(57)【要約】  本発明は、光入射側に配置される第１の凸レンズアレイと、光出射側に配置される第２の凸レンズアレイを含む凸レンズアレイ対を備え、前記第１の凸レンズアレイと前記第２の凸レンズアレイは、互いのレンズ面が外向きまたは内向きに対向するように配置され、前記第１の凸レンズアレイは一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第１の凸レンズを有し、前記第２の凸レンズアレイは一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第２の凸レンズを有し、前記第１の凸レンズと、前記第２の凸レンズとが、対向しつつ対称軸を共有する凸レンズ対をなしており、前記第１の凸レンズは、前記対称軸を含むレンズ断面において、前記レンズ断面におけるレンズ面中心部領域に入射する前記対称軸に平行な入射光に対する内部平均伝搬角が、球面凸レンズの同領域での内部平均伝搬角の１．３倍以上である、ホモジェナイザに関する。
2019182073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射側に配置される第１の凸レンズアレイと、光出射側に配置される第２の凸レンズアレイを含む凸レンズアレイ対を備え、
前記第１の凸レンズアレイと前記第２の凸レンズアレイは、互いのレンズ面が外向きまたは内向きに対向するように配置され、
前記第１の凸レンズアレイは一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第１の凸レンズを有し、
前記第２の凸レンズアレイは一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第２の凸レンズを有し、
前記第１の凸レンズと、前記第２の凸レンズとが、対向しつつ対称軸を共有する凸レンズ対をなしており、
前記第１の凸レンズは、前記対称軸を含むレンズ断面において、前記レンズ断面におけるレンズ面中心部領域に入射する前記対称軸に平行な入射光に対する内部平均伝搬角が、球面凸レンズの同領域での内部平均伝搬角の１．３倍以上である、
ホモジェナイザ。
【請求項２】
光入射側に配置される第１の凸レンズアレイと、光出射側に配置される第２の凸レンズアレイをそれぞれ含む凸レンズアレイ対を二組備え、
前記凸レンズアレイ対の各々において、前記第１の凸レンズアレイと前記第２の凸レンズアレイは、互いのレンズ面が外向きまたは内向きに対向するように配置され、
前記第１の凸レンズアレイは、一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第１の凸レンズを有し、各第１の凸レンズは凸型のシリンドリカルレンズであり、前記複数の第１の凸レンズは、各々のレンズ作用を有する軸方向が平行になるように配置され、
前記第２の凸レンズアレイは、一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第２の凸レンズを有し、各第２の凸レンズは凸型のシリンドリカルレンズであり、前記複数の第２の凸レンズは、各々のレンズ作用を有する軸方向が平行になるように配置され、
前記凸レンズアレイ対の各々において、前記第１の凸レンズと、前記第２の凸レンズとが、対向しつつ対称面を共有する凸レンズ対をなしており、
二組の凸レンズアレイ対は、レンズ作用を有する軸方向が互いに９０°異なるように入射光の光進行方向である光軸方向に直列に配置され、
前記凸レンズアレイ対の各々において、各々の凸レンズの母線方向に垂直な断面をレンズ断面、当該レンズ断面における対称面の位置を対称軸とすると、
前記第１の凸レンズは、前記レンズ断面におけるレンズ面中心部領域に入射する前記対称軸に平行な入射光に対する内部平均伝搬角が、球面凸レンズの同領域での内部平均伝搬角の１．３倍以上である、
ホモジェナイザ。
【請求項３】
前記第１の凸レンズの前記レンズ断面において、前記対称軸に垂直な方向における最大幅をＷｍａｘとし、
前記レンズ断面における前記対称軸からの動径距離をｒとし、
前記レンズ面中心部領域が、０≦ｒ／（Ｗｍａｘ／２）≦χで規定され、
レンズ面外周部領域が、（１−χ）≦ｒ／（Ｗｍａｘ／２）≦１で規定され、
前記レンズ面中心部領域における前記内部平均伝搬角の前記球面凸レンズの同領域における前記内部平均伝搬角に対する比率をＡｒ１とし、
前記レンズ面外周部領域における前記内部平均伝搬角の前記球面凸レンズの同領域における前記内部平均伝搬角に対する比率をＡｒ２とすると、
０＜χ≦０．２であり、
１．３≦Ａｒ１≦３．２を満たし、
０．６≦Ａｒ２≦１．１を満たす、
請求項１または請求項２に記載のホモジェナイザ。
【請求項４】
前記第１の凸レンズの前記レンズ断面における曲率半径をＲ１、コーニック定数をｋ１、前記第２の凸レンズの前記レンズ断面と同一断面における曲率半径をＲ２、コーニック定数をｋ２とすると、
０．３≦Ｒ１／Ｒ２≦０．７を満たし、
−３≦ｋ２≦０を満たし、
ｋ１≦ｋ２を満たす、
請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載のホモジェナイザ。
【請求項５】
前記第１の凸レンズは、前記レンズ面中心部領域に位相回折格子を有する、
請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載のホモジェナイザ。
【請求項６】
前記コーニック定数ｋ１および前記コーニック定数ｋ２がともに−３以上から０以下の範囲である、
請求項４に記載のホモジェナイザ。
【請求項７】
光入射側である第１面と、前記第１面に対向する第２面を有する透光性基板をさらに有し、
前記第１の凸レンズアレイが前記透光性基板の前記第１面側に設けられ、前記第２の凸レンズアレイが前記透光性基板の前記第２面側に設けられている、
請求項１から請求項６のうちのいずれか一項に記載のホモジェナイザ。
【請求項８】
前記透光性基板、前記第１の凸レンズアレイおよび前記第２の凸レンズアレイの少なくともいずれかが、透光性無機材料で形成される、
請求項７に記載のホモジェナイザ。
【請求項９】
前記第１の凸レンズアレイおよび前記第２の凸レンズアレイの少なくともいずれかが、
入射光の波長帯における屈折率が１．６〜２．１の透光性無機材料で形成される、
請求項１から請求項７のうちのいずれか一項に記載のホモジェナイザ。
【請求項１０】
前記第１の凸レンズおよび前記第２の凸レンズにおいて、前記レンズ断面における前記対称軸に垂直な方向における最大幅Ｗｍａｘが０．０５〜０．５ｍｍの範囲である、
請求項１から請求項９のうちのいずれか一項に記載のホモジェナイザ。
【請求項１１】
レーザ光源から放射される不均一光強度分布の拡散光が入射したときに出射される光の所定の照射平面における光強度分布が８５％以上である、
請求項１から請求項１０のうちのいずれか一項に記載のホモジェナイザ。
【請求項１２】
不均一の光強度分布を有する発散光を出射するレーザ光源と、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のホモジェナイザとを含み、
前記レーザ光源から出射される発散光は、前記ホモジェナイザに入射し、より広角な発散光となって前記ホモジェナイザから出射され、所定の照射平面において均一な光強度分布で拡大投影される、
照明光学系。
【請求項１３】
レーザ光源から出射される発散光は、最大拡散角（半角）αが１２°以下のガウシアン分布に近似される光強度分布を有する発散光であり、
前記ホモジェナイザから出射される発散光は、最大拡散角（半角）βが１２°以上で、
かつ所定の照射平面における光強度分布が８５％以上となる発散光である、
請求項１２に記載の照明光学系。
【請求項１４】
照射平面における光強度分布が９０％以上である、
請求項１２または請求項１３に記載の照明光学系。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の照明光学系を備えた照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光強度空間分布が不均一な入射光を照射面において均一な光強度分布に変換するホモジェナイザおよびそれを用いた照明光学系並びに照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示素子の映像を拡大投影する液晶プロジェクタや露光装置などの照明光学系において、照射面の光強度分布を均一化するための技術として、インテグレータレンズやフライアイレンズなどと呼ばれるレンズアレイを一対有するホモジェナイザが知られている。【０００３】
図２３は、液晶プロジェクタに用いられる照明光学系の一例を示す断面図である。図２３に示す照明光学系２００は、放電ランプ５０と、放物面鏡５１と、一対の凸レンズアレイ（５２ａ、５２ｂ）を有するホモジェナイザ５２と、フィールドレンズ５３とを備える。なお、図２３には、液晶プロジェクタの構成として、さらに照射面である液晶表示素子５４と、投影レンズ５５とが示されている。なお、図２３の（ａ）は照明光学系２００の主要部品の位置関係の例を示す断面図であり、図２３の（ｂ）は、さらに照明光学系２００における光路の一例を追加した断面図である。【０００４】
本例では、放物面鏡５１の焦点位置に放電ランプ５０の発光点が配置される。発光点から放射された可視光は放物面鏡５１で反射されて略平行光となり、ホモジェナイザ５２に入射する。ホモジェナイザ５２に入射した略平行光の可視光は、凸レンズアレイ５２ａの各々の凸レンズにより、その焦点位置近傍に配置された対を成す凸レンズアレイ５２ｂの各々の凸レンズ面内に集光される。該光は、凸レンズアレイ５２ｂの各々の凸レンズにより照射面（液晶表示素子５４の表示面）において重なり合う発散光となって出射される。【０００５】
フィールドレンズ５３は、ホモジェナイザ５２の各々の凸レンズ（５２１ａおよび５２１ｂ）の光軸を照射面（液晶表示素子５４の表示面）の中心に揃えるために配されている。凸レンズアレイ５２ｂの各レンズから出射された光は、フィールドレンズ５３により液晶表示素子５４の表示面内に照射され、液晶表示素子５４で生成された映像を図示しないスクリーンに投影する光となる。本例では、さらに、液晶表示素子５４で生成された映像を、投影レンズ５５を用いて拡大投影する。【０００６】
このような照明光学系２００では、凸レンズアレイ５２ａの面内で光強度分布が異なる入射光の光束を、凸レンズアレイ５２ａの各々の凸レンズ５２１ａおよび凸レンズアレイ５２ｂの各々の凸レンズ５２１ｂから出射させて、照射面において重なり合わせることで、各々の凸レンズ入射光の光強度分布が凸レンズアレイ数で平均化されて均一な光強度分布が得られる。【０００７】
図２４は、ホモジェナイザ５２のより詳細な構成例を示す説明図である。なお、図２４の（ａ）は、ホモジェナイザ５２の断面図であり、図２４の（ｂ）は、そのうちの一方の凸レンズアレイ（５２ａまたは５２ｂ）の平面図である。なお、各レンズ面内に点線で示す同心円は、レンズ深さ（サグ値）が等しい等高線である（以下、他の平面図において同様）。【０００８】
ホモジェナイザ５２において、凸レンズアレイ５２ａおよび５２ｂはそれぞれ、透光性基板の片面に同一凸レンズ形状のレンズがアレイ状に隙間なく配されている。本例の凸レンズアレイ５２ａおよび５２ｂはいずれも、Ｘ軸およびＹ軸方向のレンズ幅がそれぞれＷｘとＷｙであるレンズが、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれＮｘ個とＮｙ個アレイ状に配置された、平坦部境界の無い凸レンズアレイに加工されている。以下、凸レンズアレイ５２ａの各々の凸レンズをそれぞれ凸レンズ５２１ａ、凸レンズアレイ５２ｂの各々の凸レンズをそれぞれ凸レンズ５２１ｂと記す場合がある。また、凸レンズアレイ５２ａと５２ｂを特に区別なく示す場合に、それらの各々の凸レンズを凸レンズ５２１と記す場合がある。以下、他のホモジェナイザについても同様である。【０００９】
ホモジェナイザ５２の入射光は、放電ランプ５０の発光長（ｍｍオーダ）の大きさに依存して、Ｚ軸方向に対し最大入射角αの発散光となる。ここで、最大入射角αは放電ランプ５０から放射される光束の最大拡散角（半角）に相当する。なお、最大拡散角（半角）は最大放射角（半角）とも呼ばれる。【００１０】
図２４の（ａ）に示すように、凸レンズアレイ５２ａに入射する光のうち平行光成分は、各々の凸レンズ５２１ａの焦点面の軸上に集光されることにより、その近傍に配置された各々の凸レンズ５２１ｂの頂点の平坦部を透過し、最大拡散角（半角）βの発散光となって液晶表示素子５４を照射する。各々の凸レンズにおいてレンズ幅ＷｘとＷｙが異なる場合すなわち各々の凸レンズの外形（外周形状）が長方形の場合、Ｘ軸方向の最大拡散角（半角）βｘとＹ軸方向の最大拡散角（半角）βｙとが異なり、その関係はｓｉｎ（βｘ）／ｓｉｎ（βｙ）＝Ｗｘ／Ｗｙとなる。このため、ホモジェナイザ５２から出射される光の最大拡散角βを、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで独立に調整できる。【００１１】
一方、凸レンズアレイ５２ａに入射する光のうち発散光成分は、各々の凸レンズ５２１ａの焦点面の軸外に集光する。この集光位置が凸レンズ５２１ａと対を成す凸レンズ５２１ｂ面内であれば、該凸レンズ５２１ｂで屈折した出射光は、液晶表示素子５４を照射する。すなわち、レンズ幅Ｗｘ×Ｗｙの各々の凸レンズ５２１ａを有する凸レンズアレイ５２ａに入射した最大拡散角αの発散光は、凸レンズアレイ５２ｂの凸レンズ５２１ｂによりＷｘ×Ｗｙの相似外形で最大拡散角βの発散光となって照射面に拡大投影される。【００１２】
また、図２５は、紫外線露光装置に用いられる照明光学系の一例を示す断面図である。図２５に示す照明光学系２１０は、放電ランプ６０と、楕円面鏡６１と、ダイクロイックミラー６６と、一対の凸レンズアレイ（６２ａ、６２ｂ）とを有するホモジェナイザ６２と、フィールドレンズ６３とを備える。なお、図２５には、紫外線露光装置として、さらに集光レンズ６５が示されている。なお、本例の照射面は、図示省略されているが、疑似的に集光レンズ６５の入射面の有効領域がそれに相当する。なお、図２５の（ａ）は照明光学系２１０の主要部品の位置関係の例を示す断面図であり、図２５の（ｂ）は、さらに照明光学系２１０における光路の一例を追加した断面図である。【００１３】
本例では、楕円面鏡６１の第１焦点位置に放電ランプ６０の発光点が配置される。発光点から放射された紫外光は楕円面鏡６１およびダイクロイックミラー６６で反射され、楕円面鏡６１の第２焦点位置に配置されたホモジェナイザ６２に集光する。ホモジェナイザ６２に入射した光は、凸レンズアレイ６２ａの各々の凸レンズにより、その焦点位置近傍に配置された対を成す凸レンズアレイ６２ｂの各々の凸レンズの開口内に集光される。該光は、凸レンズアレイ６２ｂの各々の凸レンズにより照射面（図示せず）において重なり合う発散光となって出射される。【００１４】
フィールドレンズ６３は、ホモジェナイザ６２の各々の凸レンズ（６２１ａおよび６２１ｂ）の光軸を照射面の中心に揃えるために配されている。また、集光レンズ６５は、フィールドレンズ６３から出射された発散光を略平行光に変換するためのレンズである。これらにより、ホモジェナイザ６２の出射光は、フィールドレンズ６３によりホモジェナイザ６２の各々の凸レンズの光軸を照射面中心に揃えられ、集光レンズ６５により略平行光となって照射面（図示せず）に到達する。【００１５】
照明光学系２１０においても、凸レンズアレイ６２ａの面内で光強度分布が異なる入射光の光束を、凸レンズアレイ６２ａの各々の凸レンズ６２１ａおよび凸レンズアレイ６２ｂの各々の凸レンズ６２１ｂから出射させて、照射面において重なり合わせることで、各々の凸レンズ入射光の光強度分布が凸レンズアレイ数で平均化されて均一な光強度分布が得られる。ここで、均一な光強度分布とは、例えば８５％以上の光強度分布をいう。【００１６】
図２６は、ホモジェナイザ６２のより詳細な構成例を示す説明図である。図２６の（ａ）は、ホモジェナイザ６２の断面図であり、図２６の（ｂ）は、そのうちの一方の凸レンズアレイ（６２ａまたは６２ｂ）の平面図である。【００１７】
ホモジェナイザ６２は、その入射面と出射面が凸レンズアレイ６２ａと凸レンズアレイ６２ｂとに加工された両面凸レンズアレイである。各々の凸レンズアレイ（６２ａおよび６２ｂ）は、２以上の凸レンズを境界部に平坦面やギャップが無いようにアレイ状に配置して構成される。紫外線露光装置の場合、ホモジェナイザ６２には紫外線波長域で吸収が少ない合成石英が一般的に用いられる。合成石英の軟化温度は１０００℃以上と高温であり、レンズアレイの金型成型加工が難しいため、角柱状に外形加工された合成石英の上下両面に凸レンズを研削加工し、複数の両面凸レンズ６２１をアレイ状に配置する構成が多くとられ、量産性が低い。【００１８】
なお、図２６の（ｂ）には、凸レンズ面が正六角形の柱状レンズをレンズ幅Ｗと同じ間隔でフライアイ状に配列した凸レンズアレイ（６２ａ，６２ｂ）の例を示すが、凸レンズアレイ（６２ａ，６２ｂ）は、凸レンズ面が四角形の柱状レンズをアレイ状に配列したものでよい。なお、本例のホモジェナイザ６２は、上記のホモジェナイザ５２と比べて構成は異なるが、均一照明の原理は同じである。【００１９】
図２７は、ホモジェナイザ６２における一つの凸レンズ対（すなわち、対をなす凸レンズ６２１ａおよび６２１ｂ）の入出射面と照射面との関係を示す説明図（ＹＺ断面図）である。本例の照明光学系２１０において、凸レンズ６２１ａに入射した最大拡散角αの発散光は、凸レンズ６２１ａの表面で屈折してその焦点面に集光される。このとき、凸レンズ６２１ａの開口部に入射する発散光の一部が、対をなす凸レンズ６２１ｂの開口外に到達すると、当該一部の光は、目的とする照射面内に集光されず迷光となり、照射面強度分布の劣化および光利用効率の低下を招く。凸レンズ６２１ａの開口部に入射する発散光が対をなす凸レンズ６２１ｂの開口内に集光するためには、凸レンズアレイ６２ａ側において開口数の大きな凸レンズ面が必要となる。また、開口数の大きな球面凸レンズでは軸外収差が発生し集光性が劣化するため、非球面形状とすることが好ましい。【００２０】
凸レンズ６２１ａの入射面と、該凸レンズ６２１ａと対をなす凸レンズ６２１ｂの主点との距離をＳ１、該凸レンズ６２１ｂの主点と照射面（図中の符号６５）との距離をＤ＝Ｓ２とする。また、各々の凸レンズ６２１ｂの焦点距離をｆとする。すると、凸レンズの近軸近似式によりＳ１、Ｓ２、ｆが関係づけられ、凸レンズ６２１ａの開口部に入射する入射瞳Ａ（より具体的には開口形状の幅Ｗ）は、凸レンズ６２１ｂにより所定の照射面（符号６５）において射出瞳Ｂとなって結像する。Ｓ２がＳ１に比べて充分大きな場合、光軸に平行な入射光に対するホモジェナイザ６２の出射光の最大拡散角βから、射出瞳Ｂの口径（照射面の最大幅）Ｂは、Ｂ＝２・Ｓ２・ｔａｎ（β）で近似できる。【００２１】
このように、対称軸を共有する凸レンズ対をアレイ状に配列して構成される一対の凸レンズアレイを有するホモジェナイザを用いることにより、各々の凸レンズ入射面の光強度分布が重ね合されて平均化されるので、照射面を均一光強度で照明できる。なお、凸レンズの数（アレイ数）が多いほど均一性が向上する。同一面内における凸レンズのアレイ数は、例えば、１６個以上が好ましく、２５個以上がより好ましく、５０個以上がさらに好ましい。アレイ数の上限は特に限定されないが、１ｍｍ２あたりのアレイ数の上限が１００００個であってもよい。【００２２】
ところで、放電ランプに変わる高輝度光源としてＬＥＤや半導体レーザ（ＬＤ）が実用化され、小型で発光効率の高い特徴から普及が加速している。上記で示した照明光学系２１０は、発光長がｍｍオーダの放電ランプから広い配光角度分布に放射された光を集光鏡（楕円面鏡６１）でホモジェナイザに集光するため、小型化が難しかった。そこで、発光長がμｍオーダで指向性の高い（すなわち、出射光の配光角度分布が狭い）光が効率よく得られるＬＤ光源を用いれば、照明光学系の小型化につながる。このため、ＬＤは、放電ランプに変わる光源として広い照明用途への利用が期待されている。【００２３】
特許文献１、２には、レーザ光源を照明光源に用いた照明装置または照明光学系の例が記載されている。例えば、特許文献１には、レーザ光源と、複数の微小要素レンズを有する第１のレンズと第２のレンズで構成されたホモジェナイザとを備えたレーザ照明装置が記載されている。また、例えば、特許文献２には、レーザ光を照明光源に用いた半導体露光装置に使用される照明光学系について、ホモジェナイザとしてフライアイ・インテグレータを用いる構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】日本国特許第４８８０７４６号公報
【特許文献２】日本国特開平５−２５１３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
上述したように、レーザ光源を用いることにより集光系を含む光源部の小型化は向上する。例えば、発光長がμｍオーダのＬＤ光源は、効率よく指向性の高い照明光が得られる。さらに、波長７８０〜１３００ｎｍの近赤外波長域のレーザ光を生成する垂直共振器面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）は、半導体ウェハ内に数１０μｍ間隔でレーザ発光点を２次元アレイ化した構造が作り易く、発光点数を増やすことで数１０ワット〜数１００ワットの高出力レーザ光源となる。【００２６】
図２８は、レーザ光源の一例を示す断面図および平面図である。図２８に示すレーザ光源１１は、半導体基板１１ａ上にアレイ上に形成された面発光レーザ発光点（ＶＣＳＥＬ発光層）１１ｂが形成されている。このようなレーザ光源１１は、出射光の光強度分布がガウシアンで近似される発散光を出射する。例えば、基板面内に、Ｘ軸方向に間隔ａでＮａ個、Ｙ軸方向に間隔ｂでＮｂ個のレーザ発光点を有する場合、単一発光点の出射光強度をｐとすると、レーザ光源１１全体では、Ｐ＝ｐ・Ｎａ・Ｎｂの光強度が得られる。具体例として、ａ＝ｂ＝３０μｍ、Ｎａ＝Ｎｂ＝１００個、ｐ＝１０ｍＷとすると、３ｍｍ×３ｍｍの発光面からＰ＝１００Ｗのレーザ出力が得られる。【００２７】
しかし、このようなＶＣＳＥＬアレイを光源に用いた場合、アレイ数を増すことでレーザ光源の高出力化は可能だが、レーザアレイ光源からの出射光の最大放射角（半角）となる単一レーザ発光点の出射光の放射角（半角）δは狭い（図２８の（ａ）参照）。このため、広い範囲を照明するには、照射面（上記の照明光学系の例でいえば、ホモジェナイザの入射面）までの距離Ｌを長くする必要があり、照射面の光強度は不均一なガウシアン分布となる。【００２８】
アレイ型のレーザ光源における単位レーザ発光点の出射光の放射角δを、ガウシアン分布中心強度（出射角０°）で光強度分布を規格化した時の光強度比がｅ−２となる角度と定義すると、任意のレーザ光出射角θに対するレーザ光源単体での光強度分布Ｉ（θ）は、（１）式で記載される。【００２９】
Ｉ（θ）＝ｅｘｐ｛−２（θ／δ）２｝      （１）【００３０】
なお、単一レーザ発光点の集合体から構成されるレーザ光源の光強度分布は、Ｚ軸方向の発光点からの距離Ｌにより変化する。ａ＝ｂおよびＮａ＝Ｎｂとすると、単一レーザ発光点からの光強度比がｅ−２となる照射面の直径Φは、Φ＝２・Ｌ・ｔａｎ（δ）で表される。このため、Φ≧ａとなる距離Ｌで隣接発光点出射光の重なりが生じ、Φ≧√２・ａとなる距離Ｌでアレイ全面積（Ｎａ×ａ）×（Ｎｂ×ｂ）からの光強度比がｅ−２以上となる。さらに、Φ＞√２・ａ・Ｎａとなる距離Ｌでは、照射面積が拡大するとともにアレイ全面積からの光強度比が単一レーザ発光点のガウシアン光強度分布Ｉ（θ）に近づく。【００３１】
上記では、レーザアレイ光源として、波長７８０〜１３００ｎｍの近赤外波長域のレーザ光を生成するＶＣＳＥＬを２次元アレイ化したＶＣＳＥＬアレイ光源を例示したが、ＶＣＳＥＬアレイ光源から出射する近赤外光をＬｉＮｂＯ３等の非線形光学結晶を用いて第２高調波（ＳＨＧ）変換し、可視レーザ光とすることも可能である。【００３２】
また、レーザ発振活性層が導波路構造を有するファブリペロ型レーザでは、紫外域〜近赤外域のレーザ発光が得られる。このようなレーザの発光点を１次元アレイ化したり、レーザ発振活性層の導波路幅を広げることで、高出力レーザ光源とできる。しかし、レーザ出射光の強度はガウシアン分布であり、レーザ発振活性層幅の広い構造のマルチモード発光では強度分布がさらに不均一となる。【００３３】
このようなレーザ光源を用いることにより、集光系を含む光源部の小型化は飛躍的に向上するが、レーザ光源から放射される不均一な光強度分布の発散光を、高い集光効率を維持しつつ照射面において均一に（例えば、照射面における光強度分布が８５％以上等）照射するためには、広角拡散性のホモジェナイザが必要となる。【００３４】
放電ランプを光源に用いた従来の照明光学系では、光源から放射される広い配光角度分布の光を集光鏡を用いてホモジェナイザ入射面に集光するため、入射面の光強度分布は不均一であり、入射面および出射面の凸レンズアレイの開口数が小さな値となるように入射光の最大拡散角αを１０°以下とする。その結果、集光鏡の外形が大型化し、ホモジェナイザ入射面の有効径Φも拡大する。このため、入射面および出射面が球面凸レンズあるいは球面凸レンズに近い非球面凸レンズを有する凸レンズアレイのホモジェナイザを用い、最大拡散角βが比較的小さい照射条件でも均一照射を実現できていた。しかし、レーザ光源から放射される狭角の発散光であってホモジェナイザ入射面で最大直径Φの光束となる発散光を、所定の照射平面において均一の光強度分布になるよう変換するホモジェナイザを考えた場合、ホモジェナイザが有する一対の凸レンズアレイにおいて凸レンズ対を構成する各々の凸レンズのＸＹ面の幅Ｗを少なくともΦ／４以下（アレイ数が４×４＝１６個の場合）とする必要がある。ここで、各々の凸レンズのＸＹ面の幅Ｗは、Ｘ方向の幅とＹ方向の幅が異なる場合は、いずれかの方向のうち最大の幅とする。なお、幅Ｗは、より好ましくはΦ／５以下（アレイ数が５×５＝２５個を想定）、さらに好ましくはΦ／７以下（アレイ数が７×７＝４９個を想定）である。【００３５】
例えば、ホモジェナイザの有効径が２．０ｍｍの場合、Φ＝２．０ｍｍとして、Ｗ≦０．５ｍｍや、Ｗ≦０．４ｍｍやＷ≦０．３ｍｍが要求される。また、例えば、ホモジェナイザの有効径が１．０ｍｍの場合、Φ＝１．０ｍｍとして、Ｗ≦０．２５ｍｍや、Ｗ≦０．２ｍｍやＷ≦０．１５ｍｍが要求される。【００３６】
既に説明したように、照明光学系においてホモジェナイザからの出射光は最大拡散角βで幅Ｂの照射面に拡大照射される。したがって、ホモジェナイザの出射側に位置する凸レンズアレイ（５２ｂ、６２ｂ）は拡散性微小光源に相当する。このような拡散性微小光源による照射面での光強度は、照明に関する「距離の逆２乗則」と「斜入射光のコサイン特性」とに基づく照明光学系の「コサイン４乗則」に制約される。【００３７】
図２９は、拡散性微小面光源から出射される光束の、光源の出射面と対向する照射面での光強度がコサイン４乗則に従う様子を示す模式図およびグラフである。なお、図２９の（ｂ）には、拡散性微小面光源から出射される発散光の、垂直対向位置での光強度（直下強度Ｅ０）に対する拡散角β方向の任意の角度θ方向の光強度（Ｅθ）の比である光強度比（Ｅθ／Ｅ０）が示されている。図２９の（ａ）に模式的に示すように、拡散性微小面光源の出射面と対向する平面を照明する場合、光源から垂直な対向面の光強度（直下強度Ｅ０）に対して、角度θにおける照射平面上の光強度Ｅθは、ｃｏｓ４θ倍となる。図２９の（ｂ）は、θ＝０〜５０°の角度範囲における照射平面上の光強度比ｃｏｓ４θの計算値を示すグラフである。【００３８】
図２９の（ｂ）に示すように、照射面上の光強度比は、θ≦１０°では０．９より大きな値を維持するが、θ＝２０°では０．８未満、θ＝３０°では０．６未満に低下する。【００３９】
したがって、従来の構成よりホモジェナイザの出射光の最大拡散角βを大きく（例えば、β≧１２°等に）する際に、単純に出射側の凸レンズアレイの各々の凸レンズのレンズ形状を調整するなどして各々の凸レンズから出射される光束の拡散角を大きくする方法では、コサイン４乗則の制約などから、照射面上での光強度分布に不均一性が生じる。すなわち、従来のホモジェナイザにおける出射側の凸レンズアレイの各々の凸レンズを単純に広角化する方法では、「コサイン４乗則」の制約などから最大拡散角β≧１２°の場合に０．９以上の均一な光強度分布を必ずしも実現できない。【００４０】
なお、特許文献１には、レーザ光源を備えたレーザ照明装置が例示されているが、レーザ光源を用いることによる照射面での光強度分布の不均一性について何ら考慮しておらず、ホモジェナイザからの出射光の広がりや照射面での光強度分布に関する具体的記載はない。特許文献２についても同様である。【００４１】
そこで、本発明は、小型で利用効率がよく、かつ照射面において高い均一性を示す光照射が可能なホモジェナイザ、照明光学系および照明装置の提供を目的とする。【００４２】
また、本発明は、レーザ光源から放射される不均一な光強度分布の発散光を、最大拡散角が１２°以上で、かつ高い集光効率を維持しつつ照射平面に光強度分布８５％以上の均一性で投影できるホモジェナイザ、並びにそれを用いた照明光学系および照明装置の提供を目的とする。特に、半導体レーザ光源から放射されるガウシアン強度分布の発散光に対して上記の特性を示すホモジェナイザ、並びにそれを用いた照明光学系および照明装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４３】
本発明によるホモジェナイザは、光入射側に配置される第１の凸レンズアレイと、光出射側に配置される第２の凸レンズアレイを含む凸レンズアレイ対を備え、前記第１の凸レンズアレイと前記第２の凸レンズアレイは、互いのレンズ面が外向きまたは内向きに対向するように配置され、前記第１の凸レンズアレイは一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第１の凸レンズを有し、前記第２の凸レンズアレイは一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第２の凸レンズを有し、前記第１の凸レンズと、前記第２の凸レンズとが、対向しつつ対称軸を共有する凸レンズ対をなしており、前記第１の凸レンズは、前記対称軸を含むレンズ断面において、前記レンズ断面におけるレンズ面中心部領域に入射する前記対称軸に平行な入射光に対する内部平均伝搬角が、球面凸レンズの同領域での内部平均伝搬角の１．３倍以上であることを特徴とする。【００４４】
また、本発明によるホモジェナイザは、光入射側に配置される第１の凸レンズアレイと、光出射側に配置される第２の凸レンズアレイをそれぞれ含む凸レンズアレイ対を二組備え、前記凸レンズアレイ対の各々において、前記第１の凸レンズアレイと前記第２の凸レンズアレイは、互いのレンズ面が外向きまたは内向きに対向するように配置され、前記第１の凸レンズアレイは、一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第１の凸レンズを有し、各第１の凸レンズは凸型のシリンドリカルレンズであり、前記複数の第１の凸レンズは、各々のレンズ作用を有する軸方向が平行になるように配置され、前記第２の凸レンズアレイは、一方の面にアレイ状に配置された同一形状の複数の第２の凸レンズを有し、各第２の凸レンズは凸型のシリンドリカルレンズであり、前記複数の第２の凸レンズは、各々のレンズ作用を有する軸方向が平行になるように配置され、前記凸レンズアレイ対の各々において、前記第１の凸レンズと、前記第２の凸レンズとが、対向しつつ対称面を共有する凸レンズ対をなしており、二組の凸レンズアレイ対は、レンズ作用を有する軸方向が互いに９０°異なるように入射光の光進行方向である光軸方向に直列に配置され、前記凸レンズアレイ対の各々において、各々の凸レンズの母線方向に垂直な断面をレンズ断面、当該レンズ断面における対称面の位置を対称軸とすると、前記第１の凸レンズは、前記レンズ断面におけるレンズ面中心部領域に入射する前記対称軸に平行な入射光に対する内部平均伝搬角が、球面凸レンズの同領域での内部平均伝搬角の１．３倍以上となるように構成されてもよい。【００４５】
本発明による照明光学系は、不均一の光強度分布を有する発散光を出射するレーザ光源と、上記のいずれかのホモジェナイザとを含み、レーザ光源から出射される発散光は、ホモジェナイザに入射した後、より広角な発散光となってホモジェナイザから出射された結果、所定の照射平面において均一な光強度分布で拡大投影されることを特徴とする。【００４６】
本発明による照明装置は、上記の照明光学系を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４７】
本発明によれば、小型で利用効率がよく、かつ照射面において高い均一性を示す光照射が可能なホモジェナイザ、照明光学系および照明装置を提供できる。【００４８】
また、本発明によれば、レーザ光源から放射される不均一な光強度分布の発散光を、最大拡散角が１２°以上で、かつ高い集光効率を維持しつつ照射平面に光強度分布８５％以上の均一性で投影できるホモジェナイザ、並びにそれを用いた照明光学系および照明装置を提供できる。特に、半導体レーザ光源から放射されるガウシアン強度分布の発散光に対して上記の特性を示すホモジェナイザ、並びにそれを用いた照明光学系および照明装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は第１の実施形態のホモジェナイザの例を示す断面図および平面図である。
【図２】図２は凸レンズ１２１ａの断面図および平面図である。
【図３】図３は一つの凸レンズ対（対をなす凸レンズ１２１ａおよび凸レンズ１２１ｂ）による対称軸と平行な入射光の伝搬作用を模式的に示す説明図である。
【図４】図４は一つの凸レンズ対のレンズ作用を示す断面図である。
【図５】図５は第２の実施形態のホモジェナイザ２２における凸レンズ２２１ａの例を示す模式断面図および模式平面図である。
【図６】図６は一つの凸レンズ対（対をなす凸レンズ２２１ａおよび凸レンズ２２１ｂ）による対称軸と平行な入射光の伝搬作用を模式的に示す説明図である。
【図７】図７は第３の実施形態におけるホモジェナイザ３２の斜視図である。
【図８】図８はホモジェナイザ３２ｘの例を示す断面図および平面図である。
【図９】図９はホモジェナイザ３２ｙの例を示す断面図および平面図である。
【図１０】図１０は第４の実施形態における照明装置１００の例を示す断面図である。
【図１１】図１１は第５の実施形態における照明装置１１０の例を示す断面図である。
【図１２】図１２は実施例１−１〜１−１０のホモジェナイザ１２における各々の凸レンズ１２１ａのレンズ形状を示す説明図である。
【図１３】図１３は第１の実施例のホモジェナイザ１２内部の伝搬光の進行方向の角度（θ１−θ２）の計算結果を示すグラフである。
【図１４】図１４は第１の実施例のホモジェナイザ１２を用いた照明装置１００による照射平面１７上の光強度分布の計算結果を示すグラフ（１）である。
【図１５】図１５は第１の実施例のホモジェナイザ１２を用いた照明装置１００による照射平面１７上の光強度分布の計算結果を示すグラフ（２）である。
【図１６】図１６は第１の実施例のホモジェナイザ１２を用いた照明装置１００による照射平面１７上の光強度分布の計算結果を示すグラフ（３）である。
【図１７】図１７は参考例１〜４のホモジェナイザを用いた照明装置１００による照射平面１７上の光強度分布の計算結果を示すグラフである。
【図１８】図１８は実施例１−５のホモジェナイザを用いた照明装置１００による照射平面の光強度分布（規格化）を階調表示により模式的に示す説明図である。
【図１９】図１９は比較例１のホモジェナイザを用いた照明装置１００による照射平面の光強度分布（規格化）の階調表示により模式的に示す説明図である。
【図２０】図２０は第３の実施例のホモジェナイザ３２の、１つのシリンドリカルレンズアレイの作製方法の例を示す説明図である。
【図２１】図２１は第３の実施例のホモジェナイザを用いた照明装置１００による照射平面の光強度分布（規格化）を階調表示により模式的に示す説明図である。
【図２２】図２２は第４の実施例のホモジェナイザ３２の、１つのシリンドリカルレンズアレイの作製方法の例を示す説明図である。
【図２３】図２３は液晶プロジェクタに用いられる照明光学系の一例を示す断面図である。
【図２４】図２４はホモジェナイザ５２のより詳細な構成例を示す説明図である。
【図２５】図２５は紫外線露光装置に用いられる照明光学系の一例を示す断面図である。
【図２６】図２６はホモジェナイザ６２のより詳細な構成例を示す説明図である。
【図２７】図２７はホモジェナイザ６２における一つの凸レンズ対（対をなす凸レンズ６２１ａおよび６２１ｂ）の入出射面と照射面との関係を示す説明図である。
【図２８】図２８はレーザアレイ光源の一例を示す断面図および平面図である。
【図２９】図２９は拡散性微小面光源から出射される光束の光源の出射面と対向する照射面での光強度がコサイン４乗則に従う様子を示す模式図およびグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
［実施形態１］
以下、図面を参照して本発明の実施形態の例について説明する。図１は、第１の実施形態のホモジェナイザの例を示す断面図および平面図である。図１に示すように、本実施形態のホモジェナイザ１２は、平板状の透光性基板１０の２つの表面（第１面および第２面）に第１の凸レンズアレイ１２ａと第２の凸レンズアレイ１２ｂとを備える。
【００５１】
第１の凸レンズアレイ１２ａおよび第２の凸レンズアレイ１２ｂにおいて、各レンズアレイを構成する個々の凸レンズ１２１ａと凸レンズ１２１ｂとが互いに対をなしている。より具体的には、第１の凸レンズアレイ１２ａおよび第２の凸レンズアレイ１２ｂはそれぞれ、隣接する凸レンズ間に平坦部が少ないギャップレスのレンズアレイであって、第１の凸レンズアレイ１２ａを構成する凸レンズ１２１ａの各々は、対をなす凸レンズ１２１ｂと、レンズの対称軸およびＸＹ面内の幅Ｗ（ＷｘとＷｙ）が一致している。ここで、レンズの対称軸は、光軸と同義であり、レンズの中心軸または少なくとも２回対称性を有する対称軸をいう。
【００５２】
凸レンズ１２１ａと凸レンズ１２１ｂ間の対称軸の軸ずれは、レンズ幅に対して５％以下が好ましく、２％以下がより好ましい。また、凸レンズアレイ１２ａおよび１２ｂにおいて、隣接凸レンズ間に生じる所望の凸レンズ形状から逸脱した形状となる境界部の幅Ｇ（後述の図３参照）が、レンズ幅に対して５％以下（すなわち１つの凸レンズにつき、２．５％以下（Ｇ／２／Ｗ×１００＝５／２＝２．５））が好ましく、２％以下（凸レンズ１つにつき１％以下）がより好ましい。例えば、Ｗ＝１００μｍの場合、Ｇ≦５μｍとなる。
【００５３】
本実施形態のホモジェナイザ１２では、第１の凸レンズアレイ１２ａの各々の凸レンズ１２１ａに光源からの光が最大入射角α（レーザ光源の場合、上記の最大放射角δに相当）で入射すると、各々の凸レンズ１２１ａ表面で屈折して透光性基板１０内を伝搬し、第２の凸レンズアレイ１２ｂの各々の凸レンズ１２１ｂ表面に到達する。すると、該光は、各々の凸レンズ１２１ｂ表面で屈折して、最終的に最大拡散角βの発散光となって出射する。
【００５４】
ここで、各々の凸レンズ１２１ａのレンズ表面形状および基板厚（第１の凸レンズアレイ１２ａと第２の凸レンズアレイ１２ｂとの距離）を、上記のホモジェナイザ５２，６２と同様、各々の凸レンズ１２１ａへの入射光が、それと対を成す凸レンズ１２１ｂの有効面に到達するように設定する。
【００５５】
図２は、第１の凸レンズアレイ１２ａが有する各々の凸レンズ１２１ａの断面図および平面図である。図２の（ａ）に示すように、本実施形態のホモジェナイザ１２は、入射側に配置される第１の凸レンズアレイ１２ａの各々の凸レンズ１２１ａの断面形状が、従来のホモジェナイザと異なる。より具体的に、各々の凸レンズ１２１ａは、最大拡散角βが略等しい従来の凸レンズの断面形状すなわち外周部付近の傾斜が同じ程度の球面凸レンズ９２１の断面形状と比べて、対称軸近傍の表面の平坦部面積が狭く、かつ平坦部以外の対称軸近傍の表面がより傾斜している。すなわち、各々の凸レンズ１２１ａは、断面形状が錐体状の円錐レンズに近く、その頂部近傍に曲率半径が小さな曲面を有する。
【００５６】
図２の（ａ）および（ｂ）では、凸レンズ１２１ａの対称軸を基準にしたレンズ曲面の深さ（サグ値）分布を等高線（点線）により示している。また、図２の（ａ）では、比較のため、球面凸レンズ９２１の断面形状を破線で示している。
【００５７】
凸レンズ１２１ａおよび凸レンズ１２１ｂの表面形状は、対称軸からの動径方向の半径ｒにおけるサグ値Ｚを示す非球面レンズ式である式（２）を用いて表現できる。
【００５８】
【数１】
2019182073.tif 000003
【００５９】
ここで、ｃは曲率半径Ｒの逆数（ｃ＝１／Ｒ）、ｋはコーニック定数、α１〜α4は非球面定数である。サグ値Ｚは凸レンズの深さに相当し、対称軸（ｒ＝０）を基準（Ｚ＝０）として、ｒの増加とともに減少（Ｚ＜０）する。ここで、半径ｒ、曲率半径Ｒ、サグ値Ｚは長さを単位とし、本例ではμｍ単位の数値とする。なお、コーニック定数ｋは無次元の数値である。
【００６０】
非球面定数の高次項を増やすことで多様なレンズ曲面を設定できるが、ここでは非球面定数を用いない（α１〜α４＝０）で、曲率半径Ｒとコーニック定数ｋで近似する非球面レンズ形状を前提として、凸レンズ１２１ａおよび凸レンズ１２１ｂのパラメータ（曲率半径、コーニック定数）をそれぞれ（Ｒ１、ｋ１）および（Ｒ２、ｋ２）で示す。なお、凸レンズ１２１ａの曲率半径がＲ１、コーニック定数がｋ１であり、凸レンズ１２１ｂの曲率半径がＲ２、コーニック定数がｋ２である。
【００６１】
式（２）は、ｒ＝０を対称軸とする回転対称の凸レンズ形状を表すが、凸レンズ１２１ａおよび１２１ｂは、ＸＺ断面またはＹＺ断面のいずれか一方のみが凸レンズ形状で、他方の断面ではレンズ曲面形状を有しないシリンドリカルレンズとしてもよい。その場合、サグ値Ｚは、式（２）において動径方向の半径ｒの代わりに凸レンズ形状を成すＸ軸座標ｘまたはＹ軸座標ｙを用いることにより表される。
【００６２】
入射光として最大拡散角αが１０°以上といった広角の発散光が入射する場合、入射光を、入射側の第１の凸レンズアレイ１２ａの各々の凸レンズ１２１ａにより、対をなす凸レンズ１２１ｂの開口部に集光するためには、各々の凸レンズ１２１ａとして、開口数が大きなレンズが必要となる。このとき、凸レンズ１２１ａの開口数ＮＡ１は、（３）式で規定される。
【００６３】
ＮＡ１＝Ｗ／（２ｆ１）  ・・・（３）
【００６４】
また、凸レンズ１２１ｂの開口部に入射した該光を、最大拡散角β≧１０°といった広角の発散光に変換して照射平面に拡大投影するためには、各々の凸レンズ１２１ｂとして、開口数が大きなレンズが必要となる。このとき、凸レンズ１２１ｂの開口数ＮＡ２は、（４）式で規定される。
【００６５】
ＮＡ２＝Ｗ／（２ｆ２）  ・・・（４）
【００６６】
式（３）および式（４）において、Ｗは凸レンズ有効面の最大幅（最大直径）、ｆ１は凸レンズ１２１ａの焦点距離、ｆ２は凸レンズ１２１ｂの焦点距離である。なお、入射側の媒質を空気とし、屈折率ｎの凸レンズ１２１ａに対称軸と平行に入射した後、対をなす屈折率ｎの凸レンズ１２１ｂ内に集光するとしたとき、Ｗの小さな近軸領域の焦点距離ｆ１、ｆ２は、次式で近似される。
【００６７】
ｆ１≒ｎ・Ｒ１／（ｎ−１）  ・・・（５−１）
ｆ２≒ｎ・Ｒ２／（ｎ−１）  ・・・（５−２）
【００６８】
式（５−１）及び（５−２）から分かるように、Ｗの小さな近軸領域の焦点距離ｆ１、ｆ２はコーニック定数に影響されない。
【００６９】
したがって、開口数ＮＡの大きな凸レンズであっても、コーニック定数ｋが負の値の非球面レンズを用いることで、レンズ外周部でレンズ面傾斜角が急激に増加して集光性が劣化する球面レンズと比べて、集光性を改善できる。コーニック定数ｋは、具体的には、０≧ｋ≧−３が好ましく、−０．５≧ｋ≧−２．５がより好ましい。ｋ＝−１は放物面、ｋ＝−２は双曲面に相当する。上記ｋの条件は、開口数ＮＡの大きな凸レンズの集光性向上に有効な非球面レンズの条件として、ｋ１、ｋ２のいずれにも適用されうる。なお、上記ｋの条件は、α＜１０°やβ＜１０°の場合も適用可能であるが、特に、α≧１０°の場合、出射側の凸レンズ１２１ｂのコーニック定数ｋ２を上記条件を満たすようにするとよい。凸レンズ１２１ａのコーニック定数ｋ１については、後述する条件がより優先的に適用される。
【００７０】
本実施形態のホモジェナイザ１２に用いる第１の凸レンズアレイ１２ａを構成する凸レンズ１２１ａは、光強度分布がガウシアン分布に近似されるような狭い配光角度分布の発散光が入射することを前提に、発散入射光の配光角度分布を変換して凸レンズ１２１ｂに集光させて、最終的に照射平面への均一照射を実現するためのものである。したがって、単に凸レンズ１２１ｂへの集光性向上のみを目的とする凸レンズとは好ましい形状が異なる。
【００７１】
図３に、本実施形態のホモジェナイザ１２における凸レンズ対（対をなす凸レンズ１２１ａおよび凸レンズ１２１ｂ）による対称軸と平行な入射光の伝搬作用を模式的に示す。図３には、ホモジェナイザ１２において凸レンズ対を構成する一対の凸レンズ１２１ａと１２１ｂの断面が模式的に示されている。図３に示すように、動径距離ｒにおける凸レンズ１２１ａの傾斜角は、サグ値Ｚ（ｒ）を有する凸レンズの入射角θ１に相当する。したがって、凸レンズ１２１ａに入射する対称軸と平行な入射光は、サグ値Ｚ（ｒ）の位置において、入射角θ１で入射する光となり、入射光に対する当該凸レンズの屈折率ｎに応じて、スネル屈折則ｓｉｎ（θ１）＝ｎ・ｓｉｎ（θ２）を満たす屈折角θ２で凸レンズ内を伝搬する。その後、後段の凸レンズ１２１ｂの表面で屈折して、対称軸との成す角度θ３で出射する。屈折率ｎのホモジェナイザ１２内部の伝搬光は、Ｚ軸に対して角度｜θ１−θ２｜を成すため、凸レンズ１２１ａの入射面と、伝搬光と対称軸の交点との間のＺ軸方向（対称軸方向）の距離はＬｚ＝ｒ／ｔａｎ｜θ１−θ２｜で表される。Ｌｚは、０≦ｒ≦（Ｗ−Ｇ／２）／２の動径距離ｒに対し、ホモジェナイザ１２の厚さＴ（各凸レンズ対における対称軸方向の最大距離）の０．５〜２．０倍の範囲が好ましく、０．７〜１．２倍の範囲がさらに好ましい。なお、上記Ｌｚについての記載は、交点が凸レンズ１２１ｂの出射面後（Ｌｚ≧Ｔ）となる場合も該当する。
【００７２】
さらに、各々の凸レンズ１２１ａは、レンズ面中心部領域の平均傾斜角が球面レンズの同領域の平均傾斜角より大きな値であるとともに、レンズ面外周部領域の平均傾斜角が球面レンズと同程度である非球面レンズ形状とする。ここで、レンズ面中心部領域は、ＸＹ面内の最大幅がＷｍａｘ（図２の（ｂ）参照）となる対称軸を含む断面において、対称軸からの動径距離ｒが、対称軸からの最大動径距離Ｗｍａｘ／２の５０％以下（０≦ｒ≦Ｗｍａｘ／４）の領域をいう。また、レンズ面外周部領域は、動径距離ｒが最大動径距離Ｗｍａｘ／２の５０％以上（Ｗｍａｘ／４≦ｒ≦Ｗｍａｘ／２）の領域をいう。
【００７３】
なお、レンズ面の中心部領域を０≦ｒ／（Ｗｍａｘ／２）≦χ、レンズ面の外周部領域を（１−χ）≦ｒ／（Ｗｍａｘ／２）≦１として、０＜χ≦０．５を満たすχの値でそれぞれ規定してもよい。例えば、χ＝０．１、０．２、０．３、０．４、０．５としてもよい。いずれのχの設定値においても、球面レンズのレンズ面中心部領域の平均傾斜角に対する凸レンズ１２１ａのレンズ面中心部領域の平均傾斜角の比率Ａｒ１を、１より大きな値とするとともに、球面レンズのレンズ面外周部領域の平均傾斜角に対する凸レンズ１２１ａのレンズ面外周部領域の平均傾斜角の比率Ａｒ２を１程度とする。例えば、入射光の波長帯に対する屈折率ｎ＝１．５の凸レンズ１２１ａの場合、Ａｒ１を１．３〜３．２の範囲とし、かつＡｒ２を０．６〜１．１の範囲とすることが好ましい。
【００７４】
このように本実施形態では、凸レンズ１２１ａの曲率半径Ｒ１を、対を成す凸レンズ１２１ｂの曲率半径Ｒ２より小さな値とすることで対称軸近傍の平坦領域を減らしている。曲率半径Ｒ１とＲ２の比Ｒ１／Ｒ２は、０．３〜０．７の範囲が好ましく、０．４〜０．６の範囲がさらに好ましい。
【００７５】
このとき、屈折率ｎ≒１．５の凸レンズ１２１ｂの曲率半径Ｒ２は、当該凸レンズ１２１ｂのＸＹ面内の最大幅Ｗｍａｘに対して、Ｒ２／Ｗｍａｘ≧０．５が好ましく、Ｒ２／Ｗｍａｘ≧０．９がより好ましい。このようなＲ２／Ｗｍａｘによれば、上述した式（４）、（５−２）より、ＮＡ２≦０．３３が好ましく、ＮＡ２≦０．１９がより好ましい。このとき、θ３＝ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ２）が１０°以上となる。なお、ＮＡ２＝０．３３でθ３≒１９°、ＮＡ２＝０．１９でθ３≒１１°である。このとき、Ｗｍａｘは０．０５〜０．５ｍｍの範囲であってもよい。なお、屈折率ｎが１．５より大きな凸レンズ１２１ｂを用いると、Ｒ２／Ｗｍａｘが同じ値でもＮＡ２が大きな値となる。
【００７６】
また、凸レンズ１２１ａのレンズ面外周部領域の傾斜角に関係するコーニック定数ｋ１は、対を成す凸レンズ１２１ｂのコーニック定数ｋ２より小さな負の値とすることが好ましい。具体的には、ｋ＝０の球面凸レンズの開口部（レンズ外周部）におけるレンズ面傾斜角より小さな傾斜角となるよう、曲率半径Ｒ１に応じてコーニック定数ｋ１を設定するのが好ましい。このとき、凸レンズ１２１ｂのコーニック定数ｋ２は、−３〜０の範囲（−３≦ｋ２≦０）であってもよい。また、例えば、屈折率ｎ≒１．５の凸レンズ１２１ａのコーニック定数ｋ１は、−３〜−７の範囲であってもよく、−３〜−４の範囲がより好ましい。
【００７７】
凸レンズ１２１ａの傾斜角θ１の箇所における対称軸と平行な入射光の屈折角θ２は屈折率ｎに依存し、ホモジェナイザ内部の伝搬光の角度｜θ１−θ２｜も変化する。したがって、ホモジェナイザ１２の厚さＴと凸レンズ１２１ａおよび凸レンズ１２１ｂの幅（ＷｘとＷｙ）を従来と同一とし、前述の屈折率ｎ≒１．５と異なる透光性材料を用いて従来のホモジェナイザと同様の光学機能を実現するためには、角度｜θ１−θ２｜が比較対象とされる屈折率ｎ≒１．５のホモジェナイザと同一となるように凸レンズ１２１ａおよび凸レンズ１２１ｂのサグ値Ｚ（ｒ）を調整すればよい。
【００７８】
凸レンズ１２１ａおよび凸レンズ１２１ｂのサグ値Ｚ（ｒ）の調整は、より具体的には、α１〜α4＝０とした（２）式において、曲率半径Ｒ１およびＲ２とコーニック定数ｋ１およびｋ２を調整する。
【００７９】
屈折率ｎが大きなほど、角度｜θ１−θ２｜が同一となる凸レンズ面の傾斜角が低下し、凸レンズ１２１ａの最大サグ値Ｓａおよび凸レンズ１２１ｂの最大サグ値Ｓｂ（図３参照）を小さくできるため、ホモジェナイザ１２の加工性が向上する。第１の凸レンズアレイ１２ａおよび第２の凸レンズアレイ１２ｂの屈折率ｎは、例えば、１．６〜２．１であってもよい。その場合、第１の凸レンズアレイ１２ａおよび第２の凸レンズアレイ１２ｂが加工される透光性基板１０は、凸レンズアレイと屈折率の異なる透光性無機材料であってもよい。例えば、屈折率ｎ≒１．５の透光性ガラス基板の両面に、屈折率ｎ＝２．１の透光性誘電体を最大サグ値Ｓａの第１の凸レンズアレイ１２ａおよび最大サグ値Ｓｂの第２の凸レンズアレイ１２ｂとなるように形成してもよい。
【００８０】
次に、図４を参照して、ホモジェナイザ１２における一つの凸レンズ対の作用について説明する。図４の（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のホモジェナイザ１２の凸レンズ対（対をなす凸レンズ１２１ａおよび凸レンズ１２１ｂ）のレンズ作用を示す断面図である。図４の（ａ）〜（ｃ）では、それぞれ注目する光路を斜線パターンで示している。図４の（ａ）に示す例は、凸レンズ１２１ａの対称軸位置（レンズ面中心部）に入射する対称軸に略平行な入射光束に対する作用例であり、図４の（ｂ）および（ｃ）に示す例は、凸レンズ１２１ａの対称軸外に入射する対称軸に略平行な入射光束に対する作用例である。
【００８１】
図４の（ａ）に示すように、凸レンズ１２１ａの対称軸位置に略平行に入射する光束は、凸レンズ１２１ａの平坦部に入射するため、従来のホモジェナイザと同等の、狭角の拡散角で対をなす凸レンズ１２１ｂから出射する。一方、対称軸位置より少し外れた凸レンズ１２１ａの傾斜面に略平行に入射する光束は、図４の（ｂ）および（ｃ）に示すように、拡散角の幅（すなわち、光束の拡がり度合い）は変わらないが、凸レンズ１２１ａによる屈折作用が大きいため進行方向がより外向き（すなわち、広角となる方向）に変化し、対をなす凸レンズ１２１ｂへは対称軸からより外側にずれた領域に入射する。その結果、対をなす凸レンズ１２１ｂによってより大きな拡散角の発散光となって出射する。なお、レンズ面の対称軸近傍をより多くの平坦面が占める従来のホモジェナイザでは、凸レンズ１２１ａの対称軸近傍の対称軸から外れた領域に略平行な入射光束が入射しても、図４の（ａ）相当の狭い拡散角の出射光となる。
【００８２】
このように、本実施形態では、凸レンズ１２１ａのレンズ面の特に対称軸近傍の領域（レンズ面中心部領域）の傾斜を大きくすることにより、入射拡散光のうち各凸レンズ１２１ａの対称軸に略平行で対称軸近傍のレンズ面に入射する光束を、従来のホモジェナイザに比べて拡散角の大きな（広角の）発散光に変換して、対をなす凸レンズ１２１ｂから出射するようにしている。
【００８３】
図４の（ｂ）および（ｃ）の斜線パターンで例示するように、各々の凸レンズ１２１ａの対称軸近傍領域を直進透過する光束成分を、従来よりも拡散角の広い発散光に変換する。そのため、発散光束の中心角度軸が光強度分布の最大値となるガウシアン分布に近似されるような狭い配光角度分布の光強度分布をもつ出射光のＬＤ光源を用いる場合、照射面の光強度分布の調整に有効である。特に、狭い配光角度分布の光強度分布を有する発散光を、複数の凸レンズ対からの出射光の重ね合わせにより広角の発散光に変換して所定の照射平面を均一照明する場合、図２９の（ｂ）に示すように対称軸からの動径方向の角度θの増加に伴い凸レンズ１２１ｂからの出射光の光強度はコサイン４乗則に沿って低下する。すると、各々の凸レンズ１２１ｂからの光強度分布は裾側に行くほど光強度が小さくなりやすい。一方で、本実施形態のホモジェナイザ１２を用いることにより、ホモジェナイザ１２の入射光の配光角度分布に対する各々の凸レンズ１２１ｂへの入射光の光強度分布を、凸レンズ１２１ｂと対をなす凸レンズ１２１ａのレンズ面形状（特に中心部領域の傾斜角）やホモジェナイザ１２の入射光の波長帯に対する屈折率ｎにより調整できる（特に、対称軸付近の入射光束をより動径方向に拡散させられる）ため、均一性が改善できる。
【００８４】
一例として、ホモジェナイザ１２において、凸レンズ１２１ａの対称軸を含むレンズ面中心部領域へ入射する対称軸に平行な入射光のレンズ内部伝搬角｜θ１−θ２｜の平均（以下、レンズ内部平均伝搬角という）が、球面レンズのレンズ内部平均伝搬角の１．３倍以上となるように、凸レンズ１２１ａの中心部領域の傾斜角（例えば、曲率Ｒ１、コーニック定数ｋ１）や屈折率ｎを調整してもよい。
【００８５】
後述の実施例でも示すが、本実施形態のホモジェナイザ１２によれば、例えば、レーザ光源から出射される最大拡散角αが１２°程度のガウシアン分布を有する入射光に対して、最大拡散角βが１２°以上でかつ所定の照射平面における光強度分布が８５％以上や９０％以上である発散光を出射できる。ここで、光強度分布とは、所定の照射平面において中心の光強度を１００％としたときの、該照射平面において光強度が最も小さい位置の光強度をいう。
【００８６】
例えば、放射角の大きい入射光（例えば、α≧１０°）をホモジェナイザ１２が同等もしくはそれ以上の拡散角（例えば、β≧１０°）でかつ照射平面に均一照射される発散光に変換して出射することを考えた場合、球面レンズを有する従来のレンズアレイ対では、照射面での強度分布を均一化しようとしても有効な特性は得られない。一方で、本実施形態のレンズ形状によれば、そのような放射角の大きな入射光に対しても広い角度範囲への均一照射を実現できる。
【００８７】
なお、第１の凸レンズアレイ１２ａに入射する光のうち発散光成分は、各々の凸レンズ１２１ａの焦点面の軸外に集光するが、該光が凸レンズ１２１ａと対を成す凸レンズ１２１ｂ面内に集光するように、凸レンズ１２１ａのレンズ面形状が調整される点は従来と同様である。
【００８８】
［実施形態２］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は、第２の実施形態のホモジェナイザ２２の第１の凸レンズアレイ２２ａを構成する凸レンズ２２１ａの例を示す模式断面図および模式平面図である。図５に示すように、本実施形態のホモジェナイザ２２は、第１の実施形態のホモジェナイザ１２と比べ、光入射側の第１の凸レンズアレイ２２ａを構成する各々の凸レンズ２２１ａの構成および作用が異なる。なお、透光性基板２０および光出射側の第２の凸レンズアレイ２２ｂを構成する凸レンズ２２１ｂの構成および作用は第１の実施形態の透光性基板１０および光出射側の第２の凸レンズアレイ１２ｂを構成する凸レンズ１２１ｂと同じである。
【００８９】
本実施形態の凸レンズ２２１ａは、対称軸近傍の略平坦なレンズ表面領域（例えば、レンズ面中心部領域）に位相回折格子２３が形成されている。図５の（ａ）には、凸レンズ２２１ａの対称軸を基準にしたレンズ曲面の深さ（サグ値）分布が等高線（点線）で示されている。また、図５の（ｂ）には、凸レンズ２２１ａ表面に同心円の溝が加工された位相回折格子２３の凹部が黒太線で示されている。
【００９０】
図５の（ａ）に示すように、凸レンズ２２１ａのレンズ面中心部領域にＺ軸方向に入射する光は、位相回折格子２３の凹凸部の周期Ｐおよび入射光の波長λに応じて、式（６）で規定する回折角γｍの方向に回折する光となって透光性基板２０内を伝搬する。
【００９１】
ｓｉｎ（γｍ）＝ｍ・λ／（ｎ・Ｐ）  ・・・（６）
【００９２】
ここで、ｎは凸レンズ２２１ａの屈折率、ｍは回折次数（整数値）である。式（６）は、位相回折格子２３の周期Ｐおよび屈折率ｎによりｍ次回折光の回折角γｍを調整できることを示している。また、位相回折格子２３の凹部の深さｄにより凹部と凸部の透過光の位相差２π（ｎ−ｎ０）・ｄ／λが変化し、ｍ次回折光の回折効率を調整できる。ｎｏは凹部の屈折率（空気の場合は１）である。
【００９３】
例えば、位相回折格子２３の凹部と凸部の幅が同じで断面が矩形形状の場合、発生する回折光は０次と奇数次のみとなる。さらに、位相差がπとなる凹部深さｄ＝λ／｛２（ｎ−ｎ０）｝で、０次透過光が最少となり、±１次回折効率が最大略４０％となる。｜ｍ｜≧３の奇数次回折光は±１次回折効率にｍ−２を乗じた効率となる。位相差が０〜πとなる凹部深さｄとすることで、０次透過光と±１次回折光の光量を調整できる。
【００９４】
図６において斜線パターンで例示するように、凸レンズ２２１ａの対称軸近傍のレンズ面表面に、対称軸と略平行に入射する光束は、位相回折格子２３による回折作用により回折されて進行方向がより外向き（すなわち、広角となる方向）に変化し、対をなす凸レンズ２２１ｂへは対称軸からより外側にずれた領域に入射する。その結果、凸レンズ２２１ｂによってより大きな拡散角の発散光となって出射する。図６には、位相回折格子２３の位相差がπの場合に出射される±１次回折光の光束が例示されている。なお、位相回折格子２３の位相差を０〜πの範囲に設定することにより、０次透過光の光束も発生し、０次透過光と±１次回折光の光量比を変化させることができる。これにより、凸レンズ２２１ｂのレンズ面に入射させる光の光強度分布（すなわち拡散角に対応した入射位置に対する光強度分布）、ひいては照射面の光強度分布を調整することができる。
【００９５】
すなわち、本実施形態のホモジェナイザ２２によれば、ホモジェナイザ２２の入射光の配光角度分布に対する各々の凸レンズ２２１ｂへの入射光の光強度分布を、位相回折格子２３を用いて調整できるため、均一性が改善できる。
【００９６】
なお、図５に示す例では、位相回折格子２３の凹凸部を凸レンズ２２１ａの対称軸を中心とする一定周期Ｐの同心円状としたが、周期Ｐを動径方向で変化させて回折角を調整することも可能である。また、凹部の断面形状を鋸波状としたブレーズ回折格子あるいは鋸波を階段状ステップに分割した疑似ブレーズ回折格子とすることで、特定回折次数の回折効率を高くすることも可能である。
【００９７】
一例として、凸レンズ１２１ａを用いた第１の実施形態のホモジェナイザ１２により得られる光学機能を、凸レンズ２２１ａを用いた第２の実施形態のホモジェナイザ２２で実現できるように位相回折格子２３を設計してもよい。
【００９８】
図３に示したように、第１の実施形態のホモジェナイザ１２では、凸レンズ１２１ａの動径距離ｒの位置に対称軸と平行に入射した光は、凸レンズ１２１ａの屈折作用によりホモジェナイザ内部を対称軸と角度｜θ１−θ２｜を成す方向に伝搬する。したがって、第２の実施形態のホモジェナイザ２２で同様の効果を実現するためには、位相回折格子２３が形成される凸レンズ２２１ａの中心部領域を０≦ｒ／（Ｗｍａｘ／２）≦χ（ただし、０＜χ≦０．５）とすると、凸レンズ２２１ａの屈折および回折作用によりホモジェナイザ内部を伝搬する光線の角度｜θ１−θ２｜が凸レンズ１２１ａを用いた場合の角度｜θ１−θ２｜と同一となるように、位相回折格子２３の形状およびレンズ面外周部領域の平均傾斜角を調整すればよい。
【００９９】
位相回折格子２３の断面形状および格子深さに応じて、複数の回折次数ｍの回折光（ｍ＝０、±１、±２、・・・）が発生するため、ホモジェナイザ内部を伝搬する光線の角度｜θ１−θ２｜が複数発生する場合は、各回折次数の回折効率を考慮した平均角度｜θ１−θ２｜が凸レンズ１２１ａを用いた場合の角度｜θ１−θ２｜と同一となる位相回折格子２３とすればよい。特定の回折次数ｍ（ｍ≠０）の回折効率が８０％以上となるブレーズ位相回折格子あるいは疑似ブレーズ位相回折格子は、屈折レンズと回折レンズを併用した機能を有する。位相回折格子２３は凸レンズ２２１ａの中心部領域における直進透過光成分を低減する目的であるため、χは０．０５≦χ≦０．３がより好ましい。
【０１００】
なお、第１および第２の実施形態のホモジェナイザ以外にも、光入射側の第１の凸レンズアレイを構成する各々の凸レンズの対称軸近傍の表面（特に平坦に近い領域）に入射する直進透過光の一部を拡散光（すなわち、対となる光出射側の凸レンズのレンズ面において対称軸位置を外した位置に入射する光）とする表面形状であれば、同様の均一拡散照明機能が得られる。
【０１０１】
［第３の実施形態］
第１および第２の実施形態のホモジェナイザ（１２、２２）は、レンズ曲面が軸対称でＸＹ平面の外形が四角形（Ｗｘ×Ｗｙ）の凸レンズをそれぞれアレイ状に加工した第１の凸レンズアレイ（１２ａ、２２ａ）と第２の凸レンズアレイ（１２ｂ、２２ｂ）とで構成されるため、凸レンズ面の最大直径および最大深さ（最大サグ値）は四角形の対角方向となる。外形が正方形（Ｗ＝Ｗｘ＝Ｗｙ）の場合、各凸レンズの最大幅（Ｗｍａｘ）は式（７）で表される。また、球面レンズでは正方形の辺（Ｘ軸およびＹ軸）方向に比べてレンズ深さは２倍となる。
【０１０２】
【数２】
2019182073.tif 000004
【０１０３】
また、凸レンズアレイの各々において、四角形凸レンズの角部で最大傾斜角の４個の凸レンズ面が不連続的に交わり最大サグ値の構造となるため、レンズ形状を精度良く加工することが困難となり、連続的に傾斜角が変化する凹面領域が生じやすい。その結果、特に最大拡散角β≧１５°の広角で照射平面を均一に照明することを目的とする場合、所望の特性を実現するホモジェナイザが得られない場合がある。このような課題を解決するために、第３の実施形態におけるホモジェナイザ３２では、面対称の凸レンズ断面形状を有する（すなわち凸型の）シリンドリカルレンズアレイを用いる。
【０１０４】
図７は、第３の実施形態におけるホモジェナイザ３２の斜視図である。図７に示すように、本実施形態のホモジェナイザ３２は、Ｘ軸方向にのみレンズパワーを有するＸ軸用のホモジェナイザ（凸レンズアレイ対）３２ｘと、Ｙ軸方向にのみレンズパワーを有するＹ軸用のホモジェナイザ（凸レンズアレイ対）３２ｙを含む一対のホモジェナイザにより構成される。ホモジェナイザ３２ｘとホモジェナイザ３２ｙとは、レンズ作用を有する軸方向が互いに９０°異なるように、光進行方向である光軸方向に直列に配置されている。なお、レンズパワーをレンズ作用とも呼ぶ。
【０１０５】
図８は、ホモジェナイザ３２ｘの例を示す断面図および平面図である。また、図９は、ホモジェナイザ３２ｙの例を示す断面図および平面図である。
【０１０６】
図８に示すように、ホモジェナイザ３２ｘは、平板状の透光性基板３０ｘの２つの表面（第１面および第２面）にそれぞれ面対称の凸レンズ断面形状を有する第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａおよび第２のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘｂを備える。第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａおよび第２のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘｂはそれぞれ、ＸＺ断面では第１の実施形態のホモジェナイザ１２の第１の凸レンズアレイ１２ａおよび第２の凸レンズアレイ１２ｂと同様の凸レンズアレイ断面を有するが、ＹＺ断面ではレンズパワーを有さない。
【０１０７】
また、図９に示すように、ホモジェナイザ３２ｙは、平板状の透光性基板３０ｙの２つの表面（第１面および第２面）にそれぞれ面対称の凸レンズ断面形状を有する第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙａと第２のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙｂとを備える。第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙａおよび第２のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙｂはそれぞれ、ＹＺ断面では第１の実施形態のホモジェナイザ１２の第１の凸レンズアレイ１２ａおよび第２の凸レンズアレイ１２ｂと同様の凸レンズアレイ断面を有するが、ＸＺ断面ではレンズパワーを有さない。
【０１０８】
なお、凸型のシリンドリカルレンズも広義の凸レンズに含まれる。以下では、凸型のシリンドリカルレンズアレイを凸レンズアレイと呼ぶ場合がある。また、ホモジェナイザ３２ｘ、３２ｙの各々において、光入射側に配置される第１のシリンドリカルレンズアレイの各凸レンズに相当する各シリンドリカルレンズを第１の凸レンズ、光出射側に配置される第２のシリンドリカルレンズアレイの各凸レンズに相当するシリンドリカルレンズを第２の凸レンズとして、それら各々の凸レンズの母線方向に垂直な断面をレンズ断面、該レンズ断面における対称面の位置を（該レンズ断面における）対称軸と呼ぶ場合がある。
【０１０９】
本実施形態では、光源からの発散光がまずホモジェナイザ３２ｘに入射し、該光は、ホモジェナイザ３２ｘによりＸ軸方向の光強度分布が照射面で均一化されるようにホモジェナイザ３２ｙに入射する。ホモジェナイザ３２ｙに入射した該光は、ホモジェナイザ３２ｙによりＹ軸方向の光強度分布が照射面で均一化されるように出射される。その結果、第１の実施形態のホモジェナイザ１２と同様の均一拡散照明機能が得られる。
【０１１０】
なお、ホモジェナイザ３２ｘと３２ｙのＺ軸方向の順序は特に問わない。すなわち、ホモジェナイザ３２ｘとホモジェナイザ３２ｙのいずれが光入射側でもよい。また、ホモジェナイザ３２の小型化の点で、ホモジェナイザ３２ｘとホモジェナイザ３２ｙとの間隔は狭いほど好ましい。ホモジェナイザ３２ｘおよび３２ｙの入射光ビーム径に対し、それらホモジェナイザにおいて各々のシリンドリカルレンズアレイを構成する各々のシリンドリカルレンズ３２１（より具体的には３２１ｘａ、３２１ｘｂ、３２１ｙａ、３２１ｙｂ）は、各々のシリンドリカルレンズアレイが形成される面内のＸ方向またはＹ方向において好ましくは４個以上、より好ましくは５個以上、さらに好ましくは７個以上含まれるようにレンズ幅（図中のＷｘ、Ｗｙ）を設定する。
【０１１１】
本実施形態では、各々のシリンドリカルレンズアレイ（３２ｘａ、３２ｘｂ、３２ｙａおよび３２ｙｂ）の各々のシリンドリカルレンズ（３２１ｘａ、３２１ｘｂ、３２１ｙａおよび３２１ｙｂ）のレンズの最大深さ（サグ値）およびレンズ面の最大傾斜角を減少でき、また凸レンズ面が不連続的に交わるレンズ境界部を線状とできるので、最適設計のレンズ形状を精度よく加工できる。したがって、所望の広角拡散均一照明を実現するホモジェナイザが容易に得られる。
【０１１２】
また、基板に対して光入射側に設けられるシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａおよび３２ｙａの他の構成例として、各々のシリンドリカルレンズ（３２１ｘａ、３２１ｙａ）の対称面近傍の、表面が平坦に近い領域、例えば、レンズの母線方向に垂直な断面においてレンズ面中心部領域に相当する領域（以下、単にレンズ面中心部領域という）に、対称面と平行方向に直線状の凹溝が延びた位相回折格子を形成してもよい。シリンドリカルレンズにおけるレンズ面中心部領域は、レンズの母線方向に垂直な断面において対称面のある位置からの動径距離ｒが同位置からの最大動径距離Ｗ／２の５０％以下（０≦ｒ≦Ｗ／４）の領域としてもよいし、０＜χ≦０．５の範囲をとるχに対して０≦ｒ／（Ｗ／２）≦χを満たす領域としてもよい。
【０１１３】
換言すると、本実施形態のホモジェナイザ３２ｘの他の例として、第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａおよび第２のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘｂがそれぞれ、ＸＺ断面では第２の実施形態のホモジェナイザ２２の第１の凸レンズアレイ２２ａおよび第２の凸レンズアレイ２２ｂと同様のレンズ断面を有するが、ＹＺ断面ではレンズパワーを有さない形状のシリンドリカルレンズアレイであってもよい。また、ホモジェナイザ３２ｙの他の例として、第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙａおよび第２のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙｂがそれぞれ、ＹＺ断面では第２の実施形態のホモジェナイザ２２の第１の凸レンズアレイ２２ａおよび第２の凸レンズアレイ２２ｂと同様のレンズ断面を有するが、ＸＺ断面ではレンズパワーを有さない形状のシリンドリカルレンズアレイであってもよい。
【０１１４】
このように構成することにより、第２の実施形態と同様の均一拡散照明機能が得られる。
【０１１５】
［ホモジェナイザの他の構成］
また、上記の各実施形態のホモジェナイザにおいて、空気と接するレンズ表面（例えば、第１の凸レンズアレイ１２ａ、第１の凸レンズアレイ２２ａ、第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａ、第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙａ、第２の凸レンズアレイ１２ｂ、第２の凸レンズアレイ２２ｂ、第２のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘｂおよび第２のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙｂの空気と接するレンズ表面）には、屈折率の相違に起因して発生するフレネル反射光を低減するため、入射光の波長および入射角範囲に対応した公知の誘電体多層膜設計に基づく反射防止膜（図示せず）を形成することが好ましい。
【０１１６】
また、上記の各実施形態のホモジェナイザにおいて、各々の凸レンズの境界部の幅すなわち境界部において互いのレンズのレンズ面の動径に対する傾斜角変化の符号が変わる変曲点を結んだ距離Ｇが小さなほど照射面の強度分布を劣化させる迷光の発生を抑制できる。具体的には、各々の凸レンズの幅Ｗ（ＷｘまたはＷｙ）に対するＧの比率であるＧ／Ｗは、１０％以下が好ましく、５％以下がより好ましく、３％以下がさらに好ましく、特に２％以下が好ましい。また、距離Ｇは１０μｍ以下が好ましく、特に光入射側の第１の凸レンズアレイ（第１の凸レンズアレイ１２ａ、２２ａ、第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａ、３２ｙａ）において隣接する凸レンズ間の境界部分の距離Ｇは５μｍ以下がより好ましい。
【０１１７】
また、上記の各実施形態のホモジェナイザにおいて、各々の凸レンズの幅Ｗ（ＷｘおよびＷｙ）は２０〜５００μｍの範囲が照明装置の小型化および均一照明の点で好ましく、５０〜２００μｍの範囲がさらに好ましい。また、ホモジェナイザの厚さに対応する第１の凸レンズアレイと第２の凸レンズアレイの間隔Ｔは、各々の凸レンズの幅Ｗと略比例して設定され５０〜３０００μｍが好ましく、さらに透光性基板の両面に凸レンズアレイ形状を安定して作製する観点から、Ｔ＝１００〜１０００μｍの範囲とすることがより好ましい。
【０１１８】
また、上記の各実施形態では、ホモジェナイザが備える一対の凸レンズアレイの構成として、光軸合わせの容易性から、屈折率ｎの透光性基板１０の両面に凸レンズアレイを設ける例を示したが、例えば、図２４に示したように、凸レンズアレイが一方の面に形成された２つの透光性基板を、それぞれのレンズ面が内向きに対向して配置する構成であってもよい。そのような場合であっても、光入射側に配置される凸レンズアレイを第１の凸レンズアレイ、光出射側に配置される凸レンズアレイを第２の凸レンズアレイとする。なお、２つの凸レンズアレイが離れて構成されていても、第１の凸レンズアレイの各凸レンズである第１の凸レンズと、第２の凸レンズアレイの各凸レンズである第２の凸レンズとが、対向しつつ同一の対称軸を有する凸レンズ対をなすものとする。
【０１１９】
ただし、上記構成における第１の凸レンズの内部平均伝搬角｜θ１−θ２｜は、第１の凸レンズアレイが形成されている屈折率ｎの第１の透光性基板に対して対称軸に平行に光が入射したときの、第１の凸レンズのレンズ面における入射角θ１と出射角θ２の関係として定義されるものとする。したがって、この場合の内部平均伝搬角における「内部」は一対の凸レンズアレイを１つの光学部材とみなしたときの該光学部材の内部を指す。
【０１２０】
［実施形態４］
次に、本発明の第４の実施形態として、上記のホモジェナイザを用いた照明装置について説明する。図１０は、第４の実施形態における照明装置１００の例を示す断面図である。図１０に示すように、本実施形態の照明装置１００は、パッケージ１３に実装固定されたレーザ光源１１と、レーザ光源１１から放射される光束１５が入射する、パッケージ出射面側に配置されたホモジェナイザ１２とを備える。なお、図１０では、レーザ光源１１から放射される光束１５を、照射平面１７において均一照射を実現するより広角な発散光１６に変換して出射する光学素子の例として、第１の実施形態のホモジェナイザ１２を例示しているが、該光学素子は、第２の実施形態のホモジェナイザ２２や第３の実施形態のホモジェナイザ３２であってもよい。
【０１２１】
照明装置１００は、レーザ光源１１の安定動作および長期信頼性を確保するために、耐熱性および放熱性の高いパッケージ材料およびホモジェナイザを用いるとともに、レーザ光源１１をパッケージ１３内に気密封止することが好ましい。さらに、照明装置１００は、必要に応じてパッケージ１３内を乾燥窒素等の不活性ガス１４で満たすとより好ましい。なお、図１０では、レーザ光源１１に電圧・電流を供給する電源および電気配線や、レーザ光源１１を冷却するヒートシンク等の図示を省略している。
【０１２２】
照明装置１００において、レーザ光源１１は、最大放射角δのガウシアン光強度分布の光束１５を放射する。該光束１５は、そのまま最大入射角α（α＝δ）の光束１５となってホモジェナイザ１２を透過することで最大拡散角βの発散光１６となり、照射平面１７において均一の光強度分布となって照明される。
【０１２３】
なお、図１０では、ホモジェナイザ１２をパッケージ１３に一体化した照明装置１００の例を示しているが、照明装置１００は、パッケージ１３とホモジェナイザ１２とを別体で配置することも可能である。
【０１２４】
レーザ光源１１としては、３００〜２０００ｎｍの波長範囲内の特定波長で発振するＬＤが小型で高い発光輝度を有するため、適する。レーザ発光点は単一でも、複数発光点がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源でもよい。複数のレーザ発光点を高密度に生産性よく集積化できる面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いることにより、発光点数を増やすことで出射レーザ光強度を増加調整できるため、照射面積が大きな照明装置１００のレーザ光源１１に適する。面発光レーザの発振波長は７８０〜１３００ｎｍの近赤外域が主流だが、非線形光学結晶を用いて波長変換することにより４００〜７００ｎｍの可視波長域のレーザ光源とすることもできる。
【０１２５】
レーザ光源１１として、レーザ活性層を光導波路構造として導波路端面の反射でエタロン共振器構造とするファブリペロ型ＬＤの半導体チップをアレイ状に配置したものを用いてもよい。ファブリペロ型ＬＤは、レーザ活性層の光導波路構造の幅を拡げることで高光出力が得られ、ＧａＮ結晶系を用いることで紫外〜緑の発振波長のレーザ光源となる。
【０１２６】
ＬＤの出射光は、一般的にガウシアン光強度分布に近似される不均一分布である。面発光レーザの場合は軸対称な放射角光強度分布で、ＦＦＰ（対称軸中心の最大光強度のｅ−２の光強度比となる放射全角）が９〜２０°程度である。ファブリペロ型レーザの場合は、レーザ活性層の断面形状が異なるため、光導波路面内水平方向（Ｈ）と垂直方向（Ｖ）でＦＦＰが異なるガウシアン光強度分布で、ＦＦＰ（Ｈ）＝６〜１５°、ＦＦＰ（Ｖ）＝２０〜４０°程度である。なお、前述の最大放射角δとＦＦＰとの関係は、ＦＦＰ＝２×δである。
【０１２７】
本発明の照明装置１００に用いるレーザ光源１１は、最大放射角δが相対的に小さな指向性の高い面発光レーザが好ましい。また、単一レーザ発光点から構成されるレーザ光源の出射光強度は低出力に留まるため、複数の面発光レーザ発光点を有するレーザアレイ光源を用いることが好ましい。
レーザ光源１１は、例えば、図２８の（ａ）および（ｂ）に示すような、半導体基板１１ａに、Ｘ軸方向の間隔ａでＮａ個、Ｙ軸方向の間隔ｂでＮｂ個のレーザ発光点１１ｂを配列したレーザアレイ光源でもよい。このとき、間隔ａおよびｂは２０〜１００μｍの範囲が好ましく、各々のレーザ発光点１１ｂから放射されるガウシアン光強度分布の光束の放射角（半角）δは４〜９°程度が好ましい。
【０１２８】
例えば、単一レーザ発光点の出射光強度を２０ｍＷ、間隔ａ＝ｂ＝５０μｍとすると、Ｎａ＝Ｎｂ＝１０すなわち１００個アレイの場合、総光量２Ｗで、発光面が０．５ｍｍ×０．５ｍｍのレーザ光源１１となる。また、例えば、Ｎａ＝Ｎｂ＝１００すなわち１００００個アレイの場合、総光量２００Ｗで、発光面が５ｍｍ×５ｍｍのレーザ光源１１となる。
【０１２９】
また、各レーザ発光点から放射される光束の放射角δ＝８°とすると、レーザ発光点からホモジェナイザの入射面までの距離Ｌが３．６ｍｍ以上であれば、隣り合うレーザ発光点からの放射光と重なり合うとともに、レーザ光源１１の発光面積（Ｘ軸方向：Ｎａ×ａおよびＹ軸方向：Ｎｂ×ｂ）より２・Ｌ・ｔａｎ（δ）だけ拡がった不均一光強度分布の光束がホモジェナイザ１２に入射する。
【０１３０】
このとき、ホモジェナイザ１２に入射する光束内に、ホモジェナイザ１２を構成する第１の凸レンズアレイと第２の凸レンズアレイにおける凸レンズのアレイ数（ＮｘおよびＮｙ）をそれぞれ４個以上すなわち合計：Ｎｘ×Ｎｙ≧１６が含まれるのが好ましい。また、該アレイ数を、Ｘ方向およびＹ方向それぞれで、５個以上（合計≧２５）や、７個以上
（合計≧４９）とすることにより、光入射側の第１の凸レンズアレイの各々の凸レンズからの出射光が照射平面１７でより多く重畳され、光強度分布の均一性が向上する。
【０１３１】
以上のように、本実施形態によれば、小型で高輝度のレーザ光源１１を用いて、比較的短距離の照射平面に対して最大拡散角βが広角となる発散光を均一強度分布にて効率よく照明する小型な照明装置１００を提供できる。なお、レーザ光源１１として、上記のようなＶＣＳＥＬアレイ光源に限らず、ファブリペロ型レーザアレイ光源や、単一発光面のレーザ光源を用いても、同様の機能を有する照明装置１００を提供できる。
【０１３２】
また、レーザ光源に限らず、従来の放電発光ランプを光源として用いても、上記のホモジェナイザ１２、２２、３２を用いることにより、比較的短距離の照射平面に対して最大拡散角βが広角となる拡散光を均一強度分布にて効率よく照明する照明装置を提供できる。
【０１３３】
［実施形態５］
次に、本発明の第５の実施形態として、上記のホモジェナイザを用いた照明装置の他の例について説明する。図１１は、第５の実施形態における照明装置１１０の例を示す断面図である。図１１に示す照明装置１１０は、第４の実施形態の照明装置１００のレーザ光源１１に代わり、複数のレーザ光源１１２から放射された出射光を、レンズ１１３により光ファイバ１１４に集光して伝送し、光ファイバ１１４の光出射端を束ねてアレイ状に配置したものを、パッケージ１３内のレーザ光源すなわちホモジェナイザ１２に対するレーザ光源（より具体的にはレーザ発光点アレイ）１１１として用いている点が異なる。
【０１３４】
レーザ光源１１１では、光ファイバ１１４の光出射端が図２８の（ａ）に示す複数のレーザ発光点１１ｂに相当する。なお、半導体基板１１ａは、複数の光ファイバ１１４の光出射端を束ねる固定治具に代わられる。
【０１３５】
複数のレーザ光源１１２は、レンズ１１３により光ファイバ１１４に効率よく集光して伝送できるレーザ光源であればいずれでもよい。石英系の光ファイバ１１４では、波長１９０〜２４００ｎｍのＬＤ波長を伝搬するマルチモード光ファイバが利用可能で、例えば、開口数ＮＡ＝０．２２（放射角δ＝１２．７°）で、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍである。したがって、このようなレーザ光源１１２を複数用いて、放射角δ＝１２．７°で発光点間隔が略１２５μｍの複数のレーザ発光点を有するレーザ光源１１１として使用できる。
【０１３６】
上記の各実施形態のホモジェナイザ（１２、２２、３２）によれば、レーザ発光点の位置ずれに伴う照射平面での光強度分布変化が生じないため、複数の光ファイバ１１４の光出射端の間隔が一定でなくとも照明装置１１０の特性を維持できる。
【０１３７】
本実施形態の照明装置１１０によれば、レーザ光源１１２と、レーザ発光点とを光ファイバ１１４により任意の距離で配置できるため、レーザ電源や冷却方式の設計自由度が増し、種々の照明用途に展開できる。
【実施例】
【０１３８】
（実施例１）
以下、具体的な数値を用いて上記の実施形態の例を示す。まず、第１の実施例（より具体的には、実施例１−１〜１−１０）として、図１および図２に示す第１の実施形態のホモジェナイザ１２の例を示す。本例のホモジェナイザ１２はいずれも、使用波長における屈折率ｎ＝１．５０で厚さＴ＝２８０μｍのガラス基板である透光性基板１０の第１面と第２面に、ＸＹ面内でＷｘ＝１００μｍ、Ｗｙ＝８０μｍの長方形で対称軸が同じ凸レンズ対（凸レンズ１２１ａ，１２１ｂ）を、Ｎｘ＝１０、Ｎｙ＝１２となる合計１２０個、アレイ状に配置して第１の凸レンズアレイ１２ａおよび第２の凸レンズアレイ１２ｂを形成する。凸レンズ１２１ａおよび凸レンズ１２１ｂはいずれもレンズ断面形状がＺ軸に平行な回転軸において対称であり、対をなす凸レンズ１２１ａおよび１２１ｂが対称軸を共有する。【０１３９】
図１２は、第１の実施例のホモジェナイザ１２における各々の凸レンズ１２１ａのレンズ形状を示す説明図である。本例では、ホモジェナイザ１２における各々の凸レンズ１２１ａのレンズ面形状を、上述の（２）式においてα１〜α4＝０とした場合の曲率半径Ｒ１およびコーニック定数ｋ１で近似される非球面レンズ形状とした。【０１４０】
なお、図１２において、実線で示すレンズ面形状は比較例１：（Ｒ１、ｋ１）＝（１００、０）である。また、実施例１−１〜１−１０が対応するＲ１、ｋ１は表１の通りである。なお、表１には実施例以外に、比較例および参考例のパラメータも示されている。図１２では、表１に示す比較例１および実施例１−１〜１−１０のパラメータによる非球面レンズ形状の計算結果を示している。【０１４１】
【表１】
2019182073.tif 000005
【０１４２】
また、図１３に、比較例１および実施例１−１〜１−１０のホモジェナイザ内部を伝搬する光線（伝搬光）の角度｜θ１−θ２｜の計算結果を示す。図１２に示すように実施例１−１〜１−１０の各々のホモジェナイザ１２における凸レンズ１２１ａの断面形状は、比較例１に比べ、レンズ面中心部領域（ｒ＜３０μｍ）の傾斜角が大きく、平坦部が狭い。また、レンズ面外周部領域（ｒ＞４０μｍ）の傾斜角が略一定で、単調に増加する比較例１と異なる。すると、図１３に示すように、凸レンズ１２１ａの断面形状に対応して、ホモジェナイザ１２内部の伝搬光の進行方向の角度｜θ１−θ２｜は、比較例１では動径距離（半径）ｒの増加とともに略線形的に増加するのに対して、実施例１−１〜１−１０では動径距離（半径）ｒの増加に対して線形増加しない。より具体的には、実施例１−１〜１−１０のホモジェナイザ１２は、レンズ面中心部領域（ｒ＜３０μｍ）では比較例１−１より大きな角度｜θ１−θ２｜を維持しつつ変化量は低下し、レンズ面外周部領域（ｒ＞４０μｍ）では角度｜θ１−θ２｜の変化量は大幅に低下し、ｒ＞５５μｍではいずれの実施例も比較例１の角度｜θ１−θ２｜より小さな値となる。【０１４３】
なお、本実施例１−１〜１−１０では、第２の凸レンズアレイ１２ｂの凸レンズ１２１ｂを、（Ｒ２、ｋ２）＝（１００、０）の球面レンズとした。【０１４４】
図１４〜図１６に、本実施例１−１〜１−１０のホモジェナイザ１２を組み込んだ図１０に示す照明装置１００による照射平面１７上の光強度分布の計算結果を示す。各例のホモジェナイザ１２は、図１０に示す照明装置１００の、レーザ光源１１が実装されたパッケージ１３の光出射窓に装着した。また、Ｄ＝１００ｍｍとした。また、レーザ光源１１は、出射光が波長８５０ｎｍで拡散角δ＝８°であり、その出射光強度分布がガウシアン強度分布である面発光レーザを、間隔ａ＝ｂ＝５０μｍで、Ｎａ＝Ｎｂ＝５の合計２５個をアレイ状に配置した構成とした。なお、レーザアレイ発光面は０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍであり、レーザアレイ発光面とホモジェナイザ１２の間隔Ｌは０．５ｍｍである。【０１４５】
なお、図１６（ｃ）には、比較例１のホモジェナイザを組み込んだ図１０に示す照明装置１００による照射平面１７上の光強度分布の計算結果を示している。【０１４６】
また、図１７に、参考例１〜４のホモジェナイザを組み込んだ図１０に示す照明装置１００による照射平面１７上の光強度分布の計算結果を示す。ここで、参考例１〜４はそれぞれ各々の凸レンズ１２１ａのレンズ形状を（Ｒ１，ｋ１）＝（１５０、−４）、（２０、−４）、（５０、−１）、（５０、−２）とした例である。【０１４７】
なお、各図において、光強度分布を、８０ｍｍ×８０ｍｍの照射面内における最大光強度で規格化した相対値を％で表している。【０１４８】
図１４〜図１７に示すように、実施例１−１〜１−１０のホモジェナイザを用いることにより、Ｘ軸方向は幅略５０ｍｍで、Ｙ軸方向は幅略４０ｍｍで、９０％以上の光強度分布となり、球面凸レンズ９２１を用いた比較例１に比べ照射平面の光強度分布が均一化されている。また、参考例１〜３では、比較例１の光強度分布を劣化させることがわかる。なお、参考例４：（Ｒ１，ｋ１）＝（５０、−２）では、Ｘ軸方向は幅略５０ｍｍで、Ｙ軸方向は幅略４０ｍｍで、８５％以上の光強度分布となり、球面凸レンズ９２１を用いた比較例１に比べて照射平面の光強度分布は均一化されることがわかるが、実施例１−１〜１−１０には及ばない。【０１４９】
このように、凸レンズ１２１ａにはレーザ光源および照射面の使用条件に応じて最適形状範囲が有り、それらは光学設計に基づき決定できる。【０１５０】
また、本実施例によれば、ホモジェナイザ１２から距離１００ｍｍの照射平面において、Ｙ軸上でＸ軸方向の幅５０ｍｍの範囲およびＸ軸上でＹ軸方向の幅略４０ｍｍの範囲で９０％以上の光強度均一性を実現できる。この照射範囲をＸ軸およびＹ軸方向の拡散角（半角）βに換算すると、βｘ＝１４．０°およびβｙ＝１１．３°となり、最大拡散角となる長方形照射平面対角方向ではβmax＝１７．８°となる。なお、ホモジェナイザと照射平面の距離を変えることで、均一照射面積を調整できる。【０１５１】
また、図１８の（ａ）および図１９の（ａ）に、実施例１−５および比較例１を各々用いた上記の照明装置１００における照射平面の光強度分布（規格化）をＸＹ平面で階調表示した結果を示す。なお、図１８に示す階調表示が実施例１−５の計算結果であり、図１９に示す階調表示が比較例１の計算結果である。なお、図１８の（ｂ）および図１９の（ｂ）はそれぞれ、説明を分かりやすくするために、（ａ）で示される光強度分布を１０％毎の階調表示とした上で白黒二値画像に変換したものである。【０１５２】
図１８および図１９に示すように、比較例１のホモジェナイザを用いた場合、光強度分布が最も低下する照射平面の角部（最大拡散半角βmax＝１７．８°）では、略７０％に低下するが、実施例１−５のホモジェナイザ１２を用いた場合、同様の角部でも略８０％以上を維持する。【０１５３】
表２に、実施例１−１〜１−１０、比較例１および参考例１〜４のホモジェナイザにおいて用いられる光入射側の凸レンズアレイの各々の凸レンズ（１２１ａ相当）について、最大幅Ｗｍａｘに対するレンズ面領域毎のレンズ面平均傾斜角の計算値を示す。なお、凸レンズ（１２１ａ）の幅はＷｘ＝１００μｍ、Ｗｙ＝８０μｍの長方形のため、Ｗｍａｘ＝１２８μｍとなる。なお、レンズ面領域の区分は、レンズ面中心部領域を０≦ｒ／（Ｗｍａｘ／２）≦χ、レンズ面外周部領域を（１−χ）≦ｒ／（Ｗｍａｘ／２）≦１としたときの、χ＝０．１２５、０．２０、０．３０、０．４０、０．５０に対応している。なお、ホモジェナイザの屈折率ｎを１．５とした。なお、表２において、さらにＲ１＝１００μｍ、ｋ１＝０の球面レンズである比較例１のレンズ面領域毎のレンズ面平均傾斜角を基準に規格化した結果も併せて示す。【０１５４】
【表２】
2019182073.tif 000006
【０１５５】
表２に示すように、実施例１−１〜１−１０のホモジェナイザ１２において、各々の凸レンズ１２１ａのレンズ面中心部領域の規格化平均傾斜角（該当するレンズ面領域の平均傾斜角を比較例１の球面レンズの対応するレンズ面領域の平均傾斜角で規格化したもの）は、いずれのχの領域でも１より大きな値（１．３〜３．２）であり、より中心に近い小さなχ（χ＝０．１２５〜０．３０）ほど比較例１のレンズ面平均傾斜角に比べて大きな値となっている。また、レンズ面外周部領域の規格化平均傾斜角は、０．６〜１．１の範囲の値であり、より外周部に近い小さなχ（χ＝０．１２５〜０．３０）ほど比較例１のレンズ面平均傾斜角に比べて小さな値となっている。【０１５６】
これより、例えば、レンズ面中心部領域の規格化平均傾斜角が１．３〜３．２の範囲で、かつレンズ面外周部領域の規格化平均傾斜角が０．６〜１．１の範囲の凸レンズ１２１ａを有する第１の凸レンズアレイ１２ａを有する本実施例のホモジェナイザ１２を用いることにより、照射平面１７において均一の光強度分布（より具体的には図１４〜図１６に示す光強度分布）で光を照射できる照明装置１００が得られる。【０１５７】
また、参考例１〜４のホモジェナイザにおいて、光入射側の凸レンズアレイの各々の凸レンズ（１２１ａ相当）のレンズ面中心部領域およびレンズ面外周部領域の規格化平均傾斜角は、参考例１では０．５〜０．７と１より小さく、参考例３では１．４〜２．０と１より大きい。また、参考例２ではレンズ面外周部領域の規格化平均傾斜角が０．８〜１．０と実施例相当だが、レンズ面中心部領域の規格化平均傾斜角が２．３〜４．４と実施例に比べて大きい。このような参考例１〜３では、上記の実施例１−１〜１−１０に比べて照射平面１７における光強度分布均一性が劣る結果となった。なお、参考例４ではレンズ面中心部領域の規格化平均傾斜角が１．７〜２．０と実施例相当だが、レンズ面外周部領域の規格化平均傾斜角が１．０〜１．２と実施例１−１〜１−１０に比べて大きいため光強度分布均一性がやや劣る結果となった。【０１５８】
また、表３に、実施例１−１〜１−１０、比較例１および参考例１〜４のホモジェナイザにおいて用いられる光入射側の凸レンズアレイの各々の凸レンズ（１２１ａ相当）について、最大幅Ｗｍａｘに対するレンズ面領域毎の内部平均伝搬角｜θ１−θ２｜の計算結果および規格化内部平均伝搬角（比較例１の対応するレンズ面領域の内部平均伝搬角で規格化したもの）を示す。【０１５９】
【表３】
2019182073.tif 000007
【０１６０】
表３に示す内部平均伝搬角は、各実施例として示されるＲ１およびｋ１を有する屈折率ｎ＝１．５のホモジェナイザ１２についての計算値だが、屈折率ｎの異なるホモジェナイザ１２についても、内部平均伝搬角｜θ１−θ２｜が、ｎ＝１．５の各実施例のホモジェナイザと略同じ値になるように、凸レンズ（１２１ａ）の断面形状（サグ値Ｚ（ｒ））を調整すれば、各実施例と同様に光強度分布均一性が改善する。ここで、内部平均伝搬角｜θ１−θ２｜は、図３に示すように凸レンズ１２１ａの動径距離ｒの位置に対称軸と平行な入射光がレンズ表面で屈折したときのレンズ内部の伝搬角｜θ１−θ２｜を各レンズ面領域において平均した数値とする。【０１６１】
表２と表３の対比より、比較例１（球面レンズ）の値で規格化されたレンズ面平均傾斜角及び内部平均伝搬角は、いずれのレンズ面領域においてもほぼ同等の数値および傾向を示す。したがって、上記の平均傾斜角や内部平均伝搬角に関し、球面レンズの値で規格化された値である規格化平均傾斜角や規格化内部平均伝搬角を基に、実施例１−１〜１−１０に相当する数値範囲になるように、凸レンズ（１２１ａ）の断面形状を設定してもよい。【０１６２】
次に、本実施例のホモジェナイザ１２の作製方法を説明する。本実施例のホモジェナイザ１２は、第１の凸レンズアレイ１２ａおよび第２の凸レンズアレイ１２ｂの凸レンズ形状を設計通り加工できる製法であればいずれの加工法を用いてもよい。例えば、精密プレス成型用の金型を用いて凸レンズアレイに成型加工する場合、ダイヤモンドバイトを用いて金型表面を凸レンズアレイの反転形状の凹レンズアレイ状に切削加工することで第１および第２の凸レンズアレイ用金型を作製する。そして、作製された２種類の金型に透光性ガラス材料を挟み、ガラス軟化点温度以上に全体を加熱してガラス表面に金型形状を転写した後、室温まで徐冷する。ここで、第１および第２の凸レンズアレイの対を成す各々の凸レンズの対称軸の軸ずれが生じないように２種の金型位置を精度よく調整する。このとき、軸ずれ量が、凸レンズの幅Ｗｘ、Ｗｙの１／１０以下、好ましくは１／２０以下、さらに好ましくは１／３０以下になるように金型位置を調整する。また、金型とガラスとの離形性や成型後のガラス表面の平坦性をよくするため、金型表面に合金膜をコートしてもよい。【０１６３】
金型成型に用いるガラス材料は、軟化点が低いほど成型温度を低温化できるため好ましい。また、屈折率が大きなほど、同じレンズパワーが得られる凸レンズ表面の傾斜角が小さくなるため、図１の（ａ）に示すサグ値ＳａおよびＳｂが減少し、成型性が向上する。具体的には、レンズ屈折率ｎＡとｎＢの異なる凸レンズの対称軸に平行に光が入射する場合、各々の凸レンズ面の入射角をθＡおよびθＢとすると、凸レンズ内でレンズ面対称軸との成す角度（内部伝搬角）が同じ（すなわち、レンズパワーが等しい）になるように屈折角θＡ’とθＢ’で入射光が屈折するとき、屈折率ｎＡとｎＢの凸レンズの傾斜角はθＡとθＢであり、内部伝搬角θＡ−θＡ’＝θＢ−θＢ’で関係つけられる。例えば、θＡ＝３０°でｎＡ＝１．５０に対し、ｎＢ＝２．０のガラス材料ではθＢ＝２１．４°となり、レンズ面の平均傾斜角が約２／３に低下する。【０１６４】
第１の凸レンズアレイ１２ａおよび第２の凸レンズアレイ１２ｂを構成する凸レンズは、幅Ｗｘ×Ｗｙの長方形全面がレンズ形状を有するギャップレス構成のため、凸レンズ境界部、特に長方形角部のサグ値および傾斜角が最大となり、設計上の傾斜角が不連続に変化するため、金型作製およびレンズ成型の難易度が増す。【０１６５】
また、本実施例の各々のホモジェナイザ１２を構成する凸レンズ１２１ａは、図１２および図１３に示すように、比較例１（球面凸レンズ９２１）と同程度のサグ値Ｚであるが、最大傾斜角が小さな非球面形状であるため、金型作製およびレンズ成型の難易度は低下する。屈折率が大きな透光性材料を凸レンズに用いるとレンズ面の平均傾斜角が低下するため、金型作製およびレンズ成型の難易度はさらに低下する。【０１６６】
なお、レンズ材料として光硬化樹脂や熱硬化樹脂である透光性樹脂を用いて金型成型加工する場合、透光性樹脂が低い温度で硬化するため、金型材料の耐熱性などの制約は軽減される。紫外線硬化樹脂を用いる場合は、紫外光を透過する石英等のガラス材料で形成された金型を用いることが好ましい。【０１６７】
ホモジェナイザ１２の他の作製方法として、反応性ガスを用いて直接透光性ガラス基板をドライエッチング加工してもよい。各々の凸レンズアレイ１２ａ、１２ｂにおいてギャップレスの凸レンズ形状とするために、レンズ形状空間分布に対応する紫外線透過率分布を有する連続階調フォトマスク（グレースケールマスク）を用い、透光性ガラス表面に塗布された紫外線感光性レジストにフォトマスクを通して紫外線で露光する。その後、感光性レジストを現像することにより、ギャップレスの凸レンズ形状の感光性レジストパターンが得られる。さらに、半導体微細加工で使用する反応性イオンエッチング装置を用い、パターニングされたレジスト表面にイオン照射することで、レジスト材料とガラス材料のドライエッチングレートに応じて、凸レンズ形状のレジストパターンが透光性ガラス表面に転写されたギャップレスの凸レンズアレイ１２ａ、１２ｂが得られる。【０１６８】
加工時間を短縮するために反応性イオンエッチングレートが大きなガラス材料および反応性ガスを選定することが好ましい。例えば、石英はガラス軟化点が高温のため金型成型加工のガラス材料には用いられないが、反応性イオンエッチングレートが大きなためドライエッチング加工に適用できる。また、反応性イオンエッチングレートが比較的小さな硼珪酸ガラス基板やサファイヤ基板などにＳｉＯ２膜を成膜し、ＳｉＯ２膜のみを凸レンズ形状にエッチング加工してもよい。ＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）の代わりに屈折率の高いＴｉＯ２（ｎ＝２．３）、Ｔａ２Ｏ５（ｎ＝２．１）やＮｂ２Ｏ５（ｎ＝２．１）を用いてもよい。また、ＳｉＮｘＯｙのｘとｙの組成比を調整することで屈折率ｎを調整した凸レンズ加工もできる。なお、ＳｉＯ２の反応性イオンエッチングではＣＦ４が反応性ガスとして一般に用いられる。【０１６９】
反応性イオンエッチングで透光性無機材料を凸レンズ加工する場合、加工時間短縮のためには、各々の凸レンズの最大サグ値Ｚが小さくなるホモジェナイザ１２の構成が好ましい。すなわち、小さな最大サグ値Ｚで同じ拡散性均一化機能を実現するために、最大サグ値Ｚと同じ縮小率で凸レンズの外形サイズ（Ｗｘ×Ｗｙ×Ｔ）を小型化する構成に加工してもよい。【０１７０】
（実施例２）
次に、第２の実施例として、図５に示す第２の実施形態のホモジェナイザ２２の例を示す。本例のホモジェナイザ２２は、第１の凸レンズアレイ２２ａの各々の凸レンズ２２１ａにおいて、（Ｒ１、ｋ１）＝（１００、０）の球面凸レンズ９２１のレンズ表面の対称軸近傍の領域（レンズ面中心部領域）に、断面が矩形状の凹部溝輪帯を有する位相回折格子２３を形成する。より具体的には、凸レンズ２２１ａの最大幅Ｗｍａｘ＝１２８μｍに対して、レンズ面中心部領域とする０≦ｒ／（Ｗｍａｘ／２）≦０．２０の範囲に位相回折格子２３を形成する。【０１７１】
本例では、位相回折格子２３の凹部幅と凸部幅の比を１：１とする。また、波長λ＝８５０ｎｍの入射光がＺ軸方向に入射するとき、凸レンズ内部に伝搬する±１次回折光の回折角γ±１が０．２〜８°範囲内、好ましくは１〜４°範囲内となるように凹凸部の周期Ｐを設定する。例えば、Ｐ＝１０μｍとすると、γ±１＝３．３°となる。さらに、位相回折格子２３の凹部の深さｄ＝０．５λ／（ｎ−ｎ０）（ｎ＝１．５の場合、ｄ＝８５０ｎｍ）に加工すると、直進透過する０次光は略ゼロで、±１次回折光が略４０％（合計８１％）発生する。また、ｄ＝０．３２λ／（ｎ−ｎ０）（ｎ＝１．５の場合、ｄ＝５４３ｎｍ）では、０次光と±１次回折光の回折効率が略２９％と等しく、合計で略８６％となる。【０１７２】
第１の実施例において表３に示したように、屈折率ｎ＝１．５の比較例１（球面レンズ）のホモジェナイザは、外形２０％以下の領域に入射する光線の内部平均伝搬角｜θ１−θ２｜は１．２°と小さな値だが、位相回折格子２３が形成された本実施例の凸レンズ２２１ａでは、ｄ＝８５０ｎｍの場合、レンズ幅Ｗの２０％以下の領域に入射する光線の内部平均伝搬角｜θ１−θ２｜は略３．２°と２倍以上に拡大する。本実施例の凸レンズ２２１ａでは、位相回折格子２３で発生する±１次回折光により２つの内部平均伝搬角が定義されるが、内部平均伝搬角は、Ｚ軸方向の直進透過成分の低減機能を示す目的であるため、本実施例では内部平均伝搬角を±１次回折光に対して絶対値｜θ１−θ２｜の平均値として算出した。【０１７３】
このように、本実施例のホモジェナイザ２２においても第１の実施例のホモジェナイザ１２の凸レンズ１２１ａと同程度の内部平均伝搬角を実現できるため、照明装置１００に本例のホモジェナイザ２２を用いることにより、照射平面１７において第１の実施例のホモジェナイザ１２を用いた場合と同程度の光強度分布の均一性を実現できる。【０１７４】
本実施例のホモジェナイザ２２は、第１の実施例のホモジェナイザ１２と同様、金型成型加工や反応性イオンエッチング加工により作製できる。【０１７５】
（実施例３）
次に、第３の実施例として、図７に示す第３の実施形態のホモジェナイザ３２の例を示す。本例のホモジェナイザ３２は、一対のホモジェナイザ３２ｘおよび３２ｙがそれぞれ備えるシリンドリカルレンズアレイ組（３２ｘａと３２ｘｂ、および３２ｙａと３２ｙｂ）を構成する各々のシリンドリカルレンズ（３２１ｘａと３２１ｘｂ、および３２１ｙａと３２１ｙｂ）の断面形状が軸対称ではなく面対称であり、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のみにパワーを有するよう構成されている。【０１７６】
より具体的には、ホモジェナイザ３２ｘの第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａを構成する各々のシリンドリカルレンズ３２１ｘａおよび第２のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘｂを構成する各々のシリンドリカルレンズ３２１ｘｂはそれぞれＹＺ面対称であり、それらのＸＺ断面形状は第１の実施例のいずれかのホモジェナイザ１２の凸レンズ１２１ａおよび凸レンズ１２１ｂと同じ（ただし、Ｗｍａｘ＝Ｗｘ）である。また、ホモジェナイザ３２ｙの第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙａを構成する各々のシリンドリカルレンズ３２１ｙａおよび第２のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙｂを構成する各々のシリンドリカルレンズ３２１ｙｂはそれぞれＸＺ面対称であり、それらのＹＺ断面形状は第１の実施例のいずれかのホモジェナイザ１２の凸レンズ１２１ａおよび凸レンズ１２１ｂと同じ（ただし、Ｗｍａｘ＝Ｗｙ）である。【０１７７】
本例では、ホモジェナイザ３２ｘおよびホモジェナイザ３２ｙの材料とされる透光性基板３０ｘ、３０ｙとして、屈折率ｎ＝１．４５で厚さＴ＝２８０μｍの合成石英を使用する。また、本例のホモジェナイザ３２ｘはＷｘ＝１００μｍおよびＮｘ＝１２とし、本例のホモジェナイザ３２ｙはＷｙ＝８０μｍおよびＮｙ＝１５とし、それらを０．１ｍｍの空間を隔ててＺ軸方向に直列配置する。【０１７８】
そのように構成すると、本例のホモジェナイザ３２は、第１の実施例のいずれかのホモジェナイザ１２と同様の光学機能を示す。したがって、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。【０１７９】
さらに、本例のホモジェナイザ３２では、ホモジェナイザ３２ｘおよびホモジェナイザ３２ｙにおいてシリンドリカルレンズアレイを用いているため、レンズ面が不連続的に交わるレンズ境界面が直線状で最大サグ値Ｚが減少する。その結果、最適設計のレンズ形状を精度良く加工でき、ホモジェナイザ出射光の所望の特性が安定して得られる。【０１８０】
本例のホモジェナイザ３２も、第１の実施例のホモジェナイザ１２と同様、金型成型加工や反応性イオンエッチング加工により作製できる。【０１８１】
図２０は、本実施例のホモジェナイザ３２の１つのシリンドリカルレンズアレイ（シリンドリカルレンズアレイ３２ｘａおよび３２ｘｂ）の作製方法の例を示す説明図である。図２０に示す例は、反応性イオンガスを用いて透光性ガラス基板の表面をドライエッチング加工してシリンドリカルレンズアレイを形成する例である。【０１８２】
（ａ）まず、ホモジェナイザ３２ｘの第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａを作製する場合、透光性基板３０ｘとしての石英基板の片面（例えば、第１面）に紫外線感光性のレジスト３２４を所定の膜厚Ｈで均一に塗布し、加熱硬化する。石英凸レンズ（シリンドリカルレンズ）の最大サグ値ＳＲを最終的に得るための膜厚Ｈは、石英とレジストのエッチングレート比に応じて設定される。シリンドリカルレンズアレイ３２ｙａおよび３２ｙｂの場合も、透光性基板３０ｙとしての石英基板を用いる。【０１８３】
（ｂ）次に、シリンドリカルレンズアレイ３２ｘａを構成する各々のシリンドリカルレンズ３２１ｘａのレンズ幅がＷｘとなり、レンズ面境界で直線状にギャップ幅Ｇのレジストが除去されるように、レジスト３２４をパターニングする。なお、シリンドリカルレンズアレイ３２ｘｂの場合は、シリンドリカルレンズアレイ３２ｘａの各々のシリンドリカルレンズと対称面が一致し、かつ各々のシリンドリカルレンズ３２１ｘｂのレンズ幅がＷｘとなり、レンズ面境界で直線状にギャップ幅Ｇのレジストが除去されるように、レジスト３２４をパターニングする。なお、シリンドリカルレンズアレイ３２ｙａおよび３２ｙｂの場合は、互いの対称面が一致した状態でレンズ幅がＷｙとなり、かつレンズ面境界で直線状にギャップ幅Ｇのレジストが除去されるように、レジスト３２４をパターニングする。図２０の（ｂ）では、パターニングされたレジスト３２４を、レジスト３２４’として示している。【０１８４】
このとき、光利用効率の点でギャップＧは小さな程好ましい。具体的には、５μｍ以下が好ましく、２μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下がさらに好ましい。【０１８５】
（ｃ）次に、パターニングされたレジスト３２４’が軟化する温度（例えば、２００〜２５０℃）に加熱して液状化させ、表面張力によりレジスト表面を球面形状とした（リフロー）後、室温に冷却して球面形状を固定する。その結果、サグ値ＳＰで断面が凸型のシリンドリカル球面レンズ形状を有するレジストパターン３２４’’が形成される。レジストパターン３２４’’の曲率半径Ｒおよびサグ値ＳＰは、レジスト３２４’のパターニング幅Ｗ（ＷｘまたはＷｙ）と厚さＨで定まる直方体レジスト３２４’の体積から決定される。リフロー加熱後に直方体レジスト３２４’が球面形状のレジストパターン３２４’’となるためには、レジスト３２４’の厚さＨに応じたパターニング幅Ｗの適用範囲がある。より具体的には、幅Ｗは１０〜３００μｍ、好ましくは２０〜２００μｍとする。【０１８６】
（ｄ）レンズ形状のレジストパターン３２４’’が表面に形成された石英基板を反応性イオンガスを用いてドライエッチングすることにより、レジスト３２４’’の表面形状が石英基板の表面に転写される。なお、図２０の（ｄ）の断面図はドライエッチングの途中段階を示す。【０１８７】
（ｅ）ドライエッチングによりレジスト３２４’’が除去されると、最終形状の各々のシリンドリカルレンズ３２１ｘａを得る。ここで、石英基板とレジスト３２４’’のエッチングレートが等しい場合、レジスト３２４’’の表面形状がそのまま石英基板表面に転写される（すなわち、シリンドリカルレンズのサグ値ＳＲ＝レジスト３２４’’のサグ値ＳＰ）。エッチングレートが異なる場合は、シリンドリカルレンズのサグ値ＳＲとレジスト３２４’’のサグ値ＳＰの比率が異なり、各々のシリンドリカルレンズは、レジスト３２４’’が高さ方向に圧縮または延伸された形状となる。【０１８８】
なお、エッチングレートは反応性ガスの種類、ガス圧力や流量によって変化するため、ドライエッチング開始から終了までの時間内に設定を変化させることにより、各々のシリンドリカルレンズの断面形状が球面レンズと異なる形状のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａが得られる。このような凸レンズ形状の制御方法を利用して、非球面の断面形状を有する凸型のシリンドリカルレンズアレイを加工できる。【０１８９】
図２１に、本例のホモジェナイザ３２を用いた照明装置１００による、照射平面１７における光強度分布のＸＹ平面での階調表示を模式的に示す。図２１に示す光強度分布は、第１の実施例で示した照明装置１００において、第１の実施例のホモジェナイザ１２に代えて本例のホモジェナイザ３２を用い、かつホモジェナイザ３２からＤ＝１００ｍｍ離れた照射平面１７における光強度分布を計算した結果である。本例では、ホモジェナイザ３２ｘとホモジェナイザ３２ｙの間隔を０．１ｍｍとし、レーザ光源１１のレーザ発光点１１ｂと光入射側に置かれるホモジェナイザ３２（ホモジェナイザ３２ｘ）の間隔を２ｍｍとした。なお、図２１に示すホモジェナイザ３２では、ホモジェナイザ３２ｘの入射側のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａとホモジェナイザ３２ｙの入射側のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙａの断面レンズ形状として、実施例１−５：（Ｒ１、ｋ１）＝（５０、−４）の凸レンズ１２１ａと同様のレンズ形状を用いる。【０１９０】
図２１に示すように、本実施例のホモジェナイザを用いた照明装置１００においても、光強度が最も低下する照射平面の角部（最大拡散角β＝１７．８°）で略８８％を維持することがわかる。【０１９１】
（実施例４）
第４の実施例では、第３の実施例のホモジェナイザ３２で用いたホモジェナイザ３２ｘの第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａを構成する各々のシリンドリカルレンズ３２１ｘａと、ホモジェナイザ３２ｙの第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｙａを構成する各々のシリンドリカルレンズ３２１ｙａに代えて、第２の実施例の凸レンズ２２１ａと同様のレンズ断面を有する凸型のシリンドリカルレンズを用いる。ただし、第３の実施例の各々のシリンドリカルレンズと同様に、各々のシリンドリカルレンズは、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のみのレンズパワーを有し、かつ軸対称ではなく面対称の凸レンズ表面形状を有する。したがって、本例において、凸型の球面レンズと同じレンズ断面を有するシリンドリカルレンズの対称面近傍の略平坦なレンズ表面領域に形成される位相回折格子２３は軸対称の輪帯状凹溝ではなく、レンズパワーの無い方向（レンズ対称面と平行方向）に延びた直線状凹溝となる。【０１９２】
次に、図２２を参照して、本例のホモジェナイザ３２における、１つの凸型球面シリンドリカルレンズアレイ（例えば、ホモジェナイザ３２ｘの、位相回折格子２３が形成された複数のシリンドリカルレンズ３２１ｘａを有する第１のシリンドリカルレンズアレイ３２ｘａ）の作製方法を説明する。【０１９３】
（ａ）まず、透光性基板３０ｘとしての石英基板の第１面において、各々のシリンドリカルレンズ３２１ｘａの対称面を中心とする幅５０μｍのレンズ面領域に対応する位置に、周期Ｐ＝１０μｍで凹部幅と凸部幅がいずれも５μｍに等しい、深さｄｂ＝１０００ｎｍの矩形凹溝の直線格子を有する位相回折格子３２５ｘを、加工する。すなわち、石英基板の第１面の各々のシリンドリカルレンズ３２１ｘａの凸中心部に相当する幅５０μｍの領域に、幅５μｍで深さｄｂ＝１０００ｎｍの矩形断面の凹溝を、周期１０μｍで長さ１ｍｍに５本加工する。【０１９４】
（ｂ）次に、位相回折格子３２５ｘが形成されている石英基板の第１面に紫外線感光性のレジスト３２４を所定の膜厚Ｈで均一に塗布し、加熱硬化する。これにより、位相回折格子３２５ｘの凹溝はレジスト３２４で埋まり、レジスト表面は平坦化される。位相回折格子の凹溝形状およびレジストの粘度や硬化温度によって、位相回折格子の凹凸がレジスト表面の平坦性に影響するが、後述するリフロー温度の加熱によりレジスト塗布時のレジスト表面凹凸形状は問題とならない。【０１９５】
（ｃ）次に、シリンドリカルレンズアレイ３２ｘａを構成する各々のシリンドリカルレンズ３２１ｘａのレンズ幅がＷｘとなり、レンズ面境界で直線状にギャップ幅Ｇのレジストが除去されるように、レジスト３２４をパターニングする。なお、シリンドリカルレンズアレイ３２ｙａの場合は、各々のシリンドリカルレンズ３２１ｙａのレンズ幅としてＷｘに代えてＷｙを用いる。本例においても、パターニングされたレジスト３２４を、レジスト３２４’として示している。【０１９６】
（ｄ）次に、パターニングされたレジスト３２４’が軟化する温度に加熱して液状化させ、表面張力によりレジスト表面を球面形状とした（リフロー）後、室温に冷却して球面形状を固定する。その結果、サグ値ＳＰで断面が凸型のシリンドリカル球面レンズ形状を有するレジストパターン３２４’’が形成される。ここで、微細加工が施された石英基板の表面形状に関わらず、レジスト３２４’の表面形状は液状化したレジストの表面張力により球面形状となる。【０１９７】
（ｅ）レンズ形状のレジストパターン３２４’’が表面に形成された石英基板を反応性イオンガスを用いてドライエッチングすることにより、レジスト３２４’’の表面形状が石英基板の表面に転写される。このとき、あらかじめ石英基板の表面に位相回折格子３２５ｘが加工されているため、反応性イオンエッチングによりレジスト３２４’’が全て除去されると、レンズ面中央部領域に位相回折格子２３ｘが形成された、サグ値ＳＲの複数のシリンドリカルレンズ３２１ｘａが一方向に並んだシリンドリカルレンズアレイが得られる。【０１９８】
レンズ形状加工前の位相回折格子３２５ｘの凹溝深さｄｂとレンズ形状加工後の位相回折格子２３ｘの凹溝の深さｄＲは、位相回折格子２３ｘの凸部材料のドライエッチングレートｒＲと、位相回折格子３２５ｘの凹部に埋め込まれたレジスト３２４’’のドライエッチングレートｒＰの大小関係に依存する。すなわち、ｒＲ＝ｒＰではｄＲ＝０となり位相回折格子２３ｘはシリンドリカルレンズ３２１ｘａのレンズ面には形成されず、消失するが、ｒＲ＜ｒＰではその比率により決定される凹部深さｄＲ＞０の位相回折格子２３ｘが形成され、ｒＲ＞ｒＰではｄＲ＜０の位相回折格子２３ｘすなわち位相回折格子３２５ｘの凹部が位相回折格子２３ｘの凸部となり、該凸部の高さがｒＲとｒＰの比率により決定される位相回折格子２３ｘが形成される。【０１９９】
例えば、ｒＲ＝ｒＰ／２のドライエッチング条件では、ｄＲ＝ｄｂ／２＝５００ｎｍの位相回折格子２３ｘが得られる。このような位相回折格子２３ｘに、波長λ＝８５０ｎｍの光が透光性基板３０に対して垂直に入射すると、直進透過する０次透過光の効率は略４５％、回折角±４．９°の±１次回折光の効率は略２２％（合計４４％）となるため、レンズ面中心部領域から出射される光線拡散透過光成分が増加する。したがって、本例のホモジェナイザ３２を用いると、第３の実施例の照明装置と同様に、照射平面における光強度分布の均一性が改善された照明装置１００を得ることができる。【０２００】
実施例４のホモジェナイザ３２における、レンズ面中央部領域に位相回折格子を有する各々のシリンドリカルレンズの他の作製方法として、ドライエッチングレートが透光性基板３０（３０ｘ、３０ｙ）およびレジスト３２４より低い材料で形成される耐蝕層を該透光性基板３０の第１面に均一膜厚に成膜し、位相回折格子の凹溝パターンに相当する領域の耐蝕層を除去してもよい。【０２０１】
例えば、あらかじめ紫外線感光レジストを位相回折格子３２５ｘのパターンに加工した後、ドライエッチングレートが低いＡｌ２Ｏ３膜を成膜し、現像液を用いて該レジストを除去する（リフトオフ法）ことでパターニングされたＡｌ２Ｏ３膜層を作製できる。得られた低エッチングレートのＡｌ２Ｏ３膜を有する格子パターン付き透光性基板３０ｘに対して、図２０の（ｂ）〜（ｄ）と同じ手順で加工することにより、位相回折格子２３ｘが形成された複数のシリンドリカルレンズが並んだシリンドリカルレンズアレイが得られる。なお、位相回折格子２３ｘの凹溝深さｄＲはＡｌ２Ｏ３膜の膜厚により調整できる。【０２０２】
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。本出願は、２０１８年３月２０日出願の日本特許出願２０１８−０５２６５２に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【０２０３】
本発明は、比較的短距離の照射平面に対して均一照射を行う用途に好適に適用可能である。
【符号の説明】
【０２０４】
１２、２２、３２  ホモジェナイザ
１０、２０、３０、３０ｘ、３０ｙ、４０  透光性基板
１２ａ、１２ｂ  凸レンズアレイ
２２ａ、２２ｂ  凸レンズアレイ
１２１ａ、１２１ｂ  凸レンズ
２２１ａ、２２１ｂ  凸レンズ
２３、２３ｘ、２３ｙ  位相回折格子
３２５ｘ  位相回折格子
９２１  球面凸レンズ
３２ｘ、３２ｙ  ホモジェナイザ
３２ｘａ、３２ｘｂ、３２ｙａ、３２ｙｂ  シリンドリカルレンズアレイ
３２１、３２１ｘａ、３２１ｘｂ、３２１ｙａ、３２１ｙｂ  シリンドリカルレンズ
１００、１１０  照明装置
１１  レーザ光源
１１ａ  半導体基板
１１ｂ  レーザ発光点
１３  パッケージ
１４  不活性ガス
１５  光束
１６  発散光
１７  照射平面
１１１  レーザ光源
１１２  レーザ光源
１１３  レンズ
１１４  光ファイバ
３２４  レジスト
２００、２１０  照明光学系
５２、６２  ホモジェナイザ
５２ａ、６２ａ  凸レンズアレイ
５２ｂ、６２ｂ  凸レンズアレイ
５２１、５２１ａ、６２１、６２１ａ  凸レンズ
５２１ｂ、６２１ｂ  凸レンズ
５０、６０  放電ランプ
５１  放物面鏡
６１  楕円面鏡
５３、６３  フィールドレンズ
５４  液晶表示素子
５５  投影レンズ
６５  集光レンズ
６６  ダイクロイックミラー
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2019182073.tif 000023
【図１７】
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【図１８】
2019182073.tif 000025
【図１９】
2019182073.tif 000026
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
2019182073.tif 000037
2019182073.tif 000038
2019182073.tif 000039
2019182073.tif 000040