(57)【要約】【課題】必要な偏光方向と直交する偏光方向の光束を無駄に廃棄することなく回収して有効利用することができる照明装置を提供する。【解決手段】光源開口４と特定の偏光方向の光束を透過させる偏光部材１４との間に設けられる偏向光学系１１により、光源開口４における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線を、偏光部材１４の光束反射面１４ａで互いの平行度が高くなる方向に集光する。光源１内に、偏光部材１により反射された後に光源開口４に戻った前記特定の偏光方向に直交する偏光方向の光束を、繰り返し反射させた後に光源開口４から再び出射させるための反射手段２、３が設けられる。【選択図】図２
2005266118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源開口を有する光源と、前記光源開口から出射される光束が入射される反射型偏光部材とを有する照明光学系を備え、前記偏光部材を透過する特定の偏光方向の光束を照明位置に導く照明装置において、
前記光源開口における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線を、前記偏光部材の光束反射面で互いの平行度が高くなる方向に集光する偏向光学系が、前記光源開口と前記偏光部材との間に設けられ、
前記光源内に、前記偏光部材により反射された後に前記光源開口に戻った前記特定の偏光方向に直交する偏光方向の光束を、繰り返し反射させた後に前記光源開口から再び出射させるための反射手段が設けられていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記照明光学系は回転対称光学系とされ、
前記照明光学系の絞りの位置で、前記光源開口における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線は、前記偏向光学系により互いの平行度が最大とされ、
前記絞りの位置に、前記偏光部材の光束反射面が配置されている請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記光源開口における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線の中で予め定められた選択波長の各光線が、他の波長の各光線よりも、前記偏光部材の光束反射面で相互の平行度が高くなる方向に前記偏向光学系により偏向され、
前記偏光部材を透過する光束の波長分布は、前記光源開口から出射される光束の波長分布よりも、前記選択波長の比率が高くされている請求項１または２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、光源開口から出射される光束から特定方向の偏光光束を取り出して照明位置に導く照明装置に関し、例えば偏光顕微鏡の照明光、液晶パネルの照明光、光の干渉作用を利用した計測装置等において用いられる照明光を得るのに利用できる。
【背景技術】
【０００２】
照明光として特定方向の偏光光が必要とされる場合、照明光学系における光路中に吸収型や反射型の偏光板や偏光ビームスプリッタ等の偏光部材が設けられる。そのような偏光部材は種々提案されている（特許文献１〜６参照）。従来、必要とされる偏光光と直交する成分の不要な偏光光、例えば、Ｐ偏光光が必要とされる場合のＳ偏光光やＳ偏光光が必要とされる場合のＰ偏光光は、偏光部材に吸収されたり反射された後に利用されることなく廃棄される。そのため、偏光板や偏光ビームスプリッタにおける偏光透過効率は５０％以下であることから、光源から出射される光束の半分以上が無駄になる。
【０００３】
そこで、必要とされる偏光光だけでなく、その偏光光の直交成分偏光光も回収し再利用するためにＰＳコンバータが利用されている。ＰＳコンバータは、光路中にフライアイレンズを挿入することで光束を細かな小光束に分割し、個々の小光束をそれぞれに対応した多数の偏光ビームスプリッタに入射させることで不要な偏光成分の小光束を分岐させ、不要な偏光成分の小光束のみを１／２波長板に導いて偏光方向を必要な向きに回転させることで必要な偏光成分の小光束に変換し、しかる後に偏光ビームスプリッタを透過した必要な偏光成分の小光束と合流させるものである。このようなＰＳコンバータと同等の作用を奏する製品は市販されている（例えば米国OCIS社、製品名“Polarization Conversion Light Pipe”）。
【特許文献１】USP 6208463
【特許文献２】USP 6288840
【特許文献３】USP 6108131
【特許文献４】USP 6234634
【特許文献５】USP 6122103
【特許文献６】USP 6243199
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＰＳコンバータのような装置は、フライアイレンズ、偏光ビームスプリッタ、１／２波長板のような多数の微小な部品の集積として構成される。そのため、構造が複雑になるだけでなく、それら部品の組立てに際しては一般に接着材が用いられるため、正確な位置決めが必要なことによるコストの増大、接着剤が熱に弱いことによる光量の制限、構造的に衝撃に弱いといった種々の問題がある。本発明は、上記課題を解決することのできる照明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】
【０００５】
本発明は、光源開口を有する光源と、前記光源開口から出射される光束が入射される反射型偏光部材とを有する照明光学系を備え、前記偏光部材を透過する特定の偏光方向の光束を照明位置に導く照明装置において、前記光源開口における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線を、前記偏光部材の光束反射面で互いの平行度が高くなる方向に集光する偏向光学系が、前記光源開口と前記偏光部材との間に設けられ、前記光源内に、前記偏光部材により反射された後に前記光源開口に戻った前記特定の偏光方向に直交する偏光方向の光束を、繰り返し反射させた後に前記光源開口から再び出射させるための反射手段が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、光源開口から出射された光束の中で、特定の偏光方向の光束は偏光部材を透過し、それと直交する偏光方向の光束は反射される。
照明光学系が回転対称光学系であり、光源開口における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線が、照明光学系の絞りの位置に配置される反射面において平行であれば、その反射後における各光線の光路は元の光路に対して光軸に関して対称となる。よって、光源開口における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線の互いの平行度を、偏光部材の光束反射面で高くすることで、その反射後に光源開口に戻る光量を増大させ、偏光部材で反射された光束の回収率を高めることができる。光源開口に戻った光束の偏向方向は偏光部材を透過した光束の偏向方向と直交するが、光源内で繰り返し反射するうちに偏向方向が変化する。よって、再び偏光部材に向けて出射された光束の一部は偏光部材を透過するので、必要な偏光方向と直交する偏光方向の光束を無駄に廃棄することなく回収し、光源光の利用率を向上できる。
【０００６】
前記照明光学系は回転対称光学系とされ、前記照明光学系の絞りの位置で、前記光源開口における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線は前記偏向光学系により互いの平行度が最大とされ、前記絞りの位置に、前記偏光部材の光束反射面が配置されているのが好ましい。
これにより、偏光部材の光束反射面において反射された光束を、反射面での吸収等による損失を除きできるだけ光源開口に戻すことができ、光源光の利用率を最大にできる。なお、照明光学系は完全に回転対称光学系である必要はなく、例えば、製造公差や組立て公差により偏光部材の光束反射面と照明光学系の光軸との直角度、光源開口の真円度、偏光部材の光束反射面の位置等に誤差があってもよい。また、光学系の収差の影響等により平行度に誤差が生じることから、絞りの位置で光源開口における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線が完全に平行である必要はなく、可及的に平行度を高くすればよい。
【０００７】
前記光源開口における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線の中で予め定められた選択波長の各光線が、他の波長の各光線よりも、前記偏光部材の光束反射面で相互の平行度が高くなる方向に前記偏向光学系により偏向されているのが好ましい。これにより、その選択波長光の回収率を高めることによって、前記偏光部材を透過する光束の波長分布は、前記光源開口から出射される光束の波長分布よりも、前記選択波長の比率が高くなり照明光の波長分布を調節することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、特定方向の偏光を出力する照明光学系において、必要な偏光方向と直交する偏光方向の光束を無駄に廃棄することなく回収して有効利用することができ、かつ、従来技術のように高コストであったり大光量に弱いといった欠点を排除でき、さらに照明光の波長分布を調節可能な簡素かつ丈夫な構造の照明装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１に示す照明装置の照明光学系Ｌにおける光源１は、電球等の発光体２と、発光体２を囲む放物面ミラー３と、遮光部材５に形成された光源開口４を有する。なお、遮光部材５の内側面はミラーであってもよい。発光体２が発する光束、ミラー３で反射される光束、および発光体２の表面で反射される光束は、光源開口４から出射される。図１においては、光源開口４における光軸Ｏ上の一点から出射される光束を実線で示し、光源開口４における周縁の一点から出射される光束は破線で示している。本実施形態の照明光学系Ｌは回転対称光学系とされ、光源開口４の周縁は光軸Ｏを中心とする一定径の円形とされている。
【００１０】
光源開口４から出射される光束は偏向光学系１１に導かれる。偏向光学系１１は、本実施形態では３群のレンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃにより構成され、光源開口４から出射される光を集光する。
【００１１】
光源開口４から出射される光束は偏向光学系１１を介して絞り１２に導かれる。絞り１２は、本実施形態では遮光部材１３に形成され、その周縁は光軸Ｏを中心とする一定径の円形とされている。なお、絞り１２は遮光部材１３のような物体に形成される開口により規定されるものに限定されず、例えばレンズ系によって規定されるものでもよい。
【００１２】
絞り１２の位置に配置される光束反射面１４ａを有する反射型偏光部材１４に、光源開口４から出射される光束が入射される。反射型偏光部材１４は、光束反射面１４ａに入射された特定方向の偏光光束を透過させて直進させると共に、その特定方向に直交する偏光方向の光束を光束反射面１４ａにおいて反射する。偏光部材１４としては、反射型偏光板や反射型偏光ビームスプリッタにより構成でき、例えば市販の米国Moxtek社製の”ProFlux Microwire Polarizer ”やそれに類する製品を用いることができる。偏光部材１４の光束反射面１４ａの位置は絞り１２の位置に一致することは必須ではないが、可及的に近接するのが好ましく、一致するのが最も好ましい。
【００１３】
偏光部材１４を透過した特定の偏光方向の光束は集光レンズ系１５を介して照明位置Ｐに導かれる。本実施形態では、集光レンズ系１５は３群のレンズ１５ａ、１５ｂ、１５ｃにより構成され、照明位置Ｐは集光レンズ系１５の反光源側焦点とされ、絞り１２は集光レンズ系１５の光源側焦点位置とされている。集光レンズ系１５により、特定の偏光方向の光束を照明位置Ｐに集束させ、光源開口４の像を照明位置Ｐに結像させる。照明位置Ｐに導かれた偏光光束が、例えば偏光顕微鏡における試料の照明光、液晶パネルの照明光、干渉による計測器における試料への入射光束等の用途に用いられる。なお、集光レンズ系１５は本発明に必須の構成ではない。
【００１４】
図２は、光源開口４における光軸Ｏ上の一点Ａから出射された光束を実線で示す。また、光源開口４における周縁の一点Ｂから出射された光束を破線で示し、その光束の中で偏光部材１４の光束反射面１４ａにおいて反射された特定方向に直交する偏光方向の光束を二点鎖線で示す。
【００１５】
光源開口４と偏光部材１４との間に設けられる上記偏向光学系１１は、光源開口４における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線を、偏光部材１４の光束反射面１４ａで互いの平行度が高くなる方向に集光する。本実施形態では、絞り１２の位置、すなわち偏光部材１４の光束反射面１４ａにおいて、光源開口４における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線は互いの平行度が最大とされ、互いに略平行とされる。そのような光学系自体は公知の光学設計技術によって構成でき、一例として以下の表１に偏向光学系１１を構成するレンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの硝種、光源開口４、絞り１２、偏光部材１４の光束反射面１４ａ、レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの光束通過面１１ａ′、１１ａ″、１１ｂ′、１１ｂ″、１１ｃ′、１１ｃ″における曲率半径と面間距離、および口径を示す。
【表１】
2005266118.tif 000003
【００１６】
照明光学系Ｌが回転対称光学系であり、光源開口４における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線が、照明光学系Ｌの絞り１２の位置に配置される反射面において平行であれば、その反射後における各光線の光路は元の光路に対して光軸Ｏに関して対称となる。例えば、図２において光軸Ｏ上の一点Ａから出射された実線で示す光束は、反射後に光軸Ｏに関して対称な光路を辿って同一点Ａに戻る。また、光源開口４における周縁の一点Ｂから出射された破線で示す光束は、反射後に二点鎖線で示すように光軸Ｏに関して対称な光路を辿り、光源開口４における周縁の一点Ｂに対して光軸Ｏに関して対称な位置である周縁の一点Ｂ′に戻る。よって、光源開口４における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線の互いの平行度を、偏光部材１４の光束反射面１４ａで高くすることで、その反射後に光源開口４に戻る光量を増大させ、偏光部材１４で反射された光束の回収率を高めることができる。上記実施形態では、光源開口４における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線は光束反射面１４ａにおいて互いに略平行であるので、光束反射面１４ａで反射された特定方向に直交する偏光方向の光束の大部分を光源開口４に戻すことができる。これにより、偏光部材１４の光束反射面１４ａにおいて反射された光束を、反射面での吸収等による損失を除きできるだけ光源開口４に戻すことができ、光源光の利用率を最大にできる。なお、照明光学系Ｌは完全に回転対称光学系である必要はなく、例えば、製造公差や組立て公差により偏光部材１４の光束反射面１４ａと照明光学系Ｌの光軸Ｏとの直角度、光源開口４の真円度、偏光部材１４の光束反射面１４ａの位置等に誤差があってもよい。また、光学系の収差の影響等により平行度に誤差が生じることから、絞り１２の位置で光源開口４における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線が完全に平行である必要はなく、可及的に平行度を高くすればよい。
【００１７】
偏光部材１４により反射された後に光源開口４に戻った偏光光束は、光源１内における発光体２の表面やミラー３において繰り返し反射された後に光源開口４から再び出射される。光源開口４に戻った光束の偏向方向は偏光部材１４を透過した光束の偏向方向と直交するが、光源１内で繰り返し反射するうちに偏向方向が変化する。よって、再び偏光部材１４に向けて出射された光束の一部は偏光部材１４を透過するので、必要な偏光方向と直交する偏光方向の光束を無駄に廃棄することなく照明光として利用できる。これを繰り返すことで、その繰り返し過程で吸収等により損なわれる光を除いた光源光の利用率を向上できる。よって、偏光部材１４を透過する特定の偏光方向の光束光量が光源開口４から出射される光束光量の５０％を超え、光束光量の利用率を理想値の１００％に近づけることができる。その利用率を高める上では、光源１と偏光部材１４との間において往復する過程での光の吸収による損失を低減し、偏光部材１４における光束の反射率を高くし、光源開口４における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線の互いの平行度を偏向光学系１１により可及的に高くすることが望まれる。その平行度が高い程に偏光部材１４における反射後に光源開口４に戻る光量が多くなる。表１に示した光学系を用いた場合、反射光の回収率を８９％にできる。
【００１８】
偏向光学系１１による光路偏向量は、偏向光学系１１の色収差の影響を受けるために光の波長の長短に応じて相違する。通常は波長が短い程に色収差により光路偏向量が大きくなり、また、レンズ設計に際しての公知の色収差補正技術により波長が長い程に光路偏向量を大きくすることもできる。これを利用することで、光源開口４における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線の中で予め定められた選択波長の各光線を、他の波長の各光線よりも、相互の平行度が高くなる方向に偏向光学系１１により偏向することで、偏光部材１４を透過する光束の波長分布を、光源開口４から出射される光束の波長分布よりも、その選択波長の比率を高くできる。
例えば、図３における実線Ｌ１、破線Ｌ２、一点鎖線Ｌ３は、偏向光学系１１により光路偏向されて偏光部材１４に向かう光線の光路を示し、実線Ｌ１が最も波長が短い可視光線に対応し、次いで波長が短い可視光線に破線Ｌ２が対応し、一点鎖線Ｌ３が最も波長の長い可視光線に対応する。上記のように、光源開口４における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線の互いの平行度が高い程に、偏光部材１４における反射後に光源開口４に戻る光量が多くなる。よって、例えば破線Ｌ２の光路に対応する波長を選択波長とする場合、光源開口４における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線の中でも、その選択波長の光線相互の平行度を他の波長の光線相互の平行度よりも高くすることで、偏光部材１４における反射後に光源開口４に戻る選択波長の光量を他の波長の光量よりも多くできる。これにより、偏光部材１４を透過する光の波長分布は光源光の波長分布に比べ選択波長の比率が高くなる。
【００１９】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、光源開口における任意の一点を通過して出射された光束を構成する各光線は、十分な光量の光源光を得ることができれば、互いの平行度を偏向光学系によりそれ程高くする必要はない。また、光源内において光源開口に戻った光束を繰り返し反射させる手段は、上記実施形態ではミラーと発光体の表面とされたが、これに限定されず、ミラーを放物面以外の形状としたり、別に光束を反射させる部材を光源内に設けてもよい。光源開口は円形である必要はなく、好ましくは光軸に軸対称な形状、例えば正方形や正六角形であってもよい。軸対称ではない形状、例えば正五角形であっても、反射光回収率が低下することを除き、偏光回収の目的を持っていれば、本特許の範囲内と見なされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態の照明装置における照明光学系を示す図
【図２】本発明の実施形態における照明光学系の要部を示す図
【図３】本発明の実施形態における照明光学系の作用説明図
【符号の説明】
【００２１】
１  光源
２  発光体
３  ミラー
４  光源開口
１１  偏向光学系
１２  絞り
１４  偏光部材
１４ａ  光束反射面
Ｌ  照明光学系
Ｏ  光軸
【図１】
2005266118.tif 000004
【図２】
2005266118.tif 000005
【図３】
2005266118.tif 000006