(57)【要約】【課題】  照明装置全体として小型化を実現しつつ、所定の領域にわたって、明るさ及び明るさの均一性が高く、輝度の方向特性が良好な照明を行うことができ、かつ、光源から発した光の利用効率の高い照明光学装置、およびそれを用いた光学装置を実現する。【解決手段】  ２次元的に並列配置された複数の発光素子と、各々の発光素子に対応する要素レンズよりなる第１のレンズアレイ２と、各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第２のレンズアレイ３と、照明レンズ４とを設ける。複数の発光素子の各々の発光部１０３を、第１のレンズアレイ２の対応する要素レンズによって拡大実像として結像させる。この拡大実像の結像位置に、第２のレンズアレイ３の対応する要素レンズを位置させ、拡大実像が形成される面に、照明レンズ４の前側焦平面４１を位置させ、照明レンズ４の後側焦平面４２に、照明される領域を含む面を位置させる。【選択図】    図１
2006133635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元的に並列配置された複数の発光素子と、該複数の発光素子の各々に対応する要素レンズよりなる第１のレンズアレイと、該第１のレンズアレイの各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第２のレンズアレイと、照明レンズとを有し、
前記複数の発光素子の各々の発光部が、前記第１のレンズアレイの対応する要素レンズによって拡大実像として結像され、
該拡大実像の結像位置に、前記第２のレンズアレイの対応する要素レンズが位置し、
前記拡大実像が形成される面に、前記照明レンズの前側焦平面が位置し、
該照明レンズの後側焦平面に、照明対象領域を含む面が位置する
ことを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】
２次元的に並列配置された複数の発光素子と、該複数の発光素子の各々に対応する要素レンズよりなる第１のレンズアレイと、該第１のレンズアレイの各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第２のレンズアレイと、第１の照明レンズと、複数の要素レンズを有するフライアイレンズと、第２の照明レンズとを有し、
前記複数の発光素子の各々の発光部が、前記第１のレンズアレイの対応する要素レンズによって拡大実像として結像され、
該拡大実像の結像位置に、前記第２のレンズアレイの、対応する前記要素レンズが位置し、
前記拡大実像が形成される面に、前記第１の照明レンズの前側焦平面が位置し、
前記フライアイレンズの前記各要素レンズの前側焦点を含む面が、前記第１の照明レンズの後側焦平面に位置し、
前記第２の照明レンズの前側焦平面が、前記フライアイレンズの前記各要素レンズの後側焦点を含む面に位置し、
前記第２の照明レンズの後側焦平面に、照明対象領域を含む面が位置する
ことを特徴とする照明光学装置。
【請求項３】
前記発光素子が、放射角度特性の異なる少なくとも２種類の発光素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項４】
請求項１、または請求項２、または請求項３に記載の照明光学装置を含むことを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影装置、露光装置、顕微鏡などの照明光学装置、およびこの照明光学装置を用いた光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
投影装置、露光装置、顕微鏡などの光学装置の照明光学系においては、物体の所定範囲にわたって明るく、かつ明るさの均一性が高く、所定の開口数（ＮＡ）を持って、物体を照明できることが求められる。照明の光源としては、発光スペクトル特性、発光量、放射角度特性、発光部の大きさ、光源としての大きさ、経済性などを考慮して、用途に応じて様々なもの、例えば、ハロゲンランプなどの白熱ランプ、水銀ランプ、キセノンランプやメタルハライドランプなどの放電ランプ、各種レ−ザ−などが用いられるが、しばしば明るさの不足を生じる。そこで、一つの照明光学装置内に複数の光源を用いることで照明の明るさの増強を図る場合がある。
【０００３】
また、発光量の多い光源を用いて明るさは確保できたとしても、発光量の多い光源は一般に光源としての大きさが大きいので、光学装置全体の小型化を阻む要因となっている。そこで、発光量は少ないが小型である光源を複数用いて明るさの確保を図りつつ、照明装置全体として小型化を図る方法が提案されている。
【０００４】
例えば、後記の特許文献１、特許文献２では、各々が反射鏡を備える複数の光源を並置した、投影装置に用いて好適な照明光学系が開示されている。また後記の特許文献３では、発光ダイオ−ドアレイを光源とした、投影装置に用いて好適な光学系が開示されている。
【特許文献１】特開平６−２６５８８７号公報
【特許文献２】特開２００１−４３７０１号公報
【特許文献３】特開平１０−３３３５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、各々が反射鏡を備えた複数の光源から発した光束をレンズ板で複数の光束に分割し、これらの光束を、被照射面の直前に配したフィ−ルドレンズを介して被照射面上で重ね合わせる機構の照明光学系が開示されている。尚、特許文献１でレンズ板と表記されている光学素子は、要素レンズが２次元的に並置されたレンズアレイである。これはフライアイレンズと称されることもある。
【０００６】
本照明光学系によれば、複数の光源から発した光によって、一つの被照射面の所定領域を照射でき、以って照明の明るさを増強することができるが、均一性の高い照明を得るためには、個々の光源に対応するレンズアレイの要素レンズの数が多くなければならない。従って、多数の、たとえば１０個以上の光源を用いて均一な照明を実現しようとすると、レンズアレイの要素レンズの必要数は相当の多数に達し、レンズアレイは極めて高価なものとなってしまう。さらに、本照明光学系では、被照射面における輝度の方向特性（単位立体角あたりの光強度の方向特性）に大きなピ−ク・ディップを生じ易い。この影響は、個々の光源に対応するレンズアレイの要素レンズの数が少ない場合に顕著に現れ、本照明光学系を顕微鏡のような精密結像光学系の照明に用いた場合、その結像特性に影響を与える。
【０００７】
特許文献２には、複数の光源から発した光束を、一つのレンズ、あるはレンズアレイを介して、あるいはこれらを介することなく、被照射面上で互いにわずかずつずらして重ね合わせる機構の照明光学系が開示されている。本照明光学系によれば、複数の光源から発した光によって、被照射面の所定範囲を照射でき、少なくとも二つの光源から発した光束が重なる領域では明るさが増すが、比較的明るさの均一性の高い領域は、該複数光源から発した各光束の全てが重なる領域であるから、実用的な照明範囲が限られる。また、これは各光源から発した光の利用効率が悪いことも意味する。
【０００８】
特許文献３には、複数の光源として発光素子アレイ、具体的には発光ダイオ−ドアレイを用い、各発光素子から発した光束を、マスク、及びマイクロレンズアレイの各要素レンズを介して平行光束となし、これら平行光束を縮小光学器に通して、全体として所定断面形状、及び断面サイズを有する平行光束を得る機構が開示されている。本機構によれば、発光ダイオ−ドのような小さい光源を複数用いて、所定領域をある程度の明るさで照明できるが、各発光素子を発した光束は、大体において被照射面の特定の領域のみしか照明できないので被照射面において明るさむらが生じる。
【０００９】
本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、照明装置全体として小型化を実現しつつ、所定の領域にわたって、明るさ及び明るさの均一性が高く、輝度の方向特性が良好な照明を行うことができ、かつ、光源から発した光の利用効率の高い照明光学装置、およびそれを用いた光学装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、２次元的に並列配置された複数の発光素子と、該複数の発光素子の各々に対応する要素レンズよりなる第１のレンズアレイと、該第１のレンズアレイの各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第２のレンズアレイと、照明レンズとを有し、前記複数の発光素子の各々の発光部が、前記第１のレンズアレイの対応する要素レンズによって拡大実像として結像され、該拡大実像の結像位置に、前記第２のレンズアレイの対応する要素レンズが位置し、前記拡大実像が形成される面に、前記照明レンズの前側焦平面が位置し、該照明レンズの後側焦平面に、照明対象領域を含む面が位置することを特徴とする照明光学装置を提供する。
【００１１】
このように構成される照明光学装置では、各発光素子の発光部の各点からは、ある放射角度特性で光が放出され、第１のレンズアレイの、発光素子に対応する要素レンズに入射する。
対応する第１のレンズアレイの各要素レンズに入射した光は、各発光部を物体として、その拡大実像を第２のレンズアレイの位置に形成する。また、複数の各発光部に対応して実像が形成されるので、第２のレンズアレイの位置には拡大実像が複数並び、これを２次的な光源（以下、２次光源とする）とみなすことができる。
【００１２】
更に、拡大実像は第２のレンズアレイの位置に形成されるので、第２のレンズアレイの各要素レンズはフィ−ルドレンズとして作用し、前記２次光源から射出する光の方向を変える。このとき、第２のレンズアレイの各要素レンズの前側焦点位置は、対応する第１のレンズアレイの要素レンズの後側焦点と一致しているので、第１のレンズアレイの要素レンズと、対応する第２のレンズアレイの要素レンズの各組はアフォ−カル光学系を形成し、発光部の任意の点から該アフォ−カル光学系の光軸に対して角度αで発した光は、２次光源を（ｆ１／ｆ２）×αの角度で射出する。ここで、ｆ１は、第１のレンズアレイの要素レンズの焦点距離であり、ｆ２は、第２のレンズアレイの要素レンズの焦点距離である。言うまでもなく、発光部の任意の点から該光軸に平行に発した光は、２次光源からも平行に射出する。
【００１３】
以上のように、第２のレンズアレイの位置には、連続、若しくは連続に近い（隙間が少ない）、場所による放射角度特性の均一性の高い面光源が２次光源として形成される。この後、このような２次光源が、照明レンズの前側焦平面に位置し、被照射面（照明対象領域を含む面）は照明レンズの後側焦平面に配設されるという、ケ−ラ−照明にも用いられるいわゆるｆ−ｆ配置の光学系となるので、被照射面における照度の均一性が高められると同時に、本発明による効果として、被照射面における輝度の方向特性の大幅な改善が可能になる。
【００１４】
輝度の方向特性が改善されるのはつぎのような理由による。ｆ−ｆ配置の光学系では、前側焦平面における位置が、後側焦平面での角度に変換されるので、前側焦平面において例えば点状の光源が離散的に位置しているとすると、後側焦平面での放射角度特性が、特定の離散的な角度近傍に光強度が集中するような特性となり、方向によって大きく輝度が異なることになる。これに対し本発明では、連続、若しくは連続に近い２次光源面が形成されるので、このような輝度ムラが大幅に低減され、輝度の方向特性が向上する。
【００１５】
更に本発明では、放射角度特性の場所による均一性の高い面光源が２次光源として形成されるので、被照射面において一定の照射範囲に光が効率的に集中する。従って、これを照明範囲とすることにより、光源から発した光の利用効率の高い照明も同時に実現できる。
尚、被照射面の照明範囲における明るさ（照度）は、照明レンズが十分な大きさを有していれば、発光素子の数を増やすことで増すことができる。これは、照明としての開口数（ＮＡ）が上がることによる。更に、発光素子の数を増やすとともに、照明レンズの焦点距離ｆ３を長くすることにより、照明としての開口数（ＮＡ）を保ったまま、即ち明るさ一定のまま、照明範囲を広くすることも可能である。
【００１６】
また、本発明は、２次元的に並列配置された複数の発光素子と、該複数の発光素子の各々に対応する要素レンズよりなる第１のレンズアレイと、該第１のレンズアレイの各要素レンズに対応する要素レンズよりなる第２のレンズアレイと、第１の照明レンズと、複数の要素レンズを有するフライアイレンズと、第２の照明レンズとを有し、前記複数の発光素子の各々の発光部が、前記第１のレンズアレイの対応する要素レンズによって拡大実像として結像され、該拡大実像の結像位置に、前記第２のレンズアレイの対応する前記要素レンズが位置し、前記拡大実像が形成される面に、前記第１の照明レンズの前側焦平面が位置し、前記フライアイレンズの前記各要素レンズの前側焦点を含む面が、前記第１の照明レンズの後側焦平面に位置し、前記第２の照明レンズの前側焦平面が、前記フライアイレンズの前記各要素レンズの後側焦点を含む面に位置し、前記第２の照明レンズの後側焦平面に、照明対象領域を含む面が位置することを特徴とする照明光学装置を提供する。
【００１７】
このように構成される照明光学装置では、第１の照明レンズ以前の光学系により、第１の照明レンズの後側焦平面に、照度の均一性が高く輝度の方向特性が大幅に改善された３次光源面が形成される。
フライアイレンズはインテグレ−タ−として作用し、３次光源面を発した光はフライアイレンズの後側焦点を含む面に４次光源面を形成する。４次光源面の各点からはある放射角度範囲に光が射出され、第２の照明レンズに入る。このとき、フライアイレンズの各要素レンズの入射面は狭いので、３次光源面の各要素レンズに対応する範囲内では、照度はほぼ均一とみなすことができる。従って、４次光源面には、照度ムラは残るものの、所定の角度範囲内で放射角度特性の均一性が良好、即ち、放射角度によらず光強度がほぼ同じとなるような仮想光源が形成される。
【００１８】
４次光源面以降の光学系は、このような４次光源面が第２の照明レンズの前側焦平面に位置し、第２の照明レンズの後側焦平面に被照射面が配設されるという、ｆ−ｆ配置の光学系となる。従って、被照射面の所定範囲において照度の均一性が良好な照明を実現できる。
【００１９】
一方、本発明により輝度の方向特性も良好な状態を実現できる。これは次のような理由による。照明レンズ（焦点距離ｆ３）とフライアイレンズの各要素レンズ（焦点距離ｆ４）は倍率ｆ４／ｆ３の結像光学系を構成しており、各要素レンズの射出面近傍に２次光源の実像が形成される。このとき概ねＬ１／Ｌ２＝ｆ４／ｆ３の関係を満たすようこれらパラメ−タ−が設定されているので、各々の要素レンズについて形成される２次光源の実像の大きさと、各要素レンズの大きさ（Ｌ２）はほぼ同じとなる。この結果、４次光源面は、場所的にほぼ連続な面光源となるので、輝度の方向特性も良好な状態を実現できる。
【００２０】
上記照明光学装置において、前記発光素子が、放射角度特性の異なる少なくとも２種類の発光素子を含んでいてもよい。
【００２１】
この場合には、発光部の放射角度特性に起因する被照射面における照度分布が平均化され、本発明の照明光学装置の特長である輝度の方向特性の向上を実現しつつ、被照射面における照度の均一性を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明は、上記した照明光学系のうちのいずれかを含む光学装置を提供する。
【００２３】
このように構成される光学装置では、被照射面における照度の均一性が高められると同時に、被照射面における輝度の方向特性の大幅な改善が可能になる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、小型発光素子を複数用いて、照明装置全体として小型化を達成しながら、所定の領域にわたって、明るさ及び明るさの均一性が高く、輝度の方向特性が良好な照明を行うことができ、かつ、光源から発した光の利用効率の高い照明光学装置、およびそれを用いた光学装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明による照明光学装置の好適な実施の形態を、図を参照しつつ説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明に基づく照明光学装置の第１の実施形態の基本的な構成を示す図であって、図１中に符号１で示す部材は光源ユニットである。
光源ユニット１では、図２に示すように、正面側（図１において右側）から見て、複数の小型発光素子１０１が要素光源として２次元的に（同一平面上に）並列配置されている。各々の発光素子１０１は同一の特性を有する。図２では、発光素子１０１が５行５列の計２５個並列配置された状態を示しているが、これに限定されるものではない。また発光素子１０１の配列は俵積状配列（千鳥状配列）でもよい。また、本照明光学装置によって照明されるべき領域が円形の場合は四隅の発光素子１０１Ａは省略してもよい。
【００２６】
発光素子１０１としては、発光ダイオ−ドや、エレクトロルミネッセンス素子などの小型化に適した素子が好適であるが、白熱ランプや反射鏡付き放電灯を用いることもできる。符号１０３は、これらの発光素子の、実効的に光が発せられる部位（以下発光部と呼ぶ）を示す。図２では、発光部１０３を矩形として示したが、発光素子の種類により、発光部１０３はある実効的な大きさ及び形状を有する。実際上、発光部１０３の大きさが発光素子１０１の大きさを上回ることはないので、発光部１０３は離散的に並列配置されることになる。
【００２７】
図１に符号２で示す部材は第１のレンズアレイであって、光源ユニット１の各発光部１０３に対応した要素レンズ２１が同一平面上に並列配置されている。第１のレンズアレイ２は光源ユニット１と略平行にして配置されている。
図３に、第１のレンズアレイ２を正面（図１において右側）から見た様子を示す。図３では、図２に示す発光素子１０１が５行５列計２５個並列配置されているのに対応して、第１のレンズアレイ２の要素レンズ２１も５行５列計２５個並列配置された状態を示す。尚、四隅の発光素子１０１Ａが省略される場合は第１のレンズアレイ２の四隅の要素レンズ２１Ａは省略してもよい。発光素子１０１の配列が俵積状配列の場合は、要素レンズ２１の配列も俵積状配列とし、各要素レンズ２１の形状は正６角形とする。各要素レンズ２１，２１Ａは所定の焦点距離ｆ１を有し、第１のレンズアレイ２と、発光部１０３が並列配置されている面との距離ｓは、ｆ１＜ｓ＜２ｆ１を満たすよう設定される。
【００２８】
図１に符号３で示す部材は第２のレンズアレイである。第２のレンズアレイ３は第１のレンズアレイ２と略平行にして配置されている。
図４に、第２のレンズアレイ３を正面（図１において右側）から見た様子を示す。第２のレンズアレイ３では、第１のレンズアレイ２の要素レンズ２１，２１Ａに対応した要素レンズ３１，３１Ａが並列配置されている。第１のレンズアレイ２の要素レンズ２１Ａが省略される場合は、第２のレンズアレイ３の四隅の要素レンズ３１Ａは省略される。発光素子１０１の配列が俵積状配列の場合は、要素レンズの配列も俵積状配列とし、各要素レンズ３１の形状は正６角形とする。いずれの配列であっても、第２のレンズアレイは隣接する要素レンズ３１間に隙間が生じないよう構成される。
【００２９】
各要素レンズ３１、３１Ａは、ｆ１よりも長い所定の焦点距離ｆ２を有し、第１のレンズアレイ２と第２のレンズアレイ３の間の距離ｔは、ｔ＝ｆ１+ｆ２となるよう設定される。即ち、第１のレンズアレイ２の要素レンズ２１，２１Ａの後側焦点と、対応する要素レンズ３１，３１Ａの前側焦点位置が一致するよう、第２のレンズアレイ３の位置が設定される。また、各要素レンズ２１，２１Ａに関して、光源ユニット１の各発光部１０３を含む面を物体面として、その像面が、第２のレンズアレイ３と重なるよう、距離ｓ，ｔは決められる。
【００３０】
以上の配置構成により、各発光部１０３の拡大された実像６が、第２のレンズアレイ３の対応する要素レンズ３１，３１Ａの位置に形成される。このとき、各々の拡大実像６の大きさは、要素レンズ３１，３１Ａの中に収まる範囲でなるべく大きいことが望ましく、そのようにレンズアレイ２の各要素レンズ２１，２１Ａの倍率が設定される。但し、各々の拡大実像６は完全に要素レンズ３１，３１Ａの中に収まる必要はなく、一部であれば、対応する要素レンズ３１，３１Ａをはみ出しても構わない。
【００３１】
図１において符号４で示す部材は焦点距離ｆ３の凸パワ−を有する照明レンズ、符号４１、４２で示す面は、各々、照明レンズ４の前側焦平面、後側焦平面である。照明レンズ４は、その前側焦平面４１が第２のレンズアレイ３と重なるよう配設される。図１において符号５で示す面は被照射面（照明対象領域を含む面）であって、照明レンズ４の後側焦平面４２に配設される。被照射面５には照明されるべき物体、即ち本照明光学装置が用いられる光学装置が投影装置であれば液晶などの空間光変調器やスライド、露光装置であればマスクあるいはレチクル、顕微鏡であれば観察試料、が置かれる。
【００３２】
次に上記のように構成した照明光学装置の動作について説明する。各発光素子１０１の発光部１０３の各点からは、ある放射角度特性で光が放出され、第１のレンズアレイ２の、発光素子１０１に対応する要素レンズ２１に入射する。発光部１０３の光の放射角度が広い場合は、対応する要素レンズ２１ａ（図２参照）に隣接する要素レンズ２１ｂ（図２参照、最大８個）にも放出された光の一部が入射するが、照明光学装置として機能上の問題は生じない。但し、各発光部１０３から発した光はなるべく多くが対応する要素レンズ２１ａに入射するよう光学系が構成されることが望ましい。以下、対応する要素レンズ２１ａ以外に入射する光は無視できるとして説明する。
【００３３】
対応する各要素レンズ２１ａに入射した光は、各発光部１０３を物体として、その実像６を第２のレンズアレイ３の位置に形成する。このとき、結像倍率（絶対値）は１より大きいので、実像６は拡大像となる。また、複数の各発光部１０３に対応して実像６が形成されるので、第２のレンズアレイ３の位置には拡大実像６が複数並び、これを２次的な光源６１とみなすことができる。１次光源である光源ユニット１においては、複数の発光部１０３が含まれる面の所定範囲に対して発光部１０３の面積の合計が占める割合はわずかであるが、２次光源面６１においては、２次的な発光部の面積の合計が占める割合は高くなる。各発光部１０３の形状と、各要素レンズ３１，３１Ａの形状が相似であれは、各要素レンズ２１による結像の倍率を適当に設定することにより、２次光源面６１の所定範囲を複数の拡大実像６で埋め尽くすことも可能である。
【００３４】
更に、拡大実像６は第２のレンズアレイ３の位置に形成されるので、各要素レンズ３１，３１Ａはフィ−ルドレンズとして作用し、２次光源６１から射出する光の方向を変える。このとき、各要素レンズ３１，３１Ａの前側焦点位置は、対応する第１のレンズアレイ２の要素レンズ２１，２１Ａの後側焦点と一致しているので、要素レンズ２１，２１Ａと、対応する要素レンズ３１，３１Ａの各組はアフォ−カル光学系を形成し、発光部１０３の任意の点から該アフォ−カル光学系の光軸に対して角度αで発した光は、２次光源６１を（ｆ１／ｆ２）×αの角度で射出する。言うまでもなく、発光部１０３の任意の点から該光軸に平行に発した光は、２次光源６１からも平行に射出する。
【００３５】
以上のように、第２のレンズアレイ３の位置には、連続、若しくは連続に近い（隙間が少ない）、場所による放射角度特性の均一性の高い面光源が２次光源６１として形成される。この後、このような２次光源６１が、照明レンズ４０の前側焦平面４１に位置し、被照射面５は照明レンズ４の後側焦平面４２に配設されるという、ケ−ラ−照明にも用いられるいわゆるｆ−ｆ配置の光学系となるので、被照射面５における照度の均一性が高められると同時に、本発明による効果として、被照射面５における輝度の方向特性の大幅な改善が可能になる。
【００３６】
輝度の方向特性が改善されるのはつぎのような理由による。ｆ−ｆ配置の光学系では、前側焦平面における位置が、後側焦平面での角度に変換されるので、前側焦平面において例えば点状の光源が離散的に位置しているとすると、後側焦平面での放射角度特性が、特定の離散的な角度近傍に光強度が集中するような特性となり、方向によって大きく輝度が異なることになる。これに対し本発明では、連続、若しくは連続に近い２次光源面が形成されるので、このような輝度ムラが大幅に低減され、輝度の方向特性が向上する。
【００３７】
更に本発明では、放射角度特性の場所による均一性の高い面光源が２次光源６１として形成されるので、被照射面５において一定の照射範囲に光が効率的に集中する。従って、これを照明範囲とすることにより、光源から発した光の利用効率の高い照明も同時に実現できる。
尚、被照射面５の照明範囲における明るさ（照度）は、照明レンズ４が十分な大きさを有していれば、発光素子１０１の数を増やすことで増すことができる。これは、照明としての開口数（ＮＡ）が上がることによる。更に、発光素子１０１の数を増やすとともに、照明レンズ４の焦点距離ｆ３を長くすることにより、照明としての開口数（ＮＡ）を保ったまま、即ち明るさ一定のまま、照明範囲を広くすることも可能である。
【００３８】
［第２実施形態］
図５は、本発明に基づく照明光学装置の第２の実施形態の基本的な構成を示す。符号７で示す光学系は、本実施形態の照明光学系における前置光学系であって、その構成及び動作は、第１実施形態に示した照明光学装置と同様である。但し、第１実施形態に示す被照射面５は、本実施形態では３次光源面５１として機能する。また、第１実施形態における照明レンズ４は、本実施形態では第１の照明レンズとなる。
符号８で示す部材はフライアイレンズ（ハエの目レンズ）であって、多数の要素レンズ８１が稠密に組み合わされて構成されている。
【００３９】
フライアイレンズ８の大きさは３次光源面５１の大きさよりやや大きく、その範囲内で要素レンズ８１の数は多いほど好ましいが、現実的には数十個程度あればよい。要素レンズ８１は所定の焦点距離ｆ４を持ち、その前側焦点、後側焦点は、各々、各要素レンズ８１の前側曲面、後側曲面の面頂近傍にある。また、各要素レンズ８１の前側焦点を含む面は、第１の照明レンズの後側焦平面即ち３次光源面５１の位置に置かれる。各要素レンズ８１の焦点距離ｆ４は、図５に示すように２次光源６１の大きさをＬ１、フライアイレンズ８の各要素レンズ８１の大きさをＬ２として、概ねＬ１／Ｌ２＝ｆ４／ｆ３の関係を満たすよう設定される。
【００４０】
符号９で示す部材は焦点距離ｆ５の凸パワ−を有する第２の照明レンズ、符号９１、９２で示す面は、各々、第２の照明レンズ９の前側焦平面、後側焦平面である。第２の照明レンズ９は、その前側焦平面９１が、フライアイレンズ８の各要素レンズ８１の後側焦点を含む面に位置するよう配設される。１０は被照射面であって、第２の照明レンズ９の後側焦平面９２に配設される。
【００４１】
次に上記のように構成した照明光学装置の動作について説明する。前置光学系７の動作は実施形態１に示した照明光学装置と同様である。第１の実施形態においては、発光部１０３の放射角度特性に関わらず、輝度の方向特性が良好な照明が得られるが、照度の均一性は発光部１０３の放射角度特性に依存している。例えば、各発光部１０３が、第１のレンズアレイ２の要素レンズ２１の光軸に対して角度が大きくなるに従って光強度が低下するような放射角度特性をもっている場合、被照射面５では中心の照度が高く、周辺に行くに従って照度が低下するような照度のムラが生じる。以下、３次光源面５１がこのような状態にあるとして説明する。
【００４２】
フライアイレンズ８はインテグレ−タ−として作用し、３次光源面５１を発した光はフライアイレンズ８の後側焦点を含む面に４次光源面１１を形成する。４次光源面１１の各点からはある放射角度範囲に光が射出され、第２の照明レンズ９に入る。このとき、各要素レンズ８１の入射面は狭いので、３次光源面５１の各要素レンズ８１に対応する範囲内では、照度はほぼ均一とみなすことができる。従って、４次光源面１１には、照度ムラは残るものの、所定の角度範囲内で放射角度特性の均一性が良好、即ち、放射角度によらず光強度がほぼ同じとなるような仮想光源が形成される。
【００４３】
４次光源面１１以降の光学系は、このような４次光源面１１が第２の照明レンズ９の前側焦平面に位置し、第２の照明レンズ９の後側焦平面に被照射面１０が配設されるという、ｆ−ｆ配置の光学系となる。従って、被照射面１０の所定範囲において照度の均一性が良好な照明を実現できる。
【００４４】
一方、本実施形態により輝度の方向特性も良好な状態を実現できる。これは次のような理由による。照明レンズ（焦点距離ｆ３）とフライアイレンズ８の各要素レンズ８１（焦点距離ｆ４）は倍率ｆ４／ｆ３の結像光学系を構成しており、各要素レンズ８１の射出面近傍に２次光源６１の実像が形成される。このとき概ねＬ１／Ｌ２＝ｆ４／ｆ３の関係を満たすようこれらパラメ−タ−が設定されているので、各々の要素レンズ８１について形成される２次光源６１の実像の大きさと、各要素レンズ８１の大きさ（Ｌ２）はほぼ同じとなる。この結果、４次光源面１１は、場所的にほぼ連続な面光源となるので、第１実施形態と同様、輝度の方向特性も良好な状態を実現できる。
【００４５】
［第３実施形態］
本実施形態の基本的な構成は第１実施形態と同様であるので、図示は省略する。第１実施形態では、光源ユニット１が有する複数の発光素子１０１は同一であるとした。従って、各発光素子１０１の発光部１０３の放射角度特性も同一であって、この場合、第２実施形態の説明で記したように、被照射面５で照度のムラが生じる可能性がある。
【００４６】
これに対し本実施形態では、光源ユニット１が有する複数の発光素子を同一のものとせず、発光部の放射角度特性の異なる少なくとも２種類の発光素子を光源ユニット１内において分散配置した構成となっている。
このような構成により、発光部の放射角度特性に起因する被照射面５における照度分布が平均化され、第１実施形態の特長である輝度の方向特性の向上を実現しつつ、被照射面５における照度の均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第一実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す照明光学装置の光源ユニットの構成を示す正面図である。
【図３】図１に示す照明光学装置の第１のレンズアレイの構成を示す正面図である。
【図４】図１に示す照明光学系の第２のレンズアレイの構成を示す正面図である。
【図５】本発明の第二実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
２  第１のレンズアレイ
３  第２のレンズアレイ
４  照明レンズ（第１の照明レンズ）
８  フライアイレンズ
９  第２の照明レンズ
２１，２１Ａ  第１のレンズアレイの要素レンズ
３１，３１Ａ  第２のレンズアレイの要素レンズ
４１  照明レンズの前側焦平面
４２  照明レンズの後側焦平面
８１  フライアイレンズの要素レンズ
９１  第２の照明レンズの前側焦平面
９２  第２の照明レンズの後側焦平面
１０１  発光素子
１０３  発光部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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