JP2000268603A - 照明装置及び照明方法 - Google Patents

照明装置及び照明方法

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JP2000268603A JP11074329A JP7432999A JP2000268603A JP 2000268603 A JP2000268603 A JP 2000268603A JP 11074329 A JP11074329 A JP 11074329A JP 7432999 A JP7432999 A JP 7432999A JP 2000268603 A JP2000268603 A JP 2000268603A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型かつ簡素な構成でスペックルの低減を可
能にする照明装置及び照明方法を提供する。 【解決手段】 本照明装置20は、コヒーレント光を出
射するコヒーレント光源として半導体レーザー11と、
並置された複数個の要素レンズ22を有し、コヒーレン
ト光源から出射したコヒーレント光をほぼ要素レンズの
数に相当する複数個の光束に分割するレンズアレイ13
と、焦点位置でほぼ同一の被照射領域16を照明するよ
うに、複数個の光束を集光する集光レンズ14、15と
を備える。これにより、被照射領域でスペックルを低減
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、照明装置及び照明
方法に関し、さらに詳しくは、コヒーレント光源から出
射されるコヒーレント光の空間コヒーレンスあるいはス
ペックルノイズを低減する照明装置及び照明方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】画像表示装置の一形態として、液晶パネ
ルを照明してその反射光、あるいは透過光をスクリーン
に映し出す光学式のプロジェクターがある。光学式プロ
ジェクターでは、通常、メタルハライド、ハロゲン、あ
るいはキセノンといったランプが光源として用いられて
いる。
【0003】しかし、このランプ光源には、次のような
幾つかの難点があり、その利用価値を妨げるものとなっ
ている。第一に、ランプの寿命が短く、例えば寿命の長
いメタルハライドランプの場合でも、数千時間程度であ
る。このため、着脱式のカートリッジに納めて交換可能
とするなどの構成上の工夫を施さなければならない。さ
らに、通常は、ランプから放射された白色光からの光の
三原色を分離して色を構成するため、そのための光学系
が大きな体積を占め、光学式プロジェクターの全体の体
積が大きくなるという難点もあり、また、色再現領域も
制限され、光利用効率も低下する。
【0004】これらの、問題点を解決するために、発光
ダイオード、あるいは半導体レーザーといった光半導体
素子を光源に用いる試みもなされている。例えば、発光
ダイオードは、寿命が一般的には一万時間以上と優れて
いる。しかしながら、一般に、発光ダイオードは、光の
有効な取り出し効率あるいは利用効率が低く、それらを
向上させることが技術的に難しく、容易ではない。
【0005】この点で、半導体レーザーは、優れた指向
性により、放射光を効率よく利用することができる。ま
た、半導体レーザーは、実用的光源として十分に長寿命
であり、通常、エネルギー利用効率も発光ダイオードよ
り大きい。さらに、半導体レーザーは、その単色性によ
り、色再現領域を大きく取ることができる。しかし、上
述の光学式プロジェクター等の光源として半導体レーザ
ーを利用する場合には、次に述べるようなスペックルノ
イズという問題があった。
【0006】一般に、半導体レーザ等のレーザ光源を光
源として、例えば画像表示装置の照明に用いたとき、像
面、例えば観察者の網膜上では、物体面、例えばスクリ
ーンの各点、各領域からの寄与が集合されて像を形成す
ると考えることができる。この際、物体表面には、波長
程度以上の凹凸があるのが自然であるから、像面では、
複雑な位相関係の光束が重なり合っており、それらの光
束が互いに可干渉であれば、干渉の結果、複雑な明暗の
パターンを生じる。スペックルノイズとは、粗い表面や
不均質な媒質をレーザ光のような干渉性のつよい光で照
射してその散乱光を観測するとき、光の強度分布がラン
ダムになり、表面や媒質が粒状の外見を呈する現象であ
り、表示装置であれば、著しく表示画像の画質を損なう
原因となる。半導体レーザーの場合も、一般的にスペッ
クルノイズを生じさせるのに十分な可干渉性を有してお
り、問題になる。
【0007】スペックルノイズは、半導体レーザーに限
らず高いコヒーレンスを有するレーザー光源に共通の問
題であり、従来より解決の試みが種々行われてきた。そ
の代表的な方法の一つは、回転拡散板を用いる方法であ
る。これは、照明光源から被照明面の間に擦りガラスの
ようなランダムな凹凸面を有する拡散板を挿入し、それ
を回転させることにより、像面に生じるスペックルパタ
ーンを時間的に変動させ、受光系の応答速度内での積分
効果によりパターンを平均化する方法である。例えば、
人間の目の場合、その応答速度は30msec程度といわれ
ており、その時間内にパターンが幾重にも変動するよう
な十分な速度で拡散板を回転させることにより、人間の
目にとってスペックルパターンをほとんど認識できなく
することができる。
【0008】しかしながら、回転拡散板は、本来、光を
発散させる作用を持つから、光学系に挿入した場合、入
射光の損失が生じることになる。また、モーターで回転
させる回転拡散板は、嵩が大きい上に、エネルギーを消
費し、駆動音を生じるなど、民生用の画像表示装置に適
用するのは、余り好ましくない。
【0009】スペックルノイズを低減させる別の従来の
方法は、ある程度のコヒーレンス長を有するコヒーレン
ト光を複数の光束に分割し、互いにコヒーレンス長程度
以上の光路差を与えた後、再び合流あるいは配列させる
方法である。この低減方法は、各々の光束間で非干渉と
なるので、分割される光束数が多いほど、合流あるいは
配列されたコヒーレント光の空間的なコヒーレンス度を
低減することができる。
【0010】この方法の具体的な既知の事例としては、
ファイバーバンドルが知られている。この方法では、複
数のファイバーを束ね、各ファイバーの長さに、入射す
る光源のコヒーレンス長より長い光路差を与えておく。
ファイバー束の両端を揃えておき、一端より光を入射す
ると、他端ではそれぞれのファイバーからの出射光は、
互いに非干渉となり、全体としての空間コヒーレンスは
低減する。従って、これを照明等の光源として用いた場
合は、被照射面のスペックルノイズを低減させることが
できる。
【0011】しかし、ファイバーバンドルを用いる方法
には以下のような問題点がある。例えば、51本の光フ
ァイバーを束ねて、各々の長さの差を1cmとした場合
には、最短の光ファイバーと最長の光ファイバーとの長
さの差は50cmとなる。そして、その両端を揃えて、
例えば画像表示装置内に納めるには、大きな容積が必要
であり、画像表示装置の小型化を図る上での阻害要因と
なる。また、ファイバーバンドルの入射端の開口率は1
以下であるため、入射するコヒーレント光をファイバー
バンドルに結合する際に損失が生じる。さらに、出射端
では、光が光束として各ファイバーから出射される、即
ち、出射光は一定の面積を有する出射口の各点から発散
する光束として構成されることになり、後段の光学系で
光損失を生じる原因ともなる。さらに、ファイバーバン
ドルのような装置を大量に生産するのは、基本的には、
経済的に困難であり、これも、また、民生用の画像表示
装置の照明には不向きである。
【0012】ところで、シングルモードのパワースペク
トラムを有するコヒーレント光光源から出射されるコヒ
ーレント光のコヒーレンス長は、一般的に、十分長いの
で、いかなる光路長差を生起する手段を用いたとして
も、空間コヒーレンスを低減するのには限界がある。例
えば、光源としてシングルモードの半導体レーザーを用
いる場合、その典型的なスペクトラム幅は100MHz
であり、従ってコヒーレンス長は3m程度となる。この
ように長い光路差を多段に生起した光学系は、相当の体
積になり、嵩張るので、民生用の画像表示装置に用いる
上での大きな阻害要因である。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、小型でかつ簡素な構成で、スペックルノイズの低減
を可能にする照明装置及び照明方法を提供することであ
る。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る照明装置は、光軸上に配置されたコヒ
ーレント光を出射するコヒーレント光源と、光軸に対し
て交差する面上に並置された複数個の要素レンズを有
し、コヒーレント光源から出射したコヒーレント光を要
素レンズの数にほぼ等しい複数個の光束に分割するレン
ズアレイと、光軸に対して交差する面に沿って配置さ
れ、焦点位置でほぼ同一の被照射領域を照明するよう
に、分割された複数個の光束を集光する集光レンズとを
備えることを特徴としている。
【0015】本発明で使用するコヒーレント光源は、コ
ヒーレント光を出射するかぎり、その種類は問わず、例
えば半導体レーザ、固体レーザ、気体レーザ等のレーザ
を好適に使用することができる。
【0016】好適には、前記コヒーレンス光源からの出
射光のコヒーレンス度を距離の関数として表し、コヒー
レンス度が、距離0でのコヒーレンス度の値に対して最
初に1/2になるまでの距離をLc としたとき、前記レ
ンズアレイが、開口数NAを有し、間隔dで配列された
複数個の要素レンズで構成され、かつ dNA>Lc の関係を満たすようにする。これにより、一層、被照射
面のスペックルノイズを低減することができる。
【0017】本発明の好適な実施態様では、コヒーレン
ト光源が、相互に異なる複数の発振波長のレーザ光を出
射するレーザーで構成されている。更に、好適には、前
記コヒーレント光源が、相互に独立した複数個のレーザ
ーから構成されている。本発明に係る照明装置は、照明
用の光を必要としているものには制約なく適用でき、好
適には、例えば画像表示装置、計測装置、顕微鏡、ある
いは露光装置の照明光用の照明装置である。
【0018】上記目的を達成する、本発明に係る照明方
法は、光軸上に配置されたコヒーレント光源からコヒー
レント光を出射させ、光軸に対して交差する面上に複数
個の要素レンズを並置してなるレンズアレイに、コヒー
レント光源から出射したコヒーレント光を通過させて要
素レンズの数にほぼ等しい複数の光束に分割し、次い
で、分割された複数個の光束を集光レンズによって集光
し、集光レンズの焦点位置に位置するほぼ同一の被照射
領域に照明することを特徴としている。
【0019】
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。照明装置の実施形態例1 本実施形態例は、本発明に係る照明装置の実施形態の一
例であって、図1は本実施形態例の照明装置の構成を示
す模式図、図2は半導体レーザから出射されたコヒーレ
ント光のスペクトラムを示す図、及び、図3は半導体レ
ーザから出射されたコヒーレント光のコヒーレンス度を
示すグラフである。本実施形態例の照明装置20は、図
1に示すように、光軸19上に、順次、配置され、コヒ
ーレント光源として設けられた半導体レーザー光源11
と、半導体レーザー光源11から出射されてコヒーレン
ト光を平行光線化するコリメート・レンズ12と、レン
ズ・アレイ13と、組み合わせ集光レンズ14、15と
を備え、光軸19に直交する被照射面16に光を照射す
る装置である。
【0020】コヒーレント光源として設けられた半導体
レーザー11は、図2にそのスペクトラムを示すよう
に、一定間隔の複数の周波数で発振する、いわゆる縦マ
ルチモードの半導体レーザーである。半導体レーザー1
1からの出射光のコヒーレンス度は、パワースペクトラ
ムのフーリエ変換より求められ、一般的に、図3に示す
ように、周期的な極大を有する。距離を単位としてコヒ
ーレンス度を表し、第一の極大波形の半値幅、すなわ
ち、コヒーレンス度が、距離0でのコヒーレンス度の値
に対して、最初に1/2になるまでの距離をLc と表
す。従って、第1の極大波形の半値全幅は、2Lcとな
る。コリメートレンズ12は、光軸19の直交面に沿っ
て配置され、半導体レーザー光源11から発した光束を
平行光線にして、後段に配置されたレンズアレイ13に
導波する。
【0021】レンズアレイ13は、等しい開口数NA=
Sinθを有する複数個のエレメントレンズ22を周期d
で並置させてなるレンズアレイである。レンズアレイ1
3の後段には、レンズ14及びレンズ15が、それぞ
れ、光軸19に直交して、配置されている。レンズ14
及びレンズ15を組み合わせ集光レンズとして機能し、
レンズ後側の焦点位置に配置された被照射面16に集光
する。
【0022】レンズアレイ13によりレンズ22の数に
等しい数で分割された光束は、集光レンズ14、15に
より被照射面16上の同一の領域を照射するように重な
ることになる。逆に言えば、被照射面16上の一点に至
る光束は、レンズアレイ13の各エレメントレンズ22
を透過した光束の重ね合わせで構成される。また、この
被照射面13上の一点に至る光束は、各エレメントレン
ズ22の透過光の同一の角度スペクトラム成分を有する
ものとなるが、このことは、被照射面16がレンズ14
及びレンズ15の後側焦点面、即ちフーリエ変換面であ
ることより明らかである。
【0023】ここで、被照射領域の端点17に至る光束
の内、レンズアレイ13内の一つのエレメントレンズ2
2aとそれと隣接するエレメントレンズ22bを透過し
た光束に注目すると、この2光束間にはdNAの光路長
差が生じている。従って、この光路長差をLc より大と
すると、被照射面上の端点17に至る光束は、互いにイ
ンコヒーレントすることができ、スペックルノイズを低
減させることができる。
【0024】被照射領域内のさらに光軸19に近い点に
ついても、同様の考えに基づき、各エレメントレンズ2
2からの光路長差がLc より大であれば、スペックルノ
イズを低減することができる。従って、エレメントレン
ズの開口数NAは、できるだけ大であることが望まし
い。
【0025】但し、少なくとも光軸19上の点18に至
る光束間には、光路長差は生じてないが、被照射領域の
光軸付近の限られた部分にスペックルノイズが生じると
しても、被照射領域全体として、スペックルノイズのコ
ントラストを低減させることができる。また、その場合
にも、他のスペックルノイズを低減する照明方法と組み
合わせて、さらに効果的にスペックルノイズの低減を図
ることができる。さらに、以下の実施形態例2として示
すように、コヒーレント光源を相互に独立した複数のレ
ーザーから構成することによっても、より効果的にスペ
ックルノイズを低減させることができる。
【0026】例えば画像表示装置の照明光源として、本
実施形態例の照明装置20を用いることにより、スペッ
クルノイズを低減させ、画像の品質を向上させることが
できる。
【0027】照明装置の実施形態例2 本実施形態例は、本発明に係る照明装置の実施形態の別
の例であって、図4は本実施形態例の照明装置の構成を
示す模式図である。本実施形態例の照明装置50は、光
軸49上に、順次、配置された、相互に独立した複数個
(図4では3個図示)の半導体レーザー光源41からな
るコヒーレント光源40と、コヒーレント光源からの出
射光をコリメートする第1のレンズアレイ42と、第2
のレンズアレイ43と、レンズ44及びレンズ45の組
み合わせ集光レンズを構成要素とし、光軸49に直交す
る被照射面46に光を照射する装置である。第2のレン
ズアレイ43は、実施形態例1のレンズアレイ13と同
じ構成を備え、同じ作用を有する。また、レンズ44と
レンズ45は、実施形態例1のレンズ14とレンズ15
とそれぞれ基本的に同じ構成で同じ作用を有する。
【0028】コヒーレント光源40は、複数個の半導体
レーザー光源41から成り、各半導体レーザー41は、
図2に示したように、複数の波長で発振する。各半導体
レーザー41から出射された光束は、それぞれ、コヒー
レント光源40を構成する半導体レーザー41の数とほ
ぼ同数のエレメントレンズ52から成る第1のレンズア
レイ42に入射し、それぞれ、コリメートされる。光束
は、さらに第2のレンズアレイ43に至るが、第2のレ
ンズアレイ43を構成するエレメントレンズ52の数
は、半導体レーザー光源41の数よりも多い。よって、
第2のレンズアレイ43では、一つの半導体レーザー光
源の出射光は、複数個のエレメントレンズ52を透過し
て被照射面46に至る。第2のレンズアレイ43を通っ
て被照射面46に至る過程は、実施形態例1と同様であ
る。
【0029】以上の構成により、実施形態例2では、実
施形態例1と同様に、半導体レーザー41から出射さ
れ、第2のレンズアレイ43の異なるエレメントレンズ
52を透過した光束は、互いにインコヒーレント化す
る。これにより、被照射面16でのスペックルノイズを
低減することができる。
【0030】さらに、本実施形態例では、被照射面46
の光軸49上の点48に至る光束は、互いにインコヒー
レントであるから、被照射面46全体にわたってスペッ
クルノイズを低減することができる。即ち、コヒーレン
ト光源を構成するレーザー光源がN個であったとする
と、光軸上のスペックルノイズコントラストは、1/
(N)0.5 となる。さらに、光軸49からそれた点で
は、dNA>Lc が満たされれば、実施形態例1で説明
したように、さらにスペックルノイズが低減される。
【0031】なお、図4では、その基本的な作用を説明
するために、略線的に第1のレンズアレイ42及び第2
のレンズアレイ43を構成する要素レンズの数をそれぞ
れ3、7としたが、これに限らないのは言うまでもな
い。一般的には、半導体レーザー、第1及び第2のレン
ズアレイは、各々を構成するエレメントレンズが2次元
的に配列される。その場合も、上記に示したのと同様の
効果に従いスペックルノイズを低減させることができ
る。また、一般的にコヒーレント光源を構成する半導体
レーザーの数は多数であるほど、スペックルノイズの低
減化には有利である。
【0032】また、実施形態例1では、レンズアレイ1
3の後段の集光レンズとして、レンズ14、15の2枚
の組み合わせレンズを用い、また、実施形態例2でも、
第2のレンズアレイ43の後段の集光レンズとして、レ
ンズ44、45の2枚の組み合わせレンズを用いている
が、これに限られるわけではなく、集光できる限り、単
一のレンズでも、3枚以上の組み合わせレンズでも良
い。また、レンズアレイ13及び43を構成する要素レ
ンズは、一定間隔で周期的に配置されている必要は、必
ずしもない。
【0033】また、実施形態例1及び実施形態例2で
は、複数の周波数で発振するマルチモードの半導体レー
ザーを光源の例として示したが、マルチモード半導体レ
ーザーは、本来、複数の発振波長で発振するものでも良
い、また、単一波長で発振する半導体レーザーの注入電
流に高周波信号を重畳させることによって、複数の波長
の光を得ることもできる。このようなマルチモードの半
導体レーザーは、一般的にLc が小さく、上記に示した
スペックルノイズ低減の効果を得るための構成が比較的
容易である。しかし、コヒーレント光源としてはマルチ
モードの半導体レーザーに限られるものではなく、同様
の原理を用いれば、有限のコヒーレンス長を有するレー
ザー一般に適用できることは言うまでもない。
【0034】照明方法の実施形態例 本発明に係る照明方法は、実施形態例1又は実施形態例
2の照明装置を使用することにより容易に実施すること
ができる。例えば、実施形態例1の照明装置20を使用
することにより、半導体レーザで構成されたコヒーレン
ト光源11からコヒーレント光を出射させ、出射したコ
ヒーレント光に、複数個の要素レンズ22が並置された
レンズアレイ13を通過させて要素レンズの数に等しい
複数の光束に分割する。次いで、分割された複数個の光
束を集光レンズ14、15によって集光し、集光レンズ
14、15の焦点位置に位置するほぼ同一の被照射領域
16に照明する。これにより、被照射面16のスペック
ルノイズを低減することができる。
【0035】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、コヒー
レント光を出射するコヒーレント光源と、並置された複
数個の要素レンズを有し、コヒーレント光源から出射し
たコヒーレント光をほぼ要素レンズの数に等しい複数個
の光束に分割するレンズアレイと、焦点位置でほぼ同一
の被照射領域を照明するように、複数個の光束を集光す
る集光レンズとを備えることにより、被照射面のスペッ
クルノイズを低減する照明装置を実現している。更に、
詳細に説明すると、 (1)コヒーレント光源からの光束が、相互に異なる光
路と光路長をもって被照射面上の一点に至り、かつそれ
らがインコヒーレントに重なるため、被照射面のスペッ
クルノイズを低減できる。 (2)コヒーレント光源を複数の波長で発振するマルチ
モードレーザーとすれば、生起させるべき光路差が比較
的小さいので、同一の開口数のエレメントレンズから成
るレンズアレイを用いたとしても、被照射領域上のより
広い区域でスペックルノイズの低減を図ることができ
る。 (3)コヒーレント光源を複数のレーザーから構成する
と、被照射領域前面においてさらに効果的にスペックル
ノイズを低減させることができる。 (4)さらに、本発明よる照明装置を用いて、画像表示
装置あるいは露光装置を構成すれば、スペックルノイズ
の低減された高品位な画像あるいは露光を得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例1の照明装置の構成を示す模式図で
ある。
【図2】半導体レーザーから出射されたコヒーレント光
のスペクトラムを示す図である。
【図3】半導体レーザーから出射されたコヒーレント光
のコヒーレンス度を示すグラフである。
【図4】実施形態例2の照明装置の構成を示す模式図で
ある。
【符号の説明】
11……半導体レーザー、12……コリメート・レン
ズ、13……レンズ・アレイ、14、15……組み合わ
せ集光レンズ、16……被照射面、19……光軸、20
……実施形態例1の照明装置、22……エレメントレン
ズ、40……コヒーレント光源、41……半導体レーザ
ー、42……第1のレンズアレイ、43……第2のレン
ズアレイ、44、45……組み合わせ集光レンズ、46
……被照射面、49……光軸、50……実施形態例の照
明装置、52……エレメントレンズ。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光軸上に配置されたコヒーレント光を出
    射するコヒーレント光源と、 光軸に対して交差する面上に並置された複数個の要素レ
    ンズを有し、コヒーレント光源から出射したコヒーレン
    ト光を要素レンズの数にほぼ等しい複数個の光束に分割
    するレンズアレイと、 光軸に対して交差する面に沿って配置され、焦点位置で
    ほぼ同一の被照射領域を照明するように、分割された複
    数個の光束を集光する集光レンズとを備えることを特徴
    とする照明装置。
  2. 【請求項2】 前記コヒーレンス光源からの出射光のコ
    ヒーレンス度を距離の関数として表し、コヒーレンス度
    が、距離0でのコヒーレンス度の値に対して最初に1/
    2になるまでの距離をLc としたとき、 前記レンズアレイが、開口数NAを有し、間隔dで配列
    された複数個の要素レンズで構成され、かつ dNA>Lc の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の照明
    装置。
  3. 【請求項3】 前記コヒーレント光源が、相互に異なる
    複数の発振波長のレーザ光を出射するレーザーで構成さ
    れていることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
  4. 【請求項4】 前記コヒーレント光源が、相互に独立し
    た複数個のレーザーから構成されていることを特徴とす
    る請求項1に記載の照明装置。
  5. 【請求項5】 画像表示装置、計測装置、顕微鏡、ある
    いは露光装置の照明光用の照明装置であることを特徴と
    する請求項1から4のうちのいずれか1項に記載の照明
    装置。
  6. 【請求項6】 光軸上に配置されたコヒーレント光源か
    らコヒーレント光を出射させ、 光軸に対して交差する面上に複数個の要素レンズを並置
    してなるレンズアレイに、コヒーレント光源から出射し
    たコヒーレント光を通過させて要素レンズの数にほぼ等
    しい複数の光束に分割し、 次いで、分割された複数個の光束を集光レンズによって
    集光し、集光レンズの焦点位置に位置するほぼ同一の被
    照射領域に照明することを特徴とする照明方法。
  7. 【請求項7】 前記コヒーレンス光源からの出射光のコ
    ヒーレンス度を距離の関数として表し、コヒーレンス度
    が、距離0でのコヒーレンス度の値に対して最初に1/
    2になるまでの距離をLc としたとき、 前記レンズアレイが、開口数NAを有し、間隔dで配列
    された複数個の要素レンズで構成され、かつ dNA>Lc の関係を満たすことを特徴とする請求項6に記載の照明
    方法。
  8. 【請求項8】 前記コヒーレント光源として、相互に異
    なる複数の発振波長のレーザ光を出射するレーザーを使
    用することを特徴とする請求項6に記載の照明方法。
  9. 【請求項9】 前記コヒーレント光源として、相互に独
    立した複数個のレーザーを使用することを特徴とする請
    求項6に照明方法。
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