专利名称：减小光相干性的方法及其装置,照明方法及其装置,以及束式光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及减小光相干性的方法及其装置，照明方法及其装置，以及束式光纤。
背景技术：
历来，作为在例如投影式液晶显示器及计测装置等之中使用的照明光的光源，从成本及简便等种种理由出发，一直采用灯泡及发光二极管(LED)等非相干光源。
与此相对，一直尝试将以固体激光器、气体激光器、半导体激光器等的激光作为光源的激光用作照明光。激光在具有优异的定向性的同时还具有高强度，是相干性高的光束，其中技术上最困难的问题是由于相干性高而产生的斑纹。
比如，半导体激光器是发射光电转换效率高、定向性优异的激光的光源，但由于相干性高造成斑纹之故，很少用作照明用光源。
另外，在70年代，对使用激光的显示器件(以下称激光显示器)的研究在各地展开，除了光源输出不足及调制方法等课题之外，妨碍其实用化的的问题之一就是斑纹问题。
近年来，激光显示器的关键部件的基本技术的开发正急剧推进，包括采用固体激光器的波长变换的高输出激光器、可产生红(R)绿(G)蓝(B)三原色振荡的半导体激光器、以及采用液晶和微型机械的空间调制器等。
与此相对，斑纹(斑纹图形)，除了激光显示器之外，近年来在半导体曝光装置领域也成为很大问题，正在寻求对此的对策。这是由于为提高析像度导入了作为短波长光源的准分子激光器的缘故。
作为对相干性的控制，即对斑纹的对策，比如，提出一种在半导体曝光装置中，如
图1所示，利用长度各异的元件构成的蝇眼透镜71，在蝇眼透镜71的射出侧端面和掩模73之间，在距离两者均为f处设置一个透镜72的所谓相干性减小法(参考涉谷真人、上原诚的日本专利特公昭60-230629号公报)。
然而，在此方法中，因为蝇眼透镜71的元件的长度大，并且各元件的照明区域的大小不同，所以其效率低下等就成为问题。
另外，还提出一种可达到同样效果的采用如图2所示的棱镜75的方案(参考日本专利申请特愿昭63-22131公报)。然而，这一方法减小相干性的效果不够充分，并且光学损失过大。
另外，在原理上，利用分散折射率的办法能够获得同样的效果，但存在为了借助通常的分散折射率的方法获得充分的效果，必须使用于减小相干性的元件大型化的问题。
除此之外，还提出多种控制相干性的技术。然而，利用任何一种方法，在显示器及显微镜等之中，被照明物体和肉眼之间生成的斑纹都无法充分减小。此外，为了去除这种斑纹，要求采用比光刻法等投影曝光装置更为严格的相干性控制。
即如图3所示，由照明光a照明的物体80的像83由透镜81成象在屏幕82上。此处，在照明光a为相干光的场合，由于物体80的粗糙表面状态及透镜81的光学表面状态所产生的随机相位的干扰作用，使屏幕82上的像83上出现斑纹。
此外，如示意4所示，用眼睛观察由透镜在屏幕上生成的物体的像，就是由透镜86在屏幕87上生成的物体85的像由眼球88成像于网膜89。即在此过程中，由于屏幕87和眼球88的光的干扰而在光路上产生随机相位偏差，在此成像过程中也会产生斑纹。另外，即使在屏幕87的像上没有斑纹重叠，在像平面上存在的空间相干性也会在肉眼(网膜89)上生成二次斑纹。
另外，在以光刻技术为基础的投影曝光装置中所采用的镜移动法及旋转扩散片法等技术并不能减小相干性，而只是使斑纹移动进行平均化，因此即使采用这些技术，对于在肉眼中生成的斑纹也没有什么效果。如果在显示器等之中采用这一技术，则必须使屏幕振动来改变屏幕等被照明物体和眼睛之间的位置关系(参考Eric G.Rawson，B.Nafarrate，Robert E.Norton，Joseph W.Goodman，“Specle-free rear-projection screen using two close screens in slowrelative motion，”Jounal of Optical Society of America，Vol.66，No.11，November 1976，pp 1290-1294)。然而，这在实用上甚为不便。
另一方面，迄今为止光纤主要是为了通信用途而进行开发的，其主要结构材料一直是采用以石英等为主要成分的玻璃材料(玻璃光纤)。另外，为避免模式色散，开发是以单模光纤为主的。
另外，已知玻璃光纤在传输可见短波长范围的光束的场合，漫射会增加，其透射率会降低。所以，光纤应用于可见光时，只限于不需要长距离传送的显微镜等的照明用的多模光纤等。特别是，在使用多模光纤的场合，由于射出光的强度分布均匀，不需要蝇眼透镜等复杂光学系统也是一个很大的优点。
与此相对，最近，塑料多模光纤的开发正引起注意(参考TakaakiIshigure，Eisuke Nihei，and Yasuhiro Koike，“Graded-index polymeroptical fiber for high-speed data communication”，Applied Optics，Vol.33，No.19，1 July 1994，pp 4261-4266)。
塑料光纤，与玻璃光纤相比，其特征为又便宜又轻，在可见光范围显示最大透射效率。此外，模式色散与通常的玻璃光纤相比也非常大。
另外，最近也正在研究紫外范围激光传送用的中空波导通路(参考第58届应用物理学会学术讲演预稿集，3a-SR-18，坪仓正树、桥新裕一、久保宇市“紫外激光功率传送用中空波导通路的改进”)。
此外，已知由于多模光纤传输中的多模色散使斑纹的对比度下降(参考今井正明“光纤的波动特性与光斑”，光学，第8卷第3期，1979年6月p128-134)。
即如图5所示，在由纤芯93及包层94构成的多模光纤92中，因为激光90及激光91分别具有不同的传输速度，在多模光纤92的射出端95一侧，具有相互不同的模式分量的光束对应于在不同的时间(t1、t2及t3)入射的光束。因此，假如由于模式色散造成的展宽超过相干长度，射出光的相干性就减小。
然而，单独一根此种多模光纤很难传输光强度很大的激光，另外，即使在将其集合成束的场合(成束的场合)，由于各光纤射出的激光具有相互间的相干性，所以也很难进行相干性控制，即很难使斑纹充分减小，此外，在将其实际应用于照明用途时，必需是色散大、在可见范围透射率高的光纤。
如上所述，由于过去不存在简便便宜的高性能相干性控制技术(即减小相干性的技术)，所以不能将上述各种激光用作照明光源。此外，这也一直妨碍了采用激光的照明装置(比如显示器及计测装置、显微镜等等)的应用。
本发明简介本发明系鉴于上述事实，旨在提供结构简易的减小光相干性的方法及其装置，并且提供利用具有优异定向性同时相干性减小的高强度光束作为照明光的照明方法及其装置。
本发明的另一目的是提供将具有优异定向性的高强度光束变换为相干性减小的光束的束式光纤。
即本发明涉及使相干光入射到包含长度差超过此相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群，从此光纤群集合成束的光射出侧光纤束部分射出相干性减小的光的一种减小光相干性的方法(以下称之为本发明的减小光相干性的方法)。
根据本发明的减小光相干性的方法，比如，从固体激光器、半导体激光器、气体激光器、色素激光器等激光光源射出的相干光入射到包含长度差超过此相干光的相干长度(干涉距离)的、长度相互不同的多根光纤的光纤群，故从上述多根光纤射出的光束不具有相干性，所以从上述光射出侧光纤束部分射出的是相干性减小的光束。这也可通过将光束的一部分光路由上述光纤群(以下称之为束式光纤)构成而实现减小光相干性的简易结构。
另外，本发明可提供一种减小光相干性的装置作为以良好再现性实现本发明的减小光相干性的方法的装置，此装置具有使上述相干光入射于其上的包含长度差超过此相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群，从上述光纤群集合成束的光射出侧的束式光纤部分射出相干性减小的光(以下称这种装置为本发明的减小光相干性的装置)。
另外，本发明可提供一种使光源射出的相干光入射到包含长度差超过此相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群，从此光纤群集合成束的光射出侧的束式光纤部分射出相干性减小的光作为照明光的照明方法(以下称之为本发明的照明方法)。
根据本发明的照明方法，因为从固体激光器、半导体激光器、气体激光器、色素激光器等光源射出的相干光入射到包含长度差超过此相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群，从上述多根光纤射出的光束不具有相干性，所以从上述光射出侧光纤束部分射出的是相干性减小的光束。也即因为上述相干光的相干性减小，可利用具有优异定向性的高强度相干光作为斑纹得到抑制、具有优异定向性的高强度并且照明强度分布均匀的照明光。这也可通过将光束的一部分光路由上述光纤群(束式光纤)构成而实现减小光相干性的简易结构。
另外，本发明可提供一种减小光相干性的装置作为以良好再现性实现本发明的照明方法的装置，此装置具有射出相干光的光源和包含长度差超过此相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群，从上述光纤群集合成束的光射出侧的束式光纤部分射出相干性减小的光作为照明光的照明装置(以下称之为本发明的照明装置)。
此外，本发明可提供一种作为应用于上述本发明的减小相干性方法及其装置、本发明的照明方法及其装置中的上述光纤群，可传导相干光的多根光纤集合成束形成的束式光纤(或光纤束)，包含长度差超过上述相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群至少在光射出侧集合成束的束式光纤(以下称之为本发明的束式光纤)。
根据本发明的束式光纤，因为包含长度差超过上述相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群至少在光射出侧集合成束，所以如通过此束式光纤就可在减小其相干性的同时将相干光变换为具有优异定向性的高强度光束。
附图简介图1为现有的采用蝇眼透镜的照明装置的一部分的概略示意图。
图2为现有的采用棱镜的照明装置的一部分的概略示意图。
图3为用于说明相干性控制必要性的概略示意图。
图4为用于说明相干性控制必要性的另一概略示意图。
图5为示出由于光纤中的模式色散造成的相干性减小的原理的概略示意图。
图6(A)为基于本发明的束式光纤的概略示意图，图6(B)为其入射端或射出端的概略示意图。
图7为示出本发明的第一实施形态的概略示意图。
图8为示出本发明的第二实施形态的概略示意图。
图9为示出本发明的第二实施形态的另一概略示意图。
图10为示出本发明的第三实施形态的概略示意图。
图11为示出本发明的第三实施形态的另一概略示意图。
图12为示出本发明的第四实施形态的概略示意图。
图13为示出本发明的第四实施形态的另一概略示意图。
图14为示出本发明的第五实施形态的概略示意图。
图15为示出本发明的第六实施形态的概略示意图。
图16(A)为示出本发明的第七实施形态的概略示意图，另外，图16(B)为示出具有三维形状的试样的一例的概略示意图，图16(C)为示出活体组织试样一例的概略示意图。
图17为示出基于本发明的束式光纤的另一概略示意图。
本发明的优选实施形态在本发明的减小光相干性的方法及其装置、本发明的照明方法及其装置以及本发明的束式光纤(以下总称之为本发明)中，上述光纤群(或束式光纤)的光(相干光)的入射位置最好是在上述各光纤间相同或大致相同，另外，上述光纤群在光入射位置，最好是尽可能密集地集合起来。
另外，在本发明中，通过将上述多根光纤的任何一根进行弯曲可以使这些光纤的长度成为长度差超过上述相干光的相干长度的相互不同的长度。这种弯曲方法没有什么特别限制，可选择能满足上述长度条件的各种形状。
另外，在本发明中，最好是采用多模光纤作为上述光纤。特别是因为透射率高并且曲率半径大等原因，上述多模光纤最好是采用塑料光纤。
通过多模光纤传输的光束由于模式色散而相干性减小。因此，根据本发明的特征性结构，通过将包含长度差超过相干光的相干长度的长度相互不同的多根多模光纤集合成束而成为上述光纤群，通过中介该光纤群(束式光纤)传导相干光，就可以抑制从上述多根多模光纤射出的光束的相互干涉而实现在传输高强度光束的同时减小其相干性。
另外，在本发明中，上述相干光最好是可见范围的激光，在此场合，上述光源部分可以是射出可见范围激光的上述各种激光器。
即在本发明中，如使上述相干光为可见波长范围激光，就可实现显示装置及计测装置、显微镜等以可见范围光束为光源的光学装置。
或者是，也可利用中空多模光纤作为上述光纤，并且上述相干光为紫外范围的激光(即也可采用射出紫外范围的激光的激光器作为上述光源)，借此可实现以紫外范围光束为光源的，比如，计测装置、显微镜、曝光装置等的光学装置。
另外，在本发明的照明方法及其装置中，上述照明光可用作显示装置、计测装置、显微镜或曝光装置的光源。
比如，通过利用上述照明光照明由液晶元件等构成的空间调制器，将其像投射到屏幕上，可抑制斑纹并实现高亮度、高精度的显示装置(显示器)。另外，通过利用此照明光照明被计测物体并对该物体的形状、反射和/或投射光的强度等进行计测可实现测定精度高的计测装置。另外，可实现利用此照明光的荧光显微镜等的显微镜。此外，以此照明光(特别是紫外范围的照明光)作为光源，通过中介掩模等对被曝光物体进行照明，可得到对比度高、焦点深度大的曝光像(特别是紫外线曝光装置)。
下面对本发明的作用进行说明。
一般，通过多模光纤传输的相干光束由于模式色散可减小相干性。此外，在本发明中，由于上述多根光纤具有超过相干长度的长度差，各光纤射出后的光束相互间不具有干涉性。
所以，光源的大小加大，空间相干性减小。于是，通过合成构成的光束，其相干性减小，而如果相干性减小，则斑纹的对比度可降低。此外，利用这种光作为照射光能够实现可避免由斑纹造成的图像劣化的显示器、计测器、曝光装置等。并且，由于从多模光纤发出的射出光束的强度分布均匀，所以可以在减小相干性的同时实现高强度且均匀的照明。
下面详细说明此多模光纤中的模式色散。
在由折射率高的纤芯及比其折射率低的包层构成的阶跃折射率光纤的场合，其封闭模式总数N由下式(1)给出N≡V2/2……(1)在上述式(1)中，V是由下述式(2)表示的标准化频率V＝k0a(n12-n22)1/2……(2) 比如，在纤芯半径a为500μm、纤芯折射率n1、包层折射率n2分别为n1＝1.492、n2＝1.456的塑料光纤中有波长为500nm的光束入射时，封闭模式总数大约为500,000个模式。即在多模光纤中，由于模式色散使脉冲大大扩展。可以认为，在这种多模式场合，模式折射率从纤芯折射率一直扩展到包层折射率。
因此，通过长度为L的光纤的脉冲的前端和尾端的距离由下述式(3)表示c[(n1L/c)-(n2L/c)]＝(n1-n2)L……(3)结果，在同一时刻入射到光纤的光入射侧的波长为500nm的光束(δ函数形状的在同一时刻入射的脉冲)，比如，在从1m长的光纤射出时脉冲展宽的前后宽度为2.6cm。
这样，如入射到光纤的入射光束的相干长度较此脉冲宽度为短时，即使入射光是连续光，相干性也可减小。例如，对可进行多模振荡的固体激光器的激光，假如利用其高次谐波，可实现数毫米程度的相干长度。所以通过多模光纤传输的透射光束的时间相干性可以减小。
另外，通过在空间中叠加多个模式也可减小空间相干性。由于这一影响，如前所述，即使光纤的模式色散长度(光纤的光射出端的最快的模式和最慢的模式之差)较光源的相干长度为短，相干长度也可减小，但为了更有效地抑制相干性，光纤的模式色散长度最好是较光源的相干长度为长，为此光纤的长度L最好是L＞(a/n1-n2)(其中a、n1及n2与前面相同)。
设通过此多模光纤传输的透射光束的相干长度为M，如成束的多根光纤的长度差超过M时，因为从上述多根光纤射出的光束相互间不具有相干性(可干涉性)，通过将其混合(合成)就可以减小光束的相干性，不容易生成斑纹。所以，适当选择和设计光纤的长度和光纤的根数，以及光源的相干长度就可以按需要充分地抑制斑纹。
此处，需要注意的是传输中的光损失，现在，在塑料光纤的场合，其传送损失，对于波长500nm～550nm的光束，大约0.1dB/m为最小。就是说，在1m、5m、10m、50m时，内部透射率分别为97.7％、89.1％、79.4％、31.6％。所以，对于本发明的照明方法或其装置的应用用途(比如，显示装置、计测装置、显微镜、曝光装置等)已是充分容许的程度。
另外，上述的紫外线波导用的中空光纤，现在其透射率也较低，但期待将来可具有充分的透射效率。另外，可以认为，通过提高各种激光器的本身的输出也可以得到针对不同应用用途的充分的射出光。
下面参考图6对基于本发明的束式光纤的一例进行说明。
如图6(A)所示，长度相互不同且长度差超过入射的相干光的相干长度的多根多模光纤2a、2b、2c、2d…的入射端(入射侧光纤束部分)3和射出端(射出侧光纤束部分)4都对齐在一起，并通过集合成束形成由光纤群构成的束式光纤1。
特别是在其入射侧光纤束部分3及射出侧光纤束部分4中，其成束方法，如图6(B)所示，要尽可能地密集(比如，六角密集填充)，这从射出(或入射)的激光的结合(耦合)效率的观点看是最理想的。
另外，多模光纤2具有由折射率大的纤芯5和折射率比较小的包层6构成的双重结构，并且在束式光纤1中一根一根的长度都不同。此长度差，根据本发明的特征性结构，应超过入射到束式光纤的相干光的相干长度，至少两根光纤应分别具有超过相干长度的长度差。但是，最好是能使所有的成束光纤分别具有超过相干长度的长度差。
作为这种使长度不同的多根光纤集合成束的方法，如图6所示，最好将各光纤中任何一根比其他光纤长出上述相干长度的部分成曲线状地折返，并且即使设置这一折返部8，束式光纤1的光入射部和光射出部在各光纤之间具有共同或同一位置。这样，由于使用光纤，可以借助折返等方式有效地利用周围空间并简便而紧凑地实现上述长度差。这种光纤的形状，并不限于图6所示的形状，比如如图17所示，光纤7a、7b、7c、7d…单纯折曲成为曲线形状也可以。即可以利用光纤的折曲部的曲率大小来构成任意的形状。
所以，在图6所示的束式光纤1中，入射到多根光纤集合成束的入射侧光纤束部3上的相干激光α，中介束式光纤1成为相干性减小了的光束，理想地成为非相干的光束而射出。
即，入射到入射侧光纤束部分3上的激光α，是以同一或几乎同一强度入射到多模光纤2a、2b、2c、2d…之上，在各个多模光纤中，作为由于模式色散造成的时间相干性、空间相干性减小的激光(a)、(b)、(c)、(d)…而射出。
于是，各多模光纤，因为根据本发明的特征性结构，分别具有超过相干长度的长度差，故从各多模光纤的射出侧光纤束部分4射出的激光(a)、(b)、(c)、(d)具有对应于超过相干长度的长度差的相位差，从各个多模光纤射出的激光不具有相互可干涉性，如将这些激光合成就可在得到定向性优异高强度的、同时相干性减小到实际上成为非相干的光束。
所以，相干激光，通过中介如上述这样筒便结构的束式光纤进行传输，实际上变换为非相干光束，特别是可作为在上述显示器、计测装置、显微镜、曝光装置等之中使用的照明光来利用。另外，因为借助光纤(束式光纤)可减小相干性，故相干性的减小效果很充分，并且强度分布均匀，此外光学损失很少。
下面对本发明所希望的实施形态予以说明。
第一实施形态首先，参考图7，对本发明的第一实施形态予以说明。
本实施形态是利用基于图6所示的本发明的束式光纤的显示装置(激光显示装置)。
在此显示装置中，首先，通过激光振荡器10射出的激光入射到透镜11，之后利用透镜11聚光的激光入射到与上述相同的束式光纤12的入射侧光纤束部。
于是，通过束式光纤12及光纤13射出的激光，通过透镜14，对例如由透射型液晶显示元件构成的空间调制器15进行照明。另外，光纤13可以是将束式光纤12集合成束，也可以是和束式光纤12耦合的其他的光纤。
于是，利用从透镜14发出的高强度的照明光，将空间调制器15产生的像经过投影透镜16以高亮度、高精度以及良好的对比度投影到屏幕17上。
这样，因为照明空间调制器的照明光是通过了基于本发明的束式光纤12的激光，故利用前述的效果，相干性可减小，并可减小屏幕上或进行观察的观察者的网膜上任何一个上面的斑纹。
此处，作为激光振荡器10可使用固体激光器、半导体激光器、气体激光器、色素激光器等等，另外也可以使用其高次谐波(比如Nd∶YAG激光的二次谐波及五次谐波)。另外，为得到三原色光，可以与激光并用激光以外的LED或灯泡等光源。此外，光源也不一定是一个，可以是多个。据此，可以使用输出低但效率高且容易操作的半导体激光器。在此场合，在将该多个激光合成之际，可以使用基于本发明的束式光纤。
第二实施形态本实施形态示出的是为了达到获得在显示装置等中采用的三原色的照明光的目的，采用可振荡生成红色波长范围激光的半导体激光器、可振荡生成绿色波长范围激光的半导体激光器及可振荡生成蓝色波长范围激光的半导体激光器的照明用光束的光源部的结构。
即，如图8所示，从红色(R)振荡的半导体激光器21a、绿色(G)振荡的半导体激光器21b及蓝色(B)振荡的半导体激光器21c各半导体激光器示出的激光通过透镜22a、22b及22c导入基于本发明的束式光纤23a、23b及23c，可将各色的激光由束式光纤耦合。
这样，为获得三原色，利用红、绿及蓝色振荡的半导体激光器，将从各半导体激光器发出的射出光束通过基于本发明的束式光纤进行导波，就可以用作在减小相干性的同时具有高度定向性及大强度的照明光。
另外，图9为以获得更大强度的照明光为目的的照明装置。
如图9所示，红色半导体激光器25a、25b及25c发出的红色激光通过透镜22分别导入束式光纤26a、26b及26c，这些束式光纤再通过耦合可由光纤束27a传输成为更大强度的红色激光。勿容赘言，利用同样的方式可以传输绿色激光及蓝色激光。
于是，通过将传输红色激光的光纤27a、传输绿色激光的光纤27b及传输蓝色激光的光纤27c进一步集合成束就可以在光纤28中传输强度更大的三原色的激光。当然，发出各色的半导体激光器的数目不限于3，可使用任意的多个。另外，基于本发明的束式光纤部也不限于束式光纤26a、26b及26c的位置，也可以位于光纤27a、27b及27c或光纤28的位置。
第三实施形态本实施形态示出的是利用偏振状态不同的激光的照明用光束的光源部结构。
图10为利用由振荡生成P偏振光的半导体激光器32a、振荡生成S偏振光的半导体激光器32b，透镜33a、33b，镜34及偏振光束分束装置35构成的激光耦合器单元31，及透镜36将P偏振光的激光和S偏振光的激光在束式光纤37中合成的光源部的结构的概略示意图。这样，通过使用偏振光束分束装置就可以导入效率佳强度高的激光。
另外，图11基本上与图10同样，是利用偏振状态不同的激光的照明装置，将从振荡生成红色(R)激光的激光耦合器单元31a射出的红色激光通过透镜36a在束式光纤37a中合成，同样地，将从振荡生成绿色(G)激光的激光耦合器单元31b射出的绿色激光以及将从振荡生成蓝色(B)激光的激光耦合器单元31c射出的蓝色激光分别通过透镜36b及透镜36c入射到束式光纤37b及束式光纤37c中形成各束式光纤的示例。
但是，图8～图11所示的第二实施形态及第三实施形态示出的是从具有不同振荡波长范围的半导体激光器发出的射出光导入一个束式光纤的例子，此外，为提供三原色光也可考虑采用其他几种方法。
首先，第一是光源调制。即周期地振荡生成各色的激光，通过在每个周期利用空间调制器进行空间色分解(调制)可得到彩色图像。
第二是利用滤色器的空间调制。即如果各色空间调制器具有只允许各像素的特定颜色通过的滤色器，就可以利用空间调制器获得彩色图像。另外，三原色的合成，如下述第四实施形态所示，也可在空间调制器部分进行。
第四实施形态本实施形态是，利用例如反射型液晶显示元件等的反射型空间调制器，在此空间调制器部分合成三原色之后，导入未示出的基于本发明的束式光纤的显示装置的结构例。
如图12所示，采用上述方法，借助图中省略的基于本发明的束式光纤使照明光照射到由反射型空间调制器40和光束分束装置41构成的单元42时，可利用一个空间调制器(单元)对三原色进行调制。此处，可用偏振光束分束装置置换光束分束装置41，在空间调制器自体中或在该光路上配置波长板，也可提高调制效率。
另外，图13为将图12所示的单元应用于各色，即通过图中省略的束式光纤将照明光导入红色空间调制器42a、绿空间调制器42b及蓝色空间调制器42c并经过空间调制后利用二向色反射镜43合成为光束。
在本实施形态中，叙述的是反射型空间调制器，但透射型空间调制器(例如透射型液晶显示元件)的也是一样的结构。
以上从第一实施形态至第四实施形态主要叙述了显示装置(显示器)用的照明方法及照明装置，但本发明并不限于这些实施形态，可以有种种其他的应用。
下面以从基于本发明的束式光纤发出的照明光用作计测装置及显微镜的光源为例进行说明。
另外，图中未示出，如利用中空多模束式光纤作为基于本发明的多模束式光纤，可应用于紫外波长范围的激光。利用这种光纤，比如，可实现半导体等的制造过程的紫外线曝光装置。另外，如果在显微镜中以试样(被观察物体)及人体的网膜(或CCD(电荷耦合器件)等等)置换上述的空间调制器及屏幕，在计测装置中以被计测物体及图像输入装置置换，在曝光装置中以掩模及曝光物体置换就可以很容易地分别实现。
第五实施形态本实施形态是将基于本发明的束式光纤应用于计测装置的示例。
即如图14所示，从束式光纤45发出的照明光a投射到被计测表面47，由被计测表面47反射的光束b通过观察光学系统48由受光器49检测，比如，可对其表面性质(表面粗糙度)进行计测。
此处，如果计测对象物体在其透射率及反射率的分光特性中具有特征，则使用适合其特征波长的光很有效。比如，为了利用在FA(工厂自动化)中使用的选择设备等识别具有特定颜色的物体，以具有特定波长的激光进行照射，由于和其他颜色的物体的反射率不同很容易进行识别。另外，在焊锡检测器中，从基板的反射率而言绿色波长范围的照明光最为有效，故可以通过使用绿色波长范围的半导体激光而实现，此外，根据本发明的技术，其检查精度可以提高。
即在这些检查工序中，因为斑纹是噪声的主要原因，所以使用基于本发明的束式光纤可提高精度。另外，在观察光学系统48中，如加上特定波长的滤波器，可不受外部散射光线的影响，可进一步提高精度。
另外，此处，不仅是照明光的反射光，也可观察照明光的透射光及荧光。在此场合，减小照明光的斑纹可降低噪声。
第六实施形态本实施形态是将基于本发明的束式光纤应用于曝光装置及显微镜等光学仪器的示例。
即如图15所示，从束式光纤51发出的射出光束借助会聚透镜52对被照明物体进行柯勒照明或临界照明，使用物镜54使受到照明的被照明物体53成像为像55。在此处观察像表面就成为显微镜。另外，如将被照明物体53的像在抗蚀层及薄膜上曝光(或记录)就是曝光装置。另外，如图中箭头所示，物镜54可适当移动。
此处，与上述第五实施形态同样，如果被照明物体在其透射率及反射率的分光特性中具有特征，则使用适合其特征波长的光很有效。例如，如作为被曝光材料的抗蚀层及薄膜对特定的波长的敏感度高，则以该波长曝光就很有效。这就使得可使用具有特定振荡波长范围的的波长宽度很窄激光，另外利用基于本发明的技术可使该激光低相干化，可去除斑纹及实现对比度优异的曝光处理。
举一例进行说明。在影片的数字声道上进行记录时，采用绿色波长范围的光很有效，如采用基于本发明的技术，可以很简单地实现这一点。还有另外一个例子，将中空的波导通路置换为光纤可实现使用准分子激光器、固体激光器的高次谐波等的紫外激光的曝光装置。这不仅可抑制斑纹，而且因为照度分布也很均匀，所以装置便宜且简便并具有优异性能。
另外，在构成显微镜的场合，因为可实现单一波长的无斑纹显微镜，所以可利用试样的反射率或透射率的特性而构成分光或荧光显微镜。这不仅可供医用或活体用，在半导体等工艺检查等方面也有广阔的应用。
此外，在此示例中不仅可使用照明的反射光，也可利用透射光及荧光。在此场合也可减小照明光的斑纹而抑制噪声。
第七实施形态本实施形态示出的是利用基于本发明的束式光纤的其他计测装置。
作为在第六实施形态中示出的计测装置以外的示例，近年来注目的焦点是低相干干涉仪等干涉仪方面的用途。图16(照明光a)示出其结构例。
即从束式光纤60发出的光束由准直透镜61变为平行光，其波面由光束分束装置62分割。一方的光束(透射光)射向参照镜63(与光束分束装置的距离为L)，另一方的光束(反射光)射向被检测侧。
此处，在多模束式光纤的射出光的相干长度在a以下的场合，被检测侧的镜是与光束分束装置的距离为L-a的镜64b或是与光束分束装置的距离为L+a的镜64c时，几乎没有干涉条纹产生。与此相对，只在镜如镜64a那样与光束分束装置的距离为L时有干涉条纹(光谱图形)产生。
此处，可以以图16(B)所示的具有三维形状的试样66或如图16(C)所示的活体试样67置换镜64a、64b及64c，如将这些物体的反射光作为干涉光进行观察，可观察到各试样切成圆片状态下的三维形状。另外，通过对这一干涉条纹的对比度进行计测也可作为测长器使用。
另外，如根据多模束式光纤的长度等设计相干长度，还可以有种种用途的应用。这也与由于相干性减小获得的斑纹抑制及观察和测定时的噪声显著减小有关，可预期精度及性能会得到提高。
以上，根据本实施形态，可对各种激光进行简便便宜及高性能的相干性控制，特别是可应用本发明作为斑纹得到抑制的物体照明用光源，此外，在采用多模光纤作为上述光纤时，通过空间性的模式叠加可以在使照明强度均匀的同时达到简便且低成本节省空间(即不受空间的制约)的效果。此外，可以构成显示装置、计测装置、显微镜、曝光装置等等，特别是可以利用光电变换效率高的半导体激光器来构成。据此，可以实现装置的高性能化、小型化及低成本化。
根据本发明的减小光相干性的方法，因为从固体激光器、半导体激光器、气体激光器、色素激光器等光源发射的相干光入射到包含长度差超过此相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群，故从上述多根光纤射出的光束相互间不具有相干性，所以从上述光射出侧光纤束部分射出的是相干性减小的实际上是非相干的光束。这也可通过将光束的一部分光路由上述光束群构成，从而实现减小光相干性的简易结构。
另外，利用本发明的减小光相干性的装置可以以良好的再现性实现本发明的减小光相干性的方法。
根据本发明的照明方法，因为从固体激光器、半导体激光器、气体激光器、色素激光器等光源射出的相干光入射到包含长度差超过此相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群，故从上述多根光纤射出的光束不具有相干性，所以从上述光射出侧光纤束部分射出的是相干性减小的实际上是非相干的光束。这也可通过将光束的一部分光路由上述光束群构成，从而实现减小光相干性的简易结构。也即因为上述相干光的相干性减小，所以可用作斑纹得到抑制的具有优异定向性的高强度的照明光。
另外，本发明的照明装置可以以良好的再现性实施本发明的照明方法。
根据本发明的束式光纤，因为包含长度差超过上述相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群至少在光射出侧集合成束，所以如通过此束式光纤就可在减小其相干性的同时将相干光变换为具有优异定向性的高强度相干光。
权利要求
1.一种减小光相干性的方法，其特征在于，相干光入射到包含长度差超过此相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群，从此光纤群集合成束的光射出侧光纤束部分射出相干性减小的光。
2.如权利要求1中所述的减小光相干性的方法，其特征在于使上述光纤群的入射位置在各光纤之间相同或几乎相同。
3.如权利要求2中所述的减小光相干性的方法，其特征在于上述光纤群在光入射位置集合成束。
4.如权利要求1中所述的减小光相干性的方法，其特征在于通过将上述多根光纤的任何一根进行弯曲而使这些光纤的长度相互不同。
5.如权利要求1中所述的减小光相干性的方法，其特征在于采用多模光纤作为上述光纤。
6.如权利要求1中所述的减小光相干性的方法，其特征在于上述相干光是可见波长范围的激光。
7.如权利要求1中所述的减小光相干性的方法，其特征在于利用中空多模光纤作为上述光纤，并且上述相干光是紫外范围的激光。
8.一种减小光相干性的装置，其特征在于，此装置具有使相干光入射于其上的、包含长度差超过此相干光的相干长度的长度相互不同的多根光纤的光纤群，相干性减小的光从上述光纤群集合成束的光射出侧的束式光纤部分射出。
9.如权利要求8中所述的减小光相干性的装置，其特征在于使上述光纤群的入射位置在各光纤之间相同或几乎相同。
10.如权利要求9中所述的减小光相干性的装置，其特征在于上述光纤群在光入射位置集合成束。
11.如权利要求8中所述的减小光相干性的装置，其特征在于通过将上述多根光纤的任何一根进行弯曲而使这些光纤的长度相互不同。
12.如权利要求8中所述的减小光相干性的装置，其特征在于采用多模光纤作为上述光纤。
13.如权利要求8中所述的减小光相干性的装置，其特征在于上述相干光是可见波长范围的激光。
14.如权利要求8中所述的减小光相干性的装置，其特征在于利用中空多模光纤作为上述光纤，并且上述相干光是紫外范围的激光。
15.一种照明方法，其特征在于，使光源射出的相干光入射到包含长度差超过此相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群，从此光纤群集合成束的光射出侧的束式光纤部分射出相干性减小的光作为照明光。
16.如权利要求15中所述的照明方法，其特征在于使上述光纤群的入射位置在各光纤之间相同或几乎相同。
17.如权利要求16中所述的照明方法，其特征在于上述光纤群在光入射位置集合成束。
18.如权利要求15中所述的照明方法，其特征在于通过将上述多根光纤的任何一根进行弯曲而使这些光纤的长度相互不同。
19.如权利要求15中所述的照明方法，其特征在于采用多模光纤作为上述光纤。
20.如权利要求15中所述的照明方法，其特征在于上述相干光是可见波长范围的激光。
21.如权利要求15中所述的照明方法，其特征在于利用中空多模光纤作为上述光纤，并且上述相干光是紫外范围的激光。
22.如权利要求15中所述的照明方法，其特征在于将上述照明光用作显示装置、计测装置、显微镜或曝光装置的光源。
23.一种照明装置，其特征在于，此装置具有射出相干光的光源部分，以及包含长度差超过此相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群，从上述光纤群集合成束的光射出侧的束式光纤部分射出相干性减小的光作为照明光。
24.如权利要求23中所述的照明装置，其特征在于使上述光纤群的入射位置在各光纤之间相同或几乎相同。
25.如权利要求24中所述的照明装置，其特征在于上述光纤群在光入射位置集合成束。
26.如权利要求23中所述的照明装置，其特征在于通过将上述多根光纤的任何一根进行弯曲而使这些光纤的长度相互不同。
27.如权利要求23中所述的照明装置，其特征在于采用多模光纤作为上述光纤。
28.如权利要求23中所述的照明装置，其特征在于上述相干光是可见波长范围的激光。
29.如权利要求23中所述的照明装置，其特征在于利用中空多模光纤作为上述光纤，并且上述相干光是紫外范围的激光。
30.如权利要求23中所述的照明装置，其特征在于将上述照明光用作显示装置、计测装置、显微镜或曝光装置的光源。
31.一种束式光纤，是将引导相干光的多根光纤集合成束的束式光纤，其特征在于，包含长度差超过上述相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤的光纤群至少在光射出侧集合成束。
32.如权利要求31中所述的束式光纤，其特征在于使上述光纤群的入射位置在各光纤之间相同或几乎相同。
33.如权利要求32中所述的束式光纤，其特征在于上述光纤群在光入射位置集合成束。
34.如权利要求31中所述的束式光纤，其特征在于通过将上述多根光纤的任何一根进行弯曲而使这些光纤的长度相互不同。
35.如权利要求31中所述的束式光纤，其特征在于采用多模光纤作为上述光纤。
36.如权利要求31中所述的束式光纤，其特征在于上述相干光是可见波长范围的激光。
37.如权利要求31中所述的束式光纤，其特征在于利用中空多模光纤作为上述光纤，并且上述相干光是紫外范围的激光。
全文摘要
提供一种结构简易的减小光相干性的减小相干性的方法及其装置,生成可抑制斑纹并且强度高的照明光的照明方法及其装置以及实现这些方法及装置的束式光纤。在其中相干光(α)入射到由长度差超过此相干光的相干长度的、长度相互不同的多根光纤(2a)、(2b)…构成的束式光纤(1)的入射端部(3),从此束式光纤(1)的光射出侧光纤束部(4)射出非相干光束。
文档编号G02B6/04GK1256759SQ99800230
公开日2000年6月14日 申请日期1999年2月5日 优先权日1998年2月6日
发明者菅沼洋, 今井裕 申请人:索尼株式会社