JP2003090959A

JP2003090959A - レーザ照明光学系、該光学系を用いた露光装置、レーザ加工機、及び投射装置

Info

Publication number: JP2003090959A
Application number: JP2001281770A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Miyagaki; 一也宮垣; Kenji Kameyama; 健司亀山; Keishin Aisaka; 敬信逢坂; Ikuo Kato; 幾雄加藤; Yasuyuki Takiguchi; 康之滝口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2003-03-28
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: JP4859311B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束に
起因する干渉縞を減らし、被照射部への均一照明性能を
向上させる。【解決手段】ホログラム素子１２は、レーザアレイ光
源１１から発散される光束のうち、アレイ方向に直交す
る光成分の強度分布を変換させる。すなわち、ホログラ
ム素子１２の回折角を予め設計することにより、レーザ
光のガウシアンプロファイルを調整して被照射部１４で
照度分布が一定となるようにする。また、アレイ方向に
垂直な光束成分は、図示するようにフライアイレンズ系
１３によって被照射部１４で均一化する。ホログラム素
子１２とフライアイレンズ系１３とにより、被照射部１
４における均一照明を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ照明光学
系、該光学系を用いた露光装置、レーザ加工機、及び投
射装置に関し、より具体的には、レーザを光源として被
照射部における照度を均一化した照明光学系と、これを
用いたレーザ加工機、レーザ露光装置、レーザ投射装置
などの装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザを光源とした投射装置は、レーザ
の発振スペクトルが狭いために色純度の高い投射を行う
ことが期待される。その一方で、レーザは干渉性が高い
ため、光束を分割してから合成すると干渉縞が発生する
ことがある。例えば、一本のレーザビームを通常のフラ
イアイレンズ光学系で照度均一化すると、被照射部で干
渉縞が見られる。また、例えば特開平０８−０９４８３
９号公報記載のホログラム素子では、レーザビームの一
部分を被照射部で重ね合わせており、干渉を小さく抑え
る構成を開示しているが、上記公報の構成でも干渉縞が
無くなるわけではない。

【０００３】レーザアレイを光源とした場合、光共振機
の異なる光源から光が発振されるため、アレイ間の光の
干渉は無い。このため、干渉縞が被照射部で複数重なる
ことになる。レーザアレイ数が多いほど干渉縞は目立た
なくなるが、アレイ数やフライアイレンズ系の組み合わ
せによっては干渉縞を低減することが難しい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述のごとき
実情に鑑みてなされたもので、請求項１及び２の発明
は、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束の強度分
布に起因する干渉縞を減らし、被照射部への照明性能を
向上させることを目的とする。請求項３の発明は、レー
ザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束の強度分布に起因
する干渉縞を減らし、シリンドリカルレンズを使って被
照射部への照明性能をさらに向上させることを目的とす
る。

【０００５】請求項４の発明は、干渉縞を低減させるた
めの回折素子を具体的に特定することを目的とするもの
である。請求項５の発明は、レーザアレイ光源のアレイ
垂直方向の光束に起因する干渉縞を減らし、被照射部へ
の照明性能を向上させ、かつ、回折素子の作製を容易に
し、設置許容性を向上させることを目的とする。請求項
６の発明は、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束
に起因する干渉縞を減らし、被照射部への照明性能を向
上させ、かつ、回折素子の設置許容を向上させるコリメ
ートレンズ系の設置を容易にすることを目的とする。

【０００６】請求項７の発明は、レーザアレイ光源のア
レイ垂直方向の光束に起因する干渉縞を減らし、被照射
部への照明性能を向上させ、かつ、回折素子に入射する
隣接レーザビームが重ならないようにすることを目的と
する。請求項８の発明は、レーザアレイ光源のアレイ垂
直方向の光束の強度分布に起因する干渉縞を減らし、被
照射部への照明性能を向上させ、かつ、レーザ光源の出
力を飛躍的に向上させることを目的とする。

【０００７】請求項９の発明は、レーザアレイ光源のア
レイ垂直方向の光束の強度分布に起因する干渉縞を減ら
し、被照射部への照明性能を向上させ、かつ、高出力な
レーザ光源を使い被照射部の照度を飛躍的に向上させる
ことを目的とする。請求項１０及び１１の発明は、レー
ザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束の強度分布に起因
する干渉縞を減らし、被照射部への照明性能を向上さ
せ、かつ、フライアイレンズ系による照度均一性を確実
にすることを目的とする。

【０００８】請求項１２の発明は、レチクルなどへの照
明性能の良好な露光装置を提供することを目的とする。
請求項１３の発明は、干渉縞がなく照度均一性が高いレ
ーザ加工機を提供することを目的とする。請求項１４の
発明は、空間変調ライトバルブ上で干渉縞が発生せず照
明性能が良好な投射装置を提供することを目的とする。
請求項１５の発明は、空間変調ライトバルブ上で干渉縞
が発生せず照明性能が良好な投射装置で、低コスト化と
装置の小型化を図ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、レー
ザ発振部を複数並べたレーザアレイ光源と、格子溝のピ
ッチ方向の光束成分の強度を均一化する回折格子を有す
る回折素子と、レンズアレイ方向の光束成分の強度を均
一化するシリンドリカルレンズアレイとを有し、前記回
折素子は、前記レーザアレイ光源から出射されるレーザ
ビームアレイのアレイ方向と前記回折素子の格子溝のピ
ッチ方向とが垂直になるように配置され、前記シリンド
リカルレンズアレイは、前記レーザビームアレイのアレ
イ方向と前記レンズアレイ方向が平行になるように配置
されていることを特徴としたものである。

【００１０】請求項２の発明は、レーザアレイ光源と、
回折格子を形成した回折素子と、シリンドリカルレンズ
アレイによるフライアイレンズ系とを有するレーザ照明
光学系であって、前記レーザアレイ光源のアレイ方向と
垂直な光束成分の強度が前記回折素子によって均一化さ
れ、前記アレイ方向に平行な光束成分の強度が前記フラ
イアイレンズ系で均一化されるように構成されることを
特徴としたものである。

【００１１】請求項３の発明は、レーザアレイ光源と、
回折格子を形成した回折素子と、シリンドリカルレンズ
アレイ及びシリンドリカルレンズからなるフライアイレ
ンズ系とを有するレーザ照明光学系であって、前記レー
ザアレイ光源のアレイ方向と垂直な光束成分の強度が前
記回折素子によって均一化され、前記アレイ方向に平行
な光束成分の強度が前記フライアイレンズ系で均一化さ
れるように構成されることを特徴としたものである。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１ないし３のい
ずれか１の発明において、前記回折素子は、前記回折格
子としてホログラフィック格子を有するホログラフィッ
ク素子であることを特徴としたものである。

【００１３】請求項５の発明は、請求項１ないし４のい
ずれか１の発明において、前記レーザアレイ光源と前記
回折素子との間に各レーザ光をコリメートする手段を設
けたことを特徴としたものである。

【００１４】請求項６の発明は、請求項５の発明におい
て、前記レーザアレイ光源は、直線状にアレイ化された
光源またはシングルストライプのレーザアレイ光源であ
って、前記コリメートする手段は、シリンドリカルレン
ズアレイまたはレンチキュラーレンズとシリンドリカル
レンズとからなり、前記シリンドリカルレンズアレイの
アレイピッチは前記レーザアレイ光源のアレイピッチと
同等であり、前記シリンドリカルレンズは、前記レーザ
アレイ光源のアレイ方向に直交する方向にレンズパワー
を有することを特徴としたものである。

【００１５】請求項７の発明は、請求項１ないし６のい
ずれか１の発明において、前記レーザアレイ光源のアレ
イ方向におけるビームの広がり角を定義する半値全角を
θ、前記レーザアレイ光源のピッチをＰとするとき、前
記回折素子と前記レーザアレイ光源の発光部の間隔ｄ
は、ｄ≦Ｐ／２／ｔａｎ（θ）を満たすことを特徴とし
たものである。

【００１６】請求項８の発明は、請求項１ないし７のい
ずれか１の発明において、前記レーザアレイ光源は、ス
トライプ状のアレイ光源が複数の層状に積み重ねられた
２次元構造のレーザアレイ光源であり、前記回折素子
は、前記ストライプの方向と直交する方向にレーザプロ
ファイルを均一化させるように該ストライプの層数に合
わせてアレイ化されていることを特徴としたものであ
る。

【００１７】請求項９の発明は、請求項８の発明におい
て、前記回折素子の各回折格子からの回折光が、被照射
部全面に照射されるように構成されていることを特徴と
したものである。

【００１８】請求項１０の発明は、請求項１の発明にお
いて、前記シリンドリカルレンズアレイは、該シリンド
リカルレンズアレイの光束分割数が前記レーザアレイ光
源の有効アレイ数の約数以外の値をとることを特徴とし
たものである。

【００１９】請求項１１の発明は、請求項２ないし９の
いずれか１の発明において、前記フライアイレンズ系
は、該フライアイレンズ系の光束分割数が前記レーザア
レイ光源の有効アレイ数の約数以外の値をとることを特
徴としたものである。

【００２０】請求項１２の発明は、請求項１ないし１１
のいずれか１に記載のレーザ照明光学系と、投影レンズ
とを有することを特徴としたものである。

【００２１】請求項１３の発明は、請求項１ないし１１
のいずれか１に記載のレーザ照明光学系と、レンズとを
有することを特徴としたものである。

【００２２】請求項１４の発明は、発振波長の異なる３
つのレーザアレイ光源と、請求項１ないし１１のいずれ
か１に記載のレーザ照明光学系を３組と、色合成手段
と、空間変調ライトバルブと、投射レンズとを備えたこ
とを特徴としたものである。

【００２３】請求項１５の発明は、請求項１４の発明に
おいて、前記３組のレーザ照明光学系のフライアイレン
ズ系を共通化し、該フライアイレンズ系と３組の回折素
子との間に前記色合成手段を配置したことを特徴とした
ものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を添付され
た図面を参照して具体的に説明する。なお、実施例を説
明するための全図において、同様の機能を有する部分に
は同じ符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

【００２５】（実施例１：請求項１，２及び４に対応）
図１ないし図３は、本発明によるレーザ照明光学系の一
実施例を主に説明するための図で、光学系の側面概略構
成および光路を図１に、平面概略構成および光路を図２
に、斜視概略構成及び光路を図３に示すものである。レ
ーザ照明光学系は各図に示すようにレーザアレイ光源１
１と、ホログラム素子１２と、シリンドリカルレンズア
レイ１３ａ，１３ｂによるフライアイレンズ系１３とで
構成される。また図中、１４は被照射部を示す。

【００２６】レーザアレイ光源１１は、半導体レーザ等
のレーザ発振部がアレイ状に配列されたタイプのもの
や、ストライプ型のレーザが好適に用いることができ
る。またホログラム素子１２は、透過型振幅格子、透過
型位相格子または透過型ブレーズド格子により構成さ
れ、それぞれフォトレジストに干渉縞を焼き付けたり、
機械的にダイヤモンドカッターでガラス板等の基板表面
に溝を刻線する等して作製することができる。

【００２７】このホログラム素子１２は、レーザアレイ
光源１１から発散されるレーザビームによる光束のう
ち、一方向（格子溝のピッチ方向）のみの強度分布を格
子によって変換させる働きを有する。そして、このホロ
グラム素子１２は、図３に示すようにレーザアレイ光源
１１から出射されたレーザビームアレイｅのアレイ方向
ｙに沿って格子溝ｇの方向が配されるよう、すなわちレ
ーザビームアレイｅのアレイ方向ｙと、光束の強度が均
一化される方向である格子溝ｇのピッチ方向ｘが直交す
るように配置される。

【００２８】なお、図３に示すホログラム素子１２の格
子溝ｇは直線状のものであるが、本発明ではこのような
直線上の構成に限られることなく、基板上に円状または
楕円状等の格子溝を設けて入射光束の強度変換を行うよ
うにしてもよい。格子溝ｇのピッチ方向ｘの光束成分の
強度分布均一化のために、本実施例におけるホログラム
素子１２は、図２に示すように、ガウシアンプロファイ
ル（図では光線強度の強いところを破線を狭めて表現し
ている）を有するレーザ光の回折角を適宜調整し、被照
射部１４で照度分布が一定となるようにホログラム面内
の格子ピッチをチャーピング（回折格子ピッチを位置に
応じて増加ないしは減少すること）している。この作用
を図４を用いてより詳細に説明する。

【００２９】図４は、図２と同様の照明光学系の平面概
略構成および光路と、ホログラム素子上および被照射部
上の照度（光の強度）分布とを示す図である。図中、１
２Ｐはホログラム素子１２上の照度分布、１４Ｐは被照
射部１４上の照度分布である。また、図中の破線は光路
を示しており、レーザアレイ光源１１から照射されたレ
ーザビームのうちホログラム素子１２上に等間隔で入射
したものについての被照射部１４まで至る経路である。

【００３０】ホログラム素子上の照度分布１２Ｐは、ホ
ログラム素子１２における格子溝のピッチ方向（ｘ方
向）の照度（または光の強度）分布を示しており、０の
位置がレーザビームの中心光軸上を示している。また、
被照射部上の照度分布１４Ｐは、被照射部１４における
ｘ方向の照度（または光の強度）分布を示しており、０
の位置がレーザビームの中心光軸上を示している。ホロ
グラム素子１２に入射したビームの照度分布は、ホログ
ラム素子上の照度分布１２Ｐに示すように中心光軸上の
照度が一番大きく、中心光軸からそれるほど小さくなっ
ていくガウス分布（ガウシアンプロファイル）を有して
いる。

【００３１】しかし、被照射部１４ではこの照度分布を
できるだけ均一にしなければならない。そこで、被照射
部１４においては光軸付近では多くの光が照射されない
ように、また、光軸上から離れるに従い光が多く照射さ
れるように（すなわち照度分布が被照射部上の照度分布
１４Ｐに示すように均一化するように）、ホログラム素
子１２の格子ピッチを調整している。なお、図１ないし
図３において、ホログラム素子１２は入射光の中心光軸
に対して垂直に配置しているが、特にこの配置に制限さ
れず、格子溝のピッチの設計（チャーピング）しだいで
入射光軸に対して傾けて設置することも可能である。

【００３２】シリンドリカルレンズアレイ１３ａ、１３
ｂは、短冊状に球面や円筒状レンズを配置してなるもの
で、第１のシリンドリカルレンズアレイ１３ａは、入射
光束をアレイ数の光束に分割し、かつ、第２のシリンド
リカルレンズアレイ１３ｂの各レンズに集光させる働き
をする。第２のシリンドリカルレンズアレイ１３ｂは第
１のシリンドリカルレンズアレイで集光しきれなかった
光束を屈折させ、できるだけ被照射部１４上に光束を集
める働きをする。なお、第１のシリンドリカルレンズア
レイ１３ａに入射される光束が平行光である場合等第２
のシリンドリカルレンズアレイ１３ｂがなくても被照射
部１４上に光束が十分集まる場合には、第２のシリンド
リカルレンズアレイ１３ｂは必要なくなる。

【００３３】そして、この両シリンドリカルレンズアレ
イ１３ａ、１３ｂの組み合わせによりフライアイレンズ
系１３が構成され、レンズアレイ方向の光強度を均一化
することができ、照度ムラを減少させることができる。
そこで、ホログラム素子１２で強度変換する面と垂直な
光束が被照射部で均一化されるようにシリンドリカルレ
ンズアレイ１３ａ、１３ｂを設置すれば、被照射部１４
の面上で照度分布を均一化することができる。このため
には、図１及び図３に示すように、レーザアレイ光源１
１から出射されたレーザビームアレイｅのアレイ方向と
シリンドリカルレンズアレイ１３ａ、１３ｂ（またはフ
ライアイレンズ系１３）のアレイ方向を平行にすればよ
い。

【００３４】レーザアレイ光源１１はレーザビームアレ
イｅどうしの光の干渉性はない。これは光共振が別々で
あるため、光の位相が揃わないためである。従って、各
アレイ光を被照射部で重ね合わされても干渉縞は発生し
ない。ところが図１の紙面内の光束をフライアイレンズ
で一度分割し、被照射部で重ね合わせると干渉縞が必ず
発生する。この干渉縞は各アレイ光ごとに被照射部で干
渉縞をつくるため、光源のアレイ数が多くなるほど干渉
縞が重なり合い、目立たなくなるが、完全に消えること
はない。本発明ではホログラム素子１２によって光束を
分割することなく被照射部で均一な照度にするため干渉
縞が発生しない。

【００３５】被照射部１４は、均一化された光束が照射
される部分であり、投射装置では空間光変調素子（所謂
ライトバルブ）が、露光装置ではマスク（レチクル）が
この被照射部１４に該当する。

【００３６】次に本実施例におけるレーザ照明光学系の
構成において、レーザアレイ光源１１から出射されたレ
ーザビームが被照射部１４に至るまでの光路について主
に図１ないし図３を用いて説明する。レーザアレイ光源
１１から出射されたレーザビームアレイｅは、図３に示
すように一定の広がり角をもって、ホログラム素子１２
に入射する。ホログラム素子１２に入射した光束の内、
レーザビームアレイｅのアレイ方向ｙと垂直な光束成分
は、図２または図４に示すように、また上述したように
被照射部１４で照度が均一化するように強度変換が行わ
れた後、出射される。

【００３７】図５は、ホログラム素子からの出射光をコ
リメート化するためのホログラム素子の構成例を説明す
るための図で、ホログラム素子に形成した回折格子を模
式的に示す図である。ホログラム素子１２の概略斜視図
を図５（Ａ）に、図５（Ａ）をＢ方向からみた概略図を
図５（Ｂ）に、図５（Ａ）をＣ方向からみた概略図を図
５（Ｃ）に示す。

【００３８】レーザビームアレイｅのアレイ方向ｙと平
行な光束成分の光路は通常であればホログラム素子１２
では影響を受けない。しかしながら、本実施例では、図
１に示すようにホログラム素子１２により光束はコリメ
ート化されている。これは、図５（Ｂ）に示すごとくの
レーザアレイ方向に直交する方向の強度分布を均一化す
る格子溝ｇの他に、図５（Ｃ）に示すように、ホログラ
ム素子１２の一方の面に各レーザビームに対応してビー
ムアレイｅとは垂直方向に、変調ピッチの格子溝ｇ′を
設けるようにしたり、図示はしないが、コリメート用の
円状、楕円状等の回折格子をホログラム素子１２上に設
けるようにすれば実現できる。なお、本実施例のように
レーザビームアレイｅのアレイ方向と平行な光束成分を
コリメート化しなくても本発明の目的を達成できるのは
言うまでもない。

【００３９】ホログラム素子１２を通過した光束は、次
にシリンドリカルレンズアレイ１３ａ、１３ｂにより構
成されるフライアイレンズ系１３に入射する。この光束
のうち、レーザビームアレイｅのアレイ方向と垂直な光
束成分に対しては、シリンドリカルレンズアレイ１３
ａ、１３ｂは透明な平行平板と等価な関係となる。すな
わち、平行平板の一般的な性質の通り、光束がシリンド
リカルレンズアレイ１３ａ、１３ｂへ垂直に入射する場
合にはそのまま透過する。また、光束が一定の角度をも
って入射する場合にはその角度に応じて所定量光路がシ
フトする。

【００４０】ただし、図２または図４に示すように、シ
リンドリカルレンズアレイ１３ａ、１３ｂには全ての光
束はほぼ垂直とみなせる程度に入射しているので、光路
のシフト量もごく微小で無視できる程度である。一方、
レーザビームアレイｅのアレイ方向ｙと平行な光束成分
は、図１に示すように及び上述した通り、第１のシリン
ドリカルレンズアレイ１３ａにより第２のシリンドリカ
ルレンズアレイ１３ｂ上に集光するように分割され、さ
らに第２のシリンドリカルレンズアレイ１３ｂで被照射
部１４に光束ができるだけ集まるように光路が修正され
る。

【００４１】なお、本実施例では、第１のシリンドリカ
ルレンズアレイ１３ａに入射する光束が平行光となって
いるので、上述したように第２のシリンドリカルレンズ
アレイ１３ｂは省略することも可能である。なお、図１
ないし図３の構成では、レーザアレイ光源１１の次段に
ホログラム素子１２を設け、その次段にシリンドリカル
レンズ１３ａ、１３ｂを設けているが、本発明の目的を
達成するためにはこの順番に限られることなく、レーザ
アレイ光源１１の次段にシリンドリカルレンズ１３ａ、
１３ｂを設け、その次段にホログラム素子１２を設ける
構成でもよい。本実施例の様に、レーザアレイのアレイ
方向に垂直な光束を変調ピッチのホログラム素子１２で
強度変換することによって被照射部１４で干渉縞のない
良好な照明をすることができる。

【００４２】（実施例２：請求項３に対応）図６及び図
７は、本発明によるレーザ照明光学系の他の実施例を説
明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を図６
に、平面概略構成と光路を図７に示すものである。本実
施例の光学系は、レーザアレイ光源１１と、ホログラム
素子１２と、シリンドリカルレンズアレイ１３ａ，１３
ｂ及びシリンドリカルレンズ１３ｃからなるフライアイ
レンズ系１３で構成される。

【００４３】本実施例の照明光学系は、上述した実施例
１の構成に加えて、フライアイレンズ系としてシリンド
リカルレンズ１３ｃがシリンドリカルレンズアレイ１３
ａ，１３ｂの出射側光路上に配された構成となってい
る。シリンドリカルレンズ１３ｃは、所定の位置に配さ
れている被照射部１４をより均一照明するために設けら
れているもので、シリンドリカルレンズアレイ１３ｂか
らの出射光を被照射部１４に集光することにより、光の
利用効率を高くすることができ、かつ照度ムラをなくし
て均一性を向上させることができるようにしたものであ
る。

【００４４】すなわち、上記実施例１では、シリンドリ
カルレンズ１３ａ、１３ｂによってレンズアレイ方向の
光強度が均一化されているが、図１に示すような形態で
被照射部１４が配されている場合、被照射部１４を照明
しないアレイ光が生じるとともに、被照射部１４におけ
るアレイ光の重なり方によっては、照度ムラが生じる可
能性がある。本実施例においては、シリンドリカルレン
ズ１３ｃによって、シリンドリカルレンズアレイ１３
ａ、１３ｂのレンズアレイ方向（レーザアレイ方向）の
光束を被照射部１４に集光するように設定することによ
り、被照射部１４における均一照明を実現できる。

【００４５】本実施例は、上述したようにシリンドリカ
ルレンズ１３ｃを除いて上記実施例１の構成と同様であ
って、実施例１と重複する各要素の特性及び作用は同様
であって、また各要素によって作用を受けた光路につい
ては同様の振る舞いを示す。また実施例１において説明
したごとくの各要素を応用した他の構成例についても、
同様に本実施例に適用することが可能である。以下に本
実施例の基本的な動作について実施例１と重複する部分
も含めて説明するが、実施例１と重複する部分について
実施例１に記載したごとくの詳述は省略する。

【００４６】実施例１と同様に、レーザアレイ光源１１
には、レーザ発振部がアレイ状に配列されたタイプのも
のやストライプ型のレーザを好適に用いることができ
る。またホログラム素子１２は、レーザビームとしてレ
ーザアレイ光源１１から発散される光束のうち、一方向
のみの強度分布を変換させる。図７に示すように、レー
ザ光のガウシアンプロファイル（図７では、光線強度の
強い部分は、光路の間隔を狭めて表現している）を調整
して被照射部で照度分布が一定となるようにするため
に、ホログラム素子１２のホログラム面内の格子ピッチ
をチャーピングして該ホログラム素子１２からの回折角
を適宜調整する。

【００４７】図６及び図７の構成では、ホログラム素子
１２は入射光軸に対して垂直に配置しているが、特にこ
の配置に制限されず、変調ピッチの設計次第で入射光軸
を変えることが可能である。また、シリンドリカルレン
ズアレイ１３ｂは必ずしも必要ではなく省略することも
可能である。

【００４８】本実施例においては、ホログラム素子１２
で強度変換する面と垂直な光束は、フライアイレンズ系
１３によって均一化され被照射部１４を均一に照射す
る。図６に示すように、レーザアレイ光源１１のアレイ
方向とフライアイレンズ系１３のアレイ方向を揃えれば
良い。上述したように、シリンドリカルレンズアレイ１
３ａ，１３ｂの後のシリンドリカルレンズ１３ｃは、シ
リンドリカルレンズアレイ１３ｂの各アレイからの光を
被照射部上で重ね合わせるためのはたらきを持つ。本実
施例によれば、上記実施例１に比べると、被照射部１４
の周辺部の照度均一性を向上させることができる。すな
わち、シリンドリカルレンズ１３ｃによって、シリンド
リカルレンズアレイ１３ｂからの出射光を被照射部１４
に集光することにより、光の利用効率を高くすることが
でき、かつ照度ムラをなくして均一性を向上させること
ができる。

【００４９】本実施例においては、レーザアレイ光源１
１のアレイ方向に垂直な光束を、変調ピッチのホログラ
ム素子で強度変換することによって被照射部１４で干渉
縞のない良好な照明をすることができるようになる。ま
たフライアイレンズ系にシリンドリカルレンズを用いた
ため被照射部の照明性能を良好にすることができる。

【００５０】（実施例３：請求項５に対応）図８及び図
９は、本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例
を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を
図８に、平面概略構成と光路を図９に示すものである。
本実施例の光学系は、レーザアレイ光源１１と、コリメ
ートレンズアレイ２１と、ホログラム素子２２とにより
構成されるもので、上記実施例２の構成に加えてコリメ
ートレンズアレイ２１をレーザアレイ光源１１とホログ
ラム素子２２との間の光路上に設けたものである。な
お、図８に示すホログラム素子２２は、実施例１及び２
のホログラム素子１２と同様にレーザアレイ光源１１か
ら発散されるレーザビームによる光束のうち一方向（格
子溝のピッチ方向）のみの強度分布を格子によって変換
させる働きを有するが、実施例１及び２のホログラム素
子１２に対して平行光が入射するように回折角が設定さ
れるため、ここでは別の符号（２２）が付してある。

【００５１】コリメートレンズアレイ２１によってレー
ザアレイ光源１１から出射したレーザビームアレイは平
行光束化され、ホログラム素子２２に入射する。本実施
例のように平行光束をホログラム素子２２に入射させる
ため、ホログラムの設置許容性が高くなる。すなわち、
ホログラムの回折角の設計に際して入射光として平行光
を想定すればよいので、本実施例で使用するホログラム
素子２２の作製は容易である。

【００５２】本実施例は、上述したようにコリメートレ
ンズアレイ２１を除いて上記実施例２の構成と同様であ
って、実施例２と重複する各要素の特性及び作用は同様
であって、また各要素によって作用を受けた光路につい
ては同様の振る舞いを示す。また上述の実施例において
説明したごとくの各要素を応用した他の構成例について
も、同様に本実施例に適用することが可能である。以下
に本実施例の基本的な動作について説明するが、上述の
実施例と重複する部分について繰り返しの詳述は省略す
る。

【００５３】レーザアレイ光源１１としては、レーザ発
振部がアレイ状に配列されたストライプ型のレーザやス
トライプ型レーザが複数個層状に並んでいる光源を好適
に用いることができる。またコリメートレンズアレイ２
１は、レーザアレイ光源１１のアレイピッチと同じピッ
チでレンズがアレイ化されており、レーザアレイ光源１
１の各々の発光部から発散されるレーザ光を、各々対応
するレンズでコリメートする。

【００５４】ホログラム素子１２は光源のアレイ方向
（図８の紙面内）には回折させる機能は無く、アレイに
垂直方向の光束に対しては図９に示すように光束の強度
分布を変換させる。図９において、ホログラム素子２２
に入射するビームにおけるアレイに垂直な方向成分は、
その中心強度にピークを持つガウシアン分布を有してい
る。ホログラム素子２２の格子ピッチは、該ホログラム
素子２２から回折された光がビームの中心からの距離に
応じて所定の回折角となるように設計される。図９では
強度の強い光線部分を光線の幅を狭くして図示してい
る。

【００５５】一方、レーザアレイ光源１１からのアレイ
方向の光束成分については、上記実施例２に示すごとく
のフライアイレンズ系１３によって、フライアイの分割
数に応じてレーザアレイコリメート光を分割し、被照射
部１４で重ね合わせている。

【００５６】本実施例の構成によれば、レーザアレイ光
源１１からの出射光束をコリメートレンズアレイ２１で
平行光束化させてからホログラム素子１２に入射させる
ため、ホログラムの設置許容性を広くすることができ
る。

【００５７】（実施例４：請求項６に対応）図１０及び
図１１は、本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実
施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光
路を図１０に、平面概略構成と光路を図１１に示すもの
である。本実施例のレーザ照明光学系は、発光部が直線
状にアレイ化されたレーザアレイ光源（またはシングル
ストライプレーザ）１１と、シリンドリカルレンズアレ
イ（またはレンチキュラーレンズ）３１と、シリンドリ
カルレンズ３２と、ホログラム素子２２と、シリンドリ
カルレンズアレイ１３ａ，１３ｂ及びシリンドリカルレ
ンズ１３ｃからなるフライアイレンズ系１３とにより構
成されたもので、上記実施例２の構成に加えてシリンド
リカルレンズアレイ（またはレンチキュラーレンズ）３
１とシリンドリカルレンズ３２とをレーザアレイ光源２
１とホログラム素子１２との間の光路上に設けたもので
ある。

【００５８】本実施例におけるシリンドリカルレンズア
レイ３１とシリンドリカルレンズ３２は、レーザアレイ
光をコリメートするためのレンズ系である。シングルス
トライプ型のレーザアレイを光源とするため、隣接レー
ザ光が重なる前にシリンドリカルレンズアレイ３１で各
光束のアレイ方向成分を平行光束化し、その後シリンド
リカルレンズ３２でアレイ厚さ方向（アレイ方向の直交
方向）の光束成分を平行化させる。

【００５９】ホログラム素子１２に入射させるレーザア
レイビームを平行光束化することにより上記実施例３と
同様の効果を得ることができるが、本実施例では、コリ
メートレンズ系を２つの光学部品（シリンドリカルレン
ズアレイ３１，シリンドリカルレンズ３２）で機能さ
せ、かつ、これらのレンズがシリンドリカルレンズであ
るため、母線方向への設置許容を大きくすることができ
る。さらに、光束の２方向成分をそれぞれ個別のレンズ
で平行光束させるため、コリメートアレイ光束全体の縦
方向、横方向の長さの比をシリンドリカルレンズ３２の
焦点距離によって変えることができ、設計の許容性を広
げることができる。

【００６０】また本実施例では、上記実施例３と同様に
平行光束をホログラム素子１２に入射させるため、ホロ
グラムの設置許容性が高くなる。すなわち、ホログラム
の回折角の設計に際して入射光として平行光を想定すれ
ばよいので、本実施例で使用するホログラム素子１２の
作製は容易である。

【００６１】本実施例の構成は、上述したようにシリン
ドリカルレンズアレイ３１，シリンドリカルレンズ３２
によるコリメートレンズ系を除いて上記実施例２の構成
と同じであり、実施例２と重複する各要素の特性及び作
用は同様であって、また各要素によって作用を受けた光
路については同様の振る舞いを示す。また上述の実施例
において説明したごとくの各要素を応用した他の構成例
についても、同様に本実施例に適用することが可能であ
り、上述の実施例と重複する部分について繰り返しの詳
述は省略する。

【００６２】（実施例５：請求項７に対応）図１２は、
レーザ光の遠視野像（ファーフィールドパターン）で、
レーザの広がりに対する光強度分布の例を示す図であ
る。一般的に、レーザビームの広がり角は図１２に示す
ように半値全角θで表される。図６のホログラム素子１
２の面で隣接レーザ間の光束を重ならないようにするに
は、レーザ光の広がり角の２倍の光束が重ならなければ
光の利用効率が高い。仮にレーザアレイ方向に平行な面
内でのレーザの広がり角θ＝１０°のとき、図１３のよ
うに半角でθ＝１０°（すなわち全角で２θ＝２０°）
の光束が隣接ビームと重ならなければピーク強度の約６
％の光までを利用できる。

【００６３】図１３において、レーザアレイ光源１１の
アレイピッチをＰとすれば、レーザ発光部からホログラ
ム素子１２の間隔ｄが、ｄ≦Ｐ／２／ｔａｎ（θ） …（式１）を満たすように配置することによって隣接レーザ光が重
ならない。仮に、ホログラム素子１２で隣接レーザ光が
重なると、２方向からの入射光は同一の方向に回折でき
ないため、光を損失させてしまう。すなわち上記（式
１）を満たす構成によって光利用効率は高くなる。

【００６４】（実施例６：請求項８に対応する実施例）
図１４は、本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実
施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光
路を示すものである。照明光学系は、レーザアレイ光源
４１ａ，４１ｂと、ホログラム素子４２と、シリンドリ
カルレンズアレイ１３ａ，１３ｂ及びシリンドリカルレ
ンズ１３ｃからなるフライアイレンズ系１３とにより構
成される。上述の実施例と同様にシリンドリカルレンズ
アレイ１３ｂは省略することも可能である。

【００６５】本実施例の構成は、レーザアレイ光源のユ
ニットを複数備えてこれらが多段に配されたもので、図
１４の例は、二つのレーザアレイ光源４１ａ，４１ｂを
用いて構成されたものである。本実施例は、レーザアレ
イ光源を多段で構成することによって、光源の全パワー
をさらに高出力にすることができ、結果的に、被照射部
１４の放射束を大きくすることができるため被照射部１
４の照度を飛躍的に向上させることができるようにした
ものである。

【００６６】レーザアレイ光源４１ａ，４１ｂは、それ
ぞれの発光部が直線状にアレイ化されたもので、このア
レイ光源が多段に構成されている。上述のように図１４
は、２段のレーザアレイ光源を示しているが、多段構成
の数はいくつであっても良い。またホログラム素子４２
は、上記実施例１のホログラム素子１２をアレイ状に構
成したものである。

【００６７】本実施例の構成は、上記の実施例２と同様
の光学系を多段に構成したものとして理解される。従っ
て、一つのレーザ光源アレイ（４１ａまたは４１ｂ）か
ら被照射部１４の一部（図１１では被照射部１４のいず
れか半分の領域）までの、各要素における作用と光路、
及び他の応用構成例については実施例２と同様であり、
ここではその繰り返しの説明は省略する。本実施例によ
れば、レーザアレイ光源を多段で構成することによっ
て、上述のごとくに光源の全パワーの高出力化による被
照射部の照度向上を実現することができる。

【００６８】（実施例７：請求項９に対応）図１５は、
本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明
するための図で、光学系の側面概略構成と光路を示すも
のである。レーザ照明光学系は、レーザアレイ光源４１
ａ，４１ｂと、ホログラム素子４３と、シリンドリカル
レンズアレイ１３ａ，１３ｂ及びシリンドリカルレンズ
１３ｃからなるフライアイレンズ系１３とにより構成さ
れる。上述の実施例と同様にシリンドリカルレンズアレ
イ１３ｂは省略することも可能である。

【００６９】本実施例は、レーザアレイ光源を多段に配
置し、実施例２と同様の光学系を用いて被照射部１４を
均一照明するという点に関しては、上記実施例６と同様
であるが、各レーザアレイ光源４１ａ，４１ｂから出射
したレーザビームの中心を被照射部１４の中心に合わせ
るようにし、すなわち、各レーザアレイ光源４１ａ，４
１ｂからのレーザビームによる被照射部１４の照射領域
が重なるようにすることにより、被照射部１４を均一か
つ高い照度で照明することが可能となるようにしたもの
である。本実施例の各要素における作用及び光路は、ホ
ログラム素子４３によって回折光のビームを被照射部１
４の中心に向けて回折させるようにする点を除けば、上
述の実施例６と同様である。

【００７０】本実施例のレーザアレイ光源４１ａ，４１
ｂは、実施例６と同様にそれぞれの発光部が直線状にア
レイ化されており、このアレイ光源が多段に構成されて
いる。図１５は、２段のレーザアレイ光源を示している
が、多段構成の数はいくつであっても良い。

【００７１】ホログラム素子４３にはレーザアレイ光源
の段数に対応した変調ピッチ回折格子が設置されるが、
ホログラム素子４３からの回折光は、レーザビームにお
ける図１５の紙面に平行な面内の光束成分を均一化さ
せ、かつ、ビームの中心を被照射部１４の中心に合わせ
るはたらきを持つ。

【００７２】またフライアイレンズ系１３は、上記実施
例２と同様に図１５の紙面に垂直な面内の光束成分を被
照射部１４で均一照度に照明する。例えば、シリンドリ
カルレンズアレイ１３ａ，１３ｂとシリンドリカルレン
ズ１３ｃを用いることでフライアイレンズ系１３を機能
させることができる。本実施例の構成によって、レーザ
アレイ光源４１ａ，４１ｂのアレイ垂直方向の光束成分
に起因する干渉縞を減らし、被照射部１４への照明性能
を向上させることができ、レーザアレイ光源４１ａ，４
１ｂを層状にアレイ化してレーザパワーを高出力にする
ことができ、かつ、これらの出射光により被照射部１４
を均一かつ高い照度で照明することが可能となる。

【００７３】（実施例８：請求項９に対応）図１６は、
本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明
するための図で、光学系の側面概略構成と光路を示すも
のである。本実施例は、上記実施例７の光学系に対して
ホログラム素子４２の直後にシリンドリカルレンズ４４
を配置したもので、その他の要素の作用及び光路につい
ては、上記実施例７と同様であるので繰り返しの説明は
省略する。

【００７４】ホログラム素子４２は、図１４に示す実施
例６に用いたものと同じレーザアレイ光源４１ａ、４１
ｂの多段構成に対応したアレイ状のホログラム素子４２
である。シリンドリカルレンズ４４は、ホログラム素子
４２のアレイ部からの回折光を被照射部１４で重ね合わ
せるはたらきを有する。

【００７５】本実施例においても、上記実施例６及び７
と同様にレーザアレイ光源４１ａ，４１ｂのアレイ垂直
方向の光束成分に起因する干渉縞を減らし、被照射部１
４への照明性能を向上させることができ、レーザアレイ
光源４１ａ，４１ｂを層状にアレイ化してレーザパワー
を高出力にすることができ、かつ、これらの出射光によ
り被照射部１４を均一かつ高い照度で照明することが可
能となる。

【００７６】（実施例９：請求項１０及び１１に対応）
上述の各実施例において、レーザアレイ光のアレイ方向
に直交する光束成分はホログラム素子によって強度変化
させるが、アレイ方向の照度均一化はフライアイレンズ
系に担当させている。レーザアレイ数とフライアイの分
割数は、ある特定の関係を除外するように構成する必要
がある。

【００７７】もし、フライアイレンズ系の分割数がレー
ザアレイ光源の有効アレイ数（実際にレーザ発振させて
いるアレイ数）の約数に一致すると、被照射部のレーザ
アレイ方向にレーザアレイの強度分布の周期が完全に一
致して照度均一化できなくなる。このため、レーザの有
効アレイ数の約数にならない値となるように分割数を選
ぶ。

【００７８】図１７は、レーザの有効アレイ数を１０５
とした時のフライアイ分割数による被照射部のアレイ方
向での均一性を計算した結果を示す図である。１０５の
約数に一致した分割数以外であれば均一性は高くなる。
本実施例によれば、フライアイ分割数としてレーザ有効
アレイ数の約数以外の値を選ぶため照度均一性を確実に
することができる。

【００７９】図１８は、本発明で適用されるホログラム
素子の設計思想について説明するための図で、１２はホ
ログラム素子、１４は被照射部である。ホログラム素子
１２に入射するビームの照度プロファイルは、図１９に
示すようなガウシアンプロファイルを示す。すなわち、
ビーム中心の照度が高く、ビームの周辺部に向かうに従
って照度が低くなる特性を有する。ホログラム素子１２
は、このようなガウシアンプロファイルの入射ビーム
を、図２０に示すような均一な照度分布となるようにす
る。

【００８０】すなわち、ホログラム素子１２上の微小な
領域での強度、例えば図１９のＡが被照射部１４で図２
０の強度Ｂとなり、Ａ＝Ｂとなるようにその部分の回折
角θ２が決定される。すなわち、入射角θ１と波長から
以下の回折の式、ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ２＝λ／Ｐによ
ってホログラムのピッチＰが決まる。ここでλは波長を
表す。これを入射ビームの全領域にわたって計算すると
ホログラム素子１２の変調ピッチが設計できる。なお、
図８に用いるホログラム素子２２はθ１＝０とすること
で変調ピッチを設計することができる。

【００８１】（実施例１０：請求項１２に対応）図２１
は、本発明による露光装置の一実施例について説明する
ための概略図で、図中、１００はレーザアレイ光源、１
０１はレーザ照明光学系、１０２はレチクル（マス
ク）、１０３は投影レンズ、１０４は基板ステージであ
る。照明光学系は、本発明に係わるレーザ照明光学系で
あって、例えば上記請求項１ないし１０に対応する実施
例で説明した照明光学系が適用される。レーザアレイ光
源１００からのアレイ光はレーザ照明光学系１０１によ
ってレチクル１０２上で均一放射照度となる。

【００８２】レチクル１０２は半導体デバイスの制作工
程でウェハー上に回路パターンを露光するために使用さ
れるフォトマスクのことで、レチクル１０２のパターン
は投影レンズによって基板ステージ上に置かれたウェハ
ーなどに露光される。基板ステージ１０４でウェハーの
所望の位置を露光する。

【００８３】本実施例では、請求項１ないし１１記載の
本発明に係わるレーザ照明光学系を用いてレーザアレイ
光源のアレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム
素子でビームプロファイルを変換させるため、レチクル
１０２の面上で干渉縞が発生しない。このため、照明性
能がよく高性能な露光を行うことができる。

【００８４】（実施例１１：請求項１３に対応）図２２
は、本発明によるレーザ加工機の一実施例について説明
するための概略図で、図中、１０５はレンズ、１０６は
ワークである。本発明のレーザ加工機は、レーザアレイ
光源１００からのレーザ光を請求項１から請求項１１ま
でに記載のいずれかのレーザ照明光学系１０１で均一ビ
ームに変換し、レンズ１０５でワーク１０６に縮小また
は拡大して照射する。集光スポットではワークの表面加
工や切断加工を行うことができる。また、レンズ１０５
を投影レンズに置きかえるか、もしくは被照射部を直接
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。本実施例では、請求項１ないし１１記載のレーザ照
明光学系を用いてレーザアレイ光源のアレイ垂直方向の
光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファイ
ルを変換させるため、ワーク上で干渉縞が発生しない。
このため、良好なレーザ加工やレーザアニールを行うこ
とができる。

【００８５】（実施例１２：請求項１４に対応）図２３
は、本発明による投写装置の一実施例を説明するための
概略図である。本発明の投射装置は、レーザアレイ光源
１００ｒ，１００ｇ，１００ｂと、請求項１ないし請求
項１１までのいずれかに記載のレーザ照明光学系１０１
ｒ，１０１ｇ，１０１ｂと、色合成手段１１３と、ライ
トバルブ１１４と、投射レンズ１１５とを有している。
また図中、１１６はフィールドレンズで、ライトバルブ
からの画像光を効率良く投射レンズ１１５の瞳に入れる
ために用いるが、必ずしも必須の構成ではない。色合成
手段１１３としてはダイクロイックプリズムやダイクロ
イックミラーを用いることができる。

【００８６】本実施例においては、レーザ照明光学系
は、ホログラム素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂとフ
ライアイレンズ系１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂからな
る。前述の通り、本発明に係わるレーザ照明光学系を使
うことにより、被照射部であるライトバルブ１１４面で
干渉縞が発生しない。ライトバルブ１１４で空間変調さ
れた画像を投射レンズ１１５でスクリーン（図示せず）
に投影する。ライトバルブ１１４としては、例えば液晶
素子を用いることができる。また、図２３では透過型の
ライトバルブを図示しているが、反射型のライトバルブ
を用いて照明光と投射光を偏光ビームスプリッタで分岐
するように構成してもよい。

【００８７】本実施例は、単板のライトバルブを使って
いるが、３つのライトバルブを使うようにしてもよい。
図示しないが、３板式の場合には一つのレーザアレイ光
源とレーザ照明光学系の被照射部にライトバルブを配置
し、３つのライトバルブからの画像光を色合成手段（例
えばダイクロイックプリズム）で合成して投射レンズで
スクリーンに投影させる。

【００８８】上記実施例の投射装置によれば、レーザア
レイ光源であるため、個々のレーザパワーが小さくても
アレイ数を多くすると高出力にできる。またレーザ照明
光学系によってレーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光
束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファイル
を変換させるため、干渉縞の発生しない均一照明がで
き、明るくて表示品質の高い投射装置を提供することが
できる。

【００８９】（実施例１３：請求項１５に対応）図２４
は本発明による投写装置の他の実施例を説明するための
図である。本発明の投射装置は、レーザアレイ光源１０
０ｒ，１００ｇ，１００ｂと、請求項１から請求項１１
までに記載のいずれかのレーザ照明光学系（ホログラム
素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂ，フライアイレンズ
系１１２）、色合成手段１１３と、ライトバルブ１１４
と、投射レンズ１１５とを有している。また図中、１１
６はフィールドレンズで、ライトバルブ１１４からの画
像光を効率良く投射レンズ１１５の瞳に入れるために用
いるが、必ずしも必須の構成ではない。また色合成手段
１１３としてはダイクロイックプリズムやダイクロイッ
クミラーを用いることができる。

【００９０】本実施例では、レーザ照明光学系は、三つ
のホログラム素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂと一つ
のフライアイレンズ系１１２からなるが、フライアイレ
ンズ系１１２は、色合成手段１１３で３色のレーザ光を
合成した後に配置する。本実施例の構成によって、フラ
イアイレンズ系が１組で足りるため装置の部品点数を減
らすことができ、装置も小型にすることができる。

【００９１】本実施例によれば、レーザアレイ光源であ
るため、個々のレーザパワーが小さくてもアレイ数を多
くすると高出力にできる。またレーザ照明光学系によっ
てレーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束を変調ピッ
チのホログラム素子でビームプロファイルを変換させる
ため、干渉縞の発生しない均一照明ができ、これにより
明るくて表示品質の高く、小型のレーザ投射装置を提供
することができる。さらに、レーザ照明光学系の一部を
共有させるため、部品点数が少なく、小型の投射装置と
することができる。

【００９２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のレーザ照明光学系によれば、レーザアレイ光源のアレ
イ垂直方向の光束成分のビームプロファイルを、変調ピ
ッチのホログラム素子で変換させるため、被照射部で干
渉縞が発生しにくく、均一な照明を良好に行うことがで
きる光学系を提供することができる。

【００９３】また、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向
の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファ
イルを変換させることにより、レチクル面で干渉縞が発
生しにくく照明性能が良い露光装置を提供することがで
きる。

【００９４】また、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向
の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファ
イルを変換させることにより、ワーク上で干渉縞が発生
しにくく照明性能が良いレーザ加工機を提供することが
できる。

【００９５】また、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向
の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファ
イルを変換させることにより、ライトバルブ面で干渉縞
が発生しにくく照明性能が良い投射装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ照明光学系の一実施例を
説明するための図で、光学系の側面概略構成及び光路を
示す図である。

【図２】本発明によるレーザ照明光学系の一実施例を
説明するための図で、平面概略構成と光路を示す図であ
る。

【図３】本発明によるレーザ照明光学系の一実施例を
説明するための図で、平面概略構成と光路を示す図であ
る。

【図４】図４は、図２と同様の照明光学系の平面概略
構成および光路と、ホログラム素子上および被照射部上
の照度（光の強度）分布とを示す図である。

【図５】図５は、ホログラム素子からの出射光をコリ
メート化するためのホログラム素子の構成例を説明する
ための図である。

【図６】本発明によるレーザ照明光学系の他の実施例
を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を
示す図である。

【図７】本発明によるレーザ照明光学系の他の実施例
を説明するための図で、平面概略構成と光路を示す図で
ある。

【図８】本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実
施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光
路を示す図である。

【図９】本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実
施例を説明するための図で、平面概略構成と光路を示す
図である。

【図１０】本発明によるレーザ照明光学系の更に他の
実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と
光路を示す図である。

【図１１】本発明によるレーザ照明光学系の更に他の
実施例を説明するための図で、平面概略構成と光路を示
す図である。

【図１２】レーザ光の遠視野像（ファーフィールドパ
ターン）で、レーザの広がりに対する光強度分布を示す
図である。

【図１３】隣接ビームを効率的に利用するための光路
設計について説明するための図である。

【図１４】本発明によるレーザ照明光学系の更に他の
実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と
光路を示すものである。

【図１５】本発明によるレーザ照明光学系の更に他の
実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と
光路を示す図である。

【図１６】本発明によるレーザ照明光学系の更に他の
実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と
光路を示す図である。

【図１７】レーザの有効アレイ数を１０５とした時の
フライアイ分割数による被照射部のアレイ方向での均一
性を計算した結果を示す図である。

【図１８】本発明で適用されるホログラム素子の設計
思想について説明するための図である。

【図１９】レーザアレイ光源から出射する光速の強度
分布を示す図である。

【図２０】回折素子によって調整された光の強度分布
を示す図である。

【図２１】本発明による露光装置の一実施例について
説明するための概略図である。

【図２２】本発明によるレーザ加工機の一実施例につ
いて説明するための概略図である。

【図２３】本発明による投写装置の一実施例を説明す
るための概略図である。

【図２４】本発明による投写装置の他の実施例を説明
するための図である。

【符号の説明】

１１，４１ａ，４１ｂ，１００，１００ｒ，１００ｇ，
１００ｂ…レーザアレイ光源、１２…ホログラム素子、
１３，１１２ｂ，１１２ｇ，１１２ｒ…フライアイレン
ズ系、１３ａ，１３ｂ，３１…シリンドリカルレンズア
レイ、１３ｃ，３２，４４…シリンドリカルレンズ、１
４…被照射部、２１…コリメートレンズアレイ、２２，
４２，４３，１１１ｂ、１１１ｇ、１１１ｒ…ホログラ
ム素子、１０１，１０１ｒ，１０１ｇ，１０１ｂ…レー
ザ照明光学系、１０２…レチクル（マスク）、１０３…
投影レンズ、１０４…基板ステージ、１０５…レンズ、
１０６…ワーク、１１３…色合成手段、１１４…ライト
バルブ、１１５…投射レンズ、１１６…フィールドレン
ズ、ｌ…レーザビームアレイ、ｇ，ｇ′…格子溝。

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｇ０２Ｂ 27/00 Ｇ０２Ｂ 27/00 ＶＨ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２７ (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 AA02 AA12 AA34 AA50 AA60 AA61 AA64 CA01 CA05 CA09 CA15 CA22 2H052 BA01 BA02 BA09 BA12 BA14 4E068 AE00 AH00 CD02 CD05 CD13 5F046 CA03 CA05 CB01 CB13 CB22 CB23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振部を複数並べたレーザアレイ
光源と、格子溝のピッチ方向の光束成分の強度を均一化
する回折格子を有する回折素子と、レンズアレイ方向の
光束成分の強度を均一化するシリンドリカルレンズアレ
イとを有し、前記回折素子は、前記レーザアレイ光源か
ら出射されるレーザビームアレイのアレイ方向と前記回
折素子の格子溝のピッチ方向とが垂直になるように配置
され、前記シリンドリカルレンズアレイは、前記レーザ
ビームアレイのアレイ方向と前記レンズアレイ方向が平
行になるように配置されていることを特徴とするレーザ
照明光学系。
【請求項２】レーザアレイ光源と、回折格子を形成し
た回折素子と、シリンドリカルレンズアレイによるフラ
イアイレンズ系とを有するレーザ照明光学系であって、
前記レーザアレイ光源のアレイ方向と垂直な光束成分の
強度が前記回折素子によって均一化され、前記アレイ方
向に平行な光束成分の強度が前記フライアイレンズ系で
均一化されるように構成されることを特徴とするレーザ
照明光学系。
【請求項３】レーザアレイ光源と、回折格子を形成し
た回折素子と、シリンドリカルレンズアレイ及びシリン
ドリカルレンズからなるフライアイレンズ系とを有する
レーザ照明光学系であって、前記レーザアレイ光源のア
レイ方向と垂直な光束成分の強度が前記回折素子によっ
て均一化され、前記アレイ方向に平行な光束成分の強度
が前記フライアイレンズ系で均一化されるように構成さ
れることを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれか１に記載の
レーザ照明光学系において、前記回折素子は、前記回折
格子としてホログラフィック格子を有するホログラフィ
ック素子であることを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか１に記載の
レーザ照明光学系において、前記レーザアレイ光源と前
記回折素子との間に各レーザ光をコリメートする手段を
設けたことを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項６】請求項５に記載のレーザ照明光学系にお
いて、前記レーザアレイ光源は、直線状にアレイ化され
た光源またはシングルストライプのレーザアレイ光源で
あって、前記コリメートする手段は、シリンドリカルレ
ンズアレイまたはレンチキュラーレンズとシリンドリカ
ルレンズとからなり、前記シリンドリカルレンズアレイ
のアレイピッチは前記レーザアレイ光源のアレイピッチ
と同等であり、前記シリンドリカルレンズは、前記レー
ザアレイ光源のアレイ方向に直交する方向にレンズパワ
ーを有することを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれか１に記載の
レーザ照明光学系において、前記レーザアレイ光源のア
レイ方向におけるビームの広がり角を定義する半値全角
をθ、前記レーザアレイ光源のピッチをＰとするとき、
前記回折素子と前記レーザアレイ光源の発光部の間隔ｄ
は、ｄ≦Ｐ／２／ｔａｎ（θ）を満たすことを特徴とす
るレーザ照明光学系。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれか１に記載の
レーザ照明光学系において、前記レーザアレイ光源は、
ストライプ状のアレイ光源が複数の層状に積み重ねられ
た２次元構造のレーザアレイ光源であり、前記回折素子
は、前記ストライプの方向と直交する方向にレーザプロ
ファイルを均一化させるように該ストライプの層数に合
わせてアレイ化されていることを特徴とするレーザ照明
光学系。
【請求項９】請求項８に記載のレーザ照明光学系にお
いて、前記回折素子の各回折格子からの回折光が、被照
射部全面に照射されるように構成されていることを特徴
とするレーザ照明光学系。
【請求項１０】請求項１に記載のレーザ照明光学系に
おいて、前記シリンドリカルレンズアレイは、該シリン
ドリカルレンズアレイの光束分割数が前記レーザアレイ
光源の有効アレイ数の約数以外の値をとることを特徴と
するレーザ照明光学系。
【請求項１１】請求項２ないし９のいずれか１に記載
のレーザ照明光学系において、前記フライアイレンズ系
は、該フライアイレンズ系の光束分割数が前記レーザア
レイ光源の有効アレイ数の約数以外の値をとることを特
徴とするレーザ照明光学系。
【請求項１２】請求項１ないし１１のいずれか１に記
載のレーザ照明光学系と、投影レンズとを有することを
特徴とする露光装置。
【請求項１３】請求項１ないし１１のいずれか１に記
載のレーザ照明光学系と、レンズとを有することを特徴
とするレーザ加工機。
【請求項１４】発振波長の異なる３つのレーザアレイ
光源と、請求項１ないし１１のいずれか１に記載のレー
ザ照明光学系を３組と、色合成手段と、空間変調ライト
バルブと、投射レンズとを備えたことを特徴とする投射
装置。
【請求項１５】請求項１４に記載の投射装置におい
て、前記３組のレーザ照明光学系のフライアイレンズ系
を共通化し、該フライアイレンズ系と３組の回折素子と
の間に前記色合成手段を配置したことを特徴とする投射
装置。