WO2019187832A1 - 照射光学装置 - Google Patents

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lenses
irradiation optical
lens
laser light
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虹之 景
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横河電機株式会社
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    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping

Definitions

  • the present invention relates to an irradiation optical apparatus.
  • This application claims the priority based on Japanese Patent Application No. 2018-061196 for which it applied to Japan on March 28, 2018, and uses the content here.
  • an irradiation optical device is used for laser equipment such as a laser microscope, a laser processing machine, and a semiconductor exposure apparatus.
  • the irradiation optical device includes, for example, a laser light source and a lens.
  • the irradiation optical device irradiates a sample such as a cell with light emitted from a lens via a microscope optical system. If cells are previously labeled with a fluorescent substance, fluorescence is emitted from the cells. By acquiring a fluorescence image with a microscope optical system, cell observation, cell behavior analysis, and the like can be performed.
  • the irradiation optical device In the irradiation optical device, light from a laser light source is irradiated to a wide area including a sample. Since the laser light source is a point light source, the light intensity tends to be Gaussian, that is, a distribution with a strong center and a weak periphery. An image obtained using laser light having a Gaussian intensity distribution has a bright center and a dark periphery. In this case, there is an adverse effect such as an influence on the analysis accuracy, and hence improvement is desired.
  • Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 a Koehler illumination system having a microlens array and a Fourier lens is used. Since laser light has coherence (coherence), if a repetitive pattern such as a microlens is present in the optical path, interference or diffraction may occur or speckle may occur. In that case, an interference fringe pattern or the like appears in the illumination light, and the uniformity is impaired.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an example of the apparatus.
  • the apparatus 100 includes a laser light source (not shown) that emits laser light L, a diffuser 101, a relay lens 102 for incorporating the diffuser 101 into an optical path, a microlens array 103, and a Fourier lens 104.
  • An apparatus having such a configuration is also referred to as a homogenizer.
  • the apparatus 100 has two configurations: a configuration for breaking the coherence of laser light (diffuser 101 and relay lens 102), and a configuration for realizing uniformity of laser light (microlens array 103 and Fourier lens 104). ) Are arranged along the optical path. Therefore, the optical path becomes long and the device becomes large. Since the device 100 has many components, the cost may increase.
  • One embodiment of the present invention provides an irradiation optical device that can be reduced in size and cost.
  • a laser light source one or more microlens arrays through which light emitted from the laser light source passes, and the microlens array are moved without changing the optical path length from the laser light source.
  • an irradiation optical device including a moving mechanism and a Fourier lens through which light passing through the microlens array passes.
  • the microlens array by moving the microlens array, it is possible to average the laser light and reduce the influence of interference and diffraction. Therefore, the irradiation light becomes uniform light.
  • the microlens array and the Fourier lens have both the function of making the laser light uniform and the function of breaking the coherence of the laser light. Therefore, it is not necessary to use a diffuser (diffusion plate). Therefore, the apparatus configuration can be simplified, and downsizing and cost reduction can be achieved.
  • the microlens array can be rotated around a central axis orthogonal to the microlens array, and the moving mechanism can rotate the microlens array around the central axis. It may be a configuration.
  • the microlens array is configured to be rotatable around the central axis, the influence of laser beam interference can be reduced while the configuration is simple. Therefore, it is advantageous for downsizing and cost reduction.
  • the micro lens array may include a plurality of lenses arranged in a spiral shape.
  • the lens is arranged in a spiral shape, the radial position of the lens changes in the process of rotation of the microlens array. Therefore, the influence of laser beam interference can be reduced.
  • the plurality of microlens arrays have a first microlens array and a second microlens array arranged to face each other, and a relative position between the first microlens array and the second microlens array is constant. Good.
  • the laser light that has passed through the lenses of the first microlens array passes through the corresponding specific lens in the second microlens array. Therefore, stable optical characteristics can be obtained.
  • the irradiation optical device further includes a connecting portion that connects the first microlens array and the second microlens array, and the first microlens array and the second microlens array are integrally rotatable. Good.
  • the relative position between the lens of the first microlens array and the lens of the second microlens array is constant with high accuracy. Therefore, more stable optical characteristics can be obtained.
  • the microlens array may be arranged perpendicular to the direction of light emitted from the laser light source.
  • the microlens array has a disk shape, and the plurality of lenses are arranged so that the positions of the microlens array in the radial direction are deviated from each other and the positions of the microlens array in the circumferential direction are deviated from each other. Good.
  • the radial shift amount and the circumferential shift amount of adjacent lenses may be constant values.
  • the first microlens array and the second microlens array are disk-shaped, and the first microlens array and the second microlens array are integrally rotatable around the same central axis. Good.
  • the plurality of microlens arrays include a first microlens array and a second microlens array arranged to face each other, and the first microlens array includes a plurality of first lenses arranged in a spiral shape, The second microlens array may include a plurality of second lenses arranged in a spiral shape.
  • the first microlens array and the second microlens array are disk-shaped, the plurality of first lenses are displaced from each other in the radial direction of the first microlens array, and the first The plurality of second lenses are arranged so that the circumferential positions of the microlens array are shifted from each other, the radial positions of the second microlens array are shifted from each other, and the circumferential direction of the second microlens array May be arranged so that their positions are shifted.
  • the radial shift amount and the circumferential shift amount of the adjacent lenses of the plurality of first lenses are equal to the radial shift amount and the circumferential shift amount of the adjacent lenses of the plurality of second lenses. It's okay.
  • the arrangement of the plurality of second lenses viewed from the thickness direction of the second microlens array may correspond one-to-one with the arrangement of the plurality of first lenses.
  • the relative position of one lens of the plurality of first lenses and one lens of the plurality of second lenses corresponding to the one lens may be constant.
  • the plurality of first lenses divide the light emitted from the laser light source into a plurality of light beams, and the plurality of second lenses collect the plurality of light beams output from the plurality of first lenses. Good.
  • the device configuration can be simplified, and the size and cost can be reduced.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an irradiation optical apparatus 10 according to the first embodiment.
  • the irradiation optical device 10 includes a laser light source 1, a first microlens array 2 (first microlens array), a second microlens array 3 (second microlens array), and a Fourier lens. 4, a rotational movement mechanism 5, and a connecting portion 6.
  • the laser light source 1 includes, for example, a laser oscillator (not shown) such as a semiconductor laser or a solid-state laser.
  • a laser oscillator such as a semiconductor laser or a solid-state laser.
  • the laser light source 1 is drawn at a position close to the first microlens array 2, but the laser light source 1 is conceptually a point light source located at infinity from the first microlens array 2.
  • the first microlens array 2 is formed in a disc shape in which a plurality of lenses 7 (microlenses) are arranged.
  • the first microlens array 2 can rotate around the central axis C1.
  • the central axis C1 is orthogonal to the disk surface of the first microlens array 2.
  • the central axis C1 is along the thickness direction of the first microlens array 2.
  • the first microlens array 2 can rotate without changing the optical path length from the laser light source 1 to the first microlens array 2.
  • the disk surface of the first microlens array 2 is arranged perpendicular to the direction of the laser light L emitted from the laser light source 1.
  • Each of the plurality of lenses 7 has a function of condensing the laser light L from the laser light source 1. Since the first microlens array 2 includes a plurality of lenses 7 (first lenses), the incident laser light L is divided into a plurality of light beams. The first microlens array 2 has a function of a field stop and defines an irradiation area of the laser light L on the target surface 12.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the arrangement of the lenses 7 of the first microlens array 2.
  • FIG. 2 is a schematic view of the first microlens array 2 viewed from the thickness direction.
  • R is the radial direction of the first microlens array 2.
  • ⁇ is the circumferential direction of the first microlens array 2 (the direction around the central axis C1).
  • ⁇ 1 is one direction of the circumferential direction ⁇ and is the rotation direction of the first microlens array 2.
  • ⁇ 2 is a direction opposite to the rotation direction ⁇ 1.
  • the plurality of lenses 7 are arranged in a spiral shape (spiral shape) and in multiple stripes. Specifically, the plurality of lenses 7 constitute a plurality of lens rows 8. Each of the lens rows 8 is composed of a plurality of lenses 7 arranged in a row.
  • the plurality of lenses 7 (for example, lenses 7A to 7D) constituting each of the lens rows 8 are displaced in the radial direction r along the arrangement (that is, from the lens 7A toward the lens 7D), The positions of the direction ⁇ are arranged so as to shift to a predetermined direction side (for example, the ⁇ 1 side).
  • the deviation amount Pr may be a constant value for the plurality of lenses 7.
  • P ⁇ shown in FIG. 2 is a deviation amount of the adjacent lenses 7 and 7 in the circumferential direction ⁇ .
  • the shift amount P ⁇ may be a constant value for the plurality of lenses 7.
  • the shift amount P ⁇ corresponds to one screen of the lens 7. Since the plurality of lenses 7 constituting the lens array 8 are arranged with constant deviation amounts Pr and P ⁇ , the plurality of lenses 7 are arranged in a spiral shape. Since the plurality of lens rows 8 are provided at different positions in the circumferential direction ⁇ , the plurality of lenses 7 are arranged in multiple rows.
  • the second microlens array 3 is formed in a disk shape in which a plurality of lenses 17 (microlenses) (second lenses) are arranged.
  • the second microlens array 3 is rotatable around the central axis C2.
  • the central axis C2 is orthogonal to the disk surface of the second microlens array 3.
  • the central axis C ⁇ b> 2 is along the thickness direction of the second microlens array 3.
  • the second microlens array 3 can rotate without changing the optical path length from the laser light source 1 to the second microlens array 3.
  • the disk surface of the second microlens array 3 is disposed perpendicular to the direction of the laser light L.
  • Each of the plurality of lenses 17 has a function of condensing the laser light L (a plurality of light beams output from the plurality of lenses 7).
  • the second microlens array 3 has an aperture stop function.
  • the first microlens array 2 and the second microlens array 3 are arranged in parallel with each other and spaced in the thickness direction.
  • the first microlens array 2 and the second microlens array 3 are arranged to face each other.
  • the first microlens array 2 and the second microlens array 3 may have the same outer diameter.
  • the central axis C1 of the first microlens array 2 coincides with the central axis C2 of the second microlens array 3.
  • the plurality of lenses 17 are arranged in a spiral shape (swirl shape) and in multiple rows like the lenses 7 of the first microlens array 2 (see FIG. 2). Specifically, the plurality of lenses 17 constitute a plurality of lens rows when viewed from the thickness direction of the second microlens array 3. The plurality of lenses 17 constituting this lens array are arranged so that the radial position of the second microlens array 3 is shifted outward and the circumferential position is also shifted along the arrangement.
  • the shift amount in the radial direction between the adjacent lenses 17 and 17 may be equal to the shift amount Pr in FIG.
  • the deviation amount in the circumferential direction of the adjacent lenses 17 and 17 may be equal to the deviation amount P ⁇ in FIG.
  • the outer diameter of the lens 17 may be equal to the outer diameter of the lens 7 of the first microlens array 2.
  • the number of lenses 17 may be equal to the number of lenses 7 in the first microlens array 2.
  • the lens 17 may be a lens having the same specification as the lens 7 of the first microlens array 2 or may be a lens having a specification different from that of the lens 7.
  • the focal length f MLA of the lenses 7 and 17 may be, for example, 10 mm to 20 mm.
  • the outer diameter D MLA (lens diameter) of the lenses 7 and 17 may be, for example, 0.3 mm to 0.8 mm.
  • 30 to 50 lenses 7 and 17 may be included in the light beam of the laser light L.
  • the arrangement of the plurality of lenses 17 viewed from the thickness direction of the second microlens array 3 corresponds to the arrangement of the lenses 7 of the first microlens array 2 (see FIG. 2) on a one-to-one basis.
  • the relative position of one lens 7 and one lens 17 may be always constant. In that case, regardless of the circumferential position of the microlens arrays 2, 3, the laser light L that has passed through one lens 7 passes through one specific lens 17 corresponding thereto. Therefore, stable optical characteristics can be obtained.
  • the connecting portion 6 connects the central portion of the first microlens array 2 and the central portion of the second microlens array 3. Therefore, the first microlens array 2 and the second microlens array 3 can rotate integrally around the central axes C1 and C2. As a result, the relative position between one lens 7 of the first microlens array 2 and one lens 17 of the second microlens array 3 corresponding to the one lens 7 is constant with high accuracy. For this reason, the laser light L that has passed through a certain lens 7 passes through the corresponding specific lens 17, so that more stable optical characteristics can be obtained.
  • the Fourier lens 4 a known Fourier lens can be used.
  • the Fourier lens 4 can be used to integrate an image formed by the laser light L that has passed through the microlens arrays 2 and 3.
  • the focal length f FL of the Fourier lens 4 may be, for example, 300 mm to 500 mm.
  • the outer diameter (lens diameter) of the Fourier lens 4 may be, for example, 40 mm to 50 mm.
  • the first microlens array 2, the second microlens array 3, and the Fourier lens 4 constitute a Kohler illumination system.
  • the rotational movement mechanism 5 is connected to the first microlens array 2 via the rotation shaft 11.
  • the rotational movement mechanism 5 is a motor, for example.
  • the rotational movement mechanism 5 rotates the first microlens array 2 and the second microlens array 3 about the central axes C1 and C2 via the rotation shaft 11.
  • FIG. 3 is a diagram showing the intensity distribution of the laser light L emitted from the laser light source 1.
  • the intensity of the laser beam L is Gaussian, that is, the distribution is strong at the center and weak at the periphery.
  • Laser light L emitted from the laser light source 1 passes through the plurality of lenses 17 of the first microlens array 2 and the plurality of lenses 17 of the second microlens array 3.
  • the laser light L further reaches the target surface 12 via the Fourier lens 4.
  • the first microlens array 2 and the second microlens array 3 are rotated around the central axes C1 and C2 by the rotational movement mechanism 5. Since the microlens arrays 2 and 3 are connected by the connecting portion 6, they rotate integrally.
  • the rotational speed of the microlens arrays 2 and 3 depends on the size of the microlens arrays 2 and 3, but is, for example, 100 rpm or more (1000 rpm or more).
  • the rotation speed of the microlens arrays 2 and 3 may be 5000 rpm to 10,000 rpm.
  • the laser light L may cause interference and diffraction due to coherence and the repetitive pattern of the lens, but the rotation of the microlens arrays 2 and 3 can average the light intensity and reduce the influence of interference and the like. . Therefore, the irradiation light applied to the target surface 12 becomes uniform light having a substantially constant intensity over the entire area.
  • FIG. 4 is a diagram showing the intensity distribution of irradiation light. As shown in FIG. 4, the light intensity is substantially constant over the entire area.
  • first microlens array 2 and the second microlens array 3 are not rotated, interference and diffraction may occur due to the coherence of the laser light L and the repeated pattern of the lenses 7 and 17. . For this reason, interference fringes are generated, and uniform irradiation light may not be obtained.
  • the diameter DFP of the irradiation light obtained on the target surface 12 is obtained by the following equation (1), for example.
  • DFP D MLA ⁇ f FL / f MLA (1)
  • D MLA is the outer diameter (lens diameter) of the lenses 7 and 17.
  • f FL is the focal length of the Fourier lens 4.
  • f MLA is the focal length of the lenses 7 and 17.
  • the influence of interference and diffraction can be reduced by averaging the laser light L by the rotation of the microlens arrays 2 and 3. Therefore, the irradiation light irradiated to the target surface 12 becomes uniform light.
  • the microlens arrays 2 and 3 and the Fourier lens 4 have both a function of making the laser light uniform and a function of breaking the coherence of the laser light. Therefore, it is not necessary to use a diffuser (diffusion plate). Therefore, the apparatus configuration can be simplified, and downsizing and cost reduction can be achieved.
  • the irradiation light obtained by the irradiation optical device 10 can be used as excitation light in a laser microscope.
  • irradiation light can be irradiated to a sample such as a cell via a microscope optical system. If cells are previously labeled with a fluorescent substance, fluorescence is emitted from the cells. By acquiring a fluorescence image with a microscope optical system, cell observation, cell behavior analysis, and the like can be performed. Since the irradiation light obtained by the irradiation optical device 10 has a uniform distribution, an image with uniform brightness can be obtained, and the analysis accuracy can be improved.
  • the microlens arrays 2 and 3 are configured to be rotatable around the central axes C1 and C2, the influence of laser light interference can be reduced while having a simple configuration. Therefore, it is advantageous for downsizing and cost reduction.
  • the plurality of lenses 7 and 17 constituting the microlens arrays 2 and 3 are spirally arranged (see FIG. 2), the radial direction of the plurality of lenses 7 and 17 constituting the lens array The position of changes in the process of rotation of the microlens arrays 2 and 3. Therefore, the influence of the interference of the laser beam L can be reduced.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of the irradiation optical device 20 according to the second embodiment.
  • the irradiation optical device 20 includes a laser light source 1, a first microlens array 2, a Fourier lens 4, a rotational movement mechanism 5, and a rotation shaft 11.
  • the irradiation optical device 20 is different from the irradiation optical device 10 shown in FIG. 1 in that the second optical lens array 3 is not provided.
  • the laser light L emitted from the laser light source 1 passes through the lens 7 of the first microlens array 2, passes through the Fourier lens 4, and reaches the target surface 12. At this time, the first microlens array 2 is rotated around the central axis C1 by the rotational movement mechanism 5.
  • the irradiation light applied to the target surface 12 becomes uniform light having a substantially constant intensity over the entire area.
  • the device configuration can be simplified, downsizing and cost reduction can be achieved. Since the irradiation optical device 20 has a small number of microlens arrays, the device configuration is simpler than that of the irradiation optical device 10 shown in FIG. 1, which is advantageous in terms of downsizing and cost reduction.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
  • the microlens arrays 2 and 3 rotate around the central axes C1 and C2, but the mode of movement of the microlens array is not limited to rotation.
  • the microlens array may be reciprocated along the in-plane direction of the microlens array without changing the optical path length from the laser light source to the microlens array.
  • the number of microlens arrays may be 3 or more.
  • SYMBOLS 1 Laser light source, 2 ... 1st micro lens array, 3 ... 2nd micro lens array, 4 ... Fourier lens, 5 ... Rotation movement mechanism (movement mechanism), 6 ... Connection part, 7 ... Lens (1st lens), 17 ... Lens (second lens), 10, 20 ... Irradiation optical device

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Abstract

照射光学装置（１０）は、レーザ光源（１）と、レーザ光源（１）から出射した光が通過するマイクロレンズアレイ（２，３）と、マイクロレンズアレイ（２，３）を、レーザ光源（１）からの光路長を変化させずに移動させる移動機構（５）と、マイクロレンズアレイ（２，３）を経た光が通過するフーリエレンズ（４）と、を備える。

Description

照射光学装置
　本発明は、照射光学装置に関する。
　本願は、２０１８年３月２８日に日本に出願された特願２０１８－０６１１９６に基づく優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　例えば、レーザ顕微鏡、レーザ加工機、半導体露光装置などのレーザ機器には、照射光学装置が用いられる。照射光学装置は、例えば、レーザ光源と、レンズとを備える。照射光学装置は、レンズからの出射光を、顕微鏡光学系を介して細胞などの試料に照射する。細胞を予め蛍光物質で標識しておけば、細胞から蛍光が発せられる。蛍光の画像を顕微鏡光学系で取得することによって、細胞の観察、細胞の挙動の解析などを行うことができる。
　前記照射光学装置では、レーザ光源からの光を、試料を含む広い領域に照射する。レーザ光源は点光源であるため、光の強度はガウシアン状、すなわち中央が強く、周辺が弱い分布となりやすい。ガウシアン状の強度分布をもつレーザ光を用いて得られた画像は、中央が明るく、周辺が暗くなる。この場合、解析精度に影響が及ぶなどの弊害があるため、改善が要望されている。
　非特許文献１および特許文献１に記載の装置では、マイクロレンズアレイとフーリエレンズとを有するケーラー照明系が用いられている。レーザ光は干渉性（コヒレンス）を持つため、マイクロレンズのような繰り返しパターンが光路に存在すると、それによって干渉や回折が起きたり、スペックルが生じることがある。その場合、照明光に干渉縞のパターンなどが現れ、均一性が損なわれる。
　前記装置では、レーザ光の干渉性を崩して干渉や回折の影響を少なくして照射光の均一性を高めるために、光路にディフューザ（拡散板）が設けられる。図６は、前記装置の一例を示す構成図である。この装置１００は、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源（図示略）と、ディフューザ１０１と、ディフューザ１０１を光路に組み込むためのリレーレンズ１０２と、マイクロレンズアレイ１０３と、フーリエレンズ１０４とを備える。このような構成の装置をホモジェナイザともいう。
米国特許第８１４８６６３号明細書
Reinhard Voelkel, et.al "Laser Beam Homogenizing: Limitations and Constraints"SPIE Europe. 2-5 September 2008.
　装置１００では、２つの構成、すなわち、レーザ光の干渉性を崩すための構成（ディフューザ１０１およびリレーレンズ１０２）と、レーザ光の均一性を実現するための構成（マイクロレンズアレイ１０３およびフーリエレンズ１０４）とが光路に沿って配置される。そのため、光路が長くなり、装置が大型になる。装置１００は構成要素が多いため、コストが増大する場合もある。
　本発明の一態様は、小型化およびコスト抑制が可能な照射光学装置を提供する。
　本発明の一態様は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射した光が通過する１または複数のマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイを、前記レーザ光源からの光路長を変化させずに移動させる移動機構と、前記マイクロレンズアレイを経た光が通過するフーリエレンズと、を備えた照射光学装置を提供する。
　前記構成によれば、マイクロレンズアレイの移動により、レーザ光を平均化して干渉や回折の影響を少なくすることができる。そのため、照射光は均一光となる。前記構成によれば、マイクロレンズアレイおよびフーリエレンズは、レーザ光の均一化の機能と、レーザ光の干渉性を崩す機能とを併せもつことになる。したがって、ディフューザ（拡散板）を使用する必要はない。よって、装置構成を簡略にし、小型化およびコスト抑制を図ることができる。
　前記照射光学装置は、前記マイクロレンズアレイが、このマイクロレンズアレイに直交する中心軸の周りに回転可能であり、前記移動機構が、前記マイクロレンズアレイを前記中心軸の周りに回転させることができる構成であってよい。
　前記構成によれば、マイクロレンズアレイが中心軸の周りに回転可能に構成されているため、簡略な構成でありながらレーザ光の干渉の影響を少なくできる。よって、小型化およびコスト抑制を図るうえで有利となる。
　前記マイクロレンズアレイは、螺旋状に配置された複数のレンズを備えてよい。
　前記構成によれば、レンズが螺旋状に配置されているため、レンズの径方向の位置はマイクロレンズアレイの回転の過程で変化する。したがって、レーザ光の干渉の影響を少なくできる。
　前記複数のマイクロレンズアレイは、対向配置された第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイとを有し、前記第１マイクロレンズアレイと前記第２マイクロレンズアレイとの相対位置は一定であってよい。
　前記構成によれば、第１マイクロレンズアレイのレンズを通ったレーザ光は、第２マイクロレンズアレイにおける、対応する特定のレンズを通ることになる。そのため、安定した光学特性が得られる。
　前記照射光学装置は、前記第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイとを連結する連結部をさらに備え、前記第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイとは一体的に回転可能であってよい。
　前記構成によれば、第１マイクロレンズアレイのレンズと第２マイクロレンズアレイのレンズとの相対位置は精度よく一定となる。そのため、より安定した光学特性が得られる。
　前記マイクロレンズアレイは、前記レーザ光源から出射した光の方向に対して垂直に配置されてよい。
　前記マイクロレンズアレイは、円板状であり、前記複数のレンズは、互いに、前記マイクロレンズアレイの径方向の位置がずれ、かつ、前記マイクロレンズアレイの周方向の位置がずれるように配列されてよい。
　前記複数のレンズのうち、隣り合うレンズの径方向のずれ量および周方向のずれ量は一定値であってよい。
　前記第１マイクロレンズアレイおよび前記第２マイクロレンズアレイは、円板状であり、前記第１マイクロレンズアレイおよび前記第２マイクロレンズアレイは、同じ中心軸の周りに一体的に回転可能であってよい。
　前記複数のマイクロレンズアレイは、対向配置された第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイとを有し、前記第１マイクロレンズアレイは、螺旋状に配置された複数の第１レンズを備え、前記第２マイクロレンズアレイは、螺旋状に配置された複数の第２レンズを備えてよい。
　前記第１マイクロレンズアレイおよび前記第２マイクロレンズアレイは、円板状であり、複数の前記第１レンズは、互いに、前記第１マイクロレンズアレイの径方向の位置がずれ、かつ、前記第１マイクロレンズアレイの周方向の位置がずれるように配列され、複数の前記第２レンズは、互いに、前記第２マイクロレンズアレイの径方向の位置がずれ、かつ、前記第２マイクロレンズアレイの周方向の位置がずれるように配列されてよい。
　複数の前記第１レンズのうち隣り合うレンズの径方向のずれ量および周方向のずれ量は、複数の前記第２レンズのうち隣り合うレンズの径方向のずれ量および周方向のずれ量と等しくてよい。
　前記第２マイクロレンズアレイの厚さ方向から見た複数の前記第２レンズの配置は、それぞれ、複数の前記第１レンズの配置に１対１で対応してよい。
　複数の前記第１レンズのうちの１つレンズと、該１つレンズと対応する複数の前記第２レンズのうちの１つレンズとの相対位置は一定であってよい。
　複数の前記第１レンズは、前記レーザ光源から出射した光を複数の光束に分割し、複数の前記第２レンズは、複数の前記第１レンズから出力された前記複数の光束を集光させてよい。
　前記構成によれば、装置構成を簡略にし、小型化およびコスト抑制を図ることができる。
　本発明の一態様によれば、装置の小型化およびコスト抑制が可能となる。
第１実施形態の照射光学装置の構成図である。 図１の照射光学装置のマイクロレンズアレイのレンズの配置を説明する図である。 レーザ光源から出射したレーザ光の強度分布を示す図である。 照射光の強度分布を示す図である。 第２実施形態の照射光学装置の構成図である。 従来の装置の一例の構成図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
（照射光学装置）
　図１は、第１実施形態の照射光学装置１０の構成図である。
　図１に示すように、照射光学装置１０は、レーザ光源１と、第１マイクロレンズアレイ２（第１マイクロレンズアレイ）と、第２マイクロレンズアレイ３（第２マイクロレンズアレイ）と、フーリエレンズ４と、回転移動機構５と、連結部６とを備えている。
　レーザ光源１は、例えば、半導体レーザ、固体レーザ等のレーザ発振機（図示略）を備える。図１では、レーザ光源１は第１マイクロレンズアレイ２に近い位置に描かれているが、レーザ光源１は、概念的には、第１マイクロレンズアレイ２から無限遠にある点光源である。
　第１マイクロレンズアレイ２は、複数のレンズ７（マイクロレンズ）を配列した円板状に形成されている。第１マイクロレンズアレイ２は、中心軸Ｃ１周りに回転可能である。中心軸Ｃ１は第１マイクロレンズアレイ２の円板面に対して直交する。中心軸Ｃ１は第１マイクロレンズアレイ２の厚さ方向に沿う。第１マイクロレンズアレイ２は、レーザ光源１から第１マイクロレンズアレイ２までの光路長を変化させずに回転できる。第１マイクロレンズアレイ２の円板面は、レーザ光源１から出射するレーザ光Ｌの方向に対して垂直に配置される。
　複数のレンズ７の各々は、レーザ光源１からのレーザ光Ｌを集光させる機能を有する。第１マイクロレンズアレイ２は、複数のレンズ７（第１レンズ）を備えているため、入射されたレーザ光Ｌを複数の光束に分割する。第１マイクロレンズアレイ２は、視野絞りの機能を有し、ターゲット面１２におけるレーザ光Ｌの照射面積を規定する。
　図２は、第１マイクロレンズアレイ２のレンズ７の配置を説明する図である。図２は、第１マイクロレンズアレイ２を厚さ方向から見た模式図である。「ｒ」は第１マイクロレンズアレイ２の径方向である。「θ」は第１マイクロレンズアレイ２の周方向（中心軸Ｃ１周り方向）である。「θ１」は周方向θの一方向であり、第１マイクロレンズアレイ２の回転方向である。「θ２」は回転方向θ１と反対の方向である。
　複数のレンズ７は、螺旋状（渦巻き状）に、かつ多条に配列されている。詳しくは、複数のレンズ７は、複数のレンズ列８を構成している。レンズ列８の各々は、一列に並べられた複数のレンズ７により構成されている。レンズ列８の各々を構成する複数のレンズ７（例えばレンズ７Ａ～７Ｄ）は、配列に沿って（すなわちレンズ７Ａからレンズ７Ｄに向かって）、径方向ｒの位置が外方にずれ、かつ周方向θの位置が予め定められた方向側（例えばθ１側）にずれるように配列されている。
　図２に示すＰｒは隣り合うレンズ７，７の径方向ｒのずれ量である。ずれ量Ｐｒは複数のレンズ７について一定値であってよい。図２に示すＰθは隣り合うレンズ７，７の周方向θのずれ量である。ずれ量Ｐθは複数のレンズ７について一定値であってよい。ずれ量Ｐθはレンズ７の一画面分に相当する。レンズ列８を構成する複数のレンズ７は一定のずれ量Ｐｒ，Ｐθで配列されているため、これら複数のレンズ７は螺旋状に並んでいる。複数のレンズ列８は、周方向θに位置を違えて設けられているため、複数のレンズ７は多条に配列されている。
　図１に示すように、第２マイクロレンズアレイ３は、複数のレンズ１７（マイクロレンズ）（第２レンズ）を配列した円板状に形成されている。第２マイクロレンズアレイ３は、中心軸Ｃ２周りに回転可能である。中心軸Ｃ２は第２マイクロレンズアレイ３の円板面に対して直交する。中心軸Ｃ２は第２マイクロレンズアレイ３の厚さ方向に沿う。第２マイクロレンズアレイ３は、レーザ光源１から第２マイクロレンズアレイ３までの光路長を変化させずに回転できる。第２マイクロレンズアレイ３の円板面は、レーザ光Ｌの方向に対して垂直に配置される。
　複数のレンズ１７の各々は、レーザ光Ｌ（複数のレンズ７から出力された複数の光束）を集光させる機能を有する。第２マイクロレンズアレイ３は、開口絞りの機能を有する。
　第１マイクロレンズアレイ２と第２マイクロレンズアレイ３とは互いに平行に、厚さ方向に間隔をおいて配置される。第１マイクロレンズアレイ２と第２マイクロレンズアレイ３とは対向して配置されている。第１マイクロレンズアレイ２と第２マイクロレンズアレイ３とは外径が同じであってよい。第１マイクロレンズアレイ２の中心軸Ｃ１と第２マイクロレンズアレイ３の中心軸Ｃ２とは一致する。
　複数のレンズ１７は、第１マイクロレンズアレイ２のレンズ７（図２参照）と同様に、螺旋状（渦巻き状）に、かつ多条に配列されている。詳しくは、複数のレンズ１７は、第２マイクロレンズアレイ３の厚さ方向から見て、複数のレンズ列を構成している。このレンズ列を構成する複数のレンズ１７は、配列に沿って、第２マイクロレンズアレイ３の径方向の位置が外方にずれ、かつ周方向の位置もずれるように配列されている。
　隣り合うレンズ１７，１７の半径方向のずれ量は、図２のずれ量Ｐｒと等しくてよい。隣り合うレンズ１７，１７の周方向のずれ量は、図２のずれ量Ｐθと等しくてよい。レンズ１７の外径は、第１マイクロレンズアレイ２のレンズ７の外径と等しくてよい。レンズ１７の数は、第１マイクロレンズアレイ２におけるレンズ７の数と等しくてよい。レンズ１７は、第１マイクロレンズアレイ２のレンズ７と同じ仕様のレンズであってもよいし、レンズ７と異なる仕様のレンズであってもよい。
　レンズ７，１７の焦点距離ｆＭＬＡは、例えば１０ｍｍ～２０ｍｍとしてよい。レンズ７，１７の外径ＤＭＬＡ（レンズ径）は、例えば０．３ｍｍ～０．８ｍｍとしてよい。レンズ７，１７は、レーザ光Ｌの光束のなかに、例えば３０～５０個が入ってよい。
　第２マイクロレンズアレイ３の厚さ方向から見た複数のレンズ１７の配置は、それぞれ、第１マイクロレンズアレイ２のレンズ７の配置（図２参照）に１対１で対応する。ある1つのレンズ７とある1つのレンズ１７との相対位置は常に一定であってよい。その場合、マイクロレンズアレイ２，３の周方向位置にかかわらず、ある1つのレンズ７を通ったレーザ光Ｌは、対応する特定のある1つのレンズ１７を通ることになる。そのため、安定した光学特性が得られる。
　連結部６は、第１マイクロレンズアレイ２の中央部と、第２マイクロレンズアレイ３の中央部を連結している。そのため、第１マイクロレンズアレイ２と第２マイクロレンズアレイ３は、中心軸Ｃ１，Ｃ２周りに一体的に回転可能である。これにより、第１マイクロレンズアレイ２のある1つのレンズ７と、ある1つの1つのレンズ７と対応する第２マイクロレンズアレイ３のある1つのレンズ１７との相対位置は精度よく一定となる。そのため、ある1つのレンズ７を通ったレーザ光Ｌは、対応する特定のある1つのレンズ１７を通ることから、より安定した光学特性が得られる。
　フーリエレンズ４は、公知のフーリエレンズを使用できる。フーリエレンズ４は、マイクロレンズアレイ２，３を経たレーザ光Ｌが構成する画像を積分するために用いることができる。フーリエレンズ４の焦点距離ｆＦＬは、例えば３００ｍｍ～５００ｍｍとしてよい。フーリエレンズ４の外径（レンズ径）は、例えば４０ｍｍ～５０ｍｍとしてよい。
　第１マイクロレンズアレイ２、第２マイクロレンズアレイ３およびフーリエレンズ４は、ケーラー照明系を構成する。
　回転移動機構５は、回転軸１１を介して第１マイクロレンズアレイ２に連結されている。回転移動機構５は、例えばモータである。回転移動機構５は、回転軸１１を介して第１マイクロレンズアレイ２および第２マイクロレンズアレイ３を中心軸Ｃ１，Ｃ２周りに回転させる。
（レーザ光の照射方法）
　次に、図１を参照しつつ、照射光学装置１０を用いてレーザ光Ｌを照射する方法を説明する。
　図３は、レーザ光源１から出射したレーザ光Ｌの強度分布を示す図である。図３に示すように、レーザ光Ｌの強度はガウシアン状、すなわち中央が強く、周辺が弱い分布となっている。
　レーザ光源１から出射したレーザ光Ｌは、第１マイクロレンズアレイ２の複数のレンズ７を経て第２マイクロレンズアレイ３の複数のレンズ１７を通る。レーザ光Ｌは、さらに、フーリエレンズ４を経てターゲット面１２に達する。
　この際、回転移動機構５によって、第１マイクロレンズアレイ２および第２マイクロレンズアレイ３を中心軸Ｃ１，Ｃ２周りに回転させる。マイクロレンズアレイ２，３は連結部６によって連結されているため、一体的に回転する。マイクロレンズアレイ２，３の回転数は、マイクロレンズアレイ２，３の大きさによるが、例えば１００ｒｐｍ以上（１０００ｒｐｍ以上）である。マイクロレンズアレイ２，３の回転数は、５０００ｒｐｍ～１００００ｒｐｍであってよい。
　レーザ光Ｌには、可干渉性とレンズの繰り返しパターンにより干渉や回折が生じ得るが、マイクロレンズアレイ２，３の回転により、光の強度を平均化し、干渉等の影響を少なくすることができる。そのため、ターゲット面１２に照射される照射光は、全域にわたり強度がほぼ一定である均一光となる。図４は、照射光の強度分布を示す図である。図４に示すように、光の強度は全域にわたってほぼ一定である。
　仮に、第１マイクロレンズアレイ２および第２マイクロレンズアレイ３が回転していない場合には、レーザ光Ｌがもつ可干渉性と、レンズ７，１７の繰り返しパターンにより干渉や回折が起きることがある。そのため、干渉縞が生じ、均一な照射光は得られない可能性がある。
　ターゲット面１２で得られる照射光の直径ＤＦＰは、例えば、次の式（１）で求められる。
　ＤＦＰ＝ＤＭＬＡ・ｆＦＬ／ｆＭＬＡ　　・・・（１）
　式（１）において、ＤＭＬＡはレンズ７，１７の外径（レンズ径）である。ｆＦＬはフーリエレンズ４の焦点距離である。ｆＭＬＡはレンズ７，１７の焦点距離である。例えば、一般的な顕微鏡の視野数はφ２０ｍｍである。この範囲の均一分布の照射光を得るには、ｆＭＬＡ＝１０ｍｍ、ＤＭＬＡ＝０．５ｍｍ、ｆＦＬ＝４００ｍｍとすればよい。
　第１実施形態の照射光学装置１０では、マイクロレンズアレイ２，３の回転により、レーザ光Ｌを平均化して干渉や回折の影響を少なくすることができる。そのため、ターゲット面１２に照射される照射光は均一光となる。
　照射光学装置１０では、マイクロレンズアレイ２，３およびフーリエレンズ４は、レーザ光の均一化の機能と、レーザ光の干渉性を崩す機能とを併せもつことになる。したがって、ディフューザ（拡散板）を使用する必要はない。よって、装置構成を簡略にし、小型化およびコスト抑制を図ることができる。
　照射光学装置１０で得られる照射光は、レーザ顕微鏡における励起光として利用することができる。例えば、照射光を、顕微鏡光学系を介して細胞などの試料に照射することができる。細胞を予め蛍光物質で標識しておけば、細胞から蛍光が発せられる。蛍光の画像を顕微鏡光学系で取得することによって、細胞の観察、細胞の挙動の解析などを行うことができる。照射光学装置１０で得られる照射光は均一な分布を有するため、明るさが均一な画像を得ることができ、解析精度を高めることができる。
　照射光学装置１０は、マイクロレンズアレイ２，３が中心軸Ｃ１，Ｃ２の周りに回転可能に構成されているため、簡略な構成でありながらレーザ光の干渉の影響を少なくできる。よって、小型化およびコスト抑制を図るうえで有利となる。
　照射光学装置１０は、マイクロレンズアレイ２，３を構成する複数のレンズ７，１７が螺旋状に配置されているため（図２参照）、レンズ列を構成する複数のレンズ７，１７の径方向の位置はマイクロレンズアレイ２，３の回転の過程で変化する。したがって、レーザ光Ｌの干渉の影響を少なくできる。
［第２実施形態］
（照射光学装置）
　図５は、第２実施形態の照射光学装置２０の構成図である。図１に示す第１実施形態の照射光学装置１０との共通構成については同じ符号を付して説明を省略する。
　図５に示すように、照射光学装置２０は、レーザ光源１と、第１マイクロレンズアレイ２と、フーリエレンズ４と、回転移動機構５と、回転軸１１とを備えている。
　照射光学装置２０は、第２マイクロレンズアレイ３を備えていない点で、図１に示す照射光学装置１０と異なる。
（レーザ光の照射方法）
　レーザ光源１から出射したレーザ光Ｌは、第１マイクロレンズアレイ２のレンズ７を経てフーリエレンズ４を通り、ターゲット面１２に達する。この際、回転移動機構５によって、第１マイクロレンズアレイ２を中心軸Ｃ１周りに回転させる。
　レーザ光Ｌには、可干渉性とレンズ７の繰り返しパターンにより干渉や回折が生じ得るが、第１マイクロレンズアレイ２の回転により、その影響を少なくすることができる。そのため、ターゲット面１２に照射される照射光は、全域にわたり強度がほぼ一定である均一光となる。
　照射光学装置２０では、ディフューザ（拡散板）を使用せずに均一な照射光が得られるため、装置構成を簡略にし、小型化およびコスト抑制を図ることができる。
　照射光学装置２０では、マイクロレンズアレイの数が少ないため、図１に示す照射光学装置１０に比べて装置構成が簡略であり、小型化およびコスト抑制の点で有利である。
　本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上述の実施形態では、マイクロレンズアレイ２，３は中心軸Ｃ１，Ｃ２周りに回転するが、マイクロレンズアレイの移動の態様は回転に限らない。例えば、マイクロレンズアレイは、レーザ光源からマイクロレンズアレイまでの光路長を変化させずに、マイクロレンズアレイの面内方向に沿って往復動させてもよい。マイクロレンズアレイの数は３以上であってもよい。
　１…レーザ光源、２…第１マイクロレンズアレイ、３…第２マイクロレンズアレイ、４…フーリエレンズ、５…回転移動機構（移動機構）、６…連結部、７…レンズ（第１レンズ）、１７…レンズ（第２レンズ）、１０，２０…照射光学装置

Claims (15)

  1. 　レーザ光源と、
    　前記レーザ光源から出射した光が通過する１または複数のマイクロレンズアレイと、
    　前記マイクロレンズアレイを、前記レーザ光源からの光路長を変化させずに移動させる移動機構と、
    　前記マイクロレンズアレイを経た光が通過するフーリエレンズと、を備えた照射光学装置。
  2. 　前記マイクロレンズアレイは、このマイクロレンズアレイに直交する中心軸の周りに回転可能であり、
    　前記移動機構は、前記マイクロレンズアレイを前記中心軸の周りに回転させる、請求項１記載の照射光学装置。
  3. 　前記マイクロレンズアレイは、螺旋状に配置された複数のレンズを備える、請求項２記載の照射光学装置。
  4. 　前記複数のマイクロレンズアレイは、対向配置された第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイとを有し、
    　前記第１マイクロレンズアレイと前記第２マイクロレンズアレイとの相対位置は一定である、請求項２または３に記載の照射光学装置。
  5. 　前記第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイとを連結する連結部をさらに備え、
    　前記第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイとは一体的に回転可能である、請求項４記載の照射光学装置。
  6. 　前記マイクロレンズアレイは、前記レーザ光源から出射した光の方向に対して垂直に配置される、請求項１から５の何れか一項に記載の照射光学装置。
  7. 　前記マイクロレンズアレイは、円板状であり、
    　前記複数のレンズは、互いに、前記マイクロレンズアレイの径方向の位置がずれ、かつ、前記マイクロレンズアレイの周方向の位置がずれるように配列される、請求項３記載の照射光学装置。
  8. 　前記複数のレンズのうち、隣り合うレンズの径方向のずれ量および周方向のずれ量は一定値である、請求項７記載の照射光学装置。
  9. 　前記第１マイクロレンズアレイおよび前記第２マイクロレンズアレイは、円板状であり、
    　前記第１マイクロレンズアレイおよび前記第２マイクロレンズアレイは、同じ中心軸の周りに一体的に回転可能である、請求項５記載の照射光学装置。
  10. 　前記複数のマイクロレンズアレイは、対向配置された第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイとを有し、
    　前記第１マイクロレンズアレイは、螺旋状に配置された複数の第１レンズを備え、
    　前記第２マイクロレンズアレイは、螺旋状に配置された複数の第２レンズを備える、請求項２記載の照射光学装置。
  11. 　前記第１マイクロレンズアレイおよび前記第２マイクロレンズアレイは、円板状であり、
    　複数の前記第１レンズは、互いに、前記第１マイクロレンズアレイの径方向の位置がずれ、かつ、前記第１マイクロレンズアレイの周方向の位置がずれるように配列され、
    　複数の前記第２レンズは、互いに、前記第２マイクロレンズアレイの径方向の位置がずれ、かつ、前記第２マイクロレンズアレイの周方向の位置がずれるように配列される、請求項１０記載の照射光学装置。
  12. 　複数の前記第１レンズのうち隣り合うレンズの径方向のずれ量および周方向のずれ量は、複数の前記第２レンズのうち隣り合うレンズの径方向のずれ量および周方向のずれ量と等しい、請求項１１記載の照射光学装置。
  13. 　前記第２マイクロレンズアレイの厚さ方向から見た複数の前記第２レンズの配置は、それぞれ、複数の前記第１レンズの配置に１対１で対応する、請求項１０から１２の何れか一項に記載の照射光学装置。
  14. 　複数の前記第１レンズのうちの１つレンズと、該１つレンズと対応する複数の前記第２レンズのうちの１つレンズとの相対位置は一定である、請求項１３記載の照射光学装置。
  15. 　複数の前記第１レンズは、前記レーザ光源から出射した光を複数の光束に分割し、
    　複数の前記第２レンズは、複数の前記第１レンズから出力された前記複数の光束を集光させる、請求項１０から１４の何れか一項に記載の照射光学装置。
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