JP2006301234A - Uniformizing optical device and parallel light source apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、均一化光学装置及びそれを用いた平行光源装置に関し、特に、均一な面内強度分布を持つ平行光を得るための均一化光学装置とそれを用いた平行光源装置に関するものである。 The present invention relates to a uniformizing optical device and a parallel light source device using the same, and more particularly to a uniformizing optical device for obtaining parallel light having a uniform in-plane intensity distribution and a parallel light source device using the same. .
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。 Conventionally, for example, a laser light source for semiconductor exposure has a high-output and large-diameter optical fiber bundle output structure in which pigtail modules are bundled, and is used as a light source for a maskless exposure machine using a DMD (Digital Micromirror Device). Yes. When the light from the light source is introduced into the DMD, the more the light beam is parallel, the higher the irradiation efficiency (total utilization efficiency) on the exposure surface. To produce ideal parallel light, the optical fiber bundle output It is necessary to make the end beam spot as close to zero as possible. While the optical fiber bundle output structure type light source has high output, the beam spot size is large (for example, 600 μm), and it is difficult to extract the light as parallel light. is there. Since there is a limit to increasing the use efficiency of the optical system, it is currently necessary to rely on the high output of each semiconductor laser used in the pigtail module.
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。 Further, in the exposure control, it is necessary to average the in-plane intensity distribution. For example, in the case of an optical fiber bundle module, the output of the central portion of the illumination area is high, and the light intensity tends to decrease as the distance from the center increases. Since the low intensity portion cannot contribute to the exposure, the effective area is limited. Even within the effective range, since exposure control is performed in accordance with a location where the in-plane strength is low, it is necessary to match a high strength portion with a low portion, resulting in a problem that the output is lowered.
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、平行光の面内強度分布を平均化して均一化する光学装置と、それを用いた平行光源装置であって、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等に利用可能で、面内強度分布の均一性が高く、平行度が高く、光の利用効率が高い平行光源装置を提供することである。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object thereof is an optical device that averages and equalizes the in-plane intensity distribution of parallel light, and a parallel light source device using the same. Therefore, it is possible to provide a parallel light source device that can be used for a projection device, a projection exposure device, a maskless exposure device, etc., has a high uniformity of in-plane intensity distribution, high parallelism, and high light use efficiency. .
上記目的を達成する本発明の均一化光学装置は、入射光が進む方向をZ方向とし、Z方向に直交し相互に直交する方向をX方向とY方向とするとき、Z方向に対して直交する入射面と射出面とを備え、X−Y面及びY−Z面に対して45°の角度をなすように、相互に平行に離間して2面の全反射鏡が配置され、その2面の全反射鏡の間であって入射面と射出面の間に単数又は複数の半透過鏡が相互に所定の間隔で全反射鏡に平行に配置されて構成されてなる均一化素子を備えてなることを特徴とするものである。 The homogenizing optical apparatus of the present invention that achieves the above object is orthogonal to the Z direction when the direction in which incident light travels is the Z direction, and the directions orthogonal to the Z direction and orthogonal to each other are the X and Y directions. The two total reflection mirrors are arranged apart from each other in parallel so as to form an angle of 45 ° with respect to the XY plane and the YZ plane. And a uniformizing element comprising one or a plurality of semi-transmissive mirrors arranged in parallel to the total reflection mirror at a predetermined interval between the incident surface and the emission surface between the total reflection mirrors of the surface. It is characterized by.
また、前記均一化素子の射出面側に第2の均一化素子を備えることができる。前記第2の均一化素子は、X−Y面及びY−Z面に対して45°の角度をなすように、相互に平行に離間して2面の全反射鏡が配置され、その2面の全反射鏡の間であって入射面と射出面の間に単数又は複数の半透過鏡が相互に所定の間隔で全反射鏡に平行に配置されて構成されてなるものとすることができる。 Further, a second homogenizing element can be provided on the exit surface side of the homogenizing element. In the second uniformizing element, two total reflection mirrors are arranged in parallel with each other so as to form an angle of 45 ° with respect to the XY plane and the YZ plane. One or a plurality of semi-transmissive mirrors are arranged in parallel with the total reflection mirror at a predetermined interval between the incident surface and the exit surface. .
そして、このような本発明の均一化光学装置は、以下の(1)〜(6)のように配置して本発明の平行光源装置を構成することができる。 Such a homogenizing optical device of the present invention can be arranged as in the following (1) to (6) to constitute a parallel light source device of the present invention.
(1)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平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。 (1) It is composed of a lens array of densely arranged positive lenses and a polarization-maintaining single-mode optical fiber in which an exit end is arranged at each focal point of the positive lens, and an incident end of each polarization-maintaining single-mode optical fiber. Including two optical fiber collimator arrays in which polarized light is coupled to each other and the polarization directions of the emission ends thereof are all directed in the same direction, and the parallel light emitted from one optical fiber collimator array and the other optical fiber collimator array The parallel light emitted from the parallel light source is selected so that the polarization directions thereof are orthogonal to each other, and the parallel light is configured to be synthesized by the polarization synthesizer. The parallel light source device of the invention can be configured.
(2)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平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。 (2) It consists of a lens array of positive lenses arranged densely and a polarization-maintaining single-mode optical fiber in which an exit end is arranged at each focal point of the positive lens, and the incident end of each polarization-maintaining single-mode optical fiber And the parallel light and the second light emitted from the first optical fiber collimator array therein, including four optical fiber collimator arrays in which the polarized light is coupled to each other and the polarization directions of the emission ends thereof are all directed in the same direction. A third optical fiber collimator array comprising a first polarization synthesizer that is selected such that the polarization directions of the parallel lights emitted from the fiber collimator array are orthogonal to each other, and combines the parallel lights into the first combined parallel light; Are selected so that the polarization directions of the parallel light emitted from the fourth optical fiber collimator array and the parallel light emitted from the fourth optical fiber collimator array are orthogonal to each other. A second polarization synthesizer configured as parallel light; a part of the first composite parallel light is transmitted; a part of the second composite parallel light is reflected; A non-polarization synthesizer that reflects the remaining part of the first synthesized parallel light and transmits the remaining part of the second synthesized parallel light to synthesize both parallel lights into a fourth synthesized parallel light. The parallel light source device of the present invention is arranged on a parallel light emitting side of a parallel light source device including a deflecting unit that makes the third composite parallel light and the fourth composite parallel light adjacent to each other parallel light traveling in the same direction. Can be configured.
(3)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平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。 (3) A positive lens and a light source at the focal point of the positive lens, including two optical collimators in which linearly polarized light is incident on the positive lens from the light source, and parallel light emitted from one optical collimator and the other The parallel light beams emitted from the optical collimator are arranged so that the polarization directions of the parallel light beams are orthogonal to each other, and the parallel light beams are combined by a polarization beam combiner. The one optical collimator and the other optical collimator are The parallel light source device of the present invention can be configured by arranging the parallel light source devices on the parallel light exit side of the parallel light source devices that are shifted from each other.
(4)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平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。 (4) A parallel lens that includes a positive lens and four optical collimators that have a light source at the focal point of the positive lens and in which linearly polarized light enters the positive lens from the light source, and is emitted from the first optical collimator therein. A first polarization synthesizer which is arranged so that the polarization directions of the light and the parallel light emitted from the second light collimator are orthogonal to each other, and synthesizes the parallel light into the first combined parallel light; A second polarization synthesizer that is arranged so that the polarization directions of the parallel light emitted from the collimator and the parallel light emitted from the fourth light collimator are orthogonal to each other, and synthesizes both parallel lights into a second synthesized parallel light. And transmitting a part of the first combined parallel light and reflecting a part of the second combined parallel light to combine both parallel lights into a third combined parallel light, and the rest of the first combined parallel light Part of the light is reflected and the remaining part of the second synthesized parallel light is transmitted. And a non-polarization combiner that combines the two parallel lights into a fourth combined parallel light, and deflecting means for converting the third combined parallel light and the fourth combined parallel light into parallel light that advances adjacently in the same direction. The first optical collimator and the second optical collimator are displaced from each other, and the third optical collimator and the fourth optical collimator are disposed on the parallel light emitting side of the parallel light source device. The parallel light source device of the present invention can be configured.
(5)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平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。 (5) A lens array of positive lenses arranged densely, and two optical collimator arrays each having a light source at each focal point of the positive lens and into which light whose polarization directions are all in the same direction are incident. The parallel light emitted from one optical collimator array and the parallel light emitted from the other optical collimator array are arranged so that the polarization directions thereof are orthogonal to each other, and the parallel light is synthesized by the polarization synthesizer. The parallel light source device of the present invention can be configured by being arranged on the parallel light emitting side of the parallel light source device thus configured.
(6)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平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。 (6) A lens array of positive lenses arranged densely, and four optical collimator arrays each having a light source at each focal point of the positive lens and into which light whose polarization directions are all in the same direction are incident. The parallel light emitted from the first light collimator array and the parallel light emitted from the second light collimator array are arranged so that the polarization directions of the parallel light are orthogonal to each other. The first polarization synthesizer for parallel light is provided, and the parallel light emitted from the third optical collimator array and the parallel polarization direction emitted from the fourth optical collimator array are arranged so as to be orthogonal to each other. A second polarization synthesizer that synthesizes the light into a second synthesized parallel light; synthesizes both parallel lights by transmitting a part of the first synthesized parallel light and reflecting a part of the second synthesized parallel light; The third combined parallel light A non-polarization synthesizer that reflects the remaining part of the first synthesized parallel light and transmits the remaining part of the second synthesized parallel light to synthesize both parallel lights into a fourth synthesized parallel light; The parallel light source device of the present invention is configured by arranging the third composite parallel light and the fourth composite parallel light adjacent to each other on the parallel light exit side of the parallel light source device including a deflecting unit that makes parallel light traveling in the same direction. be able to.
本発明の均一化光学装置によると、入射する平行光の面内強度分布に不均一があっても、平均化され均一化された平行光として射出することができる。この均一化光学装置を平行光源装置の平行光射出側に配置することにより、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。 According to the homogenizing optical device of the present invention, even if the in-plane intensity distribution of incident parallel light is non-uniform, it can be emitted as averaged and uniform parallel light. By disposing the uniformizing optical device on the parallel light emission side of the parallel light source device, a device suitable for an illumination light source device such as a projection device, a projection exposure device, a maskless exposure device, or the like can be obtained. For example, when used as a light source for a maskless exposure machine using DMD, the exposure time can be shortened.
以下に、本発明の均一化光学装置及びそれを用いた平行光源装置を実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, the uniformizing optical device of the present invention and a parallel light source device using the same will be described based on examples.
まず、図1〜図9を用いて、本発明の均一化光学装置を適用可能な平行光源装置の実施例を説明する。 First, an embodiment of a parallel light source device to which the uniformizing optical device of the present invention can be applied will be described with reference to FIGS.
図1は、本発明の均一化光学装置を適用できる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。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a parallel light source device according to one embodiment to which the homogenizing optical device of the present invention can be applied. The parallel light source device includes first to fourth optical
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。
Here, since the first to fourth optical
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、その外形は好ましくは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。
Here, the shape and arrangement direction of the
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。
Returning to FIG. 1, the Y directions of the
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。
In each of the first to fourth optical
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。
With such a configuration, in each of the first to fourth optical
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。
Then, the p-polarized parallel light from the first optical
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。
A
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。
A
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。
By the way, the first combined
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。
Therefore, when the parallel light from the first optical
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。
FIG. 4 is a diagram illustrating the positional relationship between the
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。
When the
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。
However, the light intensity distribution in the Y direction of the first combined parallel light 19 (second combined parallel light 20) changes at the same pitch as the arrangement pitch in the Y direction as shown by the distribution curve on the left side of FIG. The repetitive distribution has a peak corresponding to the center position of the
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/Pmax 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Pmax 、最小値をPmin としたとき、ΔP=Pmax −Pmin である。
Next, in FIG. 5,
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。
Instead of FIG. 5, as shown in FIG. 6, the phase shift of the repetitive pitch in the X direction of the combination of the
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。
Note that the shift amount in the X direction of the combination of the
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。
From this, the shift amount in the X direction of the combination of the
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。
Next, FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a modification of the parallel light source device of FIG. A difference from the embodiment of FIG. 1 is that instead of the
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。
Then, the p-polarized parallel light from the first optical
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。
Therefore, the p-polarized parallel light from the first optical
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。
As shown in the figure, the first combined
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。
The second synthesized
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。
Also in this modification, as shown in FIGS. 5 and 6, by adjusting the positional relationship between the
以上、本発明の均一化光学装置を適用可能な平行光源装置を実施例に基づいて説明してきたが、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。
The parallel light source device to which the homogenizing optical device of the present invention can be applied has been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made. For example, instead of disposing the exit end (secondary light source) of the polarization-maintaining single-mode
次に、上記のような実施例の平行光源装置に本発明の均一化光学装置を適用した実施例を説明する。 Next, an embodiment in which the uniformizing optical device of the present invention is applied to the parallel light source device of the above embodiment will be described.
図10は、図1の実施例の平行光源装置30の平行光31出力側に本発明の1実施例の均一化光学装置40を配置した場合の実施例の断面図である。ここで、平行光源装置30からの平行光31は、図1において説明したように、第3合成平行光21と第4合成平行光22が隙間なく隣接してなるものであり、図10においては、説明の分かりやすさから、1本の光線31で示してあるが、均一化素子411 の入射面44全体をカバーする太さの光束である。
FIG. 10 is a cross-sectional view of an embodiment in which the homogenizing
ここで、あらためて座標を定義する。図10に示すように、平行光源装置30からの平行光31が進む方向をZ方向とし、それに直交し図1の面内の方向をX方向とし、紙面に垂直な方向をY方向とする。
Here, the coordinates are defined again. As shown in FIG. 10, the direction in which the parallel light 31 from the parallel
この実施例の均一化光学装置40は、同一構成の均一化素子411 と均一化素子412 を平行光31の進行方向に沿って直列に接続したものであり、均一化素子412 は均一化素子411 に対してZ軸の周りで90°回転して(捩じって)配置されているものである。したがって、均一化素子411 の構成の説明から、均一化素子412 の構成と配置は明らかになる。
The homogenizing
均一化素子411 は、図10から明らかなように、Z方向に対して直交する入射面44と射出面45の間に、Z方向に対してX−Z面内で法線が45°の角度をなすように、相互に平行に離間して全反射鏡421 と422 が配置され、その全反射鏡421 と422 の間であって入射面44と射出面45の間に、複数の半透過鏡431 〜433 が略均一の間隔で全反射鏡421 と422 に平行に配置されて構成されてなる。このような構成は、限定的ではないが、簡単には、透明な複数の平行平板の片面にそれぞれ半透過鏡431 〜433 を設けた複数の平行平板と1枚の透明な平行平板を密に重ね合わせて固定し(平行平板の屈折率は等しいとする。)、その積層体を両端で積層面に対して45°の角度をなす2面の切断面で切り出すことによって作製することができる。その積層体の外側に露出している半透過鏡431 〜433 を設けない面が全反射面として全反射鏡421 と422 を構成し、2面の切断面が入射面44と射出面45を構成する。
As is clear from FIG. 10, the homogenizing
このような構成の均一化素子411 をその入射面44が平行光源装置30からの平行光31に対して垂直になるように配置すると、入射面44から均一化素子411 内に入った平行光31は、全反射鏡421 と422 との間の半透過鏡431 〜433 で部分透過と部分反射を受け、かつ、その両側では全反射鏡421 と422 で全反射を受けて光路がその間に制限されて、多重反射を全反射鏡421 と422 、及び、半透過鏡431 〜433 の間で繰り返しながら射出面45に達するので、入射面44の小さな1つの領域に達した光は射出面45の全体に分配されることになり、結局入射面44に入った平行光31は射出面45で平均化され均一化されることになる。
When the
したがって、図10の例の場合、第1〜第4光ファイバコリメータアレイ11〜14に属する何れかの半導体レーザ3(図3)が劣化あるいは故障して発光強度が部分的に低下あるいはなくなっても、その光強度分布の不均一は均一化素子411 によりX方向に平均化され、そのような半導体レーザ3の部分的な劣化や故障に基づく光強度分布の不均一は均一化素子411 からの出力平行光51中には生じないことになる。
Therefore, in the case of the example of FIG. 10, even if any one of the semiconductor lasers 3 (FIG. 3) belonging to the first to fourth optical
また、均一化素子411 により入力平行光31がX方向に平均化されるため、先に示したようなレンズアレイの間に配置ずれに伴う面内の光強度分布のバラツキも平均化されて小さくなるかなくなる。
In addition, since the input
ただし、均一化素子411 による均一化はX方向にしか行われないので、その平均化をY方向にも行わせるために、均一化素子411 からの出力平行光51中にもう1つの均一化素子412 が配置されている。この均一化素子412 は、均一化素子411 と同じ構成で、均一化素子411 に対してZ軸の周りで90°回転して(捩じって)配置されているものであり、今度は同様にしてY方向に平均化される。そのため、入射側の均一化素子411 の入射面44の1つの領域に達した光は、射出側の均一化素子412 の射出面45の全体に2次元的に分配されることになり、そのため、均一化光学装置40の入射側の均一化素子411 の入射面44に入った平行光31は、射出側の均一化素子412 の射出面45から2次元的に平均化され均一化された出力平行光61として射出する。
However, since the homogenization by the homogenizing
したがって、第1〜第4光ファイバコリメータアレイ11〜14に属する何れかの半導体レーザ3(図3)が劣化あるいは故障して発光強度が部分的に低下あるいはなくなっても、その光強度分布の不均一は均一化光学装置40により直交するX方向、Y方向の両方向に平均化され、そのような半導体レーザ3の部分的な劣化や故障に基づく光強度分布の不均一は均一化光学装置40からの出力平行光61中には生じないことになる。また、先に示したようなレンズアレイの間に配置ずれに伴う面内の光強度分布のバラツキも平均化されて小さくなるかなくなる。
Therefore, even if any one of the semiconductor lasers 3 (FIG. 3) belonging to the first to fourth optical
なお、均一化素子411 、412 の半透過鏡431 〜433 の枚数については、1枚以上でなるべく多い方が好ましいが、余り多いと吸収に基づく減衰が多くなるので、その点を考慮して決める。また、各半透過鏡431 〜433 の透過率(1−反射率)については、10〜90%の範囲内であればよい。なお、X方向に均一化する均一化素子411 とY方向に均一化する均一化素子412 における半透過鏡431 〜433 の枚数と透過率については、必ずしも同じである必要はない。
Note that the number of the semi-transmission mirrors 43 1 to 43 3 of the
次に、図10の場合と同様の均一化光学装置40を図8の平行光源装置30の平行光31出力側に配置した場合の実施例の断面図を図11に示す。この場合の平行光源装置30からの平行光31も、図8において説明したように、第3合成平行光21と第4合成平行光22が隙間なく隣接してなるものであり、図11においては、説明の分かりやすさから、1本の光線31で示してあるが、均一化素子411 の入射面44全体をカバーする太さの光束である。
Next, FIG. 11 shows a cross-sectional view of an embodiment in which the same homogenizing
この場合も、図10の場合と同様に、均一化光学装置40の入射側の均一化素子411 の入射面44に入った平行光31は、射出側の均一化素子412 の射出面45から2次元的に平均化され均一化された出力平行光61として射出する。
Also in this case, as in the case of FIG. 10, the
したがって、この場合も、第1〜第4光ファイバコリメータアレイ11〜14に属する何れかの半導体レーザ3(図3)が劣化あるいは故障して発光強度が部分的に低下あるいはなくなっても、その光強度分布の不均一は均一化光学装置40により直交するX方向、Y方向の両方向に平均化され、そのような半導体レーザ3の部分的な劣化や故障に基づく光強度分布の不均一は均一化光学装置40からの出力平行光61中には生じないことになる。また、先に示したようなレンズアレイの間に配置ずれに伴う面内の光強度分布のバラツキも平均化されて小さくなるかなくなる。
Therefore, even in this case, even if any of the semiconductor lasers 3 (FIG. 3) belonging to the first to fourth optical
以上、本発明の均一化光学装置とそれを用いた平行光源装置を実施例に基づいて説明してきたが、これら実施例に限定されず種々の変形が可能である。 As described above, the uniformizing optical device of the present invention and the parallel light source device using the same have been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications are possible.
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
30…平行光源装置
31…平行光源装置の出力平行光
40…均一化光学装置
411 、412 …均一化素子
421 、422 …全反射鏡
431 、432 、433 …半透過鏡
44…入射面
45…射出面
51…均一化素子からの出力平行光
61…均一化光学装置からの出力平行光
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
1 ...
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