JP2008053317A

JP2008053317A - 照射光学系

Info

Publication number: JP2008053317A
Application number: JP2006225827A
Authority: JP
Inventors: Koji Seike; 幸治清家; Kazunori Yamazaki; 和則山崎
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-08-22
Filing date: 2006-08-22
Publication date: 2008-03-06

Abstract

【課題】
コンパクトな構成で、複数のレーザビームを合成し、長尺方向で均一化した強度分布を有する長尺ビームを照射する。
【解決手段】
複数のレーザ光源の各々から出射したレーザビームを光ファイバに結合し、光ファイバの出射面を第１の方向に並んで配列する。複数の光ファイバの出射面から出射する複数の光ビームをＮＡ変換光学系に導入し、第１の方向のＮＡを変換する。ＮＡを変換した光ビームをカレイドスコープに導入し、第１の方向に関して複数回反射させる。第１の方向の光強度分布を平均化した合成光ビームをカレイドスコープから出射する。直交方向に関して異なる焦点距離を有する結像光学系で、長尺方向はカレイドスコープの出射面の像を、短尺方向は光ファイバの出射面の像を、それぞれ照射面上に結像する。
【選択図】図１

Description

本発明は、長尺レーザビームを形成して照射面上に照射する照射光学系に関し、特に複数のレーザから出射する複数のレーザビームを合成し、長尺レーザビームを形成して照射面上に照射する照射光学系に関する。

液晶表示装置などにおいて、ガラス基板等の耐熱性の低い基板上に堆積したアモルファス半導体膜をレーザアニールによって結晶化することが行われている。薄膜トランジスタ等の半導体素子の特性は、結晶化によって向上する。例えばライン状のレーザビームをアモルファスシリコン膜上で走査することにより、アモルファスシリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化する。アモルファスシリコン膜のレーザアニールには、主にエキシマレーザが用いられてきた。

光ビームは、通常ガウス分布的強度分布を有し、中央で強度が高く、周辺に向かって強度が低下する。レーザビームはレーザ発振器の構造に応じた出射ビーム形状を有する。この場合も、例えばレーザ発振器の水平方向、垂直方向でそれぞれガウス分布的強度分布を有する。中央の強度が高い領域で満足できるレーザアニールが行えても周辺で強度が不足するとレーザアニールは不十分になる。光強度分布を均一化するために、例えばホモジナイザが用いられる。ホモジナイザは、例えば入射面上でビームを１方向に関して複数領域に分割し、シリンドリカルレンズを用いて各領域の光を出射面上に重ね、重ねたビームを照射面上に照射する。照射面のｘ方向、ｙ方向に合わせて、ｘ方向のホモジナイザ、ｙ方向のホモジナイザを用いれば、照射面上で均一な強度分布を有するビームが得られる。
最近、固体レーザを用いたレーザアニールが用いられ始めた。エキシマレーザと比べ、固体レーザは安定性に優れ、保守が容易である特徴を有する。固体レーザは、一般的にエキシマレーザに比べて出力が低い。

近年、表示装置の大画面化と共に、レーザアニール装置のレーザビームの長尺化が要求されている。固体レーザを用いる場合、必要なエネルギ密度を得るためには、複数の固体レーザを用い、複数のレーザビームの合成を行うことが研究されている。ピーク光強度を高くするために、レーザビーム短尺方向の細線化も研究されている。

特開２００２−１８４２０６号は、直線状に等ピッチで整列されたレーザ発光部からの出射光をシリンドリカルレンズアレイで少なくとも１方向に関して平行光束化させ、コンデンサレンズによってカレイドスコープの入射面に入射させて複数回の反射を行わせ、リレーレンズを介して被照射部上に照射することを提案する。コンパクトな構成と記載するが、等ピッチのレーザ発光部を有するレーザアレイと同一ピッチのシリンドリカルレンズアレイとをどのように実現するかについては教示がない。

特開２００３−２８９０５２号は、複数台のレーザから出射したレーザビームをミラーを介して同数の第１の方向に並んだシリンドリカルレンズアレイに入射させ、続いて第１の方向と直交する第２の方向に並んだシリンドリカルレンズアレイに入射させ、コンデンサレンズで合成し、集光レンズにより照射面に照射することを提案する。複数台のレーザと複数のシリンドリカルレンズとの結合を、レーザと同数の光ファイバを用いて行うことも提案する。第１の方向に並んだシリンドリカルレンズは、それぞれ１つのレーザから出射したレーザビームを受け、同一面上に重ねるので、第１の方向の光強度分布は均一化されない。

特開２００５−２９４４９３号は、並列配置された複数のレーザ発振器の出射光を、アッテネータ、反射ミラーを介して、偏向器、ビーム合成器に入射する構成を開示する。ビーム合成器は、２段のアレイレンズ及びコンデンサレンズをふくむ。ビーム合成器の出射光は、さらにミラーを介して、音響光学変調器、ビームホモジナイザに入射される。ビームホモジナイザは、２段のアレイレンズおよびコンデンサレンズで構成される。

特開２００２−１８４２０６号公報特開２００３−２８９０５２号公報特開２００５−２９４４９３号

複数台のレーザからの出射光を合成して、長尺ビームを形成する場合、複数のレーザ光を如何に合成するか、合成ビームの強度を長尺方向で如何に均一化するか、合成ビームを短尺方向で如何に細線化して十分な光強度を提供するかが問題となろう。

本発明の目的は、コンパクトな構成で、複数のレーザビームを合成し、長尺方向で均一化した強度分布を有する長尺ビームを照射できる照射光学系を提供することである。

本発明の他の目的は、コンパクトな構成で、複数のレーザビームを合成し、長尺方向で均一化した強度分布、短尺方向で十分なピーク光強度を有する長尺ビームを照射できる照射光学系を提供することである。

本発明の他の目的は、限られた寸法を有し、構成要素数が少ない照射光学系を提供することである。

本発明の１観点によれば、
複数のレーザ光源の各々から出射したレーザビームが結合される入射面と、光軸に直交する面内の第１の方向に並んで配列された出射面とを有する複数の光ファイバと、
前記複数の光ファイバの出射面から出射する、前記第１の方向に並んだ複数の光ビームを受け、前記第１の方向の開口数（ＮＡ）を変換するＮＡ変換光学系と、
前記ＮＡ変換光学系を通過した複数の光ビームを含む合成光ビームを入射面に受け、前記第１の方向に関して複数回反射させ、出射面から前記第１の方向の光強度分布を平均化した合成光ビームを出射するカレイドスコープと、
前記カレイドスコープの出射面から出射する合成光ビームを受け、光軸に直交する照射面上に前記第１の方向に沿ったライン状に結像する結像光学系であり、前記第１の方向と、前記第１の方向に交差する第２の方向とに関して異なる焦点距離を有する結像光学系と、
を有する照射光学系
が提供される。

複数のレーザ光源が出射するレーザビームを、光ファイバを用いて光軸に直交する面内の第１の方向に並べて配置することにより、光強度が高く、出射面積の小さい擬似光源を構成することができる。

第１の方向に並んだビーム列を、カレイドスコープ内で複数回反射させることにより、第１の方向の光強度を均一化できる。第２の方向は、走査方向となるので、十分なピーク光強度が得られれば、光強度の均一化は必ずしも必要ない。

第１の方向と交差する第２の方向に関しては、ＮＡ変換光学系、カレイドスコープを素通りさせ、結像光学系で光ファイバ出射面等カレイドスコープ出射面よりもレーザ光源側の位置を照射面上にイメージングすると、第２の方向に関して大きな縮小率を実現できる。

第１の方向と第２の方向とで独立のＮＡ変換を行うと、ビーム列の形状に合わせて第１の方向の寸法、第２の方向の寸法が異なるカレイドスコープを用いても、第１の方向、第２の方向で同一回数の反射を行わせることができる。第２の方向に関しても、光強度分布の均一化を行える。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１Ａ−１Ｅは、本発明の実施例の基本形態を示す。図１Ａ右上に示すように、ｘｙｚ直交座標系を想定する。光軸方向をｚ方向とし、光軸と直交する方向にｘ方向と、ｙ方向を設定する。複数台の固体レーザ１１が、結合レンズ１２を介して対応する本数の光ファイバ１３の入射面に結合される。複数の光ファイバ１３の出射面は、光軸に直交するｘｙ面内のｘ方向（第１の方向）に並んで配置され、ライン状の擬似光源を構成する。光ファイバ群１３から発する光ビームの集合であるライン状光ビームは、開口数（ＮＡ）変換光学系１４によって少なくともｘ方向のＮＡを変換し、カレイドスコープ１５に入射する。カレイドスコープ１５は、少なくともｘ方向に関して複数回の反射を行わせ、合成され、ｘ方向の光強度分布を均一化した光ビームを出射面より出射する。カレイドスコープ１５から出射した光ビームは、結像光学系１５により、照射面１７上にイメージングされる。

固体レーザ１１は、例えばＮｄ：ＹＬＦ（Ｎｄ^３＋：ＬｉＹＦ_４）の２倍高調波(波長５２７ｎｍ)パルス発振レーザであり、例えば１０台を並列に配置する。各レーザ１１には、必要に応じてアッテメータ１１Ａが結合され、出射エネルギが調整できる。各レーザ１１は、制御装置２０により制御される。パルス発振レーザの場合、制御装置２０は発振タイミングを制御できる。同時発振から発振タイミングをＮパルスずらした発振まで可変である。レーザの出射ビームは、それぞれ結合レンズ１２を介して対応する光ファイバ１３に結合される。

図１Ｂに示すように光ファイバ１３のコア１３ｃの径をａとし、光ファイバの入射面に入射するビーム径をｗとする。ビーム径ｗは、光エネルギがピーク光エネルギからその１/ｅ^２まで低下する光束の幅で定義される。

図１Ｃに示すように、ビーム径ｗに対するコア径ａの比ｔ＝ａ／ｗを変化させると、光透過率は変化する。ｔ＝１の時光透過率は約８７％であるが、比ｔを１．５にすると、光透過率は９９％となる。レーザビームと光ファイバの結合による損失を考慮すると、入射ビームサイズは、光ファイバ開口（コア）サイズの２／３以下にすることが好ましい。光ファイバの入射ビーム、出射ビームのＮＡは、例えば０．０１６である。

光ファイバ１３は、例えばコア径１ｍｍ、ファイバ径１．２５ｍｍのステップインデックス光ファイバで構成される。１０本の光ファイバの出射面を互いに接してｘ方向に並べれば、１２.５ｍｍの長さになる。各隣接コアは０．２５ｍｍ離れているが、１ｍｍ×１２．２５ｍｍのコンパクトな、ライン状擬似光源が形成される。なお、レーザ光源の数、従って光ファイバの数は、複数であれば良く、１０に限らない。また、複数の光ファイバの出射面を必ずしも１列に並べなくてもよい。例えば２列、３列に並べることもできる。いずれの場合も、複数の光ファイバの出射面が集合して、面積の狭い擬似光源を構成する。但し、この擬似光源内には、レーザ台数に応じたピーク光強度がある。

図１Ｄに示すように、Ｘ方向に並置された複数の光ファイバ１３の出射面（擬似光源）から発した光を、照射面１７上でｘ方向に長い長尺ビーム２１として結像する。照射面１７上の長尺ビーム２１は、均一化されたｘ方向の光強度分布を有することが望まれる。このため、カレイドスコープを用いてｘ方向に関して反射を繰り返させる。例えば、９分割のホモジナイザに対応させ、４回の反射を行わせる。

光ファイバ１３出射光のＮＡは、例えば０．０１６のように小さく、このまま４回の反射を行わせるとカレイドスコープの長さ（ｚ方向の寸法）が大きくなりすぎる。ＮＡ変換光学系１４を用いてｘ方向のＮＡを例えば１０倍（ＮＡ＝０．１６)に拡大し、カレイドスコープ１５内でｘ方向に関して４回の反射を行わせる。

図１Ｅに示すように、カレイドスコープ１５がない場合、ＮＡ変換光学系１４から出射する光ビームはゾーンｚ１−ｚ９に進行するとする。各レーザからの光ビームは進行と共に発散するので重なり合うようになる。しかし両端部では光強度は低下する。カレイドスコープ１５は、ゾーンｚ５の両側面にミラーを配置することによりゾーンｚ１−ｚ９に進行すべき光ビームを、反射で折り返し、ゾーンｚ５のみに進行させる。なお、入射光が全反射するように入射角度を設定すれば、特にミラーを配置する必要はない。

ゾーンｚ５両側面のミラーにより、ゾーンｚ１−ｚ４、ｚ６−ｚ９に進行すべき光は内部反射する。ゾーンｚ４、ｚ６に入射すべき光は、一回の反射によってゾーンｚ５に入射し、ゾーンｚ３、ｚ７に入射すべき光は、２回の反射によってゾーンｚ５に入射し、ゾーンｚ２、ｚ８に入射すべき光は、３回の反射によってゾーンｚ５に入射し、ゾーンｚ１、ｚ９に入射すべき光は、４回の反射によってゾーンｚ５に入射する。このように、ｘ方向に関して４回の内部反射を行わせるカレイドスコープは、入射光ビームをｘ方向に９分割して、折り返し重ね合わせることによりｘ方向光強度分布をホモジナイズする。カレイドスコープ１５の出射面は、ｘ方向の光強度分布が均一化された擬似光源を構成する。

結像光学系１６は、ｘ方向に関してカレイドスコープ１５出射面を照射面１７上に結像することにより、ｘ方向光強度分布を均一化した光ビームの像を照射面１７上に形成する。

光ファイバ１３の出射面を集合した擬似光源の寸法は小さくできるので、ＮＡ変換光学系、カレイドスコープ、結像光学系の寸法も小さくできる。ＮＡ変換光学系、カレイドスコープ、結像光学系に関して種々の設定が可能である。以下、より具体的な実施例について説明する。

図２Ａ、２Ｂは、第１の実施例による照射光学系のＮＡ変換光学系、カレイドスコープ、結像光学系の構成を概略的に示す断面図である。図２Ａは、ビーム長尺方向（ｘｚ面）の断面を示し、図２Ｂは、ビーム短尺方向（ｙｚ面）の断面を示す。

図２Ａに示すように、長尺方向に関しては、複数本の光ファイバ１３から発する複数本のレーザビームを、ＮＡ変換光学系１４ＬによってＮＡを拡大し、カレイドスコープ１５Ｌに入射する。ＮＡが拡大された入射ビームは、カレイドスコープ１５Ｌ内で４回の反射を行い、結合光学系１６Ｌに向かって出射する。結像光学系１６Ｌから見たとき、カレイドスコープ１５Ｌ出射面は擬似光源を構成しているが、それより遠方は反射回数に応じて光路が分離する。カレイドスコープより光源側を見ようとすると、９つの光路に分離してしまう。

図２Ｂに示すように、ビーム短尺方向に関しては、ＮＡ変換光学系１４ＳはＮＡ変換を行わず、入射ビームを素通りさせる。カレイドスコープ１５Ｓも反射を行わず、入射ビームを素通りさせる。結像光学系１６Ｓから見ると、擬似光源を構成する光ファイバ１３の出射面を見ることができる。結像光学系１６Ｓは、光ファイバ１３の出射面を照射面１７にイメージングする。

図２Ｃ−２Ｆは、カレイドスコープ１５の構成を示す。図２Ｃ−２Ｅは、３種のカレイドスコープの長尺（ｘｚ）方向に関する断面図である。光束の最外側の光線をしめす。ｘ方向で多くの反射を行わせるのにはｘ方向の幅は狭いほどよいが、結像光学系での拡大倍率を考慮し、カレイドスコープ１５Ｌのｘ方向の幅を６ｍｍとする。

図２Ｃは、入射面においてカレイドスコープに蹴られることなく収束する光ビームがカレイドスコープ１５Ｌに入射し、出射面において発散する光ビームがカレイドスコープに蹴られることなく出射する。最初の反射Ｒ１は、カレイドスコープ１５Ｌの入射面から全長Ｌの約１／５の位置で生じている。反射から次の反射までのｚ方向距離を２ｄとする。カレイドスコープ１５Ｌの幅は６ｍｍである。カレイドスコープＬの材料を屈折率ｎ＝１．４６の石英とし、入射ビームのＮＡを０．１６とすると、ＮＡ＝ｎ・sinｕ≒１．４６×(３／ｄ)と近似できる。０．１６＝１．４６×（３／ｄ）からｄ＝２７.３７５ｍｍとなる。カレイドスコープ１５Ｌの入射面から出射面までの距離Ｌは、Ｌ＝１０ｄ＝２７４ｍｍとなる。

図２Ｄは、カレイドスコープ１５Ｌの入射面で入射ビームが収束し、その後発散してｄ進んだ位置で第１回目の反射Ｒ１を行う場合を示す。他の点は、図２Ｃと同様である。この場合、カレイドスコープ１５Ｌの長さはｄ短くなり、２４６ｍｍとなる。

図２Ｅは、発散する光ビームがカレイドスコープ１５Ｌに入射し、入射した位置で第１回目の反射Ｒ１を行う場合を示す。その他の点は図２Ｃ、２Ｄと同様である。この場合、カレイドスコープ１５Ｌの長さは、図２ＣのカレイドスコープＬの長さより２ｄ短くなり、２１９ｍｍとなる。図２Ｃから図２Ｄを介して図２Ｅにいたる範囲で４回反射のカレイドスコープを実現できる。入射面での位置合わせも考慮し、長さ２２５ｍｍ、幅６ｍｍのカレイドスカープを設計した。

図２Ｆは、カレイドスコープの短尺（ｙｚ）方向の断面を示す。図２Ｂに示すように、ＮＡ変換光学系１４Ｓは素通りなので、カレイドスコープ１５ＳにはＮＡ＝０．０１６の入射ビームが入射する。光ファイバ出口のビーム径が約１ｍｍであり、光ファイバ出口からカレイドスコープ入射面までの長さを４５０ｍｍ程度とすると、カレイドスコープ入口でのビームサイズは１５．４ｍｍとなる。長さ２２５ｍｍのカレイドスコープ出口でのビームサイズは４．９３ｍｍ大きくなり２０．３３ｍｍとなる。短尺方向に関してはカレイドスコープ内で反射を行わないように、短尺方向寸法を２０．３３ｍｍ以上にすればよい。余裕を見て短尺（ｙ）方向の幅を３０ｍｍとした。

図２Ｂに示すように、短尺方向に関しては、光ファイバ１３を発した光ビームは、光学的に直進し、結合光学系１６Ｓに入射する。結像光学系１６Ｓは、光ファイバ１３の出射面を照射面上に結像する。

単純なレンズの結像を想定する。レンズの焦点距離をｆ、レンズから物点までの距離をａ、レンズから像点までの距離をｂとすると、（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）となる。結像の倍率はｍ＝ｂ／ａとなる。

図２Ａ，２Ｂに示すように、結像光学系１６を、長尺方向のシリンドリカルレンズと短尺方向のシリンドリカルレンズの組み合わせで構成する場合、長尺方向のシリンドリカルレンズを光源に近い方に置き、短尺方法のシリンドリカルレンズを光源から遠い方に置くのが好ましい。長尺方向に関してはｂを大きくして倍率ｍを大きくし、短尺方向に関してはｂを小さくして倍率を小さくできる。

図３Ａに示すように、長尺方向の結像光学系１６Ｌにより、カレイドスコープ１５Ｌの出射面の像を照射面１７上にイメージングする。光強度分布が均一化されたカレイドスコープ１５Ｌ出射面の像が、照射面上に拡大して結像される。

図３Ｂに示すように、光ファイバ１３の出口の像を、短尺方法の結像光学系１６Ｓにより、照射面１７上に縮小して結像する。レンズの焦点距離をｆｓ、光ファイバ１３からレンズ１６Ｓまでの距離をａ、レンズ１６Ｓから照射面１７までの距離をｂとすると、（１／ａ）+（１／ｂ）＝１／ｆｓであり、像倍率ｍはｍ＝ｂ／ａとなる。光ファイバ１３の出射面の径を１ｍｍ＝１０００μｍとすると、照射面１７上には、１０００×（ｂ／ａ）の径の像が得られる。５０μｍ径の結像を得るには、ｂ／ａ＝１／２０となる。ａ＝８０ｃｍであれば、ｂ＝４ｃｍ、ａ＝４０ｃｍであれば、ｂ＝２ｃｍとなる。ビームを５０μｍ以下に細線化しても、結像レンズ１６Ｓと照射面１７との間には十分なクリアランスを設けることが可能である。もちろん、結像レンズ１６Ｓと照射面１７との間の距離を短くし、より小さな像を結像することも可能である。

なお、短尺方向に関して、結像光学系はカレイドスコープの出射面より光源側の像を結像すれば、高い縮小率（小さい倍率）を得るのに有効である。光ファイバ出射面の像を照射面上にイメージングするのが短尺方向のビーム寸法を小さくするのに最も有効である。光ファイバの出射面から結像光学系の焦点深度以内の像であれば、照射面上でほぼ同一の効果が得られる。照射面上で短尺方向のビーム径がベストフォーカスから２倍になるまでの範囲であれば、実効的に高い縮小率（小さい倍率）が保障される。

図４Ａ、４Ｂは、シミュレーションによって求めたカレイドスコープ出射面上での長尺方向の光強度分布及び短尺方向の光強度分布を示す。長尺方向に関しては、カレイドスコープの幅６ｍｍの全幅に渡り、ほぼ一定の光強度が得られている。短尺方向の光強度分布は、カレイドスコープの幅３０ｍｍ内に分布している。半値幅（ＦＷＨＭ）は、１１ｍｍである。ＮＡから求めたカレイドスコープ入射面上でのビームサイズ１５，４ｍｍとほぼ一致する結果である。

図４Ｃ、４Ｄは、シミュレーションによって求めた照射面上での長尺方向及び短尺方向の光強度分布である。長尺方向に関しては、光ビームの長さが拡大しているが、光強度分布は全幅においてほぼ一定である。短尺方向に関しては、光強度分布が短尺方向に縮小され、細線化が実現されている。

以上説明した第１の実施例においては、照射ビームの長尺方向についてのみ、ＮＡ変換を行った。長尺方向、短尺方向ともに同一のＮＡ変換を行うことも可能である。図５Ａ、５Ｂは、第２の実施例によるカレイドスコープ１５を概略的に示す断面図である。図５Ａは、カレイドスコープのビーム長尺方向の断面図を示し、第１の実施例の場合と同様である。

図５Ｂに示すように、長尺方向と同一のＮＡ変換を受けた入射ビームを受けるビーム短尺方向に関しては、カレイドスコープ１５の寸法を、反射を生じないように設定する。例えば、上述のようにビーム長尺方向のカレイドスコープの寸法が６ｍｍであり、ビーム長尺方向において４回の反射を行わせる場合、ビーム短尺方向のカレイドスコープの寸法を、６×９＝５４ｍｍ以上、例えば６０ｍｍとする。ビーム短尺方向に関しては、カレイドスコープ内で反射が生じないため、結像光学系１６から、ＮＡ変換光学系を介して、光ファイバ１３の出射面を見ることができる。結像光学系で光ファイバ１３の出口の像を照射面に結像すると、第１の実施例同様、倍率ｍを小さく設定することができる。
第１、第２の実施例においては、照射面上のビーム長尺方向のカレイドスコープ寸法を照射面のビーム短尺方向のカレイドスコープ寸法よりも短く設定し、カレイドスコープ内でビーム短尺方向の反射は行わせなかった。カレイドスコープ内でビーム短尺方向の反射も行わせ、短尺方向の光強度分布も均一化することもできる。長尺方向、短尺方向共に、光強度分布が均一となる所定回数の反射を行わせる。この場合、カレイドスコープ寸法もビーム形状に合わせ、長尺方向で長く、短尺方向で短く設定するのが好ましい。カレイドスコープ入射面の有効面積を広くすることができ、入射面の損傷回避などにも有効となる。

図６Ａ、６Ｂは、第３の実施例による光照射光学系を示す概略断面図である。カレイドスコープ１５内で、短尺方向、長尺方向共に例えば同一回数の反射を行わせる。カレイドスコープの１５の寸法が、ビーム長尺方向に長く、ビーム短尺方向に短い場合、ＮＡ変換光学系で同一のＮＡ変換を行うと、カレイドスコープ内で異なる回数の反射を生じさせることになる。ビーム長尺方向で所望の反射回数を達成しようとすると、ＮＡを大きく設定することになり、ビーム短尺方向では所望の回数よりも多数の反射を生じてしまう。逆に、ビーム短尺方向で所望の反射を達成するようにＮＡを設定すると、ビーム長尺方向においては所望反射回数を達成できず、反射回数が不足することになってしまう。そこで、ＮＡ変換光学系を、長尺方向、短尺方向それぞれ独立にＮＡ変換を行えるように設定する。

図６Ａに示すように、ＮＡ変換光学系１４は、短尺方向ＮＡ変換光学系１４Ｓと長尺方向ＮＡ変換光学系１４Ｌを含む。長尺方向に関しては、短尺方向ＮＡ変換光学系１４Ｓは素通りであり、長尺方向ＮＡ変換光学系１４Ｌのみが機能する。

図６Ｂに示すように、短尺方向に関しては、短尺方向ＮＡ変換光学系１４Ｓのみが機能し、長尺方向ＮＡ変換光学系１４Ｌは素通りである。

このように、ビーム長尺方向、短尺方向でそれぞれ独立にＮＡを変換することにより、長尺方向に長く、短尺方向に短いカレイドスコープ１５内で、それぞれ均一強度分布を実現するのに必要な所定回数の反射を達成することができる。

ビーム長尺方向、短尺方向共に、カレイドスコープ内で反射させることにより、光強度分布を均一化できる。短尺方向の光強度分布が、ガウス分布型から台形分布型に変化し、両側を急峻な強度変化を示す領域で画定された均一強度領域が形成される。アモルファスシリコン膜を多結晶化するレーザアニールにおける種結晶形成等に有効であろう。レーザビームをマスクで整形することで類似の光強度分布を形成することも可能であるが、マスクでビームを整形することは利用可能なビームエネルギを減少させることになる。

本実施例の場合、ビーム短尺方向、長尺方向共にカレイドスコープ内で反射を行うため、結像光学系１６は、カレイドスコープ１５出射面の像を照射面１７上に結像する。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、レーザ光源として、固体レーザに限らず、ガスレーザ、半導体レーザを用いてもよい。パルス発振レーザに限らず、連続発振レーザを用いることもできる。複数のレーザからの出射光を合成する場合に有効である。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１Ａ〜１Ｅは、本発明の実施例の基本形態を示す概略断面図、光ファイバの端面を示す斜視図、光ファイバへの結合率を示すグラフ、光ファイバの出射面と照射面上の光ビームの関係を示す斜視図、カレイドスコープ内の反射を説明するためのダイアグラムである。図２Ａ〜２Ｆは、第１の実施例による照射光学系を示す概略断面図である。図３Ａ、３Ｂは、第１の実施例による結像光学系の機能を概略的に示す断面図である。図４Ａ、４Ｂは、第１の実施例によるカレイドスコープ出口での光強度分布例を光シュミュレーションによって求めたグラフ、図４Ｃ、４Ｄは、照射面上の光強度分布例をシミュレーションによって求めたグラフである。図５Ａ、５Ｂは、第２の実施例によるカレイドスコープを概略的に示す断面図である。図６Ａ、６Ｂは、第３の実施例による照射光学系を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１１固体レーザ
１２結合レンズ
１３光ファイバ
１４ＮＡ変換光学系
１５カレイドスコープ
１６結像光学系
１７照射面
２０制御回路
２１照射光ビーム

Claims

複数のレーザ光源の各々から出射したレーザビーが結合される入射面と、光軸に直交する面内の第１の方向に並んで配列された出射面とを有する複数の光ファイバと、
前記複数の光ファイバの出射面から出射する、前記第１の方向に並んだ複数の光ビームを受け、前記第１の方向の開口数（ＮＡ）を変換するＮＡ変換光学系と、
前記ＮＡ変換光学系を通過した複数の光ビームを含む合成光ビームを入射面に受け、前記第１の方向に関して複数回反射させ、出射面から前記第１の方向の光強度分布を平均化した合成光ビームを出射するカレイドスコープと、
前記カレイドスコープの出射面から出射する合成光ビームを受け、光軸に直交する照射面上に前記第１の方向に沿ったライン状に結像する結像光学系であり、前記第１の方向と、前記第１の方向に交差する第２の方向とに関して異なる焦点距離を有する結像光学系と、
を有する照射光学系。
前記結像光学系は、前記第１の方向に関しては前記カレイドスコープの出射面の像を前記照射面上に結像し、前記第２の方向に関しては前記カレイドスコープ出射面より前記レーザ光源側の像を前記照射面上に結像する請求項１記載の照射光学系。
前記結像光学系は、前記第２の方向に関しては前記光ファイバの出射面から焦点深度以内の位置を前記照射面上に結像する請求項１または２記載の照射光学系。
前記結像光学系は、前記第２の方向に関しては前記光ファイバの出射面から結像ビーム径が２倍になるまでの範囲内の位置を前記照射面上に結像する請求項１または２記載の照射光学系。
前記カレイドスコープは、前記第２の方向に関しては入射光を反射しない請求項１〜４のいずれか１項記載の照射光学系。
前記カレイドスコープは、前記第１の方向の寸法が前記第２の方向の寸法より短い請求項５記載の照射光学系。
前記ＮＡ変換光学系は、前記第２の方向に関しては入射光をＮＡ変換せずに透過させる請求項１〜６のいずれか１項記載の照射光学系。
前記ＮＡ変換光学系は、前記第１及び第２の方向に関して同一のＮＡ変換を行い、前記カレイドスコープの前記第２の方向の寸法は、前記第２の方向に関して反射を生じないように選択されている請求項６記載の照射光学系。
前記ＮＡ変換光学系は、前記複数の光ファイバから出射する、前記第１の方向に並んだ複数の光ビームを受け、前記第２の方向のＮＡも変換する請求項１記載の結像光学系。
前記カレイドスコープは、前記第１の方向の寸法が前記第２の方向の寸法より長い請求項９記載の照射光学系。
前記カレイドスコープが前記第１の方向及び第２の方向に関してそれぞれ所定回数の反射を行うように、前記ＮＡ変換光学系は前記第１の方向及び第２の方向に関して独立のＮＡ変換を行う請求項９または１０記載の結像光学系。
さらに、複数の固体レーザを有し、前記複数の光ファイバが前記複数の固体レーザに結合されている請求項１〜１１のいずれか１項記載の照射光学系。
前記固体レーザが、パルス発振レーザである請求項１２記載の照射光学系。
前記固体レーザが、連続発振レーザである請求項１２記載の照射光学系。
さらに、複数の半導体レーザを有し、前記複数の光ファイバが前記複数の半導体レーザに結合されている請求項１〜１１のいずれか１項記載の照射光学系。