(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ照明装置であって、レーザ光源からのレーザ光路に設置された、光拡散状態を変動可能な一つの光拡散手段と、光拡大抑制手段とを有し、前記光拡大抑制手段は集光レンズまたは集光ミラーを有する集光手段とコリメートレンズとを有し、前記レーザ光路は前記一つの光拡散手段を２回通過し、その際に前記光拡散手段を通過した後、前記集光手段により集光し、さらに前記一つの光拡散手段を通過し、前記光拡散手段と前記光拡大抑制手段が共同して、前記レーザ光源からのレーザ光を、拡散されかつ拡大しない光に変換することで、対象を照明ないしは励起し得る光を生成することを特徴とするレーザ照明装置。
【請求項２】
前記光拡散手段は光拡散板からなり、該光拡散板は厚み分布を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ照明装置。
【請求項３】
前記光拡散手段は光拡散板からなり、該光拡散板は屈折率分布を有することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ照明装置。
【請求項４】
前記光拡散手段は光拡散板からなり、該光拡散板はホログラフィック光拡散板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項５】
前記光拡大抑制手段を少なくとも１枚以上のレンズで構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項６】
前記光拡大抑制手段を少なくとも１枚以上のミラーで構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項７】
前記光拡大抑制手段を少なくとも各１枚以上のレンズとミラーで構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項８】
前記一つの光拡散手段は１枚の平板の光拡散板であり、前記集光手段は前記光拡散板のレーザ光の透過側に配された集光ミラーであり、前記集光ミラーで反射されたレーザ光が再び前記一つの光拡散手段を透過することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項９】
前記一つの光拡散手段は円筒形に成形された光拡散板であり、前記集光手段は前記円筒内の前記レーザ光の光路に配されたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項１０】
前記一つの光拡散手段は１枚のコーン型の光拡散板であり、前記集光手段は前記光拡散板のレーザ光の透過側に配された集光ミラーであり、前記集光ミラーで反射されたレーザ光が再び前記一つの光拡散手段を透過することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項１１】
前記一つの光拡散手段は１枚の平板の光拡散板であり、前記集光手段は前記光拡散板のレーザ光の透過側に配された凹面の集光ミラーであり、前記集光ミラーの凹面内で２回反射されたレーザ光が再び前記一つの光拡散手段を透過することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項１２】
前記光拡大抑制手段は、前記集光手段の集光レンズおよびコリメートレンズを備え、前記光拡散手段は、光拡散状態を変動可能とすることのできる光拡散板からなり、前記光拡散板と前記集光レンズの光拡散板側の外周端との距離が、ｒ・ｃoｔ（θ）以内である（ここで、θは光拡散板の光拡散角であって、θは３０度以内、ｒは集光レンズの半径であって、ｒは２０ｍｍ以内である。）ことを特徴とする請求項９記載のレーザ照明装置。
【請求項１３】
前記光拡大抑制手段は、前記集光手段の集光ミラーおよびコリメートレンズを備え、前記光拡散手段は、光拡散状態を変動可能とすることのできる光拡散板からなり、前記光拡散板と前記集光ミラーとの最短距離が、２ｒ・ｓｉｎ（Φ−θ）・ｃoｓ（θ）／ｓｉｎ（２θ）以内である（ここで、θは光拡散板の光拡散角を表し、ｒは集光ミラーの半径を表し、Φはレーザ光に対するミラーの傾き角であって、Φは４５度より小さくても大きくてもよい。）ことを特徴とする請求項８、１０、１１のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項１４】
前記コリメートレンズの直径が前記集光レンズの直径以上であることを特徴とする請求項９または１２に記載のレーザ照明装置。
【請求項１５】
前記コリメートレンズが、前記集光レンズと同じ焦点距離又は該集光レンズより長い焦点距離を有することを特徴とする請求項９、１２、１４のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項１６】
前記光拡散手段は光拡散板からなり、該光拡散板と前記集光レンズの光拡散板側の外周端との距離が少なくとも１５２ｍｍ以内であることを特徴とする請求項９、１２、１４、１５のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項１７】
前記レーザ光路の進行方向に対して上、下、左、右及び平行の方向の少なくともいずれか一つの方向に前記光拡散手段及び前記光拡大抑制手段ないしは光拡大抑制手段を構成する各要素手段を移動する手段を有することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項１８】
前記光拡散手段及び前記光拡大抑制手段の少なくともいずれか一つを移動させる手段を有する請求項１〜１７のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項１９】
遮光板又は遮光ボックスでカバーされていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載のレーザ照明装置。
【請求項２０】
レーザ照明装置として請求項１〜１９のいずれか１項に記載のレーザ照明装置を用いて成ることを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２１】
レーザ照明装置として請求項１〜１９のいずれか１項に記載のレーザ照明装置を用いて成ることを特徴とする顕微分光装置。
【請求項２２】
光源として請求項１〜１９のいずれか１項に記載のレーザ照明装置を用いて成ることを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象上に、一様に（均等に）かつ明るく、レーザ光を照射するレーザ照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は、進行方向に垂直な面に対し、強度の空間分布を有しているため、レーザ光を照明として用いる場合、空間分布の比較的一様な中心部分を選択的に用いるか、何らかの方法で空間分布をより一様に変換する必要がある。
【０００３】
多モードで発振するレーザ光の場合、非常に複雑な強度空間分布を有するため、比較的大きなものを一様に照明することはできるが、顕微鏡で観察する必要性のある比較的小さなものの照明としては、強度の空間分布が顕在化してしまうので、そのままでは一様な照明光として用いることはできない。
【０００４】
また、もっとも基本的なモードであるＴＥＭ００モードで発振するレーザ光であっても、強度の空間分布がガウス分布であるため、比較的一様な中心部分を選択的に用いても、完全には一様にすることはできないばかりか、そのパワーのほとんどを無駄にすることになる。
【０００５】
なお、強度の空間分布がある場合、焦点をずらして照明すれば、それなりに一様な照明ができるが、干渉による強度変動は、どうしても解消できない。
【０００６】
一方、従来から、回折格子（非特許文献１参照）や、メッシュスクリーン（非特許文献２参照）や光拡散板（非特許文献３参照）などの分散素子にレーザ光を当て、分散素子面からの擬似光源として、それを照明に用いる方法がある。しかしながら、レーザ光は高いコヒーレンスを持つため、スペックル雑音と呼ばれる干渉雑音を生じさせてしまう。
すなわち、レーザ光の位相は拡散により完全にランダムに乱されるわけではなく、偶然位相の揃ったところでは光強度が非常に強くなり、逆に位相が１８０度ずれたところでは光強度がゼロになる場合もあるために、それによりまだら模様の斑点ノイズが生じることがあり、これをスペックル雑音という。
【０００７】
このようなスペックル雑音を減じさせるため、分散素子に対してレーザ光を円形に回転させたり（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）、回折格子やスクリーンメッシュや光拡散板をピエゾ素子によって動かす(非特許文献４参照)ことで、干渉パターンを変化させより一様に照明することも行われているが、一様性が不十分で光の散逸も大きい。
【０００８】
一方、スペックル雑音を低減するための方法として、長さの異なる光ファイバを複数本用いた構造が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、複数本の光ファイバを用いたバンドル構造であるため、特に、入射時の損失が大きく、全体の光透過率は、高々５０％程度である。また、光学系の分解能レベルでの観察に用いる場合には、非常に多数の光ファイバが必要であり、実質的に雑音を取り切ることはできない。
【０００９】
これに対し、位相をランダムに乱す板状のものと前記バンドル光ファイバを組合せた方法が提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、位相をよりランダムに乱す効果は期待できるが、複雑化してしまうだけでなく、光量の損失は一層大きくなる。
【００１０】
一方、一本の光ファイバを途中で複数に分岐させ同様な効果を実現しようとする提案もなされている（特許文献３）。しかしながら、この場合は、分岐部分での、光の反射ロスが大きく、一様性は確保できても、損失は少なくない。
【００１１】
また、レーザビームの発散角の変化を検出するセンサを設け、該センサの出力に応じてレーザ光源内の光学素子のうち、ビームのコヒーレンスを変化させる素子の位置を調整する機構が提案されている（特許文献４参照）。しかしながら、これは複雑な光学系を必要とするばかりか、参照光を必要とするため、全体の光の損失は非常に大きい。
【００１２】
変形可能な鏡をアクチュエータで変形させることで、照明光の空間分布強度の一様性を改善する方法も提案されている（特許文献５参照）。しかしながら、この装置は巨大であり、非常に高価なだけでなく、微妙で複雑な光軸調整が必要である。
【００１３】
また、光ファイバからの漏れ光を用いて一様な照明をする方法が提案されている（特許文献６参照）。光ファイバからの漏れ光は微量であり、十分明るい照明をするためには、高出力なレ−ザ光が必要である。
【００１４】
プリズムを用いた方法も提案されている（特許文献７参照）。これは、プリズムへの正確な斜め入射が必要であるが、高精度な光軸調整機構が必要なだけでなく、斜め入射による反射損失が大きい。また、プリズム内での光の損失を低減するためには、光ファイバ並みの高純度の材料を用いた大きなプリズムが必要であり、非常に高価である。
【００１５】
一方、光源の干渉パターンを変化させながら、多数枚の画像を一度に、または、時系列的に取り込み、画像処理により、それらを平均化することでノイズによる荒れを低減する方法があるが、画像処理に時間が掛かるという問題があり、実時間観測には不向きである。
【００１６】
その他、レーザ光源からの光を点光源として集光し、それを走査することによって全体を照明する方法がある。これは、集光したレーザビームを正確に走査するための極めて複雑な光学系を使用する必要があるため非常に高価であり、複雑な光学系であるが故、光量の損失も大きい。また、全面走査に時間を要するため、実時間観測は困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平０６−１６７６４０号公報
【特許文献２】特開平１１−１０１９２５号公報
【特許文献３】特開平０５−２１７８５４号公報
【特許文献４】特開平０５−２７５３１７号公報
【特許文献５】特開平０９−００６０１１号公報
【特許文献６】特開２０００−２２１３３２号公報
【特許文献７】特開平０９−１５９９６４号公報
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】H.  J.  Gerritsen,  W.  J.  Hanman  and  E.  G.  Ramberg:  Appl.  Opt.,  Vol.  7,  p.  2301-2311,  1968.
【非特許文献２】G.  B.  Brandt:  Appl.  Opt.,  Vol.  12,  p.  368-371,  1971.
【非特許文献３】S.  Lowenthal  and  D.  Joyeux:  J.  Opt.  Soc.  Am.,  Vol.  61,  p.  847-851,  1971.
【非特許文献４】C.  S.  Ih  and  L.  A.  Baxter:  Appl.  Opt.,  Vol.  17,  p.  1447-1454,  1978.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決することを目的とするものであり、できるだけ単純な光学系で光源からの光量の損失を抑え、明るくかつ空間的に一様にレーザ光を照射する装置を実現することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を提供する：
すなわち、本発明は、レーザ照明装置であって、レーザ光源からのレーザ光路に設置された、光拡散状態を変動可能な一つの光拡散手段と、光拡大抑制手段とを有し、前記光拡大抑制手段は集光レンズまたは集光ミラーを有する集光手段とコリメートレンズとを有し、前記レーザ光路は前記一つの光拡散手段を２回通過し、その際に前記光拡散手段を通過した後、前記集光手段により集光し、さらに前記一つの光拡散手段を通過し、前記光拡散手段と前記光拡大抑制手段が共同して、前記レーザ光源からのレーザ光を、拡散されかつ拡大しない光に変換することで、対象を照明ないしは励起し得る光を生成することを特徴とする装置が提供される。
【００２１】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散手段を変動可能な光拡散板で構成することが好ましい。ここで、変動可能な光拡散板とは、拡散状態を変動することが可能な光拡散板を意味する。例えば、光拡散板を運動可能（回転、振動、ないしはその組合せなど）とすることができる。
【００２２】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板が機械的に変動することが好ましい。
【００２３】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板が機械的に回転することが好ましい。
【００２４】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板が機械的に振動することが好ましい。
【００２５】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板が電磁的手段により機械的に変動することが好ましい。
【００２６】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板が電磁的手段により機械的に回転することが好ましい。
【００２７】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板が電磁的手段により機械的に振動することが好ましい。
【００２８】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板がモータにより回転することが好ましい。
【００２９】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板がモータにより振動することが好ましい。
【００３０】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板がモータにより回転しながら振動することが好ましい。
【００３１】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板の表面ないしは内部において光拡散状態（表面の凹凸や、内部の屈折率分布）が変動することが好ましい。
【００３２】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板の表面ないしは内部において光拡散状態が回転することが好ましい。
【００３３】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板の表面ないしは内部において光拡散状態が振動することが好ましい。
【００３４】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板の表面ないしは内部において光拡散状態が電磁的手段により変動することが好ましい。
【００３５】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板の表面ないしは内部において光拡散状態が電磁的手段により回転することが好ましい。
【００３６】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板の表面ないしは内部において光拡散状態が電磁的手段により振動することが好ましい。
【００３７】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板は、厚み分布を有することが好ましい。
【００３８】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板は、凹凸分布を有することが好ましい。
【００３９】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板は、屈折率分布を有することが好ましい。
【００４０】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板は、ホログラフィック光拡散板（５ミクロン程度の凹凸が非周期的に配置された光拡散板）であることが好ましい。
【００４１】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板は、液晶ないしは磁性体ないしは誘電体などを用い、凹凸分布ないしは厚み分布ないしは屈折率分布を変動させることが好ましい。
【００４２】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡大抑制手段は、少なくとも１枚以上のレンズで構成することが好ましい。
【００４３】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡大抑制手段は、少なくとも１枚以上のミラーで構成することが好ましい。
【００４４】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡大抑制手段は、少なくとも各１枚以上のレンズとミラーで構成することが好ましい。
【００４５】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡大抑制手段は、集光レンズとコリメートレンズで構成することが好ましい。
【００４６】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡大抑制手段は、集光ミラーとコリメートミラーで構成することが好ましい。
【００４７】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡大抑制手段は、集光レンズとコリメートミラーで構成することが好ましい。
【００４８】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡大抑制手段は、集光ミラーとコリメートレンズで構成することが好ましい。
【００４９】
前記レーザ照明装置においては、前記集光レンズは、正の焦点距離を有する単一レンズないしは全体として正の焦点距離を有する構成となるレンズ群で構成されることが好ましい。
【００５０】
前記レーザ照明装置においては、前記コリメートレンズは、正の焦点距離を有する単一レンズないしは全体として正の焦点距離を有する構成となるレンズ群で構成されることが好ましい。
【００５１】
前記レーザ照明装置においては、集光ミラーは、正の焦点距離を有する単一ミラーないしは全体として正の焦点距離を有する構成となるミラー群で構成されることが好ましい。
【００５２】
前記レーザ照明装置においては、コリメートミラーは、正の焦点距離を有する単一ミラーないしは全体として正の焦点距離を有する構成となるミラー群で構成されることが好ましい。
【００５３】
前記レーザ照明装置においては、前記レンズないしは集光レンズないしはコリメートレンズは、正の焦点距離を持つ片面が平面のレンズ（平凸レンズ）ないしは両凸レンズないしはメニスカスレンズ（曲率の違う凸面を有するレンズ）ないしは断面形状が三日月型のレンズ（片面凹、別面凸）ないしはフレネルレンズなどの単一の球面レンズないしは非球面レンズないしは全体として正の焦点距離を有する構成となるアクロマートレンズ、アポクロマートレンズ、ズームレンズ、ビデオレンズ、ビデオズームレンズ、バリフォーカルレンズ等のレンズ群であることが好ましい。
【００５４】
前記レーザ照明装置においては、前記レンズないしは集光レンズないしはコリメートレンズは、正の焦点距離を持つ屈折率分布を有する球面レンズ、非球面レンズ、グラデュームレンズ、グリンレンズ、ロッドレンズ、セルフォック（登録商標）レンズ、グレーディッドインデックスレンズなどの単一レンズないしは全体として正の焦点距離を有する構成となるそれらのレンズ群であることが好ましい。
【００５５】
前記レーザ照明装置においては、前記ミラーないしは集光ミラーないしはコリメートミラーは、球面ミラー（凹面ミラー）ないしは非球面ミラーないしは放物面ミラーなどの単一ミラーないしは全体として正の焦点距離を有する構成となるそれらのミラー群であることが好ましい。なお、単一ミラーは平面ミラーの集合で構成してもよい。
【００５６】
前記レーザ照明装置においては、レーザ光を光拡散板に対して垂直に入射させると好ましいが、斜めに入射させてもよい。
【００５７】
前記レーザ照明装置においては、レーザ光を２枚以上の光拡散板に通過させることも好ましい。
【００５８】
前記レーザ照明装置においては、同じレーザ光を２回、一つの光拡散板に通過させることも好ましい（図３−１、３−２（ａ）、３−２（ｂ）参照）。
【００５９】
前記レーザ照明装置においては、レーザ光を光拡散板に対して斜めに入射させると、同じレーザ光を２回、一つの光拡散板に通過させるのが容易になるので好ましい（図３−１参照）。
【００６０】
前記レーザ照明装置においては、光拡散板を円筒に成型すると、同じレーザ光を２回、一つの光拡散板に通過させるのに好ましい（図３−２（ａ）、３−２（ｂ）参照）。
【００６１】
前記レーザ照明装置においては、同じレーザ光を２回、一つの光拡散板に通過させる際、集光ミラーとコリメートレンズの組合せが好ましい（図３−１、３−３参照）。
【００６２】
前記レーザ照明装置においては、同じレーザ光を２回、一つの光拡散板に通過させる際、集光ミラーとコリメートレンズの間に光拡散板の一部を配置することが好ましい（図３−１、３−３、３−４、３−５参照）。
【００６３】
前記レーザ照明装置においては、同じレーザ光を２回、一つの光拡散板に通過させる際、集光レンズとコリメートレンズの間に光拡散板の一部を配置することが好ましい（図３−２（ａ）、３−２（ｂ）参照）。
【００６４】
前記レーザ照明装置においては、同じレーザ光を２回、一つの光拡散板に通過させる際、光拡散板とミラーを一体化させ、同時に変動させることが好ましい（図３−４、３−５参照）。
【００６５】
前記レーザ照明装置においては、同じレーザ光を２回、一つの光拡散板に通過させる際、ひとつの集光ミラー内で同じレーザ光を２度反射させて用いることが好ましい。（図３−５参照）。
【００６６】
（集光レンズと光拡散板との位置関係）
図２−２に示したように、前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板と前記集光レンズの光拡散板側の外周端との距離が、ｒ・ｃoｔ（θ）以内である（ここで、θは光拡散板の光拡散角を表わし、ｒは集光レンズの半径を表わす。）ことが好ましい。
【００６７】
（光拡散手段の光拡散角θについて）
前記レーザ照明装置においては、実用的な集光レンズの開口数を鑑みた場合、光拡散板の光拡散角θは、３０度以内であることが好ましく、１５度以内であることがより好ましく、７．５度以内であることが特に好ましい。
【００６８】
（集光レンズの半径について）
前記レーザ照明装置においては、全体を手のひらサイズ以内に作製する場合、前記集光レンズの半径ｒは、２０ｍｍ以内であることが好ましく、１５ｍｍ以内であることがより好ましく、１０ｍｍ以内であることがさらに好ましく、５ｍｍ以内であることが特に好ましい。
【００６９】
（距離について）
前記レーザ照明装置においては、全体を手のひらサイズ以内に作製する場合、前記光拡散角θを鑑みて、前記光拡散板と前記集光レンズとの距離が少なくとも１５２ｍｍ以内であることが好ましく、５６ｍｍ以内であることがさらに好ましく、１９ｍｍ以内であることが特に好ましい。なお、前記光拡散板と前記集光レンズとの距離が無限近であってもよく、すなわち、前記光拡散板と前記集光レンズとが接していてもよいし、あるいは一体化していても良い。
【００７０】
なお、前記レーザ照明装置においては、照射面積を特に大きくしたい場合、装置全体は大きくなってしまうが、前記集光レンズと光拡散板との好ましい位置関係（［００６４］）を満たせば、上記の集光レンズの好ましい半径や距離（［００６６］、［００６７］）の値を必ずしも満たさなくてもよい。なお、ステッパーでは、照射面積は小さいが、装置全体は大きくしてよい。
【００７１】
前記コリメートレンズの直径は、前記集光レンズの直径以上であることが好ましく、前記集光レンズの直径の１．５倍〜２０倍であることがさらに好ましく、前記集光レンズの直径の２倍〜１０倍であることがより好ましく、２倍〜５倍であることが特に好ましい。
【００７２】
前記レーザ照明装置においては、前記コリメートレンズが、前記集光レンズと同じ焦点距離又は該集光レンズより長い焦点距離を有することが好ましい。
レーザ光の光束径を小さくしないようにする場合、通常レーザビーム径は１〜２ｍｍなので、このように光束径を広げることで使い易くする。
【００７３】
前記レーザ照明装置においては、前記光拡散板と前記集光ミラーとの最短距離が、２ｒ・ｓｉｎ（Φ−θ）・ｃoｓ（θ）／ｓｉｎ（２θ）以内である（ここで、θは光拡散板の光拡散角を表し、ｒは集光ミラーの半径を表し、Φはレーザ光に対するミラーの傾き角を表す。）ことが好ましい（図２−３参照）。
【００７４】
前記レーザ照明装置においては、レーザ光に対するミラーの傾き角Φが、４５度にすると、光の光路が９０度曲がるので、設計が容易になるので好ましいが、浅い角度でも深い角度でも良い（図１−２（ａ）、１−２（ｂ）参照）。
【００７５】
前記レーザ照明装置は、前記レーザ光路方向に対して上、下、左、右及び平行の方向の少なくともいずれか一つの方向に前記集光レンズ及びコリメートレンズを移動する機構を有することが好ましい。これにより、前記手段の位置を微調整することができる。
【００７６】
前記レーザ照明装置は、前記光拡散板、前記集光レンズ及びコリメートレンズの少なくともいずれか一つを移動させる機構を有することが好ましい。これにより、装置全体の位置を適宜移動させることができる。
【００７７】
前記レーザ照明装置は、遮光板又は遮光ボックスでカバーされていることが好ましい。これにより、装置に対して、迷光、遮光対策をより有効に施すことができる。
【００７８】
前記レーザ照明装置は、顕微鏡装置又は顕微分光装置のレーザ照明装置として利用されることが好ましい。
【００７９】
前記レーザ照明装置においては、前記コリメートレンズは、顕微鏡装置又は顕微分光装置の対物レンズの入射口アイリスの大きさにほぼ合わせた大きさの平行光を生じさせるものであることが好ましい。
【００８０】
前記レーザ照明装置は、露光装置の光源として利用されることが好ましい。
【００８１】
さらに、本発明によれば、レーザ照明装置として前記いずれかのレーザ照明装置を用いてなることを特徴とする顕微鏡装置が提供される。
【００８２】
前記顕微鏡装置においては、前記コリメートレンズが、顕微鏡装置の対物レンズの入射口アイリスの大きさにほぼ合わせた大きさの平行光を生じさせるものであることが好ましい。
【００８３】
前記顕微鏡装置においては、対物レンズにより、顕微鏡の視野程度の大きさに集光して照射されることが好ましい。
【００８４】
さらに、本発明によれば、レーザ照明装置として前記いずれかのレーザ照明装置を用いてなることを特徴とする顕微分光装置が提供される。
【００８５】
前記顕微分光装置においては、前記コリメートレンズが、顕微分光装置の対物レンズの入射口アイリスの大きさにほぼ合わせた大きさの平行光を生じさせるものであることが好ましい。
【００８６】
さらに、本発明によれば、光源として前記いずれかのレーザ照明装置を用いてなることを特徴とする露光装置が提供される。
【００８７】
本発明において、光拡散手段とは、光をランダムに拡散ないしは散乱する手段をいう。この光拡散手段によってレーザ光が拡散された場合には、位相が乱され、全体の直進性が失われる。光拡散手段としては、光拡散板（図２の光拡散板３−１など）などが挙げられる。
ここで、光拡散又は散乱角とは、０度＜θ＜９０度の範囲内である。本発明においては、光拡散又は散乱角（θ）として１５度程度以下（広がり（２θ）では３０度以下）が好ましい。なお、この角度を大きくして出来るだけ散乱させることが好ましいが、レンズの集光限界以上には設定できない。
また、本発明において、光拡大抑制手段とは、拡散された光（拡散されたことによりその光束径が拡大し位相がずれた光）が過度に拡大しないようにする手段をいう。位相が乱され、全体の直進性が失われたレーザ光を、位相は乱れたままで直進性のみを回復させる手段である。光拡大抑制手段としては、例えば、図２のレンズ１，２の組合せや、図１−１の１−５などのレンズやミラーが挙げられる。
本発明において、拡散されかつ拡大しない光とは、位相は乱れているが全体の直進性を持っている光をいう。
【発明の効果】
【００８８】
このように、本発明では、光量の損失がほとんど無いため、レーザ光源のパワーが比較的小さくても、対象面を一様にかつ十分明るく照明することができる。
【００８９】
したがって、装置の小型化やコスト削減につながるだけでなく、省エネ効果、ひいては、二酸化炭素の排出削減をもたらす。ハンディーな測定装置に組み込むことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】レーザ照明装置の構成の概要を示す図である。
【図１−１】レーザ照明装置の一例の構成の概要を示す図である。
【図１−２（ａ）】レーザ照明装置の別の例の構成の概要を示す図である。
【図１−２（ｂ）】図１−２（ａ）の例において集光ミラーの設置角度を変更した状態を示す図である。
【図２】レーザ照明装置のさらに別の例の構成の概要を示す図である。
【図２−１】レーザ照明装置のさらに別の例の構成の概要を示す図である。
【図２−２】光拡散板と集光レンズとの設置間隔を説明する図である。
【図２−３】光拡散板と集光ミラーとの設置間隔を説明する図である。
【図３】参考例としての２枚の光拡散板を用いた場合のレーザ照明装置の構成の概要を示す図である。
【図３−１】本発明に係るレーザ照明装置のさらに別の例の構成の概要を示す図である。
【図３−２（ａ）】本発明に係るレーザ照明装置のさらに別の例の構成の概要を示す正面図である。
【図３−２（ｂ）】図３−２（ａ）に示した装置の平面図である。
【図３−３】本発明に係るレーザ照明装置のさらに別の例の構成の概要を示す図である。
【図３−４】本発明に係るレーザ照明装置のさらに別の例の構成の概要を示す図である。
【図３−５】本発明に係るレーザ照明装置のさらに別の例の構成の概要を示す図である。
【図４】レーザ照明装置の実施例１を示す図である。
【図５】レーザ照明装置の実施例２を示す図である。
【図６】レーザ照明装置の実施例３を示す図である。
【図７】レーザ照明装置の実施例４を示す図である。
【図８】本発明のレーザ照明装置の利用例である顕微鏡装置の全体構成を示す図である。
【図９】本発明のレーザ照明装置の利用例である顕微分光装置の全体構成を示す図である。
【図１０】従来の構成の顕微鏡装置により撮像した画像を示す写真である。
【図１１】図１０の点線に沿って測定した位置に対する相対反射光強度の測定結果を示すグラフである。
【図１２】本発明のレーザ照明装置を設けた顕微鏡装置により撮像した画像を示す写真である。
【図１３】図１２の点線に沿って測定した位置に対する相対反射光強度の測定結果を示すグラフである。
【図１４】図１２に示した本発明のレーザ照明装置を設けた顕微鏡装置により、但し、光拡散板を回転させないで撮影した画像を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００９１】
本発明に係るレーザ照明装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。ここで、各図において同一の部材や手段などについては同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００９２】
図１は、レーザ照明装置の構成の概要を示す図である。このレーザ照明装置においては、光拡散状態が変動する光拡散手段３を、レーザ光６の光路に設け、レーザ光源からの該レーザ光６を拡散させる。
【００９３】
光拡散手段３は、光拡散状態を変動させることができるため、拡散されたレーザ光６−４の拡散状態が時間的に変動する。
【００９４】
光拡大抑制手段１００は、拡散されたレーザ光６−４を拡散されかつ拡大しない光６−２に好ましくは洩れなく変換する。
【００９５】
拡散されかつ拡大しない光６−２は、その光路は変化しないが、拡散状態は時間的に変動する。
【００９６】
したがって、拡散されかつ拡大しない光６−２を、対象を照明する光として用いれば、レーザ光のパワーが比較的小さくても対象を明るくしかも一様に照明ないしは励起することができる。
【００９７】
なお、拡散されかつ拡大しない光６−２を平行光とすれば、設計が容易になる。
【００９８】
図１−１にレーザ照明装置の一例を示す。このレーザ照明装置においては、光拡散状態が変動する光拡散手段３を、レーザ光の光路に設け、レーザ光源からの該レーザ光６を拡散させる。また、該レーザ照明装置においては、該光拡散手段３の背面側のレーザ光路にレンズ１−５を設け、該レンズ１−５により、該光拡散手段３で拡散されたレーザ光６−４を拡散されかつ拡大しない光６−２に変換する。該レンズ１−５の焦点距離や該光拡散手段３と該レンズ１−５との距離を変化させることにより、拡散されかつ拡大しない光６−２の平行度を調整することができる。
【００９９】
なお、前記レーザ照明装置においては、前記レンズ１−５は、正の焦点距離の単一レンズないしはレンズ群を用いることができる。また、レンズ１−５の代わりに、符号１−２として図中の枠内に示したような、正の焦点距離を持つ片面が平面のレンズ（平凸レンズ）（ａ）ないしは両凸レンズ（メニスカスレンズ）（ｂ）ないしは断面形状が三日月型のレンズ（片面凹、別面凸）（ｃ）の単一の球面レンズないしは非球面レンズないしはアクロマートレンズ（ｄ）のような組合せのレンズ群を用いることができる。また、用途や目的によっては、前記（ａ）〜（ｄ）のレンズを図示したものとは左右逆向きで用いてもよい。
【０１００】
また、前記レンズ１−５は、正の焦点距離を持つ屈折率分布型の単一レンズないしはレンズ群でも良い。なお、屈折率分布を持ったレンズには、球面レンズ、非球面レンズ、グラデュームレンズ、グリンレンズ、ロッドレンズ、セルフォック（登録商標）レンズ、グレーディッドインデックスレンズなどの単一レンズないしは全体として正の焦点距離を有する構成となるそれらのレンズ群などがある。
【０１０１】
なお、前記レンズの外周形状は必ずしも円である必要はない。
【０１０２】
図２は、レーザ照明装置の構成の一例について、その概要を示す図である。この図２に示したレーザ照明装置においては、モータ４を用いてそれ自体が回転ないしは振動する光拡散板３−１をレーザ光路に設け、この光拡散板３−１により、レーザ光源から入射したレーザ光６を拡散する。この光拡散板３−１による拡散後、そのレーザ光路に設置した集光レンズ１により、拡散光がほとんど散逸しないように、直ちに集光する。さらに、集光された光はその後広がるが、レーザ光路上に設けたコリメートレンズ２により拡散されかつ拡大しない光６−２に変換する構成としたものである。拡散されかつ拡大しない光６−２を平行光（平行に近い光束も含む）としてもよい。
【０１０３】
このような図２に示した構成のレーザ照明装置とすることにより、集光レンズにより、光拡散板による散乱光をほとんど洩らさずに集光することができて、集光時の光の損失を防ぐことができる。また、集光レンズ１を出て集光された光は、その後広がるが、一旦集光させているため、容易に、コリメートレンズ２により、ほとんど損失無く、拡散されかつ拡大しない光６−２に変換することができる。図１−１に示したレーザ照明装置と比較して、図２に示した構成においては、光拡散板３−１と集光レンズ１とコリメートレンズ２の相対位置を変化させることにより、該拡散されかつ拡大しない光６−２の平行さの程度と光束径とを、より容易に調整することができる。さらに、少ない部品点数で、小型の装置によって、一様で明るい照明を行うことが可能となる。
【０１０４】
また、前記レーザ照明装置においては、前記レーザ光源からのレーザ光６を受ける光拡散板３−１は、モータ４で回転ないしは振動させることができるが、電磁的動力源ないしは圧空ないしは風力ないしはガス圧ないしは水流ないしは音波ないしは超音波ないしは燃料を動力源とするモータで回転ないしは振動させることができる。また、前記レーザ光源からのレーザ光を受ける光拡散板は、回転ないしは振動ないしは回転と振動の組合せでレーザ光に対して相対的に変動ないしは運動していればよい。ピエゾモータなどのピエゾ素子（圧電素子）を用いた構成により、回転ないしは振動ないしは回転と振動の組合せなどの変動ないしは運動をさせても良い。
【０１０５】
前記レーザ照明装置においては、光拡散板として、表面ないしは内部のパターンが可変な液晶、磁性体、誘電体などの部材や可撓性部材を用い、該パターンを電磁的に変動ないしは変形ないしは運動させて用いてもよい。ピエゾ素子ないしはピエゾ素子などを用いて発生させた音波ないしは超音波などにより、該部材や可撓性部材の表面ないしは内部のパターンを変動ないしは変形ないしは運動させて用いてもよい。
【０１０６】
前記レーザ照明装置においては、レーザ光を２枚以上の光拡散板を通過させてもよいし、同一の光拡散板を２回以上通過させてもよい（図３、３−１〜３−５参照）。
【０１０７】
本発明において、拡散されかつ拡大しない光とは、本発明のレーザ照明装置から得られる照明光の拡大の度合いが小さいことを言い、拡散されかつ拡大しない光とは、実質的には、平行光の一種とみなしても良いが、実質的に意味のある距離（実質的な装置サイズから鑑みると、数センチから数メートル程度）以内において、発散し外部に散逸しない光、ないしは、集光しない光、と言うこともできる。本発明において、得られる拡散されかつ拡大しない光とは、照射対象ないしは照射対象までの次段の光学素子までの間で散逸しない光とみなしてもよい。なお、照射対象ないしは照射対象までの次段の光学素子までの間で、一旦集光しても用いることも実質的には可能である。本発明において、手のひらサイズの装置を作製する場合、実質的には、数センチ程度の間に光束の断面積が５０％程度以内の変動に収まると言うこともできる。
【０１０８】
本発明において、集光レンズとは、光を集光する目的に使うレンズのことを言い、正の焦点距離の単レンズないしはレンズ群で構成される。
本発明において、コリメートレンズとは、拡散された光を拡大しない光に変換するレンズのことを言い、実質的には、平行光あるいは平行に近い光束を生成する目的に使うレンズのことを言い、正の焦点距離の単レンズないしはレンズ群で構成される。
【０１０９】
本発明のレーザ照明装置において、光拡散手段（光拡散板）の回転速度は、用いられる装置の観測時間との関係で適宜定められる。例えば、写真フィルムやＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラなどを用いて画像を撮影する場合は、原理的に、露光時間内に拡散板が１回転以上すれば、均一（その装置で最大限の引き出せる均一化の程度まで）になるので、それ以上の回転はなくてもよい。また、動画撮影などの実時間観測、あるいは目視で均一性が認められる程度が必要な場合は、最低限、人間の目の応答速度２０Ｈｚ程度に対応する２０回転／秒程度以上が好ましいが、ちらつきを減少させるためには、３０回転／秒以上がさらに好ましく、６０回転／秒以上が特に好ましい。さらに、動画のフレーム速度を速くしたい場合は、そのフレーム周波数以上の回転速度とすることが好ましい。
【０１１０】
上記と同程度の頻度で、光拡散板を振動させたり、光拡散板の表面ないしは内部のパターンを変化させても良い。
【０１１１】
本発明においては、集光レンズで拡散後に、一旦、光束径を絞る（集光する）ことが好ましい。その理由としては、以下の事項が挙げられる。
（１）集光することにより、後段の光学調整が容易になる。特に、平行度やビーム径の調整が容易になる。（逆に集光しないと、これらの調整範囲が極端に狭くなる場合がある。）
（２）集光することにより、後段に大きなコリメートレンズや光学素子を設けなくてもよくすることができる。光学素子が小さくても光を全て取り込むことができる。これにより、光を適宜集光し、ある範囲以上に拡がらないようにそのパワーをリレーして行くのでロスが少ない。但し、リレー回数が多くなるとレンズ表面の反射ロスが加算されるので、集光は１回に留め、直ちに平行光ないしは平行に近い光にするのがより好ましい。
（３）一旦集光すると、点光源として扱えるので設計が容易になる。レーザ光は、拡散により、全体の位相や直進性（コヒーレンス）は乱されるが、拡散後も各方向の成分の直進性はある程度残るので、小さく集光できる。特にホログラフィック拡散板を用いると、適度に位相情報や直進性が残り、集光し易くなる。
【０１１２】
また、本発明においては、集光レンズないしは集光ミラーと組合せて、コリメートレンズを用いることにより、本発明の装置が生成する拡散されかつ拡大しない光を平行光あるいは平行に近い光にすることが好ましい。その理由としては以下の事項が挙げられる。
（１）平行光あるいは平行に近い光なので、空間を散乱することなく伝搬させることができる。
（２）したがって、散乱によるパワーの散逸がほとんどなく、散乱した光による迷光対策も容易になる。（遮光板が少なくて済む。）
（３）それにより、顕微鏡や、分光顕微鏡に用いるなど、後の扱いが容易になる。（遠方への照射、リレーレンズが不要、設計の自由度が増す。）
【０１１３】
以下、本発明のレーザ照明装置の特徴をまとめると以下の事項が挙げられる。
（１）レーザ光はパワーがあるので、明るい照明に適用したいが、空間分布がある。
（２）電灯などと違いレーザ光はコヒーレンスという特有の性質を有しているので、そのまま用いると、干渉縞が生じる。
（３）一方、空間分布を一様にするため、レーザ光を拡散したいが、拡散すると、スペックルノイズが発生してしまう。
（４）スペックルノイズを減少させるため、光拡散板を変動し平均化させる。
（５）一方、拡散した光を散逸しないように即座に集光レンズで集光する。（なお、この段階で平行光にする場合には、平行度や光束径の調整が独立にはできないか、または、レンズの焦点距離で決まるある値に固定されてしまうが、用途や目的によっては、集光せず、直ちに平行光としてもよい。）
（６）集光後、そのままでは再び発散するので、好ましくは、この段階で平行光に変換する。レンズが増えることで、調整が容易になる。（相対位置を調整すれば平行度や光束径の調整が独立にできる。）
（７）集光すると、点光源として扱えるので、設計も容易になる。
（８）顕微鏡の倍率を上げると、一般に照明不足となり見づらくなるが、本発明のレーザ照明装置を用いると、レーザ光が低パワーでも高倍率で明るい対象物が観測できる。
（９）従来から共焦点レーザ顕微鏡というものがあるが、これは、レーザ光を対象面上に集光させ、さらにスキャンさせるため、ハイパワーのレーザ光が必要であり、価格も非常に高価なものである。これに対して、本発明によれば、小型で安価な装置により、また低パワーのレーザ装置を用いても、明るくかつ極めて一様な照明が可能となる。
【０１１４】
本発明のレーザ照明装置において使用することができるレーザ光には特に制限はなく、レーザ照明装置の用途に応じて任意のレーザ光を適宜選択して用いることができる。例えば、レーザ光としては、波長６３０ｎｍ程度、光束径１〜２ｍｍ程度、強度１〜３ｍＷ程度のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ光、波長５３２ｎｍ、光束径１〜２ｍｍ程度、強度１〜３ｍＷ程度の半導体レーザ光励起ＹＶＯ４固体レーザ光の第２高調波を用いたレーザ光、波長４００ｎｍ程度、光束径１〜２ｍｍ程度、強度１〜３ｍＷ程度のＧａＮ／ＩｎＧａＮ系半導体レーザ光など、パワーの比較的小さなレーザ光を用いることができる。なお、パワーの強い半導体レーザ光やアルゴンレーザ光やエキシマレーザ光などのガスレーザ光、ガラスレーザ光などの固体レーザ光あるいはその高調波を用いてもよい。また、用いることのできるレーザ光は、連続発振レーザ光でもよいが、パルス発振レーザ光でも光拡散板の回転あるいは振動周期より十分速い繰返し速度があれば使用できる。光束径は大きくても良いし、円形でなくても良い。
本発明のレーザ照明装置を用いれば、レーザポインター程度のパワーがあれば、十分、顕微鏡の照明に用いることができる。
【０１１５】
光拡散板は、微細な凹凸の形成された透明または半透明の板、或いはホログラフィック光拡散板等が利用される。この光拡散板表面の微細な凹凸は、電磁的手段によって変化させてもよい。この光拡散板は、レーザ光路上に１枚設けた構成でもよいし、光路上に所定の間隔をおいて２枚以上設けた構成としてもよい。また、光拡散板は、その厚みは均等であってもよいし、適宜、厚み分布（不均一な厚み）を有するものであってもよい。
【０１１６】
図２−１は、光拡散板（３−２）が、厚みが徐々に変化する構成とした光拡散板とした一例を示す。光拡散板の厚みが異なる部分があると、光拡散板の運動（例えば回転）により、レーザ照射位置での光拡散板の厚みが変化し、それにより拡散後のレーザ光の位相の乱れが時間的に変化し、スペックルノイズをさらに減少できる利点がある。
【０１１７】
なお、光拡散板に厚み分布または厚みの変化を有するものとしては、厚みが一定でなければ良いので、様々な態様がある。また、外見上厚み分布が見えなくても、ミクロに見て厚み分布があれば、厳密には厚み分布を有する構成である。
【０１１８】
図２−２は、光拡散手段と集光レンズとの設置間隔を説明する図である。集光レンズ１は、光拡散手段３にできるだけ接近して設置されることが好ましい。具体的には、図２−２に示すように、次式（１）で与えられる距離Ｌ（ｒ，θ）より離して光拡散手段と集光レンズを設置すると光量の損失が発生するため、Ｌ（ｒ，θ）で表わされる値よりも小さい距離を離してこれらが設置することが好ましい。
Ｌ（ｒ，θ）  ＝  ｒ・ｃoｔ（θ）          式（１）
ここで、θは、光拡散手段３の拡散角を表わし、ｒは、集光レンズ１の半径を表わす。
図中では、光拡散手段３と集光レンズ１との設置間隔がＬ（ｒ，θ）以内である状態を示している。
【０１１９】
より詳細には、光拡散手段３と集光レンズ１との設置間隔は、Ｌ（ｒ，θ）を超えると光拡散手段３によって生じる散乱光の集光レンズ１の端からの洩れが生じるから、光拡散手段３と集光レンズ１との設置間隔をＬ（ｒ，θ）より小さくするのが好ましい。集光レンズ１の入射面における斜め反射、特に、集光レンズ１の端に近い領域における斜め反射による光量の損失を抑えるため、さらに近づけて設置することが好ましい。凹面状の入射面を有するレンズを集光レンズとして用いることにより、斜め反射による光量の損失を防ぐこともできる。
【０１２０】
レーザ照明装置の実用的な最小サイズを鑑みると、半径５ｍｍの集光レンズおよび光散乱角１５度の拡散手段を用いて、これらを１８．７ｍｍ以下の間隔で設けることにより、光拡散手段と集光レンズとの設置間隔をＬ（ｒ，θ）以内にすることができる。さらに、集光レンズの設置位置を拡散手段から５ｍｍ以内とすることにより、斜め反射による光量の損失を約１０％程度減らすことができる。また、集光レンズを、該集光レンズからの拡散された光を拡大しない光（平行光）に変換する半径２０ｍｍ以内のコリメートレンズと組み合わせて用いることにより、レーザ照明装置、特に、顕微鏡装置又は顕微分光装置における装置全体のサイズを手の平サイズ程度に小型化することに有効である。
なお、半径１５ｍｍの集光レンズおよび散乱角１５度の拡散手段を用いると、集光レンズの設置位置を光拡散板から５６ｍｍ以内とすることにより、光拡散手段と集光レンズとの設置間隔をＬ（ｒ，θ）以内にすることができる。
半径２０ｍｍの集光レンズおよび散乱角７．５度の拡散手段を用いる場合は、集光レンズの設置位置を光拡散板から１５２ｍｍ以内とすることにより、光拡散手段と集光レンズとの設置間隔をＬ（ｒ，θ）以内にすることができる。
【０１２１】
レーザ照明装置の寸法をこのような数値とすれば、光量の損失を最小限に押さえかつ照明の一様性を保つことができる。ここで、拡散手段としてホログラフィック光拡散板を用いた場合、ホログラフィック光拡散板と２つのレンズを透過するレーザ光の光透過率は８０％程度であり、一様性は、５％程度以内である。ここでの一様性は、光の空間的な強度分布（パワー分布）における一様性である。実際には、一様性は、平坦な照射対象物からの反射光の空間分布におけるＲＭＳ(root  mean  square)ノイズとして観測でき、図１３の位置０〜１００μｍまでの範囲に対応する。
【０１２２】
図２−３は、光拡散手段と集光ミラーとの設置間隔を説明する図である。集光ミラー１−３は、光拡散手段３にできるだけ接近して設置されることが好ましい。具体的には、図２−３に示すように、次式（２）で与えられる距離Ｍ（ｒ，θ，Φ）より離して光拡散手段と集光ミラーを設置すると光量の損失が発生するため、Ｍ（ｒ，θ，Φ）で表わされる値よりも小さい距離を離してこれらを設置することが好ましい。
Ｍ（ｒ，θ，Φ）  ＝  ２ｒ・ｓｉｎ（Φ−θ）・ｃｏｓ（θ）／ｓｉｎ（２θ）          式（２）
ここで、θは、光拡散手段３の拡散角を表し、ｒは、集光ミラー１−３の半径を表し、Φはレーザ光に対するミラーの傾き角を表す。
図２−３では、集光ミラー１−３を光拡散手段３からちょうどＭ（ｒ，θ，Φ）離した位置に配置した状態を示した。
【０１２３】
なお、レーザ光に対する集光ミラー１−３の傾き角Φを４５度にすると、光の光路が９０度曲がるので、設計が容易になる（図１−２（ａ））が、Φはこれより大きくても小さくてもよい（図１−２（ｂ）は、Φが４５度より大きい場合を示す。）。
【０１２４】
図３は、参考例として、２枚の光拡散板を用いた場合のレーザ照明装置の構成の概要を示す図である。この図３に示すように、レーザ照明装置は、モータ４を２個用いてそれ自体が回転ないしは振動する２枚の光拡散板３−１をレーザ光路に重ねて設け、この２枚の光拡散板３−１により、レーザ光源から入射したレーザ光６を連続して拡散する。この２枚目（図で右側）の光拡散板３−１による拡散後、そのレーザ光路に設置したコリメートレンズ２（この図では正の焦点距離をもつ三日月型レンズを用いた場合を例として示す）により、拡散光がほとんど散逸しないように、直ちに拡散されかつ拡大しない光６−２変換している。なお、拡散されかつ拡大しない光６−２を平行光（平行に近い光束も含む）としてもよい。また、光拡散板３−１とコリメートレンズ２の間に集光レンズ（図示せず）を配置すると、平行度や光束径の調整がより容易になる。小型のレーザ装置６−３をモータ４の近傍に配置すると、レーザ装置を含めてレーザ照明装置を小型化することができる。
【０１２５】
図３−１は、１枚の光拡散板に２回レーザ光を透過させた場合の本発明に係るレーザ照明装置の構成の概要を示す図である。この図３−１に示すように、本発明に係るレーザ照明装置は、モータ４を用いてそれ自体が回転ないしは振動する光拡散板３−１をレーザ光路に斜めに設け、この光拡散板３−１により、レーザ光源から入射したレーザ光６を拡散する。この光拡散板３−１による拡散後、そのレーザ光路に設置した集光ミラー１−３により、拡散光がほとんど散逸しないように、直ちに集光する。さらに、集光された光はその後広がるが、コリメートレンズ２により拡散されかつ拡大しない光６−２に変換する。この際、集光ミラー１−３とコリメートレンズ２の間に光拡散板３−１を配置するような構成にすると、１枚の光拡散板３−１に２回レーザ光６を透過させることになり、拡散効果をより高めることができる。拡散されかつ拡大しない光６−２を平行光（平行に近い光束も含む）としてもよい。レーザ装置を含めて本発明に係るレーザ照明装置を小型化することができる。
【０１２６】
図３−２（ａ）、３−２（ｂ）は、光拡散板を筒状に形成し、２回レーザ光を透過させた場合の本発明に係るレーザ照明装置の構成の概要を示す図であり、図３−２（ａ）は装置の正面図であり、図３−２（ｂ）は装置の平面図である。この図３−２（ａ）、３−２（ｂ）に示すように、本発明に係るレーザ照明装置は、モータ４を用いてそれ自体が回転ないしは振動する筒状の光拡散板３−３をレーザ光路に設け、この光拡散板３−３により、レーザ光源から入射したレーザ光６を拡散する。この光拡散板３−３による拡散後、そのレーザ光路に設置した集光レンズ１により、拡散光がほとんど散逸しないように、直ちに集光する。さらに、集光された光はその後広がるが、コリメートレンズ２により拡散されかつ拡大しない光６−２に変換する。この際、集光レンズ１を筒状の光拡散板３−３の内部に配置し、コリメートレンズ２を筒状の光拡散板３−３の外側であって集光レンズ１に対して光路後方に配置することにより、光拡散板３−３が集光レンズ１の前方と、集光レンズ１とコリメートレンズ２の間にも存在する構成にする。この構成により、１つの筒状の光拡散板に２回レーザ光を透過させることになり、拡散効果をより高めることができる。拡散されかつ拡大しない光６−２を平行光（平行に近い光束も含む）としてもよい。レーザ装置を含めて本発明に係るレーザ照明装置を小型化することができる。
【０１２７】
図３−３は、光拡散板を筒状に形成し、２回レーザ光を透過させた場合の本発明に係るレーザ照明装置の構成の概要を示す別の例である。この図３−３は、図３−２（ａ）、３−２（ｂ）との場合と類似しているが、本発明に係るレーザ照明装置は、集光ミラー１−３を筒状の光拡散板３−３の内部に配置した例である。レーザ装置を含めて本発明に係るレーザ照明装置を小型化することができる。
【０１２８】
図３−４は、２回以上レーザ光を光拡散板に通過させる際、光拡散板とミラーを一体化させ、同時に変動させる場合の本発明に係るレーザ照明装置の構成の概要を示す図である。この図３−４に示すように、本発明に係るレーザ照明装置は、傘（コーン）状に形成した光拡散板３−４と集光ミラー１−３とを一体化させている。まず、モータ４を用いて、一体化させた傘状に形成した光拡散板３−４と集光ミラー１−３とを回転ないしは振動させる。レーザ光６は、傘状に形成した光拡散板３−４を透過後、光拡散板３−４と集光ミラー１−３の内側に進行し、集光ミラー１−３で集光され、傘状に形成した光拡散板３−４の頂点をまたいだ反対側から出射する。さらに、コリメートレンズ２により拡散されかつ拡大しない光６−２に変換する構成している。拡散されかつ拡大しない光６−２を平行光（平行に近い光束も含む）としてもよい。集光ミラー１−３による集光位置が傘状に形成した光拡散板３−４の位置と一致しても良い。レーザ装置を含めて本発明に係るレーザ照明装置を小型化することができる。
【０１２９】
図３−５は、２回以上レーザ光を光拡散板に通過させる際、光拡散板とミラーを一体化させ、同時に変動させる場合の本発明に係るレーザ照明装置の構成の概要を示す別の例の図である。この図３−５に示すように、本発明に係るレーザ照明装置は、光拡散板３−１と集光ミラー１−４とを一体化させている。まず、モータ４を用いて、一体化させた光拡散板３−１と集光ミラー１−４とを回転ないしは振動させる。レーザ光６は、光拡散板３−１を透過後、光拡散板３−１と集光ミラー１−４の内側に進行し、集光ミラー１−４で集光され、光拡散板３−１から出射する。さらに、コリメートレンズ２により拡散されかつ拡大しない光６−２に変換する構成としている。拡散されかつ拡大しない光６−２を平行光（平行に近い光束も含む）としてもよい。集光ミラー１−４による集光位置が光拡散板３−１の位置と一致しなくても良い。レーザ装置６−３を含めて本発明に係るレーザ照明装置を小型化することができる。
【０１３０】
本発明は、以下の発明概念を基本としてなされたものである。
レーザ光源からのレーザ光路に設置された光拡散手段と、レーザ光源からのレーザ光の光路に設置した集光レンズと、該集光レンズと同じ焦点距離又は該集光レンズより長い焦点距離を有し、集光レンズからの出射光を平行光に変換するコリメートレンズとを備え、前記レーザ光源からのレーザ光を、同一の該光拡散手段を２回通過し、対象物又は対象面上に照射することを特徴とするレーザ照明装置。
【実施例１】
【０１３１】
レーザ照明装置の実施例１を、図４に示す。この実施例１のレーザ照明装置は、光拡散手段として光拡散板３−１を、光拡大抑制手段としては集光レンズ１とコリメートレンズ２との組み合わせを、それぞれ図２、図２−１、および図２−２において説明したように、レーザ光６の光路上に配置して成るものである。
【０１３２】
レーザ光６としては、波長５３２ｎｍ、光束直径１ｍｍ程度、強度３ｍＷ程度の半導体励起ＹＶＯ４レーザ光の第２高調波を用いた連続発振のグリーンレーザ光を用いた。
【０１３３】
光拡散板３−１（ホログラフィック光拡散板、エドモンド社製、商品名ホログラフィックディフューザー）は、基準面１０上に設置された台７で支持されたモータ４のモータ軸５により、レーザ光６に対して垂直面内で回転又は振動可能に設けられている。
【０１３４】
集光レンズ１（半径５ｍｍ、レンズ厚２．５ｍｍ、焦点距離１８ｍｍの屈折率分布型単レンズ、ニューポート社製、商品名グラデューム単レンズ）は、基準面１０に設置された微動台８に取り付けられた支持枠３０に設けられ、微動台８によって、上下方向及び左右水平方向に移動可能な構成として、レーザ光６の光路に対してその位置を調整できるようにする。実際、このような調整によれば、光拡散板３−１により拡散されたレーザ光６の光路と、さらには、コリメータレンズ２から照射される平行光（拡大しない光）の光路とを変化させることもできる。微動台８は、垂直調整機構１２及び左右水平調整機構１３を有する。
【０１３５】
垂直調整機構１２は、筒台３１に螺着されたネジ具３２を操作することで、筒台３１に枢着された梃子３３を回動することによって、取付板３４の位置を調整する。このようにして、取付板３４に装着された支持枠３０の位置を上下調整可能な構成としている。
【０１３６】
左右水平調整機構１３は、上台３５に螺着されたネジ具３６を操作することで、基準面１０に設置された下台３７に対し、上台３５を移動させる。このようにして、筒台３１を支持する上台３５を、基準面１０に対して左右方向に、レーザ光６の光路に対して垂直方向に、可動とする構成としている。
【０１３７】
コリメートレンズ２（半径１２．５ｍｍ、レンズ厚６ｍｍ、焦点距離６０ｍｍの屈折率分布型単レンズ、ニューポート社製、商品名グラディウム単レンズ）は、基準面１０上に設置された垂直移動可能な微動台９により、集光レンズ１と同様に、左右水平調整機構４５により、レーザ光６の光路に対して、左右上下方向に移動して調整可能である。さらに、コリメートレンズ２は、前後調整機構１１により、レーザ光６の光路方向に移動して調整可能である。
【０１３８】
ここで、集光レンズ１と光拡散板３−１との設置間隔は３ｍｍ、集光レンズ１とコリメートレンズ２との設置間隔は７０ｍｍとした。
【０１３９】
実施例１のレーザ照明装置では、レーザ光６は、光拡散板３−１に図４の左側から入射され、図２ないし図２−２で説明したように、光拡散板３−１、３−２、３で拡散され、集光レンズ１で集光し、さらに、コリメートレンズ２で平行光となる。そして、微動台８、９によって、集光レンズ１及びコリメートレンズ２の位置調整と平行光の平行具合を調整できる。これにより、本発明のレーザ照明装置を使用すれば、レーザ光を対象上にほとんど光量の損失無くより一様に照射できる。
【実施例２】
【０１４０】
図５は、レーザ照明装置の実施例２を示す。この実施例２は、前後調整機構１１によって、レーザ光６の平行光の平行性を調整可能としている。さらに、実施例２では、集光レンズ１及びコリメートレンズ２を一つの共通支持台３８上に設け、垂直調整機構１２とあおり調整機構３９（傾動調整機構）により微調整可能とした微動台１４にある。
【０１４１】
あおり調整機構３９は、基準面１０に設置された基台４０に対して、筒台３１を支持するあおり台４１を前後に螺着したネジ具４２で、高さ調整とあおり調整（傾き調整）を可能として、これにより、より微細なレーザ光６の光路合わせを可能とする。
【実施例３】
【０１４２】
図６は、レーザ照明装置の実施例３を示す。この実施例３は実施例２とほぼ同じであるが、垂直調整機構１２で上下調整可能なあおり台４１（例えば、円筒の断面から成る形状）に対して、ネジ具４２で共通支持台３８をあおり調整可能なように構成したものである。
【実施例４】
【０１４３】
図７は、レーザ照明装置の実施例４を示す。この実施例４は、レーザ照明装置全体を遮光箱１６で覆い、外来光の影響を減じた構成を特徴とする。
【０１４４】
（利用例）
図８は、本発明のレーザ照明装置の利用例である顕微鏡装置の全体構成を示す図である。この顕微鏡装置では、レーザ光源１７からのレーザ光は、ミラー１８及びフィルタ類１９を通過して、本発明のレーザ照明装置２０に入射される。レーザ光としては、波長５３２ｎｍ、光束直径１ｍｍ程度、強度３ｍＷ程度の半導体励起ＹＶＯ４レーザ光の第２高調波を用いた連続発振のグリーンレーザ光を用いた。このレーザ照明装置２０においてレーザ光は、拡散され、かつ拡大しない光（平行光）とされる。なお、レーザ照明装置２０としては、前記実施例１記載のものを用いた。
【０１４５】
レーザ照明装置２０から出た平行レーザ光は、ビームスプリッタ２１及び対物レンズ２２を介して試料（被検体）２３に照射され、その反射光が、対物レンズ２２およびビームスプリッタ２１を通過してＣＣＤカメラ２４で撮像される。
【０１４６】
この利用例では、レーザ光は、拡散され、かつ一様な平行光とされる。その後、該平行な光が試料２３の手前の対物レンズ２２に入射されるから、対物レンズ２２による集光後も、試料２３上で空間的に一様な強度分布となり、光の強度分布のばらつきによる計測誤差が防止される。
【０１４７】
図９は、本発明のレーザ照明装置の別の利用例である顕微分光装置の全体構成を示す図である。この顕微分光装置では、レーザ光源１７からのレーザ光は、ミラー１８及びフィルタ類１９を通過して、本発明のレーザ照明装置２０に入射される。このレーザ照明装置２０においてレーザ光は、拡散され、かつ平行光とされる。
【０１４８】
レーザ照明装置２０から出たレーザ光は、ビームスプリッタ２１及び対物レンズ２５を介して試料（被検体）２３に照射され、その反射光が、対物レンズ２５およびビームスプリッタ２１及びレンズ２６を通過して分光器２７に入光し、分光像を形成し、それが、レンズ２８を介してＣＣＤカメラ２４で撮像される。
【０１４９】
この利用例では、レーザ光は、拡散され、かつ一様な平行光とされて、試料２３の手前の対物レンズ２５に入射され集光されるから、対物レンズ２５による集光後は、試料２３上で空間的に一様な強度分布となり、光の強度分布のばらつきによる計測誤差が防止される。
【０１５０】
（実験例）
本発明の効果を確認するために、本発明者は、図８に示す顕微鏡装置においてレーザ照明装置２０を用いない従来の構成の顕微鏡装置と、図８に示す本発明の顕微鏡装置によって、それぞれ半導体回路を撮像するという測定実験をおこなったので、以下、この結果を説明する。
【０１５１】
図１０は、前述の従来の顕微鏡装置（図８においてレーザ照明装置２０を配置しない場合）により撮像した画像である。この図中、４３で示される領域は金属電極を示し、４４は半導体回路の平坦面を示している。この画像（顕微鏡写真）によると、平坦面４４はレーザ光を用いた照明光の強度分布が一様でないことに起因して干渉が生じ、その干渉模様が現れており、この点で、画像としての明瞭さにかけている。
【０１５２】
また、図１１は、図１０の点線に沿って測定した位置に対する相対反射光強度の測定結果を示すグラフである。この図によると、レーザ照明装置２０を設けない従来の構成の顕微鏡装置では、位置によって、相対反射光強度にばらつきがあり、一様な強度で試料（被検体）に照明光が照射されなかったことが確認できた。
【０１５３】
図１２は、図８に示した、本発明のレーザ照明装置２０を設けた構成で、光拡散板を回転した場合の本発明の顕微鏡装置により撮像した画像である。この画像によると、平坦面４４は照明光の強度が非常に一様であったために干渉が生じることなく、きわめて明瞭な画像が得られることが確認できた。
【０１５４】
また、図１３は図１２の点線に沿って測定した位置に対する相対反射光強度の測定結果を示すグラフである。この図によると、レーザ照明装置２０を設けて、その光拡散板を回転させたことによって、図１１で見られたような相対反射光強度のばらつきがなく、非常に一様な強度で試料（被検体）に照明光が照射されていることが確認できた。
【０１５５】
これに対して、図１４は、図８においてレーザ照明装置２０を配置したが、光拡散板を回転させなかった場合の撮像画像である。
図１４から分かるように、光拡散板を回転させないと、スペックルノイズが発生し、非常に荒れた画像になる。
この状態から光拡散板を回転させると、前述の図１２のように劇的に変化した。これは、（１）拡散板は面内が均一ではないので、スペックルノイズがランダムに変化し、位相も乱れるが、（２）該光拡散板を例えば回転などさせることにより、前記（１）の変化が平均化されて、１回転以上あるいは適当な時間で積分してみると一様になる、ことによるものと考えられる。
【０１５６】
以上、本発明のレーザ照明装置の最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
以上の構成から成る本発明によれば、従来問題であったレーザ光路に垂直な面での光の強度分布のばらつきがほとんどなくなり、光量の損失が極めて小さくて実質的に無視できる量である。このため、対象面を一様にかつ明るく均一に照明することができるので、一様な照明を必要とする用途に適用できる。
【０１５８】
本発明によれば、例えば、レーザ光を利用した各種の光学的な測定や画像の作成等において、測定誤差を解消し、また不鮮明な画像の画質を改良できる。従って、本発明は、レーザ光を利用した各種の測定機器、画像・映像作成機器、半導体基板上での回路作製に利用される露光・リソグラフ装置などにきわめて有用である。
【０１５９】
特に、本発明のレーザ照明装置を、顕微鏡又は分光顕微測定装置関連の装置の照明に用いた場合、より明るく一様な照明が可能であり、顕微観察又は分光解析顕微観察のための励起光源として用いた場合、従来の装置による励起光と比較して、より一様で、より強度の強い励起光が可能となる。さらに、本発明のレーザ照明装置を光学露光・リソグラフ装置の光源として用いた場合、より一様で、より強度の強い照射を半導体基板に与えることが可能となる。
【符号の説明】
【０１６０】
１００  光拡大抑制手段
３  光拡散手段
１  集光レンズ
２  コリメートレンズ
１−２  レンズ（１−５の代わりに使っても良い様々なレンズを示す）
１−３  集光ミラー
１−４  集光ミラー
１−５  レンズ
３−１  光拡散板
３−２  厚み分布を有する光拡散板
３−３  筒状光拡散板
３−４  傘状光拡散板
４  モータ
５  モータ軸
６  レーザ光
６−２  拡散されかつ拡大しない光
６−３  レーザ装置
６−４  拡散されたレーザ光
７  台
８、９    微動台
１０  基準面
１１  前後調整機構
１１−２  前後調整機構
１２  垂直調整機構
１３、４５  左右水平調整機構
１６  遮光箱
１７  レーザ装置
１８  ミラー
１９  フィルタ類
２０  レーザ照明装置
２１  ビームスプリッタ
２２、２５  対物レンズ
２３  試料
２４  ＣＣＤカメラ
２６  レンズ
２７  分光器
３０  支持枠
３１  筒台
３２、３６、４２  ネジ具
３３  梃子
３４  取付板
３５  上台
３７  下台
３８  共通支持台
３９  あおり調整機構
４０  基台
４１  あおり台
４３  電極
４４  平坦面
【図１】
0005317074.tif 000002
【図１−１】
0005317074.tif 000003
【図１−２（ａ）】
0005317074.tif 000004
【図１−２（ｂ）】
0005317074.tif 000005
【図２】
0005317074.tif 000006
【図２−１】
0005317074.tif 000007
【図２−２】
0005317074.tif 000008
【図２−３】
0005317074.tif 000009
【図３】
0005317074.tif 000010
【図３−１】
0005317074.tif 000011
【図３−２（ａ）】
0005317074.tif 000012
【図３−２（ｂ）】
0005317074.tif 000013
【図３−３】
0005317074.tif 000014
【図３−４】
0005317074.tif 000015
【図３−５】
0005317074.tif 000016
【図４】
0005317074.tif 000017
【図５】
0005317074.tif 000018
【図６】
0005317074.tif 000019
【図７】
0005317074.tif 000020
【図８】
0005317074.tif 000021
【図９】
0005317074.tif 000022
【図１０】
0005317074.tif 000023
【図１１】
0005317074.tif 000024
【図１２】
0005317074.tif 000025
【図１３】
0005317074.tif 000026
【図１４】
0005317074.tif 000027