JP2006156269A

JP2006156269A - 平行光源装置

Info

Publication number: JP2006156269A
Application number: JP2004348111A
Authority: JP
Inventors: Masaki Omori; 雅樹大森
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等に用いられる光源装置であって、光の利用効率が高く、面内強度分布の均一性が高く、平行度の高い平行光源装置。
【解決手段】稠密配置した正レンズ１のレンズアレイ１０と、その正レンズ１の焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバ２とからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ２各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている２つの光ファイバコリメータアレイ１１、１２（１３、１４）を含み、一方の光ファイバコリメータアレイ１１から射出される平行光と他方の光ファイバコリメータアレイ１２から射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光が偏光合成器１５（１６）により合成されるように構成されてなる平行光源装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、平行光源装置に関し、特に、高効率で、面内強度分布の均一性が高く、平行度の高い光ファイバを用いた平行光源装置に関するものである。

従来、例えば、半導体露光用のレーザ光源は、ピグテイルモジュールを束ねた高出力かつ大口径光ファイバ束出力構造であり、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を利用したマスクレス露光機用光源として使用されている。ＤＭＤにその光源からの光を導入する際、光束は平行光である程露光面への照射効率（トータルとしての利用効率）が高いが、理想的な平行光を作るには、光ファイバ束出力端のビームスポットを限りなくゼロに近づける必要がある。光ファイバ束出力構造タイプの光源は、高出力である一方、ビームスポットサイズが大きく（例えば、６００μｍ）、平行光として取り出すことが困難であるため、光の利用効率が低くなってしまうという課題がある。光学系でその利用効率を上げるのに制限があるため、ピグテイルモジュールに用いている半導体レーザ個々の高出力化に頼らざるを得ないのが現状である。

また、露光制御の際、面内強度分布の平均化が必要となる。例えば光ファイバ束モジュールの場合、照明領域の中心部分の出力が高く、中心から離れるに従って光強度が減少する傾向を持つ。強度の低い部分は露光に寄与することができないので、有効面積が制限される。また、有効範囲内においても、面内強度が低い箇所に合わせて露光制御をするため、強度の高い部分を低い部分に合わせる必要があり、出力が低くなってしまう問題がある。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等に用いられる光源装置であって、光の利用効率が高く、面内強度分布の均一性が高く、平行度の高い平行光源装置を提供することである。

上記目的を達成する本発明の平行光源装置は、稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている２つの光ファイバコリメータアレイを含み、一方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と他方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなることを特徴とするものである。

この場合、前記レンズアレイの前記正レンズが列状に並ぶ方向をＸ方向、それに直交する方向をＹ方向とするとき、前記偏光合成器により両平行光が合成された状態において、前記一方の光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＸ方向と前記他方の光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＸ方向とが一致し、前記一方の光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列と前記他方の光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列とは同じで、Ｘ方向の配列は相互にＸ方向配列ピッチの１／２ずれているように配置することが望ましい。

本発明のもう１つの平行光源装置は、稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている４つの光ファイバコリメータアレイを含み、その中の第１光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第２光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第４光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含むことを特徴とするものである。

この場合、前記レンズアレイの前記正レンズが列状に並ぶ方向をＸ方向、それに直交する方向をＹ方向とするとき、前記無偏光合成器により４つの平行光が合成された状態において、前記第１光ファイバコリメータアレイから前記第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＸ方向が全て一致し、前記第１偏光合成器により両平行光が合成された状態において、前記第１光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列と前記第２光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列とは同じで、Ｘ方向の配列は相互にＸ方向配列ピッチの１／２ずれており、前記第２偏光合成器により両平行光が合成された状態において、前記第３光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列と前記第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列とは同じで、Ｘ方向の配列は相互にＸ方向配列ピッチの１／２ずれており、さらに、前記無偏光合成器で前記第１合成平行光と前記第２合成平行光で両平行光が合成された状態において、前記第１光ファイバコリメータアレイ及び前記第２光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列と、前記第３光ファイバコリメータアレイ及び前記第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列とは、相互にＹ方向配列ピッチの１／２ずれていることが望ましい。

そして、前記無偏光合成器で前記第１合成平行光と前記第２合成平行光で両平行光が合成された状態において、前記第１光ファイバコリメータアレイのレンズアレイと前記第２光ファイバコリメータアレイのレンズアレイとの組み合わせに対する、前記第３光ファイバコリメータアレイのレンズアレイと前記第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイとの組み合わせのＸ方向への繰り返しピッチの位相ずれが、前記レンズアレイのＸ方向配列ピッチの１／６又は１／３となっているか、１／４となっているか、あるいは、１／８から３／８の範囲内にあることが望ましい。

また、以上において前記第１偏光合成器と前記第２偏光合成器とが同一偏光合成器からなるようにすることもできる。

本発明のもう１つ別の平行光源装置は、正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される２つの光コリメータを含み、一方の光コリメータから射出される平行光と他方の光コリメータから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成され、前記一方の光コリメータと前記他方の光コリメータが相互にずれていることを特徴とするものである。

本発明のさらにもう１つ別の平行光源装置は、正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される４つの光コリメータを含み、その中の第１光コリメータから出射される平行光と第２光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータから出射される平行光と第４光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含み、前記第１光コリメータと前記第２光コリメータが相互にずれており、前記第３光コリメータと前記第４光コリメータが相互にずれていることを特徴とするものである。

本発明のさらにもう１つ別の平行光源装置は、稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される２つの光コリメータアレイを含み、一方の光コリメータアレイから射出される平行光と他方の光コリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなることを特徴とするものである。

本発明のさらにもう１つ別の平行光源装置は、稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される４つの光コリメータアレイを含み、その中の第１光コリメータアレイから出射される平行光と第２光コリメータアレイから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータアレイから出射される平行光と第４光コリメータアレイから出射される平行先の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含むことを特徴とするものである。

本発明の平行光源装置によると、偏波保存型シングルモード光ファイバの射出端等から出た全ての光を無駄なく平行光として利用できるため、光の利用効率が極めて高い。そして、レンズアレイの各正レンズの焦点に配置される偏波保存型シングルモード光ファイバの射出端等は点光源と見なすことができるので、平行度の極めて高い平行光が得られる。さらに、少なくとも２つの平行光を合成して（重ねて）平均化しているので、面内強度分布の均一性が高い平行光が得られる。そのため、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光源装置に適したものが得られる。例えばＤＭＤを利用したマスクレス露光機用光源として使用すると、露光時間の短縮を図ることができる。

なお、本発明の平行光源装置は、面内位置で偏光方向が異なるので、光強度のみの均一性を要する平行光源装置に適している。

以下に、本発明の平行光源装置を実施例に基づいて説明する。

図１は、本発明の１実施例の平行光源装置の構成を示す断面図である。この平行光源装置は、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４と、第１光ファイバコリメータアレイ１１からの平行光と第２光ファイバコリメータアレイ１２からの平行光とを合成する第１偏光合成器１５と、第３光ファイバコリメータアレイ１３からの平行光と第４光ファイバコリメータアレイ１４からの平行光とを合成する第２偏光合成器１６と、第１偏光合成器１５で合成された第１合成平行光１９と第２偏光合成器１６で合成された第２合成平行光２０とを合成して第３合成平行光２１と第４合成平行光２２にする無偏光合成器１７と、無偏光合成器１７で合成された第４合成平行光２２を第３合成平行光２１と同じ方向に向ける反射プリズム１８とからなる。

ここで、まず、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４は同様の構成であるので、光ファイバコリメータアレイ１１を代表にあげてその構成を説明する。光ファイバコリメータアレイ１１は、図２に平面図を示すような同一特性の微小な正レンズ１を複数稠密にアレイ状に配置したレンズアレイ１０と、その正レンズ１の光軸上の焦点位置各々に射出端を配置したＰＡＮＤＡ型等の偏波保存型シングルモード光ファイバ２のアレイとからなり、レンズアレイ１０の個々の正レンズ１に対応して配置されている各偏波保存型シングルモード光ファイバ２の入射端には、図３に示すように、同一特性の半導体レーザ３からの両矢符方向に偏波面５を持つ発振光が偏波保存型シングルモード光ファイバ２の１つの偏波面保存方向に一致して入射結合するように、集光レンズ４を介して結合されている。

ここで、今後の説明のために、光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０の正レンズ１の形状と配置方向を説明しておく。図２に示すように、正レンズ１を稠密に配置しようとする場合、その外形は円でなく光軸を中心とする正六角形になる。正レンズ１が列状に並ぶ方向をＸ方向、それに直交する方向をＹ方向とするとき、Ｘ方向に一列に並ぶ正レンズ１の列とＹ方向に隣接する隣の正レンズ１の列とでは正レンズ１の繰り返しピッチが半分ずれていることになる。

図１に戻って、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４のレンズアレイ１０のＹ方向は何れも図１の面に垂直に向いており、したがって、各レンズアレイ１０のＸ方向は図１の面に平行となっており、何れのレンズアレイ１０においても、正レンズ１は図１の面に平行に列状に並んでいる。

そして、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４それぞれにおいては、レンズアレイ１０の個々の偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端から出る光の偏波方向が、各光ファイバコリメータアレイ中で同じになるように配置されており、図１に示すように、第１ファイバコリメータアレイ１１においてはｐ偏光に、第２ファイバコリメータアレイ１２においてはｓ偏光に、第３ファイバコリメータアレイ１３においてはｐ偏光に、第４ファイバコリメータアレイ１４においてはｓ偏光になるように配置されている。

このような構成であるので、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４各々においては、アレイ状に配置された偏波保存型シングルモード光ファイバ２各々の射出端からｐ偏光又はｓ偏光のシングルモードで強度がガウス分布の発散光が射出され、おのおのの発散光はレンズアレイ１０の対応する正レンズ１で平行光に変換される。レンズアレイ１０の隣接した何れの正レンズ１からも同一方向（光軸方向）の平行光が射出されるため、それぞれ、第１ファイバコリメータアレイ１１からは全体でｐ偏光の平行光が、第２ファイバコリメータアレイ１２からは全体でｓ偏光の平行光が、第３ファイバコリメータアレイ１３からは全体でｐ偏光の平行光が、第４ファイバコリメータアレイ１４からは全体でｓ偏光の平行光が射出される。

そして、第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光と、第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光とは、図示のように相互に直交する方向に進み、第３ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と、第４ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とは、図示のように同様に相互に直交する方向に進むように、相互に直交する方向に向き、かつ、第１光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０と、第４光ファイバコリメータアレイ１４のレンズアレイ１０が略同一面に、また、第２光ファイバコリメータアレイ１２のレンズアレイ１０と、第３光ファイバコリメータアレイ１３のレンズアレイ１０が略同一面に位置するように配置されている。

第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光と第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光とが直交する位置に第１偏光合成器１５が配置され、第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とが直交する位置に第２偏光合成器１６が配置されている。第１偏光合成器１５と第２偏光合成器１６は、偏光ビームスプリッタープリズムのように、それぞれの４５°配置の偏光合成面Ａ、Ｂでｐ偏光を略１００％透過し、ｓ偏光を略１００％反射する特性を持つものである。したがって、第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光は第１偏光合成器１５の偏光合成面Ａを透過し、第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光はその偏光合成面Ａで反射され、両平行光は第１偏光合成器１５の偏光合成面Ａで合成されて第１合成平行光１９となる。また、第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光は第２偏光合成器１６の偏光合成面Ｂを透過し、第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光はその偏光合成面Ｂで反射され、両平行光は第２偏光合成器１６の偏光合成面Ｂで合成されて第２合成平行光２０となる。

そして、第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とが直交する位置に無偏光合成器１７が配置されている。この無偏光合成器１７は、通常のビームスプリッタープリズム又はハーフミラーのように、その４５°配置の無偏光合成面Ｃで、第１合成平行光１９、第２合成平行光２０の偏光状態に依存せずに、それらの略５０％の強度を反射し、残りの略５０％の強度を透過するものであり、したがって、無偏光合成面Ｃで第１合成平行光１９の略半分の強度が反射され、第２合成平行光２０の略半分の強度が無偏光合成面Ｃを透過してそれらの平行光は合成されて第３合成平行光２１となる。また、無偏光合成面Ｃを第１合成平行光１９の略半分の強度が透過し、第２合成平行光２０の略半分の強度が無偏光合成面Ｃで反射されてそれらの平行光は合成され、反射プリズム１８の反射面Ｄで第３合成平行光２１と同じ方向に反射されて第４合成平行光２２となる。第３合成平行光２１と第４合成平行光２２は同じ強度で同じ方向に隙間なく隣接しているので、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２を合わせて、平行度の高い平行光として、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光として用いることができる。しかも、第１偏光合成器１５、第２偏光合成器１６、無偏光合成器１７を反射あるいは透過した光は、最終的に全て平行光成分として利用されているので、光の利用効率が極めて高いものとなっている。しかも、正レンズ１の焦点に配置される光源は、偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端であるため、実質的に点光源であるので、合成平行光１９、２０、２１、２２の平行度は極めて高いものである。

ところで、このようにして得られる第１合成平行光１９、第２合成平行光２０、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２の並列合成平行光は、平均的に見れば面内強度が均一であり、合成平行光１９、２０だけでも、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光として用いることができる。しかしながら、上記したように、偏波保存型シングルモード光ファイバ２各々の射出端から発散される光は強度分布がガウス分布となっているので、レンズアレイ１０の正レンズ１のＮＡ（開口数）と偏波保存型シングルモード光ファイバ２のＮＡを合わせて効率的に射出光を利用しようとすると、レンズアレイ１０から出る平行光は、各正レンズ１中心に強度のガウス分布のピークがあり、その周辺に向かうにつれて強度が弱まっていき、レンズアレイ１０全面では正レンズ１の配列に対応したガウス分布が周期的に繰り返してなる強度分布の平行光であるので、局所的には強度分布は必ずしも均一であるとは言えない。

そこで、第１偏光合成器１５（偏光合成面Ａ）で第１光ファイバコリメータアレイ１１からの平行光と第２光ファイバコリメータアレイ１２からの平行光を合成するときに、及び、第２偏光合成器１６（偏光合成面Ｂ）で第３光ファイバコリメータアレイ１３からの平行光と第４光ファイバコリメータアレイ１４からの平行光を合成するときに、直交する２方向の中の少なくとも１つの方向、例えばＸ方向に強度分布を平均化して略均一になるようにし、次に、無偏光合成器１７で第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とを合成するときに、直交する２方向の中の別の１つの方向、例えばＹ方向に強度分布を平均化して面内全体で略均一になるようにすることができる。そのための構成を以下に説明する。

図４は、第１偏光合成器１５、第２偏光合成器１６それぞれで合成された平行光に対するレンズアレイ１０相互の位置関係と合成光の強度分布を示す図である。以後、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４のレンズアレイ１０をそれぞれ１０₁〜１０₄とする。

図２のように正レンズ１が稠密にアレイ状に配置されている場合に、正レンズ１のＸ方向の配列ピッチを２Ｍとすると、Ｙ方向の配列ピッチは（３／２）Ｌとなり、ＭとＬの間には、Ｍ＝（√３／２）Ｌの関係がある。ここで、Ｌは正レンズ１の正六角形の１辺の長さに相当する。この図２のような配列において、第１光ファイバコリメータアレイ１１（第３光ファイバコリメータアレイ１３）のレンズアレイ１０₁（１０₃）と第２光ファイバコリメータアレイ１２（第４光ファイバコリメータアレイ１４）のレンズアレイ１０₂（１０₄）との間にＸ方向にレンズ配列ピッチの１／２、すなわち、Ｍの配置ずれが発生するように、第１偏光合成器１５（第２偏光合成器１６）で第１光ファイバコリメータアレイ１１（第３光ファイバコリメータアレイ１３）と第２光ファイバコリメータアレイ１２（第４光ファイバコリメータアレイ１４）を合成するようにすると、図４の上方に分布曲線を示したように、第１合成平行光１９（第２合成平行光２０）のＸ方向の光強度分布は略均一になる。より具体的には、正レンズ１のＮＡと偏波保存型シングルモード光ファイバ２のＮＡを略一致させた場合、正レンズ１の中心を結ぶＸ方向の光強度分布のバラツキは略２％である。

しかしながら、第１合成平行光１９（第２合成平行光２０）のＹ方向の光強度分布は、図４の左方に分布曲線を示したように、Ｙ方向の配列ピッチと同じピッチで変化し、正レンズ１の中心位置に対応してピークを持つ繰り返し分布となる。

次に、図５に、無偏光合成器１７でこのようにＸ方向に平均化された第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とが合成された平行光に対するレンズアレイ１０₁〜１０₄相互の位置関係と合成光の強度分布を示す。第１光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０₁と第２光ファイバコリメータアレイ１２のレンズアレイ１０₂との間、及び、第３光ファイバコリメータアレイ１３のレンズアレイ１０₃と第４光ファイバコリメータアレイ１４のレンズアレイ１０₄との間は、上記のように、それぞれＸ方向にレンズ配列ピッチの半分のＭの配置ずれがあるが、Ｙ方向にはＹ方向の配列ピッチ（３／２）Ｌの半分、すなわち、（３／４）Ｌだけ、レンズアレイ１０₁（１０₂）とレンズアレイ１０₃（１０₄）の間がずれるように合成する。そして、図５の場合は、レンズアレイ１０₁と１０₂の組み合わせに対するレンズアレイ１０₃と１０₄の組み合わせのＸ方向への繰り返しピッチの位相ずれが、Ｘ方向のレンズ配列ピッチ２Ｍの１／３、すなわち、（２／３）Ｍとなるように、レンズアレイ１０₁と１０₂の組み合わせ（第１合成平行光１９）とレンズアレイ１０₃と１０₄の組み合わせ（第２合成平行光２０）とを合成するようにする。その場合の正レンズ１の中心を結ぶＸ方向の光強度分布のバラツキは図５の上方に分布曲線を示すようになり、上記の具体例においては略２％であり、また、Ｙ方向の光強度分布は図５の左方に分布曲線を示すように、平均化されて略均一になる。ここで、レンズアレイ１０₁と１０₂の組み合わせに対するレンズアレイ１０₃と１０₄の組み合わせのＸ方向へのずらし量を横軸に、面内の光強度分布のバラツキΔＰ／Ｐ_maxを縦軸にとった図７から、上記の具体例においては、面内の光強度分布のバラツキは略６．５％であることが分かる。なお、ΔＰは、光強度分布の最大値をＰ_max、最小値をＰ_minとしたとき、ΔＰ＝Ｐ_max−Ｐ_minである。

図５の代わりに、図６に示すように、レンズアレイ１０₁と１０₂の組み合わせに対するレンズアレイ１０₃と１０₄の組み合わせのＸ方向への繰り返しピッチの位相ずれを、Ｘ方向のレンズ配列ピッチ２Ｍの１／４、すなわち、（１／２）Ｍとなるように、レンズアレイ１０₁と１０₂の組み合わせ（第１合成平行光１９）とレンズアレイ１０₃と１０₄の組み合わせ（第２合成平行光２０）とを合成するようにしてもよい。その場合の正レンズ１の中心を結ぶＸ方向の光強度分布のバラツキは図６の上方に分布曲線を示すようになり、上記の具体例においては略２％であり、また、Ｙ方向の光強度分布は図６の左方に分布曲線を示すように、平均化されて略均一になる。上記の具体例においては、面内の光強度分布のバラツキは、図７から略７．５％であることが分かり、図５の配置に比べてバラツキが若干大きくなるが、十分に平均化されていると言える。なお、その他の配置関係は図５の場合と同様である。

なお、レンズアレイ１０₁と１０₂の組み合わせに対するレンズアレイ１０₃と１０₄の組み合わせのＸ方向へのずらし量をＸ方向のレンズ配列ピッチ２Ｍの１／６、すなわち、（１／３）Ｍの場合は、１／３、すなわち、（２／３）Ｍの場合と同様に、面内の光強度分布のバラツキは略６．５％であり、１／８、３／８、すなわち、（１／４）Ｍ、（３／４）Ｍの場合は、１／４、すなわち、（１／２）Ｍの場合と同様に、面内の光強度分布のバラツキは略７．５％であることが、図７から分かる。

このことから、レンズアレイ１０₁と１０₂の組み合わせに対するレンズアレイ１０₃と１０₄の組み合わせのＸ方向へのずらし量は、（１／４）Ｍ〜（３／４）Ｍの範囲にあれば、面内の光強度分布のバラツキは略７．５％以下になることが分かる。なお、図形の対称性から、（５／４）Ｍ〜（７／４）Ｍの範囲においても同様である。

次に、図８に、図１の平行光源装置の変形例の構成を示す断面図を示す。図１の実施例と異なるのは、第１偏光合成器１５と第２偏光合成器１６の代わりに、図の断面内の大きさが縦横略２倍の同様な構成の単一の偏光合成器２５を用いる点と、反射プリズム１８と無偏光合成器１７の代わりに、形状が異なり反射面の配置が異なる単一の無偏光合成器２６を用いる点である。この変形例を説明すると、図１の場合と同様に、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４を備え、各々の光ファイバコリメータアレイ１１〜１４の構成は図１の場合と同様であるが、第１光ファイバコリメータアレイ１１と第３光ファイバコリメータアレイ１３は、図８の面で隣接していてそれらのｐ偏光の射出平行光も隣接していて同一方向に射出されるようになっており、また、第２光ファイバコリメータアレイ１２と第４光ファイバコリメータアレイ１４も、図８の面で隣接していてそれらのｓ偏光の射出平行光も隣接していて同一方向に射出されるようになっており、かつ、第１光ファイバコリメータアレイ１１と第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と、第２光ファイバコリメータアレイ１２と第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とは、図示のように相互に直交する方向に進むように、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４が配置されている。そして、第１光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０と、第３光ファイバコリメータアレイ１３のレンズアレイ１０とが同一面で隣接するように、また、第２光ファイバコリメータアレイ１２のレンズアレイ１０と、第４光ファイバコリメータアレイ１４のレンズアレイ１０とが同一面で隣接するように、配置されている。

そして、第１光ファイバコリメータアレイ１１と第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と、第２光ファイバコリメータアレイ１２と第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とが直交する位置に、偏光合成面Ｅがそれら平行光に対して４５°の角度をなすように偏光合成器２５が配置されている。

そのため、第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光は偏光合成器２５の偏光合成面Ｅの片側を透過し、第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光は偏光合成面Ｅの同じ片側で反射され、両平行光は偏光合成面Ｅの片側で合成されて第１合成平行光１９となる。また、第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光は偏光合成器２５の偏光合成面Ｅの反対側の片側を透過し、第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光は偏光合成面Ｅの同じ片側で反射され、両平行光は偏光合成面Ｅの反対側の片側で合成されて第２合成平行光２０となる。

第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とは、図示のように、相互に隣接して平行に出るので、その射出側に配置される無偏光合成器２６には、第２合成平行光２０が入射する位置に進行方向を９０°偏向する反射面Ｇが配置されている。また、第１合成平行光１９が入射する位置には、無偏光合成面Ｃと同様の無偏光合成面Ｆが配置され、さらに、無偏光合成面Ｆで反射された平行光の進行方向を９０°折り曲げて無偏光合成面Ｆに入射する平行光と同じ方向に向ける反射面Ｄと同様の反射面Ｈが配置されている。無偏光合成器２６のこれら反射面Ｇ、無偏光合成面Ｆ、反射面Ｈは相互に平行に配置されており、これらの面を透明プリズム中に一体に配置するように構成するのが望ましい。

無偏光合成器２６の反射面Ｇに入射した第２合成平行光２０は、９０°偏向されて無偏光合成面Ｆに入射し、その略５０％の強度が反射され、残りの略５０％の強度は透過する。また、無偏光合成面Ｆに入射した第１合成平行光１９も、その略５０％の強度が反射され、残りの略５０％の強度は透過する。したがって、無偏光合成面Ｆで第１合成平行光１９の略半分の強度が透過し、第２合成平行光２０の略半分の強度が反射されてそれらの平行光は合成されて第４合成平行光２２として無偏光合成器２６から射出する。また、無偏光合成面Ｆで第１合成平行光１９の略半分の強度が反射され、第２合成平行光２０の略半分の強度が透過してそれらの平行光は合成され、反射面Ｈで第３合成平行光２１と同じ方向に反射されて第３合成平行光２１となる。第３合成平行光２１と第４合成平行光２２は同じ強度で同じ方向に隙間なく隣接しているので、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２を合わせて、平行度の高い平行光として、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光として用いることができる。しかも、偏光合成器２５、無偏光合成器２６を反射あるいは透過した光は、最終的に全て平行光成分として利用されているので、光の利用効率が極めて高いものとなっている。しかも、正レンズ１の焦点に配置される光源は、偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端であるため、実質的に点光源であるので、合成平行光１９、２０、２１、２２の平行度は極めて高いものである。

この変形例においても、図５、図６に示したように、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４のレンズアレイ１０₁〜１０₄相互の位置関係を調節することにより、直交するＸ方向、Ｙ方向両方向において強度分布が平均化され略均一になった平行度が極めて高い平行光を得ることができる。

以上、本発明の平行光源装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。例えば、レンズアレイ１０、１０₁〜１０₄の正レンズ１の焦点位置各々に偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端（２次光源）を配置する代わりに、直線偏光を放射する半導体レーザ等の点光源を配置するようにしてもよい。また、レンズアレイ１０、１０₁〜１０₄の正レンズ１の稠密配置に関しては、図２のように正六角形の外形の正レンズ１を稠密に配置する場合以外に、図９（ａ）に示すように、正方形の外形の正レンズ１を例えば碁盤の目状に稠密に配置するようにしてもよく、あるいは、図９（ｂ）に示すように、円形外形の正レンズ１を俵積み状に配置してもよい。

本発明の１実施例の平行光源装置の構成を示す断面図である。レンズアレイの平面図である。偏波保存型シングルモード光ファイバの入射端に半導体レーザが結合されている構成を説明するための模式的斜視図である。第１偏光合成器、第２偏光合成器それぞれで合成された平行光に対するレンズアレイ相互の位置関係と合成光の強度分布を示す図である。無偏光合成器で合成された平行光に対するレンズアレイ相互の位置関係と合成光の強度分布を示す図である。図５の変形を示す同様の図である。一方のレンズアレイの組み合わせに対する他方のレンズアレイの組み合わせのＸ方向へのずらし量と面内の光強度分布のバラツキの関係を示す図である。図１の平行光源装置の変形例の構成を示す断面図である。レンズアレイの変形例の平面図である。

符号の説明

１…正レンズ
２…偏波保存型シングルモード光ファイバ
３…半導体レーザ
４…集光レンズ
５…偏波面
１０…レンズアレイ
１０₁…第１光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１０₂…第２光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１０₃…第３光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１０₄…第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１１…第１光ファイバコリメータアレイ
１２…第２光ファイバコリメータアレイ
１３…第３光ファイバコリメータアレイ
１４…第４光ファイバコリメータアレイ
１５…第１偏光合成器
１６…第２偏光合成器
１７…無偏光合成器
１８…反射プリズム
１９…第１合成平行光
２０…第２合成平行光
２１…第３合成平行光
２２…第４合成平行光
２５…偏光合成器
２６…無偏光合成器
Ａ…偏光合成面
Ｂ…偏光合成面
Ｃ…無偏光合成面
Ｄ…反射面
Ｅ…偏光合成面
Ｆ…無偏光合成面
Ｇ…反射面
Ｈ…反射面

Claims

稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている２つの光ファイバコリメータアレイを含み、一方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と他方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなることを特徴とする平行光源装置。
前記レンズアレイの前記正レンズが列状に並ぶ方向をＸ方向、それに直交する方向をＹ方向とするとき、前記偏光合成器により両平行光が合成された状態において、前記一方の光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＸ方向と前記他方の光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＸ方向とが一致し、前記一方の光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列と前記他方の光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列とは同じで、Ｘ方向の配列は相互にＸ方向配列ピッチの１／２ずれていることを特徴とする請求項１記載の平行光源装置。
稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている４つの光ファイバコリメータアレイを含み、その中の第１光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第２光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第４光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含むことを特徴とする平行光源装置。
前記レンズアレイの前記正レンズが列状に並ぶ方向をＸ方向、それに直交する方向をＹ方向とするとき、前記無偏光合成器により４つの平行光が合成された状態において、前記第１光ファイバコリメータアレイから前記第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＸ方向が全て一致し、前記第１偏光合成器により両平行光が合成された状態において、前記第１光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列と前記第２光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列とは同じで、Ｘ方向の配列は相互にＸ方向配列ピッチの１／２ずれており、前記第２偏光合成器により両平行光が合成された状態において、前記第３光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列と前記第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列とは同じで、Ｘ方向の配列は相互にＸ方向配列ピッチの１／２ずれており、さらに、前記無偏光合成器で前記第１合成平行光と前記第２合成平行光で両平行光が合成された状態において、前記第１光ファイバコリメータアレイ及び前記第２光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列と、前記第３光ファイバコリメータアレイ及び前記第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイのＹ方向の配列とは、相互にＹ方向配列ピッチの１／２ずれていることを特徴とする請求項３記載の平行光源装置。
前記無偏光合成器で前記第１合成平行光と前記第２合成平行光で両平行光が合成された状態において、前記第１光ファイバコリメータアレイのレンズアレイと前記第２光ファイバコリメータアレイのレンズアレイとの組み合わせに対する、前記第３光ファイバコリメータアレイのレンズアレイと前記第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイとの組み合わせのＸ方向への繰り返しピッチの位相ずれが、前記レンズアレイのＸ方向配列ピッチの１／６又は１／３となっていることを特徴とする請求項４記載の平行光源装置。
前記無偏光合成器で前記第１合成平行光と前記第２合成平行光で両平行光が合成された状態において、前記第１光ファイバコリメータアレイのレンズアレイと前記第２光ファイバコリメータアレイのレンズアレイとの組み合わせに対する、前記第３光ファイバコリメータアレイのレンズアレイと前記第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイとの組み合わせのＸ方向への繰り返しピッチの位相ずれが、前記レンズアレイのＸ方向配列ピッチの１／４となっていることを特徴とする請求項４記載の平行光源装置。
前記無偏光合成器で前記第１合成平行光と前記第２合成平行光で両平行光が合成された状態において、前記第１光ファイバコリメータアレイのレンズアレイと前記第２光ファイバコリメータアレイのレンズアレイとの組み合わせに対する、前記第３光ファイバコリメータアレイのレンズアレイと前記第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイとの組み合わせのＸ方向への繰り返しピッチの位相ずれが、前記レンズアレイのＸ方向配列ピッチの１／８から３／８の範囲内にあることを特徴とする請求項４記載の平行光源装置。
前記第１偏光合成器と前記第２偏光合成器とが同一偏光合成器からなることを特徴とする請求項３から７の何れか１項記載の平行光源装置。
正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される２つの光コリメータを含み、一方の光コリメータから射出される平行光と他方の光コリメータから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成され、前記一方の光コリメータと前記他方の光コリメータが相互にずれていることを特徴とする平行光源装置。
正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される４つの光コリメータを含み、その中の第１光コリメータから出射される平行光と第２光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータから出射される平行光と第４光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含み、前記第１光コリメータと前記第２光コリメータが相互にずれており、前記第３光コリメータと前記第４光コリメータが相互にずれていることを特徴とする平行光源装置。
稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される２つの光コリメータアレイを含み、一方の光コリメータアレイから射出される平行光と他方の光コリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなることを特徴とする平行光源装置。
稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される４つの光コリメータアレイを含み、その中の第１光コリメータアレイから出射される平行光と第２光コリメータアレイから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータアレイから出射される平行光と第４光コリメータアレイから出射される平行先の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含むことを特徴とする平行光源装置。