JP2013539056A - 寸法が異なる矩形ビーム断面を得るための光インテグレータ - Google Patents

Abstract

四つの同一の直方体状のガラス板（１)を、これらが合同して一つの直方体状の空隙（６）を取り囲むように互いに接着したものから成る光インテグレータであって、前記空隙に隣接するそれぞれの内面（２）が、鏡面加工が施された光学作用面（２．１）と接着面（２．２）とに分割されてりお、前記接着面（２．２）が、前記光学作用面（２．１）と隣接する、接着剤捕捉部として作用する長手方向に延びる溝（７）を有しており、それぞれのガラス板（１）の前記接着面（２．２）がいずれも、接着剤（９）を間に挟んで間接的に別のガラス板（１）の第１の側壁（４．１)に当接している、光インテグレータ。

Description

本発明は、中空インテグレータとして実施される、矩形の光出射面を有する光インテグレータに関する。

そのような種類の中空インテグレータは、特許文献１から知られている。
光インテグレータは、極めて均一な照射が所望される場所であれば、至る所で適用される。例えばリソグラフィ技術においては、ウェーハ検査やレーザ材料加工の場合がそうであるといえる。光インテグレータを使用する装置の一例が、各種プロジェクタ、特に液晶プロジェクタである。

基本的に光インテグレータは、屈折率が高い材料で被覆されているか、又は鏡面層が施されている棒状中実体の内部で光を導くもの（ロッドインテグレータまたはファイバインテグレータ）と、通例は内部に鏡面加工が施される管状中空体から形成されるようなもの（中空インテグレータ）とに区別することができる。

ロッドインテグレータまたはファイバインテグレータは、主として円形のビーム断面を得るために使用され、中空インテグレータと比較して、放射線を伝送する材料による吸収を完全には避けられないせいで光損失が一段と高くなるという短所を有している。

中空インテグレータは、主として、例えば矩形断面などの角張ったビーム断面を得るために使用され、ロッドインテグレータまたはファイバインテグレータと比較して、単一部品から製造できないという短所を有している。仮にそのために必要な中空体を一体式に製造したとしても、その内面に十分に均一な内部鏡面加工を施すのは、まずは不可能であろうことからも、基本的に中空インテグレータは少なくとも二つの構成部品から組み立てられるようになっている。

光インテグレータの上述のいずれの種類のものとも、光インテグレータの光入射面に入射される、ビーム断面全体にわたりエネルギが任意の態様で、例えばガウス分布の態様で分布している光束の放射線は、光インテグレータの内部で何度も反射を繰り返すことにより均質化されるようになっている。この光束は、光インテグレータの例えば円形または矩形など一定の断面幾何形状を持つ光出射面から、ビーム断面全体にわたりエネルギが少なくともほぼ均質に、いわゆるトップハット形状に分布した状態で出射されることになる。入射光束のアパーチャは、出射光束のアパーチャと等しくなっている。

上述の特許文献１は、光インテグレータが、四枚の平坦なガラス板を、これらが合同して一つの角柱形状の空隙を取り囲むように組み合わせたものから成る従来技術を前提技術として成されたものである。これらのガラス板はいずれも、鏡面加工が施された一つの内面と、一つの外面と、二つの側面と、二つの端面とを有している。これらのガラス板は、向い合せに位置するそれぞれのガラス板により、内側ならびに外側のガラス板対が形成されるように、互いに対して配置されている。その際には内側のガラス板対の側面が、外側のガラス板対の側面から突出するように、内側のガラス板の側面が外側のガラス板対の内面と当接するようになっている。正方形の断面以外の矩形の断面を有する中空体を形成するために、これらのガラス板は対単位で異なる幅を有している。

これらのガラス板は、上下に積み重ねられる側面により形成されるノッチの中に塗布される接着剤ストリップを利用して、互いに接合されるようになっている。
そのような光インテグレータは、ガラス板のこうした仕様に加え、それぞれのガラス板を互いに対して位置決めし、続いて材料同士を接合する必要があることからも不利である、というのがこの特許文献１の出願人の見解である。そのような光インテグレータは、外力を吸収するのは不可能であり、容易に変形する怖れがある、と出願人はみなしている。

これらの短所を取り除くために、特許文献１の対象によると、それぞれのガラス板の側面に、互いに対応し合うリセスと突起を構成することによって、それぞれのガラス板が二つ一組で一つの構成部品を形成するように構成されており、ガラス板は、これらのリセスと突起を利用して、接着剤ストリップを用いた材料同士の接合に補足して、形状同士の係合によっても互いに接合されるようになっている。

そのような中空インテグレータは、確かに安定性こそ向上されるが、しかし同じガラス板の代わりに、幾何形状を異にするガラス板を必要とするために、その製造からして既に一段とコスト高なものとなっている。

上述の従来技術から知られている矩形の断面を有する中空インテグレータは両方とも、異なるガラス板から組み合されるために、その製造には難点がある。それ以外にもこれらのガラス板は、その寸法諸元からも、適合対象が光出射面のある特定の具体的な断面サイズだけに限定された仕様となっている。

ＵＳ ２００５／０２１３３３３ Ａ１

本発明の課題は、様々な断面サイズに適合するように構成可能な、矩形のビーム断面を成形するための、安定した、簡単に製造可能な中空インテグレータを得ることにある。

光インテグレータが請求項１にしたがったものである場合は、この課題が解決される。
有利な実施形態は、それぞれの従属請求項に開示されている。
以下では、図面を用いて本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

光インテグレータの分解構成図（１ａ）、組付け工程の第１段階にある光インテグレータを示す図（１ｂ）、および完成組付け後の光インテグレータを示す図（１ｃ）である。 空隙の幅ｙが異なる光インテグレータを示す図（２ａ〜２ｃ）である。

図１ａから１ｃに示される光インテグレータは、四つの同じ角柱形状（平行六面体）のガラス板１から成っている。これらはいずれも一つの内面２と、長さがｌ、幅がｂである一つの外面３と、第１および第２の側面４．１、４．２と、高さがｈである二つの端面５とを有している。それぞれの内面２は、鏡面加工が施された一つの光学作用面２．１と一つの接着面２．２とに分割されており、接着面２．２は、光学作用面２．１と隣接する長手方向に延びる一つの溝７を有している。

全てのガラス板１が、単純な幾何形状を持ついわゆる同一部品として製造されることにより、製造工数を僅かに抑え、ひいては生産コストを僅かに抑えることができる。
光インテグレータに通して導かれる光束のビーム均質化品質およびビーム断面の正確な矩形への成形品質にとり、光学作用面２．１の品質、および内面２と第１側面４．１間の直角度は決定的な意味を持つ。

ガラス板１は、製造後に全数検査でその試験が行われなければならない。品質基準が高い（例えば、内面２に欠けた箇所があってはならない、第１の側面４．１と内面２．１間のそれぞれの角度公差の遵守、ならびに光学作用面２．１の完全かつ均質な鏡面加工）ために、是認しうるコストの範囲内で品質基準を満たさないガラス板１をＮＧ品としてはねつけられるようにするために、大ロット生産が必要とされている。ガラス板１を同一部品として実施することにより、同一製造プロセスで同一ツールを使用して最大限のロット数で製造することができる。

ガラス板１は、それぞれの内面２の光学作用面２．１により限定されている、全長ｌにわたり角柱形状に延びる、開口した空隙６を取り囲むように、互いに対して配置される。その際にそれぞれのガラス板１の内面２は、その接着面２．２により、接着剤９を間に挟んで間接的に別のガラス板１の第１の側面４．１に当接するようになっている。空隙６は、ガラス板１の寸法諸元により前もって定められる空隙高さｘと、組付け時に決定することができる空隙幅ｙとを有している。

光インテグレータを組み付けるために、第１の組付け工程において、それぞれ二つのガラス板１が、一つのアッセンブリを形成するように、互いに対して位置決めされてから接着され、第２の組付け工程において、二つの同じアッセンブリ同士が互いに対して位置決めされてから相互に接着されるようになっている。

図１ｂに示されるように、一つのアッセンブリを形成するそれぞれ二つのガラス板１は、一方のガラス板１の外面３が、他方のガラス板１の第２の側面４．２と面一に位置するように、互いに接着されている。

したがって光インテグレータのこの後形成されることになる空隙６については、空隙高さｘが幅ｂから高さｈを引いた値と等しくなる。
空隙幅ｙは、両方のアッセンブリが互いに対してどの方向にどの程度オフセットして接合されるかにより決まるが、これについては例えば図１ｃを参照されたい。

このオフセットをゼロとした場合は、図２ａに示されるように空隙幅ｙが空隙高さｘと等しくなる。アッセンブリを互いに対してオフセットさせることにより、図２ｂに示すように空隙幅ｙを狭くしたり、図２ｃに示すように広くしたりすることができる。

最大空隙幅ｙは、光学作用面２．１に隣接する溝７の位置により決まる。したがって同じガラス板１を使用して、空隙幅ｙを変更することにより、異なる断面サイズを実現することができる。

溝７は、接着面２．２に塗布される接着剤９用の接着剤捕捉部（トラップ）として利用される。ガラス板１同士を貼り合わせる際に余分な接着剤９がこの溝７の中に押し込まれることによって、接着剤９が光学作用面に達してしまうことを確実に阻止している。一つのガラス板１の接着剤９で被覆された接着面２．２がそれぞれ別のガラス板１の第１の側面４．１に当接することによって、これらのガラス板１は、形成される四つの接着剤ストリップを介して、材料同士、互いに接合されることになる。

従来技術から知られている光インテグレータとは対照的に、これらの接着ストリップは、外面に露出するように形成されるのではなくて、ガラス板１とガラス板１の間に封入されるようになっている。これには、接着剤９が完全に同じ媒質、ここではガラスにより取り囲まれて、温度の影響に殆ど曝されないという長所がある。それ以外にも、接着剤９が、接着剤９の脆化につながりかねない照射に直接曝されないという長所もある。このため本発明にしたがった光インテグレータは、非常に有利なことにもＵＶ部門における適用にも適したものとなっている。

光インテグレータの高い安定性を得るためには、ガラス板１の高さｈが幅ｂの二分の一よりも大きく、かつ幅ｂよりも小さいと有利である。
特に組付け作業のために、それぞれのガラス板１が、ガラス板１の全長ｌにわたり、外面３および第２の側面４．２により形成される縁部に沿って延びる面取り部８を一つずつ有していると有利である。

ガラス板１に設けられるこの面取り部８により、一方では組付け作業時に、第１の側面４．１をいずれも確実に接着できるようにするために、それぞれの第１の側面４．１を第２の側面４．２から簡単に見分けられるようになる。

他方ではそれにより、光学構成部品の場合は慣行となっているように、機能上必要ではない鋭利な角が除去されることになる。

１ ガラス板
２ 内面
２．１ 光学作用面
２．２ 接着面
３ 外面
４．１ 第１側面
４．２ 第２側面
５ 端面
６ 空隙
７ 溝
８ 面取り部
９ 接着剤
ｌ ガラス板の長さ
ｂ ガラス板の幅
ｈ ガラス板の高さ
ｘ 空隙高さ
ｙ 空隙幅

Claims (5)

1. 内面（２）と、長さｌの外面（３）と、第１および第２の側面（４．１，４．２）と、高さｈの二つの端面（５）とを備え同じ幅ｂを有する角柱形状の四つのガラス板（１）から成る、光インテグレータであって、
   前記各ガラス板（１）が、前記長さｌにわたって延びる角柱形状の空隙（６）を取り囲むように、互いに対して配置されており、また、前記各ガラス板（１）が互いに接着されていて、
   前記各内面（２）がいずれも、鏡面加工が施された光学作用面（２．１）と接着面（２．２）とに分割されており、それぞれのガラス板（１）の前記内面（２）が、その接着面（２．２）で、接着剤（９）を介して間接的に他のガラス板（１）の前記第１の側面（４．１）に当接している、光インテグレータにおいて、
   前記内面（２）が、接着剤捕捉部として作用する長手方向に延びた溝（７）を有し、前記溝が前記光学作用面（２．１）と隣接していることを特徴とする、光インテグレータ。
2. 前記空隙（６）が、前記各ガラス板（１）の寸法諸元により前もって定められる空隙高さｘと組付け工程にて決定可能な空隙幅ｙとを有することを特徴とする、請求項１に記載の光インテグレータ。
3. それぞれ二つのガラス板（１）が、一つのアッセンブリを形成しながら、一方のガラス板（１）の外面（３）が他方のガラス板（１）の第２の側面（４．２）と面一に位置するように互いに接着されることを特徴とする、請求項２に記載の光インテグレータ。
4. 前記各ガラス板（１）の高さｈが、前記幅ｂの二分の一よりも大きく、かつ前記幅ｂよりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の光インテグレータ。
5. 前記各ガラス板（１）がいずれも、前記各ガラス板（１）の全長１にわたり、前記外面（３）と前記第２の側面（４．２）とにより形成される縁部に沿ってそれぞれ延びている面取り部（８）を有することを特徴とする、請求項１に記載の光インテグレータ。

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