JPH08146342A - 光混合光学素子及びそれを用いた照明装置 - Google Patents
光混合光学素子及びそれを用いた照明装置Info
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- JPH08146342A JPH08146342A JP6312578A JP31257894A JPH08146342A JP H08146342 A JPH08146342 A JP H08146342A JP 6312578 A JP6312578 A JP 6312578A JP 31257894 A JP31257894 A JP 31257894A JP H08146342 A JPH08146342 A JP H08146342A
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- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
- G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
- G03F7/70058—Mask illumination systems
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 光束の光強度分布の均一化を図り、被照射面
を均一に照明することのできる光混合光学素子及びそれ
を用いた照明装置を得ること。 【構成】 円錐面を有する２つの円錐状プリズムをそれ
らの回転対称軸を一致させて対向配置し、一方の円錐状
プリズムの回転対称軸に対して片側の円錐面に入射した
光束が他方の円錐状プリズムの回転対称軸に対して反対
側の円錐面に入射するように各要素を設定したこと。
を均一に照明することのできる光混合光学素子及びそれ
を用いた照明装置を得ること。 【構成】 円錐面を有する２つの円錐状プリズムをそれ
らの回転対称軸を一致させて対向配置し、一方の円錐状
プリズムの回転対称軸に対して片側の円錐面に入射した
光束が他方の円錐状プリズムの回転対称軸に対して反対
側の円錐面に入射するように各要素を設定したこと。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光混合光学素子及びそれ
を用いた照明装置に関し、特に光強度分布がガウス分布
状の光束断面内の空間的な光量分布の均一化を図り、被
照射面を均一照明することができる、例えば半導体素子
製造用の露光装置等に好適なものである。
を用いた照明装置に関し、特に光強度分布がガウス分布
状の光束断面内の空間的な光量分布の均一化を図り、被
照射面を均一照明することができる、例えば半導体素子
製造用の露光装置等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】最近の半導体素子製造技術には電子回路
の高集積化に伴い、高密度の回路パターンが形成可能の
リソグラフィ技術が要求されている。一般にマスク又は
レチクル面上の回路パターンをウエハ面上に高解像度で
転写する場合、回路パターンが形成されている被照射面
上を均一に照明することが要求される。
の高集積化に伴い、高密度の回路パターンが形成可能の
リソグラフィ技術が要求されている。一般にマスク又は
レチクル面上の回路パターンをウエハ面上に高解像度で
転写する場合、回路パターンが形成されている被照射面
上を均一に照明することが要求される。
【０００３】被照射面上の照度分布の均一化を図る方法
として、照明用光束の光束断面内の光強度分布を光混合
光学素子を用いて均一にし、該均一にした光束をコンデ
ンサーレンズ等の集光系を介して被照射面を照明する方
法がある。図３０，図３１，図３２は従来の照明用光束
の光束断面内の均一化を図る為の光混合光学素子を用い
た照明系の一部分の要部概略図である。
として、照明用光束の光束断面内の光強度分布を光混合
光学素子を用いて均一にし、該均一にした光束をコンデ
ンサーレンズ等の集光系を介して被照射面を照明する方
法がある。図３０，図３１，図３２は従来の照明用光束
の光束断面内の均一化を図る為の光混合光学素子を用い
た照明系の一部分の要部概略図である。
【０００４】図１９の照明系では、光源３１からの光束
を円柱状硝子（シングルロッド）３２の入射面３２ａか
ら導入し、円柱状硝子３２内で全反射させて光束を混合
して射出面３２ｂより光強度分布の均一な光束として射
出させている。
を円柱状硝子（シングルロッド）３２の入射面３２ａか
ら導入し、円柱状硝子３２内で全反射させて光束を混合
して射出面３２ｂより光強度分布の均一な光束として射
出させている。
【０００５】図２０の照明系では、光源３１からの光束
を複数のファイバーの光入射側３３ａと光出射側３３ｂ
の配列をランダムにしたランダムミックスの光ファイバ
ー束３３の光入射面３３ａに導入している。そして光出
射面３３ｂより光強度分布の均一な光束を射出させてい
る。
を複数のファイバーの光入射側３３ａと光出射側３３ｂ
の配列をランダムにしたランダムミックスの光ファイバ
ー束３３の光入射面３３ａに導入している。そして光出
射面３３ｂより光強度分布の均一な光束を射出させてい
る。
【０００６】図２１の照明系では、光源３１からの光束
をコリメーターレンズ３４で平行光束として複数の凸レ
ンズをその回転対称軸を光軸と平行に並列配置したフラ
イアイレンズ３５の入射面３５ａに導光している。そし
てフライアイレンズ３５の出射面３５ｂに形成した光強
度分布を均一にした２次光源からの光束をコンデンサー
レンズ３６により集光して被照射面（不図示）を照明し
ている。
をコリメーターレンズ３４で平行光束として複数の凸レ
ンズをその回転対称軸を光軸と平行に並列配置したフラ
イアイレンズ３５の入射面３５ａに導光している。そし
てフライアイレンズ３５の出射面３５ｂに形成した光強
度分布を均一にした２次光源からの光束をコンデンサー
レンズ３６により集光して被照射面（不図示）を照明し
ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】図１９〜図２１に示す
照明系では、出射光の光強度分布が光出射面からの距離
により各々異なっており、光出射面から任意の距離で均
一な光強度分布の光束を得るのが大変難しいという問題
点があった。今、光出射面（３２ｂ，３３ｂ，３５ｂ）
から遠方地点（距離ｄ）において最も効率良く均一な光
強度分布の光束で照射を行なおうとする場合の各要素に
ついて求めると次のようになる。
照明系では、出射光の光強度分布が光出射面からの距離
により各々異なっており、光出射面から任意の距離で均
一な光強度分布の光束を得るのが大変難しいという問題
点があった。今、光出射面（３２ｂ，３３ｂ，３５ｂ）
から遠方地点（距離ｄ）において最も効率良く均一な光
強度分布の光束で照射を行なおうとする場合の各要素に
ついて求めると次のようになる。
【０００８】光強度分布の均一化のための光学素子の光
出射端の大きさをａ、光強度分布の均一化のための光学
素子の出射光側に用いる光学系（コンデンサーレンズ）
の焦点距離をｆ、最も効率の良い照射範囲をｃとする。
このとき光強度分布の均一化のための光学素子の光出射
端の像を結像させ、そして最も効率良く照射できる照射
距離ｄを求める式は、 ａ／ｆ＝ｃ／ｄ となる。
出射端の大きさをａ、光強度分布の均一化のための光学
素子の出射光側に用いる光学系（コンデンサーレンズ）
の焦点距離をｆ、最も効率の良い照射範囲をｃとする。
このとき光強度分布の均一化のための光学素子の光出射
端の像を結像させ、そして最も効率良く照射できる照射
距離ｄを求める式は、 ａ／ｆ＝ｃ／ｄ となる。
【０００９】従ってコンデンサーレンズのフォーカシン
グのみでは、任意の照射地点において任意の照射範囲を
効率良く均一照射させることができない。また、図１
９，図２１の照明系においては各光学素子の充填率が高
くない（入射光損失が大きい）ため、光利用効率が悪い
という欠点もあった。
グのみでは、任意の照射地点において任意の照射範囲を
効率良く均一照射させることができない。また、図１
９，図２１の照明系においては各光学素子の充填率が高
くない（入射光損失が大きい）ため、光利用効率が悪い
という欠点もあった。
【００１０】本発明の第１の目的は、光源からの光束を
適切に設定した複数の円錐状プリズムを用いることによ
りガウス分布状の光強度分布の光束を光出射端から任意
の距離で均一な光強度分布の光束として光照射を行なえ
るようにした光混合光学素子及びそれを用いた照明装置
の提供にある。
適切に設定した複数の円錐状プリズムを用いることによ
りガウス分布状の光強度分布の光束を光出射端から任意
の距離で均一な光強度分布の光束として光照射を行なえ
るようにした光混合光学素子及びそれを用いた照明装置
の提供にある。
【００１１】本発明の第２の目的は、光源からの光束を
適切に設定した複数の円錐状プリズムを用いることによ
りガウス分布状の光強度分布の光束を用いて、被照射面
を照明する際、光出射光側にフォーカス機能を有する光
学系を備える場合には、フォーカス操作のみにより簡単
に任意の照射位置において任意の照射範囲を効率良く、
かつ均一な光強度分布の光照射を行なえるようにした光
混合光学素子及びそれを用いた照明装置の提供にある。
適切に設定した複数の円錐状プリズムを用いることによ
りガウス分布状の光強度分布の光束を用いて、被照射面
を照明する際、光出射光側にフォーカス機能を有する光
学系を備える場合には、フォーカス操作のみにより簡単
に任意の照射位置において任意の照射範囲を効率良く、
かつ均一な光強度分布の光照射を行なえるようにした光
混合光学素子及びそれを用いた照明装置の提供にある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の光混合光学素子
は、 （１−１）円錐面を有する２つの円錐状プリズムをそれ
らの回転対称軸を一致させて対向配置し、一方の円錐状
プリズムの回転対称軸に対して片側の円錐面に入射した
光束が他方の円錐状プリズムの回転対称軸に対して反対
側の円錐面に入射するように各要素を設定したことを特
徴としている。
は、 （１−１）円錐面を有する２つの円錐状プリズムをそれ
らの回転対称軸を一致させて対向配置し、一方の円錐状
プリズムの回転対称軸に対して片側の円錐面に入射した
光束が他方の円錐状プリズムの回転対称軸に対して反対
側の円錐面に入射するように各要素を設定したことを特
徴としている。
【００１３】特に、前記２つの円錐状プリズムをそれら
の底面を接合した形状の一体成形プリズムより構成した
ことを特徴としている。
の底面を接合した形状の一体成形プリズムより構成した
ことを特徴としている。
【００１４】本発明の照明装置は、 （１−２）光源から放射される光強度分布がガウス分布
状の光束を光混合光学素子を介した後に集光系により集
光して被複写面を照明する照明装置において、該光混合
光学素子は、円錐面を有する２つの円錐状プリズムをそ
れらの回転対称軸を一致させて対向配置し、一方の円錐
状プリズムの回転対称軸に対して片側の円錐面に入射し
た光束が他方の円錐状プリズムの回転対称軸に対して反
対側の円錐面に入射するように各要素を設定しているこ
とを特徴としている。
状の光束を光混合光学素子を介した後に集光系により集
光して被複写面を照明する照明装置において、該光混合
光学素子は、円錐面を有する２つの円錐状プリズムをそ
れらの回転対称軸を一致させて対向配置し、一方の円錐
状プリズムの回転対称軸に対して片側の円錐面に入射し
た光束が他方の円錐状プリズムの回転対称軸に対して反
対側の円錐面に入射するように各要素を設定しているこ
とを特徴としている。
【００１５】特に、前記集光系の光軸と前記円錐状プリ
ズムの回転対称軸とを一致させていることを特徴として
いる。
ズムの回転対称軸とを一致させていることを特徴として
いる。
【００１６】
【実施例】図１は本発明の光混合光学素子を用いた照明
装置を半導体素子製造用の投影露光装置に適用したとき
の要部概略図である。図２（Ａ）は本発明の光混合光学
素子１の実施例１の要部概略図である。
装置を半導体素子製造用の投影露光装置に適用したとき
の要部概略図である。図２（Ａ）は本発明の光混合光学
素子１の実施例１の要部概略図である。
【００１７】図１において、６は光源であり発光ダイオ
ードやレーザ等から成っており、該光源６からは実質的
にコリメートされた光束ＬINが放射される。また光束Ｌ
INの光束断面内の光強度分布は、例えば図２（Ｂ）の曲
線Ｌ３で示すように光軸（中心軸）ＬＸ中心に対してガ
ウス分布状となっている。
ードやレーザ等から成っており、該光源６からは実質的
にコリメートされた光束ＬINが放射される。また光束Ｌ
INの光束断面内の光強度分布は、例えば図２（Ｂ）の曲
線Ｌ３で示すように光軸（中心軸）ＬＸ中心に対してガ
ウス分布状となっている。
【００１８】１は本発明に係る光混合光学素子である。
光混合光学素子１は、図２（Ａ）にも示すように同一形
状の２つの円錐状プリズム１ａ，１ｂの頂点１ａ１，１
ｂ１を内側に対向配置している。このとき円錐状プリズ
ム１ａ，１ｂの回転対称軸１ａ２，１ｂ２は照明系の光
軸ＬＸと一致するように配置している。本実施例の光混
合光学素子１はガウス分布状の光強度分布の入射平行光
束ＬINを均一な光強度分布の平行光束ＬOUT として射出
させる光学作用を有している。
光混合光学素子１は、図２（Ａ）にも示すように同一形
状の２つの円錐状プリズム１ａ，１ｂの頂点１ａ１，１
ｂ１を内側に対向配置している。このとき円錐状プリズ
ム１ａ，１ｂの回転対称軸１ａ２，１ｂ２は照明系の光
軸ＬＸと一致するように配置している。本実施例の光混
合光学素子１はガウス分布状の光強度分布の入射平行光
束ＬINを均一な光強度分布の平行光束ＬOUT として射出
させる光学作用を有している。
【００１９】３はビームエキスパンダーであり、光混合
光学素子１からの光束ＬOUT の光束径（波面）を拡大さ
せてオプティカルインテグレータである２次光源形成手
段４に入射させている。２次光源形成手段４は、例えば
複数の微小レンズ４ａを１次元的又は２次元的に配置し
た構成より成っており、各微小レンズ４ａはそれより射
出した光束より複数の２次光源像ｄを各々形成してい
る。５はコンデンサーレンズ（集光光学系）であり、２
次光源形成手段４で形成された複数の２次光源像ｄから
の光束を集光し、被照射面としてのレチクル等のマスク
９を全体にわたり互いの光束が重畳するようにして照射
している。
光学素子１からの光束ＬOUT の光束径（波面）を拡大さ
せてオプティカルインテグレータである２次光源形成手
段４に入射させている。２次光源形成手段４は、例えば
複数の微小レンズ４ａを１次元的又は２次元的に配置し
た構成より成っており、各微小レンズ４ａはそれより射
出した光束より複数の２次光源像ｄを各々形成してい
る。５はコンデンサーレンズ（集光光学系）であり、２
次光源形成手段４で形成された複数の２次光源像ｄから
の光束を集光し、被照射面としてのレチクル等のマスク
９を全体にわたり互いの光束が重畳するようにして照射
している。
【００２０】本実施例ではマスク９を光源６から放射し
た光束で照明し、ウエハ８を露光するようにしている。
７は投影レンズ系であり、マスク９面上の回路パターン
の像をウエハ８面上に所定の倍率で投影し、この回路パ
ターンに応じてウエハ８を露光している。また投影レン
ズ系７の入射瞳と２次光源像Ｉｄの位置とは光学的に共
役である。
た光束で照明し、ウエハ８を露光するようにしている。
７は投影レンズ系であり、マスク９面上の回路パターン
の像をウエハ８面上に所定の倍率で投影し、この回路パ
ターンに応じてウエハ８を露光している。また投影レン
ズ系７の入射瞳と２次光源像Ｉｄの位置とは光学的に共
役である。
【００２１】次に本実施例の光混合光学素子１の構成を
図２（Ａ）に基づいて説明する。同図において、ＬINは
入射光束であり、例えば図２（Ｂ）の曲線Ｌ３に示すよ
うなガウス分布状の光強度分布を有している。一方の円
錐状プリズム１ａの回転対称軸１ａ２に対して片側の円
錐面１ａ３に入射した光束が他方の円錐状プリズム１ｂ
の回転対称軸１ｂ２に対して反対側の円錐面１ｂ３に入
射するように各要素を設定している。
図２（Ａ）に基づいて説明する。同図において、ＬINは
入射光束であり、例えば図２（Ｂ）の曲線Ｌ３に示すよ
うなガウス分布状の光強度分布を有している。一方の円
錐状プリズム１ａの回転対称軸１ａ２に対して片側の円
錐面１ａ３に入射した光束が他方の円錐状プリズム１ｂ
の回転対称軸１ｂ２に対して反対側の円錐面１ｂ３に入
射するように各要素を設定している。
【００２２】また本実施例においては、入射光束ＬINが
中空部のない円形光束の場合に、出射光束ＬOUT も中空
部のない円形光束に変換できるように円錐状プリズム１
ａ，１ｂの頂点間距離Ｌを適切に設定している。またガ
ウス分布状の入射光束ＬINがより均一な光強度分布とな
るように、入射光束ＬINの光強度分布を適切に設定して
いる。
中空部のない円形光束の場合に、出射光束ＬOUT も中空
部のない円形光束に変換できるように円錐状プリズム１
ａ，１ｂの頂点間距離Ｌを適切に設定している。またガ
ウス分布状の入射光束ＬINがより均一な光強度分布とな
るように、入射光束ＬINの光強度分布を適切に設定して
いる。
【００２３】まず、円錐状プリズム１ａ，１ｂの頂点間
距離Ｌの設定について、図２（Ａ）に基づいて説明す
る。出射光束ＬOUT が中空光束とならない条件は、入射
光束ＬINの光軸Ｓからの最大高さＨを通る光線ＬH が、
第１の円錐状プリズム１ａを出射した後に、光軸Ｓと交
わる地点より近い距離に第２の円錐状プリズム１ｂの頂
点があることである。図２（Ａ）は入射光束ＬINの光軸
からの最大高さＨを通る光線ＬH が、第１の円錐状プリ
ズム１ａを出射した後に、光軸と交わる地点に第２の円
錐状プリズム１ｂの頂点を位置させている。
距離Ｌの設定について、図２（Ａ）に基づいて説明す
る。出射光束ＬOUT が中空光束とならない条件は、入射
光束ＬINの光軸Ｓからの最大高さＨを通る光線ＬH が、
第１の円錐状プリズム１ａを出射した後に、光軸Ｓと交
わる地点より近い距離に第２の円錐状プリズム１ｂの頂
点があることである。図２（Ａ）は入射光束ＬINの光軸
からの最大高さＨを通る光線ＬH が、第１の円錐状プリ
ズム１ａを出射した後に、光軸と交わる地点に第２の円
錐状プリズム１ｂの頂点を位置させている。
【００２４】円錐状プリズム１ａ，１ｂの材料としてＢ
Ｋ７（商品名、屈折率ｎ＝１．５１）を選び、回転対称
軸１ａ２，１ｂ２を含む平面と円錐面との交線が、回転
軸との成す角をθとする。また、第１の円錐状プリズム
１ａの円錐面への入射光線とその法線との成す角をα、
出射光線とその法線との成す角をβとすると、入射光束
ＬINの最大高Ｈの光線ＬH と、第１の円錐状プリズム１
ａの円錐面との交点から、第１の円錐状プリズム１ａの
頂点までの光軸沿いの距離Ｄは、次式（１）で表わされ
る。
Ｋ７（商品名、屈折率ｎ＝１．５１）を選び、回転対称
軸１ａ２，１ｂ２を含む平面と円錐面との交線が、回転
軸との成す角をθとする。また、第１の円錐状プリズム
１ａの円錐面への入射光線とその法線との成す角をα、
出射光線とその法線との成す角をβとすると、入射光束
ＬINの最大高Ｈの光線ＬH と、第１の円錐状プリズム１
ａの円錐面との交点から、第１の円錐状プリズム１ａの
頂点までの光軸沿いの距離Ｄは、次式（１）で表わされ
る。
【００２５】Ｄ＝Ｈ tanα ・・・・・・（１） また、入射光束ＬINの最大高Ｈの光線ＬH と第１の円錐
状プリズム１ａの円錐面との交点から、この光線が光軸
と交わる地点までの光軸沿いの距離Ｅは、次式（２）で
表わされる。
状プリズム１ａの円錐面との交点から、この光線が光軸
と交わる地点までの光軸沿いの距離Ｅは、次式（２）で
表わされる。
【００２６】 Ｅ＝Ｈ tan（９０°＋α−β） ・・・・・・（２） 双方の円錐状プリズム１ａ，１ｂの頂点間距離ＬはＬ＝
Ｅ−Ｄで表わされるので、前式（１），（２）式より、
頂点間距離Ｌは、次式（３）で表わされる。
Ｅ−Ｄで表わされるので、前式（１），（２）式より、
頂点間距離Ｌは、次式（３）で表わされる。
【００２７】 Ｌ＝Ｈ｛tan （９０°＋α−β）− tanα｝ ・・・・・・（３） 但し、α＝９０°−θであり、屈折の法則よりｎ sinα
＝ sinβ，ｎ＝１．５１である。ここでθ＝６０°とす
ると、α＝３０°，β＝４９．０３°となる。これを式
（３）に代入すると、Ｌ＝２．３３Ｈとなる。この条件
で２つの同一形状の円錐状プリズム１ａと１ｂとの頂点
を内側に向けて、平行光束内に配置させて、中空光束と
ならずに最大の光利用効率を得ている。
＝ sinβ，ｎ＝１．５１である。ここでθ＝６０°とす
ると、α＝３０°，β＝４９．０３°となる。これを式
（３）に代入すると、Ｌ＝２．３３Ｈとなる。この条件
で２つの同一形状の円錐状プリズム１ａと１ｂとの頂点
を内側に向けて、平行光束内に配置させて、中空光束と
ならずに最大の光利用効率を得ている。
【００２８】次に、より均一な光強度分布の出射光束Ｌ
OUT を得るための入射光束ＬINの光強度分布の設定条件
について説明する。図３は前記の条件を満足する本実施
例の光混合光学素子１の光混合状況の説明図である。図
３において、Ｌ５は入射光束ＬINの断面図を示し、Ｌ６
は出射光束ＬOUT の断面図を示す。図２（Ａ）に示す光
路より理解されるように、入射光束ＬINの光束の光軸Ｌ
Ｘからの１割，２割，３割，・・・・１０割の光線はそれぞ
れ出射光束ＬOUT の光束の１０割，９割，７割，・・・・１
割の光線に入れ替わる。
OUT を得るための入射光束ＬINの光強度分布の設定条件
について説明する。図３は前記の条件を満足する本実施
例の光混合光学素子１の光混合状況の説明図である。図
３において、Ｌ５は入射光束ＬINの断面図を示し、Ｌ６
は出射光束ＬOUT の断面図を示す。図２（Ａ）に示す光
路より理解されるように、入射光束ＬINの光束の光軸Ｌ
Ｘからの１割，２割，３割，・・・・１０割の光線はそれぞ
れ出射光束ＬOUT の光束の１０割，９割，７割，・・・・１
割の光線に入れ替わる。
【００２９】半径方向の単位長さ当りの円環の面積は図
４のＳIN，ＳOUT に示すように、円環最外径に比例して
いる。従って、均一な光強度分布の平行光束が入射する
と、出射光束ＬOUT の光強度分布はＳIN／ＳOUT とな
り、最大強度を１で規格化すると、図５の曲線Ｌ４に示
すように中心部が極端に高く、周辺部が極端に低い光強
度分布となる。
４のＳIN，ＳOUT に示すように、円環最外径に比例して
いる。従って、均一な光強度分布の平行光束が入射する
と、出射光束ＬOUT の光強度分布はＳIN／ＳOUT とな
り、最大強度を１で規格化すると、図５の曲線Ｌ４に示
すように中心部が極端に高く、周辺部が極端に低い光強
度分布となる。
【００３０】以上のような特性を有する本実施例の光混
合光学素子１を、最大高Ｈにおける光強度が中心部の１
％程度である（図２の曲線Ｌ３にその光強度分布を示
す）ガウス分布の平行光束内に組み込んでいる。これに
より図２の曲線Ｌ４に示すように、光束の広い範囲でよ
り均一な光強度分布の出射光束ＬOUT を得ている。
合光学素子１を、最大高Ｈにおける光強度が中心部の１
％程度である（図２の曲線Ｌ３にその光強度分布を示
す）ガウス分布の平行光束内に組み込んでいる。これに
より図２の曲線Ｌ４に示すように、光束の広い範囲でよ
り均一な光強度分布の出射光束ＬOUT を得ている。
【００３１】図８は本実施例における円錐状プリズム１
ａ，１ｂの円錐面１ａ３，１ｂ３での入射角αにおける
各偏光成分Ｐ，Ｓの反射率ＲP ，ＲS と透過率ＴP ，Ｔ
S を示している。
ａ，１ｂの円錐面１ａ３，１ｂ３での入射角αにおける
各偏光成分Ｐ，Ｓの反射率ＲP ，ＲS と透過率ＴP ，Ｔ
S を示している。
【００３２】本実施例の光混合光学素子１を、例えば最
大高Ｈにおける光強度が中心部の０．１％程度である
（図６の曲線３にその光強度分布を示す）ガウス分布の
平行光束内に組み込むと、出射光束ＬOUT は図６の曲線
４に示すように、中央部に光量低下が目立ち始める。従
って、最大高Ｈにおける光強度が中心部の０．１％より
低い値のガウス分布の平行光束内に、本実施例の光混合
光学素子を組み込むと、実質的に中空光束となり、光強
度分布の均一化のためには好ましくない。
大高Ｈにおける光強度が中心部の０．１％程度である
（図６の曲線３にその光強度分布を示す）ガウス分布の
平行光束内に組み込むと、出射光束ＬOUT は図６の曲線
４に示すように、中央部に光量低下が目立ち始める。従
って、最大高Ｈにおける光強度が中心部の０．１％より
低い値のガウス分布の平行光束内に、本実施例の光混合
光学素子を組み込むと、実質的に中空光束となり、光強
度分布の均一化のためには好ましくない。
【００３３】また、本実施例の光混合光学素子１を、最
大高Ｈにおける光強度が中心部の７％程度である（図７
の曲線Ｌ３にその光強度分布を示す）ガウス分布の平行
光束内に組み込むと、出射光束ＬOUT は図７の曲線４に
示すように、中央部の光量増加が目立ち始める。従っ
て、最大高Ｈにおける光強度が中心部の７％より高い値
のガウス分布の平行光束内に本実施例の光混合光学素子
１を組み込むと、元のガウス分布の不均一性を更に増長
させることになり、光強度分布の均一化のためには好ま
しくない。円環状に光透過の減衰効果のある光学素子
（ＮＤフィルタ等）を用いて、最外部光強度を中心部の
１％程度にすることにより、中間部のみを均一化させる
ことはできる。
大高Ｈにおける光強度が中心部の７％程度である（図７
の曲線Ｌ３にその光強度分布を示す）ガウス分布の平行
光束内に組み込むと、出射光束ＬOUT は図７の曲線４に
示すように、中央部の光量増加が目立ち始める。従っ
て、最大高Ｈにおける光強度が中心部の７％より高い値
のガウス分布の平行光束内に本実施例の光混合光学素子
１を組み込むと、元のガウス分布の不均一性を更に増長
させることになり、光強度分布の均一化のためには好ま
しくない。円環状に光透過の減衰効果のある光学素子
（ＮＤフィルタ等）を用いて、最外部光強度を中心部の
１％程度にすることにより、中間部のみを均一化させる
ことはできる。
【００３４】これに対して本実施例は２つの円錐状プリ
ズム１ａ，１ｂの頂点間距離Ｌと入射光束の最大高Ｈと
を、Ｌ＝２．３３Ｈとなるように組み合わせ、最大高Ｈ
における光強度が中心部の１％程度のガウス分布の平行
光束内に設置することにより、より均一な光強度分布の
出射光を得ている。ここで製造誤差を考慮すると、最大
高Ｈにおける光強度が中心部の１％以下のガウス分布の
平行光束内に設置し、Ｌ＝２．３３Ｈより近距離側に頂
点間距離Ｌを変化させるのが良く、これにより出射光の
光強度分布を調整して、より均一な光強度分布を実現し
ている。
ズム１ａ，１ｂの頂点間距離Ｌと入射光束の最大高Ｈと
を、Ｌ＝２．３３Ｈとなるように組み合わせ、最大高Ｈ
における光強度が中心部の１％程度のガウス分布の平行
光束内に設置することにより、より均一な光強度分布の
出射光を得ている。ここで製造誤差を考慮すると、最大
高Ｈにおける光強度が中心部の１％以下のガウス分布の
平行光束内に設置し、Ｌ＝２．３３Ｈより近距離側に頂
点間距離Ｌを変化させるのが良く、これにより出射光の
光強度分布を調整して、より均一な光強度分布を実現し
ている。
【００３５】本実施例では以上のような点を考慮して、
前記回転対称軸を含む平面と前記突出円錐面との交線
が、前記回転対称軸との成す角をθとし、入射光束の光
強度が最大となる位置から、その７％及び０．１％の強
度を示す位置までの距離を、それぞれＨ1 ，Ｈ2 とす
る。更に、第１の突出円錐面への入射光線とその法線と
の成す角をα、この面からの出射光線とその法線との成
す角をβ、本発明の光学素子の屈折率をｎとし、内側に
向けた前記の２つの突出円錐面の頂点間距離をＬとする
とき、 Ｈ1 ＜Ｌ／｛ tan（９０°＋α−β）− tanα｝＜Ｈ2 但し、ｎ sinα＝ sinβ，α＝９０°−θ なる条件を満足するようにしている。
前記回転対称軸を含む平面と前記突出円錐面との交線
が、前記回転対称軸との成す角をθとし、入射光束の光
強度が最大となる位置から、その７％及び０．１％の強
度を示す位置までの距離を、それぞれＨ1 ，Ｈ2 とす
る。更に、第１の突出円錐面への入射光線とその法線と
の成す角をα、この面からの出射光線とその法線との成
す角をβ、本発明の光学素子の屈折率をｎとし、内側に
向けた前記の２つの突出円錐面の頂点間距離をＬとする
とき、 Ｈ1 ＜Ｌ／｛ tan（９０°＋α−β）− tanα｝＜Ｈ2 但し、ｎ sinα＝ sinβ，α＝９０°−θ なる条件を満足するようにしている。
【００３６】図９は本発明の光混合光学素子９１の実施
例２の要部概略図である。本実施例は図２（Ａ）の実施
例１に比べて円錐状プリズム９１ａ，９１ｂの対向する
向きが逆である点（頂点が外側に向けている点）が異な
っており、その他の構成は実質的に同じである。
例２の要部概略図である。本実施例は図２（Ａ）の実施
例１に比べて円錐状プリズム９１ａ，９１ｂの対向する
向きが逆である点（頂点が外側に向けている点）が異な
っており、その他の構成は実質的に同じである。
【００３７】本実施例では円錐状プリズム９１ａ，９１
ｂの円錐面９１ａ１，９１ｂ１が無コート時にも、反射
損失が実施例１と同程度に（Ｓ成分反射率で１０％程度
に）なるように、円錐面９１ａ１，９１ｂ１における入
射光線とその法線との成す角αを４５°、即ちθ＝４５
°となる同一形状の円錐状プリズム９１ａと９１ｂとで
構成している。そして実施例１と同一材料のＢＫ７（屈
折率ｎ＝１．５１）を用いている。
ｂの円錐面９１ａ１，９１ｂ１が無コート時にも、反射
損失が実施例１と同程度に（Ｓ成分反射率で１０％程度
に）なるように、円錐面９１ａ１，９１ｂ１における入
射光線とその法線との成す角αを４５°、即ちθ＝４５
°となる同一形状の円錐状プリズム９１ａと９１ｂとで
構成している。そして実施例１と同一材料のＢＫ７（屈
折率ｎ＝１．５１）を用いている。
【００３８】図１０に本実施例における入射角αと各偏
光成分Ｐ，Ｓの反射率ＲP ，ＲS 、及び各偏光成分Ｐ，
Ｓの透過率ＴP ，ＴS との関係を表わす特性図を示す。
実施例１では円錐面へ入射する光線はＢＫ７（屈折率ｎ
＝１．５１）から空気中（屈折率ｎ＝１）へと出射する
ので図８に示すような透過率・反射率の特性となり、入
射角αが３０°程度までは円錐面に反射防止膜を施さな
くても面反射による光量損失は少ない。一方、実施例２
では円錐面へ入射する光線は空気中からＢＫ７へと出射
するので図１０に示すような透過率・反射率の特性とな
り、入射角αが４５°程度までは円錐面に反射防止膜を
施さなくても面反射による光量損失は少ない。
光成分Ｐ，Ｓの反射率ＲP ，ＲS 、及び各偏光成分Ｐ，
Ｓの透過率ＴP ，ＴS との関係を表わす特性図を示す。
実施例１では円錐面へ入射する光線はＢＫ７（屈折率ｎ
＝１．５１）から空気中（屈折率ｎ＝１）へと出射する
ので図８に示すような透過率・反射率の特性となり、入
射角αが３０°程度までは円錐面に反射防止膜を施さな
くても面反射による光量損失は少ない。一方、実施例２
では円錐面へ入射する光線は空気中からＢＫ７へと出射
するので図１０に示すような透過率・反射率の特性とな
り、入射角αが４５°程度までは円錐面に反射防止膜を
施さなくても面反射による光量損失は少ない。
【００３９】次に本実施例における円錐状プリズム９１
ａ，９１ｂの頂点間距離Ｌの設定について説明する。出
射光束ＬOUT が中空とならない条件は実施例１と同様で
ある。図９は入射光束ＬINの最大高Ｈの光線ＬH が光軸
と交わる地点に第２の円錐状プリズム９１ｂの頂点を一
致させ、光利用効率を最大にした場合を示している。入
射光束ＬINの最大高Ｈの光線ＬH と第１の円錐状プリズ
ム９１ａの円錐面９１ａ１との交点から、第１の円錐状
プリズム９１ａの頂点までの光軸沿いの距離Ｄは前記の
（１）式で表わされる。
ａ，９１ｂの頂点間距離Ｌの設定について説明する。出
射光束ＬOUT が中空とならない条件は実施例１と同様で
ある。図９は入射光束ＬINの最大高Ｈの光線ＬH が光軸
と交わる地点に第２の円錐状プリズム９１ｂの頂点を一
致させ、光利用効率を最大にした場合を示している。入
射光束ＬINの最大高Ｈの光線ＬH と第１の円錐状プリズ
ム９１ａの円錐面９１ａ１との交点から、第１の円錐状
プリズム９１ａの頂点までの光軸沿いの距離Ｄは前記の
（１）式で表わされる。
【００４０】また、入射光束ＬINの最大高Ｈの光線ＬH
と第１の円錐状プリズム９１ａの円錐面９１ａ１との交
点から、この光線が光軸と交わる地点までの光軸沿いの
距離Ｅは、第１の円錐状プリズム９１ａの円錐面９１ａ
１からの出射光線とその法線との成す角をβとし、２つ
の円錐状プリズム９１ａ，９１ｂ間の空気間隔をＳとす
ると、次式（４）で表わされる。
と第１の円錐状プリズム９１ａの円錐面９１ａ１との交
点から、この光線が光軸と交わる地点までの光軸沿いの
距離Ｅは、第１の円錐状プリズム９１ａの円錐面９１ａ
１からの出射光線とその法線との成す角をβとし、２つ
の円錐状プリズム９１ａ，９１ｂ間の空気間隔をＳとす
ると、次式（４）で表わされる。
【００４１】 Ｅ＝Ｈ tan（９０°−α＋β）−（ｎ−１）Ｓ ・・・・・・（４） 双方の円錐状プリズム９１ａ，９１ｂの頂点間距離Ｌは
Ｌ＝Ｄ＋Ｅで表わされるので、前式（１），（４）式よ
り、頂点間距離Ｌは、次式（５）で表わされる。
Ｌ＝Ｄ＋Ｅで表わされるので、前式（１），（４）式よ
り、頂点間距離Ｌは、次式（５）で表わされる。
【００４２】 Ｌ＝Ｈ｛ tan（９０°−α＋β）＋ tanα｝−（ｎ−１）Ｓ ・・・・（５） ここでα＝４５°、屈折の法則より sinα＝ｎ sinβ，
ｎ＝１．５１であるから、β＝２７．９２°となる。
ｎ＝１．５１であるから、β＝２７．９２°となる。
【００４３】これらのα，β，ｎを前式（５）に代入す
ると、Ｌ＝３．２５Ｈ−０．５１Ｓとなる。この条件で
２つの同一形状の円錐状プリズム９１ａと９１ｂとの頂
点を外側に向けて、平行光束内に配置させて、中空光束
とならずに最大の光利用効率を得ている。
ると、Ｌ＝３．２５Ｈ−０．５１Ｓとなる。この条件で
２つの同一形状の円錐状プリズム９１ａと９１ｂとの頂
点を外側に向けて、平行光束内に配置させて、中空光束
とならずに最大の光利用効率を得ている。
【００４４】本実施例において、前記回転対称軸を含む
平面と前記突出円錐面との交線が、前記回転対称軸との
成す角をθとし、入射光束の光強度が最大となる位置か
ら、その７％及び０．１％の強度を示す位置までの距離
をそれぞれＨ1 ，Ｈ2 とする。更に、第１の突出円錐面
への入射光線とその法線との成す角をα、この面からの
出射光線とその法線との成す角をβ、光混合光学素子の
屈折率をｎ、光混合光学素子を構成する２つの光学素子
の空気間隔をＳとし、外側に向けた前記の２つの突出円
錐面の頂点間距離をＬとするとき、 Ｈ1 ＜｛Ｌ＋（ｎ−１）Ｓ｝／｛ tan（９０°−α＋
β）＋ tanα｝＜Ｈ2 但し、 sinα＝ｎ sinβ，α＝９０°−θ なる条件を満足するようにしている。
平面と前記突出円錐面との交線が、前記回転対称軸との
成す角をθとし、入射光束の光強度が最大となる位置か
ら、その７％及び０．１％の強度を示す位置までの距離
をそれぞれＨ1 ，Ｈ2 とする。更に、第１の突出円錐面
への入射光線とその法線との成す角をα、この面からの
出射光線とその法線との成す角をβ、光混合光学素子の
屈折率をｎ、光混合光学素子を構成する２つの光学素子
の空気間隔をＳとし、外側に向けた前記の２つの突出円
錐面の頂点間距離をＬとするとき、 Ｈ1 ＜｛Ｌ＋（ｎ−１）Ｓ｝／｛ tan（９０°−α＋
β）＋ tanα｝＜Ｈ2 但し、 sinα＝ｎ sinβ，α＝９０°−θ なる条件を満足するようにしている。
【００４５】本実施例において、より均一な光強度分布
の出射光束を得るための、入射光束ＬINの光強度分布の
設定条件については実施例１と同様である。ここで実施
例１と実施例２について、中空光束とならずに、最大の
光利用効率を得るときの光軸沿いの最小必要距離Ｍにつ
いて説明する。実施例１におけるこの最小必要距離をＭ
1 とすると、 Ｍ1 ＝Ｌ＋２Ｄ＝２．３３Ｈ＋２Ｈ tanα≒３．４８Ｈ ・・・・（６） 但し、α＝３０°であるから、２Ｈ tanα≒１．１５Ｈ
である。
の出射光束を得るための、入射光束ＬINの光強度分布の
設定条件については実施例１と同様である。ここで実施
例１と実施例２について、中空光束とならずに、最大の
光利用効率を得るときの光軸沿いの最小必要距離Ｍにつ
いて説明する。実施例１におけるこの最小必要距離をＭ
1 とすると、 Ｍ1 ＝Ｌ＋２Ｄ＝２．３３Ｈ＋２Ｈ tanα≒３．４８Ｈ ・・・・（６） 但し、α＝３０°であるから、２Ｈ tanα≒１．１５Ｈ
である。
【００４６】また、実施例２におけるこの最小必要距離
Ｍ2 とすると、 Ｍ2 ＝Ｌ＝３．２５Ｈ−０．５１Ｓ ・・・・・・（７） 以上の式（６），（７）とＳ≧０であることより、Ｍ1
＞Ｍ2 となる。従って、円錐面を無コート状態で、同一
材料を用いて同等の性能を得ようとした場合、実施例１
よりも実施例２の方が、よりコンパクトな光混合光学素
子にすることができる。また、空気間隔Ｓを大きくとる
ほどコンパクトにすることができる。
Ｍ2 とすると、 Ｍ2 ＝Ｌ＝３．２５Ｈ−０．５１Ｓ ・・・・・・（７） 以上の式（６），（７）とＳ≧０であることより、Ｍ1
＞Ｍ2 となる。従って、円錐面を無コート状態で、同一
材料を用いて同等の性能を得ようとした場合、実施例１
よりも実施例２の方が、よりコンパクトな光混合光学素
子にすることができる。また、空気間隔Ｓを大きくとる
ほどコンパクトにすることができる。
【００４７】図１１は本発明の光混合光学素子の実施例
３の要部概略図である。本実施例は図９の実施例２に比
べて２つの円錐状プリズム１１１ａ，１１１ｂの底面同
士を接合し、または両側に対称な円錐面１１１ａ１，１
１１ｂ１を持つ一部品構成のプリズム体を用いた点が異
なっており、その他の構成は同じである。本実施例では
このような形状の光混合光学素子１１１を用いることに
より実施例１，２と同様の効果を得ている。
３の要部概略図である。本実施例は図９の実施例２に比
べて２つの円錐状プリズム１１１ａ，１１１ｂの底面同
士を接合し、または両側に対称な円錐面１１１ａ１，１
１１ｂ１を持つ一部品構成のプリズム体を用いた点が異
なっており、その他の構成は同じである。本実施例では
このような形状の光混合光学素子１１１を用いることに
より実施例１，２と同様の効果を得ている。
【００４８】本実施例における円錐状プリズム１１１
ａ，１１１ｂの頂点間距離Ｌの設定については、実施例
２で述べた式（５）において、空気間隔ＳがＳ＝０の場
合に相当し、次式で表わされる。
ａ，１１１ｂの頂点間距離Ｌの設定については、実施例
２で述べた式（５）において、空気間隔ＳがＳ＝０の場
合に相当し、次式で表わされる。
【００４９】 Ｌ＝Ｈ｛ tan（９０°−α＋β）＋ tanα｝ ・・・・・・（８） ここで、α，βは実施例２と同様、α＝４５°，β＝２
７．９２°である。
７．９２°である。
【００５０】従って、実施例３における光軸沿いの最小
必要距離をＭ3 とすると、 Ｍ3 ＝Ｌ＝３．２５Ｈ ・・・・・・・・（９） となる。従って、円錐面を無コート状態で、同一材料を
用いて同等の性能を得ようとした場合、実施例１，２，
３の光軸沿いの最小必要距離Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 の間に
は、次式（10）が成立する。
必要距離をＭ3 とすると、 Ｍ3 ＝Ｌ＝３．２５Ｈ ・・・・・・・・（９） となる。従って、円錐面を無コート状態で、同一材料を
用いて同等の性能を得ようとした場合、実施例１，２，
３の光軸沿いの最小必要距離Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 の間に
は、次式（10）が成立する。
【００５１】 Ｍ1 ＞Ｍ3 ≧Ｍ2 ・・・・・・・・・・・・（10） 本実施例において、前記回転対称軸を含む平面と前記突
出円錐面との交線が、前記回転対称軸との成す角をθと
し、入射光束の光強度が最大となる位置から、その７％
及び０．１％の強度を示す位置までの距離をそれぞれＨ
1 ，Ｈ2 とする。更に、第１の突出円錐面への入射光線
とその法線との成す角をα、この面から出射光線とその
法線との成す角をβ、本発明の光学素子の屈折率をｎ、
前記の２つの突出円錐面の頂点間距離をＬとする。
出円錐面との交線が、前記回転対称軸との成す角をθと
し、入射光束の光強度が最大となる位置から、その７％
及び０．１％の強度を示す位置までの距離をそれぞれＨ
1 ，Ｈ2 とする。更に、第１の突出円錐面への入射光線
とその法線との成す角をα、この面から出射光線とその
法線との成す角をβ、本発明の光学素子の屈折率をｎ、
前記の２つの突出円錐面の頂点間距離をＬとする。
【００５２】ここで、本発明の光学素子を前記の２つの
突出円錐面を外側に向けて１部品で構成するか、又は接
合面を挟む２部品で構成するとき、 Ｈ1 ＜Ｌ／｛ tan（９０°−α＋β）＋ tanα｝＜Ｈ2 但し、 sinα＝ｎ sinβ，α＝９０°−θ なる条件を満足するようにしている。
突出円錐面を外側に向けて１部品で構成するか、又は接
合面を挟む２部品で構成するとき、 Ｈ1 ＜Ｌ／｛ tan（９０°−α＋β）＋ tanα｝＜Ｈ2 但し、 sinα＝ｎ sinβ，α＝９０°−θ なる条件を満足するようにしている。
【００５３】尚、コンパクト性よりも部品点数削減や無
調整化による低コスト化が重視される場合には、実施例
１，２に比べて実施例３の構成の方が有利となる。
調整化による低コスト化が重視される場合には、実施例
１，２に比べて実施例３の構成の方が有利となる。
【００５４】次に本発明の光混合光学素子の実施例４に
ついて説明する。実施例４は回転軸（以下、これを回転
対称軸に準ずる軸と呼ぶ）との成す角が、連続的に変化
する直線の軌跡で形成される突出面を有するプリズムを
実施例１に用いた円錐状プリズムの代わりに用いてい
る。本実施例の光混合光学素子では光源としてレーザー
ダイオードを用いる光学系のように、光束の断面形状が
楕円形で、しかも光強度分布がガウス分布状の平行光束
部に配置させることにより、より均一な光強度分布の平
行光束を得ている。
ついて説明する。実施例４は回転軸（以下、これを回転
対称軸に準ずる軸と呼ぶ）との成す角が、連続的に変化
する直線の軌跡で形成される突出面を有するプリズムを
実施例１に用いた円錐状プリズムの代わりに用いてい
る。本実施例の光混合光学素子では光源としてレーザー
ダイオードを用いる光学系のように、光束の断面形状が
楕円形で、しかも光強度分布がガウス分布状の平行光束
部に配置させることにより、より均一な光強度分布の平
行光束を得ている。
【００５５】次に本実施例のプリズムの形状設定につい
て説明する。光軸を含む任意の平面と本実施例の第１の
プリズムの突出面との交線が光軸との成す角をθｉとす
る。更に、この平面において、第１のプリズムの突出面
への入射光線とその法線とが成す角をαｉ、入射光線の
光軸からの最大高をＨｉ、出射光線とその法線とが成す
角をβｉとするとき、高さＨｉを通る各光線が光軸上の
一点で一致し、この地点に第２のプリズムの頂点を位置
させることが中空光束にならずに最大の光利用効率を得
る条件となる。
て説明する。光軸を含む任意の平面と本実施例の第１の
プリズムの突出面との交線が光軸との成す角をθｉとす
る。更に、この平面において、第１のプリズムの突出面
への入射光線とその法線とが成す角をαｉ、入射光線の
光軸からの最大高をＨｉ、出射光線とその法線とが成す
角をβｉとするとき、高さＨｉを通る各光線が光軸上の
一点で一致し、この地点に第２のプリズムの頂点を位置
させることが中空光束にならずに最大の光利用効率を得
る条件となる。
【００５６】従って、実施例１のように２つのプリズム
の頂点を互いに内側に向けて配置する場合には、次式
（11）の条件で突出面の形状を決定し、式（３）を満た
す頂点間距離Ｌ２で配置し、これにより最大の光利用効
率を得ている。
の頂点を互いに内側に向けて配置する場合には、次式
（11）の条件で突出面の形状を決定し、式（３）を満た
す頂点間距離Ｌ２で配置し、これにより最大の光利用効
率を得ている。
【００５７】 Ｈｉ｛ tan（９０°＋αｉ−βｉ）− tanαｉ｝＝一定 ・・・・（11） 但し、ｎ sinαｉ＝ sinβｉ，αｉ＝９０°−θｉ，ｎ
は材料の屈折率である。
は材料の屈折率である。
【００５８】また、実施例２のように空気間隔Ｓを隔て
て、２つのプリズムの頂点を互いに外側に向けて配置す
る場合には、次式（12）の条件で突出面の形状を決定
し、式（５）を満たす頂点間距離Ｌに設定し、これによ
り最大の光利用効率を得ている。
て、２つのプリズムの頂点を互いに外側に向けて配置す
る場合には、次式（12）の条件で突出面の形状を決定
し、式（５）を満たす頂点間距離Ｌに設定し、これによ
り最大の光利用効率を得ている。
【００５９】 Ｈｉ｛ tan（９０°−αｉ＋βｉ）＋ tanαｉ｝−（ｎ−１）Ｓ＝一定 ・・・・・・・・（12） 但し、 sinαｉ＝ｎ sinβｉ，αｉ＝９０°−θｉ，ｎ
はプリズムの材料の屈折率である。
はプリズムの材料の屈折率である。
【００６０】更に、実施例３のように２つのプリズムの
頂点を互いに外側に向けて、同一形状のプリズムを接合
するか、又は一部品で構成する場合には、次式（13）の
条件で突出面の形状を決定し、式（８）を満たす頂点間
距離Ｌに設定し、これにより最大の光利用効率を得てい
る。
頂点を互いに外側に向けて、同一形状のプリズムを接合
するか、又は一部品で構成する場合には、次式（13）の
条件で突出面の形状を決定し、式（８）を満たす頂点間
距離Ｌに設定し、これにより最大の光利用効率を得てい
る。
【００６１】 Ｈｉ｛ tan（９０°−αｉ＋βｉ）＋ tanαｉ｝＝一定 ・・・・・・（13） 但し、 sinαｉ＝ｎ sinβｉ，αｉ＝９０°−θｉ，ｎ
はプリズムの材料の屈折率である。
はプリズムの材料の屈折率である。
【００６２】図１３は、例えば光束の光強度分布が図１
２に示すようなガウス分布状のレーザーダイオードを光
源として用いる光学系に、本実施例のプリズムの頂点を
互いに内側に向けた光混合光学素子１１１と光線状況を
表わす斜視図である。実施例１で説明したように、ガウ
ス分布状の光強度分布を最も均一性の良い光強度分布に
変換するには、光線の最大高Ｈにおける光強度が中心強
度の１％程度になるように設定することである。
２に示すようなガウス分布状のレーザーダイオードを光
源として用いる光学系に、本実施例のプリズムの頂点を
互いに内側に向けた光混合光学素子１１１と光線状況を
表わす斜視図である。実施例１で説明したように、ガウ
ス分布状の光強度分布を最も均一性の良い光強度分布に
変換するには、光線の最大高Ｈにおける光強度が中心強
度の１％程度になるように設定することである。
【００６３】図１２の光強度分布において、中心強度の
１％の光強度を示す最大放射角度を４０°、最小放射角
度を２０°とするとき、レーザー光を平行光束にする光
学系のＮＡをＮＡ＝ sin４０°＝０．６４に選ぶ。この
時、この平行光束の短径と長径の比は tan２０°： tan
４０°＝１：２．３１となる。使用するプリズムの材料
をＢＫ７（屈折率ｎ＝１．５１）とし、平行光束の長径
方向を含む平面と突出面との交線が光軸との成す角θを
６０°、この入射光線の最大高をＨとして、平行光束の
長径方向の光線について、前記の式（11）の左辺は実施
例１の場合と同様にして、２．３３Ｈとなる。
１％の光強度を示す最大放射角度を４０°、最小放射角
度を２０°とするとき、レーザー光を平行光束にする光
学系のＮＡをＮＡ＝ sin４０°＝０．６４に選ぶ。この
時、この平行光束の短径と長径の比は tan２０°： tan
４０°＝１：２．３１となる。使用するプリズムの材料
をＢＫ７（屈折率ｎ＝１．５１）とし、平行光束の長径
方向を含む平面と突出面との交線が光軸との成す角θを
６０°、この入射光線の最大高をＨとして、平行光束の
長径方向の光線について、前記の式（11）の左辺は実施
例１の場合と同様にして、２．３３Ｈとなる。
【００６４】平行光束の短径方向の光線について、第１
のプリズム１１１ａの突出面への入射光線とその法線と
の成す角をα′、出射光線とその法線との成す角をβ′
とすると、前記の式（11）の左辺は、 （Ｈ／2.31）｛ tan（９０°＋α′−β′）− tan
α′｝ となる。
のプリズム１１１ａの突出面への入射光線とその法線と
の成す角をα′、出射光線とその法線との成す角をβ′
とすると、前記の式（11）の左辺は、 （Ｈ／2.31）｛ tan（９０°＋α′−β′）− tan
α′｝ となる。
【００６５】従って、次の連立方程式が成立する。
【００６６】 tan（９０°＋α′−β′）− tanα′＝2.33×2.31 ・・・・（14） １．５１ sinα′＝ sinβ′ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（15） α′＝１７．６９°，β′＝２７．３１°が上式（1
4），（15）を同時に満足する。
4），（15）を同時に満足する。
【００６７】従って、平行光束の短径方向を含む平面と
プリズムの突出面との交線が光軸との成す角θ′を９０
°−α′＝７２．３１°にすれば良い。
プリズムの突出面との交線が光軸との成す角θ′を９０
°−α′＝７２．３１°にすれば良い。
【００６８】入射光束ＬINは楕円であるから、本実施例
のプリズムの突出面の光軸に垂直な断面は、 短径：長径＝ tan６０°： tan７２．３１°＝１：１．
８１ の楕円形となり、このプリズムの形状は図１４に示すよ
うな楕円錐状プリズム１１１ａ，１１１ｂとなる。図１
４より明らかのようにプリズムの楕円形底面の長径方向
と入射光束ＬINの長径方向とは直交している。
のプリズムの突出面の光軸に垂直な断面は、 短径：長径＝ tan６０°： tan７２．３１°＝１：１．
８１ の楕円形となり、このプリズムの形状は図１４に示すよ
うな楕円錐状プリズム１１１ａ，１１１ｂとなる。図１
４より明らかのようにプリズムの楕円形底面の長径方向
と入射光束ＬINの長径方向とは直交している。
【００６９】尚、図１３では図１４に正面図、平面図及
び側面図を示すような底面が楕円形のプリズム１１１
ａ，１１１ｂを用いた例を示している。プリズム１１１
ａ，１１１ｂの代わりに正面図、平面図を図１５又は図
１６に示すように、プリズム１１４の底面を円形又は四
角形状に切断して、省スペース化して用いるようにして
も良い。
び側面図を示すような底面が楕円形のプリズム１１１
ａ，１１１ｂを用いた例を示している。プリズム１１１
ａ，１１１ｂの代わりに正面図、平面図を図１５又は図
１６に示すように、プリズム１１４の底面を円形又は四
角形状に切断して、省スペース化して用いるようにして
も良い。
【００７０】図１７は本発明の光混合光学素子の実施例
５の要部概略図である。本実施例では実施例４のように
光束の断面形状が楕円形で、しかも光強度分布がガウス
分布状の平行光束内に、楕円形光束を円形光束に変換す
るビーム整形プリズム１１５を配置し、その出射光側に
実施例１に用いた光混合光学素子１ａ，１ｂを配置した
場合を示している。
５の要部概略図である。本実施例では実施例４のように
光束の断面形状が楕円形で、しかも光強度分布がガウス
分布状の平行光束内に、楕円形光束を円形光束に変換す
るビーム整形プリズム１１５を配置し、その出射光側に
実施例１に用いた光混合光学素子１ａ，１ｂを配置した
場合を示している。
【００７１】入射光束ＬINの断面形状が図１８に示すよ
うに、実施例４と同様に、短径方向：長径方向＝１：
２．３１の楕円形で長径方向がＺ軸方向と一致してい
る。
うに、実施例４と同様に、短径方向：長径方向＝１：
２．３１の楕円形で長径方向がＺ軸方向と一致してい
る。
【００７２】ビーム整形プリズム１１５は、例えば材料
をＳＦ４（商品名、屈折率ｎ＝１．７４）に選び、楔角
を３２．３°の楔状プリズムとし、入射光側の面の垂線
と入射光側の光軸との成す角を６８．６°に設定してい
る。これにより図１８に示す楕円光束が、ビーム整形プ
リズム１１５より出射するとき、光軸に垂直な断面にお
いて長さＨを半径とする円形光束となり、ビーム整形プ
リズム１１５の出射面より垂直方向に射出する。この後
方に本発明の実施例１に用いたと同様の光混合光学素子
１を配置している。これにより図２（Ｂ）の曲線Ｌ４に
示すような、より均一性の良い光強度分布を有する円形
の出射光束ＬOUT を得ている。
をＳＦ４（商品名、屈折率ｎ＝１．７４）に選び、楔角
を３２．３°の楔状プリズムとし、入射光側の面の垂線
と入射光側の光軸との成す角を６８．６°に設定してい
る。これにより図１８に示す楕円光束が、ビーム整形プ
リズム１１５より出射するとき、光軸に垂直な断面にお
いて長さＨを半径とする円形光束となり、ビーム整形プ
リズム１１５の出射面より垂直方向に射出する。この後
方に本発明の実施例１に用いたと同様の光混合光学素子
１を配置している。これにより図２（Ｂ）の曲線Ｌ４に
示すような、より均一性の良い光強度分布を有する円形
の出射光束ＬOUT を得ている。
【００７３】尚、実施例４，５のようにレーザーダイオ
ードのような可干渉性のある光源を用いる場合に、本発
明の光混合光学素子を用いると、図２の曲線Ｌ４に示す
ように最外部の強度を中心部に比べてかなり少なくする
ことができるので、遠距離照射時に回折による干渉縞が
発生しにくい装置を提供することができる。またガウス
分布の光強度分布のままで出射する従来の装置よりも中
央部の照度を下げることができるので、人体（目）に対
する影響についても、従来装置よりも安全な装置を提供
することができる。
ードのような可干渉性のある光源を用いる場合に、本発
明の光混合光学素子を用いると、図２の曲線Ｌ４に示す
ように最外部の強度を中心部に比べてかなり少なくする
ことができるので、遠距離照射時に回折による干渉縞が
発生しにくい装置を提供することができる。またガウス
分布の光強度分布のままで出射する従来の装置よりも中
央部の照度を下げることができるので、人体（目）に対
する影響についても、従来装置よりも安全な装置を提供
することができる。
【００７４】
【発明の効果】本発明によれば以上のように、 （２−１）光源からの光束を適切に設定した複数の円錐
状プリズムを用いることによりガウス分布状の光強度分
布の光束を光出射端から任意の距離で均一な光強度分布
の光束として光照射を行なえるようにした光混合光学素
子及びそれを用いた照明装置を達成することができる。
状プリズムを用いることによりガウス分布状の光強度分
布の光束を光出射端から任意の距離で均一な光強度分布
の光束として光照射を行なえるようにした光混合光学素
子及びそれを用いた照明装置を達成することができる。
【００７５】（２−２）光源からの光束を適切に設定し
た複数の円錐状プリズムを用いることによりガウス分布
状の光強度分布の光束を用いて、被照射面を照明する
際、光出射光側にフォーカス機能を有する光学系を備え
る場合には、フォーカス操作のみにより簡単に任意の照
射位置において任意の照射範囲を効率良く、かつ均一な
光強度分布の光照射を行なえるようにした光混合光学素
子及びそれを用いた照明装置を達成することができる。
た複数の円錐状プリズムを用いることによりガウス分布
状の光強度分布の光束を用いて、被照射面を照明する
際、光出射光側にフォーカス機能を有する光学系を備え
る場合には、フォーカス操作のみにより簡単に任意の照
射位置において任意の照射範囲を効率良く、かつ均一な
光強度分布の光照射を行なえるようにした光混合光学素
子及びそれを用いた照明装置を達成することができる。
【００７６】（２−３）光強度分布がガウス分布状の光
源を用いた光学系の平行光束部において、同一形状の２
つの突出面を有する光学素子を、前記の突出面を内側に
向けるか、又は外側に向けて組み合わせ、前記の突出面
の回転対称軸又はそれに準ずる軸を前記光学系の光軸と
一致させて、所定の間隔で配置させることにより、より
均一な光強度分布の平行光束を得られる。
源を用いた光学系の平行光束部において、同一形状の２
つの突出面を有する光学素子を、前記の突出面を内側に
向けるか、又は外側に向けて組み合わせ、前記の突出面
の回転対称軸又はそれに準ずる軸を前記光学系の光軸と
一致させて、所定の間隔で配置させることにより、より
均一な光強度分布の平行光束を得られる。
【００７７】また光混合光学素子の出射光側にフォーカ
ス機能を有する光学系を備えて、フォーカス操作を行な
う場合、任意の照射距離において、より均一な光強度分
布の照射を行なうことができ、従来よりも照射範囲を広
くできる効果がある。また、レーザー光のように可干渉
性のある光源を用いる空間光通信装置に本発明の光混合
光学素子を適用すると、遠距離通信時においても干渉縞
の発生しにくい光強度分布にすることができるので、よ
り信頼性の高い通信装置を提供できる効果がある。
ス機能を有する光学系を備えて、フォーカス操作を行な
う場合、任意の照射距離において、より均一な光強度分
布の照射を行なうことができ、従来よりも照射範囲を広
くできる効果がある。また、レーザー光のように可干渉
性のある光源を用いる空間光通信装置に本発明の光混合
光学素子を適用すると、遠距離通信時においても干渉縞
の発生しにくい光強度分布にすることができるので、よ
り信頼性の高い通信装置を提供できる効果がある。
【図１】本発明の光混合光学素子を有した照明装置の実
施例１の要部概略図
施例１の要部概略図
【図２】図１の一部分の説明図
【図３】図１の一部分の説明図
【図４】図１の光混合光学素子の円環の面積を表わす説
明図
明図
【図５】本発明に係る光束の入出射光の光強度分布の説
明図
明図
【図６】本発明に係る光束の入出射光の光強度分布の説
明図
明図
【図７】本発明に係る光束の入出射光の光強度分布の説
明図
明図
【図８】図２の光混合光学素子の入射角αに対する反
射、透過特性図
射、透過特性図
【図９】本発明の光混合光学素子の実施例２の要部概略
図
図
【図１０】図９の光混合光学素子の入射角αに対する反
射、透過特性図
射、透過特性図
【図１１】本発明の光混合光学素子の実施例３の要部概
略図
略図
【図１２】本発明の光混合光学素子の実施例４，５の光
強度分布の説明図
強度分布の説明図
【図１３】本発明の光混合光学素子の実施例４の斜視図
【図１４】本発明の光混合光学素子の実施例４の説明図
【図１５】本発明の光混合光学素子の実施例４の説明図
【図１６】本発明の光混合光学素子の実施例４の説明図
【図１７】本発明の光混合光学素子の実施例５の要部概
略図
略図
【図１８】本発明の光混合光学素子の実施例５の説明図
【図１９】従来の光混合光学素子を用いた光学系の概略
図
図
【図２０】従来の光混合光学素子を用いた光学系の概略
図
図
【図２１】従来の光混合光学素子を用いた光学系の概略
図
図
１，９１，１１１ 光混合光学素子 １ａ，１ｂ，９１ａ，９１ｂ，１１１ａ，１１１ｂ
円錐状プリズム ３ ビームエクスパンダー ４ オプティカルインテグレータ ５ コンデンサーレンズ ６ 光源 ７ 投影レンズ ８ ウエハ ９ マスク
円錐状プリズム ３ ビームエクスパンダー ４ オプティカルインテグレータ ５ コンデンサーレンズ ６ 光源 ７ 投影レンズ ８ ウエハ ９ マスク
Claims (4)
- 【請求項１】 円錐面を有する２つの円錐状プリズムを
それらの回転対称軸を一致させて対向配置し、一方の円
錐状プリズムの回転対称軸に対して片側の円錐面に入射
した光束が他方の円錐状プリズムの回転対称軸に対して
反対側の円錐面に入射するように各要素を設定したこと
を特徴とする光混合光学素子。 - 【請求項２】 前記２つの円錐状プリズムをそれらの底
面を接合した形状の一体成形プリズムより構成したこと
を特徴とする請求項１の光混合光学素子。 - 【請求項３】 光源から放射される光強度分布がガウス
分布状の光束を光混合光学素子を介した後に集光系によ
り集光して被複写面を照明する照明装置において、該光
混合光学素子は、円錐面を有する２つの円錐状プリズム
をそれらの回転対称軸を一致させて対向配置し、一方の
円錐状プリズムの回転対称軸に対して片側の円錐面に入
射した光束が他方の円錐状プリズムの回転対称軸に対し
て反対側の円錐面に入射するように各要素を設定してい
ることを特徴とする照明装置。 - 【請求項４】 前記集光系の光軸と前記円錐状プリズム
の回転対称軸とを一致させていることを特徴とする請求
項３の照明装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6312578A JPH08146342A (ja) | 1994-11-21 | 1994-11-21 | 光混合光学素子及びそれを用いた照明装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6312578A JPH08146342A (ja) | 1994-11-21 | 1994-11-21 | 光混合光学素子及びそれを用いた照明装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08146342A true JPH08146342A (ja) | 1996-06-07 |
Family
ID=18030898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6312578A Pending JPH08146342A (ja) | 1994-11-21 | 1994-11-21 | 光混合光学素子及びそれを用いた照明装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08146342A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007047335A (ja) * | 2005-08-08 | 2007-02-22 | Ricoh Co Ltd | 照明装置、光変調装置、及び投射型表示装置 |
| JP7201287B1 (ja) * | 2022-07-25 | 2023-01-10 | 株式会社京都セミコンダクター | 光給電コンバータ |
-
1994
- 1994-11-21 JP JP6312578A patent/JPH08146342A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007047335A (ja) * | 2005-08-08 | 2007-02-22 | Ricoh Co Ltd | 照明装置、光変調装置、及び投射型表示装置 |
| JP7201287B1 (ja) * | 2022-07-25 | 2023-01-10 | 株式会社京都セミコンダクター | 光給電コンバータ |
| WO2024023887A1 (ja) * | 2022-07-25 | 2024-02-01 | 株式会社京都セミコンダクター | 光給電コンバータ |
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