embodiment has five lenses L
The first lens L1 is a plano-concave lens, the second lens L2 is a plano-convex lens, and these form a pair to constitute a beam intensity distribution conversion optical system. Both lenses are aspherical cylindrical lenses (shapes along the x-axis and the X-axis have the same cross-sectional shape).
【0087】また、第3レンズL3は平凹レンズとさ
れ、x、X軸方向に沿って同一の断面形状とされる、一
定曲率の円筒面をもったシリンドリカルレンズである。The third lens L3 is a plano-concave lens, and is a cylindrical lens having the same cross-sectional shape along the x and X axis directions and having a cylindrical surface with a constant curvature.
【0088】第4レンズL4は平凸レンズとされ、x、
X軸方向に沿って同一の断面形状とされる、一定曲率の
円筒面をもったシリンドリカルレンズである。The fourth lens L4 is a plano-convex lens.
This is a cylindrical lens having a cylindrical surface having a constant curvature and having the same cross-sectional shape along the X-axis direction.
【0089】第5レンズL5は平凸レンズとされ、y、
Y軸方向に沿って同一の断面形状とされる、一定曲率の
円筒面をもったシリンドリカルレンズである。The fifth lens L5 is a plano-convex lens.
This is a cylindrical lens having a cylindrical surface having a constant curvature and having the same cross-sectional shape along the Y-axis direction.
【0090】尚、図13では、各レンズの輪郭線を稜辺
の結合によりワイヤーフレームとして3次元で表現する
他に、中心線等の補助線を付加しているが、これらは全
く作図の便宜として入れたものである。In FIG. 13, in addition to the three-dimensional representation of the outline of each lens as a wire frame by connecting the edges, a supplementary line such as a center line is added. It is put as.
【0091】本実施例では、2枚の非球面シリンドリカ
ルレンズによってビーム強度分布を変換した後、3枚の
球面(正確には円筒面)シリンドリカルレンズによるビ
ームエキスパンダーでビームを拡大する構成となってい
る。In this embodiment, the beam intensity distribution is converted by two aspherical cylindrical lenses, and then the beam is expanded by a beam expander with three spherical (more precisely, cylindrical) cylindrical lenses. .
【0092】設計データの一例を下表4、表5に示す。Tables 4 and 5 show examples of the design data.
【0093】[0093]
【表4】 [Table 4]
【0094】尚、各レンズの材質について括弧内に示す
数字はそれぞれの屈折率を示し、また、それ以外の間隙
では空気の屈折率「1」である。そして、面番号につい
ては、物側から像側にかけて1から10まで順番に番号
が付されており、面番号9(第5レンズの凸面)の曲率
は、第1乃至第4レンズの凹面や凸面の各曲率とは互い
に直交する面内で規定される。The numbers in parentheses for the materials of each lens indicate the respective refractive indexes, and the refractive index of air is "1" in other gaps. The surface numbers are sequentially numbered from 1 to 10 from the object side to the image side, and the curvature of the surface number 9 (the convex surface of the fifth lens) is the concave or convex surface of the first to fourth lenses. Are defined in planes orthogonal to each other.
【0095】そして、第2面及び第3面については上記
非球面式で曲率がゼロとされ、それぞれの非球面係数は
下表に示す通りである。The curvature of the second surface and the third surface is set to zero in the above-mentioned aspherical surface equation, and the respective aspherical surface coefficients are as shown in the following table.
【0096】[0096]
【表5】 [Table 5]
【0097】尚、上表中の「e」に係る表記上の注意に
ついては、表3で説明した通りである。また、第1面乃
至第4面については、12×12(mm)の矩形開口と
して設計した。Note that notational notes regarding "e" in the above table are as described in Table 3. The first to fourth surfaces were designed as rectangular openings of 12 × 12 (mm).
【0098】図16乃至図19は、第1実施例に係る図
8乃至図11にそれぞれ対応するものであり、図16が
第2面S2、第3面S3のサグを示し、図17が光線追
跡結果を示す。そして、図18が入射ビームのプロファ
イルを示しており、図19は1次元の直線上における光
強度分布のプロファイルを示しており(境界付近を大円
枠内に拡大して示す。)、各図に示すグラフ軸や、記号
等の意味については既述の通りである。FIGS. 16 to 19 correspond to FIGS. 8 to 11 according to the first embodiment, respectively. FIG. 16 shows the sag of the second surface S2 and the third surface S3, and FIG. Shows tracking results. FIG. 18 shows the profile of the incident beam, and FIG. 19 shows the profile of the light intensity distribution on a one-dimensional straight line (the vicinity of the boundary is enlarged and shown in a large circle). Are as described above.
【0099】図20は、集光面における光強度分布の積
分値(光量)を相対値(総量を「1」とする。)として
表示したものである。尚、横軸については、左図ではタ
ンジェンシャル方向の座標をとり、その軸に沿って積分
した光量を縦軸に示している。また、右図ではサジタル
方向の座標をとり、その軸に沿って積分した光量を縦軸
に示している。FIG. 20 shows the integrated value (light amount) of the light intensity distribution on the light condensing surface as a relative value (the total amount is “1”). In the left figure, the horizontal axis shows the coordinates in the tangential direction, and the light quantity integrated along the axis is shown on the vertical axis. In the figure on the right, the coordinates in the sagittal direction are taken, and the light quantity integrated along the axis is shown on the vertical axis.
【0100】右図から分かるように、グラフ線がほぼ直
線関係を示しており、従って、強度分布が均一になって
いる(グラフ線の勾配がほぼ一定であり、その微分量で
ある強度分布がほぼ一定となる。)。As can be seen from the right figure, the graph line shows a substantially linear relationship, and therefore, the intensity distribution is uniform (the gradient of the graph line is almost constant, and the intensity distribution, which is a derivative thereof, is It is almost constant.)
【0101】上記した各実施例によれば、ガウシアン分
布型の入射ビームに対してプロファイル変換を行ってか
ら光を1次元の線上照明領域に集光させた場合におい
て、光強度分布を均一化できるとともに、光利用効率を
高めることができる。よって、所望の光量を得るのに必
要なレーザーの出力が低くて済むので、省電力化やシス
テム全体のコスト低減にとって有効である。According to each of the above-described embodiments, the light intensity distribution can be made uniform when the light is focused on the one-dimensional linear illumination area after the profile conversion is performed on the Gaussian distribution type incident beam. In addition, the light use efficiency can be improved. Therefore, the output of the laser required to obtain a desired light amount can be reduced, which is effective for power saving and cost reduction of the entire system.
【0102】[0102]
【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、請求項1に係る発明によれば、非球面とされる2つ
のシリンドリカルレンズの対と、その出射側のシリンド
リカルレンズとを組み合わせ、かつ、1次元トップハッ
ト分布を得るための関係式に基づいて光学設計を行うこ
とにより、ガウシアン分布のビーム光を用いて、1次元
の線上で均一な照明領域を得ることができ、光利用効率
を高めることができる。しかも、そのために光学系の構
成が著しく複雑化することもない。As is apparent from the above description, according to the first aspect of the present invention, a pair of two aspherical cylindrical lenses and a cylindrical lens on the exit side thereof are combined, and By performing an optical design based on a relational expression for obtaining a one-dimensional top hat distribution, a uniform illumination area can be obtained on a one-dimensional line using a Gaussian distribution light beam, and the light use efficiency can be improved. Can be enhanced. In addition, the configuration of the optical system is not significantly complicated.
【0103】請求項2に係る発明によれば、複雑な回折
型光学素子等を用いることなく比較的簡単な構成でビー
ム拡大系を構成することができる。According to the second aspect of the present invention, a beam expanding system can be configured with a relatively simple configuration without using a complicated diffractive optical element or the like.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】本発明の原理説明のための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention.
【図2】2次元ガウシアン分布の1次元への投影強度分
布を示すグラフ図である。FIG. 2 is a graph showing a one-dimensional projection intensity distribution of a two-dimensional Gaussian distribution.
【図3】第1レンズ及び第2レンズの配置についての説
明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of an arrangement of a first lens and a second lens.
【図4】ビーム補正のための光学系の一例を示す図であ
る。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an optical system for beam correction.
【図5】図6乃至図12とともに、本発明に係る第1実
施例について説明するための図であり、本図は光学系の
空間的配置を示す斜視図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the first embodiment according to the present invention, together with FIGS. 6 to 12, and is a perspective view showing a spatial arrangement of an optical system.
【図6】光学系を、その光軸と直交する方向(x、X軸
方向)からみた図である。FIG. 6 is a diagram of the optical system viewed from a direction (x, X-axis direction) orthogonal to the optical axis.
【図7】光学系を、その光軸と直交する方向(y、Y軸
方向)からみた図である。FIG. 7 is a diagram of the optical system viewed from a direction (y, Y-axis direction) orthogonal to the optical axis.
【図8】面形状を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a surface shape.
【図9】光線追跡結果を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a ray tracing result.
【図10】入射ビームのプロファイルを示す。FIG. 10 shows a profile of an incident beam.
【図11】光強度分布のプロファイルを示す。FIG. 11 shows a profile of a light intensity distribution.
【図12】集光面でのy軸上に得られる積算エネルギー
量(光量)を示す。FIG. 12 shows an integrated energy amount (light amount) obtained on the y-axis at the light-collecting surface.
【図13】図14乃至図20とともに、本発明に係る第
2実施例について説明するための図であり、本図は光学
系の空間的配置を示す斜視図である。FIG. 13 is a diagram for explaining the second embodiment according to the present invention, together with FIGS. 14 to 20, which is a perspective view showing a spatial arrangement of an optical system.
【図14】光学系を、その光軸と直交する方向(x、X
軸方向)からみた図である。FIG. 14 shows an optical system in a direction (x, X,
FIG.
【図15】光学系を、その光軸と直交する方向(y、Y
軸方向)からみた図である。FIG. 15 shows an optical system in a direction (y, Y) orthogonal to its optical axis.
FIG.
【図16】面形状を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a surface shape.
【図17】光線追跡結果を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing a ray tracing result.
【図18】入射ビームのプロファイルを示す。FIG. 18 shows a profile of an incident beam.
【図19】光強度分布のプロファイルを示す。FIG. 19 shows a profile of a light intensity distribution.
【図20】集光面における、所定軸方向に沿う光強度分
布の積分値(光量)を示す。FIG. 20 shows an integrated value (light amount) of a light intensity distribution along a predetermined axis direction on a light-collecting surface.
【図21】ガウシアン分布について概略的に示す説明図
である。FIG. 21 is an explanatory diagram schematically showing a Gaussian distribution.
【図22】均一な強度分布について概略的に示す説明図
である。FIG. 22 is an explanatory diagram schematically showing a uniform intensity distribution.
G…ビーム強度分布変換光学系、L1…第一非球面シリ
ンドリカルレンズ、L2…第二非球面シリンドリカルレ
ンズ、L3…第三シリンドリカルレンズG: beam intensity distribution conversion optical system, L1: first aspheric cylindrical lens, L2: second aspheric cylindrical lens, L3: third cylindrical lens
Claims (2)
球面シリンドリカルレンズとその出射側に位置する第二
非球面シリンドリカルレンズとを含むビーム強度分布変
換光学系と、該ビーム強度分布変換光学系を経た光線を
1次元の線上に集光するための第三シリンドリカルレン
ズ又はレンズ群を有する、ビーム強度分布変換光学系を
備えた照明装置であって、 入射平行ビームのガウシアンビーム半径を「a」とし、
第一非球面シリンドリカルレンズについて、その開口幅
を「2・r0」、その入射光線高を「x0」、第二非球面
シリンドリカルレンズについて、その開口幅を「2・R
0」、その出射光線高を「X0」とするとき、下記に示す
関係式、 「 X0/R0 = Erf(x0/a)/Erf(r0/
a) 」(但し、Erf(x)は誤差関数、即ち、Er
f( x/a)=(∫exp(−(τ/a)2)dτ)/
(a・√(π))であり、変数τの積分域は「−x≦τ
≦x」。)が、上記ビーム強度分布変換光学系におい
て、ほぼ全ての入射光線について満たされることを特徴
とするビーム強度分布変換光学系を備えた照明装置。1. A beam intensity distribution converting optical system including a first aspherical cylindrical lens disposed on the side of a coherent light source and a second aspherical cylindrical lens positioned on an exit side thereof, and the beam intensity distribution converting optical system includes: An illumination device having a beam intensity distribution conversion optical system having a third cylindrical lens or lens group for condensing the transmitted light rays on a one-dimensional line, wherein a Gaussian beam radius of an incident parallel beam is “a”. ,
The aperture width of the first aspherical cylindrical lens is “2 · r0”, the incident light height is “x0”, and the aperture width of the second aspherical cylindrical lens is “2 · R”.
"0" and the height of the emitted light is "X0", the following relational expression:
a) "(where Erf (x) is an error function, ie, Er
f (x / a) = (∫exp (− (τ / a) 2 ) dτ) /
(A · √ (π)), and the integral range of the variable τ is “−x ≦ τ
≦ x ”. ) Wherein the beam intensity distribution conversion optical system is satisfied with almost all incident light beams.
光学系を備えた照明装置において、 第一非球面シリンドリカルレンズが平凹レンズとされ、
第二非球面シリンドリカルレンズが平凸レンズとされて
いることを特徴とするビーム強度分布変換光学系を備え
た照明装置。2. An illumination device comprising the beam intensity distribution conversion optical system according to claim 1, wherein the first aspherical cylindrical lens is a plano-concave lens,
An illumination device provided with a beam intensity distribution conversion optical system, wherein the second aspheric cylindrical lens is a plano-convex lens.
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