(57)【要約】  光束分割光学系または光束統合光学系およびフライアイインテグレータの機能を備えたコンパクトな光学系を提供する。本発明によるインテグレータは、２面を備える。第１の面（１１１）が、正の屈折面である第１の単位面からなり、第２の面（１１３）が、正の屈折面である第２の単位面からなる。所定のｎ個の第２の単位面（１１３ａ、１１３ｂ）が所定の第１の単位面（１１１ａ）に対応し、前記所定のｎ個の第２の単位面に入射した、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な光が前記所定の第１の単位面の中心に集光するように構成されている。前記所定のｎ個の第２の単位面は、前記所定の第１の単位面の前記屈折面と実質的に同じ屈折力を有する屈折面上に互いに隣接しないように配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２面を備えるインテグレータであって、
第１の面が、正の屈折面である第１の単位面からなり、
第２の面が、正の屈折面である第２の単位面からなり、
所定のｎ個の第２の単位面が所定の第１の単位面に対応し、前記所定のｎ個の第２の単位面に入射した、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な光が前記所定の第１の単位面の中心に集光するように構成されており、
前記所定のｎ個の第２の単位面は、前記所定の第１の単位面の前記屈折面と実質的に同じ屈折力を有する屈折面上に互いに隣接しないように配置されたインテグレータ。
【請求項２】
前記所定の第１の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の大きさは、前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の大きさのｎ倍である請求項１に記載のインテグレータ。
【請求項３】
前記所定の第１の単位面が、前記第１の面に隙間なく配置されている請求項１または２に記載のインテグレータ。
【請求項４】
前記所定の第２の単位面が、前記第２の面に隙間なく配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項５】
前記所定の第１の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状が正方形である請求項１から４のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項６】
前記所定の第１の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状が長方形である請求項１から４のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項７】
前記所定の第１の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状が正六角形である請求項１から４のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項８】
１個の光学素子からなる請求項１から７のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項９】
第１の単位面が形成された面を備える第１の光学素子、および第２の単位面が形成された面を備える第２の光学素子からなる請求項１から７のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項１０】
前記所定のｎ個の第２の単位面に入射した、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な光が前記所定の第１の単位面上に集光した後、ｎ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成された請求項１から７のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項１１】
光源と、
コリメート手段と、
請求項１０に記載されたインテグレータと、を備え、
前記光源からの光が、前記コリメート手段によって、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な光とされた後、前記所定のｎ個の第２の単位面に入射され、前記インテグレータによってｎ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成された照明装置。
【請求項１２】
前記所定の第１の単位面に所定の角度で入射した、ｎ個の異なる方向に進行する光束が、前記所定のｎ個の第２の単位面に集光した後、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な方向に進行する光束に統合されるように構成された請求項１から９のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項１３】
ｎ個の光源と、
請求項１２に記載されたインテグレータと、を備え、
前記ｎ個の光源からの光が、ｎ個の異なる方向に進行する光束として、前記所定の第１の単位面に前記所定の角度で入射され、前記インテグレータによって前記所定の第１の単位面の光軸に平行な方向に進行する光束に統合されるように構成された照明装置。
【請求項１４】
２部材を備えるインテグレータであって、
第１の部材が、正の屈折力を有する第１の単位部分からなり、
第２の部材が、正の屈折力を有する第２の単位部分からなり、
所定のｎ個の第２の単位部分が所定の第１の単位部分に対応し、前記所定のｎ個の第２の単位部分における入射側の面に入射した、前記所定の第１の単位部分の光軸に平行な光が前記所定の第１の単位部分における出射側の面の中心に集光するように構成されており、前記所定のｎ個の第２の単位部分は、前記所定の第１の単位部分の前記屈折力と実質的に同じ屈折力を有する部材上に互いに隣接しないように配置されたインテグレータ。
【請求項１５】
前記所定の第１の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の大きさは、前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の大きさのｎ倍である請求項１４に記載のインテグレータ。
【請求項１６】
前記所定の第１の単位部分が、前記第１の部材に隙間なく配置されている請求項１４または１５に記載のインテグレータ。
【請求項１７】
前記所定の第２の単位部分が、前記第２の部材に隙間なく配置されている請求項１４から１６のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項１８】
前記所定の第１の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状が正方形である請求項１４から１７のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項１９】
前記所定の第１の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状が長方形である請求項１４から１７のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項２０】
前記所定の第１の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状が正六角形である請求項１４から１７のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項２１】
１個の光学素子からなる請求項１４から２０のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項２２】
前記所定のｎ個の第２の単位部分における入射側の面に入射した、前記所定の第１の単位部分の光軸に平行な光が前記所定の第１の単位部分における出射側の面上に集光した後、ｎ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成された請求項１４から請求項２０のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項２３】
光源と、
コリメート手段と、
請求項２２に記載されたインテグレータと、を備え、
前記光源からの光が、前記コリメート手段によって、前記所定の第１の単位部分の光軸に平行な光とされた後、前記所定のｎ個の第２の単位部分に入射され、前記インテグレータによってｎ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成された照明装置。
【請求項２４】
前記所定の第１の単位部分における入射側の面に所定の角度で入射した、ｎ個の異なる方向に進行する光束が、前記所定のｎ個の第２の単位部分における出射側の面上に集光した後、前記所定の第１の単位部分の光軸に平行な方向に進行する光束に統合されるように構成された請求項１４から２０のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項２５】
ｎ個の光源と、
請求項２４に記載されたインテグレータと、を備え、
前記ｎ個の光源からの光が、ｎ個の異なる方向に進行する光束として、前記所定の第１の単位部分における入射側の面に前記所定の角度で入射され、前記インテグレータによって前記所定の第１の単位部分の光軸に平行な方向に進行する光束に統合されるように構成された照明装置。
【請求項２６】
前記ｎ個の光源が、２個以上の波長の光を放射する請求項１３または２５に記載の照明装置。
【請求項２７】
２面を備えるインテグレータであって、
第１の面が、正の屈折面である第１の単位面からなり、
第２の面が、正の屈折面である第２の単位面からなり、
所定のｍ個の第１の単位面が所定のｎ個の第２の単位面に対応し、
前記所定のｍ個の第１の単位面は第１の屈折面上に互いに隣接しないように配置され、
前記所定のｎ個の第２の単位面は第２の屈折面上に互いに隣接しないように配置され、
前記第１の屈折面および前記第２の屈折面は、実質的に同じ屈折力を有し、互いに他の光軸上の焦点近傍に配置されたインテグレータ。
【請求項２８】
前記所定のｍ個の第１の単位面の、前記第１の屈折面の光軸に垂直な断面の大きさは、前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記第２の単位面の光軸に垂直な断面の大きさのｎ／ｍ倍である請求項２７に記載のインテグレータ。
【請求項２９】
前記所定の第１の単位面が、前記第１の面に隙間なく配置されている請求項２７または２８に記載のインテグレータ。
【請求項３０】
前記所定の第２の単位面が、前記第２の面に隙間なく配置されている請求項２７から２９のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項３１】
前記所定ｍ個の第１の単位面の、前記第１の屈折面の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記第２の屈折面の光軸に垂直な断面の形状が正方形である請求項２７から３０のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項３２】
前記所定ｍ個の第１の単位面の、前記第１の屈折面の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記第２の屈折面の光軸に垂直な断面の形状が長方形である請求項２７から３０のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項３３】
前記所定ｍ個の第１の単位面の、前記第１の屈折面の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記第２の屈折面の光軸に垂直な断面の形状が正六角形である請求項２７から３０のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項３４】
１個の光学素子からなる請求項２７から３３のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項３５】
第１の単位面が形成された面を備える第１の光学素子、および第２の単位面が形成された面を備える第２の光学素子からなる請求項２７から３３のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項３６】
前記所定のｍ個の第１の単位面に所定の角度で入射した、ｎ個の異なる方向に進行する光束が、前記所定のｎ個の第２の単位面に集光、統合した後、ｍ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成された請求項２７から３５のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項３７】
ｎ個の光源と、
請求項３６に記載されたインテグレータと、を備え、
前記ｎ個の光源からの光が、ｎ個の異なる方向に進行する光束として、前記所定のｍ個の第１の単位面に前記所定の角度で入射され、前記インテグレータによってｍ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成された照明装置。
【請求項３８】
２部材を備えるインテグレータであって、
第１の部材が、正の屈折面を含む第１の単位部分からなり、
第２の部材が、正の屈折面を含む第２の単位部分からなり、
所定のｍ個の第１の単位部分が所定のｎ個の第２の単位部分に対応し、
前記所定のｍ個の第１の単位部分は第１の部材上に互いに隣接しないように配置され、
前記所定のｎ個の第２の単位部分は第２の部材上に互いに隣接しないように配置され、
前記所定のｍ個の第１の単位部分の屈折面は、第１の屈折面の部分であり、前記所定のｎ個の第２の単位部分の屈折面は、第２の屈折面の部分であり、前記第１の屈折面および前記第２の屈折面は、実質的に同じ屈折力を有し、互いに他の光軸上の焦点近傍に配置されたインテグレータ。
【請求項３９】
前記所定のｍ個の第１の単位部分の、前記第１の部材の光軸に垂直な断面の大きさは、前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記第２の部材の光軸に垂直な断面の大きさのｎ／ｍ倍である請求項３８に記載のインテグレータ。
【請求項４０】
前記所定の第１の単位部分が、前記第１の部材に隙間なく配置されている請求項３８または３９に記載のインテグレータ。
【請求項４１】
前記所定の第２の単位部分が、前記第２の部材に隙間なく配置されている請求項３８から４０のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項４２】
前記所定の第１の単位部分の、前記第１の部材の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記第２の部材の光軸に垂直な断面の形状が正方形である請求項３８から４１のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項４３】
前記所定の第１の単位部分の、前記第１の部材の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記第２の部材の光軸に垂直な断面の形状が長方形である請求項３８から４１のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項４４】
前記所定の第１の単位部分の、前記第１の部材の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記第２の部材の光軸に垂直な断面の形状が正六角形である請求項３８から４１のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項４５】
１個の光学素子からなる請求項３８から４４のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項４６】
前記所定のｍ個の第１の単位部分に所定の角度で入射したｎ個の異なる方向に進行する光束が、前記所定のｎ個の第２の単位部分に集光、統合した後、ｍ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成された請求項３８から請求項４５のいずれか一項に記載のインテグレータ。
【請求項４７】
ｎ個の光源と、
請求項４６に記載されたインテグレータと、を備え、
前記ｎ個の光源からの光が、ｎ個の異なる方向に進行する光束として、前記所定のｍ個の第１の単位面に前記所定の角度で入射され、前記インテグレータによってｍ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成された照明装置。
【請求項４８】
前記ｎ個の光源が、２個以上の波長の光を放射する請求項３７または４７に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光束を分割または統合する、インテグレータおよび該インテグレータを使用した照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明装置において、照明対象領域の照度を均一とする目的でフライアイインテグレータが使用される。また、照明装置において、照明対象領域の照度を均一とするフライアイインテグレータとともに、光源からの光束を複数の光束に分割する光束分割光学系や、複数の光源からの複数の光束を単一の光束に統合する光束統合光学系が使用される場合がある。【０００３】
たとえば、半導体デバイス等リソグラフィー工程で使用される投影露光装置において、焦点深度や解像力を向上させる目的で照明の瞳形状を４つ穴状とする４極変形照明装置が使用される。４極変形照明装置において、４つ穴状の瞳形状に対応し、回折光学素子や角錐プリズムなどの光束分割光学系と、瞳照度均一化のためのフライアイインテグレータとが使用される（たとえば、特許文献１）。【０００４】
たとえば、画像プロジェクタにおいて、ＲＧＢ３色の光源からの光束を統合する、ダイクロイックプリズムなどの光束統合光学系と、投影画像の明るさムラをなくすためのフライアイインテグレータとが使用される（たとえば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２０００−１８２９３３号公報
【特許文献２】特開２００６−３９４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、光束分割光学系または光束統合光学系およびフライアイインテグレータを備えた光学系はサイズが大きくなり、このような光学系を備えた照明装置のサイズも大きくなる。【０００６】
したがって、光束分割光学系または光束統合光学系およびフライアイインテグレータの機能を備えたコンパクトな光学系および該光学系を備えたコンパクトな照明装置に対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるインテグレータは、２面を備える。第１の面が、正の屈折面である第１の単位面からなり、第２の面が、正の屈折面である第２の単位面からなる。所定のｎ個の第２の単位面が所定の第１の単位面に対応し、前記所定のｎ個の第２の単位面に入射した、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な光が前記所定の第１の単位面の中心に集光するように構成されている。前記所定のｎ個の第２の単位面は、前記所定の第１の単位面の前記屈折面と実質的に同じ屈折力を有する屈折面上に互いに隣接しないように配置されている。【０００８】
本発明によるインテグレータは、インテグレータとして機能するとともに、前記所定のｎ個の第２の単位面に入射した、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な光が前記所定の第１の単位面の中心に集光した後、ｎ個の所定の方向に進行する光束に分割する。また、本発明によるインテグレータは、インテグレータとして機能するとともに、前記所定の第１の単位面に入射した、ｎ個の所定の方向の光束を、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な光束に統合する。【０００９】
本発明によるインテグレータは、２部材を備える。第１の部材が、正の屈折力を有する第１の単位部分からなり、第２の部材が、正の屈折力を有する第２の単位部分からなる。所定のｎ個の第２の単位部分が所定の第１の単位部分に対応し、前記所定のｎ個の第２の単位部分における入射側の面に入射した、前記所定の第１の単位部分の光軸に平行な光が前記所定の第１の単位部分における出射側の面の中心に集光するように構成されている。前記所定のｎ個の第２の単位部分は、前記所定の第１の単位部分の前記屈折力と実質的に同じ屈折力を有する部材上に互いに隣接しないように配置されている。【００１０】
本発明によるインテグレータは、インテグレータとして機能するとともに、前記所定のｎ個の第２の単位部分における入射側の面に入射した、前記所定の第１の単位部分の光軸に平行な光が前記所定の第１の単位部分における出射側の面の中心に集光した後、ｎ個の所定の方向に進行する光束に分割する。また、本発明によるインテグレータは、インテグレータとして機能するとともに、前記所定の第１の単位部分に入射した、ｎ個の所定の方向の光束を、前記所定の第１の単位部分の光軸に平行な光束に統合する。【００１１】
本発明によるインテグレータは、２面を備える。第１の面が、正の屈折面である第１の単位面からなり、第２の面が、正の屈折面である第２の単位面からなる。所定のｍ個の第１の単位面が所定のｎ個の第２の単位面に対応し、前記所定のｍ個の第１の単位面は第１の屈折面上に互いに隣接しないように配置され、前記所定のｎ個の第２の単位面は第２の屈折面上に互いに隣接しないように配置され、前記第１の屈折面および前記第２の屈折面は、実質的に同じ屈折力を有し、互いに他の光軸上の焦点近傍に配置されている。【００１２】
本発明によるインテグレータは、インテグレータとして機能するとともに、前記所定のｍ個の第１の単位面に所定の角度で入射した、ｎ個の異なる方向に進行する光束を、前記所定のｎ個の第２の単位面に集光、統合した後、ｍ個の異なる方向に進行する光束に分割する。【００１３】
本発明によるインテグレータは、２部材を備える。第１の部材が、正の屈折面を含む第１の単位部分からなり、第２の部材が、正の屈折面を含む第２の単位部分からなる。所定のｍ個の第１の単位部分が所定のｎ個の第２の単位部分に対応し、前記所定のｍ個の第１の単位部分は第１の部材上に互いに隣接しないように配置され、前記所定のｎ個の第２の単位部分は第２の部材上に互いに隣接しないように配置される。前記所定のｍ個の第１の単位部分の屈折面は、第１の屈折面の部分であり、前記所定のｎ個の第２の単位部分の屈折面は、第２の屈折面の部分であり、前記第１の屈折面および前記第２の屈折面は、実質的に同じ屈折力を有し、互いに他の光軸上の焦点近傍に配置されている。【００１４】
本発明によるインテグレータは、インテグレータとして機能するとともに、前記所定のｍ個の第１の単位部分に所定の角度で入射したｎ個の異なる方向に進行する光束が、前記所定のｎ個の第２の単位部分に集光、統合した後、ｍ個の異なる方向に進行する光束に分割する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光束分割光学系または光束統合光学系の機能を備えたコンパクトなインテグレータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態による、光学系の構成を示す図である。
【図２】複数の第１の単位面を備える第１の面と複数の第２の単位面を備える第２の面とを備える光学素子の構成を示す図である。
【図３】図１に示した光学系と同一の光学系であって、第１の単位面を入射面とする光学系を示す図である。
【図４】図２に示した光学素子と同一の光学素子であって、第１の面を入射面とする光学素子の構成を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態による、光学系の構成を示す図である。
【図６】複数の第１の単位面を備える第１の面を備える第１の光学素子と複数の第２の単位面を備える第２の面を備える第２の光学素子の構成を示す図である。
【図７】図５に示した光学系と同一の光学系であって、第１の単位面を入射面とする光学系を示す図である。
【図８】図６に示した光学素子と同一の光学素子であって、第１の面を入射面とする光学素子の構成を示す図である。
【図９】本発明の他の実施形態による、光学系の構成を示す図である。
【図１０】複数の第１の単位面を備える第１の面を備える第１の光学素子と複数の第２の単位面を備える第２の面を備える第２の光学素子の構成を示す図である。
【図１１】図９に示した光学系と同一の光学系であって、第１の単位面を入射面とする光学系を示す図である。
【図１２】図１０に示した光学素子と同一の光学素子であって、第１の面を入射面とする光学素子の構成を示す図である。
【図１３】光学素子の第１の実施形態の、光軸方向から見た第１および第２の面、ならびに光軸を含む断面を示す図である。
【図１４】第１の実施形態による光学素子の第２の面（図１４（ａ））と第１の面（図１４（ｂ））を示す図である。
【図１５】第２の実施形態による光学素子の第２の面（図１５（ａ））と第１の面（図１５（ｂ））を示す図である。
【図１６】第３の実施形態による光学素子の第２の面（図１６（ａ））と第１の面（図１６（ｂ））を示す図である。
【図１７】第４の実施形態による光学素子の第２の面（図１７（ａ））と第１の面（図１７（ｂ））を示す図である。
【図１８】光学素子を使用する照明装置の第１の実施形態の構成を示す図である。
【図１９】光学素子を使用する照明装置の第２の実施形態の構成を示す図である。
【図２０】光学素子を使用する照明装置の第３の実施形態の構成を示す図である。
【図２１】光学素子を使用する照明装置の第４の実施形態の構成を示す図である。
【図２２】図２１に示した照明装置において、反射型光変調素子を使用する画像プロジェクタの照明装置の構成を示す図である。
【図２３】本発明の他の実施形態による、光学系の構成を示す図である。
【図２４】複数の第１の単位面を備える第１の面と複数の第２の単位面を備える第２の面とを備える光学素子の構成を示す図である。
【図２５】本発明の他の実施形態による、光学系の構成を示す図である。
【図２６】複数の第１の単位面を備える第１の面を備える第１の光学素子と複数の第２の単位面を備える第２の面を備える第２の光学素子の構成を示す図である。
【図２７】本発明の他の実施形態による、光学系の構成を示す図である。
【図２８】複数の第１の単位面を備える第１の面を備える第１の光学素子と複数の第２の単位面を備える第２の面を備える第２の光学素子の構成を示す図である。
【図２９】光学素子の第５の実施形態の、光軸方向から見た第１および第２の面、ならびに光軸を含む断面を示す図である。
【図３０】第５の実施形態による光学素子の第１の面（図３０（ａ））と第２の面１（図３０（ｂ））を示す図である。
【図３１】第６の実施形態による光学素子の第１の面（図３１（ａ））と第２の面（図３１（ｂ））を示す図である。
【図３２】光学素子を使用する照明装置の第５の実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１１０，１２０，１３０，１４０…光学素子、１１１，１１１１，１１１３，１１１５…第１の面、１１３，１１３１，１１３３，１１３５…第２の面、１１１ａ，１１１１ａ，１１１３ａ，１１１５ａ…第１の単位面、１１３ａ，１１３ｂ，１１３１ａ，１１３１ｂ，１１３３ａ，１１３３ｂ，１１３５ａ，１１３５ｂ…第２の単位面
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、一実施形態による、光学系の構成を示す図である。光学系は、第１の単位面１１１ａと、第１の単位面１１１ａに対応する第２の単位面１１３ａおよび１１３ｂとを備える。第１の単位面および第２の単位面は正の屈折面である。図１は、第１の単位面１１１ａの光軸を含む断面図である。光学系の断面を示す図１において、第１の単位面１１１ａに対応する第２の単位面は２個であるが、実際に、第１の単位面１１１ａに対応する第２の単位面は４個存在する。【００１９】
第２の単位面１１３ａおよび１１３ｂは、ともに焦点距離ｆの球面上の部分領域であり第２の単位面１１３ａおよび１１３ｂは、第１の単位面１１１ａの光軸に対して対称に配置されている。第１の単位面１１１ａも、焦点距離ｆの球面である。第１の単位面１１１ａと第２の単位面１１３ａおよび１１３ｂとの間は屈折率ｎの媒質で満たされている。第１の単位面１１１ａと第２の単位面１１３ａおよび１１３ｂとの間隔ｄは、式（１）を満足しており、第１の単位面１１１ａと第２の単位面１１３ａおよび１１３ｂとは、互いに他の焦点に位置している。
【数１】
2009020014.tif 000003
【００２０】
第２の単位面１１３ａに入射する、第１の単位面１１１ａの光軸（以下、単に光軸という）に平行な光束Ｌ１は、第２の単位面１１３ａの屈折力により第１の単位面１１１ａの中心に集光され、光軸との成す角θ１、拡がり角φ１で第１の単位面１１１ａのから出射する。同様に、第２の単位面１１３ｂに入射する、光軸に平行な光束Ｌ２は、第２の単位面１１３ｂの屈折力により第１の単位面１１１ａの中心に集光され、光軸に関して、光束Ｌ１と反対側において、光軸との成す角θ１、拡がり角φ１で発散する光として第１の単位面１１１ａから出射する。【００２１】
このとき、図１において、第２の単位面１１３ａの中心と光軸との距離ｈ１、第２の単位面１１３ａの、光軸と垂直方向の幅をｗ１としたとき、θ１、φ１はそれぞれ式（２）、（３）を概ね満足する（正弦条件）。
【数２】
2009020014.tif 000004
【数３】
2009020014.tif 000005
【００２２】
もっとも、第１の単位面１１１aは、必ずしも球面である必要はなく、非球面（放物面を含む）であってもよい。また、第２の単位面１１３aおよび１１３ｂは、必ずしも球面上の部分領域である必要はなく、非球面上の部分領域であってもよい。さらに、第１の単位面１１１aの焦点距離（屈折力）と第２単位面１１３ａおよび１１３ｂの焦点距離（屈折力）は、必ずしも同じである必要はなく、インテグレータとしての機能を向上させるために、収差を考慮して近軸の焦点位置からズラしてもよい。但し、この場合、実質的な屈折力は同じであるとみなされる。【００２３】
図２は、複数の第１の単位面を備える第１の面１１１と複数の第２の単位面を備える第２の面１１３とを備える光学素子（インテグレータ）１１０の構成を示す図である。図２は、第１の単位面の光軸を含む断面図である。【００２４】
図１４は、第１の面１１１（図１４（ｂ））および第２の面１１３（図１４（ａ））を、第１の単位面の光軸上から見た図である。上述したように、第２の面１１３における４個の第２の単位面１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃおよび１１３ｄが、第１の面１１１における第１の単位面１１１ａに対応する。４個の第２の単位面１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃおよび１１３ｄは、同一の屈折面の部分領域である。該屈折面と、第１の単位面１１１ａの屈折面との焦点距離は等しく、２個の屈折面の光軸は一致する。４個の第２の単位面１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃおよび１１３ｄは、互いに隣接しないように、かつ、第１の単位面１１１ａの光軸から離れた位置に配置されている。また、図１４に示すように、第１の単位面１１１ａの、第１の単位面１１１ａの光軸に垂直な断面の面積は、第２の単位面１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃまたは１１３ｄの、第１の単位面１１１ａの光軸に垂直な断面の面積の４倍である。【００２５】
図２において、第２の面１１３に入射された、第１の単位面の光軸に平行な光束は、２個の光束に分割される。実際には、第２の面１１３に入射された、第１の単位面の光軸に平行な光束は、４個の光束に分割される。また、第２の面１１３における第２の単位面は、図１４に示すように、対応する第１の単位面の光軸の左上に位置するもの（第１のグループ、たとえば、１１３ａ）、左下に位置するもの（第２のグループ、たとえば、１１３ｂ）、右上に位置するもの（第３のグループ、たとえば、１１３ｃ）および右下に位置するもの（第４のグループ、たとえば、１１３ｄ）に分類される。たとえば、第１のグループの第２の単位面は、第２の面１１３上に点在している。第２の面１１３上に点在している第１のグループの第２の単位面に入射する、第１の単位面の光軸に平行な光束は、第１の単位面の中心に集光された後、第１の単位面の光軸との成す角θ１、拡がり角φ１で第１の面１１１から所定の方向に進行する１個の光束として出射されるので、該光束における光の照度は均一化される。このように、光学素子１１０は、第２の単位面に入射する、第１の単位面の光軸に平行な光束の照度を均一化するとともに、複数の光束に分割するので、インテグレータおよび光束分割手段として機能する。【００２６】
図３は、図１に示した光学系と同一の光学系であって、第１の単位面１１１ａを入射面とする光学系を示す図である。図３において、入射面である第１の単位面１１１ａに、第１の単位面１１１ａの光軸に対称な２方向から入射した平行光束Ｌ３、Ｌ４は、光軸との成す角θ１が式（２）を満足するとき出射面である第２の単位面１１３ａおよび１１３ｂの中心にそれぞれ集光され、第１の単位面１１１ａの光軸に平行な方向に拡がり角φ２で発散する光として出射する。【００２７】
このとき、屈折面１ｘの幅ｗ２としたとき、φ２は（４）式を概ね満足する（正弦条件）。
【数４】
2009020014.tif 000006
【００２８】
図４は、図２に示した光学素子と同一の光学素子であって、第１の面１１１を入射面とする光学素子１１０の構成を示す図である。図４は、第１の単位面の光軸を含む断面図である。【００２９】
図４において、入射面である第１の面１１１に、第１の単位面の光軸との成す角θ１で入射した２個の平行光束は、出射面である第２の面１１３から該光軸と平行な方向に、拡がり角φ２で出射する１個の光束に統合される。実際には、入射面である第１の面１１１に入射した４個の平行光束が１個の光束に統合される。第１の面１１１に分布する第１の単位面に入射した光は、第２の単位面上に集光した後、第１の単位面の光軸と平行な方向に、拡がり角φ２で出射する１個の光束に統合されるので、該光束の照度が均一化される。このように、光学素子１１０は、第１の単位面に所定の角度で入射する、複数の光束の照度を均一化するとともに、１個の光束に統合するので、インテグレータおよび光束統合手段として機能する。【００３０】
図５は、本発明の他の実施形態による、光学系の構成を示す図である。光学系は、第１の単位面１１１１ａと、第１の単位面１１１１ａに対応する第２の単位面１１３１ａおよび１１３１ｂとを備える。第１の単位面および第２の単位面は正の屈折面である。図５は、第１の単位面１１１１ａの光軸を含む断面図である。図５において、第１の単位面１１１１ａに対応する第２の単位面は２個であるが、実際に、第１の単位面１１１１ａに対応する第２の単位面は４個存在する。【００３１】
第２の単位面１１３１ａおよび１１３１ｂは、ともに球面上の部分領域であり第２の単位面１１３１ａおよび１１３１ｂは、第１の単位面１１１１ａの光軸に対して対称に配置されている。第１の単位面１１１ａは、上記球面と同一形状の球面である。【００３２】
もっとも、第２の単位面１１３１aおよび１１３１ｂは、必ずしも球面上の部分領域である必要はなく、非球面（放物面を含む）上の部分領域であってもよい。第１の単位面１１１１aは、必ずしも球面である必要はなく、非球面であってもよい。さらに、第２の単位面１１３１aおよび１１３１ｂと第１の単位面１１１１aとは互いに、同じ形状である必要はなく、実質的に同じ屈折力を有していればよい。【００３３】
第２の単位面１１３１ａに入射する、第１の単位面１１１１ａの光軸に平行な光束Ｌ１は、第２の単位面１１３１ａの屈折力により第１の単位面１１１１ａの中心に集光される。同様に、第２の単位面１１３１ｂに入射する、第１の単位面１１１１ａの光軸に平行な光束Ｌ２は、第２の単位面１１３１ｂの屈折力により第１の単位面１１１１ａの中心に集光される。【００３４】
図６は、複数の第１の単位面を備える第１の面１１１１を備える第１の光学素子１１０ａと複数の第２の単位面を備える第２の面１１３１を備える第２の光学素子１１０ｂの構成を示す図である。図６は、第１の単位面の光軸を含む断面図である。第１の光学素子１１０ａの、第１の面１１１１の反対側の面１１１３および第２の光学素子１１０ｂの、第２の面１１３１の反対側の面１１３３は、平面である。【００３５】
図６において、第２の面１１３１に入射された、第１の単位面の光軸に平行な光束は、２個の光束に分割される。実際には、第２の面１１３１に入射された、第１の単位面の光軸に平行な光束は、４個の光束に分割される。このように、光学素子１１０ａおよび１１０ｂは、インテグレータおよび光束分割手段として機能する。【００３６】
図７は、図５に示した光学系と同一の光学系であって、第１の単位面１１１１ａを入射面とする光学系を示す図である。図７においては、第１の単位面１１１１ａが入射面である。図７において、入射面である第１の単位面１１１１ａに、第１の単位面１１１１ａの光軸に対称な、所定の２方向から入射した平行光束Ｌ３、Ｌ４は、出射面である第２の単位面１１３１ａおよび１１３１ｂの中心にそれぞれ集光され、第１の単位面１１１１ａの光軸に平行な方向に出射する。【００３７】
図８は、図６に示した光学素子と同一の光学素子であって、第１の面１１１１を入射面とする光学素子の構成を示す図である。図８は、第１の単位面の光軸を含む断面図である。【００３８】
図８において、入射面である第１の面１１１１に、所定の角度で入射した２個の平行光束は、出射面である第２の面１１３１から該光軸と平行な方向に出射する１個の光束に統合される。実際には、入射面である第１の面１１１１に入射した４個の平行光束が１個の光束に統合される。このように、光学素子１１０ａおよび１１０ｂは、インテグレータおよび光束統合手段として機能する。【００３９】
図９は、本発明の他の実施形態による、光学系の構成を示す図である。光学系は、単位面１１１５ａおよび単位面１１１７ａからなる第１の単位部分１１０cpと、第１の単位部分１１０cpに対応する単位面１１３５aおよび単位面１１３７ａからなる第２の単位部分１１０ｄp（単位面１１３５ｂおよび単位面１１３７ｂからなる第２の単位部分１１０ｄp）とを備える。第１の単位部分１１０cpおよび第２の単位部分１１０ｄpは正の屈折力を有する。図９は、第１の単位部分の光軸含む断面図である。図９において、第１の単位部分１１０cpに対応する第２の単位部分１１０ｄpは、２個であるが、実際に第１の単位部分１１０cpに対応する第２の単位部分は４個である。【００４０】
単位面１１３５aおよび１１３５ｂ、単位面１１３７ａおよび１１３７ｂはそれぞれ球面上の部分領域であり、第２の単位部分１１０dpは第１の単位部分１１０cpの光軸に対して対称に配置されている。単位面１１１５aおよび１１１７ａは、上記球面と同一形状の球面である。【００４１】
もっとも、単位面１１３５aおよび１１３５ｂ、単位面１１３７ａおよび１１３７ｂは、必ずしも球面上の部分領域である必要はなく、非球面（放物面を含む）上の部分領域であってもよい。また、単位面１１１５aおよび１１１７ａは、必ずしも球面である必要はなく、非球面であってもよい。さらに、単位面１１３５a（１１３５ｂ）と単位面１１３７ａ（１１３７ｂ）と単位面１１１７aと１１１５ａとは互いに、同じ形状である必要はなく、第１の単位部分１１０cpと第２の単位部分１１０dpとが実質的に同じ屈折力を有していればよい。【００４２】
第２の単位部分１１０ｄpの単位面１１３５aに入射する、第１の単位部分１１０cpの光軸に平行な光束Ｌ１は、第２の単位部分１１０ｄpの屈折力により単位面１１１５ａの中心に集光される。同様に第２の単位部分１１０ｄpの単位面１１３５ｂに入射する、第１の単位部分１１０cpの光軸に平行な光束Ｌ２は、単位面１１１５ａの中心に集光される。【００４３】
図１０は、複数の単位面を備える面１１１５および複数の単位面を備える面１１１７からなる第１の光学素子１１０ｃと、複数の単位面を備える面１１３５および複数の単位面を備える面１１３７からなる第２の光学素子１１０ｄとからなるインテグレータの構成を示す図である。図１０は、第１の単位部分１１０cpの光軸を含む断面図である。【００４４】
図１０において、第２の光学素子１１０ｄの面１１３５に入射された、第１の単位部分の光軸に平行な光束は、２個の光束に分割される。実際には、面１１３５に入射された、第１の単位部分の光軸に平行な光束は、４個の光束に分割される。このように、光学素子１１０ｃおよび１１ｄは、インテグレータおよび光束分割手段として機能する。【００４５】
図１１は、図９に示した光学系と同一の光学系であって、第１の単位部分１１０cpの単位面１１１５aを入射面とする光学系を示す図である。図１１において、入射面である単位面１１１５aに、第１の単位部分１１０cpの光軸に対称な、所定の２方向から入射した平行光束Ｌ３、Ｌ４は、出射面である第２の単位部分１１０ｄpの単位面１１１３５aおよび１１３５ｂの中心にそれぞれ集光され、第１の単位部材１１０cpの光軸に平行な方向に出射する。【００４６】
図１２は、図１０に示した光学素子と同一の光学素子であって、第１の光学素子１１０ｃの面１１１５を入射面とする光学素子の構成を示す図である。図１２は、第１の単位部分の光軸を含む断面図である。【００４７】
図１２において、入射面である面１１１５に、所定の角度で入射した２個の平行光束は、出射面である面１１３５から該光軸と平行な方向に出射する１個の光束に統合される。実際には、入射面である面１１１５に入射した４個の平行光束が１個の光束に統合される。このように、光学素子１１０ｃおよび１１０ｄは、インテグレータおよび光束統合手段として機能する。【００４８】
図２３は、本発明の他の実施形態による光学系の構成を示す図である。光学系は第１の単位面５１１ａおよび５１１ｂと、第１の単位面５１１ａおよび５１１ｂに対応する第２の単位面第１の単位面５１３ａおよび５１３ｂとを備える。第１の単位面および第２の単位面は、正の屈折面である。【００４９】
第１の単位面５１１ａおよび５１１ｂは、ともに焦点距離ｆの球面Ｃ１上の部分領域である。また、第２の単位面５１３ａおよび５１３ｂは、ともに焦点距離ｆの球面Ｃ２上の部分領域である。図２３は、球面Ｃ１および球面Ｃ２の球心を結ぶ直線で定義される光軸（以下、単に光軸という）を含む断面図である。光学系の上記の断面を示す図２３において、第１の単位面および第２の単位面は、それぞれ２個であるが、実際に、第１の単位面および第２の単位面は、それぞれ４個存在する。【００５０】
第１の単位面５１１ａおよび５１１ｂは、光軸に対して対称に配置されている。同様に、第２の単位面５１３ａおよび５１３ｂも光軸に対して対称に配置されている。第１の単位面５１１ａおよび５１１ｂと第２の単位面５１３ａおよび５１３ｂとの間は、屈折率ｎの媒質で満たされている。第１の単位面５１１ａおよび５１１ｂと第２の単位面５１３ａおよび５１３ｂとの間隔ｄは、以下の式（１）を満足しており、第１の単位面５１１ａおよび５１１ｂと第２の単位面５１３ａおよび５１３ｂとは、互いに他の焦点に位置している。
【数５】
2009020014.tif 000007
【００５１】
このとき、図２３において、第１の単位面５１１ａの中心と光軸との距離ｈ１、第１の単位面５１１ａの、光軸と垂直方向の幅をｗ１としたとき、θ１、φ１はそれぞれ式（２）、式（３）を概ね満足する（正弦条件）。
【数６】
2009020014.tif 000008
【００５２】
第１の単位面５１１ａに、光軸に対称な２方向から入射した平行光束Ｌ６およびＬ５は、光軸との成す角θ２が式（２−１）を満足するとき出射面である第２の単位面５１３ａおよび５１３ｂの中心にそれぞれ集光され、光軸との成す角θ１、拡がり角φ１で第２の単位面５１３ａおよび５１３ｂから出射する。同様に、第１の単位面５１１ｂに、光軸に対称な２方向から入射した平行光束Ｌ８およびＬ７は、光軸との成す角θ１、拡がり角φ１で第２の単位面５１３ａおよび５１３ｂから出射する。
【数７】
2009020014.tif 000009
【００５３】
もっとも、第１の単位面５１１ａおよび５１１ｂは、必ずしも球面である必要はなく、非球面（放物面を含む）であってもよい。また、第２の単位面５１３ａおよび５１３ｂは、必ずしも球面上の部分領域である必要はなく、非球面上の部分領域であってもよい。さらに、第１の単位面５１１ａおよび５１１ｂの焦点距離（屈折力）と第２の単位面５１３ａおよび５１３ｂの焦点距離（屈折力）とは、必ずしも同じである必要はなく、後で説明するインテグレータとしての機能を向上させるために、収差を考慮して近軸の焦点位置からズラしてもよい。ただし、この場合、実質的な屈折力は同じであるとみなされる。【００５４】
図３０（ａ）および図３０（ｂ）は、それぞれ、第１の面５１１および第２の面５１３を光軸上から見た図である。第１の面５１１は、４個の第１の単位面５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃおよび５１１ｄを含み、第２の面５１３は、４個の第２の単位面５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃおよび５１３ｄを含む。４個の第１の単位面５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃおよび５１１ｄは、同一の屈折面の部分領域である。同様に、４個の第２の単位面５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃおよび５１３ｄは、同一の屈折面の部分領域である。４個の第１の単位面５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃおよび５１１ｄは、互いに隣接しないように、かつ光軸から離れた位置に配置されている。同様に、４個の第２の単位面５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃおよび５１３ｄは、互いに隣接しないように、かつ光軸から離れた位置に配置されている。【００５５】
図２４は、複数の第１の単位面を備える第１の面５１１と複数の第２の単位面を備える第２の面５１３とを備える光学素子（インテグレータ）５１０の構成を示す図である。図２４は、光軸を含む断面図である。【００５６】
図２４において、第１の面５１１に光軸との成す角θ２で入射した２個の平行光束は、出射面である第２の面５１３で統合された後、該光軸との成す角θ１、拡がり角φ１で出射する２個の光束に再分割される。実際には、入射面である第１の面５１１に入射した４個の光束が統合された後、４個の光束に再分割される。【００５７】
第１の面５１１における第１の単位面は、図３０において、光軸の左上に位置するもの（第１のグループ、たとえば、５１１ａ）、光軸の左下に位置するもの（第２のグループ、たとえば、５１１ｂ）、光軸の右上に位置するもの（第３のグループ、たとえば、５１１ｃ）および光軸の右下に位置するもの（第４のグループ、たとえば、５１１ｄ）に分類される。たとえば、第１のグループの第１の単位面は、第１の面５１１上に点在している。同様に、第２の面５１３における第２の単位面は、図３０において、光軸の左上に位置するもの（第５のグループ、たとえば、５１３ａ）、光軸の左下に位置するもの（第６のグループ、たとえば、５１３ｂ）、光軸の右上に位置するもの（第７のグループ、たとえば、５１３ｃ）および光軸の右下に位置するもの（第８のグループ、たとえば、５１３ｄ）に分類される。たとえば、第５のグループの第２の単位面は、第２の面５１３上に点在している。第１のグループの第１の単位面に、光軸との成す角θ２で入射した４個の光束は、それぞれ、第５のグループ、第６のグループ、第７のグループおよび第８のグループの第２の単位面に集光された後、光軸との成す角θ１、拡がり角φ１で第２の面５１３から所定の方向に進行する４個の光束として出射されるので、該光束における光の照度は均一化される。一般的には、ｍ個の第１の単位面に所定の角度で入射した、ｎ個の異なる方向に進行する光束が、ｎ個の第２の単位面に集光、統合した後、ｍ個の異なる方向に進行する光束に分割される。このように、光学素子５１０は、第１の単位面に入射する光束の照度を均一化するとともに、複数の光束を統合後、再分割するので、インテグレータおよび光束統合且つ分割手段として機能する。【００５８】
図２５は、本発明の他の実施形態による、光学系の構成を示す図である。光学系は、第１の単位面５１１１ａおよび５１１１ｂと、第１の単位面５１１１ａおよび５１１１ｂに対応する第２の単位面５１３１ａおよび５１３１ｂとを備える。【００５９】
第１の単位面５１１１ａおよび５１１１ｂは、ともに焦点距離ｆの球面Ｃ１上の部分領域である。また、第２の単位面５１３１ａおよび５１３１ｂは、ともに焦点距離ｆの球面Ｃ２上の部分領域である。図２５は、球面Ｃ１および球面Ｃ２の球心を結ぶ直線で定義される光軸（以下、単に光軸という）を含む断面図である。図２５において、第１の単位面、および第１の単位面に対応する第２の単位面はそれぞれ２個であるが、実際に、第１の単位面、第２の単位面はそれぞれ４個存在する。【００６０】
第１の単位面５１１１ａおよび５１１１ｂは、光軸に対して対称に配置されている。同様に、第２の単位面５１３１ａおよび５１３１ｂも光軸に対して対称に配置されている。【００６１】
もっとも、第１の単位面５１１１aおよび５１１１ｂは、必ずしも球面上の部分領域である必要はなく、非球面（放物面を含む）上の部分領域であってもよい。第２の単位面５１３１aおよび５１３１ｂは、必ずしも球面上の部分領域である必要はなく、非球面（放物面を含む）上の部分領域であってもよい。さらに、第１の単位面５１１１aおよび５１１１ｂと第２の単位面５１１３aおよび５１１３ｂは、互いに、同じ形状である必要はなく、実質的に同じ屈折力を有していればよい。【００６２】
第１の単位面５１１１ａに、光軸に対称な２方向から入射した平行光束Ｌ６およびＬ５は、第１の単位面５１１１ａの屈折力により、それぞれ、第２の単位面５１３１ａおよび５１３１ｂの中心にそれぞれ集光される。同様に、第１の単位面５１１１ｂに、光軸に対称な２方向から入射した平行光束Ｌ８およびＬ７は、第１の単位面５１１１ｂの屈折力により、それぞれ、第２の単位面５１３１ａおよび５１３１ｂの中心に集光される。【００６３】
図２６は、複数の第１の単位面を備える第１の面５１１１を備える第１の光学素子５１０ａと複数の第２の単位面を備える第２の面５１３１を備える第２の光学素子５１０ｂの構成を示す図である。図２６は光軸を含む断面図である。第１の光学素子５１０ａの、第１の面５１１１の反対側の面５１１３および第２の光学素子５１０ｂの、第２の面５１３１の反対側の面５１３３は、平面である。【００６４】
図２６において、第１の面５１１１に入射された、光軸と所定の角度をなす２個の平行光束は、出射面である第２の面５１３１にて統合された後、該光軸と所定の角度で出射する２個の光束に再分割される。実際には、入射面である第１の面５１１１に入射した４個の光束が統合されたのち４個の光束に再分割される。一般的には、ｍ個の第１の単位面に所定の角度で入射した、ｎ個の異なる方向に進行する光束が、ｎ個の第２の単位面に集光、統合した後、ｍ個の異なる方向に進行する光束に分割される。このように、光学素子５１０ａおよび５１０ｂは、インテグレータおよび光束統合且つ分割手段として機能する。【００６５】
図２７は、本発明の他の実施形態による、光学系の構成を示す図である。光学系は、単位面５１１５ａおよび単位面５１１７ａからなる第１の単位部分５１０cp１と、単位面５１１５ｂおよび単位面５１１７ｂからなる第１の単位部分５１０cp２と、第１の単位部分５１０cpに対応する単位面５１３５aおよび単位面５１３７ａからなる第２の単位部分５１０ｄp１と、単位面５１３５ｂおよび単位面５１３７ｂからなる第２の単位部分５１０ｄp２とを備える。第１の単位部分５１０cp１、５１０cp２および第２の単位部分５１０ｄp１、５１０ｄp２は正の屈折力を有する。図２７は、第１の単位部分の光軸含む断面図である。図２７において、第１の単位部分、および第１の単位部分に対応する第２の単位部分はそれぞれ２個であるが、実際に、第１の単位部分および第２の単位部分はそれぞれ４個存在する。【００６６】
単位面５１１５aおよび５１１５ｂ、単位面５１１７ａおよび５１１７ｂはそれぞれ球面上の部分領域であり、第１の単位部分５１０ｃp１および５１０ｃp２は光軸に対して対称に配置されている。  また単位面５１３５aおよび５１３５ｂ、単位面５１３７ａおよび５１３７ｂはそれぞれ球面上の部分領域であり、第２の単位部分５１０dp１および５１０ｄp２は光軸に対して対称に配置されている。【００６７】
もっとも、単位面５１１５aおよび５１１５ｂ、単位面５１１７ａおよび５１１７ｂは、必ずしも球面上の部分領域である必要はなく、非球面（放物面を含む）上の部分領域であってもよい。また、単位面５１３５aおよび５１３５ｂ、単位面５１３７ａおよび５１３７ｂは、必ずしも球面上の部分領域である必要はなく、非球面（放物面を含む）上の部分領域であってもよい。さらに、単位面５１１５a（５１１５ｂ）と単位面５１１７ａ（５１１７ｂ）と単位面５１３５a（５１３５ｂ）と単位面５１３７ａ（５１３７ｂ）とは互いに、同じ形状である必要はなく、第１の単位部分５１０cp１および５１０ｃp２と第２の単位部分５１０dp１および５１０ｄp２とが実質的に同じ屈折力を有していればよい。【００６８】
第１の単位部分５１０ｃp１の単位面５１１５aに、光軸に対称な２方向から入射した平行光束Ｌ６、Ｌ５は、第１の単位部分５１０ｃp１および第２の単位部分の屈折力により、それぞれ、単位面５１３５ａおよび５１３５ｂの中心に集光される。同様に第１の単位部分５１０ｃp１の単位面５１１５ｂに、光軸に対称な２方向から入射した平行光束Ｌ８、Ｌ７は、単位面５１３５ａおよび５１３５ｂの中心に集光される。【００６９】
図２８は、複数の単位面を備える面５１１５および複数の単位面を備える面５１１７からなる第１の光学素子５１０ｃと、複数の単位面を備える面５１３５および複数の単位面を備える面５１３７からなる第２の光学素子５１０ｄとからなるインテグレータの構成を示す図である。図２８は光軸を含む断面図である。【００７０】
図２８において、第１の光学素子５１０ｃの面５１１５に入射された、第１の単位部分の光軸と所定の角度をなす２個の平行光束は、第２の光学素子５１０ｄの面５１３５にて統合された後、該光軸と所定の角度で出射する２個の光束に再分割される。実際には、面５１１５に入射された、第１の単位部分の光軸と所定の角度をなす４個の光束が統合されたのち４個の光束に再分割される。一般的には、ｍ個の第１の単位面に所定の角度で入射した、ｎ個の異なる方向に進行する光束が、ｎ個の第２の単位面に集光、統合した後、ｍ個の異なる方向に進行する光束に分割される。このように、光学素子５１０ｃおよび５１０ｄは、インテグレータおよび光束統合且つ分割手段として機能する。【００７１】
光学素子（インテグレータ）の第１の実施形態
図１３は、光学素子の第１の実施形態の、光軸方向から見た第１および第２の面、ならびに光軸を含む断面を示す図である。ここで、光軸とは、第１の単位面の光軸を言う。図１３（ａ）は、光学素子１１０の、光軸方向から見た第１の面１１１、光軸方向から見た第２の面１１３および光軸を含む断面を示す図である。図１３（ｂ）は、光学素子１１０のＡＡ’断面を示す図である。【００７２】
可視光波長帯域で使用される光学素子１１０は、熱可塑樹脂の射出成型品として安価に製造することができる。本実施の形態においては光学素子１１０の材料として日本ゼオン社製ＺＥＯＮＥＸ４８０Ｒ（屈折率ｎ＝１．５２５）を用いる。【００７３】
光学素子１１０の第２の面１１３は、第２の単位面から構成されている。第２の単位面は凸の球面で構成されており曲率半径ｒ＝５．２５、焦点距離ｆ＝１０である。光学素子１１０の第１の面１１１は、第１の単位面から構成されている。第１の単位面も凸の球面で構成されており曲率半径ｒ＝５．２５、焦点距離ｆ＝１０である。また、第１の面１１１と第２の面１１３との間隔（すなわち、光学素子１１０の厚さ）は、ｄ＝１５．２５であり、第１の面１１１と第２の面１１３は、互いに他の焦点位置に配置されている。【００７４】
図１４は、第１の実施形態による光学素子１１０の第２の面１１３（図１４（ａ））と第１の面１１１（図１４（ｂ））を示す図である。第２の面１１３における、互いに隣接しない４個の第２の単位面１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃおよび１１３ｄが、第１の面１１１における第１の単位面１１１ａに対応する。図１４において、第２の単位面は、一辺の長さｗ１＝１．５の正方形で構成されている。隣接する第２の単位面は、４．５（面３個分）だけ離れており、光学素子の光軸（中心軸）から第２の単位面１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃおよび１１３ｄの中心までの距離ｈ１は式（５）で与えられる。
【数８】
2009020014.tif 000010
【００７５】
図１４において、第１の面１１１の第１の単位面１１１ａは、一辺の長さｗ２＝３（＝２×ｗ１）の正方形で、第１の単位面１１１ａの内の１個（図１４（ｂ）に黒色で示したもの）の中心が光学素子の中心軸に一致するように配置される。第１の面１１１において、第１の単位面を隙間なく配置すると、第２の面１１３においても、該第１の単位面に対応する第２の単位面を隙間なく配置することができる。【００７６】
このように構成された光学素子１１０は、第２の面１１３を入射面とすることで光学素子１１０の第２の面１１３に垂直入射する平行光束をそれぞれ光軸とのなす角θ１、拡がり角φ１の４個の光束に分割することができる。【００７７】
また、第２の面１１３を出射面とすることで光学素子１１０に光軸とのなす角θ１で入射する４個の光束を、光軸方向に出射する拡がり核φ２の光束に統合することができる。ここでθ１、φ１、φ２は式（１）乃至（３）により、
θ１＝１８．６°
φ１＝４．３°
φ２＝８．５°
である。【００７８】
光学素子（インテグレータ）の第２の実施形態
図１５は、第２の実施形態による光学素子１２０の第２の面１２３（図１５（ａ））と第１の面１２１（図１５（ｂ））を示す図である。第２の面１２３における、互いに隣接しない９個の第２の単位面（図１５（ｂ）に黒色で示したもの）が、第１の面１２１における第１の単位面（図１５（ａ）に黒色で示したもの）に対応する。図１５において、第２の単位面は、一辺の長さｗ１＝１．０の正方形で構成されている。隣接する第２の単位面は、２．０（面２個分）だけ離れている。【００７９】
図１５において、第１の面１２１の第１の単位面は、一辺の長さｗ２＝３（＝３×ｗ１）の正方形で、第１の単位面の内の１個（図１５（ｂ）に黒色で示したもの）の中心が光学素子の中心軸に一致するように配置される。第１の面１２１において、第１の単位面を隙間なく配置すると、第２の面１２３においても、該第１の単位面に対応する第２の単位面を隙間なく配置することができる。【００８０】
このように構成された光学素子１２０は、第２の面１２３を入射面とすることで光学素子１２０の第２の面１２３に垂直入射する平行光束を、光軸と所定の角度をなす９個の光束に分割することができる。【００８１】
また、第２の面１２３を出射面とすることで光学素子１２０に光軸と所定の角度で入射する９個の光束を、光軸方向に出射する光束に統合することができる。【００８２】
実施形態の光学素子を、光束分割手段として使用する場合に、第１の単位面に対応する第２の単位面の数は、分割される光束の数と等しくなる。また、実施形態の光学素子を、光束統合手段として使用する場合に、第１の単位面に対応する第２の単位面の数は、統合される光束の数と等しくなる。したがって、分割または統合する光束の数にしたがって、第１の単位面に対応する第２の単位面の数を定めることができる。【００８３】
光学素子（インテグレータ）の第３の実施形態
図１６は、第３の実施形態による光学素子１３０の第２の面１３３（図１６（ａ））と第１の面１３１（図１６（ａ））を示す図である。第２の面１３３における、互いに隣接しない４個の第２の単位面（図１６（ｂ）に黒色で示したもの）が、第１の面１３１における第１の単位面（図１６（ｂ）に黒色で示したもの）に対応する。図１６において、第１の単位面および第２の単位面は長方形で構成されている。【００８４】
図１６に示すように、第１の面１３１において、第１の単位面を隙間なく配置すると、第２の面１３３においても、該第１の単位面に対応する第２の単位面を隙間なく配置することができる。【００８５】
このように構成された光学素子１３０は、第２の面１３３を入射面とすることで光学素子１３０の第２の面１３３に垂直入射する平行光束を、光軸と所定の角度をなす４個の光束に分割することができる。【００８６】
また、第２の面１３３を出射面とすることで光学素子１３０に光軸と所定の角度で入射する４個の光束を、光軸方向に出射する光束に統合することができる。【００８７】
光学素子の入射面は照明領域と共役に配置されることから、入射面の端面形状は、実際に必要とされる照明領域に近い形状であることが望ましい。たとえば、照明領域をＣＣＤカメラにより撮像する装置や液晶プロジェクタなどに光学素子を使用する場合、入射面の端面形状は、図１６に示すように撮像素子や画像変調素子のアスペクト比に近い長方形とすることで効率的に照明することできる。【００８８】
光学素子（インテグレータ）の第４の実施形態
図１７は、第４の実施形態による光学素子１４０の第２の面１４３（図１７（ａ））と第１の面１４１（図１７（ｂ））を示す図である。第２の面１４３における、互いに隣接しない７個の第２の単位面（図１７（ｂ）に黒色で示したもの）が、第１の面１４１における第１の単位面（図１７（ａ）に黒色で示したもの）に対応する。図１７において、第１の単位面および第２の単位面は正六角形で構成されている。【００８９】
図１７に示すように、第１の面１４１において、第１の単位面を隙間なく配置すると、第２の面１４３においても、該第１の単位面に対応する第２の単位面を隙間なく配置することができる。【００９０】
このように構成された光学素子１４０は、第２の面１４３を入射面とすることで光学素子１４０の第２の面１４３に垂直入射する平行光束を、光軸と所定の角度をなす７個の光束に分割することができる。【００９１】
また、第２の面１４３を出射面とすることで光学素子１４０に光軸と所定の角度で入射する７個の光束を、光軸方向に出射する光束に統合することができる。【００９２】
光学素子の入射面は照明領域と共役に配置されることから、入射面の端面形状は、実際に必要とされる照明領域に近い形状であることが望ましい。たとえば、光学素子によって、顕微鏡のように円形の照明領域を照明する必要がある場合には、図１７のように入射面の端面形状を正６角形とすることで効率的に照明することが可能である。【００９３】
光学素子（インテグレータ）の第５の実施形態
図２９は、光学素子の第５の実施形態の、光軸方向から見た第１および第２の面、ならびに光軸を含む断面を示す図である。ここで、光軸とは、第１の単位面の光軸を言う。図２９（ａ）は、光学素子５１０の、光軸方向から見た第１の面５１１、光軸方向から見た第２の面５１３および光軸を含む断面を示す図である。図２９（ｂ）は、光学素子５１０のＡＡ’断面を示す図である。図２９において、第２の単位面は、一辺の長さｗ１＝１．５の正方形で構成されている。【００９４】
図３０は、第５の実施形態による光学素子５１０の第１の面５１１（図３０（ａ））と第２の面５１３（図３０（ｂ））を示す図である。第２の面５１３における、互いに隣接しない４個の第２の単位面５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃおよび５１３ｄが、第１の面５１１における、互いに隣接しない４個の第１の単位面５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃおよび５１１ｄに対応する。図３０において、第１の単位面、および第２の単位面は、一辺の長さｗ１＝１．５の正方形で構成されている。隣接する第１の単位面、および第２の単位面は、３（面２個分）だけ離れている。【００９５】
実施形態において、第１の単位面の数は、分割される光束の数と等しくなる。また第２の単位面の数は、統合される光束の数と等しくなる。このように構成された光学素子５１０は、第１の面５１１を入射面とすることで光学素子５１０の第１の面５１１に光軸と所定の角度で入射する４つの平行光束を統合したのち、光軸と所定の角度をなす４個の光束に分割することができる。【００９６】
光学素子（インテグレータ）の第６の実施形態
図３１は、第６の実施形態による光学素子５２０の第１の面５２１（図３１（ａ））と第２の面５２３（図３１（ｂ））を示す図である。第２の面５２３における、互いに隣接しない２個の第２の単位面（図３１（ｂ）に黒色で示したもの）が、第１の面５２１における、互いに隣接しない４個の第１の単位面（図３１（ａ）に黒色で示したもの）に対応する。図３１において、第１の単位面は一辺の長さ１の正方形、第２の単位面は短辺１長辺２の長方形で構成されている。【００９７】
図３１に示すように、第１の面５２１において、第１の単位面を隙間なく配置すると、第２の面５２３においても、該第１の単位面に対応する第２の単位面を隙間なく配置することができる。【００９８】
実施形態において、第１の単位面の数は、分割される光束の数と等しくなる。また第２の単位面の数は、統合される光束の数と等しくなる。このように構成された光学素子５２０は、第１の面５２１を入射面とすることで光学素子５２０に光軸と所定の角度で入射する２つの平行光束を統合したのち、光軸と所定の角度をなす４個の光束に分割することができる。【００９９】
また、第１の面５２１を出射面とすることで光学素子５２０に光軸と所定の角度で入射する４個の光束を統合したのち、光軸と所定の角度をなす２個の光束に分割することができる。【０１００】
照明装置の第１の実施形態
図１８は、光学素子を使用する照明装置の第１の実施形態の構成を示す図である。本実施形態は、半導体デバイスなどを製造する際に使用される投影露光装置において、焦点深度や解像力を向上させる目的で使用される４極変形照明装置である。【０１０１】
水銀灯等の光源２１より放射される照明光束は楕円鏡２２で焦光され、インプットレンズ（コリメータレンズ）３０によりほぼ平行光束となって光学素子１１０に入射する。ここで、光学素子１１０の第１の単位面に対応する第２の単位面の数は４である。また、光学素子１１０の第２の面１１３を入射面として配置することで、光学素子１１０を、光束分割手段および光均一化手段として使用する。【０１０２】
光学素子１１０により照明光束は４個の光束に分割され、分割された光束は第１集光レンズ４０により集光される。第１集光レンズ４０の射出側（後側）焦点位置には４個の２次光源が、それぞれ均一な照度で形成される。【０１０３】
この２次光源が形成される位置には、４個のフライアイインテグレータ５０が設けられている。４個のフライアイインテグレータ５０は従来用いられている形状のフライアイインテグレータである。４個のフライアイインテグレータ５０から出射された光束は、それぞれ第２集光レンズ６０により集光されてレチクル7０を所定の傾きで均一に傾斜照明する。【０１０４】
レチクル７０の被照射面の反対側の面には、所定の回路パターンが形成されており、傾斜照明によりレチクルのパターンを透過、回折した光は投影光学系８０により集光結像され、ウエハ９０上に、レチクル７０のパターンの像を形成する。【０１０５】
なお、図１８に点線で示すように、楕円面鏡２２による光源像Ｂ１、光学素子１１０の第１の面１１１、フライアイインテグレータ５０の出射側面５０xは、投影光学系の入射瞳面（開口絞り８０ａ）と互いに共役に設けられている。換言すれば、光源像Ｂ１、光学素子１１０の第１の面１１１、フライアイインテグレータ５０の出射側面５０x、は物体面（レチクル７０及びウエハ９０）のフーリエ変換面となっている。また、図１８に実線で示すように、光学素子１１０の第２の面１１３、フライアイインテグレータ５０の入射射側面５０ａは、物体面（レチクル７０及びウエハ９０）と互いに共役に設けられている。【０１０６】
上述のように、フライアイインテグレータおよび光束分割手段として機能する光学素子１１０を使用することで、独立した光束分割手段を使用する必要がなくなり、コンパクトな光学系を形成することができる。【０１０７】
照明装置の第２の実施形態
図１９は、光学素子を使用する照明装置の第２の実施形態の構成を示す図である。本実施形態は、たとえば、ＣＣＤ (Charge-Coupled Device) やＣＭＯＳなどの固体撮像素子の電気的特性の検査において、複数の固体撮像素子の受光面に光を照射するのに使用される照明装置である。【０１０８】
たとえば、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプなどである、光源１０２０から放射される照明光束はインプットレンズ（コリメータレンズ）１０３０によりほぼ平行光束となってＮＤフィルタータレット１４１、カラーフィルタタレット１４２を通過する。【０１０９】
ＮＤフィルタータレット１４１は、円形であり、支持軸を中心に回転可能に支持されている。このＮＤフィルタータレット１４１は、円周方向に沿って複数種のＮＤ (Neutral Density)フィルタを保持している。ＮＤフィルタは、光源１０２０からの光を、分光組成を変えず所定の割合で減光する。ＮＤフィルタータレット１４１を回転させ所望の減光量のＮＤフィルタを選択することで、検査に適した光量に調整を行う。【０１１０】
カラーフィルタタレット１４２は、円形であり、支持軸を中心に回転可能に支持されている。カラーフィルタタレット１４２は円周方向に沿って複数種のカラーフィルタを保持している。カラーフィルタは、光源１０２０からの光のうち、所定の波長の光のみを透過させる。カラーフィルタタレット１４２を回転させることで、透過させる光の波長を選択する。【０１１１】
ＮＤフィルタータレット１４１、およびカラーフィルタタレット１４２を通過した光束は、光学素子１１０に入射する。ここで、光学素子１１０の第１の単位面に対応する第２の単位面の数は４である。また、光学素子１１０の第２の面１１３を入射面として配置することで、光学素子１１０を、光束分割手段および光均一化手段として使用する。【０１１２】
光学素子１１０により照明光束は４個の光束に分割され、分割された光束はコンデンサレンズ１５０により集光される。コンデンサレンズ１５０の射出側（後側）焦点位置には被検査物である４個の固体撮像素子１６１が配置されており、分割された光束によって、それぞれ均一な照度で照明される。【０１１３】
なお、本実施形態において、光学素子の第１の単位面に対応する第２の単位面の数は４であるとしたが、本発明はこれに限られるものではない。上述のとおり、光学素子の第１の単位面に対応する第２の単位面の数は光束の分割数と等しくなるので、被検査物となる固体撮像素子の同時検査の個数に応じて適宜選択すればよい。たとえば、図１５に示す第２の光学素子（分割数９個）を使用してもよい。【０１１４】
上述のように、フライアイインテグレータおよび光束分割手段として機能する光学素子１１０を使用することで、独立した光束分割手段を使用する必要がなくなり、コンパクトな光学系を形成することができる。【０１１５】
照明装置の第３の実施形態
図２０は、光学素子を使用する照明装置の第３の実施形態の構成を示す図である。本実施形態は、顕微鏡装置の落射蛍光照明光学系である。【０１１６】
図２０（ａ）に示すように、顕微鏡装置は、顕微鏡本体Ｍ、落射蛍光照明光学系Ｌ、撮像装置２８０、画像処理装置２８１および表示装置２８２を備える。顕微鏡装置には、予め蛍光物質で標識された生体試料２７１がセットされる。【０１１７】
顕微鏡本体Ｍは、無限遠系の対物レンズ２７２および結像レンズ２７３を備える。【０１１８】
落射蛍光照明光学系Ｌは、照明波長の異なる４種類の光源２２１乃至２２４、コリメータレンズ２３０、光学素子１１０、リレーレンズ２４０、視野絞り２４１、ダイクロイックミラー２５０を備える。ダイクロイックミラー２５０は、顕微鏡本体Ｍ内の対物レンズ２７２と結像レンズ２７３との間に配置される。また、ダイクロイックミラー２５０と結像レンズ２７３との間にバンドパスフィルタ２６０が配置される。【０１１９】
図２０（ｂ）は、光源２２１乃至２２３の配置を示す図である。光源２２１乃至２２４は、紫外線（ 波長３４０ｎｍ乃至４００ｎｍ）、または可視光線（波長約４００ｎｍ乃至７００ｎｍ）の波長帯に中心波長を持つ光を放射する固体光源である。【０１２０】
光源は、上述の蛍光物質の励起波長が光源の中心波長に合うように、選択するのが望ましい。たとえば、蛍光物質の励起波長が、紫外乃至青色（３００乃至５００ｎｍ）であればＧａＮ系ＬＥＤなどの光源を使用することが望ましい。また、明視野カラー画像観察のためには広帯域の白色光源を用いることが望ましいので、たとえば、励起波長の光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤと、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光発光と合わせた白色ＬＥＤなどの光源を使用するのが望ましい。【０１２１】
コリメータレンズ２３０は、光源２２１乃至２２４の位置に前側焦点を配置し、光源２２１乃至２２４からの射出光束をそれぞれコリメートする。【０１２２】
コリメートされた光束はコリメータレンズ２３０の後側焦点に配置された光学素子１１０に光軸との成す角θで入射する。このとき光源２２１乃至２２４はコリメータレンズ２３０の光軸からの軸ずれ量ｈ、コリメータレンズの焦点距離ｆとすると、θ、ｈ、ｆは式（６）を満足する。
【数９】
2009020014.tif 000011
【０１２３】
ここで、図１４に示すように、光学素子１１０の第１の単位面に対応する第２の単位面の数は４である。光学素子１１０の第２の面１１３を出射面として配置することで、光学素子１１０を、光源切り替え手段および光均一化手段として作用させる。光源２２１乃至２２４を、複数の励起光源、またはカラー観察用白色光源として、そのいずれか一つを点灯させることで光束の切り替えが可能となる。【０１２４】
光学素子１１０の第２の面１１３には、それぞれ、２次光源の像Ｓが形成される。【０１２５】
リレーレンズ２４０は、２次光源像Ｓを対物レンズ２７２の後側焦点面（瞳面）にリレーする。また、ダイクロイックミラー２５０は、この励起光束を反射して対物レンズ２７２の方向に導光する。【０１２６】
この対物レンズ２７２の瞳面に形成された光源像Ｓ ’ からの射出光束（励起光束）は、対物レンズ２７２によってコリメートされ、試料２７１上の照明領域Ｅに入射している。【０１２７】
また、視野絞り２４１は、試料２７１と共役な位置に配置され、試料２７１上の照明領域Ｅを制限する役割を担う。【０１２８】
試料２７１上の照明領域Ｅでは、蛍光物質が励起され、蛍光が生起する。蛍光の波長は、励起光束の波長（５００ｎｍ以下）よりも長く、例えば５２０ｎｍ乃至５９０ｎｍ程度である。【０１２９】
この蛍光からなる光束は、対物レンズ２７２によって試料２７１の蛍光像を無限遠方に結像するような光束に変換される。この蛍光光束は、ダイクロイックミラー２５０を透過し、バンドパスフィルタ２６０および結像レンズ２７３に入射する。バンドパスフィルタ２６０は、蛍光光束（ここでは、波長５２０ｎｍ乃至５９０ｎｍ）と異なる波長の余分な光をカットする。【０１３０】
撮像装置２８０の撮像面２８０ａは、結像レンズ２７３の後側焦点面に配置され、撮像面２８０ａ上に蛍光光束による試料２７１の像（蛍光像）が形成される。【０１３１】
なお、図２０中の点線は、試料２７１、撮像面２８０ａおよび視野絞り２４１の間の共役関係を示している。【０１３２】
撮像装置２８０は、撮像面２８０ａ上に形成された蛍光像を撮像し、取得した画像データを、画像処理装置２８１を介して画像表示装置２８２に送出する。画像表示装置２８２は、蛍光像を表示する。【０１３３】
なお、本実施形態において、光学素子１１０の第１の単位面に対応する第２の単位面の数は４であるとしたが、本発明はこれに限られるものではない。上述のとおり、光学素子１１０の第１の単位面に対応する第２の単位面の数は光束の分割数と等しくなるので、被検査物となる固体撮像素子の同時検査の個数に応じて適宜選択すればよい。たとえば、図１５に示す第２の光学素子（分割数９個）を使用してもよい。【０１３４】
上述のように、フライアイインテグレータおよび光束統合手段として機能する光学素子１１０を使用することで、独立した光束統合手段を使用する必要がなくなり、コンパクトな光学系を形成することができる。【０１３５】
照明装置の第４の実施形態
図２１は、光学素子を使用する照明装置の第４の実施形態の構成を示す図である。本実施形態は、画像プロジェクタの照明装置である。【０１３６】
図２１（ｂ）は、光源３２０ｒ、３２０ｇおよび３２０ｂの配置を示す図である。図２１（ａ）および（ｂ）において、光源３２０ｒ、３２０ｇおよび３２０ｂは、それぞれ赤色、緑色および青色の発光ダイオード（ＬＥＤ）である。本実施の形態においては、赤色ＬＥＤ３２０ｒを１個、緑色ＬＥＤ３２０ｇを２個、青色ＬＥＤを1個の計４個を配置している。緑色ＬＥＤの発光効率は、他の色のＬＥＤに比べ低いので、カラーバランスを保つように緑色ＬＥＤを２個配置している。【０１３７】
コリメータレンズ３３０は、光源３２０ｒ、３２０ｇ、３２０ｂの位置に前側焦点を配置し、光源３２０ｒ、３２０ｇ、３２０ｂからの射出光束をそれぞれコリメートする。【０１３８】
コリメートされた光束はコリメータレンズ３３０の後側焦点に配置された光学素子１１０に光軸との成す角θで入射する。このとき光源３２０ｒ、３２０ｇ、３２０ｂはコリメータレンズ３３０の光軸からの軸ずれ量ｈ、コリメータレンズの焦点距離ｆとすると、θ、ｈ、ｆは上記の式（６）を満足する。【０１３９】
ここで、図１４に示すように、光学素子１１０の第１の単位面に対応する第２の単位面の数は４である。光学素子１１０の第２の面１１３を出射面として配置することで、光学素子１１０を、光源切り替え手段および光均一化手段として作用させる。【０１４０】
上記構成によりＲＧＢの混色が可能である。特に、ＲＧＢ光源を交互に点灯させることで時分割にカラー画像を投影する画像プロジェクタ装置に対して好適である。【０１４１】
光学素子１１０により混色された光束は、コンデンサレンズ３４０により光変調素子３５０ａ上を均一に照明する。【０１４２】
光変調素子３５０ａにより変調された光束は投影光学系３７０により拡大結像され、スクリーン３８０上に画像を形成する。【０１４３】
本実施形態において光変調素子３５０ａは透過型光変調素子として構成した。【０１４４】
図２２は、図２１に示した照明装置において、反射型光変調素子３５０ｂを使用する画像プロジェクタの照明装置の構成を示す図である。図２２に示した照明装置において、光学素子１１０が、図２１に示した照明装置の場合と同様に使用される。【０１４５】
照明装置の第５の実施形態
図３２は、光学素子を使用する照明装置の第５の実施形態の構成を示す図である。本実施形態は、たとえば、ＣＣＤ (Charge-Coupled Device) やＣＭＯＳ（Complementary metal-oxide semiconductor）などの固体撮像素子の電気的特性の検査において、複数の固体撮像素子の受光面に光を照射するのに使用される照明装置である。【０１４６】
図３２（ｂ）は、光源４２０ｒ、４２０ｇおよび４２０ｂの配置を示す図である。図３２（ａ）および（ｂ）において、光源４２０ｒ、４２０ｇおよび４２０ｂは、それぞれ赤色、緑色および青色の発光ダイオード（ＬＥＤ）である。本実施の形態においては、１個の赤色ＬＥＤ４２０ｒ、２個の緑色ＬＥＤ４２０ｇ、１個の青色ＬＥＤ４２０ｂの計４個のＬＥＤを配置している。緑色ＬＥＤの発光効率は、他の色のＬＥＤに比べ低いので、カラーバランスを保つように緑色ＬＥＤを２個配置している。【０１４７】
コリメータレンズ４３０は、光源４２０ｒ、４２０ｇ、４２０ｂの位置に前側焦点を配置し、光源４２０ｒ、４２０ｇ、４２０ｂからの射出光束をそれぞれコリメートする。【０１４８】
コリメートされた光束はコリメータレンズ５３０の後側焦点に配置された光学素子５２０に光軸との成す角θで入射する。このとき光源４２０ｒ、４２０ｇ、４２０ｂはコリメータレンズ４３０の光軸からの軸ずれ量ｈ、コリメータレンズの焦点距離ｆとすると、θ、ｈ、ｆは、式（６）を満足する。
【数１０】
2009020014.tif 000012
【０１４９】
コリメートされた光束は、光学素子５１０に入射する。ここで、光学素子５１０の第１の単位面の数は４、第２の単位面の数は４である。このように配置することで、光学素子５２０を、光束統合手段および分割手段および光均一化手段として使用する。【０１５０】
光学素子５１０により照明光束は４個の光束に分割され、分割された光束はコンデンサレンズ４５０により集光される。コンデンサレンズ４５０の射出側（後側）焦点位置には被検査物である４個の固体撮像素子４６１が配置されており、分割された光束によって、それぞれ均一な照度で照明される。【０１５１】
なお、本実施形態において、第１の単位面のセットに含まれる単位面の数は４であるとしたが、本発明はこれに限られるものではない。上述のとおり、第１の単位面のセットに含まれる単位面の数は光束の分割数と等しくなるので、被検査物となる固体撮像素子の同時検査の個数に応じて適宜選択すればよい。【０１５２】
また本実施形態において、第２の単位面のセットに含まれる単位面の数は４であるとしたが、本発明はこれに限られるものではない。上述のとおり、第２の単位面のセットに含まれる単位面の数は統合する光束の数と等しくなるので、光源の個数に応じて適宜選択すればよい。【０１５３】
上述のように、フライアイインテグレータおよび光束分割手段および光束統合手段として機能する光学素子５１０を使用することで、独立した光束分割手段および光束統合手段を使用する必要がなくなり、コンパクトな光学系を形成することができる。【０１５４】
本発明の実施形態の特徴について以下に説明する。【０１５５】
一実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第１の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の大きさは、前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の大きさのｎ倍である。【０１５６】
本実施形態によれば、第１の面と第２の面の大きさを等しくするのに都合がよい。【０１５７】
他の実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第１の単位面が、前記第１の面に隙間なく配置されている。【０１５８】
本実施形態によれば、第１の面に入射する光の損失がないので効率的である。【０１５９】
他の実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第２の単位面が、前記第２の面に隙間なく配置されている。【０１６０】
本実施形態によれば、第２の面に入射する光の損失がないので効率的である。【０１６１】
他の実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第１の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状が正方形である。【０１６２】
本実施形態は、正方形の照明領域を照射するのに都合がよい。【０１６３】
他の実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第１の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状が長方形である。【０１６４】
本実施形態は、長方形の照明領域を照射するのに都合がよい。上記長方形を、撮像素子や画像変調素子のアスペクト比に近い長方形とすることによって、効率的に照明することができる。【０１６５】
他の実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第１の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記所定の第１の単位面の光軸に垂直な断面の形状が正六角形である。【０１６６】
本実施形態は、円形の照明領域を照射するのに都合がよい。顕微鏡などにおいて、円形の照明領域を効率的に照明することができる。【０１６７】
他の実施形態によるインテグレータは、１個の光学素子からなる。【０１６８】
本実施形態によれば、１個の光学素子によって、光束の分割または統合を行う、コンパクトなインテグレータが実現される。【０１６９】
他の実施形態によるインテグレータは、第１の単位面が形成された面を備える第１の光学素子、および第２の単位面が形成された面を備える第２の光学素子からなる。【０１７０】
本実施形態によれば、２個の光学素子によって、光束の分割または統合を行う、コンパクトなインテグレータが実現される。【０１７１】
他の実施形態によるインテグレータは、前記所定のｎ個の第２の単位面に入射した、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な光が前記所定の第１の単位面上に集光した後、ｎ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成されている。【０１７２】
本実施形態によれば、光束分割機能を備えたコンパクトなインテグレータが得られる。【０１７３】
一実施形態による照明装置は、光源と、コリメート手段と、一実施形態によるインテグレータと、を備え、前記光源からの光が、前記コリメート手段によって、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な光とされた後、前記所定のｎ個の第２の単位面に入射され、前記インテグレータによってｎ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成されている。【０１７４】
本実施形態によれば、照度の均一化機能と光束分割機能を備えたコンパクトな照明装置が得られる。【０１７５】
他の実施形態によるインテグレータは、前記所定の第１の単位面に所定の角度で入射した、ｎ個の異なる方向に進行する光束が、前記所定のｎ個の第２の単位面に集光した後、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な方向に進行する光束に統合されるように構成されている。【０１７６】
本実施形態によれば、光束統合機能を備えたコンパクトなインテグレータが得られる。【０１７７】
一実施形態による照明装置は、ｎ個の光源と、一実施形態によるインテグレータと、を備え、前記ｎ個の光源からの光が、ｎ個の異なる方向に進行する光束として、前記所定の第１の単位面に前記所定の角度で入射され、前記インテグレータによって前記所定の第１の単位面の光軸に平行な方向に進行する光束に統合されるように構成されている。【０１７８】
本実施形態によれば、照度の均一化機能と光束統合機能を備えたコンパクトな照明装置が得られる。【０１７９】
他の実施形態による照明装置において、前記ｎ個の光源が、２個以上の波長の光を放射する。【０１８０】
本実施形態によれば、照度の均一化機能と、２個以上の波長の光を切り替えたり混合したりする機能とを備えたコンパクトな照明装置が得られる。【０１８１】
一実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第１の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の大きさは、前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の大きさのｎ倍である。【０１８２】
本実施形態によれば、第１の部材と第２の部材の大きさを等しくするのに都合がよい。【０１８３】
他の実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第１の単位部分が、前記第１の部材に隙間なく配置されている。【０１８４】
本実施形態によれば、第１の部材に入射する光の損失がないので効率的である。【０１８５】
他の実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第２の単位部分が、前記第２の部材に隙間なく配置されている。【０１８６】
本実施形態によれば、第２の部材に入射する光の損失がないので効率的である。【０１８７】
他の実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第１の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状が正方形である。【０１８８】
本実施形態は、正方形の照明領域を照射するのに都合がよい。【０１８９】
他の実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第１の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状が長方形である。【０１９０】
本実施形態は、長方形の照明領域を照射するのに都合がよい。上記長方形を、撮像素子や画像変調素子のアスペクト比に近い長方形とすることによって、効率的に照明することができる。【０１９１】
他の実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定の第１の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状、および前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記所定の第１の単位部分の光軸に垂直な断面の形状が正六角形である。【０１９２】
本実施形態は、円形の照明領域を照射するのに都合がよい。顕微鏡などにおいて、円形の照明領域を効率的に照明することができる。【０１９３】
他の実施形態によるインテグレータは、前記所定のｎ個の第２の単位部分における入射側の面に入射した、前記所定の第１の単位部分の光軸に平行な光が前記所定の第１の単位部分における出射側の面上に集光した後、ｎ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成されている。【０１９４】
本実施形態によれば、光束分割機能を備えたコンパクトなインテグレータが得られる。【０１９５】
一実施形態による照明装置は、光源と、コリメート手段と、一実施形態によるインテグレータと、を備え、前記光源からの光が、前記コリメート手段によって、前記所定の第１の単位部分の光軸に平行な光とされた後、前記所定のｎ個の第２の単位部分に入射され、前記インテグレータによってｎ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成されている。【０１９６】
本実施形態によれば、照度の均一化機能と光束分割機能を備えたコンパクトな照明装置が得られる。【０１９７】
他の実施形態によるインテグレータは、前記所定の第１の単位部分における入射側の面面に所定の角度で入射した、ｎ個の異なる方向に進行する光束が、前記所定のｎ個の第２の単位部分における出射側の面上に集光した後、前記所定の第１の単位面の光軸に平行な方向に進行する光束に統合されるように構成されている。【０１９８】
本実施形態によれば、光束統合機能を備えたコンパクトなインテグレータが得られる。【０１９９】
一実施形態による照明装置は、ｎ個の光源と、一実施形態によるインテグレータと、を備え、前記ｎ個の光源からの光が、ｎ個の異なる方向に進行する光束として、前記所定の第１の単位部分における入射側の面に前記所定の角度で入射され、前記インテグレータによって前記所定の第１の単位面の光軸に平行な方向に進行する光束に統合されるように構成されている。【０２００】
本実施形態によれば、照度の均一化機能と光束統合機能を備えたコンパクトな照明装置が得られる。【０２０１】
一実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定のｍ個の第１の単位面の、前記第１の屈折面の光軸に垂直な断面の大きさは、前記所定のｎ個の第２の単位面の、前記第２の単位面の光軸に垂直な断面の大きさのｎ／ｍ倍である。【０２０２】
本実施形態によれば、第１の面と第２の面の大きさを等しくするのに都合がよい。【０２０３】
他の実施形態によるインテグレータは、前記所定のｍ個の第１の単位面に所定の角度で入射した、ｎ個の異なる方向に進行する光束が、前記所定のｎ個の第２の単位面に集光、統合した後、ｍ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成されている。【０２０４】
本実施形態によれば、本実施形態によれば、光束分割機能を備えたコンパクトなインテグレータが得られる。【０２０５】
一実施形態による照明装置は、ｎ個の光源と、一実施形態によるインテグレータと、を備え、前記ｎ個の光源からの光が、ｎ個の異なる方向に進行する光束として、前記所定のｍ個の第１の単位面に前記所定の角度で入射され、前記インテグレータによってｍ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成されている。【０２０６】
本実施形態によれば、照度の均一化機能と光束分割機能を備えたコンパクトな照明装置が得られる。【０２０７】
一実施形態によるインテグレータにおいて、前記所定のｍ個の第１の単位部分の、前記第１の部材の光軸に垂直な断面の大きさは、前記所定のｎ個の第２の単位部分の、前記第２の部材の光軸に垂直な断面の大きさのｎ／ｍ倍である。【０２０８】
本実施形態によれば、第１の部材および第２の部材の光軸に垂直な断面の大きさを等しくするのに都合がよい。【０２０９】
他の実施形態によるインテグレータは、前記所定のｍ個の第１の単位部分に所定の角度で入射したｎ個の異なる方向に進行する光束が、前記所定のｎ個の第２の単位部分に集光、統合した後、ｍ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成されている。【０２１０】
本実施形態によれば、本実施形態によれば、光束分割機能を備えたコンパクトなインテグレータが得られる。【０２１１】
一実施形態による照明装置は、ｎ個の光源と、一実施形態によるインテグレータと、を備え、前記ｎ個の光源からの光が、ｎ個の異なる方向に進行する光束として、前記所定のｍ個の第１の単位面に前記所定の角度で入射され、前記インテグレータによってｍ個の異なる方向に進行する光束に分割されるように構成されている。【０２１２】
本実施形態によれば、照度の均一化機能と光束分割機能を備えたコンパクトな照明装置が得られる。
【図１】
2009020014.tif 000013
【図２】
2009020014.tif 000014
【図３】
2009020014.tif 000015
【図４】
2009020014.tif 000016
【図５】
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【図６】
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【図７】
2009020014.tif 000019
【図８】
2009020014.tif 000020
【図９】
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【図１０】
2009020014.tif 000022
【図１１】
2009020014.tif 000023
【図１２】
2009020014.tif 000024
【図１３】
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【図１４】
2009020014.tif 000026
【図１５】
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【図１６】
2009020014.tif 000028
【図１７】
2009020014.tif 000029
【図１８】
2009020014.tif 000030
【図１９】
2009020014.tif 000031
【図２０】
2009020014.tif 000032
【図２１】
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【図２２】
2009020014.tif 000034
【図２３】
2009020014.tif 000035
【図２４】
2009020014.tif 000036
【図２５】
2009020014.tif 000037
【図２６】
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【図２７】
2009020014.tif 000039
【図２８】
2009020014.tif 000040
【図２９】
2009020014.tif 000041
【図３０】
2009020014.tif 000042
【図３１】
2009020014.tif 000043
【図３２】
2009020014.tif 000044
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月2日(2009.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２３】
2009020014.tif 000045
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２７】
2009020014.tif 000046
【国際調査報告】
2009020014.tif 000047
2009020014.tif 000048
2009020014.tif 000049
2009020014.tif 000050