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JPH08101303A - Flyeye - Google Patents

Flyeye

Info

Publication number
JPH08101303A
JPH08101303A JP6220495A JP6220495A JPH08101303A JP H08101303 A JPH08101303 A JP H08101303A JP 6220495 A JP6220495 A JP 6220495A JP 6220495 A JP6220495 A JP 6220495A JP H08101303 A JPH08101303 A JP H08101303A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fly
eye
light
angle
incident
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP6220495A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yushiro Nitta
雄四郎 新田
Yoshihide Takeyama
芸英 武山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FUJII KOGAKU KK
NEC Home Electronics Ltd
NEC Corp
Original Assignee
FUJII KOGAKU KK
NEC Home Electronics Ltd
Nippon Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FUJII KOGAKU KK, NEC Home Electronics Ltd, Nippon Electric Co Ltd filed Critical FUJII KOGAKU KK
Priority to JP6220495A priority Critical patent/JPH08101303A/en
Publication of JPH08101303A publication Critical patent/JPH08101303A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE: To impart an adequate optical function to a flyeye when there is anisotropy in the incident angle of light on the flyeye. CONSTITUTION: Both faces of this flyeye are constituted by closely bundling many elements 40 which are convex lenses existing the paraxial focal positions of the other face. The sectional shape of these elements 40 is formed to a rhombic shape. The max. value (i.e., photodetecting angle) of a main ray inclination βfor all of the incident luminous fluxes on the flyeye (many elements 40) to emit effectively from the flyeye has the characteristic that the value is large in the long opposite line direction of the rhombic shape of the element 40 and small in the short diagonal line angle. This optical characteristic is utilizable to many purposes. Namely, the optical system having the condensing function adequate for the anisotropy is constituted by using such flyeye in various cases where the incident angles of light beams have anisotropy.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、多数の凸レンズの集
合であるフライアイに関し、特に、入射する光の入射角
に異方性がある場合に好適である新規な光学機能を持つ
フライアイ、並びに新規な構造のフライアイに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fly's eye which is a set of a large number of convex lenses, and more particularly to a fly's eye having a novel optical function which is suitable when the incident angle of incident light is anisotropic. And a fly eye with a novel structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のフライアイは、両面がいずれも他
方の面の近軸焦点位置にある凸レンズである多数のエレ
メントを束ねた構成であり、例えば半導体集積回路の製
造工程におけるマスクパターンの焼き込み作業の際の対
象物の照明用の集光光学系として用いられている。この
集光光学系を図9に示す。同図において、1はフライア
イ、2は集光レンズとしてのフレネルレンズ、3は照明
の対象物(半導体装置)である。この場合、対象物3を
均一な明るさで照明する必要があり、このため、従来の
フライアイ1は、充填密度が低下しないこと(エレメン
ト間に隙間が生じないこと)も同時に考慮して、各エレ
メント4の断面形状を図10(ロ)に示すような六角
形、あるいは四角形等の異方性のない断面形状としてい
た。
2. Description of the Related Art A conventional fly's eye has a structure in which a large number of elements, both of which are convex lenses whose both surfaces are at the paraxial focal point of the other surface, are bundled together. For example, a mask pattern is baked in a manufacturing process of a semiconductor integrated circuit. It is used as a condensing optical system for illuminating an object during a plugging operation. This condensing optical system is shown in FIG. In the figure, 1 is a fly eye, 2 is a Fresnel lens as a condenser lens, and 3 is an object to be illuminated (semiconductor device). In this case, it is necessary to illuminate the target object 3 with uniform brightness. Therefore, the conventional fly-eye 1 also considers that the packing density does not decrease (no gaps occur between the elements), The cross-sectional shape of each element 4 is a hexagonal shape as shown in FIG.

【0003】このフライアイ1に一定の角度範囲内の入
射角で光を入射させると、図10(イ)に示すように、
フライアイ1の各エレメント4に入射した光束の主光線
mは、光の入射角βに関係なく出射角がゼロ(各エレメ
ント4の光軸と平行)となり、背後のフレネルレンズ2
にとっては、物体高を持つ多くの物点からテレセントリ
ックな光束(フライアイ1の光軸と平行な光束)が出射
しているとみなすことができる。したがって、フレネル
レンズ2をその後ろ側焦点位置F1 がフライアイ1の出
射面位置にくるように配置すれば、すべての光束はその
前側焦点位置F2 に得られる射出瞳を通過することにな
る。したがって、この前側焦点位置F2に対象物3を置
けば、フライアイ1に入射するすべての光束をその入射
角に係わらず対象物3の狭い領域に向けることができ、
十分な明るさでかつ均一な照明を行うことができる。
When light is incident on the fly-eye 1 at an incident angle within a certain angle range, as shown in FIG.
The principal ray m of the light flux incident on each element 4 of the fly's eye 1 has an emission angle of zero (parallel to the optical axis of each element 4) regardless of the incident angle β of the light, and the Fresnel lens 2 behind
It can be regarded that the telecentric luminous flux (the luminous flux parallel to the optical axis of the fly eye 1) is emitted from many object points having the object height. Therefore, if the Fresnel lens 2 is arranged so that its rear focal position F 1 is at the exit surface position of the fly's eye 1, all the light fluxes will pass through the exit pupil obtained at its front focal position F 2. . Therefore, if the object 3 is placed at the front focus position F 2 , all the light fluxes incident on the fly-eye 1 can be directed to a narrow area of the object 3 regardless of the incident angle,
It is possible to perform uniform illumination with sufficient brightness.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】断面形状に異方性のな
い従来のフライアイ1は、上記のように単に均一な明る
さの照明を行うための光学素子として用いる場合には適
切であるが、光の入射角に異方性がある使用態様の場合
(例えば、フライアイ1に対して水平方向左右からは広
い角度範囲から入射するが、垂直方向からは狭い角度範
囲から入射する場合等)には、必ずしも適切でない場合
も生じ得る。また、従来のフライアイのように多数のエ
レメントを束ねた構成は、構造的に製造コストを安くす
ることが困難であった。本発明は上記背景のもとになさ
れたもので、フライアイへの光の入射角に異方性がある
種々の場合に、その異方性に応じた適切な集光機能を持
つ光学系を構成することができる、新規なフライアイを
提供すること、並びに安価に製造できるフライアイを提
供することを目的とする。
The conventional fly-eye 1 having no anisotropy in cross-sectional shape is suitable when used as an optical element for simply illuminating with uniform brightness as described above. , In the case of a usage mode in which the incident angle of light is anisotropic (for example, when incident on the fly eye 1 from a wide angle range from the left and right in the horizontal direction, but from a narrow angle range from the vertical direction). May not always be appropriate. Further, it is difficult to structurally reduce the manufacturing cost in the configuration in which a large number of elements are bundled like a conventional fly eye. The present invention has been made based on the above background, and in various cases where the incident angle of light to the fly's eye has anisotropy, an optical system having an appropriate condensing function according to the anisotropy is provided. It is an object of the present invention to provide a novel fly eye that can be configured, and to provide a fly eye that can be manufactured at low cost.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項1のフライアイは、両面がいずれも他方の面の近軸焦
点位置にある凸レンズである多数のエレメントを隙間な
く束ねてなり、これらの各エレメントの断面が菱形状を
なすことを特徴とする。
The fly-eye according to claim 1 for solving the above-mentioned problems is obtained by bundling a large number of elements, which are convex lenses, whose both surfaces are at the paraxial focal point of the other surface, without any gaps. Is characterized in that each element has a diamond shape in cross section.

【0006】請求項2のフライアイは、間隔をあけて配
置した等価な屈折力を持つ2枚のレンズアレイ板からな
るとともに、各レンズアレイ板における対向する一対の
凸レンズ部がレンズ光軸を共有しかつ互いに相手側の凸
レンズ部の焦点位置にあることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, the fly's eye comprises two lens array plates having an equivalent refractive power and arranged at intervals, and a pair of opposing convex lens portions in each lens array plate share a lens optical axis. In addition, they are located at the focal positions of the convex lens portions on the other side.

【0007】請求項3のフライアイは、請求項2のレン
ズアレイ板における各凸レンズ部の形状を菱形状にした
ものである。
According to a third aspect of the fly's eye, each convex lens portion of the lens array plate of the second aspect has a diamond shape.

【0008】[0008]

【作用】図5〜図8において、フライアイ41に入射し
た光束のすべてが有効にフライアイ41から出射するた
めには、フライアイ41に入射する光束の主光線mの傾
角βと、フライアイ41から出射する光束のNA(出射
NAという)とが一致しなければならない。一方、この
フライアイ41の各エレメント40は菱形の断面形状で
あり直角二方向の寸法が異なるので、菱形の長対角線方
向の出射NAと短対角線方向の出射NAとが異なったも
のとなる。したがって、フライアイ41に入射した光束
のすべてが有効にフライアイ41から出射するための主
光線傾角の最大値(すなわち許容される受光角)は、菱
形の長対角線方向には大きく、短対角線方向には小さ
い。この特性は、フライアイ41への入射光の入射角範
囲が例えば水平方向左右に広く垂直方向には狭い場合
に、入射光に対して適切な特性である。ただし、この特
性は、このフライアイ41を用いた光学系の構成や目的
に応じて活用することができる。
In FIGS. 5 to 8, in order that all the light fluxes incident on the fly eye 41 are effectively emitted from the fly eye 41, the inclination angle β of the principal ray m of the light flux incident on the fly eye 41 and the fly eye 41 The NA of the light flux emitted from 41 (referred to as emission NA) must match. On the other hand, since each element 40 of the fly-eye 41 has a rhombic cross-sectional shape and has different dimensions in two directions at right angles, the emission NA in the long diagonal direction and the emission NA in the short diagonal direction of the diamond are different. Therefore, the maximum value of the principal ray tilt angle (that is, the allowable light-receiving angle) for all the light fluxes incident on the fly's eye 41 to effectively exit from the fly's eye 41 is large in the long diagonal direction of the rhombus and is large in the short diagonal direction. Small to This characteristic is suitable for the incident light when the incident angle range of the incident light on the fly's eye 41 is wide in the horizontal direction and narrow in the vertical direction. However, this characteristic can be utilized depending on the configuration and purpose of the optical system using the fly-eye 41.

【0009】請求項2のフライアイにおいては、図8
(ハ)、(ニ)に示すように、入射側のレンズアレイ板
41’aの各凸レンズ部40’に入射した光束は、出射
側のレンズアレイ板41’bの対向する凸レンズ部4
0’を通過する。そして、この対向する一対の凸レンズ
部40’は等価な屈折力を持つを持つので、請求項1に
おけるエレメントと同じ光学作用をする。
According to the fly's eye of claim 2, FIG.
As shown in (c) and (d), the luminous flux incident on each convex lens portion 40 'of the lens array plate 41'a on the incident side faces the convex lens portion 4 on the opposite side of the lens array plate 41'b on the outgoing side.
Pass 0 '. Since the pair of convex lens portions 40 'facing each other have equivalent refractive power, they have the same optical action as the element in claim 1.

【0010】[0010]

【実施例】以下、本発明のフライアイをレーザーレーダ
の受信光学系における光学素子として適用した一実施例
を図1〜図8を参照して説明する。図1はレーザーレー
ダの内部構成を示す平面図、図2は同正面図である。こ
のレーザーレーダ20は、車両に搭載して前方の車両の
位置(方向および距離)を検出するものであり、内部に
レーザ光を出射する送信光学系21、この送信光学系2
1から物体に向けて出射されたレーザ光(送信光)の方
向を検出するための角度検出光学系22、物体(車両)
で反射したレーザ光(反射光)を受光する受信光学系2
3をケース24内に備えている。なお、各図中に、送信
光のスキャン方向(水平方向)をx、送信光の物体に向
かう方向をy、垂直方向をzの各座標で示す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment in which the fly-eye according to the present invention is applied as an optical element in a receiving optical system of a laser radar will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view showing the internal structure of the laser radar, and FIG. 2 is a front view thereof. The laser radar 20 is mounted on a vehicle to detect the position (direction and distance) of the vehicle ahead, and includes a transmission optical system 21 that emits laser light inside, and the transmission optical system 2.
1. An angle detection optical system 22 for detecting the direction of laser light (transmitted light) emitted from 1 toward an object, the object (vehicle)
Receiving optical system 2 for receiving laser light (reflected light) reflected by
3 is provided in the case 24. In each figure, the scanning direction (horizontal direction) of the transmitted light is indicated by x, the direction of the transmitted light toward the object is indicated by y, and the vertical direction is indicated by z.

【0011】前記送信光学系21は、図3、図4にも示
すように、高周波のパルス状のレーザ光を出射するレー
ザ光源25、出射されたレーザ光を平行光線にするコリ
メータレンズ26、平行光を縦横の一方向(図ではz方
向)にのみ集光するシリンドリカルレンズ27、レーザ
光を物体に向けて反射するバリアングルコーンミラー2
8、このバリアングルコーンミラー28の回転軸29を
一定回転速度で回転駆動するモータ30を備えている。
前記回転軸29はバリアングルコーンミラー28の円錐
軸と一致している。前記バリアングルコーンミラー28
は、円錐面28aの頂角が円周方向に漸変し、一周した
位置で円錐面28aの頂角が不連続に変化する段部28
cが形成される形状をなしている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the transmission optical system 21 includes a laser light source 25 for emitting a high-frequency pulsed laser beam, a collimator lens 26 for collimating the emitted laser beam, and a parallel beam. Cylindrical lens 27 that collects light only in one vertical and horizontal direction (z direction in the figure), vari-angle cone mirror 2 that reflects laser light toward an object
8. A motor 30 is provided for rotating the rotary shaft 29 of the vari-angle cone mirror 28 at a constant rotational speed.
The rotation axis 29 coincides with the cone axis of the variangle cone mirror 28. Bali angle cone mirror 28
Is a step portion 28 in which the apex angle of the conical surface 28a gradually changes in the circumferential direction, and the apex angle of the conical surface 28a changes discontinuously at a position where the conical surface 28a makes one revolution.
The shape is such that c is formed.

【0012】前記角度検出光学系22は、図3にも示す
ように、前記の送信光学系21とこの角度検出光学系2
2との両者に共通の光学部品である前述のバリアングル
コーンミラー28と、レーザ光を出射するレーザ光源3
5と、出射されたレーザ光をバリアングルコーンミラー
28上に向かって収束させる収束レンズ36と、バリア
ングルコーンミラー28で反射したレーザ光を受光して
その受光位置(光スポット位置)を検出する受光素子で
あるポジションセンサ37とからなっている。このポジ
ションセンサ37は、受光領域における実際の受光位置
に応じた信号を出力する。
As shown in FIG. 3, the angle detecting optical system 22 includes the transmitting optical system 21 and the angle detecting optical system 2.
2 and the above-mentioned vari-angle cone mirror 28, which is an optical component common to both, and a laser light source 3 for emitting laser light.
5, a converging lens 36 that converges the emitted laser light toward the variangle cone mirror 28, and the laser light reflected by the variangle cone mirror 28 is received to detect the light receiving position (light spot position). The position sensor 37 is a light receiving element. The position sensor 37 outputs a signal according to the actual light receiving position in the light receiving area.

【0013】前記受信光学系23中に本発明の一実施例
のフライアイ41が用いられている。すなわち、この受
信光学系23は、図5〜図7、図8(イ)、(ロ)にも
示すように、本発明の一実施例のフライアイ41と、こ
のフライアイ41の出射面位置に後ろ側焦点位置F1
くるように配置した集光レンズとしてのフレネルレンズ
42と、このフレネルレンズ42の前側焦点位置F2
配置した受光素子43とを備えている。前記フライアイ
41は、図8(イ)に示すように両面がいずれも他方の
面の近軸焦点位置にある凸レンズである多数のエレメン
ト40を図6のように隙間なく束ね接合した構成であ
り、本発明では、図6、図8(ロ)に示すように各エレ
メント40の断面形状を菱形にしている。
A fly-eye 41 according to an embodiment of the present invention is used in the receiving optical system 23. That is, as shown in FIGS. 5 to 7, FIG. 8A, and FIG. 8B, the receiving optical system 23 includes a fly eye 41 according to an embodiment of the present invention, and an exit surface position of the fly eye 41. There is provided a Fresnel lens 42 as a condenser lens arranged so that the rear focal position F 1 comes to the front side, and a light receiving element 43 arranged at the front focal position F 2 of the Fresnel lens 42. As shown in FIG. 8A, the fly-eye 41 has a structure in which a large number of elements 40, which are convex lenses, both surfaces of which are at the paraxial focal point of the other surface are bundled and joined together as shown in FIG. In the present invention, as shown in FIGS. 6 and 8B, each element 40 has a rhombic cross-sectional shape.

【0014】前記のレーザーレーダにより物体の位置検
出を行う動作を説明する。バリアングルコーンミラー2
8はモータ30により回転軸29を介して駆動され、一
定速度で回転している。送信光学系21のレーザ光源2
5よりパルス状のレーザ光をバリアングルコーンミラー
28の円錐面28aに向けて出射する。出射されたレー
ザ光は、バリアングルコーンミラー28の円錐面28a
で反射して物体に向かう。この場合、バリアングルコー
ンミラー28の円錐面28aの頂角αが円周方向に漸変
するので、バリアングルコーンミラー28が回転するこ
とで、レーザ光の円錐面28aでの反射方向が変化す
る。すなわち、図3において送信光が左右に振れ、細線
状の光束(略図的に符号31の線で示す)によるスキャ
ンが行われる。この場合、バリアングルコーンミラー2
8が1回転することで、送信光の1回のスキャンが行わ
れる。また、スキャン方向は往復でなく一方向のみであ
る。
The operation of detecting the position of an object by the laser radar will be described. Bali Angle Cone Mirror 2
The motor 8 is driven by a motor 30 via a rotary shaft 29 and rotates at a constant speed. Laser light source 2 of transmission optical system 21
5, pulsed laser light is emitted toward the conical surface 28a of the variangle cone mirror 28. The emitted laser light is emitted from the conical surface 28a of the variangle cone mirror 28.
Reflects at and goes toward the object. In this case, since the apex angle α of the conical surface 28a of the vari-angle cone mirror 28 gradually changes in the circumferential direction, the rotation direction of the vari-angle cone mirror 28 changes the reflection direction of the laser light on the conical surface 28a. . That is, in FIG. 3, the transmitted light is swayed to the left and right, and scanning is performed with a thin line-shaped light beam (schematically indicated by a line 31). In this case, Bali Angle Cone Mirror 2
When 8 is rotated once, one scan of the transmitted light is performed. Also, the scanning direction is not reciprocating but only one direction.

【0015】バリアングルコーンミラー28で反射した
レーザ光(送信光)は、楕円状の光束となって物体に向
かい、物体の表面を細線状に照射し、物体表面で反射し
たレーザ光(反射光)は受信光学系23のフライアイ4
1の各エレメント40に入射する。各エレメント40は
その両面がいずれも他方の面の近軸焦点位置におかれて
いるので、図8(イ)に示すように、各エレメント40
に入射したレーザ光の主光線mは、レーザ光の入射角β
に関係なく出射角がゼロとなる(すなわちエレメント4
0の光軸と平行になる)。一方、フレネルレンズ42は
その後ろ側焦点位置F1 がフライアイ41の出射面位置
にあるので、フレネルレンズ42を透過したレーザ光は
図7に要部を拡大して示すように平行光束となり、フラ
イアイ41に入射したすべてのレーザ光がフレネルレン
ズ42の前側焦点位置F2 にある射出瞳(受光素子43
の正面から見た射出瞳を形状を符号44で示す)を通過
することになる。この前側焦点位置F2 に受光素子43
が配置されているので、フライアイ41に入射したすべ
てのレーザ光がその入射角βに関係なく、受光素子43
に到達する。この場合、受光素子43は前記射出瞳の径
を受光有効径とするものでよく、無用に大きな受光面積
を必要としない。このように、この受信光学系23は、
広い角度範囲からフライアイ41に入射したレーザ光を
受光することができるとともに、フライアイ41に入射
したレーザ光のすべてを受光素子43で受光することが
できる(ただし、後述するように、集光レンズの収差を
無視した場合)。すなわち、広い受光角と高い受光効率
(フライアイ41に入射した光のうち受光素子43で受
光される光の割合)とを同時に満足することができる。
The laser light (transmitted light) reflected by the vari-angle cone mirror 28 becomes an elliptical light beam toward the object, irradiates the surface of the object in a thin line shape, and reflects the laser light (reflected light) on the surface of the object. ) Is the fly-eye 4 of the receiving optical system 23
It is incident on each element 40 of 1. Since both surfaces of each element 40 are placed at the paraxial focal point of the other surface, as shown in FIG.
The principal ray m of the laser light incident on is the incident angle β of the laser light.
The output angle is zero regardless of
It becomes parallel to the optical axis of 0). On the other hand, in the Fresnel lens 42, the rear focal position F 1 is at the exit surface position of the fly's eye 41, so the laser light transmitted through the Fresnel lens 42 becomes a parallel light flux as shown in an enlarged view of the main part in FIG. All the laser beams incident on the fly's eye 41 are at the exit pupil (the light receiving element 43 at the front focus position F 2 of the Fresnel lens 42).
The exit pupil as viewed from the front of FIG. The light receiving element 43 is located at the front focus position F 2.
Are arranged, all the laser light incident on the fly's eye 41 is received by the light receiving element 43 regardless of the incident angle β.
To reach. In this case, the light receiving element 43 may have the diameter of the exit pupil as the effective light receiving diameter, and does not needlessly need a large light receiving area. Thus, this receiving optical system 23
The laser light incident on the fly's eye 41 from a wide angle range can be received, and all the laser light incident on the fly's eye 41 can be received by the light receiving element 43 (however, as will be described later, the light is condensed). (Ignoring lens aberrations). That is, it is possible to simultaneously satisfy a wide light receiving angle and a high light receiving efficiency (the ratio of the light received by the light receiving element 43 to the light incident on the fly's eye 41).

【0016】受信光学系23のフライアイ41、フレネ
ルレンズ42、受光素子43について光学的パラメータ
を決定する際の設計上の問題、特にフレネルレンズ42
の焦点距離を決定する際の問題について簡単に説明す
る。前述の説明では、フレネルレンズ42の持つ収差を
無視したが、実際にはフレネルレンズ42の収差により
受光素子43の側方にそれる光束も生じる。その程度
は、フライアイ41の有効径を一定とした場合、フレネ
ルレンズ42の焦点距離が短くなるほど著しくなる。し
たがって、受光効率を高くするには、収差の問題に関し
ていえば、フレネルレンズ42の焦点距離が長いほどよ
い。一方で、フレネルレンズ42への入射NAが一定な
らば、フレネルレンズ42の焦点距離が長いほど瞳径は
大きくなる。しかし、受光素子43の有効面積以上に大
きな瞳を生成することは、逆に受光効率の低下につなが
る。したがって、フレネルレンズ42の焦点距離に上限
がある。一方、フライアイ41に入射した光束のすべて
が有効にフライアイ41から出射するためには、入射す
る光束の傾角と、出射する光束のNAとが一致しなくて
はならない。このフライアイ41から出射する光束のN
Aがフレネルレンズ42への入射NAとなるため、結
局、フライアイ41に入射する光束の主光線傾角の最大
値がフレネルレンズ42のNAを支配し、さらに受光素
子43の受光有効径とあいまってフレネルレンズ42の
焦点距離の上限が規定される。こうして得られた光学的
パラメータによっては、通常、大きな収差が発生するも
のとなる。特にフレネルレンズ42について、焦点距離
が短すぎて収差が大きく発生するものとなる。このた
め、発生する収差の補正が困難になり、結局収差を媒介
とする最適解の選択によって最終的な光学系パラメータ
が決められることになる。
Design problems in determining optical parameters for the fly-eye 41, the Fresnel lens 42, and the light-receiving element 43 of the receiving optical system 23, especially the Fresnel lens 42.
A brief description will be given of the problem in determining the focal length of the. In the above description, the aberration of the Fresnel lens 42 is neglected, but in reality, due to the aberration of the Fresnel lens 42, a light beam that deviates to the side of the light receiving element 43 also occurs. The degree becomes more remarkable as the focal length of the Fresnel lens 42 becomes shorter, when the effective diameter of the fly eye 41 is constant. Therefore, in order to increase the light receiving efficiency, the longer the focal length of the Fresnel lens 42 is, the better as to the problem of aberration. On the other hand, if the incident NA to the Fresnel lens 42 is constant, the longer the focal length of the Fresnel lens 42, the larger the pupil diameter. However, generating a pupil that is larger than the effective area of the light receiving element 43 leads to a decrease in light receiving efficiency. Therefore, there is an upper limit to the focal length of the Fresnel lens 42. On the other hand, in order for all the light fluxes incident on the fly-eye 41 to be effectively emitted from the fly-eye 41, the inclination angle of the incident light flux and the NA of the emitted light flux must match. N of the luminous flux emitted from this fly eye 41
Since A is the incident NA to the Fresnel lens 42, the maximum value of the principal ray inclination angle of the light beam incident on the fly's eye 41 eventually governs the NA of the Fresnel lens 42, and is combined with the effective light receiving diameter of the light receiving element 43. The upper limit of the focal length of the Fresnel lens 42 is defined. Depending on the optical parameters thus obtained, a large aberration is usually generated. In particular, with respect to the Fresnel lens 42, the focal length is too short, and large aberration occurs. Therefore, it becomes difficult to correct the generated aberration, and the final optical system parameter is finally determined by selecting the optimum solution that mediates the aberration.

【0017】ところで、上記のレーザーレーダ20で
は、スキャン方向が水平方向の一方向のみなので、受信
光学系21は水平方向の広い角度範囲からの反射光束を
受光できることが要求され、一方、垂直方向には狭くて
もよい。すなわち、受光素子43で受光されるために許
容できるフライアイ41への入射光束の最大主光線傾角
には、垂直方向と水平方向とで異なる(すなわち、入射
光束の許容最大主光線傾角に異方性がある)。つまり、
レーザーレーダの受信光学系としては、水平方向に広い
受光角を持ち、垂直方向に狭い受光角であるのが適切で
ある。しかるに、本発明におけるフライアイ41の各エ
レメント41は、スキャン方向に長対角線を持つ菱形断
面であるから、エレメントの断面が正方形や正六角形等
のように異方性のない形状である場合と比較して、垂直
方向の受光角は狭いが水平方向の受光角は広い。垂直方
向の許容受光角が狭くても、水平方向にスキャンするこ
のレーザーレーダ20の性能は損なわないから、この受
信光学系23は、レーザーレーダの受信光学系として広
い受光角を持つことになる。図示例のエレメント40の
断面形状は、許容される受光角が例えば水平方向に±1
0°、垂直方向に±3°となるように設定したものであ
る。エレメント40の菱形断面の縦横比は、スキャン角
度範囲と、垂直方向に対して必要な受光角との両者を考
慮して適切に設定するとよい。
By the way, in the laser radar 20 described above, since the scanning direction is only one direction in the horizontal direction, the receiving optical system 21 is required to be able to receive the reflected light beam from a wide angle range in the horizontal direction, while in the vertical direction. May be narrow. That is, the maximum principal ray tilt angle of the incident light flux to the fly eye 41 that is allowable for being received by the light receiving element 43 differs between the vertical direction and the horizontal direction (that is, the maximum allowable principal ray tilt angle of the incident light flux is anisotropic. There is a nature). That is,
As a receiving optical system of the laser radar, it is suitable that the light receiving angle is wide in the horizontal direction and narrow in the vertical direction. However, since each element 41 of the fly-eye 41 in the present invention has a rhombic cross section having a long diagonal line in the scanning direction, it is compared with the case where the cross section of the element is a non-anisotropic shape such as a square or a regular hexagon. Then, the light receiving angle in the vertical direction is narrow, but the light receiving angle in the horizontal direction is wide. Even if the allowable light receiving angle in the vertical direction is narrow, the performance of the laser radar 20 that scans in the horizontal direction is not impaired. Therefore, the receiving optical system 23 has a wide light receiving angle as the receiving optical system of the laser radar. The cross-sectional shape of the element 40 in the illustrated example has an allowable light-receiving angle of ± 1 in the horizontal direction, for example.
It is set to 0 ° and ± 3 ° in the vertical direction. The aspect ratio of the rhombus cross section of the element 40 may be appropriately set in consideration of both the scan angle range and the required light receiving angle with respect to the vertical direction.

【0018】上述のようにこのフライアイ41は、各エ
レメント40の断面が菱形で、その長対角線方向が水平
方向(スキャン方向)、短対角線方向が垂直方向である
から、フライアイ41の水平方向の出射NAは大きく、
垂直方向の出射NAは小さい。フライアイ41の垂直方
向の入射NAが小さいことは、フレネルレンズ42にお
ける垂直方向についての射出瞳径が小さくなることにつ
ながる(フレネルレンズ42の焦点距離を一定とした場
合)。射出瞳径が小さくなれば、面積の狭い受光素子4
3からそれる光を確実になくすことができるので、受光
効率が向上する。
As described above, in the fly-eye 41, the cross section of each element 40 is a rhombus, the long diagonal direction is the horizontal direction (scan direction), and the short diagonal direction is the vertical direction. Has a large output NA,
The emission NA in the vertical direction is small. A small vertical incidence NA of the fly's eye 41 leads to a small vertical exit pupil diameter of the Fresnel lens 42 (when the focal length of the Fresnel lens 42 is constant). The smaller the exit pupil diameter, the smaller the area of the light receiving element 4
Since the light diverging from 3 can be surely eliminated, the light receiving efficiency is improved.

【0019】図8(ハ)、(ニ)に、上述の細長いエレ
メント40を束ねたフライアイ41と機能はほぼ同一で
あるが構造の異なるフライアイ41’を示す。このフラ
イアイ41’は、図8(ハ)に示すように、間隔をあけ
て配置した等価な屈折力を持つ2枚のレンズアレイ板4
1’a、41’bからなるとともに、図8(ニ)に示す
ように、各レンズアレイ板41’a、41’bにおける
対向する一対の凸レンズ部40’がレンズ光軸を共有
し、かつ互いに相手側の凸レンズ部40’の焦点位置に
ある。なお、レンズアレイ板41’a、41’bにおけ
る各凸レンズ部40’の形状は、前述のフライアイ41
のエレメント40と同じく菱形であり、この対向する一
対の凸レンズ部40’は、光学的に前述のフライアイ4
1の個々のエレメント40と同じ働きをする。このレン
ズアレイ板からなるフライアイ41’は、入射側と出射
側の光軸を充分高い精度で一致させることが難しいの
で、エレメントを束ねたフライアイ41より光学的な精
度には劣るが、レーザーレーダの用途では、例えば半導
体集積回路の製造工程におけるマスクパターンの焼き込
み作業の際の対象物の照明用等の場合と異なり、それほ
ぼ厳格な精度を要求されないので、このレンズアレイ板
構造を採用することができる。そして、この構造のフラ
イアイはエレメントを束ねた構造と比べて安価に製造で
きる。なお、フライアイへ41’の光の入射角に異方性
がない場合は、レンズアレイ板41’a、41’bにお
ける各凸レンズ部40’の形状は、菱形でなく六角形に
するとよい。
FIGS. 8 (c) and 8 (d) show a fly eye 41 'having substantially the same function as the fly eye 41 in which the elongated elements 40 are bundled but having a different structure. As shown in FIG. 8C, the fly's eye 41 'includes two lens array plates 4 having an equivalent refractive power and arranged at intervals.
1'a, 41'b, and as shown in FIG. 8D, a pair of convex lens portions 40 'facing each other in each lens array plate 41'a, 41'b share the lens optical axis, and They are at the focal positions of the convex lens portions 40 'on the other side. The shape of each convex lens portion 40 'on the lens array plates 41'a and 41'b is the same as that of the fly eye 41 described above.
The element 40 has a diamond shape similar to that of the element 40 of FIG.
It works the same as the individual element 40 of 1. The fly-eye 41 'made of this lens array plate is inferior in optical accuracy to the fly-eye 41 in which elements are bundled, because it is difficult to match the optical axes of the incident side and the exit side with sufficiently high accuracy, but In the application of radar, for example, unlike the case of illuminating an object at the time of burning a mask pattern in the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit, almost strict accuracy is not required, so this lens array plate structure is adopted. can do. Further, the fly eye having this structure can be manufactured at a lower cost than the structure in which the elements are bundled. When the incident angle of the light 41 'to the fly's eye does not have anisotropy, the shape of each convex lens portion 40' on the lens array plates 41'a and 41'b is preferably a hexagon rather than a rhombus.

【0020】なお、本発明のフライアイは、レーザーレ
ーダの受信光学系における光学素子として用いる場合に
限定されない。特に、請求項1又は3のフライアイは例
えば、単なる照明用の光学系であっても、入射する光の
入射角に異方性がある場合(すなわち、水平方向左右か
らは広い角度範囲から光が入射するが、垂直方向からは
狭い角度範囲から光が入射する場合等)には、このフラ
イアイに入射する光を効率良く狭い一定の領域内に集光
するための光学素子として適用できる。その他、フライ
アイへの光の入射角に異方性があり、かつ、その異方性
に応じた適切な集光機能を持つ光学系を構成することが
望ましい種々の場合に適用できる。
The fly's eye of the present invention is not limited to use as an optical element in the receiving optical system of a laser radar. In particular, the fly's eye according to claim 1 or 3 is an optical system for illuminating, for example, when the incident angle of the incident light is anisotropic (that is, from a wide angle range from the left and right in the horizontal direction). Is incident, but light is incident from a narrow angle range from the vertical direction), it can be applied as an optical element for efficiently condensing the light incident on the fly's eye into a narrow fixed area. In addition, the present invention can be applied to various cases in which an incident angle of light on a fly's eye has anisotropy and it is desirable to configure an optical system having an appropriate condensing function according to the anisotropy.

【0021】[0021]

【発明の効果】請求項1のフライアイは、各エレメント
の断面が菱形状をなしているので、フライアイに入射し
た光束のすべてが有効にフライアイから出射するための
主光線傾角の最大値(すなわち受光角)は、菱形の長対
角線方向には大きく短対角線方向には小さい、という特
性を持つ。したがって、フライアイへの光の入射角に異
方性がある種々の場合に、その異方性に応じた適切な集
光機能を持つ光学系を本発明のフライアイによって実現
することができる。すなわち、例えばレーザーレーダの
受信光学系等のように、このフライアイの異方性が適切
である種々の光学系における光学素子として用いること
ができる。
According to the first aspect of the present invention, since each element has a rhombic cross section, the maximum value of the principal ray tilt angle for all the light flux incident on the fly eye to effectively exit from the fly eye. (That is, the light receiving angle) has a characteristic that it is large in the long diagonal direction of the diamond and small in the short diagonal direction. Therefore, in various cases where the incident angle of light to the fly's eye has anisotropy, an optical system having an appropriate condensing function according to the anisotropy can be realized by the fly's eye of the present invention. That is, it can be used as an optical element in various optical systems in which the anisotropy of the fly eye is appropriate, such as a receiving optical system of a laser radar.

【0022】請求項2によれば、フライアイが単なる2
枚のレンズアレイ板で構成されるので、きわめて安価に
製造できる。特に、レーザーレーダ等のように特別厳格
な精度が要求されない場合に好適である。
According to the second aspect, the fly eye has only two.
Since it is composed of a single lens array plate, it can be manufactured at extremely low cost. In particular, it is suitable for cases such as a laser radar that does not require particularly strict accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例のフライアイを受信光学系の
光学素子として用いたレーザーレーダの内部構造を示す
平面図である。
FIG. 1 is a plan view showing an internal structure of a laser radar using a fly-eye according to an embodiment of the present invention as an optical element of a receiving optical system.

【図2】同レーザーレーダの内部構造を示す正面図であ
る。
FIG. 2 is a front view showing an internal structure of the laser radar.

【図3】図1における送信光学系および角度検出光学系
のみを示す拡大図である。
FIG. 3 is an enlarged view showing only a transmission optical system and an angle detection optical system in FIG.

【図4】図3におけるA矢視図である。FIG. 4 is a view on arrow A in FIG.

【図5】本発明の一実施例のフライアイを用いた図1の
レーザーレーダにおける受信光学系の拡大図である。
5 is an enlarged view of a receiving optical system in the laser radar of FIG. 1 using the fly-eye according to the embodiment of the present invention.

【図6】図5の左側面図である。FIG. 6 is a left side view of FIG.

【図7】図5における要部の拡大図である。FIG. 7 is an enlarged view of a main part in FIG.

【図8】同図(イ)は図5におけるフライアイの1つの
エレメントの拡大図、同図(ロ)は同図(イ)の左側面
図、同図(ハ)は請求項2のフライアイの一実施例を示
す側面図、同図(ニ)は同図(ハ)における要部の拡大
図である。
8 (a) is an enlarged view of one element of the fly eye in FIG. 5, FIG. 8 (b) is a left side view of FIG. 8 (a), and FIG. 8 (c) is the fly of claim 2. A side view showing an embodiment of the eye, and FIG. 6D is an enlarged view of a main part in FIG.

【図9】従来のフライアイを用いた半導体製造工程にお
ける照明用光学系の正面図である。
FIG. 9 is a front view of an illumination optical system in a semiconductor manufacturing process using a conventional fly's eye.

【図10】同図(イ)は図9におけるフライアイの1つ
のエレメントの拡大図、同図(ロ)は同図(イ)の左側
面図である。
10A is an enlarged view of one element of the fly eye in FIG. 9, and FIG. 10B is a left side view of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20 レーザーレーダ 21 送信光学系 23 受信光学系 40 フライアイのエレメント 40’ 凸レンズ部 41、41’ フライアイ 41’a、41’b レンズアレイ板 42 フレネルレンズ 43 受光素子 20 laser radar 21 transmission optical system 23 reception optical system 40 fly eye element 40 'convex lens portion 41, 41' fly eye 41'a, 41'b lens array plate 42 Fresnel lens 43 light receiving element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武山 芸英 東京都港区赤坂8丁目6番27号スカイプラ ザ赤坂201 藤井光学株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Geiei Takeyama 8-6-27 Akasaka, Minato-ku, Tokyo Skyplaza Akasaka 201 Fujii Optical Co., Ltd.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 両面がいずれも他方の面の近軸焦点位置
にある凸レンズである多数のエレメントを隙間なく束ね
てなり、これらの各エレメントの断面が菱形状をなすこ
とを特徴とするフライアイ。
1. A fly-eye, characterized in that a large number of elements, each of which is a convex lens located on the paraxial focal point of the other surface of the other surface, are bundled together without a gap, and each of these elements has a rhombic cross section. .
【請求項2】 間隔をあけて配置した等価な屈折力を持
つ2枚のレンズアレイ板からなるとともに、各レンズア
レイ板における対向する一対の凸レンズ部がレンズ光軸
を共有しかつ互いに相手側の凸レンズ部の焦点位置にあ
ることを特徴とするフライアイ。
2. A two-lens array plate having an equivalent refracting power, which is arranged at a distance from each other, and a pair of opposing convex lens portions in each lens array plate share a lens optical axis and are arranged on opposite sides of each other. A fly eye that is located at the focal point of the convex lens.
【請求項3】 前記レンズアレイ板における各凸レンズ
部の形状が菱形状をなすことを特徴とする請求項2記載
のフライアイ。
3. The fly eye according to claim 2, wherein each convex lens portion of the lens array plate has a diamond shape.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008139199A (en) * 2006-12-04 2008-06-19 Japan Aerospace Exploration Agency Optical apparatus and optical design method

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