JP2012212146A - レーザ照明装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ光源からのレーザ6の光路に設置された、光拡散状態を変動可能な少なくとも1つの光拡散手段3と、少なくとも1つの光拡大抑制手段100とを有し、光拡散手段3は、光をランダムに拡散ないしは散乱する手段であり、光拡大抑制手段100は、拡散ないしは散乱されたことによりその光束径が拡大し位相が乱され全体の直進性が失われたレーザ光を、位相は乱れたままで直進性のみを回復させる手段であり、レーザ光源からのレーザ光6を光拡散手段3を通過させ、光拡大抑制手段から拡散されかつ拡大しない光6−2として、出射させて、対象を照射する光を生成するレーザ照明装置。
【選択図】図1
Description
すなわち、レーザ光の位相は拡散により完全にランダムに乱されるわけではなく、偶然位相の揃ったところでは光強度が非常に強くなり、逆に位相が180度ずれたところでは光強度がゼロになる場合もあるために、それによりまだら模様の斑点ノイズが生じることがあり、これをスペックル雑音という。
すなわち、本発明によれば、レーザ照明装置であって、レーザ光源からのレーザ光路に設置された、光拡散状態を変動可能な少なくとも1つの光拡散手段と、少なくとも1つの光拡大抑制手段とを有し、該光拡散手段とは、光をランダムに拡散ないしは散乱する手段であり、該光拡大抑制手段とは、拡散ないしは散乱されたことによりその光束径が拡大し位相が乱され全体の直進性が失われたレーザ光を、位相は乱れたままで直進性のみを回復させる手段であり、該光拡散手段と該光拡大抑制手段が共同して、該レーザ光源からのレーザ光を、拡散されかつ拡大しない光に変換することで、対象を照明ないしは励起し得る光を生成することを特徴とするレーザ照明装置が提供される。
また、レーザ照明装置であって、レーザ光源からのレーザ光路に設置された、光拡散状態を変動可能な少なくとも1つの光拡散手段と、少なくとも1つの光拡大抑制手段とを有し、該レーザ光路は同一の該光拡散手段を2回通過し、該光拡散手段と該光拡大抑制手段が共同して、該レーザ光源からのレーザ光を、拡散されかつ拡大しない光に変換することで、対象を照明ないしは励起し得る光を生成することを特徴とする装置が提供される。
図2−2に示したように、前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板と前記集光レンズの光拡散板側の外周端との距離が、r・cot(θ)以内である(ここで、θは光拡散板の光拡散角を表わし、rは集光レンズの半径を表わす。)ことが好ましい。
前記レーザ照明装置においては、実用的な集光レンズの開口数を鑑みた場合、光拡散板の光拡散角θは、30度以内であることが好ましく、15度以内であることがより好ましく、7.5度以内であることが特に好ましい。
前記レーザ照明装置においては、全体を手のひらサイズ以内に作製する場合、前記集光レンズの半径rは、20mm以内であることが好ましく、15mm以内であることがより好ましく、10mm以内であることがさらに好ましく、5mm以内であることが特に好ましい。
前記レーザ照明装置においては、全体を手のひらサイズ以内に作製する場合、前記光拡散角θを鑑みて、前記光拡散板と前記集光レンズとの距離が少なくとも152mm以内であることが好ましく、56mm以内であることがさらに好ましく、19mm以内であることが特に好ましい。なお、前記光拡散板と前記集光レンズとの距離が無限近であってもよく、すなわち、前記光拡散板と前記集光レンズとが接していてもよいし、あるいは一体化していても良い。
レーザ光の光束径を小さくしないようにする場合、通常レーザビーム径は1〜2mmなので、このように光束径を広げることで使い易くする。
ここで、光拡散又は散乱角とは、0度<θ<90度の範囲内である。本発明においては、光拡散又は散乱角(θ)として15度程度以下(広がり(2θ)では30度以下)が好ましい。なお、この角度を大きくして出来るだけ散乱させることが好ましいが、レンズの集光限界以上には設定できない。
また、本発明において、光拡大抑制手段とは、拡散された光(拡散されたことによりその光束径が拡大し位相がずれた光)が過度に拡大しないようにする手段をいう。位相が乱され、全体の直進性が失われたレーザ光を、位相は乱れたままで直進性のみを回復させる手段である。光拡大抑制手段としては、例えば、図2のレンズ1,2の組合せや、図1−1の1−5などのレンズやミラーが挙げられる。
本発明において、拡散されかつ拡大しない光とは、位相は乱れているが全体の直進性を持っている光をいう。
本発明において、コリメートレンズとは、拡散された光を拡大しない光に変換するレンズのことを言い、実質的には、平行光あるいは平行に近い光束を生成する目的に使うレンズのことを言い、正の焦点距離の単レンズないしはレンズ群で構成される。
(1)集光することにより、後段の光学調整が容易になる。特に、平行度やビーム径の調整が容易になる。(逆に集光しないと、これらの調整範囲が極端に狭くなる場合がある。)
(2)集光することにより、後段に大きなコリメートレンズや光学素子を設けなくてもよくすることができる。光学素子が小さくても光を全て取り込むことができる。これにより、光を適宜集光し、ある範囲以上に拡がらないようにそのパワーをリレーして行くのでロスが少ない。但し、リレー回数が多くなるとレンズ表面の反射ロスが加算されるので、集光は1回に留め、直ちに平行光ないしは平行に近い光にするのがより好ましい。
(3)一旦集光すると、点光源として扱えるので設計が容易になる。レーザ光は、拡散により、全体の位相や直進性(コヒーレンス)は乱されるが、拡散後も各方向の成分の直進性はある程度残るので、小さく集光できる。特にホログラフィック拡散板を用いると、適度に位相情報や直進性が残り、集光し易くなる。
(1)平行光あるいは平行に近い光なので、空間を散乱することなく伝搬させることができる。
(2)したがって、散乱によるパワーの散逸がほとんどなく、散乱した光による迷光対策も容易になる。(遮光板が少なくて済む。)
(3)それにより、顕微鏡や、分光顕微鏡に用いるなど、後の扱いが容易になる。(遠方への照射、リレーレンズが不要、設計の自由度が増す。)
(1)レーザ光はパワーがあるので、明るい照明に適用したいが、空間分布がある。
(2)電灯などと違いレーザ光はコヒーレンスという特有の性質を有しているので、そのまま用いると、干渉縞が生じる。
(3)一方、空間分布を一様にするため、レーザ光を拡散したいが、拡散すると、スペックルノイズが発生してしまう。
(4)スペックルノイズを減少させるため、光拡散板を変動し平均化させる。
(5)一方、拡散した光を散逸しないように即座に集光レンズで集光する。(なお、この段階で平行光にする場合には、平行度や光束径の調整が独立にはできないか、または、レンズの焦点距離で決まるある値に固定されてしまうが、用途や目的によっては、集光せず、直ちに平行光としてもよい。)
(6)集光後、そのままでは再び発散するので、好ましくは、この段階で平行光に変換する。レンズが増えることで、調整が容易になる。(相対位置を調整すれば平行度や光束径の調整が独立にできる。)
(7)集光すると、点光源として扱えるので、設計も容易になる。
(8)顕微鏡の倍率を上げると、一般に照明不足となり見づらくなるが、本発明のレーザ照明装置を用いると、レーザ光が低パワーでも高倍率で明るい対象物が観測できる。
(9)従来から共焦点レーザ顕微鏡というものがあるが、これは、レーザ光を対象面上に集光させ、さらにスキャンさせるため、ハイパワーのレーザ光が必要であり、価格も非常に高価なものである。これに対して、本発明によれば、小型で安価な装置により、また低パワーのレーザ装置を用いても、明るくかつ極めて一様な照明が可能となる。
本発明のレーザ照明装置を用いれば、レーザポインター程度のパワーがあれば、十分、顕微鏡の照明に用いることができる。
L(r,θ) = r・cot(θ) 式(1)
ここで、θは、光拡散手段3の拡散角を表わし、rは、集光レンズ1の半径を表わす。
図中では、光拡散手段3と集光レンズ1との設置間隔がL(r,θ)以内である状態を示している。
なお、半径15mmの集光レンズおよび散乱角15度の拡散手段を用いると、集光レンズの設置位置を光拡散板から56mm以内とすることにより、光拡散手段と集光レンズとの設置間隔をL(r,θ)以内にすることができる。
半径20mmの集光レンズおよび散乱角7.5度の拡散手段を用いる場合は、集光レンズの設置位置を光拡散板から152mm以内とすることにより、光拡散手段と集光レンズとの設置間隔をL(r,θ)以内にすることができる。
M(r,θ,Φ) = 2r・sin(Φ−θ)・cos(θ)/sin(2θ) 式(2)
ここで、θは、光拡散手段3の拡散角を表し、rは、集光ミラー1−3の半径を表し、Φはレーザ光に対するミラーの傾き角を表す。
図2−3では、集光ミラー1−3を光拡散手段3からちょうどM(r,θ,Φ)離した位置に配置した状態を示した。
(A)レーザ光源からのレーザ光路に少なくとも1つ以上設置された光をランダムに拡散ないしは散乱する手段である光拡散手段と、拡散ないしは散乱されたことによりその光束径が拡大し位相が乱され全体の直進性が失われたレーザ光を、位相は乱れたままで直進性のみを回復させる光拡大抑制手段である、レーザ光源からのレーザ光の光路に設置した集光レンズと、該集光レンズと同じ焦点距離又は該集光レンズより長い焦点距離を有し、集光レンズからの出射光を平行光に変換するコリメートレンズとを備え、前記レーザ光源からのレーザ光を、対象物又は対象面上に照射することを特徴とするレーザ照明装置。
(B)レーザ光源からのレーザ光路に設置された光拡散手段と、レーザ光源からのレーザ光の光路に設置した集光レンズと、該集光レンズと同じ焦点距離又は該集光レンズより長い焦点距離を有し、集光レンズからの出射光を平行光に変換するコリメートレンズとを備え、前記レーザ光源からのレーザ光を、同一の該光拡散手段を2回通過し、対象物又は対象面上に照射することを特徴とするレーザ照明装置。
図8は、本発明のレーザ照明装置の利用例である顕微鏡装置の全体構成を示す図である。この顕微鏡装置では、レーザ光源17からのレーザ光は、ミラー18及びフィルタ類19を通過して、本発明のレーザ照明装置20に入射される。レーザ光としては、波長532nm、光束直径1mm程度、強度3mW程度の半導体励起YVO4レーザ光の第2高調波を用いた連続発振のグリーンレーザ光を用いた。このレーザ照明装置20においてレーザ光は、拡散され、かつ拡大しない光(平行光)とされる。なお、レーザ照明装置20としては、前記実施例1記載のものを用いた。
本発明の効果を確認するために、本発明者は、図8に示す顕微鏡装置においてレーザ照明装置20を用いない従来の構成の顕微鏡装置と、図8に示す本発明の顕微鏡装置によって、それぞれ半導体回路を撮像するという測定実験をおこなったので、以下、この結果を説明する。
図14から分かるように、光拡散板を回転させないと、スペックルノイズが発生し、非常に荒れた画像になる。
この状態から光拡散板を回転させると、前述の図12のように劇的に変化した。これは、(1)拡散板は面内が均一ではないので、スペックルノイズがランダムに変化し、位相も乱れるが、(2)該光拡散板を例えば回転などさせることにより、前記(1)の変化が平均化されて、1回転以上あるいは適当な時間で積分してみると一様になる、ことによるものと考えられる。
3 光拡散手段
1 集光レンズ
2 コリメートレンズ
1−2 レンズ(1−5の代わりに使っても良い様々なレンズを示す)
1−3 集光ミラー
1−4 集光ミラー
1−5 レンズ
3−1 光拡散板
3−2 厚み分布を有する光拡散板
3−3 筒状光拡散板
3−4 傘状光拡散板
4 モータ
5 モータ軸
6 レーザ光
6−2 拡散されかつ拡大しない光
6−3 レーザ装置
6−4 拡散されたレーザ光
7 台
8、9 微動台
10 基準面
11 前後調整機構
11−2 前後調整機構
12 垂直調整機構
13、45 左右水平調整機構
16 遮光箱
17 レーザ装置
18 ミラー
19 フィルタ類
20 レーザ照明装置
21 ビームスプリッタ
22、25 対物レンズ
23 試料
24 CCDカメラ
26 レンズ
27 分光器
30 支持枠
31 筒台
32、36、42 ネジ具
33 梃子
34 取付板
35 上台
37 下台
38 共通支持台
39 あおり調整機構
40 基台
41 あおり台
43 電極
44 平坦面
Claims (22)
- レーザ照明装置であって、レーザ光源からのレーザ光路に設置された、光拡散状態を変動可能な少なくとも1つの光拡散手段と、少なくとも1つの光拡大抑制手段とを有し、該光拡散手段とは、光をランダムに拡散ないしは散乱する手段であり、該光拡大抑制手段とは、拡散ないしは散乱されたことによりその光束径が拡大し位相が乱され全体の直進性が失われたレーザ光を、位相は乱れたままで直進性のみを回復させる手段であり、該光拡散手段と該光拡大抑制手段が共同して、該レーザ光源からのレーザ光を、拡散されかつ拡大しない光に変換することで、対象を照明ないしは励起し得る光を生成することを特徴とするレーザ照明装置。
- レーザ照明装置であって、レーザ光源からのレーザ光路に設置された、光拡散状態を変動可能な少なくとも1つの光拡散手段と、少なくとも1つの光拡大抑制手段とを有し、該レーザ光路は同一の該光拡散手段を2回通過し、該光拡散手段と該光拡大抑制手段が共同して、該レーザ光源からのレーザ光を、拡散されかつ拡大しない光に変換することで、対象を照明ないしは励起し得る光を生成することを特徴とするレーザ照明装置。
- 前記光拡散手段は光拡散板からなり、該光拡散板は、少なくとも1枚以上であって、厚み分布を有することを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ照明装置。
- 前記光拡散手段は光拡散板からなり、該光拡散板は、少なくとも1枚以上であって、屈折率分布を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- 前記光拡散手段は光拡散板からなり、該光拡散板は、少なくとも1枚以上であって、ホログラフィック光拡散板であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- 前記光拡大抑制手段を少なくとも1枚以上のレンズで構成することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- 前記光拡大抑制手段を少なくとも1枚以上のミラーで構成することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- 前記光拡大抑制手段を少なくとも各1枚以上のレンズとミラーで構成することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- 前記光拡大抑制手段を集光レンズとコリメートレンズで構成することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- 前記光拡大抑制手段を集光ミラーとコリメートミラーで構成することを特徴とする請求項1〜5、7のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- 前記光拡大抑制手段を集光ミラーとコリメートレンズ、ないしは、集光レンズとコリメートミラーで構成することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- レーザ照明装置であって、レーザ光源からのレーザ光路に設置された、光拡散状態を変動可能な少なくとも1つの光拡散手段と、少なくとも1つの光拡大抑制手段とを有し、該光拡散手段と該光拡大抑制手段が共同して、該レーザ光源からのレーザ光を、拡散されかつ拡大しない光に変換することで、対象を照明ないしは励起し得る光を生成する装置であり、前記光拡大抑制手段は、集光レンズおよびコリメートレンズを備え、前記光拡散手段は、光拡散状態を変動可能とすることのできる光拡散板からなり、前記光拡散板と前記集光レンズの光拡散板側の外周端との距離が、r・cot(θ)以内である(ここで、θは光拡散板の光拡散角であって、θは30度以内、rは集光レンズの半径であって、rは20mm以内である。)ことを特徴とするレーザ照明装置。
- レーザ照明装置であって、レーザ光源からのレーザ光路に設置された、光拡散状態を変動可能な少なくとも1つの光拡散手段と、少なくとも1つの光拡大抑制手段とを有し、該光拡散手段と該光拡大抑制手段が共同して、該レーザ光源からのレーザ光を、拡散されかつ拡大しない光に変換することで、対象を照明ないしは励起し得る光を生成する装置であり、前記光拡大抑制手段は、集光ミラーおよびコリメートレンズを備え、前記光拡散手段は、光拡散状態を変動可能とすることのできる光拡散板からなり、前記光拡散板と前記集光ミラーとの最短距離が、2r・sin(Φ−θ)・cos(θ)/sin(2θ)以内である(ここで、θは光拡散板の光拡散角を表し、rは集光ミラーの半径を表し、Φはレーザ光に対するミラーの傾き角であって、Φは45度より小さくても大きくてもよい。)ことを特徴とするレーザ照明装置。
- 前記コリメートレンズの直径が前記集光レンズの直径以上であることを特徴とする請求項9または12に記載のレーザ照明装置。
- 前記コリメートレンズが、前記集光レンズと同じ焦点距離又は該集光レンズより長い焦点距離を有することを特徴とする請求項9、12、14のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- 前記光拡散手段は光拡散板からなり、該光拡散板と前記集光レンズの光拡散板側の外周端との距離が少なくとも152mm以内であることを特徴とする請求項12、14、15のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- 前記レーザ光路の進行方向に対して上、下、左、右及び平行の方向の少なくともいずれか一つの方向に前記光拡散手段及び前記光拡大抑制手段ないしは光拡大抑制手段を構成する各要素手段を移動する手段を有することを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- 前記光拡散手段及び前記光拡大抑制手段の少なくともいずれか一つを移動させる手段を有する請求項1〜17のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- 遮光板又は遮光ボックスでカバーされていることを特徴とする請求項1〜18のいずれか1項に記載のレーザ照明装置。
- レーザ照明装置として請求項1〜19のいずれか1項に記載のレーザ照明装置を用いて成ることを特徴とする顕微鏡装置。
- レーザ照明装置として請求項1〜19のいずれか1項に記載のレーザ照明装置を用いて成ることを特徴とする顕微分光装置。
- 光源として請求項1〜19のいずれか1項に記載のレーザ照明装置を用いて成ることを特徴とする露光装置。
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