JP6002964B2

JP6002964B2 - レーザ照明装置

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Publication number: JP6002964B2
Application number: JP2012018729A
Authority: JP
Inventors: 梶山　康一; 康一梶山; 水村　通伸; 通伸水村; 良勝柳川
Original assignee: V Technology Co Ltd
Current assignee: V Technology Co Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP2013156555A

Description

本発明は、レーザアニーリング等に使用されるレーザ照明装置に関し、特に、フライアイレンズを透過して強度が均一化されたパルスレーザ光の干渉縞による照明ムラを低減できるレーザ照明装置に関する。

従来、レーザアニーリング等に使用されるレーザ照明装置には、レーザ光の光軸に垂直な面内における強度を均一化するために、フライアイレンズが使用されている。即ち、フライアイレンズは、複数個の凸レンズが碁盤の目状に配置されて全体として略平板状に形成されたものであり、レーザ光をフライアイレンズに透過させることにより、各凸レンズに透過した光は、夫々、焦点に集光された後、拡散し、複数本に分割されたレーザ光が重畳的に次の光学系部材へと入射される。これにより、フライアイレンズへの入射光が例えば光軸に垂直な面内にて不均一な強度分布を有する場合においても、この強度分布を均一化することができる。例えば光源から出射されるレーザ光は、その強度が光軸に垂直な面内にてガウス分布を有していたり、例えば全反射ミラー等の光学部材に反射されることにより、照度ムラが発生する場合があるが、フライアイレンズを設置することにより、これらを解消することができる。

しかし、レーザ照明装置にフライアイレンズを使用した場合、レーザ光のコヒーレンシー（可干渉性）により、レーザ光の照射領域に干渉縞が生じ、これにより照明ムラが発生するという問題点がある。

よって、フライアイレンズを透過することにより発生する干渉縞を低減するための技術が種々提案されている。例えば、特許文献１においては、レーザ光の幅を広げるビームエキスパンダとフライアイレンズとの間に、レーザ光の干渉を低減するための光路差調整部材を設けている。

また、本願発明者等は、特許文献２において、光源から出射されたレーザ光の光路上に、複数本の光透過性部材からなる第１の光路差調整部材を配置し、第１の光路差調整部材の透過光をフライアイレンズに透過させてレーザ光の強度を均一化し、コンデンサレンズに透過させて平行光にした後、複数枚の板状の光透過性部材からなる第２の光路差調整部材に透過させ、この透過光を更にフライアイレンズに透過させることにより、干渉縞を低減する技術を提案した。

特開２００４−１２７５７号公報特開２０１０−１８２７３１号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２のレーザ照明装置によっても、干渉縞を十分に解消できない場合がある。例えば、光路差調整部材は、一定の光路長を有するため、各レーザ光の波長により取り換える必要があり、レーザ光の波長のみを変化させた場合には、干渉縞が発生して、これにより、レーザ光の照射領域に照明ムラが生じるという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、フライアイレンズの透過光の干渉縞による照明ムラを低減できるレーザ照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ照明装置は、パルスレーザ光を出射する光源と、この光源からのパルスレーザ光の光路上に配置され前記パルスレーザ光の強度を光軸に垂直な面内で均一化する１又は複数個のフライアイレンズと、前記フライアイレンズを透過したパルスレーザ光の光路上に配置され入射光を平行光にして透過させる複数個のコンデンサレンズと、前記光源と最終段に配置されたコンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され入射光に対してその偏向方向を前記レーザ光の光軸に垂直の面内でＸ方向に連続的に変化させて透過させる第１の電気光学結晶素子と、前記光源と最終段のコンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され入射光に対してその偏向方向を前記レーザ光の光軸に垂直の面内で前記Ｘ方向に垂直のＹ方向に連続的に変化させて透過させる第２の電気光学結晶素子と、前記各電気光学結晶素子に対する印加電圧を相互に関連して制御して前記フライアイレンズによる照射面上の干渉縞を２次元的に連続移動させる制御部と、を有し、
各前記電気光学結晶素子は、前記パルスレーザ光の光軸に平行に配置された１対の電極と、この電極間に配置された光学結晶材料と、を有し、
前記パルスレーザ光が出射されたタイミングから、所定の遅延時間後に、前記電極間へのランプ波形の電圧の印加を開始し、時間の経過と共に徐々に両電極間の電圧を増加させて、所定時間後に０に戻して、前記電極間に電界を発生させることにより、前記電気光学結晶素子の屈折率を変化させて前記入射光に対してその偏向方向を変化させると共に、
前記電極間に印加される電圧の周期は、前記パルスレーザ光の周期と同期していることを特徴とする。
本発明に係る他のレーザ照明装置は、パルスレーザ光を出射する光源と、この光源からのパルスレーザ光の光路上に配置され前記パルスレーザ光の強度を光軸に垂直な面内で均一化する１又は複数個のフライアイレンズと、前記フライアイレンズを透過したパルスレーザ光の光路上に配置され入射光を平行光にして透過させる複数個のコンデンサレンズと、前記光源と最終段に配置されたコンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され入射光に対してその偏向方向を前記レーザ光の光軸に垂直の面内でＸ方向に連続的に変化させて透過させる第１の電気光学結晶素子と、前記光源と最終段のコンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され入射光に対してその偏向方向を前記レーザ光の光軸に垂直の面内で前記Ｘ方向に垂直のＹ方向に連続的に変化させて透過させる第２の電気光学結晶素子と、前記第１の電気光学結晶素子と前記第２の電気光学結晶素子との間に設置され、前記第１の電気光学結晶素子を通過したレーザ光の偏光面を９０°回転させた後、前記第２の電気光学結晶素子に入射させる半波長板と、前記各電気光学結晶素子に対する印加電圧を相互に関連して制御して前記フライアイレンズによる照射面上の干渉縞を２次元的に連続移動させる制御部と、を有することを特徴とする。

上記本発明に係る他のレーザ照明装置において、例えば、各前記電気光学結晶素子は、前記パルスレーザ光の光軸に平行に配置された１対の電極と、この電極間に配置された光学結晶材料と、を有し、前記電極間に電圧を印加して電界を発生させることにより、前記電気光学結晶素子の屈折率を変化させて前記入射光に対してその偏向方向を変化させる。この場合に、前記電極間に印加する電圧の周期は、前記パルスレーザ光の周期と同期していることが好ましい。

また、前記制御部は、前記第１の電気光学結晶素子によるレーザ光の偏向方向の変化速度が、前記第２の電気光学結晶素子によるレーザ光の偏向方向の変化速度よりも高速となるように、前記印加電圧を制御することが好ましい。

本発明に係るレーザ照明装置は、更に、前記電気光学結晶素子と前記コンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され、入射光をその光軸から広がるように拡散させて透過させる光拡散素子を有するか、又は、更に、前記電気光学結晶素子と前記コンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され、入射光をその光軸に対して偏向させて透過させる偏向素子を有することができる。

本発明に係るレーザ照明装置は、パルスレーザ光をフライアイレンズに通すことにより、パルスレーザ光の光強度を２次元的に均一化するが、このフライアイレンズを透過する際に発生する干渉縞を、第１及び第２の電気光学結晶素子により２次元的に移動させて、照度ムラを防止する。即ち、パルスレーザ光が第１の電気光学結晶素子を透過する際に、パルスレーザ光はその偏向方向が光軸に垂直の面内でＸ方向に連続的に変化し、パルスレーザ光が第２の電気光学結晶素子を透過する際に、パルスレーザ光はその偏向方向が光軸に垂直の面内でＹ方向に連続的に変化する。このため、制御部が第１及び第２の電気光学結晶素子に印加する駆動電圧を相互に関連させて制御することにより、パルスレーザ光はその偏向方向がＸ方向及びＹ方向に変化し、フライアイレンズを透過して発生した干渉縞は、レーザ光の光軸に垂直の面内で、Ｘ方向及びＹ方向の２次元的に移動する。即ち、干渉縞は、例えば、Ｘ方向及びＹ方向を含むＸ−Ｙ面内で、波状に移動する。このため、レーザ照明装置から出射されるパルスレーザ光には、干渉縞による照度ムラが低減され、その輝度がレーザ光の照射領域の全体で均一化され、照明ムラを低減することができる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ照明装置の構成を示す模式図である。（ａ）乃至（ｃ）は、本実施形態に係る電気光学結晶素子の構成を示す図である。本実施形態に係る電気光学結晶素子への印加電圧波形とパルスレーザ光のレーザ出力波形との関係を示す図である。本実施形態のレーザ出力と、電気光学結晶素子のＸ方向及びＹ方向の駆動電圧のスキャンを示す図である。本実施形態の干渉縞の移動を示す図である。本発明の第２実施形態に係るレーザ照明装置の構成を示す模式図である。本実施形態の偏向素子の一例を示す図である。本発明の第３実施形態に係るレーザ照明装置の構成を示す模式図である。本実施形態の光拡散素子の一例を示す図である。本発明の第４実施形態に係るレーザ照明装置の構成を示す模式図である。レーザ光の偏向方向を一方向に変化させる場合の駆動電圧の波形等を示す図である。レーザ光の偏向方向を一方向に変化させた場合の干渉縞（点で示す）の減少を示す図である。（ａ）はレーザ光の偏向方向をＸ方向及びＹ方向の二方向に変化させる場合の駆動電圧の波形を示す図、（ｂ）はそれによる干渉縞スポットの移動を示す図である。レーザ光の偏向方向をＸ方向及びＹ方向の二方向に変化させた場合の干渉縞（点で示す）の減少を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るレーザ照明装置について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ照明装置の構成を示す模式図、図２（ａ）乃至図２（ｃ）は、本発明の実施形態にて使用される電気光学結晶素子の構成を示す図である。本発明のレーザ照明装置は、従来のレーザ照明装置と同様に、パルスレーザ光１１を出射する光源１、パルスレーザ光の強度を光軸に垂直な面内で均一化する均一化部材としての第１のフライアイレンズ２、及びレーザ光の透過方向の最も下流側に設けられ、入射光を平行光にして透過させる第２のコンデンサレンズ３２を有する。本実施形態においては、更に、図１に示すように、レーザ照明装置には、フライアイレンズ２を透過したパルスレーザ光１２の光路上に第１のコンデンサレンズ３１が設けられており、この第１のコンデンサレンズ３１に透過されることにより、フライアイレンズ２の透過光１２は平行光１３となる。また、第１のコンデンサレンズ３１の透過光１３の光路上には、更に第２のフライアイレンズ４が設けられており、これにより、パルスレーザ光の光軸に垂直な面内における強度が更に均一化されるように構成されている。

本実施形態においては、図１に示すように、第２のフライアイレンズ４を透過したパルスレーザ光の光路上に、第１の電気光学結晶素子５Ａと第２の電気光学結晶素子５Ｂが直列に設けられており、電気光学結晶素子５Ａ、５Ｂに入射したレーザ光は、その偏向方向が連続的に２次元的に変化して透過するように構成されている。これらの第１電気光学結晶素子５Ａと、第２電気光学結晶素子５Ｂとの間には、半波長板８（λ／２板）が配置されており、半波長板８は、第１電気光学結晶素子５Ａを透過したレーザパルス光１４に対し、１８０°の位相差を生じさせて、直線偏光の偏向方向を変えた後、第２電気光学結晶素子５Ｂに入射させる。そして、電気光学結晶素子５Ａ，５Ｂの透過光が、第２のコンデンサレンズ３２に透過して、平行光のパルスレーザ光として出射される。なお、本発明においては、例えば図１に示すように、各光学素子間には、全反射ミラー等の光学部材を配置してもよい。

光源１は、パルスレーザ光を出射するレーザ光源であり、例えばＱスイッチによるレーザ発振により、所定の周期でレーザ光がパルス状に出射される。例えばパルスレーザ光の周波数は５０Ｈｚ（周期：２０ミリ秒）、パルス幅は２２０ｎ秒である。

レーザ強度を均一化する均一化部材としての第１及び第２のフライアイレンズ２，４は、従来と同様に、複数個の凸レンズが碁盤の目状に配置されて全体として略平板状に形成されたものであり、レーザ光をフライアイレンズに透過させることにより、各凸レンズに透過した光は、夫々、焦点に集光された後、拡散し、複数本に分割されたレーザ光が重畳的に次の光学系部材へと入射され、これにより、フライアイレンズ２，４への入射光が例えば光軸に垂直な面内にて不均一な強度分布を有する場合においても、この強度分布を均一化できる。

第１及び第２のコンデンサレンズ３１，３２は、所謂、集束レンズであり、コンデンサレンズに入射した露光光は、平行光として透過される。

電気光学結晶素子５（５Ａ，５Ｂ）は、例えば図２（ａ）に示すように、パルスレーザ光１０の光軸に平行に配置された１対の三角形状の電極５２，５３及びこれらの電極５２，５３間に配置された直方体状の光学結晶材料５１により構成されており、電極５２，５３間には電圧を印加できるように構成されている。電極５２，５３は三角形状をなし、光学結晶材料５１はこの電極５２，５３間で挟まれているが、電極５２，５３が存在しない部分では、光学結晶材料５１の上面及び下面が露出している。光学結晶材料５１は、例えばＬｉ及びＮｂからなる光透過性の結晶材料（ＬＮ結晶材料）であり、電極５２，５３間に電圧を印加して電界Ｅを発生させることにより、電極５２，５３間の光学結晶材料５１の部分と、電極５２，５３が存在しない光学結晶材料５１の部分との境界で、光学結晶材料５１の屈折率が変化する。即ち、図２（ｂ）に示すように、電極５２，５３間に印加する電圧が０の場合には、電界Ｅは発生せず（Ｅ＝０）、光学結晶材料５１に入射したパルスレーザ光１０は、偏向方向を変えずにそのまま透過され（図２（ｂ）における透過光１０ａ）、図２（ｃ）に示すように、電極５２，５３間に電圧を印加すると、電界Ｅが発生することにより、光学結晶材料５１に入射したパルスレーザ光１０は、入射方向に対してその偏向方向を変化させて透過される（図２（ｃ）における透過光１０ｂ）。例えば、光学結晶材料５１がＬＮ結晶材料の場合、透過する光の波長は、３７０乃至５０００ｎｍであり、使用されるパルスレーザ光の波長を含む。ＬＮ結晶材料の屈折率ｎは、電圧の印加により発生する電界Ｅ［Ｖ／ｍ］に対して下記数式１及び２により与えられ、電界の強さＥに比例する。なお、下記数式１及び２におけるｎ_ｅ及びｒ_３３は、夫々係数であり、例えばパルスレーザ光の波長が１０６４ｎｍのとき、ｎ_ｅ＝２．１５６、ｒ_３３＝３．２×１０^−１１［ｍ／Ｖ］である。

電気光学結晶素子５の電極５２，５３間に印加される電圧は、例えば図３に示すように、連続的に変化するように印加される。よって、電気光学結晶素子５の透過光の偏向方向も連続的に変化する。なお、図３においては、パルスレーザ光のレーザ出力波形を電気光学結晶素子への印加電圧波形と並べて示してある。

図３に示すように、電気光学結晶素子５の電極５２，５３間に印加される電圧は、その周期がパルスレーザ光の周期と同期していることが好ましい。即ち、光源１からＱスイッチによるレーザ発振により、パルスレーザ光が出射されると、パルスレーザ光の出力は、徐々に増大し、最大値付近で増減を繰り返した後、減少し、やがて０となる。このとき、パルスレーザ光が出射されたタイミングで、トリガパルスを出力させ、このトリガパルスに対して、所定の遅延時間ｔ後に、電極５２，５３間への電圧の印加を開始して電界Ｅを発生させる。電極５２，５３間に印加する電圧を、図３に示すように、例えばランプ波形の電圧とし、時間の経過と共に、徐々に両電極間の電圧を増加させ、所定時間後に０に戻す。このように、印加電圧の周期をパルスレーザ光の周期に同期させることにより、電極５２，５３間に印加する電圧の制御が容易となる。

本実施形態においては、第１の電気光学結晶素子５Ａの電極間に電圧を印加することにより、第１の電気光学結晶素子５Ａを透過するレーザ光に対し、図５に示すレーザ光の光軸に垂直な面Ｓ内で、ある特定のＸ方向、例えば、水平方向にレーザ光を偏向させる。一方、第２の電気光学結晶素子５Ｂは、電圧を印加することにより、レーザ光に対し、図５に示す面Ｓ内で、Ｘ方向に垂直のＹ方向、例えば、垂直方向にレーザ光を偏向させる。これにより、干渉縞スポット８は、図５に示すように、Ｘ―Ｙ面内で、２次元的に移動する。このＸ方向用の第１の電気光学結晶素子５ＡとＹ方向用の第２の電気光学結晶素子５Ｂとは、結晶軸方向が９０°異なるため、レーザ光の偏光面も９０°異ならせる必要がある。このため、第１の電気光学結晶素子５Ａと第２の電気光学結晶素子５Ｂとの間に、半波長板８を設置し、この半波長板８により、第１の電気光学結晶素子５Ａを通過したレーザ光の偏光面を９０°回転させた後、第２の電気光学結晶素子５Ｂに入射させる。

図４は、レーザ光のパルスと、第１及び第２の電気光学結晶素子５Ａ，５Ｂによる偏向方向との関係を示す図である。レーザ光の１パルスにおいて、第１の電気光学結晶素子５Ａには、３周期で変化する電圧を印加し、第１の電気光学結晶素子５Ａを透過するレーザ光に対し、Ｘ方向に３周期で変化する偏向を付与する。また、このレーザ光の１パルスにおいて、第２の電気光学結晶素子５Ｂには、一旦電圧が上昇した後、徐々に電圧が低下するパターンで電圧を印加し、Ｙ方向に微速の１周期で変化する偏向を付与する。図５には、レーザ光に偏向を付与しない場合に、フライアイレンズにより発生する干渉縞スポット８が格子状に現れているが、各干渉縞８は、上述のレーザ光の偏向方向をＸ方向及びＹ方向に相互に関連させて制御することにより、Ｙ方向に波状に移動する。干渉縞８はこのように２次元的に移動することにより、照明光の照射面において、照明光の強度ムラとして出現しなくなる。よって、レーザ照明装置から出射されたパルスレーザ光は、その輝度がレーザ光の照射領域の全体で均一化される。なお、干渉縞スポット８の出現ピッチをＸ方向及びＹ方向にｄ（例えば、１５０μｍ）とすると、１パルスにおけるＸ方向の干渉縞スポット８の移動距離（振幅）は、このｄに一致させることが好ましく、また、Ｙ方向の干渉縞スポット８の移動距離も、ｄに一致させることが好ましい。これにより、干渉縞スポット８は、格子位置に存在する４個の干渉縞スポット８に囲まれた領域内において、２次元的に移動するので、格子位置に存在する全ての干渉縞スポット８がＸ方向及びＹ方向に隣接する干渉縞スポット８に影響されずに、効率よく移動して、輝度を均一化することができ、レーザ光の照射領域における照明ムラを効果的に低減することができる。

次に、本発明の第１実施形態に係るレーザ照明装置の動作について説明する。先ず、光源１から例えばＱスイッチによるレーザ発振により、所定のタイミングでレーザ光１１が出射される。レーザ光１１の出力は、徐々に増大し、最大値付近で増減を繰り返した後、減少し、やがて０となる。そして、所定時間後に、再度レーザ発振により、レーザ光１１が出射されることが繰り返される。これにより、光源１から出射されるレーザ光は、パルス状に間欠的に出射されるパルスレーザ光となる。このとき、レーザ光１１を出射するタイミングで、トリガパルスを出力させ、このトリガパルスを、電気光学結晶素子５の電極間に電圧を印加するトリガとして使用する。

光源１から出射されたパルスレーザ光１１は、第１のフライアイレンズ２に入射する。第１のフライアイレンズ２は複数個の凸レンズが碁盤の目状に配列されており、入射光は、各凸レンズへの入射光として分割され、各凸レンズを透過した後、各凸レンズごとに、夫々、焦点に集光され、拡散していく。そして、複数本に分割されたパルスレーザ光１２は、重畳的に第１のコンデンサレンズ３１に照射される。これにより、第１のフライアイレンズ２を透過し、コンデンサレンズ３１に入射するパルスレーザ光１２は、光軸に垂直な面内にて強度分布が均一化される。

コンデンサレンズ３１を透過して平行光となったパルスレーザ光１３は、第２のフライアイレンズ４を透過することにより、強度分布が更に均一化される。そして、第２のフライアイレンズ４を透過後のレーザ光１４は、電気光学結晶素子５Ａ、５Ｂの光学結晶材料５１（例えばＬＮ結晶材料）に入射される。この電気光学結晶素子５Ａ，５Ｂには光学結晶材料５１を挟むように１対の電極が配置されており、前記トリガパルスから所定の遅延時間ｔ後に、電極５２，５３間への電圧の印加が開始されて電界Ｅが発生する。電極５２，５３間に印加される電圧は、例えばランプ波形の電圧であり、時間の経過と共に、徐々に両電極間の電圧が増加し、所定時間後、例えばパルスレーザ光の周期に同期して０に戻る。

この電極５２，５３間の電圧の変化に伴い、光学結晶材料５１の屈折率が連続的に変化する。よって、電気光学結晶素子５Ａ，５Ｂに入射したパルスレーザ光は、その偏向方向が連続的に変化して透過される。電気光学結晶素子５を透過したパルスレーザ光１５は、第２のコンデンサレンズ３２に透過されて、レーザ光の照射対象に平行光で出射される。

従来のレーザ光照射装置においては、パルスレーザ光の偏向方向は一定であるため、レーザ光の照射領域に干渉縞が生じ、これにより照度ムラが発生するという問題点があるが、本実施形態においては、電気光学結晶素子５Ａ、５Ｂにより、レーザ光の偏向方向をＸ方向及びＹ方向に連続的に変化させているため、干渉縞が発生する位置が連続的に変化し、２次元的に移動するため、輝度がレーザ光の照射領域の全体で均一化される。よって、レーザ光の照射領域における照度ムラを効果的に低減できる。

なお、図１１に示すように、例えば、２２０ｎｓのレーザパルスが電気光学結晶素子（ＬＮ結晶）を透過するタイミングで、１個のＬＮ結晶にパルス電圧を印加すると、レーザ光の偏向方向を一方向にのみ連続的に変化させることができる。この場合も、図１２に示すように、ＬＮ結晶に対するパルス電圧の印加がなく、レーザ光の偏向方向の制御をしなかった場合に比して、干渉縞による照度ムラは減少する。

一方、本発明の場合は、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１電気光学結晶素子５Ａに対し、駆動電圧をスキャンして（Ｘ方向スキャン）、レーザ光の偏向方向をＸ方向に変化させ、第２電気光学結晶素子５Ｂに対し、駆動電圧をスキャンして（Ｙ方向スキャン）、レーザ光の偏向方向をＹ方向に変化させるので、干渉縞スポットは、２次元的に移動する。このため、図１４に干渉縞スポットを示すように、スキャン・オンにより、干渉縞による照度ムラは更に一層顕著に減少する。なお、図１２の条件２は、４ショットを重ねた平均的な分布であるのに対し、図１４（スキャン・オン）は１ショットのみの分布であるため、図１４（スキャン・オン）は図１２（条件２）よりも、干渉縞が多く見えている。

なお、本実施形態のように、レーザ光の偏向方向をＸ方向に関して高速で変化させる場合、低速変化でよいＹ方向用の第２電気光学結晶素子５Ｂと同一の光学結晶材料でＸ方向用の第１電気光学結晶素子５Ａを作製するときは、例えば、第２電気光学結晶素子５Ｂは、光学結晶材料５１を電極５２，５３で挟んだ１個のコンデンサとみなすと、第１電気光学結晶素子５Ａは、このコンデンサを３個直列に接続したものとなる。第１電気光学結晶素子５Ａが１個の場合に静電容量がＣ_０であるとすると、第１電気光学結晶素子５Ａを３個直列接続したものは、静電容量が（１／３）Ｃ_０に低下する。これにより、全体の容量は、第１電気光学結晶素子５Ａが１個の場合に比して、３個の第１電気光学結晶素子５Ａを直列接続したものは、負荷容量が１／３に低下し、駆動電圧の高速の変化に対応して、屈折率を高速で変化させることができる。

なお、本実施形態においては、レーザ光の強度の均一化を目的として、フライアイレンズは２枚設けられているが、レーザ光の強度を十分に均一化できる場合には、フライアイレンズは１枚設けるだけでもよい。また、レーザ光の光路上における上流側の（第１の）コンデンサレンズ３１については、必ずしも設ける必要はない。

次に、本発明の第２実施形態に係るレーザ照明装置について説明する。図６は本発明の第２実施形態に係るレーザ照明装置の構成を示す模式図である。図６に示すように、本実施形態に係るレーザ照明装置には、電気光学結晶素子５Ａ，５Ｂと第２のコンデンサレンズ３２との間のパルスレーザ光１５の光路上に偏向素子６が設けられている。図７に示すように、偏向素子６は、例えば光透過性の材料からなる板状の部材の一方の面が傾斜するように成形されたものであり、例えば傾斜していない側の面からパルスレーザ光１５を入射させた場合に、傾斜面において、その偏向方向が変化するように構成された所謂ウェッジプリズムである。本実施形態においては、図７に示すように、偏向素子６は、例えば傾斜していない側の面がパルスレーザ光１５の光軸に対して垂直となるように配置され、前記光軸に対して回転可能に構成されており、これにより、偏向素子６から出射するパルスレーザ光１６の偏向方向が連続的に変化する。この偏向素子６の回転速度は、例えば１箇所のレーザ光照射部位につきＮショットのパルスレーザ光の照射を行う場合、レーザ光の周波数をＦ［Ｈｚ］として、Ｆ／Ｎ×６０［ｒｐｍ］である。

このように、本実施形態においては、入射光をその光軸に対して偏向させて透過させる偏向素子６を設けたことにより、電気光学結晶素子５Ａ，５Ｂによる連続的な偏向方向の２次元的な変化に加えて、偏向素子６によってもパルスレーザ光の偏向方向を連続的に変化させることができるため、第１実施形態に比して、干渉縞による照度ムラの発生を更に抑制することができる。なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様の種々の変形を行うことができる。

次に、本発明の第３実施形態に係るレーザ照明装置について説明する。図８は、本発明の第３実施形態に係るレーザ照明装置の構成を示す模式図である。図８に示すように、本実施形態に係るレーザ照明装置には、電気光学結晶素子５Ａ、５Ｂと第２のコンデンサレンズ３２との間のパルスレーザ光１５の光路上に光拡散素子７が設けられている。図９に示すように、光拡散素子７は、例えば光透過性の板状の部材の一方の面に磨りガラス状の粗面が形成された所謂拡散板であり、入射したパルスレーザ光１５をその光軸から広がるように拡散させて透過させる（図９におけるパルスレーザ光１７）ように構成されている。これにより、光拡散素子７への入射光（パルスレーザ光１５）は、光拡散素子７から偏向方向が拡散されてパルスレーザ光１７となってコンデンサレンズ３２に入射する。

本実施形態においては、入射光をその光軸から広がるように拡散させて透過させる光拡散素子７を設けたことにより、電気光学結晶素子５Ａ，５Ｂを透過して連続的に偏向方向が２次元的に変化したパルスレーザ光１５は、光拡散素子７を透過することにより、偏向方向が拡散されるため、第１実施形態に比して、干渉縞の発生が抑制され、照度ムラの発生を効果的に防止できる。なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様の種々の変形を行うことができる。

次に、本発明の第４実施形態に係るレーザ照明装置について説明する。本実施形態においては、図１０に示すように、第１実施形態のレーザ照明装置において、電気光学結晶素子５Ａ，５Ｂと第２のコンデンサレンズ３２との間のパルスレーザ光１５の光路上に第２実施形態の偏向素子６及び第３実施形態の光拡散素子７が設けられている。各構成の詳細な説明は省略する。

本実施形態においては、入射光をその光軸に対して偏向させて透過させる偏向素子６と、入射光をその光軸から広がるように拡散させて透過させる光拡散素子７を設けたことにより、電気光学結晶素子５Ａ，５Ｂによる連続的な偏向方向の２次元的な変化に加えて、偏向素子６によってもパルスレーザ光の偏向方向を連続的に変化させることができ、更に、パルスレーザ光が光拡散素子を透過することにより、偏向方向が拡散されるため、第１乃至第３実施形態に比して、干渉縞による照度ムラの発生を最も効果的に防止できる。

以上述べてきたように、本発明においては、第１及び第２の電気光学結晶素子をパルスレーザ光の光路上に設け、入射光に対してその偏向方向を２次元的に連続的に変化させて透過させることにより、フライアイレンズを透過することによる干渉縞の発生位置が連続的に変化し、これにより、レーザ照明装置から出射されたパルスレーザ光は、その輝度がレーザ光の照射領域の全体で均一化され、照明ムラを低減することができる。なお、上記各実施形態においては、細かい変動（スキャン）を与える第１電気光学結晶素子の偏向方向の変化方向が水平方向であり、緩やかな変動（スキャン）を与える第２電気光学結晶素子の偏向方向の変化方向が垂直方向であったが、これは逆でもよく、また、変化方向は水平及び垂直に限定するものでもなく、干渉縞を２次元的に移動させることができればその変化方向は任意である。

１：光源、２，４：フライアイレンズ、３１，３２：コンデンサレンズ、５（５Ａ，５Ｂ）：電気光学結晶素子（ＬＮ結晶素子）、６：偏向素子（ウェッジプリズム）、７：光拡散素子（拡散板）、８：半波長板、１０〜１７：パルスレーザ光、５１：光学結晶材料（ＬＮ結晶材料）、５２，５３：電極、５４：電源

Claims

パルスレーザ光を出射する光源と、
この光源からのパルスレーザ光の光路上に配置され前記パルスレーザ光の強度を光軸に垂直な面内で均一化する１又は複数個のフライアイレンズと、
前記フライアイレンズを透過したパルスレーザ光の光路上に配置され入射光を平行光にして透過させる複数個のコンデンサレンズと、
前記光源と最終段に配置されたコンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され入射光に対してその偏向方向を前記レーザ光の光軸に垂直の面内でＸ方向に連続的に変化させて透過させる第１の電気光学結晶素子と、
前記光源と最終段のコンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され入射光に対してその偏向方向を前記レーザ光の光軸に垂直の面内で前記Ｘ方向に垂直のＹ方向に連続的に変化させて透過させる第２の電気光学結晶素子と、
前記各電気光学結晶素子に対する印加電圧を相互に関連して制御して前記フライアイレンズによる照射面上の干渉縞を２次元的に連続移動させる制御部と、
を有し、
各前記電気光学結晶素子は、前記パルスレーザ光の光軸に平行に配置された１対の電極と、この電極間に配置された光学結晶材料と、を有し、
前記パルスレーザ光が出射されたタイミングから、所定の遅延時間後に、前記電極間へのランプ波形の電圧の印加を開始し、時間の経過と共に徐々に両電極間の電圧を増加させて、所定時間後に０に戻して、前記電極間に電界を発生させることにより、前記電気光学結晶素子の屈折率を変化させて前記入射光に対してその偏向方向を変化させると共に、
前記電極間に印加される電圧の周期は、前記パルスレーザ光の周期と同期していることを特徴とするレーザ照明装置。
パルスレーザ光を出射する光源と、
この光源からのパルスレーザ光の光路上に配置され前記パルスレーザ光の強度を光軸に垂直な面内で均一化する１又は複数個のフライアイレンズと、
前記フライアイレンズを透過したパルスレーザ光の光路上に配置され入射光を平行光にして透過させる複数個のコンデンサレンズと、
前記光源と最終段に配置されたコンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され入射光に対してその偏向方向を前記レーザ光の光軸に垂直の面内でＸ方向に連続的に変化させて透過させる第１の電気光学結晶素子と、
前記光源と最終段のコンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され入射光に対してその偏向方向を前記レーザ光の光軸に垂直の面内で前記Ｘ方向に垂直のＹ方向に連続的に変化させて透過させる第２の電気光学結晶素子と、
前記第１の電気光学結晶素子と前記第２の電気光学結晶素子との間に設置され、前記第１の電気光学結晶素子を通過したレーザ光の偏光面を９０°回転させた後、前記第２の電気光学結晶素子に入射させる半波長板と、
前記各電気光学結晶素子に対する印加電圧を相互に関連して制御して前記フライアイレンズによる照射面上の干渉縞を２次元的に連続移動させる制御部と、
を有することを特徴とするレーザ照明装置。
各前記電気光学結晶素子は、前記パルスレーザ光の光軸に平行に配置された１対の電極と、この電極間に配置された光学結晶材料と、を有し、前記電極間に電圧を印加して電界を発生させることにより、前記電気光学結晶素子の屈折率を変化させて前記入射光に対してその偏向方向を変化させることを特徴とする請求項２に記載のレーザ照明装置。
前記制御部は、前記第１の電気光学結晶素子によるレーザ光の偏向方向の変化速度が、前記第２の電気光学結晶素子によるレーザ光の偏向方向の変化速度よりも高速となるように、前記印加電圧を制御することを特徴とする請求項１又は３に記載のレーザ照明装置。
各前記電気光学結晶素子に対し、前記パルスレーザ光の周期と同期して、前記電極間に電圧を印加することを特徴とする請求項３に記載のレーザ照明装置。
更に、前記電気光学結晶素子と前記コンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され、入射光をその光軸から広がるように拡散させて透過させる光拡散素子を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
更に、前記電気光学結晶素子と前記コンデンサレンズとの間の前記パルスレーザ光の光路上に配置され、入射光をその光軸に対して偏向させて透過させる偏向素子を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。