JP2006133635A - 照明光学装置及び光学装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 照明装置全体として小型化を実現しつつ、所定の領域にわたって、明るさ及び明るさの均一性が高く、輝度の方向特性が良好な照明を行うことができ、かつ、光源から発した光の利用効率の高い照明光学装置、およびそれを用いた光学装置を実現する。
【解決手段】 2次元的に並列配置された複数の発光素子と、各々の発光素子に対応する要素レンズよりなる第1のレンズアレイ2と、各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第2のレンズアレイ3と、照明レンズ4とを設ける。複数の発光素子の各々の発光部103を、第1のレンズアレイ2の対応する要素レンズによって拡大実像として結像させる。この拡大実像の結像位置に、第2のレンズアレイ3の対応する要素レンズを位置させ、拡大実像が形成される面に、照明レンズ4の前側焦平面41を位置させ、照明レンズ4の後側焦平面42に、照明される領域を含む面を位置させる。
【選択図】 図1
【解決手段】 2次元的に並列配置された複数の発光素子と、各々の発光素子に対応する要素レンズよりなる第1のレンズアレイ2と、各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第2のレンズアレイ3と、照明レンズ4とを設ける。複数の発光素子の各々の発光部103を、第1のレンズアレイ2の対応する要素レンズによって拡大実像として結像させる。この拡大実像の結像位置に、第2のレンズアレイ3の対応する要素レンズを位置させ、拡大実像が形成される面に、照明レンズ4の前側焦平面41を位置させ、照明レンズ4の後側焦平面42に、照明される領域を含む面を位置させる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、投影装置、露光装置、顕微鏡などの照明光学装置、およびこの照明光学装置を用いた光学装置に関する。
投影装置、露光装置、顕微鏡などの光学装置の照明光学系においては、物体の所定範囲にわたって明るく、かつ明るさの均一性が高く、所定の開口数(NA)を持って、物体を照明できることが求められる。照明の光源としては、発光スペクトル特性、発光量、放射角度特性、発光部の大きさ、光源としての大きさ、経済性などを考慮して、用途に応じて様々なもの、例えば、ハロゲンランプなどの白熱ランプ、水銀ランプ、キセノンランプやメタルハライドランプなどの放電ランプ、各種レ−ザ−などが用いられるが、しばしば明るさの不足を生じる。そこで、一つの照明光学装置内に複数の光源を用いることで照明の明るさの増強を図る場合がある。
また、発光量の多い光源を用いて明るさは確保できたとしても、発光量の多い光源は一般に光源としての大きさが大きいので、光学装置全体の小型化を阻む要因となっている。そこで、発光量は少ないが小型である光源を複数用いて明るさの確保を図りつつ、照明装置全体として小型化を図る方法が提案されている。
例えば、後記の特許文献1、特許文献2では、各々が反射鏡を備える複数の光源を並置した、投影装置に用いて好適な照明光学系が開示されている。また後記の特許文献3では、発光ダイオ−ドアレイを光源とした、投影装置に用いて好適な光学系が開示されている。
特開平6−265887号公報
特開2001−43701号公報
特開平10−333599号公報
特許文献1には、各々が反射鏡を備えた複数の光源から発した光束をレンズ板で複数の光束に分割し、これらの光束を、被照射面の直前に配したフィ−ルドレンズを介して被照射面上で重ね合わせる機構の照明光学系が開示されている。尚、特許文献1でレンズ板と表記されている光学素子は、要素レンズが2次元的に並置されたレンズアレイである。これはフライアイレンズと称されることもある。
本照明光学系によれば、複数の光源から発した光によって、一つの被照射面の所定領域を照射でき、以って照明の明るさを増強することができるが、均一性の高い照明を得るためには、個々の光源に対応するレンズアレイの要素レンズの数が多くなければならない。従って、多数の、たとえば10個以上の光源を用いて均一な照明を実現しようとすると、レンズアレイの要素レンズの必要数は相当の多数に達し、レンズアレイは極めて高価なものとなってしまう。さらに、本照明光学系では、被照射面における輝度の方向特性(単位立体角あたりの光強度の方向特性)に大きなピ−ク・ディップを生じ易い。この影響は、個々の光源に対応するレンズアレイの要素レンズの数が少ない場合に顕著に現れ、本照明光学系を顕微鏡のような精密結像光学系の照明に用いた場合、その結像特性に影響を与える。
特許文献2には、複数の光源から発した光束を、一つのレンズ、あるはレンズアレイを介して、あるいはこれらを介することなく、被照射面上で互いにわずかずつずらして重ね合わせる機構の照明光学系が開示されている。本照明光学系によれば、複数の光源から発した光によって、被照射面の所定範囲を照射でき、少なくとも二つの光源から発した光束が重なる領域では明るさが増すが、比較的明るさの均一性の高い領域は、該複数光源から発した各光束の全てが重なる領域であるから、実用的な照明範囲が限られる。また、これは各光源から発した光の利用効率が悪いことも意味する。
特許文献3には、複数の光源として発光素子アレイ、具体的には発光ダイオ−ドアレイを用い、各発光素子から発した光束を、マスク、及びマイクロレンズアレイの各要素レンズを介して平行光束となし、これら平行光束を縮小光学器に通して、全体として所定断面形状、及び断面サイズを有する平行光束を得る機構が開示されている。本機構によれば、発光ダイオ−ドのような小さい光源を複数用いて、所定領域をある程度の明るさで照明できるが、各発光素子を発した光束は、大体において被照射面の特定の領域のみしか照明できないので被照射面において明るさむらが生じる。
本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、照明装置全体として小型化を実現しつつ、所定の領域にわたって、明るさ及び明るさの均一性が高く、輝度の方向特性が良好な照明を行うことができ、かつ、光源から発した光の利用効率の高い照明光学装置、およびそれを用いた光学装置を実現することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、2次元的に並列配置された複数の発光素子と、該複数の発光素子の各々に対応する要素レンズよりなる第1のレンズアレイと、該第1のレンズアレイの各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第2のレンズアレイと、照明レンズとを有し、前記複数の発光素子の各々の発光部が、前記第1のレンズアレイの対応する要素レンズによって拡大実像として結像され、該拡大実像の結像位置に、前記第2のレンズアレイの対応する要素レンズが位置し、前記拡大実像が形成される面に、前記照明レンズの前側焦平面が位置し、該照明レンズの後側焦平面に、照明対象領域を含む面が位置することを特徴とする照明光学装置を提供する。
本発明は、2次元的に並列配置された複数の発光素子と、該複数の発光素子の各々に対応する要素レンズよりなる第1のレンズアレイと、該第1のレンズアレイの各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第2のレンズアレイと、照明レンズとを有し、前記複数の発光素子の各々の発光部が、前記第1のレンズアレイの対応する要素レンズによって拡大実像として結像され、該拡大実像の結像位置に、前記第2のレンズアレイの対応する要素レンズが位置し、前記拡大実像が形成される面に、前記照明レンズの前側焦平面が位置し、該照明レンズの後側焦平面に、照明対象領域を含む面が位置することを特徴とする照明光学装置を提供する。
このように構成される照明光学装置では、各発光素子の発光部の各点からは、ある放射角度特性で光が放出され、第1のレンズアレイの、発光素子に対応する要素レンズに入射する。
対応する第1のレンズアレイの各要素レンズに入射した光は、各発光部を物体として、その拡大実像を第2のレンズアレイの位置に形成する。また、複数の各発光部に対応して実像が形成されるので、第2のレンズアレイの位置には拡大実像が複数並び、これを2次的な光源(以下、2次光源とする)とみなすことができる。
対応する第1のレンズアレイの各要素レンズに入射した光は、各発光部を物体として、その拡大実像を第2のレンズアレイの位置に形成する。また、複数の各発光部に対応して実像が形成されるので、第2のレンズアレイの位置には拡大実像が複数並び、これを2次的な光源(以下、2次光源とする)とみなすことができる。
更に、拡大実像は第2のレンズアレイの位置に形成されるので、第2のレンズアレイの各要素レンズはフィ−ルドレンズとして作用し、前記2次光源から射出する光の方向を変える。このとき、第2のレンズアレイの各要素レンズの前側焦点位置は、対応する第1のレンズアレイの要素レンズの後側焦点と一致しているので、第1のレンズアレイの要素レンズと、対応する第2のレンズアレイの要素レンズの各組はアフォ−カル光学系を形成し、発光部の任意の点から該アフォ−カル光学系の光軸に対して角度αで発した光は、2次光源を(f1/f2)×αの角度で射出する。ここで、f1は、第1のレンズアレイの要素レンズの焦点距離であり、f2は、第2のレンズアレイの要素レンズの焦点距離である。言うまでもなく、発光部の任意の点から該光軸に平行に発した光は、2次光源からも平行に射出する。
以上のように、第2のレンズアレイの位置には、連続、若しくは連続に近い(隙間が少ない)、場所による放射角度特性の均一性の高い面光源が2次光源として形成される。この後、このような2次光源が、照明レンズの前側焦平面に位置し、被照射面(照明対象領域を含む面)は照明レンズの後側焦平面に配設されるという、ケ−ラ−照明にも用いられるいわゆるf−f配置の光学系となるので、被照射面における照度の均一性が高められると同時に、本発明による効果として、被照射面における輝度の方向特性の大幅な改善が可能になる。
輝度の方向特性が改善されるのはつぎのような理由による。f−f配置の光学系では、前側焦平面における位置が、後側焦平面での角度に変換されるので、前側焦平面において例えば点状の光源が離散的に位置しているとすると、後側焦平面での放射角度特性が、特定の離散的な角度近傍に光強度が集中するような特性となり、方向によって大きく輝度が異なることになる。これに対し本発明では、連続、若しくは連続に近い2次光源面が形成されるので、このような輝度ムラが大幅に低減され、輝度の方向特性が向上する。
更に本発明では、放射角度特性の場所による均一性の高い面光源が2次光源として形成されるので、被照射面において一定の照射範囲に光が効率的に集中する。従って、これを照明範囲とすることにより、光源から発した光の利用効率の高い照明も同時に実現できる。
尚、被照射面の照明範囲における明るさ(照度)は、照明レンズが十分な大きさを有していれば、発光素子の数を増やすことで増すことができる。これは、照明としての開口数(NA)が上がることによる。更に、発光素子の数を増やすとともに、照明レンズの焦点距離f3を長くすることにより、照明としての開口数(NA)を保ったまま、即ち明るさ一定のまま、照明範囲を広くすることも可能である。
尚、被照射面の照明範囲における明るさ(照度)は、照明レンズが十分な大きさを有していれば、発光素子の数を増やすことで増すことができる。これは、照明としての開口数(NA)が上がることによる。更に、発光素子の数を増やすとともに、照明レンズの焦点距離f3を長くすることにより、照明としての開口数(NA)を保ったまま、即ち明るさ一定のまま、照明範囲を広くすることも可能である。
また、本発明は、2次元的に並列配置された複数の発光素子と、該複数の発光素子の各々に対応する要素レンズよりなる第1のレンズアレイと、該第1のレンズアレイの各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第2のレンズアレイと、第1の照明レンズと、複数の要素レンズを有するフライアイレンズと、第2の照明レンズとを有し、前記複数の発光素子の各々の発光部が、前記第1のレンズアレイの対応する要素レンズによって拡大実像として結像され、該拡大実像の結像位置に、前記第2のレンズアレイの対応する前記要素レンズが位置し、前記拡大実像が形成される面に、前記第1の照明レンズの前側焦平面が位置し、前記フライアイレンズの前記各要素レンズの前側焦点を含む面が、前記第1の照明レンズの後側焦平面に位置し、前記第2の照明レンズの前側焦平面が、前記フライアイレンズの前記各要素レンズの後側焦点を含む面に位置し、前記第2の照明レンズの後側焦平面に、照明対象領域を含む面が位置することを特徴とする照明光学装置を提供する。
このように構成される照明光学装置では、第1の照明レンズ以前の光学系により、第1の照明レンズの後側焦平面に、照度の均一性が高く輝度の方向特性が大幅に改善された3次光源面が形成される。
フライアイレンズはインテグレ−タ−として作用し、3次光源面を発した光はフライアイレンズの後側焦点を含む面に4次光源面を形成する。4次光源面の各点からはある放射角度範囲に光が射出され、第2の照明レンズに入る。このとき、フライアイレンズの各要素レンズの入射面は狭いので、3次光源面の各要素レンズに対応する範囲内では、照度はほぼ均一とみなすことができる。従って、4次光源面には、照度ムラは残るものの、所定の角度範囲内で放射角度特性の均一性が良好、即ち、放射角度によらず光強度がほぼ同じとなるような仮想光源が形成される。
フライアイレンズはインテグレ−タ−として作用し、3次光源面を発した光はフライアイレンズの後側焦点を含む面に4次光源面を形成する。4次光源面の各点からはある放射角度範囲に光が射出され、第2の照明レンズに入る。このとき、フライアイレンズの各要素レンズの入射面は狭いので、3次光源面の各要素レンズに対応する範囲内では、照度はほぼ均一とみなすことができる。従って、4次光源面には、照度ムラは残るものの、所定の角度範囲内で放射角度特性の均一性が良好、即ち、放射角度によらず光強度がほぼ同じとなるような仮想光源が形成される。
4次光源面以降の光学系は、このような4次光源面が第2の照明レンズの前側焦平面に位置し、第2の照明レンズの後側焦平面に被照射面が配設されるという、f−f配置の光学系となる。従って、被照射面の所定範囲において照度の均一性が良好な照明を実現できる。
一方、本発明により輝度の方向特性も良好な状態を実現できる。これは次のような理由による。照明レンズ(焦点距離f3)とフライアイレンズの各要素レンズ(焦点距離f4)は倍率f4/f3の結像光学系を構成しており、各要素レンズの射出面近傍に2次光源の実像が形成される。このとき概ねL1/L2=f4/f3の関係を満たすようこれらパラメ−タ−が設定されているので、各々の要素レンズについて形成される2次光源の実像の大きさと、各要素レンズの大きさ(L2)はほぼ同じとなる。この結果、4次光源面は、場所的にほぼ連続な面光源となるので、輝度の方向特性も良好な状態を実現できる。
上記照明光学装置において、前記発光素子が、放射角度特性の異なる少なくとも2種類の発光素子を含んでいてもよい。
この場合には、発光部の放射角度特性に起因する被照射面における照度分布が平均化され、本発明の照明光学装置の特長である輝度の方向特性の向上を実現しつつ、被照射面における照度の均一性を向上させることができる。
また、本発明は、上記した照明光学系のうちのいずれかを含む光学装置を提供する。
このように構成される光学装置では、被照射面における照度の均一性が高められると同時に、被照射面における輝度の方向特性の大幅な改善が可能になる。
以上説明したように、本発明によれば、小型発光素子を複数用いて、照明装置全体として小型化を達成しながら、所定の領域にわたって、明るさ及び明るさの均一性が高く、輝度の方向特性が良好な照明を行うことができ、かつ、光源から発した光の利用効率の高い照明光学装置、およびそれを用いた光学装置を実現することができる。
以下、本発明による照明光学装置の好適な実施の形態を、図を参照しつつ説明する。
[第1実施形態]
図1は、本発明に基づく照明光学装置の第1の実施形態の基本的な構成を示す図であって、図1中に符号1で示す部材は光源ユニットである。
光源ユニット1では、図2に示すように、正面側(図1において右側)から見て、複数の小型発光素子101が要素光源として2次元的に(同一平面上に)並列配置されている。各々の発光素子101は同一の特性を有する。図2では、発光素子101が5行5列の計25個並列配置された状態を示しているが、これに限定されるものではない。また発光素子101の配列は俵積状配列(千鳥状配列)でもよい。また、本照明光学装置によって照明されるべき領域が円形の場合は四隅の発光素子101Aは省略してもよい。
[第1実施形態]
図1は、本発明に基づく照明光学装置の第1の実施形態の基本的な構成を示す図であって、図1中に符号1で示す部材は光源ユニットである。
光源ユニット1では、図2に示すように、正面側(図1において右側)から見て、複数の小型発光素子101が要素光源として2次元的に(同一平面上に)並列配置されている。各々の発光素子101は同一の特性を有する。図2では、発光素子101が5行5列の計25個並列配置された状態を示しているが、これに限定されるものではない。また発光素子101の配列は俵積状配列(千鳥状配列)でもよい。また、本照明光学装置によって照明されるべき領域が円形の場合は四隅の発光素子101Aは省略してもよい。
発光素子101としては、発光ダイオ−ドや、エレクトロルミネッセンス素子などの小型化に適した素子が好適であるが、白熱ランプや反射鏡付き放電灯を用いることもできる。符号103は、これらの発光素子の、実効的に光が発せられる部位(以下発光部と呼ぶ)を示す。図2では、発光部103を矩形として示したが、発光素子の種類により、発光部103はある実効的な大きさ及び形状を有する。実際上、発光部103の大きさが発光素子101の大きさを上回ることはないので、発光部103は離散的に並列配置されることになる。
図1に符号2で示す部材は第1のレンズアレイであって、光源ユニット1の各発光部103に対応した要素レンズ21が同一平面上に並列配置されている。第1のレンズアレイ2は光源ユニット1と略平行にして配置されている。
図3に、第1のレンズアレイ2を正面(図1において右側)から見た様子を示す。図3では、図2に示す発光素子101が5行5列計25個並列配置されているのに対応して、第1のレンズアレイ2の要素レンズ21も5行5列計25個並列配置された状態を示す。尚、四隅の発光素子101Aが省略される場合は第1のレンズアレイ2の四隅の要素レンズ21Aは省略してもよい。発光素子101の配列が俵積状配列の場合は、要素レンズ21の配列も俵積状配列とし、各要素レンズ21の形状は正6角形とする。各要素レンズ21,21Aは所定の焦点距離f1を有し、第1のレンズアレイ2と、発光部103が並列配置されている面との距離sは、f1<s<2f1を満たすよう設定される。
図3に、第1のレンズアレイ2を正面(図1において右側)から見た様子を示す。図3では、図2に示す発光素子101が5行5列計25個並列配置されているのに対応して、第1のレンズアレイ2の要素レンズ21も5行5列計25個並列配置された状態を示す。尚、四隅の発光素子101Aが省略される場合は第1のレンズアレイ2の四隅の要素レンズ21Aは省略してもよい。発光素子101の配列が俵積状配列の場合は、要素レンズ21の配列も俵積状配列とし、各要素レンズ21の形状は正6角形とする。各要素レンズ21,21Aは所定の焦点距離f1を有し、第1のレンズアレイ2と、発光部103が並列配置されている面との距離sは、f1<s<2f1を満たすよう設定される。
図1に符号3で示す部材は第2のレンズアレイである。第2のレンズアレイ3は第1のレンズアレイ2と略平行にして配置されている。
図4に、第2のレンズアレイ3を正面(図1において右側)から見た様子を示す。第2のレンズアレイ3では、第1のレンズアレイ2の要素レンズ21,21Aに対応した要素レンズ31,31Aが並列配置されている。第1のレンズアレイ2の要素レンズ21Aが省略される場合は、第2のレンズアレイ3の四隅の要素レンズ31Aは省略される。発光素子101の配列が俵積状配列の場合は、要素レンズの配列も俵積状配列とし、各要素レンズ31の形状は正6角形とする。いずれの配列であっても、第2のレンズアレイは隣接する要素レンズ31間に隙間が生じないよう構成される。
図4に、第2のレンズアレイ3を正面(図1において右側)から見た様子を示す。第2のレンズアレイ3では、第1のレンズアレイ2の要素レンズ21,21Aに対応した要素レンズ31,31Aが並列配置されている。第1のレンズアレイ2の要素レンズ21Aが省略される場合は、第2のレンズアレイ3の四隅の要素レンズ31Aは省略される。発光素子101の配列が俵積状配列の場合は、要素レンズの配列も俵積状配列とし、各要素レンズ31の形状は正6角形とする。いずれの配列であっても、第2のレンズアレイは隣接する要素レンズ31間に隙間が生じないよう構成される。
各要素レンズ31、31Aは、f1よりも長い所定の焦点距離f2を有し、第1のレンズアレイ2と第2のレンズアレイ3の間の距離tは、t=f1+f2となるよう設定される。即ち、第1のレンズアレイ2の要素レンズ21,21Aの後側焦点と、対応する要素レンズ31,31Aの前側焦点位置が一致するよう、第2のレンズアレイ3の位置が設定される。また、各要素レンズ21,21Aに関して、光源ユニット1の各発光部103を含む面を物体面として、その像面が、第2のレンズアレイ3と重なるよう、距離s,tは決められる。
以上の配置構成により、各発光部103の拡大された実像6が、第2のレンズアレイ3の対応する要素レンズ31,31Aの位置に形成される。このとき、各々の拡大実像6の大きさは、要素レンズ31,31Aの中に収まる範囲でなるべく大きいことが望ましく、そのようにレンズアレイ2の各要素レンズ21,21Aの倍率が設定される。但し、各々の拡大実像6は完全に要素レンズ31,31Aの中に収まる必要はなく、一部であれば、対応する要素レンズ31,31Aをはみ出しても構わない。
図1において符号4で示す部材は焦点距離f3の凸パワ−を有する照明レンズ、符号41、42で示す面は、各々、照明レンズ4の前側焦平面、後側焦平面である。照明レンズ4は、その前側焦平面41が第2のレンズアレイ3と重なるよう配設される。図1において符号5で示す面は被照射面(照明対象領域を含む面)であって、照明レンズ4の後側焦平面42に配設される。被照射面5には照明されるべき物体、即ち本照明光学装置が用いられる光学装置が投影装置であれば液晶などの空間光変調器やスライド、露光装置であればマスクあるいはレチクル、顕微鏡であれば観察試料、が置かれる。
次に上記のように構成した照明光学装置の動作について説明する。各発光素子101の発光部103の各点からは、ある放射角度特性で光が放出され、第1のレンズアレイ2の、発光素子101に対応する要素レンズ21に入射する。発光部103の光の放射角度が広い場合は、対応する要素レンズ21a(図2参照)に隣接する要素レンズ21b(図2参照、最大8個)にも放出された光の一部が入射するが、照明光学装置として機能上の問題は生じない。但し、各発光部103から発した光はなるべく多くが対応する要素レンズ21aに入射するよう光学系が構成されることが望ましい。以下、対応する要素レンズ21a以外に入射する光は無視できるとして説明する。
対応する各要素レンズ21aに入射した光は、各発光部103を物体として、その実像6を第2のレンズアレイ3の位置に形成する。このとき、結像倍率(絶対値)は1より大きいので、実像6は拡大像となる。また、複数の各発光部103に対応して実像6が形成されるので、第2のレンズアレイ3の位置には拡大実像6が複数並び、これを2次的な光源61とみなすことができる。1次光源である光源ユニット1においては、複数の発光部103が含まれる面の所定範囲に対して発光部103の面積の合計が占める割合はわずかであるが、2次光源面61においては、2次的な発光部の面積の合計が占める割合は高くなる。各発光部103の形状と、各要素レンズ31,31Aの形状が相似であれは、各要素レンズ21による結像の倍率を適当に設定することにより、2次光源面61の所定範囲を複数の拡大実像6で埋め尽くすことも可能である。
更に、拡大実像6は第2のレンズアレイ3の位置に形成されるので、各要素レンズ31,31Aはフィ−ルドレンズとして作用し、2次光源61から射出する光の方向を変える。このとき、各要素レンズ31,31Aの前側焦点位置は、対応する第1のレンズアレイ2の要素レンズ21,21Aの後側焦点と一致しているので、要素レンズ21,21Aと、対応する要素レンズ31,31Aの各組はアフォ−カル光学系を形成し、発光部103の任意の点から該アフォ−カル光学系の光軸に対して角度αで発した光は、2次光源61を(f1/f2)×αの角度で射出する。言うまでもなく、発光部103の任意の点から該光軸に平行に発した光は、2次光源61からも平行に射出する。
以上のように、第2のレンズアレイ3の位置には、連続、若しくは連続に近い(隙間が少ない)、場所による放射角度特性の均一性の高い面光源が2次光源61として形成される。この後、このような2次光源61が、照明レンズ40の前側焦平面41に位置し、被照射面5は照明レンズ4の後側焦平面42に配設されるという、ケ−ラ−照明にも用いられるいわゆるf−f配置の光学系となるので、被照射面5における照度の均一性が高められると同時に、本発明による効果として、被照射面5における輝度の方向特性の大幅な改善が可能になる。
輝度の方向特性が改善されるのはつぎのような理由による。f−f配置の光学系では、前側焦平面における位置が、後側焦平面での角度に変換されるので、前側焦平面において例えば点状の光源が離散的に位置しているとすると、後側焦平面での放射角度特性が、特定の離散的な角度近傍に光強度が集中するような特性となり、方向によって大きく輝度が異なることになる。これに対し本発明では、連続、若しくは連続に近い2次光源面が形成されるので、このような輝度ムラが大幅に低減され、輝度の方向特性が向上する。
更に本発明では、放射角度特性の場所による均一性の高い面光源が2次光源61として形成されるので、被照射面5において一定の照射範囲に光が効率的に集中する。従って、これを照明範囲とすることにより、光源から発した光の利用効率の高い照明も同時に実現できる。
尚、被照射面5の照明範囲における明るさ(照度)は、照明レンズ4が十分な大きさを有していれば、発光素子101の数を増やすことで増すことができる。これは、照明としての開口数(NA)が上がることによる。更に、発光素子101の数を増やすとともに、照明レンズ4の焦点距離f3を長くすることにより、照明としての開口数(NA)を保ったまま、即ち明るさ一定のまま、照明範囲を広くすることも可能である。
尚、被照射面5の照明範囲における明るさ(照度)は、照明レンズ4が十分な大きさを有していれば、発光素子101の数を増やすことで増すことができる。これは、照明としての開口数(NA)が上がることによる。更に、発光素子101の数を増やすとともに、照明レンズ4の焦点距離f3を長くすることにより、照明としての開口数(NA)を保ったまま、即ち明るさ一定のまま、照明範囲を広くすることも可能である。
[第2実施形態]
図5は、本発明に基づく照明光学装置の第2の実施形態の基本的な構成を示す。符号7で示す光学系は、本実施形態の照明光学系における前置光学系であって、その構成及び動作は、第1実施形態に示した照明光学装置と同様である。但し、第1実施形態に示す被照射面5は、本実施形態では3次光源面51として機能する。また、第1実施形態における照明レンズ4は、本実施形態では第1の照明レンズとなる。
符号8で示す部材はフライアイレンズ(ハエの目レンズ)であって、多数の要素レンズ81が稠密に組み合わされて構成されている。
図5は、本発明に基づく照明光学装置の第2の実施形態の基本的な構成を示す。符号7で示す光学系は、本実施形態の照明光学系における前置光学系であって、その構成及び動作は、第1実施形態に示した照明光学装置と同様である。但し、第1実施形態に示す被照射面5は、本実施形態では3次光源面51として機能する。また、第1実施形態における照明レンズ4は、本実施形態では第1の照明レンズとなる。
符号8で示す部材はフライアイレンズ(ハエの目レンズ)であって、多数の要素レンズ81が稠密に組み合わされて構成されている。
フライアイレンズ8の大きさは3次光源面51の大きさよりやや大きく、その範囲内で要素レンズ81の数は多いほど好ましいが、現実的には数十個程度あればよい。要素レンズ81は所定の焦点距離f4を持ち、その前側焦点、後側焦点は、各々、各要素レンズ81の前側曲面、後側曲面の面頂近傍にある。また、各要素レンズ81の前側焦点を含む面は、第1の照明レンズの後側焦平面即ち3次光源面51の位置に置かれる。各要素レンズ81の焦点距離f4は、図5に示すように2次光源61の大きさをL1、フライアイレンズ8の各要素レンズ81の大きさをL2として、概ねL1/L2=f4/f3の関係を満たすよう設定される。
符号9で示す部材は焦点距離f5の凸パワ−を有する第2の照明レンズ、符号91、92で示す面は、各々、第2の照明レンズ9の前側焦平面、後側焦平面である。第2の照明レンズ9は、その前側焦平面91が、フライアイレンズ8の各要素レンズ81の後側焦点を含む面に位置するよう配設される。10は被照射面であって、第2の照明レンズ9の後側焦平面92に配設される。
次に上記のように構成した照明光学装置の動作について説明する。前置光学系7の動作は実施形態1に示した照明光学装置と同様である。第1の実施形態においては、発光部103の放射角度特性に関わらず、輝度の方向特性が良好な照明が得られるが、照度の均一性は発光部103の放射角度特性に依存している。例えば、各発光部103が、第1のレンズアレイ2の要素レンズ21の光軸に対して角度が大きくなるに従って光強度が低下するような放射角度特性をもっている場合、被照射面5では中心の照度が高く、周辺に行くに従って照度が低下するような照度のムラが生じる。以下、3次光源面51がこのような状態にあるとして説明する。
フライアイレンズ8はインテグレ−タ−として作用し、3次光源面51を発した光はフライアイレンズ8の後側焦点を含む面に4次光源面11を形成する。4次光源面11の各点からはある放射角度範囲に光が射出され、第2の照明レンズ9に入る。このとき、各要素レンズ81の入射面は狭いので、3次光源面51の各要素レンズ81に対応する範囲内では、照度はほぼ均一とみなすことができる。従って、4次光源面11には、照度ムラは残るものの、所定の角度範囲内で放射角度特性の均一性が良好、即ち、放射角度によらず光強度がほぼ同じとなるような仮想光源が形成される。
4次光源面11以降の光学系は、このような4次光源面11が第2の照明レンズ9の前側焦平面に位置し、第2の照明レンズ9の後側焦平面に被照射面10が配設されるという、f−f配置の光学系となる。従って、被照射面10の所定範囲において照度の均一性が良好な照明を実現できる。
一方、本実施形態により輝度の方向特性も良好な状態を実現できる。これは次のような理由による。照明レンズ(焦点距離f3)とフライアイレンズ8の各要素レンズ81(焦点距離f4)は倍率f4/f3の結像光学系を構成しており、各要素レンズ81の射出面近傍に2次光源61の実像が形成される。このとき概ねL1/L2=f4/f3の関係を満たすようこれらパラメ−タ−が設定されているので、各々の要素レンズ81について形成される2次光源61の実像の大きさと、各要素レンズ81の大きさ(L2)はほぼ同じとなる。この結果、4次光源面11は、場所的にほぼ連続な面光源となるので、第1実施形態と同様、輝度の方向特性も良好な状態を実現できる。
[第3実施形態]
本実施形態の基本的な構成は第1実施形態と同様であるので、図示は省略する。第1実施形態では、光源ユニット1が有する複数の発光素子101は同一であるとした。従って、各発光素子101の発光部103の放射角度特性も同一であって、この場合、第2実施形態の説明で記したように、被照射面5で照度のムラが生じる可能性がある。
本実施形態の基本的な構成は第1実施形態と同様であるので、図示は省略する。第1実施形態では、光源ユニット1が有する複数の発光素子101は同一であるとした。従って、各発光素子101の発光部103の放射角度特性も同一であって、この場合、第2実施形態の説明で記したように、被照射面5で照度のムラが生じる可能性がある。
これに対し本実施形態では、光源ユニット1が有する複数の発光素子を同一のものとせず、発光部の放射角度特性の異なる少なくとも2種類の発光素子を光源ユニット1内において分散配置した構成となっている。
このような構成により、発光部の放射角度特性に起因する被照射面5における照度分布が平均化され、第1実施形態の特長である輝度の方向特性の向上を実現しつつ、被照射面5における照度の均一性を向上させることができる。
このような構成により、発光部の放射角度特性に起因する被照射面5における照度分布が平均化され、第1実施形態の特長である輝度の方向特性の向上を実現しつつ、被照射面5における照度の均一性を向上させることができる。
2 第1のレンズアレイ
3 第2のレンズアレイ
4 照明レンズ(第1の照明レンズ)
8 フライアイレンズ
9 第2の照明レンズ
21,21A 第1のレンズアレイの要素レンズ
31,31A 第2のレンズアレイの要素レンズ
41 照明レンズの前側焦平面
42 照明レンズの後側焦平面
81 フライアイレンズの要素レンズ
91 第2の照明レンズの前側焦平面
92 第2の照明レンズの後側焦平面
101 発光素子
103 発光部
3 第2のレンズアレイ
4 照明レンズ(第1の照明レンズ)
8 フライアイレンズ
9 第2の照明レンズ
21,21A 第1のレンズアレイの要素レンズ
31,31A 第2のレンズアレイの要素レンズ
41 照明レンズの前側焦平面
42 照明レンズの後側焦平面
81 フライアイレンズの要素レンズ
91 第2の照明レンズの前側焦平面
92 第2の照明レンズの後側焦平面
101 発光素子
103 発光部
Claims (4)
- 2次元的に並列配置された複数の発光素子と、該複数の発光素子の各々に対応する要素レンズよりなる第1のレンズアレイと、該第1のレンズアレイの各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第2のレンズアレイと、照明レンズとを有し、
前記複数の発光素子の各々の発光部が、前記第1のレンズアレイの対応する要素レンズによって拡大実像として結像され、
該拡大実像の結像位置に、前記第2のレンズアレイの対応する要素レンズが位置し、
前記拡大実像が形成される面に、前記照明レンズの前側焦平面が位置し、
該照明レンズの後側焦平面に、照明対象領域を含む面が位置する
ことを特徴とする照明光学装置。 - 2次元的に並列配置された複数の発光素子と、該複数の発光素子の各々に対応する要素レンズよりなる第1のレンズアレイと、該第1のレンズアレイの各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第2のレンズアレイと、第1の照明レンズと、複数の要素レンズを有するフライアイレンズと、第2の照明レンズとを有し、
前記複数の発光素子の各々の発光部が、前記第1のレンズアレイの対応する要素レンズによって拡大実像として結像され、
該拡大実像の結像位置に、前記第2のレンズアレイの、対応する前記要素レンズが位置し、
前記拡大実像が形成される面に、前記第1の照明レンズの前側焦平面が位置し、
前記フライアイレンズの前記各要素レンズの前側焦点を含む面が、前記第1の照明レンズの後側焦平面に位置し、
前記第2の照明レンズの前側焦平面が、前記フライアイレンズの前記各要素レンズの後側焦点を含む面に位置し、
前記第2の照明レンズの後側焦平面に、照明対象領域を含む面が位置する
ことを特徴とする照明光学装置。 - 前記発光素子が、放射角度特性の異なる少なくとも2種類の発光素子を含むことを特徴とする請求項1に記載の照明光学装置。
- 請求項1、または請求項2、または請求項3に記載の照明光学装置を含むことを特徴とする光学装置。
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JP2004324665A JP2006133635A (ja) | 2004-11-09 | 2004-11-09 | 照明光学装置及び光学装置 |
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