JP5567973B2

JP5567973B2 - 照明光学装置

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Publication number: JP5567973B2
Application number: JP2010226318A
Authority: JP
Inventors: 史敬須藤; 豊高窪
Original assignee: Hoya Candeo Optronics Corp
Current assignee: Hoya Candeo Optronics Corp
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-10-06
Also published as: JP2012079643A

Description

本発明は、被照射面を均一な明るさで照明する照明光学装置に関連し、詳しくは、複数の光源を用いて広い範囲を十分な明るさで均一に照明する照明光学装置に関する。

被照射面を均一な照度で照明する照明光学装置が知られている。照明光学装置の具体的構成例は、特許文献１〜４に記載されている。特許文献１〜４に記載の照明光学装置は、アレイ状に配置された要素レンズ個々に対して光源を備えている。この種の照明光学装置は、複数の光源からなるアレイ光源を用いることにより、単一の光源では光量不足となる広い範囲を十分な明るさで均一に照明することを試みている。

特開２００４−１０２１３２号公報特開２００６−１３３６３５号公報特開２００７−０５８１６３号公報特開２００９−０５３３７０号公報

特許文献１〜４に記載の照明光学装置は、複数の光源のそれぞれに対応した複数の導光ロッド又は複数の要素レンズからなるレンズアレイと、個々の導光ロッド又は要素レンズから射出した光を被照射面で重畳するレンズからなる。このような構成の照明光学系は光源の数が多いほど重畳レンズの外形が大きくなり、製造コストが上昇する問題がある。また個々の光源からの光は、被照射面で同一の領域を照明する。そのため、使用目的に応じて照射面積を変えたい場合には例えば重畳レンズを異なる焦点距離のものに置き換える必要がある。このように、特許文献１〜４に記載の照明光学装置においては、重畳レンズ等を新たに設計・製造する必要がある。そのため、製造コストが上昇する問題がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、被照射面を均一な明るさで照明すると共に照明範囲を少ないコスト負担で簡易に変えるのに好適な照明光学装置を提供することである。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係る照明光学装置は、単一の範囲を照射する照明光学ユニットを各々の照明範囲の周辺が隣接する照明範囲の周辺と重なるように複数並べて該単一の範囲より広い範囲を照明する装置である。各照明光学ユニットは、照明光を射出する光源と、照明光を被照射面上に集光する集光光学系と、各々が矩形状の有効光束領域を持つ複数の光学レンズがアレイ状に配置され、光源と集光光学系とを結合するフライアイ光学素子とを備えている。各照明光学ユニットは、光学レンズの入射端面であって、照明範囲の周辺に対応する少なくとも一部の入射端面上の領域に、透過率が他の領域よりも低い低透過率領域を設けたことを特徴としている。

本発明に係る照明光学装置によれば、照明光学ユニットの配置数に応じて照明範囲を簡易に変えつつも、各照明光学ユニットで照明範囲が重なる領域の照明光量を低透過率領域により効果的に抑えることにより、広範な被照射面を均一な明るさで照明することができる。

本発明に係る照明光学装置において、低透過率領域以外の領域の透過率を１００とした場合、低透過率領域の透過率は４０〜６０としてもよい。低透過率領域の透過率をかかる範囲に設定すると、照度分布が均一になる効果が特に高い。

低透過率領域は、各光学レンズの入射端面上の有効光束領域の第一の方向の長さをＨと定義し、該第一の方向と直交する第二の方向の長さをＬと定義した場合、その全体が光学レンズの光軸を中心に０．９Ｈ×０．９Ｌの大きさを持つ矩形領域の外側に位置する構成としてもよい。低透過率領域をかかる位置に配置すると、照度分布が均一になる効果が特に高い。

低透過率領域は、入射端面上の有効光束領域の少なくとも一つの頂角を含む領域としてもよい。頂角は、照明光を減光させるため面取り加工されてもよい。

低透過率領域は、スリ面加工された領域又は減光フィルタが接着された領域であってもよい。

本発明によれば、被照射面を均一な明るさで照明すると共に照明範囲を少ないコスト負担で簡易に変えるのに好適な照明光学装置が提供される。

照度分布が不均一になる問題を説明するための図である。本実施形態の照明光学装置の全体構成を概略的に示す図である。本発明の実施例１の照明光学装置を構成する単一の照明光学ユニットの構成を示す図である。本発明の実施例１の単一の照明光学ユニットの被照射面上の照度分布を示す照度分布図である。本発明の実施例１のロッド光学素子の射出端面を被照射面側から正対して臨んだときの図である。本実施例１の複数の照明光学ユニットの被照射面上の照度分布を示す照度分布図である。比較例Ａの複数の照明光学ユニットの被照射面上の照度分布を示す照度分布図である。本発明の実施例２の照明光学装置を構成する単一の照明光学ユニットの構成を示す図である。本発明の実施例２の単一の照明光学ユニットの被照射面上の照度分布を示す照度分布図である。本発明の実施例２のフライアイ光学素子を構成する光学セルの入射端面を被照射面側から正対して臨んだときの図である。本実施例２の複数の照明光学ユニットの被照射面上の照度分布を示す照度分布図である。比較例Ｂの複数の照明光学ユニットの被照射面上の照度分布を示す照度分布図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の照明光学装置について説明する。本実施形態の照明光学装置は、例えば紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して精密機器の部品を接着固定する紫外線照射装置に搭載されている。紫外線照射装置では、硬化ムラが無いように被照射面に均一な照度の紫外線を照射することが望まれる。

図２は、本実施形態の照明光学装置１の概略構成を示す図である。図２に示されるように、照明光学装置１は、横３個×縦３個にマトリクス状に配置された９個の照明光学ユニット１０を有する。照明光学ユニット１０の個々は、被照射面上の照明範囲Ｓの一部であってそれぞれ異なる照明範囲Ｓ_１〜Ｓ_９を照明する。照明光学装置１全体としては、照明範囲Ｓ_１〜Ｓ_９からなる照明範囲Ｓを照明する。本実施形態の照明光学装置１を採用すると、照明光学ユニット１０の個数や配置を変更するだけで照明範囲を自在に変えることができる。照明範囲を変えるに際して光学系を新たに設計・製造する必要がないため、製造コスト負担が大幅に抑えられる。

各照明範囲Ｓ_１〜Ｓ_９は照明光学ユニット１０の収差等の影響で周辺の光量が徐々に低下する（ダレる）。そのため、後に詳説するように、各照明範囲Ｓ_１〜Ｓ_９の周辺は、照明範囲Ｓを装置全体として均一に照明するため、隣接する照明ユニットと照明範囲が重なるように設定されている。図２においては、図面を明瞭にする便宜上、隣接する照明範囲同士の重なりを図示していない。

本実施形態においては、照明光学装置１の具体的構成例を２例説明する。

図３は、本発明の実施例１の照明光学装置１を構成する照明光学ユニット１０の構成を示す図である。図３に示されるように、本実施例１の照明光学ユニット１０は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子とカバーガラスからなるＬＥＤパッケージ１１、ロッド光学素子１２、集光光学系１３を有する。ＬＥＤ素子が射出した光は、カバーガラスを介してロッド光学素子１２に入射する。ロッド光学素子１２に入射した光は、ロッド光学素子１２内を伝播して射出端面１２ａから射出して、集光光学系１３に入射する。集光光学系１３は、第１レンズ１４と第２レンズ１５を有する２枚構成である。入射光は、第１レンズ１４、第２レンズ１５を順に透過して、被照射面上の照明範囲Ｓ_１（又はＳ_２〜Ｓ_９）で像を結ぶ。

ロッド光学素子１２の射出端面１２ａと被照射面は光学的に共役である。照明光学ユニット１０の被照射面上の照明範囲は、射出端面１２ａの面積（ロッド光学素子１２の有効光束領域であって矩形状）と集光光学系１３の倍率で決まる。照明光学ユニット１０は、個々で被照射面上の１０．０ｍｍ×１０．０ｍｍの領域を照明する。本実施例１の照明光学ユニット１０の具体的数値構成は次に示す通りである。

ＬＥＤパッケージ１１
ＬＥＤ素子：発光面積０．８ｍｍ×０．８ｍｍ、発光波長３６５ｎｍ
カバーガラス：合成石英、有効光束径φ４．４ｍｍ
ロッド光学素子１２
合成石英、寸法：Ｈ３．０ｍｍ×Ｗ３．０ｍｍ×Ｄ２０．０ｍｍ
集光光学系１３
第１レンズ１４：合成石英、有効光束径φ９．８ｍｍ
第２レンズ１５：Ｅ−ＦＤ２（硝材名）、有効光束径φ９．８ｍｍ

表１中、ｒ（単位：ｍｍ）は光学部材の各面の曲率半径を、ｄ（単位：ｍｍ）は光軸ＡＸ上の光学部材厚又は光学部材間隔を、ｎ（単位：ｎｍ）は使用波長（３６５ｎｍ）に対する屈折率を、Ｋはコーニック定数を、それぞれ示す。なお、本実施例１の表又は図面についての説明は、以降の実施例２で提示される表又は図面においても適用する。

図４は、本実施例１の照明光学ユニット１０の被照射面上の照度分布を示す照度分布図である。図４に示されるように、本実施例１の照明光学ユニット１０単体では、被照射面が均一な照度で照明される。

ところで、照明光学ユニット１０の各照明範囲Ｓ_１〜Ｓ_９の周辺は、上述したように、隣接する照明範囲と重なるように設定されている。そのため、各照明範囲の周辺で照度が高いという問題が生じ得る。この問題を図１を用いて説明する。

図１（ａ）は、横３個×縦３個の複数の光源を持つ照明光学装置の照明範囲を模式的に示す図である。図１（ａ）中、各矩形領域（実線）は、個々の光源から照射された光束の理想的な照明範囲を示す。しかし、実際には照明光学系の収差等の影響のため、個々の光源の照明範囲の周辺部を鋭いエッジ状に立てることは難しく、徐々に暗くなる部分（ダレ）が残存してしまう。従って、個々の光源の照明範囲は、図１（ａ）の各矩形領域（破線）で示されるように理想的な照明範囲に対して大きめに設定されている。破線は、説明の便宜上、図１（ａ）の左下側の２×２の照明範囲にのみ付している。

実際の照明範囲が大きめに設定された個々の光源を並べると、隣接する照明範囲のダレの部分が重なる。照明範囲が重なる領域は、他の領域より照度が強くなる。図１（ｂ）は、図１（ａ）において破線で囲まれた４つの矩形領域の照度分布を示す照度分布図である。図１（ｂ）に示されるように、各照明範囲の周辺（境界線部）は、隣接する照明範囲のダレ部分で重なるように配置される。各照明範囲の頂角付近では最大で４つの照明範囲が重なるため、照度が際立って高くなってしまう。このように、複数の光源を単に並べただけの照明光学装置においては、照度が一部の領域で高いため照明範囲全体として不均一になる問題がある。そこで、本実施例１においては、被照射面の共役面である射出端面１２ａの各頂角を含む領域に透過率を低下させる処理が施されている。

図５は、本実施例１のロッド光学素子１２の射出端面１２ａを被照射面側から正対して臨んだときの図である。図５においては説明の便宜上、横方向の外形寸法に符号Ｌを付し、縦方向の外形寸法に符号Ｈを付す。図５中、破線は、光軸（中心軸）ＡＸを中心としたロッド光学素子１２の外形寸法より一回り小さい（外形寸法に対して縦横共に０．９倍の寸法）矩形領域である。ここでは、説明の便宜上、縦Ｈ×横Ｌの外形寸法＝ロッド光学素子１２の有効光束領域である。

ロッド光学素子１２の射出端面１２ａは、各頂角を含む領域１２ｂの透過率は、それ以外の領域の透過率を１００としたときに５２となるように処理されている。なお、ここでいう１００の透過率とは、例えば厳密には１００％ではないが実質的に１００％といっても差し支えない透過率である。領域１２ｂの透過率を低下させるため、具体的には領域１２ｂをスリ面加工したり領域１２ｂに減光フィルタを接着したりしている。又は、領域１２ｂを面取り加工してもよい（つまり、領域１２ｂを射出端面１２ａに対して傾斜面にする）。スリ面加工は他の領域より散乱の度合いを高くすることで実質的な透過率を低下させる効果を持つ。領域１２ｂ（以下、「減光領域１２ｂ」と記す。）は、二辺が長さ０．１５ｍｍを持つ二等辺三角形であり、その全体が図５の破線領域よりも外側に配置されている。

図６（ａ）は、本実施例１において横２個×縦２個の照明光学ユニット１０（配置は図１（ａ）参照）の被照射面上の照度分布を示す照度分布図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の照度分布図を同図中２つの点Ｐを含む平面で切断したときの断面プロット図であり、照度分布を二次元的に示している。図６（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施例１においては、減光領域１２ｂによる減光作用により照明範囲が重なる領域の照度が抑えられている。その結果、被照射面を複数の照明光学ユニット１０で照明しているにも拘わらず照度分布がほぼ均一である。

減光領域１２ｂの全体を破線領域（図５）よりも外側に配置すると、照度分布が均一になる効果が特に高い。減光領域１２ｂの透過率を４０〜６０％の範囲に設定した場合も、照度分布が均一になる効果が特に高い。減光領域１２ｂは、遮光領域とした場合、光量不足のデメリットが大きい。そのため、減光領域１２ｂは、光を完全には遮蔽しない領域となっている。

（本実施例１に対する比較例Ａ）
本実施例１の照明光学装置１の効果を比較例Ａを用いて説明する。比較例Ａの照明光学装置は、ロッド光学素子１２の射出端面１２ａに減光領域１２ｂを設けない点を除き（すなわち、透過率が射出端面１２ａの全域にわたり１００％）、本実施例１の照明光学装置１と同一の構成を有する。図７（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、比較例Ａにおける照度分布を示す図６（ａ）、（ｂ）と同様の図である。図７（ａ）、（ｂ）に示されるように、比較例Ａにおいては、照明範囲が重なる領域で光量が増加して照度が高くなる。照度は照明範囲全体として不均一である。

図８は、本発明の実施例２の照明光学装置１を構成する照明光学ユニット１０の構成を示す図である。図８に示されるように、本実施例２の照明光学ユニット１０は、ＬＥＤパッケージ１１、コンデンサレンズ２１、フライアイ光学素子２２、集光レンズ２３を有する。ＬＥＤ素子が射出した光は、カバーガラス、コンデンサレンズ２１を介してフライアイ光学素子２２の入射端面２２ａに入射する。入射端面２２ａに入射した光は、フライアイ光学素子２２から射出して、集光レンズ２３を介して被照射面上の照明範囲Ｓ_１（又はＳ_２〜Ｓ_９）で像を結ぶ。

フライアイ光学素子２２の入射端面２２ａと被照射面は光学的に共役である。照明光学ユニット１０の被照射面上の照明範囲は、フライアイ光学素子２２を構成する各光学セルの有効光束領域（矩形状）と集光レンズ２３の倍率で決まる。照明光学ユニット１０は、個々で被照射面上の１０．０ｍｍ×１０．０ｍｍの領域を照明する。本実施例２の照明光学ユニット１０の具体的数値構成は次に示す通りである。

ＬＥＤパッケージ１１
本実施例１と同一
コンデンサレンズ２１
ＦＤＳ９０（硝材名）、有効光束径φ８．０ｍｍ
フライアイ光学素子２２
ＰＭＭＡ（Polymethylmethacrylate）、横９セル×縦９セル
各光学セルの寸法：Ｈ１．０ｍｍ×Ｗ１．０ｍｍ×Ｄ４．２ｍｍ、
集光レンズ２３
合成石英、有効光束径φ９．８ｍｍ

図９は、本実施例２の照明光学ユニット１０の被照射面上の照度分布を示す照度分布図である。図９に示されるように、本実施例２の照明光学ユニット１０単体では、被照射面が均一な照度で照明される。

本実施例２においては、フライアイ光学素子２２を構成する各光学セルの照明範囲の周辺が、隣接する照明範囲と重なるように設定されている。本実施例２においては、被照射面の共役面である入射端面２２ａに並ぶ各光学セルの入射端面（以下、符号「２２０ａ」を付す。）の各頂角を含む領域に透過率を低下させる処理が施されている。

図１０は、本実施例２のフライアイ光学素子２２を構成する光学セルの一つを物体側から正対して臨んだときの図である。図１０中、符号ＡＸ’は、光学セルの光軸（中心軸）である。ここでは、説明の便宜上、縦Ｈ×横Ｌの外形寸法＝光学セルの有効光束領域である。

光学セルの入射端面２２０ａは、各頂角を含む領域２２０ｂの透過率が、それ以外の領域の透過率を１００としたとき、４２となるように処理されている。領域２２０ｂは、スリ面加工、面取り加工、減光フィルタ接着などにより透過率が下げられている。領域２２０ｂ（以下、「減光領域２２０ｂ」と記す。）は、二辺が長さ０．０５ｍｍを持つ二等辺三角形であり、その全体が図１０の破線領域よりも外側に配置されている。

図１１（ａ）は、本実施例２において横２個×縦２個の照明光学ユニット１０（配置は図１（ａ）参照）の被照射面上の照度分布を示す照度分布図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の照度分布図を同図中２つの点Ｐを含む平面で切断したときの断面プロット図であり、照度分布を二次元的に示している。図１１（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施例２においては、減光領域２２０ｂによる減光作用により照明範囲が重なる領域の照度が抑えられている。その結果、被照射面を複数の照明光学ユニット１０で照明しているにも拘わらず照度分布がほぼ均一である。

減光領域２２０ｂの全体を破線領域（図１０）よりも外側に配置すると、照度分布が均一になる効果が特に高い。減光領域２２０ｂの透過率を４０％〜６０％の範囲に設定した場合も、照度分布が均一になる効果が特に高い。減光領域２２０ｂは、遮光領域とした場合、光量不足のデメリットが大きい。そのため、減光領域２２０ｂは、光を完全には遮蔽しない領域となっている。

（本実施例２に対する比較例Ｂ）
本実施例２の照明光学装置１の効果を比較例Ｂを用いて説明する。比較例Ｂの照明光学装置は、フライアイ光学素子２２を構成する各光学セルの入射端面２２０ａに減光領域２２０ｂを設けない点を除き（すなわち、透過率が入射端面２２０ａの全域にわたり１００％）、本実施例２の照明光学装置１と同一の構成を有する。図１２（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、比較例Ｂにおける照度分布を示す図１１（ａ）、（ｂ）と同様の図である。図１２（ａ）、（ｂ）に示されるように、比較例Ｂにおいては、照明範囲が重なる領域で光量が増加して照度が高くなる。照度は照明範囲全体として不均一である。

このように、本実施形態の照明光学装置１によれば、照明光学ユニット１０の個数や配置を変更するだけで照明範囲を自在に変えることができる。照明範囲を変えるに際して光学系を新たに設計・製造する必要がないため、製造コスト負担が大幅に抑えられる。また、被照射面上の照明範囲が重なる領域に対応する共役面上の領域の透過率を他の共役面上の領域よりも低くすることにより、照明範囲全体の照度を均一にすることができる。なお、照明範囲が重なる領域に対応する共役面上の全ての領域の透過率を低下させなくても照明範囲の照度均一化の効果は得られる。例えば本実施例１又は２においては、矩形の有効光束領域の四隅全てに減光のための処理が施されている。しかし、減光のための処理を一隅にだけ施しても照度均一化の効果は得られる。

以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば本発明に係る照明光学装置は、紫外線照射装置に限らず投影装置等の他の形態の装置に搭載してもよい。

１照明光学装置
１０照明光学ユニット
１１ＬＥＤパッケージ
１２ロッド光学素子
２１コンデンサレンズ
２２フライアイ光学素子

Claims

単一の範囲を照射する照明光学ユニットを各々の照明範囲の周辺が隣接する照明範囲の周辺と重なるように複数並べて該単一の範囲より広い範囲を照明する照明光学装置であって、
各前記照明光学ユニットは、
照明光を射出する光源と、
前記照明光を被照射面上に集光する集光光学系と、
各々が矩形状の有効光束領域を持つ複数の光学レンズがアレイ状に配置され、前記光源と前記集光光学系とを結合するフライアイ光学素子と、
を備え、
前記光学レンズの、前記照明範囲の周辺に対応する少なくとも一部の入射端面上の領域に、透過率が他の領域よりも低い低透過率領域を設けたことを特徴とする照明光学装置。
前記低透過率領域以外の領域の透過率を１００としたとき、該低透過率領域の透過率は４０〜６０であることを特徴とする、請求項１に記載の照明光学装置。
前記低透過率領域は、前記入射端面上の有効光束領域の第一の方向の長さをＨと定義し、該第一の方向と直交する第二の方向の長さをＬと定義した場合、前記光学レンズの光軸を中心に０．９Ｈ×０．９Ｌの大きさを持つ矩形領域の外側に全体が位置することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の照明光学装置。
前記低透過率領域は、前記入射端面上の有効光束領域の少なくとも一つの頂角を含む領域であることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の照明光学装置。
前記頂角は、面取り加工されていることを特徴とする、請求項４に記載の照明光学装置。
前記低透過率領域は、スリ面加工された領域又は減光フィルタが接着された領域であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の照明光学装置。