(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項３】
前記マイクロレンズアレイを構成する複数のレンズは、螺旋状に配置されている、請求項２記載の照射光学装置。
【請求項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のマイクロレンズアレイと第２のマイクロレンズアレイとを有し、
前記第１のマイクロレンズアレイと前記第２の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。
【請求項５】
前記第１のマイクロレンズアレイと第２の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のマイクロレンズアレイと第２の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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８１４８６６３号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Reinhard Voelkel, et.al ”Laser Beam Homogenizing: Limitations and Constraints”SPIE Europe. 2-5 September 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、コストが増大するという問題もある。
【０００９】
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ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
前記マイクロレンズアレイを構成する複数のレンズは、螺旋状に配置されていることが好ましい。
【００１５】
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。
【００１６】
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のマイクロレンズアレイと第２のマイクロレンズアレイとを有し、前記第１のマイクロレンズアレイと前記第２のマイクロレンズアレイとの相対位置は一定であることが好ましい。
【００１７】
前記構成によれば、第１の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の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。
【００１８】
前記照射光学装置は、前記第１のマイクロレンズアレイと第２の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のマイクロレンズアレイと第２のマイクロレンズアレイとは一体的に回転可能であることが好ましい。
【００１９】
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。
【発明の効果】
【００２０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態の照射光学装置の構成図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】照射光の強度分布を示す図である。
【図５】第２実施形態の照射光学装置の構成図である。
【図６】従来の装置の一例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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の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の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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
レンズ７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。
【００２６】
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って、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。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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ることが好ましい。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ることが好ましい。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。
【００２９】
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）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は、レーザ光Ｌの方向に対して垂直に配置される。
【００３０】
レンズ１７は、レーザ光Ｌ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。
【００３１】
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ることが好ましい。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。
【００３２】
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、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。
【００３３】
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と等しいことが好ましい。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と等しいことが好ましい。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の外径と等しいことが好ましい。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の数と等しいことが好ましい。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。
【００３４】
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個が入ることが好ましい。
【００３５】
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で対応し、レンズ７とレンズ１７との相対位置は常に一定であることが望ましい。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、レンズ７を通ったレーザ光Ｌは、対応する特定のレンズ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。
【００３６】
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のレンズ７と、第２マイクロレンズアレイ３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、レンズ７を通ったレーザ光Ｌは、対応する特定のレンズ１７を通ることから、より安定した光学特性が得られる。
【００３７】
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。
【００３８】
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、例えばモータであり、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。
【００３９】
（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。
【００４０】
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を経て第２マイクロレンズアレイ３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。
【００４１】
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（好ましくは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が好適である。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
ＤＦＰ＝ＤＭＬＡ・ｆＦＬ／ｆＭＬＡ    ・・・（１）
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
［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。
【００５１】
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、連結部６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。
【００５２】
（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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【符号の説明】
【００５６】
１…レーザ光源、２…第１マイクロレンズアレイ（第１のマイクロレンズアレイ）、３…第２マイクロレンズアレイ（第２の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のマイクロレンズアレイのレンズ）、１７…レンズ（第２のマイクロレンズアレイのレンズ）、１０，２０…照射光学装置
【図１】
2019174586.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2019174586.tif 000007
【図６】
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