CN1374562A - 照明光学系统及配备该光学系统的激光器处理装置 - Google Patents

Abstract

具有优良的成像性能、照度均匀性良好、可照射细的线宽和大的宽高比的线状束的照明光学系统包括:扩大来自激光器光源1的照射束的直径的未聚焦的束扩展系统2、至少在大致与第一方向x正交的第二方向y上具有折射力并将来自束扩展系统2的照射束成像为在上述第一方向x上具有长边方向的线状束的线状束形成透镜系统3、具有沿着上述第一方向x排列的多个要素透镜EL11等的透镜阵列部4、将上述线状束的上述各要素透镜EL11等每一个的像重合照射在被处理面12上的会聚光学系统5。

Description

照明光学系统及配备该光学系统的激光器处理装置

发明领域

本发明涉及适用于玻璃衬底等的退火处理中的照明光学系统及装备该光学系统的激光器处理装置。

相关技术的说明

原来，已知有通过对非晶硅膜照射激光来结晶的技术。为通过注入杂质离子恢复受损的硅膜的结晶性和活化注入的杂质离子而照射激光的技术是公知的。这项技术被称为激光退火技术。

激光退火技术的优点是对衬底几乎没有热损伤。此项技术的特征在于，有利于例如在玻璃等耐热性低的衬底上形成半导体元件。

近年来，液晶显示元件、特别是大型的动画用液晶显示元件中，由于成本问题和要求大面积化，希望将玻璃衬底用作衬底。因此，若使用激光退火法，将耐热性低的玻璃用作衬底的情况下，也几乎不对玻璃衬底产生热损伤。因此，即便使用玻璃衬底也可制作使用结晶硅膜的薄膜晶体管等的半导体元件。这样，将来期望将激光退火法用于在玻璃衬底上制作半导体电路的技术。

形成半导体电路等的玻璃衬底多具有比较大的面积。与此相反，激光在从光源射出后的状态下，束照射面积小。因此，将束形状加工为方形和线状，可进行规定区域的扫描。例如，与其长边方向垂直地移动线状的束，对玻璃衬底进行扫描。这样，比较短时间内可对整个衬底进行退火。

制作这样的激光退火中使用的线状束的光学系统公开在例如特开平10-244392号公报。特开平10-244392号公报中，使用叫作均化器(homogenizer)的光学系统将激光束变换为线状束。均化器中要求制作具有非常高的均匀性的照度和形状的线状束。该公报中，多个柱状透镜构成的多柱状透镜系统用作均化装置(homogenesis)。并且均化装置在束照度均匀性中具有中心作用。

多柱状透镜系统是沿着具有折射力的方向将长方形状的各柱状透镜排列成一列的透镜系统。与通常的均匀照明时使用的光斑(フラィァィ)透镜一样，入射到多柱状透镜系统的光束由各柱状透镜分割，会聚为线状。其结果形成与柱状透镜数相等的数目的线状像。该线状像成为新的多个2次线光源，通过透镜(其他的柱状透镜)照射试件。试件的照射面上来自多个2次线光源的光重合并均匀化。这样，多柱状透镜系统排列的方向(具有折射力的方向)的照度分布变均匀。

特开平10-244392号公报中，不仅线状束的长边方向，为使其宽度方向照度也均匀，使用2个多柱状透镜系统。

但是，如上述公报公开的那样，使用柱状透镜有以下的问题。柱状透镜与通常的球面透镜相比加工困难，并且制造成本增加。形状加工的精度与通常的球面透镜相比也非常低。因此，考虑实际的装置制造，多使用柱状透镜的光学系统除制造成本增加外，从加工精度这一点考虑，也不能满足高的要求性能。

如上所述，随着大型液晶显示器的需要增加，扫描区域面积大型化。因此，线状束的长要求更长。这里束线宽保持恒定，束的长边方向长度变长时，照射面积增大。因此每单位面积的能量密度减小。其结果在试件上照射束时，加热到退火需要的温度变困难。从而，为提高试件照射时的能量密度，不仅需要束的长边方向的长度加长，而且需要其束线宽变细。

需要细的线宽的束的其他理由如下所述。原来，作为激光器光源多使用输出功率大的受激准分子激光器。但是，受激准分子激光器昂贵、装置自身大型。因此，希望方便地使用廉价、小型并且容易安装的固体激光器或YAG激光器作为光源。该固体激光器或YAG激光器与受激准分子激光器相比，输出能量低。从而为了增加照射面的能量密度，需要以较细的线宽的束来会聚光。这样，不仅束的长边方向的长度加长，而且其束线宽也要变细。

如上所述，随着对细的线宽的线状束的需要，为实现这一点，需要在线状束的长边方向上具有高的成像性能的光学系统。从要求这种成像性能的立场看，上述的特开平10-244392号公报公开的光学系统不十分理想。

特开平10-244392号公报中，如上所述，使用2个具有多个长方形状的柱状透镜的多柱状透镜系统。并且，接着多柱状透镜系统的一般叫作会聚透镜的光学系统也由多柱状透镜系统构成。

这样，用柱状透镜组构成光学系统，束长边方向和短边方向以不同功率配置来构成光学系统，在制作长方形(线状)束时，设计者容易直观理解，认为是有效的设计方法。

但是，组合功率的方向不同的柱状透镜的光学系统中，入射平行光束时，出现在与各柱状透镜的功率方向不同的方向上行进的光线。该光线的像差不能容易地由简单组合正交的功率的光学系统来修正。因此，实际上，在以光学系统的像差高水平进行修正为目的的情况下，该设计方法不好。

例如，假定仅仅是具有圆形的截面的平行光束。接着，配置具有负(凹)的功率的第一柱状透镜、在该第一柱状透镜的后面(像侧)上在与第一柱状透镜的功率方向正交的方向上具有正(凸)的功率的第二柱状透镜。并且，考虑将上述平行光束入射到第一和第二柱状透镜，会聚为线状的情况。

此时，首先通过具有负功率的第一柱状透镜，光束仅在一个方向上发散。接着通过具有正功率的第二柱状透镜，该发散光在与发散方向垂直的方向上会聚。这里，从负的第一柱状透镜射出的发散光中发散中心部的光入射到正的第二柱状透镜时，相对第二柱状透镜的母线垂直地入射。另一方面，从第一柱状透镜射出的发散光中发散方向周围部分的光相对第二柱状透镜的母线倾斜地入射。

其结果，从负的第一柱状透镜射出的发散光的发散方向中心部的光和周围部分的光入射到正的第二柱状透镜后，光的会聚位置不同。其结果在成像为线状时，线状中心部和周围部分的线宽不同。因此，柱状透镜构成的光学系统中需要对这样的柱状透镜特有的像差进行修正。

对于上述的柱状透镜特有的像差，一般的光学设计者不习惯。上述光线的振动不仅仅在包含束短边(短轴)方向的面和包含长边方向(长轴)方向的面上表现。仅仅具有正交的功率的柱状透镜的组合靠修正柱状透镜特有的像差是困难的。假设预想可修正该像差，也需要非常多的柱状透镜。

如以上说明，加工更细的线宽的线状束时，从光学设计方式的立场看，不希望使用多个正交的柱状透镜的光学系统。

特开平10-244392号公报中公开的光学系统中，是确保束短边方向的照度均匀性的结构。但是，考虑加工细的线宽的线状束，由于下面的理由，也不希望是该结构。

首先，说明线宽方向的照度均匀性的必要性。线宽方向的照度均匀性提高时，在线状束的扫描速度提高时有效。线状束的扫描方向的线宽宽时，线状束的扫描速度加快了，线状束通过衬底试件上的单位面积的试件加长。因此，衬底试件上的线状束照射时间在结晶等反应中充分。这样，线状束线宽越宽，越能可提高扫描速度，因此能够缩短退火工序中的时间。

但是，线状束的照度均匀性低时，束宽的周围部分中能量降低。因此，扫描线状束时，在线状束的周围有时不引起退火反应。此时，由于与细的线宽的线状束扫描等效，不能提高扫描速度。

如上所述，近年来，要求更大面积的液晶显示元件(显示器)。因此，希望加速液晶显示元件的制造工序、加工更宽面积的衬底的技术。如上所述，由于线状束的线宽变细，期望进行高度像差修正。另外，进行加工高度像差修正的线宽的细线状束和在线状束的短边(线宽)方向上得到高的照度均匀性二者兼得是困难的。从而希望拥有在线状束的长边方向上提高照度均匀性以及在线状束的短边方向上减小线宽的光学性能的特性的光学系统。从该观点看，在特开平10-244392号公报中公开的光学系统也是不够的。

扫描非常宽的范围照射激光的光学系统中，照射侧的光学系统的数值孔径(NA)增大困难、因此，衍射产生影响，仅仅通过几何光学考察，不能充分解析线状像的照度均匀性。上述的光学系统中，为提高线状束的短边方向的照度均匀性，使用多柱状透镜系统。该透镜系统的功能如已经说明的那样，将来自光源的束在线宽方向分割，该分割的束形成的线状像在被照射面上重合。因此，当被照射面的线状像的线宽变细时，线状像的重合精度需要比线状像宽小。即，由于要求的线宽变细，线状像的重合精度也要求很高。由此，考虑激光器处理装置的制造，即使多少牺牲被照射面的线状像的照度分布的均匀性，也希望减少束的分割数。此时，若稍稍降低退火加工的速度，由于可降低线状像的线宽方向的照度均匀性，可减少束的分割数，从装置制造的立场看，是所希望的。

本发明鉴于上述问题而作出，目的是提供一种具有优良的成像性能、照度均匀性良好、可照射窄的线宽和大的宽高比的线状束的照明光学系统以及低成本、制造容易的可高速处理大面积的激光器处理装置。

发明概述

为解决上述问题，本发明中，提供一种照明光学系统，其特征在于包括：扩大来自激光器光源1的照射束的直径的未聚焦的束扩展系统2、至少在大致与第一方向x正交的第二方向y上具有折射力并将来自上述束扩展系统2的照射束成像为在上述第一方向x上具有长边方向的线状束的线状束形成透镜系统3、具有沿着上述第一方向x排列的多个要素透镜EL11、EL12、EL13、EL21、EL22、EL23的透镜阵列4、将上述线状束的上述各要素透镜EL11、EL12、EL13、EL21、EL22、EL23每一个像重合照射在被处理面12上的会聚光学系统5。

本发明的实施例中，上述线状束形成透镜系统3是在上述第二方向y上具有正的折射力的柱状透镜3。

本发明的实施例中，可沿着光轴AX移动上述柱状透镜和3上述透镜阵列4以及上述会聚光学系统5中的至少之一。

本发明的实施例中，上述透镜阵列4至少具有第一分阵列部LA1和第二分阵列部LA2，上述要素透镜EL11、EL12、EL13、EL21、EL22、EL23是旋转对称的透镜，上述第一分阵列部LA1和上述第二分阵列部LA2排列成上述各分阵列部LA1、LA2的对应的上述各要素透镜EL11和EL21、EL12和EL22、EL13和EL23的光轴AX11和AX12，AX，AX13和AX23大致一致。

本发明的实施例中，上述会聚光学系统5在上述被处理面I2侧上具有在上述第二方向y上具有正的折射力的其他的柱状透镜7。

本发明提供一种激光器处理装置，包括提供激光的激光器光源1、权利要求1到权利要求5的任意一项的照明光学系统、相对移动上述被处理面I2和上述照射的线状束的扫描移动部6。

本发明的实施例中，本发明提供一种照明光学系统，其特征在于包括：将来自激光器光源101的照射束相对第一方向(x方向)分割为多个照射束并在规定面I101上重合的棱镜部件103、至少在与上述第一方向(x方向)大致正交的第二方向(y方向)上具有折射力并且将上述分割的多个照射束成像为在上述第一方向(x方向)上具有长边方向的线状束的线状束形成透镜系统104、将上述线状束在上述第一方向(x方向)上扩大并照射在被处理面I102上的扩大光学系统105。

本发明的实施例中，上述棱镜部件103是梯形棱镜103，该梯形棱镜103分割的上述多个照射束重合的上述规定面I101的位置和上述线状束形成系统104的上述第二方向(y方向)的焦点位置I101，I112大致一致。

本发明的实施例中，上述扩大光学系统105是相对光轴AX旋转对称的光学系统。

本发明的实施例中，上述线状束形成系统104是在上述第二方向(y方向)上具有正的折射力的第一柱状透镜104。

本发明的实施例中，上述扩大光学系统105在上述被处理面I102侧上包括在上述第二方向(y方向)上具有正的折射力的第二柱状透镜107。

本发明的实施例中，可沿着上述光轴AX移动上述第一柱状透镜104和上述第二柱状透镜107中的至少之一。

本发明的实施例中，还具有将来自上述激光器光源101的照射束直径在上述第一方向(x方向)上进行比上述第二方向(y方向)更大地扩大的束扩展系统102。

本发明提供一种激光器处理装置，其特征在于包括：提供激光的激光器光源101、权利要求1到权利要求7的任意一项的照明光学系统、相对移动上述被处理面I102上的线状束和上述被处理面I102的扫描移动部106。

说明本发明的结构的解决上述问题的装置项中，为容易理解本发明，使用本发明的实施例的图，但这并非将本发明限制于实施例。

如上说明，根据本发明，提供一种具有优良的成像性能、照度均匀性良好、可照射窄的线宽和大的宽高比的线状束的照明光学系统。根据本发明，可提供低成本、制造容易、可高速处理大面积的激光器处理装置。

附图简述

图1A和图1B是表示第一实施例的激光器处理装置的简略结构的图；

图2A和图2B是表示第二实施例的激光器处理装置的简略结构的图；

图3是表示透镜阵列的结构的图；

图4A和图4B是表示第三实施例的激光器处理装置的简略结构的图；

图5A和图5B是表示第四实施例的激光器处理装置的简略结构的图；

图6A～E是说明重合效果的图；

图7是表示束扩展器的结构的图；

图8A和图8B是说明束的截面形状变换的图。

本发明的具体说明

下面基于附图说明本发明的实施例。

(第一实施例)

图1A和图1B是表示第一实施例的激光器处理装置的简略结构的图。从固体激光器1射出的截面为大致圆形的激光束由未聚焦的束扩展器2扩大光束直径，变换为直径大的准直光。准直光L入射到柱状透镜3。柱状透镜3在x方向不具有折射力(非功率面)、在与该x方向大致正交的y方向上具有正的折射力。因此，透过柱状透镜3的光会聚成在中间成像面I1上以x方向为长边方向的线状。

这里，从固体激光器1射出的截面为大致圆形的激光束的强度分布具有高斯分布。并且，用柱状透镜3将圆形束变换为线状像，从而线状像的中心部分的照度加强，周围部分的照度降低。这样，中间成像面I1上形成的线状像是在x方向上具有照度分布的不均匀的线状像。

中间成像面I1的最终像侧上设置具有第一分阵列部LA1和第二分阵列部LA2构成的透镜阵列4。图3是表示透镜阵列4的结构的图。这里，由于第一分阵列部LA1和第二分阵列部LA2的结构相同，以第一分阵列部LA1为例说明，省略重复说明，第一分阵列部LA1具有多个要素透镜EL11、EL12、EL13。各个要素透镜EL11等是相对其光轴AX11等的旋转对称的形状。这些各个要素透镜EL11等沿着柱状透镜3具有折射力的x方向排列成一列。

第一分阵列部LA1和第二分阵列部LA2配置成第一分阵列部LA1的要素透镜EL11的光轴AX11和第二分阵列部LA2的对应的要素透镜EL21的光轴AX21一致。其他的要素透镜EL12等也同样。

返回到图1A和图1B，透镜阵列4的像侧配置会聚透镜5。透镜阵列4和会聚透镜5构成成像系统。通过该成像系统，柱状透镜3在中间成像面I1上形成的线状像在玻璃衬底G上的被照射面(被处理面)I2上成像。即，柱状透镜3形成的线状像的位置与被照射面12的位置共轭。

透镜阵列4和会聚透镜5构成的光学系统是成像系统，并且具有将柱状透镜3形成的中间成像面I1上的照度不均匀的线状像变换成在作为最终像面的被照射面I2中具有均匀的照度分布的线状像的作用。被照射面12中，形成均匀照度分布的线状像的原理与进行上述的一般均匀照明时使用的光斑透镜原理相同。即，透镜阵列4分割来自柱状透镜3形成的面I1上的线状像的光。本实施例中，用3个要素透镜EL11、EL12、EL13进行三分割。并且，分割的线状像由会聚透镜5在被照射面12上重合成像。其结果，通过对应各要素透镜平均各个线状像的效果，可得到均匀照度的线状像。

接着，以图1A和图1B为基础详细说明通过该重合产生的照度均匀化。

如图1A所示，在柱状透镜3不具有折射力的x方向上，平行光束L入射到透镜阵列4。并且，对应各要素透镜会聚到会聚位置P1，P2，P3。如图1B所示，在柱状透镜3具有折射力的y方向上，配置成柱状透镜3的焦点位置与透镜阵列4的焦点位置大致一致。这样，柱状透镜3会聚称线状的光由透镜阵列4变换成未聚焦的平行光束并射出。从图1A和图1B可知，在会聚位置P1，P2，P3会聚成线状的光分别形成新的线光源。之后，来自这些线光源的光经过会聚透镜5重合在玻璃衬底G上的被照射面I2上的相同位置处，形成线状像。

被照射面I2上的线状像的照度分布与由透镜阵列4的要素透镜EL11等进行三分割的光的照度分布重合。例如，透过要素透镜EL11和EL21的光在被照射面I2上形成的线状像是将柱状透镜3在中间成像面I1上形成的线状像进行三分割时的1/3部分L1的像。透过光轴AX上的要素透镜EL12和EL22的光在被照射面I2上形成的线状像是将柱状透镜3在中间成像面I1上形成的线状像进行三分割时的1/3部分L2的像。要素透镜EL13和EL23的光在被照射面I2上形成的线状像是将柱状透镜3在中间成像面I1上形成的线状像进行三分割时的1/3部分L3的像。因此，由透镜阵列4三分割的光在被照射面I2上形成的线状像的照度分布是光束L1，L2，L3具有的彼此不同的照度分布的重合。

柱状透镜3在中间成像面I1上形成的线状像的照度分布与光轴AX对称。因此，如图1A所示，将线状像进行三分割时，远离透镜阵列4的光轴AX的两端的2个要素透镜EL11，EL13形成的线状像的照度分布是彼此反对称的照度分布。因此，三分割的3个线状像在被照射面I2上重合时，照度分布被均匀化，可得到非常高的均匀性的照度分布。

本实施例中，表示出要素透镜为3的情况，但即使在2个的情况下，也得到同样的效果。要素透镜的个数增多，束的分割数增多，平均化的效果提高，形成均匀的照度分布的线状像。

接着，说明形成具有更细的线宽的线状像需要的成像性能(像差)。

将柱状透镜3形成的线状像由透镜阵列4和会聚透镜5构成的光学系统在被照射面12上成像。因此，各像差的产生源是柱状透镜3、透镜阵列4和会聚透镜5。

其中，入射到柱状透镜3的光是平行光，其入射方向也是一个方向的，因此该柱状透镜3产生的像差仅相当于球面像差。从而柱状透镜3的像差修正如通常的轴对称光学系统一样，通过组合正负(凹凸)2个柱状透镜，可容易进行修正。

接着，对于透镜阵列4和会聚透镜5构成的光学系统，如上所述进行成像。因此，该成像光学系统整体必须进行像差修正。并且，进行该成像光学系统整体的像差修正时，透镜阵列4产生的像差成为问题。

如上所述，透镜阵列4实现与均匀照明时使用的光斑透镜的功能相同的功能。并且，如通常的光斑透镜一样，各个要素透镜可由一个单透镜成分构成。因此，在透镜阵列4的要素透镜EL11等由一个单透镜成分构成时，该透镜产生大的像差。从而，试着用会聚透镜5修正该透镜阵列4产生的像差。但是，排列成一列的各要素透镜EL11等的像差同时修正是非常困难的。从图1A可知，从透镜阵列4射出的光成像成线状并入射到会聚透镜5中。之后，透镜阵列4的各个要素透镜射出的光从不同高度射向会聚透镜5。然而，各要素透镜产生的像差的形状相同，因此需要在会聚透镜5中通过不同光路的光修正相同形状的像差。该像差修正非常困难。

因此，如本实施例那样，透镜阵列4是由第一分阵列部LA1和第二分阵列部LA2构成的2块双透镜，因此可充分修正透镜阵列4的像差。若2块双透镜的透镜阵列4和像差充分修正的会聚透镜5结合，则透镜阵列4和会聚透镜5构成的成像系统可具有足够的成像性能。因此，可充分地细化柱状透镜4形成的线状像并在被照射面I2上成像。充分修正会聚透镜5的像差是容易的，因为是轴对称的光学系统。

本实施例的情况下，透镜阵列4和双透镜构成变的容易的主要原因是因为通常的光斑透镜是二维配置，本实施例的透镜阵列4是一维配置。一维的透镜阵列情况下，可从透镜侧面保持各透镜，从而即使各个透镜都由2块构成，也容易进行保持。另外，可在要素透镜的排列y方向(柱状透镜3具有折射力的方向)上移动透镜阵列。这样，可取得线状像的宽方向(y方向)的透镜的对齐产生的像差。

本实施例中使用一维透镜阵列，如上所述，特性是本发明仅长边方向优先线状像的照度均匀性，牺牲线宽方向的均匀性，线宽变细。从上面可知，本发明这样的选择是正确的。

成本增加了，但将透镜阵列4的各个要素透镜设定在4块以上，也可提高成像性能。

本实施例中，希望具有沿着光轴AX移动柱状透镜3的第一移动机构部MV1、沿着光轴AX移动透镜阵列4的第二移动机构部MV2、沿着光轴AX移动会聚透镜5的第三移动机构部MV3。这样，实现可通过改变各透镜3，4，5的位置来散焦并改变线状像的线宽的效果。可移动任意一个透镜。

(第二实施例)

图2A和图2B是表示第二实施例的激光器处理装置的简略结构的图。在会聚透镜5和被照射面I2之间新添加具有正(凸)功率的柱状透镜7。其他结构与上述第一实施例相同，因此在同一部分上使用相同符号，省略重复说明。

本实施例中，柱状透镜3形成的线状像再次在被照射面I2上形成。即，柱状透镜3形成的线状像与被照射面I2共轭。这样，与上述第一实施例相比，柱状透镜3形成的线状像的位置(中间成像面)I1在透镜阵列4侧散焦。

通过设置该柱状透镜7可更自由地在透镜设计上改变线状像的线宽方向的焦距。

在线状像的线宽成为问题时，激光器光源1的射出特性等的线宽方向(y方向)的焦距是重要的。一般地，将来自激光器光源1的光考虑为理想的平行光射向一定方向。但是，实际上，来自激光器光源1的光并非完全平行光。在从光源1振动的光方向上也有时间偏差。

接着说明在本激光器处理装置的情况下，这样的激光器光源1的振动特性对光学系统的性能的影响程度。例如，假定从激光器光源1射出的光并非完全平行光，其波面起伏，具有角度0的斜度(slope)的像差。此时，从激光器光源1的开口AP到被照射面I2的光学系统的焦距为f。这种情况下，激光的像差在照射面I2上为f-0的横向像差。其结果，被照射面I2的线状像的线宽仅增大f-0部分。

同样，光源1的束的射出角的偏差为φ。此时，被照射面I2的线状像的位置偏差为f-φ。因此，为抑制激光器的波面的混乱，期望尽可能的光学系统的焦距缩短。但是，当缩短光学系统的焦距时，难以确保动作距离(工作距离：working distance)。因此，难以满足机械制约。这样，设计光学系统时，必须使焦距为最佳值。

上述第一实施例中改变焦距时，需要改变透镜阵列4和会聚透镜5构成的成像光学系统的放大率(从透镜阵列4到被照射面I2的放大率)或改变柱状透镜3的焦距之一。但是，透镜阵列4的会聚透镜5都是相对光轴AX对称的光学系统。因此，为改变图1A的x方向的焦距而变更成像光学系统的放大率时，同时在被照射面I2上形成的线状像的长度也改变了。改变柱状透镜3的焦距时，入射到透镜阵列4的光的数值孔径(NA)改变。因此，从激光器光源1到被照射面I2的焦距被缩短时，该NA增大。从而，这里产生的像差难以修正，同时透镜阵列4产生的像差也增加。

因此，如本实施例那样，会聚透镜5和被照射面I2之间添加柱状透镜7时，在优先选择对柱状透镜3、透镜阵列4、会聚透镜5的各焦距作像差修正时也可用柱状透镜7设定全部的焦距。因此，实现线状像一定的长度，不增加各像差，得到与光源1的特性对应的光学系统的效果。

(第三实施例)

图7是表示第一实施例的激光器处理装置的简略结构的图。从YAG激光器101发射的截面为大致圆形的激光束由束扩展器102变换为截面为椭圆形状的准直光。此时，椭圆的长轴为x方向、短轴为y方向。关于束扩展器102的结构和束的截面形状变换在后面说明。

接着，将该束入射到梯形的棱镜103，进行三分割，向不同的方向射出。此时，束的分割方向与椭圆束长轴方向(x方向)一致。三分割的束入射到柱状透镜104。柱状透镜104在与x方向大致正交的y方向上具有正的折射力。这里，决定梯形棱镜103的形状和位置，使得三分割的束在中间成像面I101上重合。柱状透镜104的焦点位置也与中间成像面I101上一致。由此，从柱状透镜104射出的束在中间成像面I101上会聚成线状，形成相互重合的线状像。

中间成像面I101上形成的线状像通过分割的三个线状像的平均化效果，与将从光源101射出的束L(下面称作原束)直接会聚的情况相比，是照度均匀性提高的像。并且，中间成像面I101上的线状像由扩大光学系统105扩大投影在玻璃衬底上的被照射面I102上。这样，被照射面I102上形成照度均匀性良好的线状像。在中间成像面I101上设置开口时，张开(flare)和梯形棱镜的衍射的影响消除了。

接着具体定量说明中间成像面I101的线状像的照度均匀性。

首先，基于图6A～图6E说明用理想的柱状透镜将原束会聚称线状时光的强度分布。图6A是表示光轴AX方向(z方向)看去的原束通过的开口AP的截面形状。开口AP具有直径φ的圆形截面。图6B是表示通过开口AP的原束被会聚为线状时的照度分布的图。图6B所示的照度分布假定束开口AP上的照度分布如通常的激光一样是高斯分布，从下面的式算出。 $I\left(x\right)\mathrm{\α}\underset{0}{\overset{\sqrt{1-x^2}}{\∫}}\exp \{-2(x^2+y^2)\}\mathrm{dy}$

这里，xy坐标如图6A所示，是激光器开口AP面上的坐标。x方向是线状像的长边方向，y方向是线状像的线宽方向。从上述式可知，图6B的线状像上的位置x0的光的强度等于沿着通过图6A的束开口AP上的位置x0的与y轴平行的支线L1积分开口AP范围内的照度分布所得。束径φ与通常的情况一样光的强度分布在中心的e的2次方分之一的范围内。从图6B可知，线状像的强度分布在线状像中心(x＝0)最高，周围部分强度降低。并且，最外围部分的照度为0(零)。

接着，考虑用梯形棱镜3将图6B的照度分布分割后会聚成线状时的光的照度分布。此时的照度分布可考虑会聚成线状的束作三分割、之后重合时的照度分布。因此，三分割的各束的照度分布与三分割图6B所示的照度分布等价。这里，三分割的束分别为第一束L1、第二束L2、第三束L3(参考图7)。这些分割的各束的照度分布如图6C所示。并且中间成像面I101上各束L101，L102，L103如图6D所示重合。其结果，最终的照度分布为如图6E所示的形状。从图6E可知，重合后的线状像的照度分布的均匀性非常高。图6B和图6E比较，则重合的效果非常大。例如，图6E的中心部(x＝0)的照度为100％时，最周围部分的照度约为90％左右。

如上所述，中间成像面I101上形成的线状像不在原样的状态下分割原束，与会聚为线状像的情况相比，照度均匀性非常高。但是，具有高照度均匀性的线状像中，也有不能满足实际的激光器处理装置中要求的规格的情况。此时，通过控制扩大光学系统105的各像差，可减小线状像的中心部的照度，提高周围部分的照度。例如，通过使扩大光学系统105的失真像差为负值，可进行上述控制。由此，照度均匀性可提高几个百分数。

为去除成为被照射面I102的照度均匀性障碍的透镜和镜筒等的不需要的反射产生的光斑、分割棱镜开口产生的光斑，在中间成像面I101上设置光圈(未示出)。

接着，说明本照明光学系统的成像性能。如已有技术所述，为形成细线状像，要求高的成像性能，光学系统的各像差需要良好地修正。从这种观点看，本实施例中，中间成像面I101上一度会聚为线状，并且用扩大光学系统105来再次对其成像。该光学系统的像差的主要产生源是在中间成像面I101上会聚光的柱状透镜104、将该线状像再次成像在被照射面上I102的扩大光学系统105。因此，这两者的像差修正要考虑。首先，对于后者的扩大光学系统105，是通常的投影光学系统，由相对光轴AX对称的球面透镜构成。因此，修正像差通过与通常的修正程序一样进行即可，因此可实现高度的像差修正。

如上所述，通过控制扩大光学系统105的失真像差，被照射面I102的线状像的照度均匀性进行修正。该失真像差的控制与球面像差等的成像有关的像差相比容易。因此，这不是像差修正困难(影响球面像差等的成像)的原因。从加工观点看，扩大光学系统105是相对光轴AX对称的光学系统，因此使用已有的加工技术就可得到足够规格的光学系统。

接着，回到图7说明柱状透镜104的像差。柱状透镜104简单地将梯形棱镜103作三分割的平行光束会聚为线状。因此，像差修正不困难。

到柱状透镜104的入射角不同的3个光束L101，L102，L103入射，因此这里产生的像差也当然依赖于入射角。与光轴AX不平行的方向上行进的2个光线L101，L103的方向相对光轴AX彼此对称。因此，考虑向光轴AX方向行进的光束L102和向另一方向行进的光束L101(或L103)2个光束。

依赖于这些入射角的像差等同于轴对称光学系统中叫做彗形像差和径向像面的弯曲等。因此，从轴对称光学系统类推，可容易地进行依赖于入射角的像差的修正。光学系统的尺寸许可稍大一些的情况下，分割棱镜103射出的周围部分的2个光束L101，L103的角度减小，则依赖于柱状透镜104产生的入射角的像差可更小。

如上所述，本实施例中，考虑为像差的主要发生源的柱状透镜104和扩大光学系统105中容易进行像差修正，因此整个系统可实现高的成像性能。

另外，本实施例中，通过束扩展器102由棱镜构成，光学系统整体的像差减小。如上所述，柱状透镜104中入射椭圆束。由此，入射到柱状透镜104的束在会聚方向(y方向)的亮度变暗的同时，线状像的长边方向(x方向)的光束径加长。柱状透镜104的会聚方向(y方向)的亮度变大时，像差更容易产生，这更不好。另一方面，线状像的长边方向的束径减小时，中间成像面I101上形成的线状像的长度变小。因此，为形成被照射面I102要求的长度的线状像，扩大光学系统105的倍率必须增大。这样，扩大光学系统105的像差也增大了，这样不好。

如本实施例那样，原束扩大变换为椭圆束为的是不产生像差。一般地，圆形截面的原束扩大变换为椭圆束的情况下，使用柱状透镜。但是，柱状透镜如上所述制造成本高，高精度加工困难。因此，本实施例中，通过使用棱镜元件，不产生像差，将圆形截面原束扩大变换为椭圆束。

图7是表示束扩展器102的结构的图。束扩展器102通过组合3个直角棱镜108，109，110构成。来自激光器光源101的原束斜射到棱镜108的面PR1，从面PR2大致垂直射出。从棱镜108的面PR2大致垂直射出的光斜射到棱镜109的面PR3，从面PR4大致垂直射出。从棱镜109的面PR4大致垂直射出的光斜射到棱镜110的面PR5，从面PR6大致垂直射出。通过该结构，具有如图8A所示的圆形截面形状的原束扩大变换为如图8B所示的椭圆截面形状的光。

本实施例中，希望具有沿着光轴AX移动柱状透镜104的第一移动机构部MV1。由此，通过改变透镜103的位置，实现散焦并改变线状像的线宽的效果。

本实施例中，具有移动玻璃衬底G的扫描移动部106。由此，可相对移动被照射面(被处理面)I102上的线状像和被照射面I102。这样，实现可高速退火处理玻璃衬底G上的大的面积的被处理面。

(第四实施例)

图8A和图8B是表示第二实施例的激光器处理装置的简略结构的图。在扩大光学系统105和被照射面I102之间新添加在y方向上具有正(凸)功率的柱状透镜107。其他结构与上述第一实施例相同，因此在同一部分上使用相同符号，省略重复说明。由于这样的配置，线状像的线宽方向的成像关系与上述第一实施例不同，中间成像面I101和被照射面I102不共轭。因此，相对光轴AX方向移动被照射面I102上将束会聚为线状的柱状透镜104，其焦点位置从中间成像面I101移动到图8B中的面I112。这里，面I112的位置从线宽方向(y方向)看时，是与被照射面I102共轭的位置。通过该结构，柱状透镜104和扩大光学系统105形成的线状像仅在线宽方向上由柱状透镜107缩小。其结果，像差也缩小，可在被照射面I102上形成更细的线状像。

上述结构对于激光的波面混乱、射出方向的混乱等有非常有效。一般地，考虑从激光光源在一定方向上射出平行光。但是，实际上，来自激光光源的光并非完全平行光。另外，振动方向上也有时间偏差。并且，由于这些，被照射面I102上线状像的宽度加宽或整个像的位置在被照射面I102上产生移动。在从激光光源的开口AP到被照射面I102的线状像的线宽方向的光学系统的焦距为f、来自激光光源101的原束的波面的斜度误差为θ时，与这些被照射面I102上的像差相当的量为fxθ。束射出方向的偏差为θ时，其像差量为fxθ。这样，都与焦距f成比例。因此，期望线宽方向(y方向)的焦距短。

上述第一实施例的结构的情况下，为缩短焦距，可同时变更扩大光学系统105的光学参数和线状像的长度。因此，通过变更柱状透镜104的焦距和位置，可缩短整个系统的焦距。在缩短柱状透镜104的焦距时，增大该柱状透镜104的数值孔径(NA)或同时增大入射到扩大光学系统105的光的数值孔径(NA)。这是大像差产生的原因。因此，本实施例中，扩大光学系统105的被照射面I102侧添加其他的柱状透镜107，缩短线状像的线宽方向(y方向)的焦距。通过该结构，可提供具有更优越的成像性能的光学系统。

本实施例中，除沿着光轴AX移动柱状透镜104的第一移动机构部MV1外，希望还有沿着光轴AX移动柱状透镜107的第一移动机构部MV2。这样，通过改变各透镜104，107的位置，可实现散焦并改变线状像的线宽的效果。移动其中之一的透镜都可以。

Claims (14)

1.一种照明光学系统，其特征在于包括：扩大来自激光器光源的照射束的直径的未聚焦的束扩展系统、至少在大致与第一方向正交的第二方向上具有折射力并将来自上述束扩展系统的照射束成像为在上述第一方向上具有长边方向的线状束的线状束形成透镜系统、具有沿着上述第一方向排列的多个要素透镜的透镜阵列部、将上述线状束的上述各要素透镜等每一个的像重合照射在被处理面上的会聚光学系统。

2.根据权利要求1的照明光学系统，其特征在于上述线状束形成透镜系统是在上述第二方向上具有正的折射力的柱状透镜。

3.根据权利要求2的照明光学系统，其特征在于可沿着光轴移动上述柱状透镜和上述透镜阵列部以及上述会聚光学系统中的至少之一。

4.根据权利要求1的照明光学系统，其特征在于上述透镜阵列部至少具有第一分阵列部和第二分阵列部，上述要素透镜是旋转对称的透镜，上述第一分阵列部和上述第二分阵列部排列成上述各分阵列部的对应的上述各要素透镜的光轴大致一致。

5.根据权利要求1的照明光学系统，其特征在于上述会聚光学系统在上述被处理面侧上具有在上述第二方向上具有正的折射力的其他的柱状透镜。

6.一种激光器处理装置，其特征在于包括提供激光的激光器光源、权利要求1到权利要求5的任意一项的照明光学系统、相对移动上述被处理面上的线状束和上述被处理面的扫描移动部。

7.一种照明光学系统，其特征在于包括：将来自激光器光源的照射束相对第一方向分割为多个照射束并在规定面上重合的棱镜部件、至少在与上述第一方向大致正交的第二方向上具有折射力并且将上述分割的多个照射束成像为在上述第一方向上具有长边方向的线状束的线状束形成透镜系统、将上述线状束在上述第一方向上扩大并照射在被处理面上的扩大光学系统。

8.根据权利要求7的照明光学系统，其特征在于上述棱镜部件是梯形棱镜，该梯形棱镜分割的上述多个照射束重合的上述规定面的位置和上述线状束形成系统的上述第二方向的焦点位置大致一致。

9.根据权利要求7的照明光学系统，其特征在于上述扩大光学系统是相对光轴旋转对称的光学系统。

10.根据权利要求7的照明光学系统，其特征在于上述线状束形成透镜系统是在上述第二方向上具有正的折射力的第一柱状透镜。

11.根据权利要求7的照明光学系统，其特征在于上述扩大光学系统在上述被处理面侧上包括在上述第二方向上具有正的折射力的第二柱状透镜。

12.根据权利要求11的照明光学系统，其特征在于可沿着上述光轴移动上述第一柱状透镜和上述第二柱状透镜中的至少之一。

13.根据权利要求7的照明光学系统，其特征在于还具有将来自上述激光器光源的照射束直径在上述第一方向上进行比上述第二方向更大地扩大的束扩展系统。

14.一种激光器处理装置，其特征在于包括：提供激光的激光器光源、权利要求7到权利要求13的任意一项的照明光学系统、相对移动上述被处理面上的线状束和上述被处理面的扫描移动部。

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