JPH0622801Y2 - フライアイレンズ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は照明用のフライアイレンズに関する。

このフライアイレンズは、例えばプリント配線板やＩＣ
等の回路パターンの露光装置、製版用の密着焼付機や殖
版機あるいは複写装置など、原画像を均一に照明する必
要のある各種装置に利用される。

従来の技術 フライアイレンズを用いた照明光学系の一例を第１６図
に示す。(1)は中央に高輝度発光部をもつ光源で、(2)は
光源(1)が放射する光束を集光する楕円ミラー、(3)は楕
円ミラー(2)の集光光束を光軸(4)と直交する面に２次元
アレイ状に配列したエレメントレンズ(3E),(3E),…によ
り複数の光束に分割するフライアイレンズ、(5)はフラ
イアイレンズ(3)のそれぞれのエレメントレンズ(3E)か
らの射出光束を受ける被照射面で、この被照射面(5)に
おいて分割光束の重畳により一様な照度分布が得られ
る。

フライアイレンズ(3)は、前述のように複数のエレメン
トレンズ(3E)から構成されるが、各エレメントレンズは
複数の単レンズ(3a),(3b),…の組合わせで構成される。
これら単レンズの光軸は整合されていて光軸(4)と平行
をなす。フライアイレンズ(3)は構造的に言えば、単レ
ンズ群(3a),(3b),…を規則正しく３次元に配列したもの
と言うことができる。このために従来のこの種フライア
イレンズはすべて単レンズそれぞれの位置精度を確保で
きるようにこれらを３次元にしっかりと固定するための
ホルダが使用されてきた。

第１７図に例示するように、同図(b-1)(b-2)に示すよう
な四角柱状の単レンズ(6)を用いる場合、同図(a)に示さ
れるような金属製の単レンズホルダ(8)と、光軸方向の
単レンズ間の距離を正確に与えるための金属製のスペー
サ(10)をそれぞれ複数個使用する。単レンズホルダ(8)
は、金属製の円板をまず所要の形状にくりぬき加工して
さらに単レンズ(6)の形状に合わせて厚さ方向に切削加
工して段差面を作り、縦横の格子状平面(9)としたもの
である。スペーサ(10)も段差面の切削加工を除き単レン
ズホルダ(8)と同様に、格子状にくりぬき加工をし更に
厚さを精度良く出すための加工を施したものである。単
レンズ(6)は単レンズホルダ_８の単位格子(9u)に配置・
収容され、規則正しく２次元に配列される。この上にス
ペーサ(10)を嵌め合わせ、２次元アレイ状の単レンズ群
を固定化するとともに次段の単レンズ群との正確なレン
ズ間距離を与える。そして、これらを複数段重ね合わ
せ、上下すなわち光軸方向の前後に(c)のスペーサ(10)
と同様な形状の抜け止め防止用ホルダ（図示せず）で挟
み、この全体を筒状にくりぬいた外観箱型のホルダ本体
（図示せず）にネジ止めすることにより完成する。

考案が解決しようとする問題点 しかしながら、上記のようなフライアイレンズである
と、第一に、単レンズ群を支持するための単レンズホル
ダ(8)の縦横の格子(9g)が入射光束を遮り、光量の損失
をもたらすという問題がある。

第二は、金属製の単レンズホルダ(8)，スペーサ(10)，
抜け止め防止用ホルダその他を、用いる単レンズ固有の
形状に合わせてそれぞれに加工する必要があり、しかも
個々の単レンズ間及び単レンズ群相互間の位置関係を光
学的に正確に出すためにこれら部品の総てを極めて高精
度に加工処理しなければならず、またこの加工はとりわ
け金属の切削加工であることから工数の負担を招いてお
り、これらのことが大幅なコスト高の原因となってい
る。

従って、本考案の目的は、光量の損失がなくかつ工数の
負担がないフライアイレンズを提供することにある。

問題点を解決するための手段 上記目的を達成するため、本考案に係るフライアイレン
ズは、枠状のホルダ内に、光軸を接合させて単レンズを
複数配列したエレメントレンズを光軸と垂直方向に２次
元アレイ状に配置したフライアイレンズにおいて、前記
単レンズはその光軸に垂直な断面形状が正方形または長
方形あるいは正六角形のいずれか一つの形をとる柱状レ
ンズであって、前記エレメントレンズを形成する前記柱
状レンズの同形の単レンズ群についてそれぞれ、単レン
ズの側面部を互いに密接させて２次元アレイに形成した
単レンズのブロックと、前記単レンズのブロックを光軸
方向の両側から挟み付ける透光性の薄板とで構成したこ
とを基本的な特徴としている。

作用効果 上記単レンズのブロックは、密接された単レンズのみか
らなり、かつ光軸方向には透光性の薄板で挟持された構
造で、光軸方向における遮光物がないので、光量の損失
を無くすることができるとともに、単レンズのブロック
全体を横方向（光軸と直交する方向）に簡単に位置決め
するだけで充分な光学精度を確保できるので、とりわけ
高精度な部品類は要求されず、また組立時、基本的に、
透光性の薄板と単レンズ群（ブロック）とを交互に重ね
てゆく単純な作業だけで済み、工数の負担が大幅に軽減
できる。

また、エレメントレンズを形成する柱状の単レンズ間の
光軸方向の距離は、透光性の薄板の厚さ又は空間を隔て
た２枚の透光性の薄板により容易に設定することができ
る。

実施例 第１図に組立ての完了したフライアイレンズの一例を示
し、第２Ａ図に組立方法の概要を示す。

第１，２Ａ図において、(11)は中央に光束の入射する窓
(11w)を形成したアルミニウム合金製の底板である。こ
の底板(11)に同じくアルミニウム合金製の側板(12),(1
3)を垂直に取り付け、例えばボルトにより固定し、方形
状のホルダ枠(14)を作る。窓(11w)の外側に四角枠状の
支持面(11s)ができる。

ホルダ枠(14)の内部に、まず所定の厚みのガラス板(15)
を底板(11)に接するように即ち支持面(11s)の上に置
く。このとき、ガラス板(15)が側板(12),(13)とほとん
ど隙間を作らないように、予めガラス板(15)の寸法は決
められている。

側面が光軸と平行な面に加工され、その光軸に直交する
断面（以下、単に断面と記す。）形状が正方形で柱状を
なす単レンズ(16)が５×５個準備され、これを支持面(1
1s)上に置かれたガラス板(15)の上に２次元に並べる。
単レンズ(16)の側面部が互いに密に接するように並べ
て、このレンズ群の外側面と側板(12),(13)との間に、
テフロン等のフッ素樹脂のスペーサ(17)を挿入する（テ
フロンは商標名）。この状態で、側板(12),(13)とスペ
ーサ(17)との間にほとんど隙間ができないように、単レ
ンズ(16)の寸法，ホルダ枠(14)の寸法に基づいて横方向
のスペーサ(17)の厚さが決められている。４個のスペー
サ(17)を嵌入することで単レンズ(16)は完全に相互に密
接し、単レンズのブロック(18)を形成する。単レンズの
ブロック(18)は断熱性のスペーサ(17)により囲われるの
で、使用時、金属製の側板(12),(13)からの熱伝導を阻
止できる利点をもつ。

スペーサ(17)の光軸方向の厚さは、単レンズ(16)の光軸
方向の厚さよりわずかに小さくなるように加工されてい
る。ホルダ枠(14)にレンズ間隔を与える次のガラス板(1
9)を入れる。ガラス板(19)は、単レンズのブロック(18)
と接触し、これに支持され底板(11)，ガラス板(15)と平
行になる。ガラス板(19)の大きさもガラス板(15)と同
様、側板(12),(13)との隙間がほとんどない寸法であ
る。先の単レンズ(16)と断面形状が同一でレンズ定数が
異なる単レンズ(20)を５×５個準備し、これをこのガラ
ス板(19)上に２次元状に密に配列し、この単レンズの厚
さより僅かに薄いテフロン製のスペーサ（横方向の厚さ
はスペーサ(17)と同じ）を側板(12),(13)間に嵌め込
み、第２段目の単レンズブロック(21)を作る。

同一の断面形状をもつ単レンズ(16),(20)を密接させ縦
横２次元に配列し、かつ同形の断面をもつスペーサ(17)
を平行で撓まない側板(12),(13)で精度よく密着支持さ
せるから、第１段目の各単レンズ(16)と第２段目の対応
の各単レンズ(20)との光軸は自ずから整合する。

第３段目の単レンズブロックも第２段目と同様にして作
る。第２段目の単レンズブロック上に乗せるガラス板は
もちろん所定の厚さを有するものである。第２段目と第
３段目の単レンズの光軸もこの簡単な組立作業だけで自
ずからら整合する。この作業を単レンズブロックの所要
の個数分行う。こうして一つの光軸上に整合され単レン
ズ群がフライアイレンズのエレメントレンズ(30)（第１
図参照）を構成する。

なお、単レンズ間の間隔を１枚のガラス板の厚みで与え
ず、２枚の薄いガラス板で代替させる場合、すなわちガ
ラス板とレンズとが交互に配置されない場合には（第１
図，後述の実施例に係る第８図の場合など）、第２図
(d)に示されるような、例えばアルミニウム合金製の剛
体の枠(25)を単レンズの替わりに設置して、ガラス板間
の距離を正確に保持させる。

組立ての最後は、最終段の単レンズブロック上にガラス
板(22)を乗せ、これを側板(12),(12)に固定される押え
金具(23),(23)により光軸方向に押し付け固定する。

尚、第２Ａ図では断面形状が正方形の単レンズを縦・横
各々に５こずつ配列した正方形の単レンズブロックを示
しているが、被照射面が特に長方形状を成す場合には、
その形状に相応する断面形状の単レンズをもちいて単レ
ンズブロックを形成するのが望ましい。

又、半導体ウェハのように円形の被照射面の場合は、断
面が正六角形の単レンズを用いた単レンズブロックを構
成してもよい。第２Ｂ図は、この場合の一実施例を示す
もので、この例では縦・横５列（数は５個と４個であ
る）に配列されているが、単レンズブロック（18′）の
端部形状が平面状でないので、組み立てた時にスペーサ
と単レンズブロック（18′）の端部が隙間なく密接する
ように、縦横の単レンズブロック（18′）の形状に合わ
せたスペーサ（17′）を用いている。

次に、より具体的な各種実施例を性能とともに説明す
る。なお、以下ではエレメントレンズのみを示し、エレ
メントレンズを構成する単レンズは全て前述の柱状レン
ズとする。

以下の第１〜第５の実施例及び変形例はいずれも第３図
に示す光学配置のもとで、下記（イ）〜（ニ）の設定値
を有する。

（イ）光源（ＬＳ）からガラス板（入射瞳）（Ａ）まで
の距離：ａ＝５０ （ロ）光路の最終のガラス板の後面（Ｌ）から被照射面
（ＯＧ）までの距離：ｂ＝１００ （ハ）レンズの有効径：1.0φ（レンズ断面の外接円の
直径を意味する。） （ニ）エレメントレンズの焦点距離：ｆ＝1.0そして、
入射瞳（Ａ）は、光束が入射する最初のガラス板の前面
近傍に設定し、その像が、被照射面（ＯＧ）上に投影さ
れるように設定されている。

第１の実施例 第４図に４個の単レンズ(41),(42),(43),(44)からなる
エレメントレンズの構成を示し、その構成に係るデータ
を第１表に示す。面NO.はガラス板，単レンズを通して
の光路順に位置する境界面の番号、ｒは曲率半径、ｄは
その面と次の面との距離、ｎは屈折率を示す（以下の実
施例についても同様の要領とする。但し、面番号の図示
については第４図のみ代表させて記入してある）。

第３図の光学配置において、 ２ｙ＝26.79φ（最大入射角ωmax＝１５°） Ｈmax＝４５ （最大出射角θmax＝24.2°） とした場合の被照射面における照度分布を第１０図に示
す。

グラフの縦軸は被照射面（ＯＧ）の光軸中心（Ｃ）の照
度を１とする照度比％（パーセント）を、横軸は被照射
面（ＯＧ）上のＣ点からの距離を示している。一般に被
照射面（ＯＧ）での照度分布はその有効域で９０％以上
を要する場合が多く、この実施例では、第１０図のグラ
フから、照度分布は極めて均一で、照度低下は２％以内
に収まっていることが分かる。

第２の実施例 第５図に３個の単レンズ(51),(52),(53)からなるエレメ
ントレンズの構成を示す。この実施例のデータを第２表
に示す。

第３図の光学配置において、 ２ｙ＝24.93φ（最大入射角ωmax＝１４°） Ｈmax＝４５ （最大出射角θmax＝24.2°） とした場合の被照射面における照度分布を第１１図に示
す。

フライアイレンズを例えば原画照明に用い、通常のレン
ズ系でその原画の像をフィルムに投影露光する等の場
合、露光面周辺の照度が低下しないように、被照射面
（ＯＧ）の周辺の照度を上げることがあるが、本実施例
はこの点で好適で、グラフから分かるように、中間部
（中心部と周辺部との間の部分）での照度低下は１％以
内であり、周辺部の照度は充分に高くなっている。

第３の実施例 第６図に２個の単レンズ(61),(62)からなるエレメント
レンズの構成を示す。この実施例のデータを第３表に示
す。

第３図の光学配置において、 ２ｙ＝26.79φ（最大入射角ωmax＝１５°） Ｈmax＝４０ （最大出射角θmax＝21.8°） とした場合の被照射面における照度分布を第１２図に示
す。

このグラフから、照度の差が５％以内に収まっているこ
とが分かる。

第４の実施例 第７図に２個の単レンズ(71),(72)からなるエレメント
レンズの構成を示す。この実施例のデータを第４表に示
す。

第３図の光学配置において、 ２ｙ＝26.79φ（最大入射角ωmax＝１５°） Ｈmax＝４０ （最大出射角θmax＝21.8°） とした場合の被照射面における照度分布を第１３図に示
す。

このグラフから、照度の変動が±３％以内に収まってい
ることが分かる。

第５の実施例 第８図に４個の単レンズ(81),(82),(83),(83)からなる
エレメントレンズの構成を示す。この実施例のデータを
第５表に示す。

第３図の光学配置において、 ２ｙ＝32.49φ（最大入射角ωmax＝１８°） Ｈmax＝４５ （最大出射角θmax＝24.2°） とした場合の被照射面における照度分布を第１４図に示
す。

このグラフから、照度分布は中間部での低下が２％以内
で、周辺部では充分に高いことが分かる。

なお、この第５の実施例では、単レンズ(81),(82)間に
１枚のガラス板を置かずに、空気層(89)を挟んで２枚の
薄いガラス板(85),(86)でこれを代替させている。単レ
ンズ(82),(83)間もこれと同様である。ガラス板(85),(8
6)間は、空気層(89)の厚みに等しい剛体の枠(25)（第２
図(d)参照）で正確に距離が保たれることは前述の通り
である。

変形例 第９図に４個の単レンズ(91),(92),(93),(94)からなる
エレメントレンズの構成を示す。この例は単レンズ(94)
はガラス板上に置かず、単レンズ(93)の平坦(93a)を利
用して、単レンズ(94)の平坦部(94a)をこれに合わせこ
の上に載置したものである。この変形例のデータを第６
表に示す。

第３図の光学配置において、 ２ｙ＝26.79φ（最大入射角ωmax＝１５°） Ｈmax＝４５ （最大出射角θmax＝24.2°） とした場合の被照射面における照度分布を第１５図に示
す。

このグラフから明らかなように、照度分布は極めて均一
で、照度低下は２％以内に収まる。

以上の各実施例，変形例から明らかなように、単レンズ
の固有の形状に合わせてこれを保持する第１７図(a)の
ような単レンズホルダは全く不要である。もっとも、各
実施例，変形例において、単レンズ自体の加工精度は厳
格に要求され、例えば、正方形断面の一辺が１３mmに対
し±0.05mmとしている。

この種のフライアイレンズの構成に基本的に要求される
項目としては一般的に、組み立て工数やコストを考慮
してレンズの個数やガラス板の枚数が少ないこと、照
明系装置の小型化のために最大入射角，最大出射角が大
きいこと、レンズの屈折率が小さいこと（例えば露光
機などでは光源に紫外線（波長が365nm,405nm,436nmな
ど）を利用することから、屈折率が大きいと透過率が小
さくなるため）、および吸収によるエネルギーロスを
小さくするように、レンズ長を短くすることなどが挙げ
られる。

これらに関し、上記実施例，変形例の特徴をまとめると
次の通りである。

(1)第１の実施例は、標準的なタイプであるが、入射
角，出射角ともに大きくすることができ、照明系装置の
小型化に寄与する。

(2)第２の実施例は、レンズ，ガラス板の個数を少なく
したにもかかわらず、出射角を大きくすることができ
る。また、レンズの屈折率が比較的小さいもので実施で
きる利点をもつ。

(3)第３の実施例は、レンズ，ガラス板の個数が最小で
ある。そして、エレメントレンズの全長が短い。

(4)第４の実施例は、上記(3)と同様、要素の個数として
最小である。そしてレンズの屈折率が小さいので、エネ
ルギーロスを小さくできる利点をもつ。

(5)第５の実施例は、入射角，出射角共に大きくとれる
とともに、ガラス板の厚さ（全体としての厚さ）を小さ
くしたので、エネルギーロスを低減できる利点ある。

(6)変形例は、ガラス板の枚数を減らしたので、この削
減効果とともに、エネルギーロスを減らし出射角は大き
くできる利点をもつ。

上記実施例，変形例におけるガラス板は特に限定しては
いないが、好ましくは光学ガラス、より好ましくは石英
ガラスを用いる。石英ガラスであると、屈折率が小さく
かつ耐高温性で膨張率も小さいからである。しかし、必
ずしもガラスに限ることなく、透光性の板状耐として例
えば加工の容易なプラスチックを使用してもよい。

第１図，第２Ａ図，第２Ｂ図の実施例ではホルダ枠(14)
を四角形状としたが、もちろん円形状でもよい。

考案の効果 以上のように、本考案に係るフライアイレンズは、柱状
の単レンズを板ガラス等の透光性の薄板上に置いて側面
部を互いに密接させて２次元アレイに形成した単レンズ
のブロックを透光性の薄板で挟み付け、固定して構成す
るものであるから、組み立てが簡単で組み立てに工数が
かからず、また部品点数が少なくて済み、さらに透光性
の薄板の平面加工以外に特別な高精度加工処理を要する
部品はないので、従来に比べると大幅なコストダウンが
実現できる。そして、機能としては、第１図の例から明
らかなように、単レンズのブロックにおける単レンズ間
に隙間を設けない構成であるので、窓(11w)に入射する
光束はほとんど損失なく各エレメントレンズ(30),(30),
…,(30)から射出し、光の利用効率を大幅に高めること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の断面図、第２Ａ図(a)〜(e)
は組立方法の説明図、第２Ｂ図の他の例の説明図、第３
図は第１〜第５のより具体的な実施例及び変形例に共通
する光学配置の説明図、第４図は第１の実施例に係るエ
レメントレンズの断面図、第５図は第２の実施例に係る
エレメントレンズの断面図、第６図は第３の実施例に係
るエレメントレンズの断面図、第７図は第４の実施例に
係るエレメントレンズの断面図、第８図は第５の実施例
に係るエレメントレンズの断面図、第９図は変形例に係
るエレメントレンズの断面図、第１０図〜第１５図はそ
れぞれ第１〜第５の実施例及び変形例における照度分布
（全体）を示すグラフ、第１６図はフライアイレンズを
用いる一般的な照明光学系の例示図、第１７図(a),(b-
1),(b-2),(c)は従来例の説明図である。 ３……フライアイレンズ、３Ｅ，３０……エレメントレ
ンズ、３ａ，３ｂ，１６，１６′，２０……単レンズ、
１５，１９，１５′，１９′……ガラス板、１８，１
８′，２１……単レンズのブロック、１４……ホルダ
枠、１１……底板、２３……押え金具。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 植村 春生 京都府京都市上京区堀川通寺之内上る４丁 目天神北町１番地の１ 大日本スクリーン 製造株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−226315（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−3557（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−46517（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】枠状のホルダ内に、光軸を整合させて単レ
   ンズを複数配列したエレメントレンズを光軸と垂直方向
   に２次元アレイ状に配置したフライアイレンズにおい
   て、 前記単レンズはその光軸に垂直な断面形状が正方形また
   は長方形あるいは正六角形のいずれか一つの形をとる柱
   状レンズであって、前記エレメントレンズを形成する前
   記柱状レンズの同形の単レンズ群についてそれぞれ、単
   レンズの側面部を互いに密接させて２次元アレイに形成
   した単レンズのブロックと、 前記単レンズのブロックを光軸方向の両側から挾み付け
   る透光性の薄板とで構成したことを特徴とするフライア
   イレンズ。
2. 【請求項２】各単レンズブロックとホルダとの間には両
   者間に個別に嵌入されたスペーサを備える実用新案登録
   請求の範囲第（１）項記載のフライアイレンズ。