JP2575501B2

JP2575501B2 - 照明用光学系

Info

Publication number: JP2575501B2
Application number: JP1190157A
Authority: JP
Inventors: 春生植村
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1989-07-21
Filing date: 1989-07-21
Publication date: 1997-01-29
Anticipated expiration: 2012-01-29
Also published as: JPH0354568A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、光源から出射された光を反射光学手段に
より反射させて平行光線からなる反射光を被照射面に照
射するようにした照明用光学系に関するものである。

（従来の技術）プリント基板や液晶基板等に所定のパターンを焼付け
露光装置においては、露光面、例えばプリント基板の表
面に平行光線を照射することができる照明用光学系を使
用することが望ましいとされている。この照明用光学系
において、平行光線を形成するため、従来より反射型コ
リメータが利用されている。

第14図は従来の照明用光学系の概略構成を示す図であ
る。この照明用光学系は、同図に示すように、球面鏡１
および球面鏡１の主軸1b（球面鏡１の曲率中心方向）か
らずらすようにしてその焦点位置近傍に配置されたフラ
イアイレンズ等の２次光源２により構成されており、こ
の２次光源２から出射された照明光をその反射面1aによ
り反射させ、その反射光を被照射面３上に照射するよう
に構成されている。また、同図からわかるように、球面
鏡１は、その主軸1bと２次光源２から出射された照明光
の光軸４とが所定の角度θをなすように配置されてい
る。なお、以下の説明の便宜のため、この角度θを軸外
し角と呼称する。

（発明が解決しようとする課題）反射型コリメータを利用した照明用光学系は上記のよ
うに構成されているため、球面鏡１と被照射面３との距
離Ｌが大きくなるにしたがって照明用光学系のサイズが
大型化し、さらにはその光学系が適用された露光装置の
サイズも大型化する。一方、この種の露光装置では、球
面鏡１と被照射面３間の距離Ｌをできるだけ小さな値に
設定し、小形化を図ることが従来より望まれている。し
かしながら、距離Ｌを小さくしていくと、それに伴って
被照射面３の有効照射領域における照度分布の、光軸に
対する対称性が損なわれるようになり、距離Ｌが一定以
上小さくなると、照度分布の非対称性が許容範囲を越え
て実用に供することができなくなる。このように、従来
の照明用光学系では、非照射面３の有効照射領域におけ
る照度分布の対称性の観点から距離Ｌを一定以上小さく
設定することができず、それによって装置の小型化が制
約されるという問題を有していた。

（発明の目的）この発明は、上記の課題を解決するためになされたも
ので、被照射面の有効照射領域における照度分布の対称
性を確保しながら一層の小型化を図れる反射型コリメー
タを利用した照明用光学系を提供することを目的とす
る。

（目的を達成するための手段）この発明は、光源から出射された光を反射光学手段に
より反射させて平行光線からなる反射光を被照射面に照
射するようにした照明用光学系に関するものである。こ
の発明によれば、上記目的を達成するため、前記反射光
学手段が主軸を相互にずらして配置した複数の反射光学
素子により構成されるとともに、前記反射光学手段の合
成焦点位置付近に前記光源が配置され、前記反射光学手
段の前側主点が前記被照射面に最も近い反射光学素子よ
りもよりも光源側に設けられている。

さらに、前記被照射面に最も近い反射光学素子が球面
鏡などの凹面鏡である場合、以下の関係式ｆ｛１−Ｋ（１−（D/f）^２）｝≦Ｌ≦ｆ｛１＋Ｋ（１
−（D/f）^２）｝ただし、 f:前記反射光学手段の合成焦点距離 D:軸外しにより非対称となる方向の有効照射領域の大き
さ L:前記前側主点と前記被照射面との光学距離が満たされるものとする。

一方、前記被照射面に最も近い反射光学素子がフレネ
ルレンズである場合、以下の関係式 1.18f｛１−Ｋ（１−（D/f）^２）｝≦Ｌ≦1.18f｛１＋
Ｋ（１−（D/f）^２）｝ただし、 f:前記反射光学手段の合成焦点距離 D:軸外しにより非対称となる方向の有効照射領域の大き
さ L:前記前側主点と前記被照射面との光学距離が満たされるものとする。

（作用）この発明の照明用光学系によれば、反射光学手段の前
側主点が、その反射光学手段を構成する反射光学素子の
うちの最も被照射面よりに位置する反射光学素子よりも
光源側に設けられており、さらに前記前側主点と前記被
照射面との光学距離を上記関係式の範囲内に設定してい
るので、その分、最も被照射面よりに位置する反射光学
素子と被照射面との距離を短くしても、被照射面の有効
照射領域における照度分布の対称性を確保でき、照明用
光学系のサイズを小さくできる。

（実施例）第１図はこの発明にかかる照明用光学系の一実施例を
示す構成図である。この照明用光学系は第14図に示す照
明用光学系と光学系に等価に構成されている。すなわ
ち、第１図に示すように、主軸11as,11bsを相互にずら
して配置した球面鏡11a,11bからなる反射光学手段11
と、反射光学手段11の合成焦点位置付近に配置された光
源（２次光源）12とにより構成されており、光源12から
出射された照明光を反射鏡11a,11bにより順次反射さ
せ、その反射光を被照射面13上に照射するように構成さ
れている。この場合、反射光学手段11の光軸11sと、球
面鏡11a,11bの主軸11as,11bsとのなす角、すなわち軸外
し角はそれぞれθに設定されており、また反射光学手段
11の前側主点Ｈは反射鏡11bよりも光源12よりに設けら
れている。

ここで、第１図と第14図に示される両光学系は光学的
に等価に構成されているため、第14図の球面鏡１と被照
射面３との距離Ｌ、第１図の前側主点Ｈと球面鏡11bと
の距離L₁および球面鏡11bと被照射面13との距離L₂には
次式に示す関係が成り立つ。

Ｌ＝L₁＋L₂ 上式から明らかなように、この発明にかかる照明用光
学系のサイズを決定する因子である距離L₂の値は、従来
のそれ（距離Ｌ）よりも距離L₁分だけ小さくなり、その
分、照明用光学系のサイズを小型化でき、さらにはその
光学系が適用された露光装置等のサイズも小型化でき
る。

なお、上記実施例においては反射光学手段11を２枚の
球面鏡11a,11bにより構成した場合について説明した
が、主軸を相互にずらして配置した３枚以上の球面鏡に
より構成してもよい。

また、球面鏡の代わりに放物面鏡やフレネルミラーを
用いてもよい。ここでフレネルミラーとは、球面鏡や放
物面鏡のように連続的な曲面11c（第２図（ａ））を備
える代わりに、その曲面11cの微小領域に応じた角度β
を持つ微小な反射面11d（第２図（ｂ））が平面上に配
置されたものをいう。したがって、反射素子に入射され
た光が反射される位置、すなわち作用点がフレネルミラ
ーと連続的な曲面を有する球面鏡や放物面鏡とで異な
る。

ところで、第１図に示す照明用光学系により被照射面
13を照明する場合には、可能な限り被照射面13を均一に
照明することが望まれる。この場合、照明用光学系は、
軸外し角θを有する球面鏡11bを含んでいるため、照明
用光学系における設計値（例えば距離L₂等）を適当に設
定することのみにより被照射面13における有効照射領域
を均一に照明することは不可能であると考えられてい
た。そこで以下のようにすることで上記要請を満足させ
ることができると考えられる。すなわち、照明用光学系
により照明される被照射面13における有効照射領域の照
度分布が照明光の光軸に対して対称となるように、照明
用光学系を設計し、さらに適当な手段を付加する（例え
ば光源12に被照射面13における照度分布に対応した特性
をもたせる）ことにより、被照射面13を均一に照明する
ことができると考えられる。このような観点から、第１
図に示す照明用光学系においては、まず被照射面13の有
効照射領域における照度分布を照明光の光軸に対して対
称に近づけることが望まれる。

そこで、本願出願人は、上記のように構成された照明
用光学系において反射光学手段11と被照射面13との距離
が被照射面13における照度分布にどのような影響を与え
るのかについて調べた。ただ、反射光学素子を複数個使
用した照明用光学系ではパラメータが多く、説明が複雑
になるため、同一傾向を示す反射光学素子が単一の場
合、例えば第14図の照明用光学系を使用して説明する。
第14図に示す反射型コリメータを含む照明用光学系にお
いて、（１）光源２は、コリメータが光軸に対称な透過型のも
のであれば被照射面において均一な照度分布となる照明
光が照射されている（２）軸外し角θが15゜である（３）球面鏡１と被照射面13との光学距離Ｌが球面鏡１
の焦点距離ｆの0.7倍,1倍および1.3倍にそれぞれ設定さ
れている。

という条件で、被照射面13における照度分布をシミュレ
ーションすると、第３図ないし第５図に示す結果が得ら
れた。第３図は、距離Ｌが球面鏡１の焦点距離ｆの0.7
倍に設定されたときの被照射面３における有効照射領域
の照度分布を示し、第４図は、距離Ｌが球面鏡１の焦点
距離ｆと同じ値に設定されたときの被照射面３における
有効照射領域の照度分布を示し、また第５図は、距離Ｌ
が球面鏡１の焦点距離ｆの1.3倍に設定されたときの被
照射面３における有効照射領域の照度分布を示してい
る。これらの図において、横軸は被照射面３と照明光の
光軸との交点Ｃ（第14図を参照のこと）からの距離を示
し、紙面において点Ｃに対し左方向を正の値とする一
方、右方向を負の値としている。また、縦軸は点Ｃにお
ける照度を100とした場合の被照射面13の各点における
照度（相対値）を示している。

これら第３図ないし第５図からわかるように、被照射
面３における照度分布は距離Ｌの変化にともなって変化
している。すなわち、距離Ｌが大きくなるにしたがっ
て、照度分布の中心DCがマイナス側（紙面の右側）から
プラス側（紙面の左側）に移行している。そして、特に
距離Ｌが球面鏡１の焦点距離ｆと同じ値に設定された場
合（第４図）には、照度の分布中心DCが点Ｃとほぼ一致
し、照度分布が照明光の光軸についてほぼ対称となって
いる。

ここで、上記のように距離Ｌに応じて照度分布が変化
する理由について以下に考察する。距離Ｌを球面鏡１の
焦点距離ｆと同じ値に設定したときの被照射面３の各点
におけるデクリネーション角αを求めたところ、次表に
示す結果が得られた。なお、軸外し角は、いずれも15゜
として計算されている。

なお、「デクリネーション角α」とは、第６図に示す
ように、その点における被照射面13の法線13aと照明光
とのなす角であり、紙面において反時計方向を正の値と
する一方、時計方向を負の値としている。すなわち、デ
クリネーション角αの絶対値が大きいということは、照
明光の平行度が低いことを意味している。この第１表か
らわかる特徴的なことは、点Ｃからの距離がマイナス側
の範囲では、照明光の光軸から離れるにしたがってデク
リネーション角αがマイナス方向（時計方向）に大きく
ずれていることである。このことは、第７図に示すよう
に、照明光のうちマイナス側の光R_(-)が集束光となって
いることを示している。また、第１表に示すように、点
Ｃからの距離がマイナス側の範囲におけるデクリネーシ
ョン角αの絶対値はプラス側の範囲におけるそれに比べ
相対的に大きな値となっている。したがって、これらの
ことから、被照射面３が球面鏡１から遠ざかる（距離Ｌ
が焦点距離ｆよりも大きくなる）につれて、マイナス側
の光線密度がプラス側のそれに比べ大きくなっているこ
とがわかる。言い換えれば、点Ｃよりマイナス側の範囲
における照度がプラス側の範囲におけるそれよりも大き
いことがわかる。その結果、第５図に示すように、マイ
ナス側の照度が高くなり、照度分布の中心DCがプラス側
にずれた照度分布が得られるものと考えられる。

一方、被照射面３が球面鏡１に近い（距離Ｌが焦点距
離ｆよりも小さい）場合には、幾何学的条件より、点Ｃ
よりプラス側の範囲における光線密度がマイナス側の範
囲におけるそれに比べ大きくなる。すなわち、仮に点光
源２から均等な強度をもつ光線が等角度間隔で出射され
たとすると、それらの光線は球面鏡１により反射され、
互いにほぼ平行な関係を保ちながら被照射面３に導かれ
る。この場合、反射された光線の相互間隔はプラス側か
らマイナス側に行くにしたがって大きくなることが一般
的に知られており、したがって、プラス側の照度がマイ
ナス側のそれよりも大きくなる。その結果、第３図に示
すように、プラス側の照度が高くなり、分布中心DCがマ
イナス側にずれた照度分布が得られるものと考えられ
る。

以上の第３図ないし第５図に示す結果およびそれにつ
いての考察からわかるように、距離Ｌが変化するにした
がって照度分布の中心DCが変化し、特に距離Ｌが球面鏡
１の焦点距離ｆと同じ値に設定された場合（第４図）に
は、被照射面の有効照射領域における照度分布の中心DC
が点Ｃとほぼ一致し、照度分布が照明光の光軸について
ほぼ対称となる。

上記においては距離Ｌの変化にともなう照度分布の対
称性について反射光学素子が単一の場合を１例に定性的
に説明したが、この傾向は後に詳述するように反射光学
素子を複数個使用する場合も同一の傾向を示す。

次に被照射面３における照度分布の対称性について定
量的に説明する。なお照度分布の対称性を定量的に表わ
すため、対称性を、以下に説明するようにして求められ
る最大相違量により定義する。すなわち、被照射面３の
各点での照度をシミュレーションにより求め、ある点の
照度I_Xと照明光の光軸についてその点と対称な点の照度
I_-Xとを次式に代入し、各点における相違量DI_Xをそれぞ
れ求める。

ただし、I₀は被照射面における光軸位置の照度であ
る。そして、それらの相違量DI_Xのうち最も大きな値を
最大相違量として、これに基づいて照度分布の対称性に
ついて以下に議論する。

今、第１図に示す反射型コリメータを含む照明用光学
系において、（１）光源12は、コリメータが光軸に対称な透過型であ
れば、被照射面において均一な照度分布となる照明光が
照射されている（２）軸外し角θが15゜である（３）合成焦点距離ｆが1000である（４）球面鏡11a,11bの曲率半径がそれぞれ−3733.333,
−2461.538である（５）球面鏡11a,11b間の距離L₃が800である（６）前側主点Ｈと球面鏡11bとの距離L₁が150である（７）光源12と球面鏡11aとの距離L₄が350であるという条件で、球面鏡11bと被照射曲13との距離L₂,有効
照射領域の大きさＤを適当に設定しながら被照射面13に
おける有効照射領域の照度分布をシミュレーションし、
距離Ｌ（＝L₁＋L₂）と合成焦点距離ｆとの比（L/f）お
よび有効照射領域の大きさＤと合成焦点距離ｆとの比
（D/f）との関係における最大相違量を求めた。第２表
にその結果を示す。

なお第２表、および後で述べる第３表，第４表，第７
表ないし第10表において、「Ｘ」は、最大相違量が30％
を超えることを示している。

また、上記（１）〜（３）の条件が同一であるととも
に、（４）球面鏡11a,11bの曲率半径がそれぞれ−1100,−24
44.444である（５）球面鏡11a,11b間の距離L₃が1100である（６）前側主点Ｈと球面鏡11bとの距離L₁が200である（７）光源12と球面鏡11aとの距離L₄が100であるという条件で、上記と同様にして比（L/f）と比（D/f）
との関係における最大相違量を求めた。第３表にその結
果を示す。

さらに、上記（１）〜（３）の条件が同一であるとと
もに、（４）球面鏡11a,11bの曲率半径がそれぞれ−3600,−22
50である（５）球面鏡11a,11b間の距離L₃が900である（６）前側主点Ｈと球面鏡11bとの距離L₁が100である（７）光源12と球面鏡11aとの距離L₄が200であるという条件で、上記と同様にして比（L/f）と比（D/f）
との関係における最大相違量を求めた。第４表にその結
果を示す。

ところで、上記照明用光学系を露光装置として使用す
るためには、対称性の観点から、その最大相違点が10％
以下となるように距離Ｌ（＝L₁＋L₂），合成焦点距離ｆ
および有効照射領域の大きさＤの関係を定めるのが望ま
しい。そこでこのような条件を満たす境界条件を第２表
ないし第４表に示すシミュレーション結果から求める
と、第５表に示すような境界条件が得られ、これを図示
すると第８図のようになる。第８図において、横軸はD/
fを表し、縦軸はL/fを表す。そして、第８図の斜線部で
示す領域が、上記条件を満たす範囲を表す。

上記第５表および第８図から、境界条件を近似式で表
わすと、次式となる。

ｆ｛１−Ｋ（１−（D/f）^２）｝ ≦Ｌ≦ｆ｛１＋Ｋ（１−（D/f）^２）｝ …（２）ただし、 f:反射光学手段11の合成焦点距離 D:軸外しにより非対称となる方向の有効照射領域の大き
さ L:前側主点Ｈと前記被照射面13との光学距離したがって、照明用光学系が（２）式を満足する、す
なわち第８図の斜線部に示す領域に対応する距離L,焦点
距離ｆおよび有効照射領域の大きさＤを有する場合に
は、最大相違量が10％以下となり、被照射面13における
有効照射領域の照度分布は良好な対称性を有することと
なる。一方、距離L,合成焦点距離ｆおよび有効照射領域
の大きさＤが（２）式を満足しない、すなわち第８図の
斜線部に示す領域からはずれると、最大相違量が10％以
上となり、被照射面13における有効照射領域の照度分布
は非対称となる。なお上記においては、最大相違量の上
限値を10％に設定した場合について説明したが、最大相
違量の上限値をこれ以外の値に設定した場合も、上記と
同様にして境界条件を求め、その境界条件を満足するよ
うに距離L,合成焦点距離ｆおよび有効照射領域の大きさ
Ｄをそれぞれ設定することにより、照明光の光軸に対し
て対称な照度分布をもたせて被照射面13を照明すること
ができる。

ここで、例えば第１図に示す照明用光学系と同一構成
で、しかも反射光学手段11等が以下のように設計された
場合について考えてみる。この照明用光学系において、（１）光源12は、コリメータが光軸に対称な透過型であ
れば、被照射面において均一な照明分布となる照明光が
照射されるものとし、（２）軸外し角θを20゜とし、（３）反射光学手段11の合成焦点距離ｆを1000とし、（４）球面鏡11a,11bの曲率半径をそれぞれ−3733.333,
−2461.538とし、（５）球面鏡11a,11b間の距離L₃を800とし、（６）前側主点Ｈと球面鏡11bとの距離L₁を150とし、（７）光源12と球面鏡11aとの距離L₄を350とし、（８）前側主点Ｈと被照射面13との距離Ｌ（＝L₁＋L₂）
を1000とし、（９）被照射面13の有効照射領域の大きさＤを、□₆₀₀
と設定した場合には、有効照射領域の大きさD,間隔Ｌお
よび反射光学手段11の合成焦点距離ｆがそれぞれ次式 D/f＝0.6 Ｌ＝ｆを満足しており、照明用光学系の距離L,合成焦点距離ｆおよび有効照射
領域の大きさＤは、第８図の斜線領域の一点（同図の■
点）に対応しているので、最大相違量が10％以下である
ことが予想される。

そこで、このことを検証するため、上記のように設定
された場合の被照射面13上における有効照射領域の照度
を計算した。第６表にその結果を示す。

第６表において、「Ｙ」は被照射面13と照明光の光軸
との交点Ｃ（第１図を参照のこと）からの距離を示し、
紙面において点Ｃに対し左方向を正の値とする一方、右
方向を負の値としている。また、「Ｘ」は点Ｃから紙面
に対し手前方向に向けての距離を示している。また、被
照射面13の各点における照度は点Ｃ（0,0）における照
度を100とした場合の値で示している。

第６表からわかるように、被照射面13における照度は
点Ｃを中心としてほぼ対称な値になっている。例えば、
点（0,−300）と点（0,300）とに着目してみると、それ
ぞれの点における照度は116,117であり、（１）式に基
づいて相違量DI_Xを求めると、相違量DI_Xは、となる。また同様にして、被照射面13の各点における相
違量DI_Xを求めた結果、それらのうちの最大値、すなわ
ち最大相違量は３％であり、非常に対称性の良好な照度
分布が得られた。

また、上記光学系によれば軸対称な照度分布を得るこ
とができるので、前述したように、上記光学系に適当な
手段を加える、例えば光源12に第６表に示す分布に対応
した特性を有するレンズを付加することにより被照射面
13上を均一に照明することができる。

次に、上記のように構成された照明用光学系において
球面鏡11bの代わりにフレネルミラーを用いた場合につ
いて説明する。フレネルミラー（第２図（ｂ））は上記
のように構成されているので、反射光学素子に入射され
た光が反射される位置、すなわち作用点が、フレネルミ
ラーと、連続的な曲面を有する球面鏡や放物面鏡とで異
なる。

そこで、第９図に示すように、反射光学手段11′が球
面鏡11aとフレネルミラー11b′とで構成されている場合
について考える。ただ、前記同様、フレネルミラーの場
合も複数個使用するとパラメータが多くなり、説明も複
雑となるため、ここではフレネルミラーが単一の場合、
すなわち第14図の球面鏡のフレネルミラーとした場合で
説明する。まず、上記と同様にして、フレネルミラー１
と被照射面３との光学距離Ｌと、被照射面３における有
効照射領域の照度分布との関係を求めた。第10図ないし
第12図はその結果を示す図である。第10図は、距離Ｌが
フレネルミラー１の焦点距離ｆの0.88倍に設定されたと
きの被照射面３における有効照射領域の照度分布を示
し、第11図は、距離Ｌがフレネルミラー１の焦点距離ｆ
の1.18倍に設定されたときの被照射面３における有効照
射領域の照度分布を示し、また第12図は、距離Ｌがフレ
ネルミラー１の焦点距離ｆの1.48倍に設定されたときの
被照射面３における有効照射領域の照度分布を示してい
る。第11図からわかるように、反射光学手段をフレネル
ミラーにより構成した場合、距離Ｌが反射光学手段の焦
点距離ｆの1.18倍の値に設定されると、照度分布の中心
DCが点Ｃとほぼ一致し、照度分布が照明光の光軸につい
てほぼ対称となる。また、第10図ないし第12図からわか
るように、距離Ｌが大きくなるにしたがって、照度の分
布中心DCがマイナス側から点Ｃに移行し、所定位置（Ｌ
＝1.18f）で照度分布が点Ｃについてほぼ対称となり、
さらに距離Ｌが大きくなるにしたがって、プラス側に移
行する。

次に、反射光学手段が２枚の球面鏡により構成された
場合と同様にして、被照射面３における照度分布の対称
性について定量的に説明する。

今、第９図に示す反射型コリメータを含む照明用光学
系において、（１）光源12は、コリメータが光軸に対称な透過型であ
れば、被照射面において均一な照度分布となる照明光が
照射されている（２）軸外し角θが15゜である（３）合成焦点距離ｆが1000である（４）球面鏡11a,フレネルミラー11b′の曲率半径がそ
れぞれ−1922.667,−3551.724である（但し、フレネル
ミラー11b′の曲率半径はそのミラーと光学的に等価な
球面鏡の曲率半径を示している）（５）球面鏡11aとフレネルミラー11b′との距離L₃が10
30である（６）前側主点Ｈ′とフレネルミラー11b′との距離L₁
が450である（７）光源12と球面鏡11aとの距離L₄が420であるという条件で、上記と同様にして、距離Ｌ（＝L₁＋L₂）
と合成焦点距離ｆとの比（L/f）および有効照射領域の
大きさＤと合成焦点距離ｆとの比（D/f）との関係にお
ける最大相違量を求めた。第７表にその結果を示す。

また、上記（１）〜（３）の条件が同一であるととも
に、（４）球面鏡11a,フレネルミラー11b′の曲率半径がそ
れぞれ−1281.25,−3280である（５）球面鏡11aとフレネルミラー11b′との距離L₃が12
30である（６）前側主点Ｈ′とフレネルミラー11b′との距離L₁
が480である（７）光源12と球面鏡11aとの距離L₄が250であるという条件で上記と同様にして、比（L/f）と比（D/f）
との関係における最大相違量を求め、その結果を第８表
に示す。

また、上記（１）〜（３）の条件が同一であるととも
に、（４）球面鏡11a,フレネルミラー11b′の曲率半径がそ
れぞれ−2592,−3891.892である（５）球面鏡11aとフレネルミラー11b′との距離L₃が72
0である（６）前側主点Ｈ′とフレネルミラー11b′との距離L₁
が350である（７）光源12と球面鏡11aとの距離L₄が630であるという条件で上記と同様にして、比（L/f）と比（D/f）
との関係における最大相違量を求め、その結果を第９表
に示す。

さらに、球面鏡11aの代わりにフレネルミラー11a′を
用いた場合についても、上記と同様にシミュレーション
した。すなわち、上記（１）〜（３）の条件が同一であ
るとともに、（４）フレネルミラー11a′,11b′の曲率半径がそれぞ
れ−2400,−4000である（５）フレネルミラー11a′,11b′間の距離L₃が800であ
る（但し、フレネルミラー11a′の曲率半径はそのミラ
ーと光学的に等価な球面鏡の曲率半径を示している）（６）前側主点Ｈ′とフレネルミラー11b′との距離L₁
が400である（７）光源12とフレネルミラー11a′との距離L₄が600で
あるという条件で上記と同様にして、比（L/f）と比（D/f）
との関係における最大相違量を求め、その結果を第10表
に示す。

いま、最大相違量の上限値を10％としてその条件を満
たす境界条件を第７表ないし第10表に示すシミュレーシ
ョン結果から求めると、第11表に示すような境界条件が
得られ、これを図示すると第13図のようになる。

上記第10表および第13図から、境界条件を近似式で表
わすと、次式となる。

1.18f｛１−Ｋ（１−（D/f）^２）｝ ≦Ｌ≦1.18f｛１＋Ｋ（１−（D/f）^２）｝ …（３）ただし、 f:反射光学手段11′の合成焦点距離 D:軸外しにより非対称となる方向の有効照射領域の大き
さ L:前側主点Ｈ′と被照射面13との光学距離したがって、照明用光学系が（３）式を満足する、す
なわち第13図の斜線部に示す領域に対応する距離L,合成
焦点距離ｆおよび有効照射領域の大きさＤを有する場合
には、最大相違量が10％以下となり、被照射面13におけ
る有効照射領域の照度分布は良好な対称性を有すること
となる。一方、距離L,焦点距離ｆおよび有効照射領域の
大きさＤが（３）式を満足しない、すなわち第13図の斜
線部に示す領域からはずれると、最大相違量が10％以上
となり、被照射面13における有効照射領域の照度分布は
非対称となる。なお上記においては、最大相違量の上限
値を10％に設定した場合について説明したが、最大相違
量の上限値をこれ以外の値に設定した場合にも、上記と
同様にして境界条件を求め、その境界条件を満足するよ
うに距離L,合成焦点距離ｆおよび有効照射領域の大きさ
Ｄをそれぞれ設定することにより、照明光の光軸に対し
て対称な照度分布をもたせて被照射面13を照明すること
ができる。

ここで、例えば第９図に示す照明用光学系と同一構成
で、しかも反射光学手段11′等が以下のように設計され
た場合について考えてみる。この照明用光学系におい
て、（１）光源12は、コリメータが光軸に対称な透過型であ
れば、被照射面において均一な照度分布となる照明光が
照射されるものとし、（２）軸外し角θを17゜とし、（３）反射光学手段11′の合成焦点距離ｆを1000とし、（４）球面鏡11aとフレネルミラー11b′の曲率半径をそ
れぞれ−2000,−3333.333とし、（５）球面鏡11aとフレネルミラー11b′との距離L₃を10
00とし、（６）前側主点Ｈ′とフレネルミラー11b′との距離L₁
を400とし、（７）光源12と球面鏡11aとの距離L₄を400とし、（８）前側主点Ｈ′と被照射面13との距離Ｌ（＝L₁＋
L₂）を1180とし、（９）被照射面13を照明する有効照射領域の大さＤを、
^□600と設定した場合には、有効照射領域の大きさD,距離Ｌおよ
び反射光学手段11の合成焦点距離ｆがそれぞれ次式 D/f＝0.6 Ｌ＝1.18f を満足しており、照明用光学系の距離L,合成焦点距離ｆ
および有効照射領域の大きさＤは、第13図の斜線領域の
一点（同図の■点）に対応しているので、最大相違量が
10％以下であることが予想される。

そこで、このことを検証するため、上記のように設定
された場合の被照射面13上における照度を計算した。第
12表にその結果を示す。

第12表からわかるように、被照射面13における照度は
点Ｃ（0,0）を中心としてほぼ対称な値になっている。
例えば、点（0,−300）と点（0,300）とに着目してみる
と、それぞれの点における照度は118,118であり、
（１）式に基づいて相違量DI_Xを求めると、相違量DI
_Xは、となる。また同様にして、被照射面13の各点における相
違量DI_Xを求めた結果、それらのうちの最大値、すなわ
ち最大相違量は３％であり、非常に対称性の良好な照度
分布が得られた。

また、上記照明用光学系によれば軸対称な照度分布を
得ることができるので、上記と同様の方法で、被照射面
13を均一に照明することができる。

以上のように、照明用光学系の反射光学手段を複数枚
の反射光学素子により構成するとともに、その反射光学
手段の前側主点と被照射面との間の光学距離にともなっ
て被照射面における照度分布が変化することに着目し、
有効照射領域の大きさ，照明用光学系の距離および反射
光学手段の合成焦点距離が一定の関係をもつように設定
することにより、小型でしかも照明光の光軸に対して対
称な照度分布をもたせて被照射面を照明することができ
る照明用光学系を提供することができる。

（発明の効果）以上のようにこの発明によれば、反射光学手段を複数
の反射光学素子により構成して、その反射光学手段の前
側主点を被照射面に最も近い反射光学素子よりも光源側
であって所定の条件範囲内に位置するように設定してい
るので、その分、最も被照射面よりに位置する反射光学
素子と被照射面との距離を短くでき、照明用光学系を小
型化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる照明用光学系の一実施例を示
す図であり、第２図は、球面鏡とフレネルミラーとの関係を示す図で
あり、第３図ないし第５図は、それぞれ反射光学素子が球面鏡
により構成されているときの被照射面における照度分布
を示す図であり、第６図はデクリネーション角を説明するための図であ
り、第７図は照明光の光線方向を示す図であり、第８図は、最大相違量の上限値が10％であるときの境界
条件を示す図であり、第９図はこの発明にかかる照明用光学系の他の実施例を
示す図であり、第10図ないし第12図は、それぞれ被照射面に最も近い反
射光学素子がフレネルミラーにより構成されているとき
の被照射面における照度分布を示す図であり、第13図は、最大相違量の上限値が10％であるときの境界
条件を示す図であり、第14図は、従来の照明用光学系の構成図である。 11,11′……反射光学手段、 11a,11b……球面鏡、 11as,11bs……主軸、 11a′,11b′……フレネルミラー、 12……光源、13……被照射面、 H,H′……前側主点

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から出射された光を反射光学手段によ
り反射させて平行光線からなる反射光を被照射面に照射
するようにした照明用光学系において、前記反射光学手段が主軸を相互にずらして配置した複数
の反射光学素子により構成されるとともに、前記反射光学手段の合成焦点位置付近に前記光源が配置
され、前記反射光学手段の前側主点が前記被照射面に最
も近い反射光学素子である凹面鏡よりも光源側に設けら
れ、以下の関係式ｆ｛１−Ｋ（１−（D/f）^２）｝≦Ｌ≦ｆ｛１＋Ｋ（１
−（D/f）^２）｝ただし、 f:前記反射光学手段の合成焦点距離 D:軸外しにより非対称となる方向の有効照射領域の大き
さ L:前記前側主点と前記被照射面との光学距離が満たされることを特徴とする照明用光学系。
【請求項２】光源から出射された光を反射光学手段によ
り反射させて平行光線からなる反射光を被照射面に照射
するようにした照明用光学系において、前記反射光学手段が主軸を相互にずらして配置した複数
の反射光学素子により構成されるとともに、前記反射光学手段の合成焦点位置付近に前記光源が配置
され、前記反射光学手段の前側主点が前記被照射面に最
も近い反射光学素子であるフレネルレンズよりも光源側
に設けられ、以下の関係式 1.18f｛１−Ｋ（１−（D/f）^２）｝≦Ｌ≦1.18f｛１＋
Ｋ（１−（D/f）^２）｝ただし、 f:前記反射光学手段の合成焦点距離 D:軸外しにより非対称となる方向の有効照射領域の大き
さ L:前記前側主点と前記被照射面との光学距離が満たされることを特徴とする照明用光学系。