JP2002202414A - ビーム変換素子、該ビーム変換素子を用いた照明光学系、露光装置、レーザ加工機及び投射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特殊な断面形状のレンズを用いず、ホログラ
ム素子を用いて、強度分布がガウシアン分布を有するビ
ームを均一な平行ビームに変換する。 【解決手段】 ビーム変換素子１は、互いに平行配置さ
れた第１のホログラム素子２と第２のホログラム素子３
からなる。第１のホログラム素子２は、凹レンズの機能
を有し、中心に近づくほど焦点距離の長さが小さく、第
２のホログラム素子３は凸レンズの機能を有し、中心に
近づくほど焦点距離が小さい。第１のホログラム素子２
によってレーザ光４の中心部付近の強度の強い光線は大
きく発散され、周辺部にいくにしたがって第１のホログ
ラム素子２による発散角は小さくなる。これらの光線
は、第２のホログラム素子３によって均一な強度分布の
ビーム５となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ビーム変換素子及
びこれを用いた照明光学系、露光装置、レーザ加工機及
び投射装置に関し、さらに詳しくは、レーザ光のビーム
強度分布を平坦化させるビーム変換素子及びレーザ光を
光源とし被照射部を均一に照明する照明光学系、露光装
置、レーザ加工機、レーザ光を光源とする照明光学系を
用いた投射装置に関し、プロジェクタ、レーザ加工、ス
テッパ等多くの技術分野への応用に適したものである。

【０００２】

【従来の技術】１９９８年９月２８日付け日経産業新聞
に、ビーム強度分布を変換することができる特殊レンズ
に関する記事が記載されている。図３０は、同記事に記
載されている図で、図３０に示された特殊レンズは、レ
ンズの中央部が凹レンズ効果を有し、周辺部が凸レンズ
効果を有するような特殊な断面形状を有し、強度分布に
疎密があるビームを強度分布が均一なビームに変換する
ことができる。しかし、強度分布に疎密があるビームを
均一な強度分布の平行光線束に変換するのを、レンズで
実施するにはレンズ形状の設計が困難であり、また特殊
な断面形状の金型を作製する必要があるため高コストと
なる。

【０００３】また、特開平８−９４８３９号公報には、
第１のホログラムと第２のホログラムからなる光ビーム
変換素子が記載されている。しかし、この光ビーム変換
素子によれば、第１のホログラムの各ファセットからの
光が第２のホログラムの全面に照射されるため、第２の
ホログラムで全ての光線を平行化させることは不可能で
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
に鑑みてなされたもので、強度分布に疎密がある光源か
らのビームを被照射部で均一な強度分布に、または、均
一な強度分布の平行光線束に変換する変換素子に特殊な
断面形状のレンズを用いることなしに、ホログラム素子
を用いて強度分布に疎密がある光源からのビームを被照
射部で均一な強度分布に、または、均一な強度分布のビ
ームに変換することができる光学変換素子、照明光学系
及び投射装置を低コストで提供することを目的とする。
また、各請求項の発明は次のような事項を目的とする。

【０００５】（１）強度分布がガウシアン分布を有する
ビームを強度分布が均一なビームに変換することを目的
とする（請求項１）。

【０００６】（２）強度分布がガウシアン分布を有する
ビームを強度分布が均一なビームに変換することがで
き、ホログラム素子の作製に二光束干渉露光法を使用す
ることができるようにすることを目的とする（請求項
２）。

【０００７】（３）レーザアレイ光源の各ガウシアン分
布を有するビームを強度分布が均一なビームに変換する
ことを目的とする（請求項３）。

【０００８】（４）レーザアレイ光源の各ガウシアン分
布を有するビームを強度分布が均一なビームに変換し、
かつ小型な照明光学系にも使用可能であることを目的と
する（請求項４）。

【０００９】（５）レーザ光源のビームを被照射部に強
度分布が均一となるように照明することを目的とする
（請求項５）。

【００１０】（６）レーザ光源のビームを被照射部に強
度分布が均一となるように照明し、かつ照明光学系の小
型化を可能とすることを目的とする（請求項６，７）。

【００１１】（７）発光部がライン状に配列されたレー
ザアレイ光源のビームを被照射部に強度分布が均一とな
るように照明する照明光学系において、レーザアレイ光
源のアレイ数が多くなっても照明光学系の設計が容易で
あることを目的とする（請求項８）。

【００１２】（８）レーザ光源またはレーザアレイ光源
を用いた投射装置を小型化し、高性能化することを目的
とする（請求項９）。

【００１３】（９）回折格子を用いてガウシアンビーム
を均一強度に変換するデバイスで、回折格子の設計を容
易にすることを目的とする（請求項１０）。

【００１４】（１０）回折格子を用いてガウシアンビー
ムを均一強度に変換するデバイスで、回折格子の設計が
容易であり、かつ、均一強度化された出射ビームがコリ
メートされることを目的とする（請求項１１）。

【００１５】（１１）回折格子を用いてガウシアンビー
ムを均一強度に変換するデバイスで回折格子の設計を容
易にし、均一強度化された出射ビームがコリメートされ
ていて、かつ入射光と平行になることを目的とする（請
求項１２）。

【００１６】（１２）回折格子を用いてガウシアンビー
ムを均一強度に変換するデバイスで回折格子の設計を容
易にし、かつ不要光を被照射部から外すことで、ガウシ
アンビームをさらに均一強度に変換することを目的とす
る（請求項１３）。

【００１７】（１３）レーザアレイ光のそれぞれのガウ
シアンビームを均一強度のビームに変換することを目的
とする（請求項１４）。

【００１８】（１４）レーザアレイ光のそれぞれのガウ
シアンビームを均一強度のビームに変換し、かつビーム
変換デバイスの小型化を目的とする（請求項１５）。

【００１９】（１５）ホログラム設計の容易なビーム変
換デバイスで、不要光を被照射部から外すことで、ガウ
シアンビームを均一強度に変換することができ、被照射
部までの距離を短くすることを目的とする（請求項１
６）。

【００２０】（１６）低コストのビーム変換デバイスを
用いた露光装置を提供することを目的とする（請求項１
７）。

【００２１】（１７）低コストのビーム変換デバイスを
用いたレーザ加工機を提供することを目的とする（請求
項１８）。

【００２２】（１８）低コストのビーム変換デバイスを
用いたレーザ光源を有する小型の投射装置を提供するこ
とを目的とする（請求項１９）。

【００２３】（１９）放射照度均一性を高くした小型の
ビーム変換デバイスを用いた投射装置を提供することを
目的とする（請求項２０）。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するためになされたものであって、その第１の技術手
段は、平行配置された第１ホログラム素子と第２ホログ
ラム素子からなり、前記第１ホログラム素子は凹レンズ
機能を有しホログラムの中心に向かうほど焦点距離が大
きく、前記第２ホログラム素子は凸レンズ機能を有しホ
ログラムの中心に向かうほど焦点距離が小さいビーム変
換素子であることを特徴とする。

【００２５】第２の技術手段は、第１の技術手段のビー
ム変換素子において、前記第１ホログラム素子と前記第
２ホログラム素子は、斜入射系となるように配置されて
いることを特徴とする。

【００２６】第３の技術手段は、第１または第２の技術
手段のビーム変換素子において、前記第１ホログラム素
子と前記第２ホログラム素子のホログラムパターンは、
それぞれアレイ状に形成されていることを特徴とする。

【００２７】第４の技術手段は、第２の技術手段のビー
ム変換素子が複数個アレイ状に配列されているビーム変
換素子であることを特徴とする。

【００２８】第５の技術手段は、レーザ光源と、コリメ
ートレンズと、第１〜４の技術手段のビーム変換素子
と、レンズアレイからなる照明光学系であることを特徴
とする。

【００２９】第６の技術手段は、第５の技術手段の照明
光学系において、前記コリメートレンズ部は、コリメー
ト機能を有するホログラム素子からなることを特徴とす
る。

【００３０】第７の技術手段は、第５または第６の技術
手段の照明光学系において、前記レンズアレイは、レン
ズアレイ機能を有するホログラム素子からなることを特
徴とする。

【００３１】第８の技術手段は、レーザアレイ光源と、
ビーム変換素子部と、ホモジナイザからなる照明光学系
において、前期レーザアレイ光源は発光部がライン状に
配列され、前記ビーム変換素子部は前記レーザアレイ光
源のアレイ厚さ方向のみにレンズ機能を有し、第１ホロ
グラム素子と第２ホログラム素子で形成され、前記第１
ホログラム素子は凹レンズ機能を有しホログラムの中心
に向かうほど焦点距離が大きく、前記第２ホログラム素
子は凸レンズ機能を有しホログラムの中心に向かうほど
焦点距離が小さい照明光学系であることを特徴とする。

【００３２】第９の技術手段は、第５〜８の照明光学系
と、ライトバルブと、投射レンズからなる投射装置であ
ることを特徴とする。

【００３３】第１０の技術手段は、ホログラム素子から
なるビーム変換素子であって、前記ホログラム素子の入
射面または入射光軸と回折光軸を含む面での格子ピッチ
Ｐは、前記ホログラム素子に入射される入射ビームの中
心からの距離をｘとすると Ｐ＝Ａ＋Ｂｘ＋Ｃｓｉｎ（Ｄｘ） ただし、Ａ，Ｃ，Ｄは０以外の定数、Ｂは０を含む定数 で表される変調ピッチであることを特徴とする。

【００３４】第１１の技術手段は、第１のホログラム素
子と第２のホログラム素子で構成されるビーム変換素子
であって、前記第１のホログラム素子の格子ピッチＰは
請求項１０に記載された変調ピッチＰが形成され、前記
第２のホログラム素子の格子ピッチは前記第２のホログ
ラム素子からの回折角が一定になるように格子ピッチが
設定されることを特徴とする。

【００３５】第１２の技術手段は、第１１の技術手段の
ビーム変換素子において、前記第２のホログラム素子の
回折光の光軸が前記第１のホログラム素子への入射光軸
と平行であることを特徴とする。

【００３６】第１３の技術手段は、第１０の技術手段の
ビーム変換素子において、前記入射ビームの直径もしく
は幅をＷとし、前記入射ビームの前記ホログラム素子へ
の入射角をθ、前記ホログラム素子の平均的な回折角を
ψとすると、前記ホログラム素子から被照射部までの入
射光軸に沿った距離Ｌは、 Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） で表されることを特徴とする。

【００３７】第１４の技術手段は、第１２の技術手段の
ビーム変換素子において、入射ビームの直径もしくは幅
をＷとし、前記入射ビームの前記第１のホログラム素子
への入射角をθ、前記ホログラム素子の平均的な回折角
をψとすると、前記第１のホログラム素子から前記第２
のホログラム素子の入射光軸に沿った距離Ｌ１と、前記
第２のホログラム素子から前記被照射部までの入射光軸
に沿った距離Ｌ２は、 Ｌ１≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） Ｌ２≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） で表されることを特徴とする。

【００３８】第１５の技術手段は、第１０〜１４の技術
手段のビーム変換素子において、前記ホログラム素子の
格子パターンがホログラム基板上に所定の繰り返し周期
で形成されたことを特徴とする。

【００３９】第１６の技術手段は、第１０〜１４の技術
手段のビーム変換素子において、前記ホログラム素子が
アレイ状に配列されたことを特徴とする。

【００４０】第１７の技術手段は、第１１または１２の
技術手段のビーム変換素子において、前記第１及び第２
のホログラム素子がアレイ状に配列されるか、またはホ
ログラム基板に格子パターンがアレイ状に形成されてお
り、隣接する出射ビームの間に遮蔽板が配置され、前記
第２のホログラム素子から被照射部までの入射光軸に沿
った距離Ｌは、前記入射ビームの直径もしくは幅をＷと
し、前記第１のホログラム素子の平均的な回折角をψと
すると、 Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） で表されることを特徴とする。

【００４１】第１８の技術手段は、少なくともレーザ光
源と、第１０〜１７の技術手段のビーム変換素子と、投
影レンズからなる露光装置であることを特徴とする。

【００４２】第１９の技術手段は、少なくともレーザ光
源と、第１０〜１７の技術手段のビーム変換素子と、集
光レンズからなるレーザ加工機であることを特徴とす
る。

【００４３】第２０の技術手段は、少なくともレーザ光
源と、第１０〜１７の技術手段のビーム変換素子と、空
間変調ライトバルブと、投射レンズからなる投射装置で
あることを特徴とする。

【００４４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜２９に示す実施例１〜２２に基づいて説明する。 （実施例１）図１は、実施例１のビーム変換素子を示す
図である。実施例１のビーム変換素子１は、第１のホロ
グラム素子２と第２のホログラム素子３から構成され、
両者は互いに平行に配置される。第１のホログラム素子
２は、凹レンズの機能を有するが、中心に近づくほど焦
点距離が大きく（凹レンズの焦点距離は負の値なので、
焦点距離が大きいということは焦点距離の長さが小さい
ことになる）、レンズの周辺に近づくほど焦点距離が小
さくなるように設計されている。第１のホログラム２
は、例えば計算機ホログラムの作製方法で作製可能であ
る。第２のホログラム素子３は凸レンズの機能を有する
が、中心に近づくほど焦点距離が小さく、周辺に近づく
ほど焦点距離が大きくなるように設計されている。第２
のホログラム素子３も計算機ホログラムによって作製可
能である。

【００４５】図１に示すビーム変換素子１は、向かって
左側からレーザ光４が第１のホログラム素子２に入射す
る。通常、レーザ光のビームプロファイルはガウシアン
分布（Gaussian Distribution）で、ビームの中心が強
度が高く、ビームの周辺に近づくにしたがって指数関数
的に光強度が減少する。図１に示すレーザ光４もガウシ
アン分布であり、図１では光強度の強い領域ほど線と線
の間隔を狭く描いている。第１のホログラム素子２によ
ってレーザ光４の中心部付近の強度の強い光線は焦点距
離が大きい（焦点距離の長さが小さい）レンズ作用を受
けて大きく発散される。レーザ光４の周辺部にいくにし
たがって第１のホログラム素子２による発散角は小さく
なる。これらの光線は、第２のホログラム素子３によっ
て平行光束となる。そして、第１のホログラム素子２か
ら第２のホログラム素子３に向かう光は重なり合うこと
なく第２のホログラム素子３に入射させるため、第２の
ホログラム素子３から透過される光を平行化させること
が設計上可能になる。したがって、第１，第２のホログ
ラム素子２，３によって、ガウシアンビームをコリメー
ト光で、かつ放射照度を均一化したビーム５に変換する
ことができる。

【００４６】（実施例２）図２は、実施例２のビーム変
換素子を示す図である。実施例２のビーム変換素子６
は、平行配置された第１のホログラム素子７と第２のホ
ログラム素子８で構成される。第１のホログラム素子７
は、凹レンズ機能と偏向機能を有する。第１のホログラ
ム素子７の中心部付近は焦点距離が大きく（焦点距離の
長さが小さく）、かつ光軸が所定の方向に偏向される。
第１のホログラム素子７の周辺に近づくほど、その凹レ
ンズ機能の焦点距離が小さく（焦点距離の長さが大き
く）なるように設計される。一方、第２のホログラム素
子８は、凸レンズ機能と偏向機能を有する。第２のホロ
グラム素子８の中央に近づくほど凸レンズの焦点距離が
小さく、周辺に向かうにしたがって焦点距離が大きくな
るように設計されている。

【００４７】第１のホログラム素子７に入射するレーザ
光９はその強度分布がガウシアン分布であり、中央部付
近の強度が高く、ビームの周辺に向かうにしたがって指
数関数的に光強度が減少する。図２では強度の強い領域
ほど線と線の間隔を狭くして表している。ガウシアン分
布のレーザ光９の中央付近は、第１のホログラム素子７
の中央部付近の偏向機能と凹レンズ機能によって進行方
向が変わり、かつ発散される。ガウシアン分布のレーザ
光９の周辺ほど発散の度合いが小さくなっている。これ
らのビームが第２のホログラム素子８に入射されると、
凸レンズ機能と偏向機能によって図２に示すように平行
光束化し、かつ強度分布が均一なレーザ光１０に変換さ
れる。

【００４８】実施例２のような斜入射系のホログラムを
用いることによって、図１２に示すような二光束干渉露
光法でホログラムを作製することができる。垂直入射ホ
ログラムを用いることによっても、二光束干渉露光法は
可能であるが、効率の良いホログラムの作製は困難であ
る。斜入射系のホログラムでは図１２のようにホログラ
ム記録材料の基板７４の片側から二つの光束を重ねるこ
とができる。ところが、二光束干渉で垂直入射タイプの
ホログラムを作製するには基板７４の両側から光束を照
射するため、基板７４の裏面による多重反射によってホ
ログラムの効率や特性が低下する。したがって、本構成
の場合、２つのホログラム素子からなるビーム変換素子
の作製自由度が高くなることになる。

【００４９】（実施例３）図３は、実施例３のビーム変
換素子を示す図である。実施例３のビーム変換素子１１
は、第１のホログラム素子１２と第２のホログラム素子
１３で構成される。入射光はアレイ光１４であり、例え
ば、レーザアレイ光源からのレーザ光である。図３では
２つのビームのみ表しているが、アレイ数はいくつであ
っても構わない。第１のホログラム素子１２は入射光で
あるアレイ光１４のアレイ数に対応する領域のホログラ
ムが施されている。図３では２つのビームに合わせて、
第１のホログラム素子１２には２つの領域にホログラム
を施している。同様に、第２のホログラム素子１３も入
射ビームのアレイ光１４に合わせた領域にホログラムが
施されている。各領域のホログラムの構成は、実施例１
に記載されるホログラムと同じであるので説明を省略す
る。実施例３の構成によって、各々がガウシアンビーム
であるアレイ光１４をそれぞれビーム変換し、強度均一
化されたアレイ光１５が得られる。

【００５０】（実施例４）図４は、実施例４のビーム変
換素子を示す図である。実施例４のビーム変換素子１６
は、第１のホログラム素子１７と第２のホログラム素子
１８で構成される。入射光１９はアレイ光であり、例え
ばレーザアレイ光源からのレーザ光である。図４では２
つのビームのみ表示しているが、アレイ数はいくつであ
っても構わない。第１のホログラム素子１７は入射光で
あるアレイ光１９のアレイ数に対応した領域数のホログ
ラムが施されている。図４では２つのビームにあわせ
て、第１のホログラム素子１７には２つの領域にホログ
ラムが施される。同様にして、第２のホログラム素子１
８も入射ビーム数に合わせたホログラムが施されてい
る。各領域のホログラムの構成は実施例２のビーム変換
素子に用いられるホログラムと同じ構成であるので説明
を省略する。

【００５１】実施例４のビーム変換素子によって、各々
がガウシアンビームであるアレイ光１９をそれぞれ強度
均一化されたビーム変換し、強度均一化されたアレイ光
２０が得られる。また、実施例４に使われる第１、第２
のホログラム素子１７，１８は計算機ホログラム以外に
も二光束干渉露光法で作製することも可能である。二光
束干渉露光法でホログラムを作製するには、図１２に示
すように、レーザ光７５をハーフミラー６９（またはビ
ームスプリッタ）で２分する。一方のビームは必要なら
ミラー７０で反射させ、ホログラム記録材料の基板７４
に照射される。もう一方のビームは必要ならミラー７１
で反射させ、レンズ７２で集光させホログラム記録材料
の基板７４に照射する。ホログラム記録材料の基板７４
の直前にはマスク７３を配置させ、必要な領域だけを露
光させるようにする。その領域に適した焦点距離となる
ようにレンズ７２を適宜交換することによって、ホログ
ラム素子の焦点距離を変えることができる。さらに、レ
ンズ７２の焦点位置をホログラム記録材料の基板７４の
手前に（図１２に示す配置）するとホログラム素子は凹
レンズ機能を有し、焦点位置が記録材料７４の先にあれ
ば凸レンズ機能をもたせることになる。

【００５２】（実施例５）図５は、実施例５のビーム変
換素子を示す図である。実施例５のビーム変換素子２１
は、第１のホログラム素子２２ａ，２２ｂ，…と第２の
ホログラム素子２３ａ，２３ｂ，…で構成される。図５
に示したビーム変換素子２１は２セットのホログラム素
子であるが、入射されるアレイ光２４の数に合わせる。
入射されるアレイ光２４は、まず第１のホログラム素子
２２ａ，２２ｂで回折される。各々の第１ホログラム素
子２２ａ，２２ｂは凹レンズ機能を有し、各素子の中心
に近づくほど焦点距離が大きい凹レンズ機能を有する。
第２のホログラム素子２３ａ，２３ｂは凸レンズ機能を
有し、各ホログラム素子の中心ほど焦点距離が短い凸レ
ンズ機能を有する。

【００５３】実施例５のビーム変換素子２１の構成によ
って、強度分布がガウシアン分布のアレイ光２４は、２
枚のホログラム素子２２ａ，２２ｂで回折させた結果、
光強度が均一化される。この動作が全てのアレイ光２４
で動作されるので、結果的にレーザアレイ光２４を全て
均一ビームのアレイ光２５に変換させることができる。
また、斜入射系のホログラムであるため、二光束干渉露
光法でも、計算機ホログラムでも作製が可能である。さ
らに、ホログラム素子をアレイ状に配置させるため、ビ
ーム変換素子部２１の入射光軸方向の長さを小さくまと
めることができる。

【００５４】（実施例６）図６は、本発明の実施例６の
照明光学系を示す図である。実施例６の照明光学系２６
は、レーザアレイ光源２７と、コリメートレンズアレイ
２８と、ビーム変換素子部２９と、レンズアレイ３０
と、コンデンサレンズ３１で構成され、被照射部３２を
照射する。コリメートレンズアレイ２８は、必ず備えな
ければならないものではなく、ビーム変換素子部２９の
ホログラム素子の設計と配置によって、コリメートレン
ズアレイ２８を省略することができる。具体的には、第
１のホログラム素子に入射する光を発散光で設計し、さ
らに、レーザアレイ光源２７の各アレイからの発散光が
重ならないうちに第１のホログラム素子に入射するよう
に配置させればよい。また、コンデンサレンズ３１は必
ずしも必要ではなく、レンズアレイ３０にコンデンサレ
ンズ３１の機能を持たせることも可能である。

【００５５】ビーム変換素子部２９には、実施例３〜５
のビーム変換素子１１，１６，２１を用いることができ
る。実施例６の照明光学系２６によって、レンズアレイ
３０に入射される各ビームは照度が均一化されている。
レンズアレイ３０とコンデンサレンズ３１によって各ビ
ームを被照射部３２に照射している。均一化されている
各ビームを被照射部３２で重ね合わせるため、被照射部
３２でも均一な照度分布が得られる。さらに、レーザア
レイ光源２７の各ビームは被照射部３２全体を各々照明
するため、レーザアレイ光源２７の各アレイ間で光強度
のばらつきがあったとしても、被照射部３２で均一な照
明となる。

【００５６】（実施例７）図７は、本発明の実施例７の
照明光学系を示す図である。実施例７の照明光学系３３
は、光源３４と、コリメートレンズ機能を有するホログ
ラム素子３５と、ビーム変換素子部３６と、レンズアレ
イ３７、コンデンサレンズ３８で構成され、被照射部３
９を照射する。光源３４は一本のレーザでもレーザアレ
イ光源でも良い。レーザアレイ光源の場合にはホログラ
ム素子３５やビーム変換素子部３６はアレイ状にホログ
ラムが形成される。

【００５７】光源３４からの各ビームは、ホログラム素
子３５で各々平行光束化される。この段階では平行光束
化されただけで、それぞれのビームにはガウシアンの強
度分布であり、このビームがビーム変換素子部３６に入
射する。光源３４が一本のレーザであるならビーム変換
素子部３６は、実施例１または２のビーム変換素子１，
６を使用し、レーザアレイ光源なら実施例３〜５のビー
ム変換素子１１，１６，２１を用いる。ビーム変換素子
の機能によって各々のビームは均一照度分布のビームに
変換される。レンズアレイ３７とコンデンサレンズ３８
によって、それぞれの均一ビームを被照射部３９に重ね
合わせる。したがって、被照射部３９でも均一な照度が
得られる。ホログラム素子３５の機能は、ビーム変換素
子部３６に持たせることも可能である。実施例７の照明
光学系３３によって、レーザ光源もしくはレーザアレイ
光源を被照射部３９に均一照明することができる。さら
に、ホログラム素子３５はビーム変換素子部３６のホロ
グラムに集約することも可能であるため、さらに小型の
照明光学系を実現することができる。

【００５８】（実施例８）図８は、本発明の実施例８の
照明光学系を示す図である。実施例８の照明光学系４０
は、光源４１と、コリメートレンズ機能を有するホログ
ラム素子４２と、ビーム変換素子部４３と、各光束を合
成するホログラム素子４４で構成され、被照射部４５を
照射する。光源４１は一本のレーザでもレーザアレイ光
源でもよい。レーザアレイ光源の場合にはホログラム素
子４２，４４やビーム変換素子部４３はアレイ状にホロ
グラムが形成される。光源４１からの各ビームはホログ
ラム素子４２で各々平行光束化される。この段階では平
行光束化されただけで、それぞれのビームにはガウシア
ンの強度分布である。このビームがビーム変換素子部４
３に入射する。光源４１が一本のレーザならビーム変換
素子は実施例１または２のビーム変換素子１，６を使用
し、レーザアレイ光源なら実施例３〜６記載のビーム変
換素子１１，１６，２１を用いることができる。ビーム
変換素子の機能によって各々のビームは均一照度分布の
ビームになる。ホログラム素子４４は、これ一枚で図７
に示すレンズアレイ３７とコンデンサレンズ３８の組み
合わさった機能を有する。

【００５９】実施例８の照明光学系４０によって、レー
ザ光源もしくはレーザアレイ光源を被照射部４５に均一
照明することができる。さらに、ホログラム素子４２，
４４はどちらか一方、または両方をビーム変換素子部４
３のホログラムに集約することも可能であるため、さら
に小型の照明光学系を実現することができる。

【００６０】（実施例９）図９は、本発明の実施例９の
照明光学系を示す図で、図９（Ａ）は正面図、図９
（Ｂ）は平面図である。実施例９の照明光学系４６は、
レーザアレイ光源４７と、レンズアレイ４８と、シリン
ドリカルレンズ４９と、ビーム変換素子部５０と、レン
ズアレイ５１、シリンドリカルレンズ５２，５３で構成
され、被照射部５４を照射する。レーザアレイ光源４７
は、レーザ発振部がライン状に配列されている。レンズ
アレイ４８はコリメートレンズアレイで示されている
が、レーザアレイ厚さ方向にはレンズパワーを持たない
シリンドリカルレンズアレイでもよい。ビーム変換素子
部５０は、レーザアレイの厚さ方向のガウシアン分布特
性を均一なビームに変換する機能を有する。レンズアレ
イ５１とシリンドリカルレンズ５２はレーザアレイ光源
４７のアレイ方向成分のホモジナイザである。すなわ
ち、レーザアレイ４７のアレイ方向に（図９（Ａ）の紙
面内方向に）平行光束化されたアレイ光をシリンドリカ
ルレンズアレイ４８の分割数だけ分割し、シリンドリカ
ルレンズ５２で各々を被照射部５４で重ね合わせる。シ
リンドリカルレンズ５３はレーザアレイ４７のアレイ厚
さ方向のビームを被照射部５４に合わせるためのレンズ
である。図９（Ｂ）で、ビーム変換素子部５０からのビ
ームが既に被照射部５４の形状に合っているなら、シリ
ンドリカルレンズ５３は必要ではない。また、シリンド
リカルレンズ４９も特に必要ではない。シリンドリカル
レンズ４９のない場合には、入射光が発散光であること
を考慮したビーム変換素子部５０を設計すればよい。

【００６１】レンズアレイ４８はレーザアレイ光源４７
のアレイ数に一致する。レンズアレイ５１はレーザアレ
イ数よりも好ましくは少なくし、かつレーザアレイ数の
約数ではない分割数を選ぶ。被照射部５４でレンズアレ
イ５１の各アレイでのビーム強度が重ね合わさることに
なるが、アレイ数の約数でないために、各ビーム強度分
布の位相がずれて重ね合わさり、均一化される。実施例
９の照明光学系４６によって、ビーム変換素子部５０の
ホログラム設計は光源のアレイ数に依存することなく設
計することができる。また、ホモジナイザ部は光源のア
レイ数ほどの分割数にしなくても均一照明が可能であ
る。したがって設計、作製がさらに容易になる。

【００６２】（実施例１０）図１０は、本発明の実施例
１０の投射装置を示す図である。実施例１０の投射装置
５５は、レーザ光源５６ｒ，５６ｇ，５６ｂと、照明光
学系５７ｒ，５７ｇ，５７ｂと、ライトバルブ５８ｒ，
５８ｇ，５８ｂと、色合成素子５９と投射レンズ６０で
構成される。レーザ光源５６ｒ，５６ｇ，５６ｂが各々
１本のレーザ光の場合には、照明光学系５７ｒ，５７
ｇ，５７ｂは、実施例１または２のビーム変換素子１，
６を用いることができる。また、レーザ光源５６ｒ，５
６ｇ，５６ｂがアレイである場合、照明光学系５７ｒ，
５７ｇ，５７ｂには実施例３〜５のビーム変換素子１
１，１６，２１が用いられる。ライトバルブ５８ｒ，５
８ｇ，５８ｂには、例えば液晶ライトバルブを用いるこ
とができる。投射レンズの瞳に効率よく光を導くため
に、各ライトバルブ５８ｒ，５８ｇ，５８ｂの直前にフ
ィールドレンズを配置してもよい。実施例１０の投射装
置５５によって、ライトバルブ５８ｒ，５８ｇ，５８ｂ
上で均一照度が得られ、投射レンズ６０によってスクリ
ーン（図示せず）上で照度均一化を図ることができる。

【００６３】（実施例１１）図１１は、本発明の実施例
１１の投射装置を示す図である。実施例１１の投射装置
６１は、レーザアレイ光源６２ｒ，６２ｇ，６２ｂを３
枚ならべ、かつ単板のライトバルブ６７を用いた例であ
る。レーザアレイ光源６２ｒ，６２ｇ，６２ｂの直後に
はコリメートレンズもしくはコリメートレンズ機能を有
するホログラム素子６３ｒ，６３ｇ，６３ｂが配置さ
れ、これらはビーム変換素子部６４ｒ，６４ｇ，６４
ｂ、光束合成部６５ｒ，６５ｇ，６５ｂ、（必要なら）
フィールドレンズ６６、ライトバルブ６７、投射レンズ
６８で構成される。ビーム変換素子部６４ｒ，６４ｇ，
６４ｂには実施例３〜５のビーム変換素子１１，１６，
２１が使われる。光束合成部６５ｒ，６５ｇ，６５ｂ
は、レンズアレイとコンデンサレンズで構成してもよい
し、またホログラム素子で構成してもよい。実施例１１
の投射装置６１の構成によれば、レーザ光源を使用した
小型の投射装置を実現することができる。

【００６４】（実施例１２）図１３は、実施例１２のビ
ーム変換素子を示す図である。実施例１２のビーム変換
素子８１は、ホログラム素子８２と被照射部８３からな
り、ホログラム素子８２に強度分布が不均一なビーム８
６が入射される。入射光はレーザ光が最も均一化しやす
いが、もとのビームより均一化されれば良い程度ならレ
ーザ光以外のビームでも良い。例えば発光ダイオードや
インコヒーレントの単色光でも良い。ただし、ビームの
中心に向かって光線強度が高くなるガウシアンビームも
しくはガウシアンに近いビームプロファイルを有する入
射光である必要がある。ホログラム素子８２の設計は次
のように行う。

【００６５】入射光軸８４と回折光軸８５を含む面（図
１３の紙面に平行で入射光の中心を通る平面）でホログ
ラム素子８２を切った断面の格子ピッチが（式１）を満
たすようにする。 Ｐ＝Ａ＋Ｂｘ＋Ｃｓｉｎ（Ｄｘ） （式１） ただし、Ａ，Ｃ，Ｄは０以外の定数、Ｂは０を含む定数 例えば、入射光が円形のガウシアンビームであるとき、
Ａは入射光軸が通過する場所の格子ピッチを表す。Ｂは
図１３において、ビームの両端の格子ピッチの差とホロ
グラム領域の長さの比に関係する値である。Ｃは正弦波
関数の重み付けで、Ｄはホログラム領域の中心から端ま
でを半周期とするパラメータである。

【００６６】定数Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄの範囲は次の通りであ
る。Ａは入射光の波長によって異なるが、概ね、０＜Ａ
＜２０（μｍ）である。Ｂ，Ｃ，Ｄはホログラム素子の
ホログラム面の大きさや被照射部との相対位置によって
異なるが、概ね、−２＜Ｂ＜２（μｍ），−１＜Ｃ＜１
（μｍ），−０.３＜Ｄ＜０.３（ｒａｄ／μｍ）であ
る。

【００６７】図１４は、定数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの具体例と
して Ａ＝０.５（μｍ）、 Ｂ＝６.８４×１０^−５（μｍ）、 Ｃ＝−７.１×１０^−３（μｍ）、 Ｄ＝１.３７×１０^−２（ｒａｄ／μｍ） としたときの、ホログラム素子の中心からの距離と格子
ピッチの関係を示す図であり、図１５は図１３のビーム
変換素子を用いてガウシアン分布の入射光プロファイル
が均一なビームプロファイルに変換される様子を示す図
である。図１５に示すように、図１３面内において、入
射角３０度の入射ビーム（ガウシアン分布）が光線強度
の均一化されたビームに変換される。この設計を図１３
の紙面に非平行な方向にも行うことで被照射部８３では
円形で光線強度が均一になる。

【００６８】ホログラムの作製は、例えば電子ビーム描
画機などを使い、いわゆる計算機ホログラムを作製する
ときに、（式１）を用いて格子ピッチを数値指定するこ
とができる。このため、ホログラムの作製も容易にな
る。この加工法によって表面レリーフを量産するための
金型の原型、もしくは、体積ホログラム量産用のマスタ
ーホログラムを作ることが可能である。このため本発明
によって低コストのビーム変換素子を実現できる。

【００６９】（実施例１３）図１６は、実施例１３のビ
ーム変換素子を示す図であり、図１７は、第２のホログ
ラム素子の中心からの距離と格子ピッチの関係を示す図
である。実施例１３のビーム変換素子８８は、第１のホ
ログラム素子８９と第２のホログラム素子９０で構成さ
れる。第１のホログラム素子８９は（式１）で表される
変調ピッチが形成される。第１のホログラム素子８９で
回折された光９５は、実施例１２の説明の通り、ガウシ
アンプロファイルの入射光９４の中央付近は第２のホロ
グラム素子９０上で広がり、入射光の周辺からの光ほど
第２のホログラム素子９０上で圧縮される。第２のホロ
グラム素子９０の格子ピッチは、例えば図１７で表され
る。この例は、第１のホログラム素子８９として図１６
に示された格子を用いたときに、第２のホログラム素子
９０からの出射光９６の回折角が１５度でコリメート光
として出射される場合である。図１６の例では第１のホ
ログラム素子８９は入射光９２に対し傾いているが、垂
直に配置しても変調ピッチは設計可能である。

【００７０】二枚のホログラム素子を用いてガウシアン
ビームをコリメート光として均一強度にできるため、被
照射部９１と第２のホログラム素子９０との距離が変っ
ても均一性は保持される。このため、ビーム変換素子８
８と被照射部９１の距離を任意に設定でき設置の自由度
が高い。

【００７１】（実施例１４）図１８は、実施例１４のビ
ーム変換素子９７を示す図であり、図１９は、第２のホ
ログラム素子の中心からの距離と格子ピッチの関係を示
す図である。図１８に示すように、実施例１４のビーム
変換素子９７は、第１のホログラム９８素子と第２のホ
ログラム素子９９で構成され、入射光１０３と出射光１
０５の光軸１０１，１０２が平行となるようにホログラ
ムを設計する。すなわち、例えば第１のホログラム素子
９８が図１４に示される格子ピッチであるとき、第２の
ホログラム素子９９は図１９に示す変調ピッチにすれば
良い。図１９は第２のホログラム素子９９が入射光１０
３に対して垂直に配置された場合の格子ピッチである。
第１のホログラム素子９８の格子ピッチの設計値から第
２のホログラム素子９９への各光線の入射角は決まるた
め、第２のホログラム素子９９からの回折光１０５が入
射光１０３と平行となるように回折角度が決められるの
で第２のホログラム素子９９の格子ピッチが求められ
る。

【００７２】２枚のホログラム素子を用いてガウシアン
ビームをコリメート光として均一放射照度にできるた
め、被照射部１００と第２ホログラム素子９９との距離
が変化しても放射照度の均一性は保持される。このた
め、被照射部１００までの距離を自由に選ぶことができ
る。これに加えて、入射光軸１０１と出射光軸１０２が
平行になるため、本発明のビーム変換素子を光学系の一
部に利用する場合にその他の光学系を設計しやすくな
る。図１８では第１のホログラム素子９８と第２のホロ
グラム素子９９が非平行であるが、平行であっても両ホ
ログラム素子の格子ピッチは設計可能である。両ホログ
ラム素子が平行な配置であれば第１のホログラム素子９
８からの回折光が第２のホログラム素子９９に入力され
る場所では第１のホログラム素子９８の格子ピッチと同
じになる。

【００７３】（実施例１５）図２０は、実施例１５のビ
ーム変換素子を示す図である。実施例１５のビーム変換
素子１１１は、ホログラム素子１１２と被照射部１１３
があり、（式１）で表される変調ピッチのホログラム素
子１１２からの回折光１１５によって被照射部１１３が
均一照明される。ホログラム素子１１２の変調ピッチの
設計は実施例１２に説明された通りである。ホログラム
素子１１２の端部から被照射部１１３の端までの入射光
軸に沿った距離Ｌを（式２）に示される様に配置する。 Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） （式２） ここで、Ｗは入射ビームの直径もしくは入射面内のビー
ムの幅を表し、θはホログラム素子１１２への入射角、
ψはホログラム素子の平均的な回折角である。

【００７４】本構成によってホログラム素子１１２で回
折せず透過した光１１６は被照射部１１３を外れる。従
って、被照射部１１３でのビームの均一性が良好にな
る。図示しないが，被照射部１１３がホログラム素子１
１２と平行であっても良く、さらにはホログラム素子１
１２と被照射部１１３がともに入射光軸に垂直に配置さ
れていても式２の関係を保った距離Ｌを設定すれば、被
照射部１１３から不要光であるホログラム透過光１１６
を外すことができる。図示しないが、後述の実施例１
７，１８においてホログラム素子をアレイ状に配列させ
たビーム変換デバイスの場合でも（式２）を満たすよう
にホログラム素子から被照射部までの距離を設定するこ
とによって不要な透過光を被照射部から外すことが可能
である。

【００７５】（実施例１６）図２１は、実施例１６のビ
ーム変換素子を示す図である。実施例１６のビーム変換
素子は、第１のホログラム素子１１８と第２のホログラ
ム素子１１９で構成される。第１のホログラム素子１１
８はその格子が（式１）で表される変調ピッチを有し、
入射光１２１は第２ホログラム素子１１９によってさら
に回折され、入射光軸と平行となり、かつコリメート光
１２３で出力される。図２１のように第１のホログラム
素子１１８と第２のホログラム素子１１９の入射光軸に
沿った距離Ｌ１を（式３）で示される距離とし、 Ｌ１≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） （式３） さらに、第２ホログラム素子１１９から被照射部１２０
までの入射光軸に沿った距離Ｌ２を（式４）で示される
距離に設定する。 Ｌ２≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） （式４）

【００７６】本構成によれば、第１のホログラム素子１
１８から回折されずに透過する光１２４が被照射部１２
０から外れ、さらには第１ホログラム素子１１８で回折
されて第２ホログラム素子１１９で回折されずに透過す
る光１２５が被照射部１２０から外れる。このため、第
１のホログラム素子１１８と第２のホログラム素子１１
９で共に回折された光１２３のみが被照射部１２０に到
達する。このためフレア光の無い設計通りの均一性の高
いコリメート光が得られる。Ｌ１、Ｌ２がそれぞれ（式
３），（式４）を満たす最小の距離を選ぶことによって
小型のビーム変換素子が得られる。

【００７７】（実施例１７）図２２は、実施例１７のビ
ーム変換素子を示す図である。実施例１７のビーム変換
素子１３１は、ホログラム素子１３２によってレーザア
レイ光１３４を被照射部１３３に均一照明する。図２２
ではガウシアンビームが２本で構成されるのでホログラ
ム素子１３２には同じ格子パターンが２つあることにな
る。レーザアレイの数や配列方向に合わせて格子パター
ンを作製すればアレイ数は任意である。なお、格子パタ
ーンが同じパターンがアレイ状に配列されるには、ホロ
グラムの基板１３２と被照射部１３３が平行である必要
がある。図示しないが、ホログラム基板１３２と被照射
部１３３が非平行の場合には格子パターンはアレイごと
に異なる。

【００７８】図２３は、実施例１７のビーム変換素子の
異なる構成を示す図である。ビーム変換素子１３６は、
第１のホログラム素子１３７と第２のホログラム素子１
３８で構成される。第１のホログラム素子１３７に施さ
れるアレイ状の格子パターンは各々（式１）で表される
変調ピッチを有する。第２のホログラム素子１３８は第
１のホログラム素子と平行にしている。このため、両ホ
ログラム素子ともに格子パターンは全て同じパターンを
アレイ状に配列させれば良い。また、図２３では第２ホ
ログラム素子１３８と被照射部１３９は非平行である
が、平行であっても第２ホログラム素子１３８を設計す
ることは可能である。本発明によってアレイ光ごとにガ
ウシアンビームのレーザアレイ光を被照射部１３９で均
一な放射照度にすることができる。

【００７９】（実施例１８）図２４は、実施例１８のビ
ーム変換素子を示す図である。実施例１８のビーム変換
素子１４２は、ホログラム素子１４３ａ，１４３ｂがア
レイ状に配列される。ガウシアンビームの特性を持つレ
ーザアレイ光１４５に合わせてホログラム素子アレイ１
４３ａ，１４３ｂを配置する。図２３のように入射ビー
ムに対してホログラム素子を傾ける場合にはアレイ数が
多くなるとホログラム素子（図２３の１３７，１３８）
が光軸方向に長くなる。本構成のようにホログラム素子
を配列させれば光軸方向の厚さをコンパクトにする事が
できる。

【００８０】（実施例１９）図２５は、実施例１９のビ
ーム変換素子を示す図である。実施例１９のビーム変換
素子１４７は、第１のホログラム素子１４８ａと第２の
ホログラム素子１４９ａ、同様に１４８ｂと１４９ｂ、
１４８ｃと１４９ｃがそれぞれ１組のビーム変換素子を
構成する。これらがアレイ状に配列されている。ビーム
変換素子によって入射アレイ光の１本のビーム１５２ａ
のガウシアン分布が均一な放射照度に変換される。隣接
する出射ビーム１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃの間には
遮蔽板１５１ａ，１５１ｂが配置される。第１のホログ
ラム素子１４８ａの回折光のうち第２のホログラム素子
１４９ａで回折されずに透過した光（図２５で点線で示
した光）は遮蔽版１５１ａによって被照射部１５０に届
かない。この遮蔽板１５１ａ，１５１ｂがアレイ状に配
置されるため、被照射部１５０では均一な放射照度分布
が得られる。さらに、これら遮蔽板１５１ａ，１５１ｂ
を置くことによって第２のホログラム素子１４９ａから
被照射部１５０までの入射光軸に沿った距離Ｌは、第１
のホログラム素子１４８ａへの入射角をθ、１本の入射
ビームの直径もしくは幅をＷ、第１のホログラム素子１
４８ａの平均的な回折角をψとすると（式２）を満たせ
ば良い。仮に、遮蔽板が配置されず、入射ビームの本数
がｍとすれば、第２のホログラム素子１４９ａからの不
要光を被照射部１５０から外すには、 Ｌ≧ｍＷ／ｔａｎ（θ＋ψ） にする必要がある。したがって本発明によってｍ分の１
に被照射部との距離を短くすることができる。なお、図
２５では入射光のビームは３本であるが、アレイ数は２
以上ならいくつであっても本発明の効果が得られる。

【００８１】図２６は、実施例１９のビーム変換素子の
変形であって、ホログラム基板上に格子パターンをアレ
イ状に形成された２枚のホログラム素子１５４，１５５
と遮蔽板１５７で構成される実施例を示している。この
例でも、入射光の一つのビーム１５８ａが第１のホログ
ラム素子１５４と第２のホログラム素子１５５によって
放射照度が均一化され（１５９ａ）被照射部１５６に向
かうが、第２のホログラム素子１５５で透過した光（点
線で示される光）は遮蔽板１５７でカットされ被照射部
１５６には届かない。図２６では入射光のビームが２本
の例を示しているが、アレイ数は２以上ならいくつであ
っても本発明の効果が得られる。本発明によって、ガウ
シアンプロファイルを有するアレイ光を均一放射強度に
することができ、かつ、このデバイスと被照射部までの
距離を短くすることができる。

【００８２】（実施例２０）図２７は、実施例２０の露
光装置を示す図である。実施例２０の露光装置１６０
は、レーザ光源１６１、実施例１２〜１９で説明したい
ずれかのビーム変換素子１６２、レチクル１６３、投影
レンズ１６４、基板ステージ１６５等から構成されてい
る。レーザ光源１６１からのガウシアン分布の強度がビ
ーム変換素子１６２で均一放射照度となりレチクル１６
３を照明する。レチクル１６３のパターンが基板ステー
ジ１６５上に置かれたウエハに露光される。図示しない
が、レーザ光源１６１とビーム変換素子１６２の間に、
コリメートレンズを配置しても良い。また、レーザ光源
によっては、ビームを拡大して平行光束化させる光学系
を使っても良い。設計しやすいホログラム素子で構成さ
れた、放射照度均一性を高くした小型のビーム変換素子
を用いた露光装置を提供できる。

【００８３】（実施例２１）図２８は、実施例２１のレ
ーザ加工機を示す図である。実施例２１のレーザ加工機
１７０は、レーザ光源１７１、実施例１２〜１９で説明
したいずれかのビーム変換素子１７２、レンズ１７３、
ワーク１７４等からなる。本発明のレーザ加工機１７０
は、レーザ光源１７１からのレーザ光をビーム変換素子
１７２で均一ビームに変換し、レンズ１７３でワーク１
７４に集光される。集光スポットによってワーク１７４
の表面加工や切断加工ができる。また、レンズ１７３を
投影レンズに置きかえるか、もしくは被照射部が直接ワ
ークとする配置では、ワークの広い範囲にわたって均一
照明できるため、レーザアニールとしても利用できる。
図示しないが、レーザ光源１７１とビーム変換素子１７
２の間に、コリメートレンズを配置しても良い。また、
レーザ光源１７１によっては、ビームを拡大して平行光
束化させる光学系を使っても良い。設計しやすいホログ
ラム素子を用いたり、放射照度均一性を高くした小型の
ビーム変換素子を用いたレーザ加工機を提供できる。

【００８４】（実施例２２）図２９は、実施例２２の投
写装置を示す図である。実施例２２の投射装置１８０
は、レーザ光源１８１、実施例１２〜１９で説明したい
ずれかのビーム変換素子１８２、ライトバルブ１８３、
投射レンズ１８４等で構成される。レーザ光のガウシア
ン分布強度のビームがビーム変換素子１８２で均一強度
のビームに変換され、ライドバルブ１８３で空間変調さ
れた画像を投射レンズ１８４でスクリーン（図では省
略）に投影する。ライドバルブ１８３は例えば液晶素子
を用いることができる。図示しないが、レーザ光源１８
１とビーム変換デバイス１８２の間に、コリメートレン
ズを配置しても良い。また、レーザ光源１８１によって
は、ビームを拡大して平行光束化させる光学系を使って
も良い。設計しやすいホログラム素子を用いたり、放射
照度均一性を高くした小型のビーム変換デバイスを用い
た投射装置を提供できる。

【００８５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば特殊な断面形状のレンズを用いることなしに、
強度分布に疎密があるビームを被照射部で均一強度分布
に変換、または、均一強度分布のコリメート光に変換す
るビーム変換素子、照明光学系及び投射装置を提供する
ことができる。

【００８６】（１）請求項１の発明によれば、２枚のホ
ログラムを用いることによって、ガウシアン分布を持つ
レーザ光のビームをコリメート光で、均一な強度分布の
ビームに変換することができる。

【００８７】（２）請求項２の発明によれば、斜入射系
のホログラム素子を用いることによって、作製法の自由
度が高くなるビーム変換素子が得られる。

【００８８】（３）請求項３の発明によれば、２枚のホ
ログラム素子にアレイ状にビーム変換パターンを作製す
ることによって、レーザアレイ光の各々のガウシアン分
布を均一強度分布のビームに変換することができる。

【００８９】（４）請求項４の発明によれば、レーザア
レイ光をすべて均一強度分布のビームに変換させること
ができる光学系であるので、ホログラム作製の自由度が
高く、ビーム変換部の厚さを小さくすることができる。

【００９０】（５）請求項５の発明によれば、請求項１
〜４のいずれかのビーム変換素子を用いて照明光学系を
形成したので、ガウシアン分布を有するレーザ光を被照
射部に均一に照明することができる。また、レーザ光源
としてレーザアレイ光源を用いた場合においても、各ビ
ームは被照射部全体を各々照明するため、各アレイ間で
光強度のばらつきがあったとしても被照射部で均一な照
明とすることができる。

【００９１】（６）請求項６の発明によれば、コリメー
ト機能のホログラム素子はビーム変換素子部のホログラ
ムに集約することも可能であるため、さらに小型の照明
光学系を実現することができる。

【００９２】（７）請求項７の発明によれば、コリメー
ト機能及びビーム合成用のホログラム素子はどちらか一
方、または両方をビーム変換素子部のホログラムに集約
することも可能であるため、さらに小型の照明光学系を
実現することができる。

【００９３】（８）請求項８の発明によれば、ビーム変
換素子部のホログラム設計は光源のアレイ数に依存する
ことなく設計できる。また、ホモジナイザ部は光源のア
レイ数ほどの分割数にしなくても均一に照明することが
できる。

【００９４】（９）請求項９の発明によれば、レーザ光
源を用いた小型の投射装置を実現することができる。

【００９５】（１０）請求項１０の発明によれば、ホロ
グラム素子によってガウシアンビームを均一化させる変
調ピッチを簡単な式で表せるため設計しやすく、計算機
ホログラムで作製が容易なビーム変換素子を実現するこ
とができる。

【００９６】（１１）請求項１１の発明によれば、ホロ
グラム素子によってガウシアンビームを均一化させる変
調ピッチを簡単な式で表せるため設計しやすく、計算機
ホログラムで作製が容易で、さらに変換された光がコリ
メートされているためビーム変換デバイスと被照射部の
距離を任意に設定でき設置の自由度が高いビーム変換素
子を実現することができる。

【００９７】（１２）請求項１２の発明によれば、ホロ
グラム素子によってガウシアンビームを均一化させる変
調ピッチを簡単な式で表せるため設計しやすく、計算機
ホログラムで作製が容易で、さらに変換された光がコリ
メートされているためビーム変換素子と被照射部の距離
を任意に設定でき設置の自由度が高く、かつ、入射光と
変換後の光軸が平行なので他の光学系に用いるとき利用
しやすいビーム変換素子を実現することができる。

【００９８】（１３）請求項１３の発明によれば、ホロ
グラム素子によってガウシアンビームを均一化させる変
調ピッチを簡単な式で表せるため設計しやすく、計算機
ホログラムで作製が容易で、放射照度の均一化に寄与し
ない透過光を被照射部から外すことができ、放射照度均
一化が良好なビーム変換素子を実現することができる。

【００９９】（１４）請求項１４の発明によれば、ホロ
グラム素子によってガウシアンビームを均一化させる変
調ピッチを簡単な式で表せるため設計しやすく、計算機
ホログラムで作製が容易で、放射照度の均一化に寄与し
ない透過光を被照射部から外すことができ、放射照度均
一化が良好になり、変換後のビームをコリメート光とし
て取り出せるのでビーム変換素子と被照射部の距離を任
意に設定でき設置の自由度が高いビーム変換素子を実現
することができる。

【０１００】（１５）請求項１５の発明によれば、ホロ
グラム素子によってガウシアンプロファイルのアレイビ
ームを放射照度均一化できる変調ピッチを簡単な式で表
せるため設計しやすく、計算機ホログラムで容易に作製
できるビーム変換素子を実現することができる。

【０１０１】（１６）請求項１６の発明によれば、ホロ
グラム素子によってガウシアンプロファイルのアレイビ
ームを放射照度均一化できる変調ピッチを簡単な式で表
せるため設計しやすく、計算機ホログラムで容易に作製
でき、ビーム変換素子の光軸方向の厚さをコンパクトに
できるビーム変換素子を実現することができる。

【０１０２】（１７）請求項１７の発明によれば、ホロ
グラム素子によってガウシアンプロファイルのアレイビ
ームを放射照度均一化できる変調ピッチを簡単な式で表
せるため設計しやすく、計算機ホログラムで容易に作製
でき、遮蔽板によって隣接されたホログラム素子からの
不要光を被照射部から除去できる小型のビーム変換素子
を実現することができる。

【０１０３】（１８）請求項１８の発明によれば、設計
しやすいホログラム素子で構成され、放射照度均一性を
高くした小型のビーム変換素子を用いた露光装置を実現
することができる。

【０１０４】（１９）請求項１９の発明によれば、設計
しやすいホログラム素子で構成され、放射照度均一性を
高くした小型のビーム変換素子を用いたレーザ加工機を
実現することができる。

【０１０５】（２０）請求項２０の発明によれば、設計
しやすいホログラム素子で構成され、放射照度均一性を
高くした小型のビーム変換素子を用いた投射装置を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１のビーム変換素子を示す図
である。

【図２】 本発明の実施例２のビーム変換素子を示す図
である。

【図３】 本発明の実施例３のビーム変換素子を示す図
である。

【図４】 本発明の実施例４のビーム変換素子を示す図
である。

【図５】 本発明の実施例５のビーム変換素子を示す図
である。

【図６】 本発明の実施例６の照明光学系を示す図であ
る。

【図７】 本発明の実施例７の照明光学系を示す図であ
る。

【図８】 本発明の実施例８の照明光学系を示す図であ
る。

【図９】 本発明の実施例９の照明光学系を示す図であ
る。

【図１０】 本発明の実施例１０の投射装置を示す図で
ある。

【図１１】 本発明の実施例１１の投射装置を示す図で
ある。

【図１２】 斜入射系のホログラムを用いた二光束干渉
露光法でホログラムを作製する装置を示す図である。

【図１３】 本発明の実施例１２のビーム変換素子を示
す図である。

【図１４】 図１３のホログラム素子の中心からの距離
と格子ピッチの関係を示す図である。

【図１５】 図１３のビーム変換素子を用いてガウシア
ン分布の入射光プロファイルが均一なビームプロファイ
ルに変換される様子を示す図である。

【図１６】 本発明の実施例１３のビーム変換素子を示
す図である。

【図１７】 図１６のビーム変換素子において、第２の
ホログラム素子の中心からの距離と格子ピッチの関係を
示す図である。

【図１８】 本発明の実施例１４のビーム変換素子を示
す図である。

【図１９】 図１８のビーム変換素子において、第２の
ホログラム素子の中心からの距離と格子ピッチの関係を
示す図である。

【図２０】 本発明の実施例１５のビーム変換素子を示
す図である。

【図２１】 本発明の実施例１６のビーム変換素子を示
す図である。

【図２２】 本発明の実施例１７のビーム変換素子を示
す図である。

【図２３】 図２２のビーム変換素子の異なる構成を示
す図である。

【図２４】 本発明の実施例１８のビーム変換素子を示
す図である。

【図２５】 本発明の実施例１９のビーム変換素子を示
す図である。

【図２６】 図２５のビーム変換素子の異なる構成を示
す図である。

【図２７】 本発明の実施例２０の露光装置を示す図で
ある。

【図２８】 本発明の実施例２１のレーザ加工機を示す
図である。

【図２９】 本発明の実施例２１の投射装置を示す図で
ある。

【図３０】 強度分布に疎密があるビームを強度分布が
均一なビームに変換する従来の特殊レンズを示す図であ
る。

【符号の説明】

１，６，１１，１６，２１…ビーム変換素子、２，７，
１２，１７…第１のホログラム素子、３，８，１３，１
８…第２のホログラム素子、４，９…ガウシアン分布の
レーザ光、５，１０…均一強度分布のレーザ光、１４，
１９，２４…ガウシアン分布のアレイ光、１５，２０，
２５…均一強度分布のアレイ光、２６，３３，４０，４
６…照明光学系、２７，４７…レーザアレイ光源、２８
…コリメートレンズアレイ、２９，３６，４３，５０…
ビーム変換素子部、３０，３７，４８，５１…レンズア
レイ、３１，３８…コンデンサレンズ、３２，３９，４
５，５４…被照射部、３４，４１…光源、３５，４２，
４４，６３…ホログラム素子、４９，５２，５３…シリ
ンドリカルレンズ、５５，６１…投射装置、５６…レー
ザ光源、５７…照明光学系、５８，６５，６７…ライト
バルブ、５９…色合成素子、６０，６８…投射レンズ、
６２…レーザアレイ光源、６４…ビーム変換素子部、６
５…光束合成部、６６…フィールドレンズ、８１，８
８，９７，１１１，１１７，１３１，１３６，１４２，
１４７…ビーム変換素子、８２，１１２，１３２，１４
３…ホログラム素子、８３，９１，１００，１１３，１
２０，１３３，１３９，１４４，１５０，１５６…被照
射部、８９，９８，１１８，１３７，１４８，１５４…
第１のホログラム素子、９０，９９，１１９，１３８，
１４９，１５５…第２のホログラム素子、１５１，１５
７…遮蔽板、１６０…露光装置、１６１，１７１，１８
１…レーザ光源、１６２，１７２，１８２…ビーム変換
素子、１６３…レチクル、１６４…投影レンズ、１６５
…基板ステージ、１７０…レーザ加工機、１７３…レン
ズ、１７４…ワーク、１８０…投射装置、１８３…ライ
トバルブ、１８４…投射レンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｂ 21/14 Ｇ０３Ｆ 7/20 ５０５ ５Ｆ０４６ Ｇ０３Ｆ 7/20 ５０５ 7/22 Ｈ 7/22 Ｇ０３Ｈ 1/04 Ｇ０３Ｈ 1/04 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２７ Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｇ０２Ｂ 27/00 Ｅ (72)発明者 加藤 幾雄 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 逢坂 敬信 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 滝口 康之 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 2H049 CA05 CA08 CA09 CA18 CA22 CA28 2H052 BA02 BA09 BA12 BA14 2H097 AA03 AB09 BA10 CA17 EA01 GB01 LA10 2K008 AA10 EE01 FF27 HH01 4E068 CD05 CD08 CD13 5F046 BA03 CB01 CB12 CB23

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平行配置された第１ホログラム素子と第
   ２ホログラム素子からなり、前記第１ホログラム素子は
   凹レンズ機能を有しホログラムの中心に向かうほど焦点
   距離が大きく、前記第２ホログラム素子は凸レンズ機能
   を有しホログラムの中心に向かうほど焦点距離が小さい
   ことを特徴とするビーム変換素子。
2. 【請求項２】 前記第１ホログラム素子と前記第２ホロ
   グラム素子は、斜入射系となるように配置されているこ
   とを特徴とする請求項１記載のビーム変換素子。
3. 【請求項３】 前記第１ホログラム素子と前記第２ホロ
   グラム素子のホログラムパターンは、それぞれアレイ状
   に形成されていることを特徴とする請求項１または２記
   載のビーム変換素子。
4. 【請求項４】 請求項２記載のビーム変換素子が複数個
   アレイ状に配列されていることを特徴とするビーム変換
   素子。
5. 【請求項５】 レーザ光源と、コリメートレンズと、請
   求項１乃至４いずれか記載のビーム変換素子と、レンズ
   アレイからなることを特徴とする照明光学系。
6. 【請求項６】 前記コリメートレンズは、コリメート機
   能を有するホログラム素子からなることを特徴とする請
   求項５記載の照明光学系。
7. 【請求項７】 前記レンズアレイは、レンズアレイ機能
   を有するホログラム素子からなることを特徴とする請求
   項５または６記載の照明光学系。
8. 【請求項８】 レーザアレイ光源と、ビーム変換素子部
   と、ホモジナイザからなる照明光学系において、前期レ
   ーザアレイ光源は発光部がライン状に配列され、前記ビ
   ーム変換素子部は前記レーザアレイ光源のアレイ厚さ方
   向のみにレンズ機能を有し、第１ホログラム素子と第２
   ホログラム素子で形成され、前記第１ホログラム素子は
   凹レンズ機能を有しホログラムの中心に向かうほど焦点
   距離が大きく、前記第２ホログラム素子は凸レンズ機能
   を有しホログラムの中心に向かうほど焦点距離が小さい
   ことを特徴とする照明光学系。
9. 【請求項９】 請求項５乃至８いずれか記載の照明光学
   系と、ライトバルブと、投射レンズからなることを特徴
   とする投射装置。
10. 【請求項１０】 ホログラム素子からなるビーム変換素
    子であって、前記ホログラム素子の入射面または入射光
    軸と回折光軸を含む面での格子ピッチＰは、前記ホログ
    ラム素子に入射される入射ビームの中心からの距離をｘ
    とすると Ｐ＝Ａ＋Ｂｘ＋Ｃｓｉｎ（Ｄｘ） ただし、Ａ，Ｃ，Ｄは０以外の定数、Ｂは０を含む定数 で表される変調ピッチであることを特徴とするビーム変
    換素子。
11. 【請求項１１】 第１のホログラム素子と第２のホログ
    ラム素子で構成されるビーム変換素子であって、前記第
    １のホログラム素子の格子ピッチＰは請求項１０に記載
    された変調ピッチＰが形成され、前記第２のホログラム
    素子の格子ピッチは前記第２のホログラム素子からの回
    折角が一定になるように格子ピッチが設定されることを
    特徴とするビーム変換素子。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載のビーム変換素子にお
    いて、前記第２のホログラム素子の回折光の光軸が前記
    第１のホログラム素子への入射光軸と平行であることを
    特徴とするビーム変換素子。
13. 【請求項１３】 請求項１０記載のビーム変換素子にお
    いて、前記入射ビームの直径もしくは幅をＷとし、前記
    入射ビームの前記ホログラム素子への入射角をθ、前記
    ホログラム素子の平均的な回折角をψとすると、前記ホ
    ログラム素子から被照射部までの入射光軸に沿った距離
    Ｌは、 Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） で表されることを特徴とするビーム変換素子。
14. 【請求項１４】 請求項１２記載のビーム変換素子にお
    いて、入射ビームの直径もしくは幅をＷとし、前記入射
    ビームの前記第１のホログラム素子への入射角をθ、前
    記ホログラム素子の平均的な回折角をψとすると、前記
    第１のホログラム素子から前記第２のホログラム素子の
    入射光軸に沿った距離Ｌ１と、前記第２のホログラム素
    子から前記被照射部までの入射光軸に沿った距離Ｌ２
    は、 Ｌ１≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） Ｌ２≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） で表されることを特徴とするビーム変換素子。
15. 【請求項１５】 請求項１０乃至請求項１４いずれか記
    載のビーム変換素子において、前記ホログラム素子の格
    子パターンがホログラム基板上に所定の繰り返し周期で
    形成されたことを特徴とするビーム変換素子。
16. 【請求項１６】 請求項１０乃至請求項１４いずれか記
    載のビーム変換素子において、前記ホログラム素子がア
    レイ状に配列されたことを特徴とするビーム変換素子。
17. 【請求項１７】 請求項１１または請求項１２記載のビ
    ーム変換素子において、前記第１及び第２のホログラム
    素子がアレイ状に配列されるか、またはホログラム基板
    に格子パターンがアレイ状に形成されており、隣接する
    出射ビームの間に遮蔽板が配置され、前記第２のホログ
    ラム素子から被照射部までの入射光軸に沿った距離Ｌ
    は、前記入射ビームの直径もしくは幅をＷとし、前記第
    １のホログラム素子の平均的な回折角をψとすると、 Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） で表されることを特徴とするビーム変換素子。
18. 【請求項１８】 少なくともレーザ光源と、請求項１０
    乃至請求項１７いずれか記載のビーム変換素子と、投影
    レンズからなることを特徴とする露光装置。
19. 【請求項１９】 少なくともレーザ光源と、請求項１０
    乃至請求項１７いずれか記載のビーム変換素子と、集光
    レンズからなることを特徴とするレーザ加工機。
20. 【請求項２０】 少なくともレーザ光源と、請求項１０
    乃至請求項１７いずれか記載のビーム変換素子と、空間
    変調ライトバルブと、投射レンズからなることを特徴と
    する投射装置。