JP2007114655A - 均一照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 均一照明装置において、例えばガウス分布などの対称な強度分布を有するレーザビームに強度分布の偏りが発生しても、その偏りを緩和することにより、所定強度分布を前提とした強度分布変換素子を用いて良好な平坦化効果を得ることができるようにする。
【解決手段】 均一照明装置５０を、正常状態でガウス分布を有するレーザビームＬ_０を出力するレーザ光源１と、ガウス分布を均一化する強度変換素子４と、それらの間の光路中に配置され、レーザビームＬ_０の強度分布のガウス分布に対する偏りを緩和する偏り緩和手段として、ハーフミラー２、ハーフミラー３、ミラー５、反転光学系６、ミラー７を備える構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、均一照明装置に関する。例えば、レーザ加工などに用いられるレーザ光の強度分布を均一化する均一照明装置に関する。

従来、レーザビームの強度分布を、断面矩形状の平坦な強度分布として、均一化する均一化照明装置が知られている。
例えば、特許文献１には、レーザビームを光軸に直交する断面内で、レーザビームの強度分布の偏り方向に対応して、例えば上下などの一定方向に２分割し、分割されたレーザビームのうち、一方の強度分布をシリンドリカルレンズにより一定方向に反転して、分割されたレーザビームの他方と並列にホモジェナイザに入射して合成することにより、合成されたレーザビームの強度分布の均一化を図るビーム均一化装置が記載されている。
このホモジェナイザは、シリンドリカルレンズ群と、このシリンドリカルレンズ群を透過して集光、拡散された光を集光するコンデンサレンズとから構成されている。
また、レーザビームの強度分布がガウス分布であることを利用して、中心から半径方向に透過率を徐々に増大させるグラデーションフィルタを用いて平坦な強度分布に変換したり、回折効果によってガウス分布を平坦に補正する強度変換素子を用いて強度分布を補正したりすることが知られている。
特開２００１−１４７４０２号公報（図１）

しかしながら、上記のような従来の均一照明装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、シリンドリカルレンズ群により構成されたフライアイレンズと、コンデンサレンズからなるホモジェナイザにおいてフラットトップな強度分布を形成できるものの、より簡素な構成を有するグラデーションフィルタや回折効果を用いた強度変換素子を用いた装置には適用できないという問題がある。
一方、上記グラデーションフィルタや強度変換素子による強度分布の補正は、レーザビームがガウス分布であることを用いている。
ところが、例えばＹＡＧレーザのパルス出力を用いる場合などでは、１ショットのパルスごとに強度分布がガウス分布からずれることがある。このようなガウス分布からのずれは、定常的に発生するわけではないので、上記のグラデーションフィルタや強度変換素子ではあらかじめ補正することが困難である。そのため、変換後の強度分布の平坦性が劣化してしまうという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、例えばガウス分布などの対称な強度分布を有するレーザビームに強度分布の偏りが発生しても、その偏りを緩和することにより、所定強度分布を前提とした強度分布変換素子を用いて良好な平坦化効果を得ることができる均一照明装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の均一照明装置は、正常状態で回転軸対称または面対称の所定強度分布を有するレーザビームを出力するレーザ出力手段と、前記所定強度分布を均一化する強度分布変換手段と、前記レーザ出力手段と前記強度分布変換手段との間の光路中に配置され、前記レーザ出力手段により出力されたレーザビームの強度分布の、前記所定強度分布に対する偏りを緩和する偏り緩和手段とを備えた構成とする。
この発明によれば、偏り緩和手段により、レーザビームの所定強度分布からの偏りを緩和するので、所定強度分布からのずれを低減することができる。そのため、強度分布変換手段に、所定強度分布により近い強度分布を備えたレーザビームを入射することができるので、レーザビームに所定強度分布からの偏りが生じた場合に、強度分布変換手段から出射されるレーザビームの均一な強度分布からのずれを低減することができる。

ここで、回転軸対称または面対称の所定強度分布とは、レーザビームの中心軸（以下、ビーム中心軸と略称する）に対して回転軸対称な強度分布、またはビーム中心軸に対して面対称な強度分布を意味する。例えば、２次元ガウス分布（以下、誤解の恐れのない限り単にガウス分布と称する）や、半導体レーザのようにビーム中心軸を含む直交する２平面に対して面対称となるような強度分布が含まれる。

また、本発明の均一照明装置では、前記偏り緩和手段が、前記レーザ出力手段から出力されたレーザビームを複数の分岐ビームに分岐する光分岐手段と、該光分岐手段により分岐された複数の分岐ビームのうち、１つの分岐ビームを除く他の分岐ビームの光路中に設けられ、前記他の分岐ビームの強度分布をビーム中心軸まわりに回転移動もしくはビーム中心軸を含む面を対称面として対称移動する強度分布移動手段と、前記１つの分岐ビームと、前記強度分布移動手段により強度分布が移動された他の分岐ビームとを、それぞれのビーム中心軸が一致するように重ね合わせる光合成手段とを備えることが好ましい。
この場合、光分岐手段により、レーザ出力手段により出力されたレーザビームが複数の分岐ビームに分岐され、そのうちの１つの分岐ビームと、強度分布移動手段により強度分布がビーム中心軸まわりに回転移動、もしくはビーム中心軸を含む面を対称面として対称移動された他の分岐ビームとが、光合成手段により、ビーム中心軸が一致するように重ね合わされる。
そのため、レーザビームが回転軸対称または面対称の所定強度分布を有する場合には、所定強度分布を有した状態で強度分布変換手段に入射される。
また、レーザビームが所定強度分布からの偏りを有する場合には、強度分布移動手段により偏り部分が、各分岐ビームごとに移動されるので、光合成手段により重ね合わされたとき、ビーム中心軸まわりの周方向で各位置毎に平均化される。そのため、所定強度分布からの偏りが低減される。そのため、レーザビームを、その強度分布が所定強度分布により近づいた状態で強度分布変換手段に入射される。

ここで、強度分布移動手段による強度分布の回転移動は、１８０°回転の場合、例えば、光路中に２つの集光レンズを配置し、その間に中間像を形成する構成とすればよい。この場合、強度分布の上下左右をそれぞれ反転する結果、強度分布がビーム中心軸を中心に１８０°回転移動される。任意角度の回転移動は、ビーム中心軸を含む対称面に関する対称移動（反転）を対称面の角度を変えて２回行うことにより実現することができる。
強度分布の反転は、例えば、適宜角度の反射面を適宜個数配置して、レーザビームを折り返すことにより実現することができる。

また、本発明の前記光分岐手段と前記強度分布移動手段と前記光合成手段とを備える均一照明装置では、前記光分岐手段、前記強度分布移動手段、および前記光合成手段が、一体化された構成とすることが好ましい。
この場合、光分岐手段、強度分布移動手段および光合成手段が一体化されているので、偏り緩和手段の配置が容易となり、生産性を向上することができる。

また、本発明の前記光分岐手段と前記強度分布移動手段と前記光合成手段とを備える均一照明装置では、前記光分岐手段と前記光合成手段とが、偏光ビームスプリッタであり、
前記レーザ出力手段と前記光分岐手段との間の光路中、前記光分岐手段と前記光合成手段との間の光路中、および前記強度分布移動手段と前記光合成手段との間の光路中に、それぞれ偏光方向を変更するための波長板を設けた構成とすることが好ましい。
この場合、レーザビームの各光路における偏光方向を、波長板により変更することにより、偏光ビームスプリッタにおける透過率と反射率が最適となるように設定することができるので、光量損失を低減することができ、エネルギーの効率的な利用を図ることができる。

本発明の均一照明装置によれば、レーザビームの正常状態の所定強度分布からの偏りを緩和し、所定強度分布により近い強度分布を備えたレーザビームを形成して、所定強度分布を均一化する強度変換手段に入射することができるので、レーザビームに所定強度分布からの偏りが生じた場合にも良好な平坦化効果を得ることができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る均一照明装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、図１のＡ−Ａ線（Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線）、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線、Ｆ−Ｆ線に沿う断面におけるレーザビームの強度分布について説明するための模式的なグラフである。図２の各グラフにおいて、縦軸はピーク強度で規格化された強度比を表し、横軸はビーム中心からの適宜規格化された半径方向位置を表す。なお、図２は、模式的なグラフのため、寸法比を誇張して描いている。
また、図１に記載したＸＹＺ座標系は、方向を参照するために便宜的に設けた右手直角座標系で、紙面手前から奥側に向かう方向を正方向とする紙面垂直軸をＹ軸とし、紙面右側を正方向とする紙面内の水平軸をＸ軸とし、Ｘ軸、Ｙ軸に直交する紙面内の上方向を正方向とする鉛直軸をＺ軸としたものである（図３、５、６も同様）。

本実施形態の均一照明装置５０は、正常状態で回転軸対称または面対称の所定強度分布を有するレーザビームＬ_０を、ビーム中心軸に沿う断面において略矩形状の略平坦な強度分布を有するレーザビームＬ_５に変換して出射するためのものであり、例えばレーザ加工装置などの光源として好適に用いることができるものである。
均一照明装置５０の概略構成は、図１に示すように、レーザ光源１（レーザ出力手段）、ハーフミラー２（光分岐手段）、反転光学系６（強度分布移動手段）、ハーフミラー３（光合成手段）、および強度変換素子４（強度分布変換手段）からなる。
ここで、ハーフミラー２、反転光学系６、ハーフミラー３と後述するミラー５、７とは、偏り緩和手段を構成している。

レーザ光源１は、パルス発振してレーザ加工を行うためのＹＡＧレーザからなる。本実施形態では、図１のＸ軸正方向に平行光とされた波長λのレーザビームＬ_０を出射できるようになっている。波長λは、必要に応じてＹＡＧレーザで発振可能ないずれの波長でもよく、以下に説明するすべての光学素子では、使用波長に応じて適切な反射率、透過率などの光学特性が得られるようになっている。
ＹＡＧレーザの場合、正常状態、または理想状態ではレーザビームＬ_０の強度分布は、良好なガウス分布となっている。しかし、何らかの原因により強度分布がガウス分布からずれる場合があることが知られている。
例えば、パルス発振を行うと、ガウス分布からずれた偏りを有する強度分布が生じやすくなる。この場合、その偏り量や偏りが発生する位置は、１ショットごとに異なるのが一般的であり、定常的にガウス分布からずれるような強度分布となるわけではない。
例えば、図２（ａ）に、ガウス分布からずれた強度分布の一例を示した。
この場合、ビーム中心軸（半径方向位置０）を含む所定断面で、強度分布１００として示すような、ビーム中心軸に対して非対称な強度分布が形成されている。すなわち、図示右側の傾斜部に、想像線で示したガウス分布１００ｂ（所定強度分布）よりも高強度となる強度異常部１００ａ（所定強度分布に対する偏り）が発生している。
このような強度異常部１００ａは、１箇所に発生するとは限らないが、以下では、このような強度異常部１００ａが、図１のＺ軸負方向に発生している場合を例にとって説明する。

ハーフミラー２は、レーザビームＬ_０の略５０％をレーザビームＬ_１（１つの分岐ビーム）として透過し、レーザビームＬ_０の略５０％をレーザビームＬ_２（他の分岐ビーム）として反射するハーフミラー面２ａを備える光分岐素子である。本実施形態では、ハーフミラー面２ａは、レーザビームＬ_２をＺ軸負方向に反射する位置に配置されている。
図示ではハーフミラー２をプリズム形状に描いているが、平行平板のハーフミラーであってもよい。
ハーフミラー面２ａは、例えばレーザビームＬ_０の波長に応じて適宜の多層膜コーティングなどにより形成することができる。

反転光学系６は、それぞれ焦点距離が等しい正のパワーを有する反転レンズ６Ａ、６Ｂからなり、反転レンズ６Ａに光軸に沿って入射した平行光を中間像６ａに結像し、結像後に拡散する光を反転レンズ６Ｂにより集光して平行光とするアフォーカル光学系である。そして、レーザビームＬ_１の光路と略平行に配置されている。
ハーフミラー２と反転光学系６との間には、ハーフミラー２により反射されたレーザビームＬ_２をＸ軸正方向に偏向して、反転光学系６の光軸上に入射させるミラー５が配置されている。
このため、レーザビームＬ_２は反転光学系６に入射され、同一のビーム径を有する平行光であるレーザビームＬ_３として反転光学系６の光軸に沿って出射される。レーザビームＬ_３の光路上には、レーザビームＬ_３をレーザビームＬ_１の光路側に偏向するミラー７が配置されている。

ハーフミラー３は、レーザビームＬ_１を略５０％透過させ、ミラー７により偏向されたレーザビームＬ_３を略５０％反射するハーフミラー面３ａを備える光合成素子であり、例えば、ハーフミラー２と同様な構成で配置位置を変えたものを用いることができる。
ミラー７は、反転光学系６を透過してＸ軸正方向に出射されるレーザビームＬ_３をＺ軸正方向に偏向し、レーザビームＬ_３がハーフミラー面３ａにおいてレーザビームＬ_１が透過する位置に入射するように配置されている。
ハーフミラー面３ａは、ハーフミラー面３ａに入射したレーザビームＬ_３が反射される光路と、ハーフミラー面３ａを透過するレーザビームＬ_１の光路とが一致するように配置されている。
そのため、ハーフミラー面３ａを透過したレーザビームＬ_１と、ハーフミラー面３ａで反射されたレーザビームＬ_３とは、それぞれのビーム中心軸を共有する状態で重ね合わされ、レーザビームＬ_４が形成される。

強度変換素子４は、入射光がガウス分布を有する場合に、ビーム中心軸を含む断面で略矩形状の平坦な強度分布に変換するものである。例えば、フィルタ中心から半径方向に向けて、ガウス分布を平坦化するように透過率が漸増するグラデーションフィルタを採用することができる。また、ガウス分布のレーザビームを回折により平坦な強度分布に変換する回折回折光学素子（ＤＯＥ）などを採用することもできる。

次に、均一照明装置５０の動作について説明する。
レーザ光源１から、図１におけるＸ軸正方向に出射されるレーザビームＬ_０に、図２（ａ）に示すように、例えば、図１のＺ軸負方向に強度異常部１００ａを有する強度分布１００が発生したとする。
レーザビームＬ_０は、ハーフミラー面２ａにより、透過光であるレーザビームＬ_１と、反射光であるレーザビームＬ_２（分岐ビーム）とに分岐される。
レーザビームＬ_１は、レーザビームＬ_０に比べてピーク強度が約１／２となり、例えば、Ｂ−Ｂ線に沿う断面で、レーザビームＬ_０と同様な相対強度分布（図２（ａ）参照）を有する光として直進する。そしてハーフミラー３に入射する。

一方、レーザビームＬ_２は、レーザビームＬ_０に比べてピーク強度が約１／２となり、レーザビームＬ_０と同様な相対強度分布（図２（ａ）参照）を有する光として、ミラー５に入射し、Ｘ軸正方向に反射される。そして、レーザビームＬ_１と略平行な光路に沿って進み、反転レンズ６Ａの光軸に沿って入射する。
すなわち、反転レンズ６Ａに入射される前の図１のＣ−Ｃ線に沿う断面では、レーザビームＬ_２は、図１のＺ軸負方向に強度異常部１００ａを有している。

反転レンズ６Ａに入射するレーザビームＬ_２は、反転レンズ６Ａにより集光され、中間像６ａを形成すると拡散し、拡径しつつ反転レンズ６Ｂに入射する。そして、反転レンズ６Ｂにより集光されて平行光とされ、レーザビームＬ_３として、Ｘ軸正方向に出射される。
このとき、中間像６ａの前後で、光線の進む方向が図１のＺ軸方向、Ｙ軸方向においてそれぞれ反転するから、レーザビームＬ_３の強度分布は、ビーム中心軸に対して１８０°回転移動される。すなわち、図１のＤ−Ｄ線に沿う断面では、図２（ｂ）に示すような反転強度分布１０１が形成され、図１のＺ軸正方向に強度異常部１００ａと対称な強度異常部１０１ａが現われる。

レーザビームＬ_３は、ミラー７により偏向され、ハーフミラー３により反射されて、レーザビームＬ_１のビーム中心軸を共有する状態で重ね合わされる。そして、レーザビームＬ_４が形成される。
レーザビームＬ_４の強度分布は、図２（ｃ）に示すように、強度異常部１０２Ｌ、１０２Ｒを有することで、ガウス分布からわずかにずれた合成強度分布１０２のようになる。
強度異常部１０２Ｌは、強度分布１００のガウス分布部分と反転強度分布１０１の強度異常部１０１ａが合成された結果、形成されたものなので、ガウス分布と強度異常部１０１ａとを平均したのと等価である。そのため、強度異常部１０２Ｌは、強度異常部１０１ａとガウス分布１００ｂとの中間の強度に緩和され、よりガウス分布１００ｂに近づいた強度分布となっている。
また、強度異常部１０２Ｒも同様にして、強度異常部１００ａよりも低強度に緩和され、よりガウス分布１００ｂに近づいた強度分布となっている。

なお、レーザビームＬ_３が、ミラー５、反転光学系６、ミラー７を透過して、光量が著しく低下している場合には、強度異常部１０２Ｌ、１０２Ｒの強度のアンバランスが生じるが、各光学素子の反射率、透過率は、波長λに対して最適化され、これらによる光量損失はほとんど無視できるものとする。
ただし、ハーフミラー２、３の間の光路中に、ミラー５、反転光学系６、ミラー７による光量低下と同等の光減衰フィルタを設ければ、より正確な平均化を行うことができるのでより好ましい。

レーザビームＬ_４は、強度変換素子４に入射されると、図２（ｄ）に示すような略平坦な出射強度分布１０３が形成される。
出射強度分布１０３は、強度異常部１０２Ｌ、１０２Ｒに対応する位置に、平坦部よりわずかに高強度の強度加算部１０３Ｌ、１０３Ｒが形成されてなるものである。

このように、本実施形態では、レーザビームＬ_０の強度分布にガウス分布から偏りが発生した場合にも、強度変換素子４に入射するレーザビームＬ_４を、レーザビームＬ_０のガウス分布からの偏りを緩和することができる。そして、そのようにしてよりガウス分布に近づいた強度分布が形成されたレーザビームＬ_４が、強度変換素子４に入射するので、強度変換素子４から出射されるレーザビームＬ_５の強度分布を略平坦な強度分布とすることができる。

次に、本実施形態の第１変形例について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態の第１変形例の均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図３のＡ−Ａ線、Ｇ−Ｇ線、Ｂ−Ｂ線、Ｈ−Ｈ線に沿う断面におけるレーザビームの偏光方向について説明するための模式説明図である。図中の両矢印が直線偏光の偏光方向を示す。

本変形例の均一照明装置５１は、図３に示すように、上記実施形態の均一照明装置５０のハーフミラー２、３に代えて、偏光ビームスプリッタ２６（光分岐手段）、偏光ビームスプリッタ２７（光合成手段）を備え、１／２波長板２２、２３、２４（波長板）を追加したものである。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
偏光ビームスプリッタ２６は、入射光を偏向成分に応じて透過、反射する偏光ビームスプリッタ面２６ａを備える光分岐素子である。偏光ビームスプリッタ面２６ａは、例えば、ｐ偏光成分を略１００％透過し、ｓ偏光成分を略１００％反射するようなコーティングが施されてなる。
偏光ビームスプリッタ２７は、異なる偏光成分を有する光を入射して同一光路に合成するための偏光ビームスプリッタ面２７ａを備える光合成素子である。偏光ビームスプリッタ面２７ａは、偏光ビームスプリッタ面２６ａと同様の構成を備える。

１／２波長板２２、２３、２４は、レーザビームの偏光方向を回転するための偏光回転子で、それぞれ、レーザ光源１と偏光ビームスプリッタ２６の間、偏光ビームスプリッタ２６と偏光ビームスプリッタ２７との間、およびミラー７と偏光ビームスプリッタ２７との間の光路中に配置されている。
１／２波長板２２は、レーザビームＬ_０の偏光方向を回転し、偏光ビームスプリッタ面２６ａに対してｓ偏光成分が略５０％、ｐ偏光成分が略５０％となる角度に配置されている。例えば、レーザビームＬ_０の偏光方向が図１のＺ軸方向に一致している場合（図４（ａ）参照）、１／２波長板２２は、偏光方向が約４５°回転するように配置する（図４（ｂ）参照）。
１／２波長板２３は、レーザビームＬ_１が偏光ビームスプリッタ面２７ａに対してｐ偏光となるように偏光方向を回転する位置に配置されている。
１／２波長板２４は、ミラー７により偏向されたレーザビームＬ_３が偏光ビームスプリッタ面２７ａに対してｓ偏光となるように偏光方向を回転する位置に配置されている。

このような構成によれば、１／２波長板２２により、レーザビームＬ_０の偏光方向（Ｚ軸方向）が約４５°回転されるので、偏光ビームスプリッタ面２６ａに対して、ｐ偏光成分、ｓ偏光成分が、それぞれ略５０％となる状態で入射する。
そのため、レーザビームＬ_０の略５０％が、ｐ偏光成分として偏光ビームスプリッタ面２６ａを透過し、レーザビームＬ_１を形成する。また、レーザビームＬ_０の略５０％が、ｓ偏光成分として偏光ビームスプリッタ面２６ａにより反射され、レーザビームＬ_２が形成される。

レーザビームＬ_１は、１／２波長板２３を透過して、偏光ビームスプリッタ面２７ａに対してｐ偏光光として入射する。
一方、レーザビームＬ_２は、ミラー５、反転光学系６を経て、強度分布が１８０°回転された状態で、ミラー７により偏向され、１／２波長板２４を透過して、ｓ偏光光として偏光ビームスプリッタ面２７ａに入射する。
そのため、偏光ビームスプリッタ面２７ａにより、レーザビームＬ_１は、略１００％透過し、レーザビームＬ_２は略１００％反射され、レーザビームＬ_４として重ね合わされた状態で強度変換素子４に入射する。
以上において、レーザビームＬ_４の強度分布が平均化され、よりガウス分布に近づいた強度分布になっていることは上記実施形態と同様である。
さらに、本変形例では、偏光ビームスプリッタ２７において、偏光ビームスプリッタ面２７ａへの入射光の偏光特性が最適化されているので、偏光ビームスプリッタ面２７ａにおける光量の反射損失、透過損失を略０％とすることができる。そのため、レーザビームの強度分布変換手段に入射する前の光量損失がほとんどないので、エネルギー利用効率が高い均一照明装置となっている。

なお、本変形例で、偏光ビームスプリッタ面２６ａ、２７ａが、図３のように、ＺＸ平面に直交するように配置されている例で説明したので、１／２波長板２３、２４を省略しても、それぞれ偏光ビームスプリッタ面２７ａに対してｐ偏光光、ｓ偏光光となっているので、それぞれを省略することも可能である。
ただし、１／２波長板２３、２４を設けておけば、配置誤差などで偏光ビームスプリッタ面２６ａ、２７ａの位置関係がずれた場合にも、レーザビームＬ_１、Ｌ_３の偏光方向を補正して、正確なｐ偏光光、ｓ偏光光とすることができるという利点がある。このため、１／２波長板２３、２４は、回転調整可能に保持することが好ましい。
また、１／２波長板２３、２４を設けておけば、レイアウトの都合などにより、偏光ビームスプリッタ面２６ａ、２７ａをレーザビームＬ_０の光路を中心として相対回転した状態でも、最適な光利用効率を実現することができるという利点がある。

次に、本実施形態の第２変形例について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態の第２変形例の均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
本変形例の均一照明装置５２は、図５に示すように、上記実施形態の均一照明装置５０のハーフミラー面２ａ、３ａ、ミラー５、反転光学系６、ミラー７に代えて、それぞれに対応するハーフミラー面８、９、反射面１０、反転光学系１２（強度分布移動手段）、反射面１１が一体化された反転光学素子１４（偏り緩和手段）を備えるものである。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。

反転光学素子１４は、レーザビームＬ_０の光路に沿って延されるとともに図示ＺＸ平面での断面形状が略等脚台形状とされた第１プリズム１４Ａの両端部の斜面に、レーザ光源１側から第２プリズム１４Ｂ、第３プリズム１４Ｃが接合されて、略コ字状断面を有する門型に形成され、第２プリズム１４Ｂ、第３プリズム１４Ｃの対向する側面であるレンズ接合面１４ｂ、１４ｃに、それぞれ反転レンズ１２Ａ、反転レンズ１２Ｂが光軸を揃えた状態で接合された部材である。

第１プリズム１４Ａのレーザ光源１側の端部における第２プリズム１４Ｂとの接合面は、ハーフミラー面２ａと同様に、レーザビームＬ_０の略５０％をレーザビームＬ_１として透過し、レーザビームＬ_０の略５０％をレーザビームＬ_２として、例えばＺ軸負方向に、反射するハーフミラー面８が形成されている。
第１プリズム１４Ａの強度変換素子４側の端部における第３プリズム１４Ｃとの接合面は、ハーフミラー面３ａと同様に、レーザビームＬ_１を略５０％透過させ、ミラー７により偏向されたレーザビームＬ_３を略５０％反射するハーフミラー面３ａを備えるハーフミラー面９が形成されている。
そして、ハーフミラー面８に対向する第２プリズム１４Ｂの側面には、レーザビームＬ_０を透過する入射面１４ａが形成されている。
また、ハーフミラー面９に対向する第３プリズム１４Ｃの側面には、レーザビームＬ_４を出射する出射面１４ｄが形成されている。

反射面１０は、ハーフミラー面８により反射されたレーザビームＬ_２を反射して、レンズ接合面１４ｂに導く偏向面である。
反射面１１は、レンズ接合面１４ｃに入射するレーザビームＬ_３を反射してハーフミラー面９に導き、ハーフミラー面９を透過するレーザビームＬ_１と同軸上に重ね合わせるための偏向面である。
反射面１０、１１は、適宜の反射膜コーティングにより、適宜の反射率を有する反射面とすることができるが、内部反射面なので入射角、媒質の屈折率を適宜設定して全反射を起こすような構成とすることが好ましい。この場合、反転光学素子１４における光量損失を低減することができる。

反転光学系１２は、反転光学系６の中間像６ａを形成する反転レンズ６Ａ、６Ｂに代えて、中間像１２ａを形成する反転レンズ１２Ａ、１２Ｂを備える、反転光学系６と同様のアフォーカル光学系である。そして、反転レンズ１２Ａ、１２Ｂがそれぞれ第２プリズム１４Ｂ、１４Ｃに接合されている点が異なる。
本変形例では、反転レンズ１２Ａ、１２Ｂは、レンズ接合面１４ｂ、１４ｃを平面として形成することができるように、それぞれ平凸、凸平レンズを採用している。

このような構成によれば、上記実施形態と同様の光路が形成することができる。すなわち、レーザビームＬ_０がハーフミラー面８によりレーザビームＬ_１、Ｌ_２に分岐される。反射面１０で偏光されたレーザビームＬ_２が反転光学系１２により強度分布を１８０°回転したレーザビームＬ_３とされ、反射面１１で偏向され、ハーフミラー面９で図示Ｘ軸方向に反射される。そして、ハーフミラー面９を透過したレーザビームＬ_１とハーフミラー面９で反射されたレーザビームＬ_３とが同軸上に重ね合わされることで、強度分布が平均化されたレーザビームＬ_４として強度変換素子４に入射され、略平坦な強度分布を有するレーザビームＬ_５として出射される。

本変形例では、反転光学素子１４が、光分岐手段、強度分布移動手段、および光合成手段を一体化した構成となっている。そのため、それぞれの手段の相対的な位置関係が固定される。したがって配置位置の経時変化がほとんど生じないため、均一化性能を経時的に安定させることができるという利点がある。
また、レーザ光源１、強度変換素子４に対して、反転光学素子１４の配置位置を調整するだけでよいので、装置の組立が容易となるという利点がある。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る均一照明装置について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態に係る均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。

本実施形態の均一照明装置５３は、強度分布移動手段として、レーザビームの強度分布がビーム中心軸を含む平面に対して対称移動される構成としたものである。その概略構成は、図６に示すように、レーザ光源１、反転光学素子１５（偏り緩和手段）、および強度変換素子４からなる。
反転光学素子１５は、上記第１の実施形態の第２変形例の反転光学素子１４の第１プリズム１４Ａ、第２プリズム１４Ｂ、第３プリズム１４Ｃ、反転光学系１２に代えて、第１プリズム１５Ａ、第２プリズム１５Ｂ、第３プリズム１５Ｃ、第４プリズム１５Ｄ（強度分布移動手段）を備えた部材である。以下、第１の実施形態の第２変形例と異なる点を中心に説明する。

反転光学素子１５は、反転光学素子１４と同様に、第１プリズム１５Ａに、第２プリズム１５Ｂ、第３プリズム１５Ｃが、略コ字状断面を有する門型に接合されており、第１プリズム１５Ａと第２プリズム１５Ｂとの接合面にハーフミラー面８が形成され、第１プリズム１５Ａと第３プリズム１５Ｃとの接合面にハーフミラー面９が形成されている。
第１プリズム１５Ａは、第１プリズム１４Ａの入射面１４ａ、反射面１０に対応して入射面１５ａ、反射面１０を備え、レンズ接合面１４ｂに代えて、第４プリズム１５Ｄを接合するためのプリズム接合面１５ｂを有する。
第２プリズム１５Ｂは、第２プリズム１４の反射面１１、出射面１４ｄに対応して反射面１１、出射面１５ｅを備え、レンズ接合面１４ｃに代えて、第４プリズム１５Ｄから出射されるレーザビームＬ_３を入射する中間入射面１５ｄを備える。

第４プリズム１５Ｄは、反射面１０により内部反射されたレーザビームＬ_２を反射面１８、１９、２０により３回、内部反射して、中間出射面１５ｃから対向する中間入射面１５ｄに向けて出射するプリズム部材であり、プリズム接合面１５ｂで第２プリズム１５Ｂに接合されている。
本実施形態では、反射面１８、１９、２０の位置関係は、プリズム接合面１５ｂを通ってＸ軸正方向に進むレーザビームＬ_２が、反射面１８によりＺ軸正方向とＸ軸負方向との間の斜め方向に反射され、さらに反射面１９により略Ｚ軸負方向に沿う方向に進んで、反射面１０で反射されたレーザビームＬ_２の光路に交差する折り畳み光路を形成し、そして反射面１０と略同角度に配置された反射面２０によりＸ軸正方向に反射されて中間出射面１５ｃからされるように構成されている。

このような構成の反転光学素子１５は、第１の実施形態の第２変形例の反転光学素子１４と同様に、光分岐手段、強度分布移動手段、および光合成手段を一体化した構成となっている。
ただし、強度分布移動手段としては、第４プリズム１５ＤによりＺＸ平面内で、３回反射されることにより、反射面１０により反射されたレーザビームＬ_２の強度分布を、図６のＸＹ平面に関して対称移動した状態のレーザビームＬ_３を形成するものとなっている点が異なる。

例えば、図６に記載したＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線、Ｆ−Ｆ線に沿う断面における各レーザビームの強度分布は、それぞれ対応する図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の強度分布と同様な強度分布となる。そのため、同様に平均化されることが分かる。
一方、これらの断面線と光軸とに直交する紙面垂直方向の断面線に沿う方向において、ガウス分布からの偏りが生じる場合、特に図示しないが、例えばＹ軸正方向に偏りが発生する場合を考えると、第１の実施形態のように回転移動では、Ｙ軸負方向に移動されたものと平均化されるが、本実施形態では、対称面であるＸＹ平面に関して対称移動されるため、Ｙ軸正方向の半空間において、ＸＹ平面に関して反転されることにより偏りの強度分布が平均化されるという違いがある。

したがって、発生確率は非常に小さいと考えられるが、ガウス分布からの偏りがビーム中心軸を含む所定断面に関して対称な分布を有する場合には、その所定断面が図６のＸＹ平面に一致すると平均化の効果がなくなってしまう。そのような所定断面方向があらかじめ分かっている場合には、対称面が所定断面と一致しないように反転光学素子１５を配置することが好ましい。
そのような所定断面の方向が不明な場合、強度分布移動手段に対称移動する対称面を異なる方向に複数設けるようにすると、平均化の効果を向上することができる。
例えば、反転光学素子１５に加えて、反転光学素子１５と同様の構成により対称移動の対称面がＸＹ平面と異なるもの（例えばＺＸ平面が対称面となるものなど）を、レーザ光源１と強度変換素子４との間の光路中に配置するとよい。ガウス分布からの偏りが平均化される確率を格段に向上することができる。

本変形例によれば、強度分布移動手段を反射光学系のみで構成するので、色収差の影響がなくレーザビームとして複数の波長を用いる場合でも、色収差補正を行う必要がなくなり簡素な構成とすることができるという利点がある。
また、アフォーカル光学系を構成するための光軸調整などが不要となるので組立精度を低減することができるという利点がある。

なお、上記の第１の実施形態の説明では、強度分布移動手段として、強度分布の１８０°回転移動を行う構成を、中間像を形成するアフォーカル光学系により実現する例で説明したが、第２の実施形態の構成において、光分岐手段により分岐されてから光合成手段で重ね合わされるまでのレーザビームＬ_２、Ｌ_３の光路において、いずれかの反射面をダハ面とする変形を行って、１８０°の回転移動を実現してもよい。
この場合、１８０°の回転移動を行う場合でも、強度分布移動手段を反射光学系のみで構成するので、色収差の影響がなくレーザビームとして複数の波長を用いる場合でも、色収差補正を行う必要がなくなり簡素な構成とすることができるという利点がある。
また、アフォーカル光学系を構成するための光軸調整などが不要となるので組立精度を低減することができるという利点がある。

また、上記の説明では、光分岐手段が入射光を２つの分岐ビームに分岐する例で説明したが、２つ以上に分岐して、１つの分岐ビームを除く他の分岐ビームの光路に強度分布移動手段を設け、それぞれ強度分布が移動された他の分岐ビームを、光合成手段により１つの分岐ビームと重ね合わせるようにしてもよい。
この場合、他の分岐ビームの強度分布の移動方向をそれぞれ変化させることができるので、レーザビームの強度分布をより良好に平均化することができるという利点がある。

また、上記の説明では、強度分布を回転移動する場合、１８０°回転の場合の例で説明したが、任意角度の回転移動は、対称面の角度が異なる対称移動を２回行うことにより実現できる。そのため、２種類の対称移動を行う強度分布移動手段を設けておけば、任意角度の回転移動が可能となる。したがって、それらを複数設けて、強度分布の回転角度を種々変えることにより、さらに良好な平均化を行うようにしてもよい。

また、上記第１の実施形態の第１変形例の説明では、偏光方向を変更する波長板を、別体として光路中に配置する例で説明したが、偏光方向を可変調整する必要がない場合には、それぞれ光分岐手段や光合成手段などと一体化してもよい。例えば、偏光ビームスプリッタ２６、２７の入射面、出射面などに一体に設けてもよい。

また、上記の第２の実施形態の説明では、第２プリズム１５Ｂと第４プリズム１５Ｄとがプリズム接合面１５ｂで接合されている例で説明したが、可能であれば、反転光学素子１５と第４プリズム１５Ｄとを一体に形成してもよい。この場合、接合の手間を省くことができて好都合である。
また、反射面１０、２０は共通面としてもよいし、段差や角度差がある別個の反射面としてもよい。

また、上記の第２の実施形態の説明では、レーザビームＬ_３が第４プリズム１５Ｄから第３プリズム１５Ｃとの間で空間を伝播するとして説明したが、第４プリズム１５Ｄと第３プリズム１５Ｃとの間の光路を適宜媒質の導光路を設けてもよい。

また、上記第２の実施形態の説明では、強度分布を対称移動させる場合において、光分岐手段、強度分布移動手段、および光合成手段が一体化された例で説明したが、それぞれを別個の部材として分離して設けてもよい。また、強度分布移動手段の反射面は、複数の表面反射面により構成してもよい。

また、上記の説明では、光分岐手段で分岐される透過光と反射光との光量比が略１：１であるとして説明したが、強度分布の良好な平均化を行うためには、光合成手段で重ね合わされるときの光量比を略１：１することが重要である。
そのため、例えば、光分岐手段の透過光の光路と、反射光の光路とにおける光量損失が異なる場合、それぞれの光量損失に応じて、分岐比を適宜設定し、光合成手段で重ね合わされるときの光量比が略１：１となるようにしてもよい。
例えば、光分岐手段がハーフミラーの場合、ハーフミラーの反射率、透過率を変えることで、分岐比を変更することができる。
また、光分岐手段が偏光ビームスプリッタの場合、偏光ビームスプリッタの変更航行による分岐比を変えることもできるし、偏光ビームスプリッタに入射するレーザビームの偏光方向を調整して変えることもできる。
また、光量に余裕がある場合には、それぞれの光路に適宜にフィルタを設けて減光することにより光量を調整してもよい。

また、上記第１の実施形態の第２変形例および第２の実施形態の説明において、反転光学素子１４、１５の光分岐手段、光合成手段として、それぞれハーフミラー面８、９を用いた例で説明したが、第１の実施形態の第１変形例のように、１／２波長板と偏光ビームスプリッタ面とを組み合わせた構成としてもよい。

また、上記の説明では、正常状態で回転軸対称または面対称の所定強度分布を有するレーザビームを出力するために、レーザ出力手段がＹＡＧレーザの例で説明した。そのためレーザビームの所定強度分布がガウス分布の場合の例で説明したが、所定強度分布はガウス分布には限定されない。つまり、強度分布移動手段が回転移動を行う場合には、回転対称な強度分布であればよく、または同じく対称移動を行う場合には、面対称な強度分布であればよい。このような対称性を有する強度分布である限り、発振モードやレーザ光源の種類は限定されない。例えば、レーザ出力手段として、半導体レーザを採用してもよい。

また、上記の実施形態、変形例に開示した構成要素は、可能であれば、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。 図１のＡ−Ａ線（Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線）、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線、Ｆ−Ｆ線に沿う断面におけるレーザビームの強度分布について説明するための模式的なグラフである。 本発明の第１の実施形態の第１変形例の均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。 図３のＡ−Ａ線、Ｇ−Ｇ線、Ｂ−Ｂ線、Ｈ−Ｈ線に沿う断面におけるレーザビームの偏光方向について説明するための模式説明図である。 本発明の第１の実施形態の第２変形例の均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。 本発明の第２の実施形態に係る均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。

符号の説明

１ レーザ光源（レーザ出力手段）
２ ハーフミラー（光分岐手段）
２ａ、３ａ ハーフミラー面
３ ハーフミラー（光合成手段）
４ 強度変換素子（強度分布変換手段）
６、１２ 反転光学系
６Ａ、６Ｂ、１２Ａ、１２Ｂ 反転レンズ
６ａ、１２ａ 中間像
８、１６ ハーフミラー面（光分岐手段）
９、１７ ハーフミラー面（光合成手段）
１４、１５ 反転光学素子（偏り緩和手段）
１５Ｄ 第４プリズム（強度分布移動手段）
１８、１９、２０ 反射面
２２、２３、２４ １／２波長板（波長板）
２６ 偏光ビームスプリッタ（光分岐手段）
２６ａ、２７ａ 偏光ビームスプリッタ面
２７ 偏光ビームスプリッタ（光合成手段）
１００ａ、１０１ａ 強度異常部（所定強度分布に対する偏り）
１００ｂ ガウス分布（所定強度分布）
１０１ 反転強度分布
１０２ 合成強度分布
Ｌ_０ レーザビーム
Ｌ_１ レーザビーム（１つの分岐ビーム）
Ｌ_２ レーザビーム（他の分岐ビーム）

Claims (4)

1. 正常状態で回転軸対称または面対称の所定強度分布を有するレーザビームを出力するレーザ出力手段と、
   前記所定強度分布を均一化する強度分布変換手段と、
   前記レーザ出力手段と前記強度分布変換手段との間の光路中に配置され、前記レーザ出力手段により出力されたレーザビームの強度分布の、前記所定強度分布に対する偏りを緩和する偏り緩和手段とを備えたことを特徴とする均一照明装置。
2. 前記偏り緩和手段が、
   前記レーザ出力手段から出力されたレーザビームを複数の分岐ビームに分岐する光分岐手段と、
   該光分岐手段により分岐された複数の分岐ビームのうち、１つの分岐ビームを除く他の分岐ビームの光路中に設けられ、前記他の分岐ビームの強度分布をビーム中心軸まわりに回転移動もしくはビーム中心軸を含む面を対称面として対称移動する強度分布移動手段と、
   前記１つの分岐ビームと、前記強度分布移動手段により強度分布が移動された他の分岐ビームとを、それぞれのビーム中心軸が一致するように重ね合わせる光合成手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の均一照明装置。
3. 前記光分岐手段、前記強度分布移動手段、および前記光合成手段が、一体化されたことを特徴とする請求項２に記載の均一照明装置。
4. 前記光分岐手段と前記光合成手段とが、偏光ビームスプリッタであり、
   前記レーザ出力手段と前記光分岐手段との間の光路中、前記光分岐手段と前記光合成手段との間の光路中、および前記強度分布移動手段と前記光合成手段との間の光路中に、それぞれ偏光方向を変更するための波長板を設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の均一照明装置。

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