JP2009246371A - 投影光源 - Google Patents

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Abstract

【課題】対称なひとみ放射照度、対称なひとみ分布、一様な開口数、および高度のテレセントリック性を有する強い弓状の光帯(即ち、従来の装置により発生されるより強い)を発生する投影光源を提供する。
【解決手段】画像分割器は、投影光源との使用に適合する画像分割器であって、入力面と、出力面と、入力面からの光を出力面へ再指向させる複数の要素とを含んでおり、出力面が、入力面と異なる矩形の形状を有し、複数の要素の少なくとも一つが、出力面のほぼ均一な放射照度を確実にするよう、複数の要素の少なくとも一つの光学的透過率を低下させる少なくとも一つの被膜を有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、ホトリソグラフィ投影装置に使用される投影光源に関する。詳細には、本発明は、環状視野投影器に使用される照明装置である。
環状視野投影器は、ホトリソグラフィに使用される光学的投影器であり、ホトリソグラフィは、回路パターンがマイクロプロセッサ用のシリコンおよび他のコンピュータのチップに形成される工程である。環状視野投影器の一例は、オフナー投影器である。環状視野投影器において、投影光源は、弓状の光帯を形成するために使用される。次に、この光は、環状視野投影器により使用されて、所望の回路パターンのレチクルを目標シリコンに投影する。
図1は、従来の環状視野投影器の説明図である。図1に示されているように、環状視野投影器は、台形鏡2、凹面鏡3、および凸面鏡4を備えている。レチクル1は、所望の回路パターンの一つの層の画像を有している。投影光源(示されていない)からの弓状の光帯6は、レチクル1を通過して、弓状の光帯6により照明された回路パターンの円弧状の画像が、目標シリコン7へ投影される。レチクル1と目標シリコン7は、どちらも、弓状の光帯6がレチクル1の全面を走査するように、線Aに平行な方向に整合して移動する。弓状の光帯6がレチクル1上で走査されると、全回路パターンの画像が、目標シリコン7の上に走査により形成される。走査速度、従って、全体的効率は、レチクル1に投影される光量と目標シリコン7に必要な露出に依存する。
回路パターンが目標シリコン7に投影された後、その後の処理は、回路パターンの画像を現像する。パターンは、エッチングされ、ドーピングされ、または他に処理され、これにより、所望の回路の一つの層を生成する。投影、現像、および処理の工程は、各その後の層について繰り返される。
このタイプの投影器によく適合するために、投影光源は、特別な光学的特性を有する弓状の光帯を発生しなければならない。これらの光学的特性には、対称性のあるひとみ放射照度、対称性のあるひとみ分布、均一な開口数、およびテレセントリック性がある。
従来の投影光源は、所望の光学的特性を有するが、所望の弓状の形状でない光領域を発生する。弓状の形状を得るために、光は、スクリーンの円弧状のマスクを通過する。少量の光だけが円弧状マスクを通過し、残りの光はマスクにより遮断される。光エネルギーは少ないので、露出時間は長くなり、効率は低下する。
幾つかの試みが、例えば、プリズムおよびフライアイ装置などの非レンズ要素により光エネルギーを再分布することにより、投影光源の均一性とテレセントリック性を向上させるために行われた。これらの方法は均一性、テレセントリック性を向上したが、投影器の弓状の視野に一致しない矩形の光帯も発生する。
幾つかの試みが、光をオプチカルファイバにより改良するために行われた。カンティ ジェイン著、アドバンシズ イン エキシマー レーザー リソグラフィ、744 レーザー イン マイクロリソグラフィ 115(エス・ピー・アイ・イー1987)を参照のこと。しかし、これらの試みは、画像に不均一性を持ち込んでいる。幾つかの試みが、円筒形鏡で反射することにより光を改良するために行われた。これら試みは、光のエネルギーを増加したが、それらもまた、非対称のひとみ放射照度と分布、不均一な開口数、またはテレセントリック性の低下などの好ましくない光学的特性を持ち込んでいる。従って、対称なひとみ放射照度、対称なひとみ分布、一様な開口数、および高度のテレセントリック性を有する強い弓状の光帯(即ち、従来の装置により発生されるより強い)を発生する投影光源に対する必要性がある。
本発明に係わる画像分割器は、投影光源との使用に適合する画像分割器であって:
入力面と:出力面と:入力面からの光を出力面へ再指向させる複数の要素と;を含んでおり、出力面が、入力面と異なる矩形の形状を有し、複数の要素の少なくとも一つが、出力面のほぼ均一な放射照度を確実にするよう、複数の要素の少なくとも一つの光学的透過率を低下させる少なくとも一つの被膜を有することを特徴とする。
また、本発明に係わる光を集積する方法は、入力光を矩形の光帯へ変形する方法において:入力光を多数の光帯へ分割する分割ステップと;複数の光帯を矩形の光帯へ再指向する再指向ステップと;矩形の光帯のほぼ均一な放射照度を確実にするように、複数の光帯の少なくとも一つを減衰する減衰ステップと;を含んでいることを特徴とする。
この簡単な要約は、本発明の本質が速やかに理解されるように作成されている。本発明のさらに完全な理解は、添付図面と関連して、好適な実施態様の以降の詳細な説明を参照することにより得ることが出来る。
従来の環状視野投影器の説明図である。 本発明による投影光源を組み入れた環状視野投影器の図である。 本発明による投影光源の構造と動作を示す図である。 均質器の構造と動作を示す図であり、均質器は視野レンズ、前部集積器、角度集積器、画像後部集積器を備えている。 前部集積器の構造を示す図である。 前部集積器の出力面における相対的放射照度を示すグラフである。 前部集積器の出力面の中心におけるひとみの均一性を示すグラフである。 前部集積器の出力面の中心と縁の中間におけるひとみの均一性を示すグラフである。 前部集積器の出力面の縁におけるひとみの均一性を示すグラフである。 角度集積器の二つの面の図である。 角度集積器の一つの面の縁の外形図である。 十分に透明な材料の板から製作された角度集積器の図である。 一定の比率で描かれた、角度集積器の好適な実施態様の一つの面の縁の外形図である。 一定の比率で描かれた、十分に透明な材料の板から製作された角度集積器の好適な実施態様の図である。 角度集積器の他の実施態様を示す図である。 角度集積器の動作を示す図である。 画像分割器の図である。 図10aの画像分割器を形成するように好適に組み合わされた三つのタイプの要素の図である。 図10cは、図10bの要素を形成するように好適に組み合わされた五つの異なる形状の素材の図である。 画像分割器の動作を示す図である。 後部集積器の構造を示す図である。 好適な実施態様による後部集積器の出力面における相対的放射照度を示すグラフである。 投影光源が角度集積器を含んでいない場合の、後部集積器の出力面における相対的放射照度を示すグラフである。 好適な実施態様による後部集積器の出力面の中心におけるひとみの均一性を示すグラフである。 好適な実施態様による後部集積器の出力面の中心と縁の間の中間におけるひとみの均一性を示すグラフである。 好適な実施態様による後部集積器の縁におけるひとみの均一性を示すグラフである。 投影光源が角度集積器を含んでいない場合の、後部集積器の出力面の中心におけるひとみの均一性を示すグラフである。 投影光源が角度集積器を含んでいない場合の、後部集積器の出力面の中心と縁におけるひとみの均一性を示すグラフである。 投影光源が角度集積器を含んでいない場合の、後部集積器の出力面の縁におけるひとみの均一性を示すグラフである。 中継器、再写像器、および再映像器の構造と動作を示す図である。 中継器の構造と動作を示す図である。 再写像器の構造と動作を示す図である。 中継器と再写像器の出力から100キロメートルにおけるひとみの足跡を示す図である。 投影光源の出力における弓状の光帯のテレセントリック性のエラーを示す図である。 再映像器の構造を示す図である。 再映像器の他の実施態様を示す図である。
図2は、本発明による投影光源を組み込んでいる環状視野投影器の説明図である。環状視野投影器の一例は、ホトリソグラフィに使用されるタイプであり、オフナー投影器である。環状視野投影器には、レチクル1、台形鏡2、凹面鏡3、凸面鏡4、目標シリコン7、強固な構造体8、ファン9、ビームスプリッタ10、小型ミラー11、モニター回路12、投影光源100、および屈曲鏡100aと100bが組み入れられている。
レチクル1は、所望の回路パターンの一つの層の画像を有する。これらの数個の層が、所望の回路パターンを造り上げており、パターンは、目標シリコンの上に適切に生成されると、所望の回路を形成する。ホトリソグラフィ法は、目標シリコンの上にこの所望の回路を形成しようとするものである。この方法により生成される回路の例は、最近のマイクロプロセッサ、メモリーチップ、固体スイッチなどである。
台形鏡2、凹面鏡3、および凸面鏡4は、環状視野投影器を形成している。この投影装置は、凹面鏡3の特別な円弧状視野に画像をほぼ完全に投影する。これら三つの鏡により形成された環状視野投影器のパラメータは、円弧状領域の位置と半径を含んでおり、この技術界において周知である。
強固な構造体8は、レチクル1と目標シリコン7を保持する。従って、レチクル1と目標シリコン7は、相互に固定されている。言い換えると、強固な構造体8が移動すると、必ず、レチクル1と目標シリコン7は、必ず、同時に移動する。
ファン9は、一般に、回路パターンの適切な形成に必要とされる投影器内の特殊な環境状態を維持するのに役に立つ。
ビームスプリッタ10は、弓状の光帯6が投影光源100から出射した後、弓状の光帯6の小部分を分岐する。弓状の光帯6のこの小部分は、鏡11によりモニター回路12へ指向される。モニター回路12は、弓状の光帯6の形状と放射照度を測定して、弓状の光帯6の適切な形状と放射照度を確実にするように、投影光源100を手動的または自動的に補正を行う。
投影光源100は、弓状の光帯6を発生する。投影光源100からの光は、弓状の光帯6を環状視野投影器の使用に適切にする特別な光学的特性を有する。さらに、投影光源100は、従来の投影光源より強い弓状の光帯を発生する。
屈曲鏡100aと100bは、投影光源100の光路に対し45度傾斜した二つの鏡である。これらの鏡は、投影光源100の物理的長さを縮小するように働く。
動作状態において、投影光源100からの弓状の光帯6は、レチクル1を通過し、レチクル1上の円弧状に切り取られた画像をピックアップする。次に、この円弧部分は、環状視野投影器により目標シリコン7へ投影される。この環状視野投影器は、台形鏡2、凹面鏡3、および凸面鏡4を備えている。弓状の光帯は、環状視野投影器において可能なほぼ完全な投影の利点を得るために、使用されている。
強固な構造体8は、レチクル1と目標シリコン7を矢印Aと平行な方向へ同時に移動する。強固な構造体8が移動すると、弓状の光帯6は、レチクル1上で走査される。レチクル1上の回路パターンの層の、生成した円弧状の画像は、目標シリコン7上で走査される。
回路パターンの層の画像がシリコンへ走査された後、その後の処理は画像をシリコン上に現像する。次に、この層はエッチングされ、ドーピングされ、あるいは他の処理をされ、これにより、一つの層に回路パターンを生成する。この工程を容易にするため、特別な環境状態が投影器内に維持される。ファン9は、これらの特別な状態を維持するのに役立つ。さらに、モニター回路12は、必要ならば、光の適切な形状と放射照度を確実にするように、投影光源100を調節するために使用することが出来る。
回路パターンの層が目標シリコン7に形成されると、シリコンの表面は粗面になる。従って、投影器は、大きい焦点深度を有していなければならない。この大きい焦点深度を得るために、投影器は、対称な入射ひとみ放射照度、対称な入射ひとみ分布、一様な開口数、及び高度のテレセントリック性を有する弓状の光帯を発生する投影光源を必要とする。投影光源100は、この様な光を発生する。
図3は、本発明による投影光源の構造と動作を示す図である。投影光源100は、電球101と光学的投光装置102を備えている。
電球101は、円弧部107と鏡108を備えている。円弧部107は、一般に水銀灯からのアークである。鏡108は、光をアークから回転軸対称の光へ変形する。これは、光学的投光装置102への入力部において画像を形成する。
光学的投光装置102は、均質器103、中継器104、再写像器105、及び再映像器106を備えている。均質器103は、入力された光をほぼテレセントリック性の矩形の光帯へ変形する光学的要素を備えている。中継器104は、テレセントリック性の実質的な損失がなく入力された画像から1.6倍に拡大された画像を形成する。再写像器105は、矩形の光帯を実質的にテレセントリック性の弓状の光帯へ再写像する。最後に、再映像器106は、入力された画像から2倍に拡大された画像を生成する。
動作状態において、均質器103は、電球101から回転軸対称の光110を受け取り、光をほぼテレセントリック性の矩形の光帯111へ変形する。中継器104は、光帯111を1.6倍に拡大することにより、ほぼテレセントリック性の矩形の光帯111を中間画像112へ変形する。再写像器105は、中間画像112をほぼテレセントリック性の光帯113へ変形する。最後に、再写像器106は、弓状の光帯113を2倍に拡大して、弓状の光帯6を形成する。
好適な実施態様において、投影光源100は、円弧部分115と耳部分116と117を有する弓状の光帯6を発生する。円弧部分115は、等しい曲率半径と偏倚した中心を有する二つの円弧から形成されている。円弧部分115は、環状視野投影器の使用には理想的である。耳部分116と117上の放射照度は、円弧部分115より一様性とテレセントリック性が劣る。従って、耳部分116と117は、円弧部分115により投影された回路パターンに比べて詳細で幅広い回路線をそれほど必要としない回路パターンまたはプロセス制御の主要点の投影には適している。
図4は、均質器の構造と動作を示す図である。均質器103は、視野レンズ118、前部集積器119、角度集積器120、画像分割器121、および後部集積器122を備えている。
視野レンズ118は、鏡108の射出開口を無限遠において結像する。前部集積器119は、入力された光をほぼテレセントリック性の正方形光帯へ再構成する。角度集積器120は、入力された光の、入射ひとみの放射照度の対称性、入射ひとみの分布の対称性、およびテレセントリック性を向上させる。画像分割器121は、テレセントリック性の著しい損失なく、入力された正方形光帯を矩形光帯へ変形する。最後に、後部集積器122は、光の放射照度の一様性を高めるように、入力された光を再分布する。
動作状態において、視野レンズ118は、均質器103の入口に配置されている。視野レンズ118は、電球101の出力をコリメートして、電球101からの回転軸対称な光110を、ほぼテレセントリック性の円形の光123に変形する。前部集積器119は、ほぼテレセントリック性の円形の光123のエネルギーを、正方形の光帯124へ再構成する。角度集積器120は、正方形の光帯124の、入射ひとみ放射照度の対称性、入射ひとみの分布の対称性、およびテレセントリック性を高めて、ほぼテレセントリック性の正方形光帯125を生成する。画像分割器121は、ほぼテレセントリック性の正方形光帯125をほぼテレセントリック性の矩形光帯126へ変形する。後部集積器122は、ほぼテレセントリック性の矩形光帯126のすべての不均一性を補償して、ほぼテレセントリック性の矩形光帯111を発生する。この光帯は、後部集積器から出力される。
ここで、均質器103の各構成要素の構造と動作を詳細に考察する。
視野レンズ118は、好適に、屈折率1.4585の精密徐冷の光学ガラス(溶融シリカ)から製作された単一の平凸レンズである。視野レンズの凸側は、半径が247.3mmである。レンズは、外周縁の直径が40mmで、中心の厚さは4.0mmである。視野レンズ118の光学面は研磨され、反射防止被膜が施され、345nm〜450nmのスペクトル範囲で、光学面の最小透過率を確実に99.6%にしている。このスペクトル範囲は、水銀灯により発生した光の範囲である。視野レンズ118の外周縁は、フラットに研削され、黒染めされている。
動作状態において、視野レンズ118は、レンズの屈折率と曲率に基づいた量だけ光を屈曲させることにより、電球101の出力光を平行にする。この光は屈曲されて、電球101からの回転軸対称の光110を、ほぼテレセントリック性の円形の光123に変形する。
図5は、前部集積器119の構造を示す図である。好適な実施態様において、前部集積器119は、大きさが25mm×25mm×267.5mmで、UV(紫外線透過)グレードの溶融シリカの一片から製作されている。前部集積器119のすべての面は研磨されている。さらに、入力面127と出力面128は、反射防止被膜が施されている。
動作状態において、前部集積器119の入力面127は、ほぼテレセントリック性の円形の光を視野レンズ118から受光する。前部集積器119は、ほぼ均一な放射照度が出力面128から出力されるように、光のエネルギーを多数の全内部反射により再構成する。前部集積器119の長さは、この出力される放射照度を最大にするように、選択される。出力面128のほぼ均一な放射照度は、正方形の光帯124を形成する。
図6は、前部集積器119の出力面128の相対的放射照度を示すグラフである。水平と垂直の軸は、出力面128の位置に対応する。陰影部分は、各位置における正方形の光帯124の放射照度に相当する。グラフは、出力面128における正方形の光帯124の放射照度が、±0.4%以内で均一であることを示している。
図7a〜図7cは、前部集積器119の出力面128における入射ひとみの均一性を示すグラフである。図7aは、出力面128の中心における入射ひとみの均一性を示すグラフである。図7bは、出力面128の中心と出力面128の縁との中間における入射ひとみの均一性を示すグラフである。図7cは、出力面128の縁における入射ひとみの均一性を示すグラフである。
三つのグラフ図7a,7b,および7cのすべてにおいて、円弧部107の画像が、入射ひとみを横切って繰り返し見られる。さらに、観測点が出力面128の中心(図7a)から出力面128の縁(図7c)へ移動すると、画像のパターンは、変移する。この変移は、入射ひとみの対称性とテレセントリック性が無いことを示している。三つの観測点だけから、テレセントリック性の最大変化の絶対値を決定することは出来ない。しかし、観測された変化の程度から、±8.3ミリラジアンのテレセントリック性の誤差は起こりうる。残りの均質器、特に角度集積器120は、この誤差を考慮して、光の入射ひとみの均一性とテレセントリック性(即ち、平均的円錐形光束のテレセントリック性)を高める。
図8a〜図8eは、より均一であるように、入射ひとみの光を再分布する角度集積器の構造を示す図である。
手短に言えば、角度集積器は、第一面、第二面、および第一面と第二面に沿って縦方向に伸長している複数の溝を備えている。好適な実施態様において、溝は三角形の溝である。溝は、間隙により横方向に分離されている。第一面の溝は、第二面の溝にほぼ直角な方向に置かれており、光は第一面から第二面へ進む。
詳細に言えば、図8aは、角度集積器120の入力面131と出力面132の図である。複数の三角形の溝133が、各面に沿って縦方向に伸長している。三角形の溝133は、間隙134により横方向に分離されている。入力面131の三角形の溝131は、出力面132の三角形の溝とほぼ直角な方向に置かれている。光は入力面131から出力面132へ進み、各面の三角形の溝と間隙を通過する。
図8bは、角度集積器120の一つの面の縁の外形図である。好適に、三角形の溝のそれぞれの幅136は、間隙134のそれぞれの幅137にほぼ等しい。言い換えると、三角形の溝133の周期は、間隙134のそれぞれの幅137の約2倍である。
図8cは、十分に透明な材料の板から制作された角度集積器120の図である。好適に、入力面131と出力面132は、十分に透明な材料の板141の反対面である。あるいは、入力面131と出力面132は、異なる屈折率の材料の間の境界に形成することが出来る。
図8dは、一定の比率で描かれた、角度集積器120の好適な実施態様の一つの面の縁の外形図である。好適に、三角形の溝133の間隔と大きさは、実質的に回折効果を避けるに十分な大きさである。従って、図8dに示されているように、溝133のそれぞれの幅136と間隙134のそれぞれの幅137は、どちらも0.25mmである。従って、三角形の溝133の周期139は、この幅の2倍、即ち、0.50mmである。さらに、三角形の溝133のそれぞれの深さ143は、比較的に浅く、この場合、0.0181mmである。
図8eは、一定の比率で描かれた、十分に透明な材料からなる板141から製作された角度集積器120の好適な実施態様の図である。溝133と間隙134は、このスケールでは外見が比較的に小さいので、図8eには示されていないことを付記しておく。好適に、十分に透明な材料の板141は、紫外線透過グレードの溶融シリカで制作されている。この材料は、角度集積器が高い光学的透過率を有し、かつ、熱負荷に耐えられるように、使用されている。十分に透明な材料の板141のすべての面は、散乱を最小にするため研磨されている。最後に、入力面131と出力面132は、いずれも、光学的透過率を最大にするため、反射防止被膜が施されている。
他の実施態様では、三角形の溝133は、正方形の光帯124の入射ひとみ画像が反復される方向に対し約45度傾斜して伸びている。図7a〜図7cに示されているように、入射ひとみの反復される方向は、正方形の光帯124を水平または垂直に横切っている。従って、この実施態様では、三角形の溝133は、角度集積器120の入力面131と出力面132を横切って対角線上に伸びている。
図8fは、角度集積器のさらに他の実施態様の図である。角度集積器300は単一面301から成っている。第一組の溝303と第二組の溝304は、この面に沿って縦方向へ伸長している。好適に、溝303と304は、すべて、三角形の溝である。溝は、間隙307により横方向へ分離されている。第一組の溝303は、第二組の溝304に対しほぼ垂直な方向へ置かれている。好適に、面301は、紫外線透過グレードの溶融シリカなどの十分に透明な材料の板である。
手短に言えば、角度集積器のこの好適な実施態様は、最初に、入力光を第一方向へ分割し、この入力光は、多くの分離された光帯へ分割される。次に、角度集積器は、この多数の分離された光帯を第二方向へ分割し、この第二方向は、第一方向とほぼ直角な方向であり、多数の分離された光帯は、多数の分離された光線へ分割される。この多数の分離された光線は合計されて、ほぼテレセントリック性な光になる。
さらに詳しく説明すると、図9は、角度集積器120の動作を示す図である。ただ説明のために、入力面131は、左に低屈折率を、右に高屈折率を有する領域の間の境界を表し、出力面132は、左に高屈折率を、右に低屈折率を有する領域の境界を表すこととする。これらの屈折率の間の関係は、これらの一つの面の一部に斜めに突き当たる光線の屈折の方向を決定する。この関係は、入力面131と出力面132が、空気のある環境に置かれた光学ガラスの板に形成されるならば存在する関係に一致する。
正方形の光帯124は、入力面131を通り角度集積器120へ入射する。正方形の光帯124が、どのように、ほぼテレセントリック性の正方形の光帯125へ変形するかを説明するために、正方形の光帯124からの光線146〜150が、角度集積器120を通過して描かれている。これらの平行な光線は、実際には多様な角度と方向から入力面131に突き当たる多数の光線を示すただ5本の光線であることを付記しておく。平行な光線は、簡潔のためにこの説明だけに使用されている。
最初、正方形の光帯124の光線146〜150は、平行に進む。すべての光線は、入力面131に突き当たる。光線146〜148は、間隙134の一つに90度の角度で突き当たり、入力面131を真っ直ぐに通過する。光線149は、三角形の溝133の一つの下面151に突き当たり、下方へ屈折する。光線150は、三角形の溝133の上面152に突き当たり、上方へ屈折する。この様にして、間隙134のうちの同じ間隙に突き当たる光線146〜148と平行に進行するすべての光線は、入力面131を真っ直ぐに通過する光帯を形成する。下面151に突き当たる光線149に平行に進行するすべての光線は、入力面131により下方へ屈折される光帯を形成する。同様に、上面152に突き当たる光線150に平行に進行するすべての光線は、入力面131により上方へ屈折される光帯を形成する。
これらの光線から総括的に結論すると、入力面131は、入射光を三つの組の光帯に分割する。第一組の光帯は、入射光とほぼ平行な第一光帯の方向に伝搬し、第二組の光帯は、第一光帯の方向に対し斜めに伝搬し、第三組の光帯は、第一光帯の方向に対し反対の斜めに伝搬する。
次に、多数の光帯が、角度集積器120の面の間の距離を伝搬し、出力面132に突き当たる。示された光線を追跡すると、光線146が90度の角度で間隙134の一つに突き当たり、出力面132を真っ直ぐに通過する。光線147は、三角形の溝133の一つの右側153に突き当たり、右へ屈折される。この様にして、光線146〜148に関連した光帯は、出力面132上の間隙134の一つと三角形の溝133の一つにより、三つの光束に分割される。同様に、光線149〜150のそれぞれに関連した光帯は、間隙と三角形の溝により、三つの光束に分割される。この様にして、多数の光帯は、出力面132により多数の光束に分割される。
これらの光線から総括的に結論すると、出力面132は、分離された光帯のそれぞれを三つの分離された組の光束に分割する。第一組の光束は、第一光束の方向へ伝搬し、第二組の光束は、第一組の光束の方向に斜めに伝搬し、第三組の光束は、第一組の光束の方向に対し反対の斜めに伝搬する。
好適に、第一組の光帯の光量は、第二組の光帯の光量と第三組の光帯の光量との和にほぼ等しい。さらに、第一組の光束の光量は、第二組の光束の光量と第三組の光束の光量との和にほぼ等しい。これは、三角形の溝133のそれぞれの幅136を間隙134のそれぞれの幅137にほぼ等しくすることにより達成される。
多数の光束が出力面132から伝搬して離れると、それらは直ちに合体する。この合体は光束を総和して、ほぼテレセントリック性である光になり、光の出口ひとみに存在する放射照度のばらつきを混ぜ合わせて一様にする。この様にして、ほぼテレセントリック性の正方形の光帯125が、角度集積器120の出力面132を通って出力される。
図8fに示された他の実施態様において、正方形の光帯124が面301により多数の光束に直接に分割されることを除いて、動作は、上述と実質的に同じである。言い換えると、光を光帯に分割し、光帯を光束に分割するステップは、同一空間で行われる。
前述より、角度集積器は、正方形の光帯124をほぼテレセントリック性の正方形の光帯125へ変形し、入射ひとみの放射照度の対称性、入射ひとみの分布の対称性、開口数の均一性、および光のテレセントリック性を非常に高める。
画像分割器121は、ほぼテレセントリック性の正方形の光帯125をほぼテレセントリック性の矩形の光帯126へ変形する。図10a〜図10cは、画像分割器の構造を示す図である。
手短に言えば、画像分割器は、入力面、出力面、および光を入力面から出力面へ再指向させる複数の構成要素を備えている。出力面は、形状が入力面と異なるほぼ矩形である。好適に、入力面はほぼ正方形である。構成要素の少なくとも一つは、出力面のほぼ均一な放射照度を確実にするため、構成要素の光学的透過率を低下させる少なくとも一つの被膜を有する。
図10aは、画像分割器の図である。光は入力面157を通って画像分割器121へ入射し、出力面158から出射する。
好適に、図10aに示されているように、画像分割器は、内部要素159、中間要素160と161、および外部要素162と163を備えている。内部要素159は、光を入力面157から出力面158へ真っ直ぐに進行させる。中間要素160と161は、光を、入力面157の内部要素159の傍らから出力面158の内部要素159の末端へ再指向させる。外部要素162と163は、光を、入力面157の中間要素160と161の傍らから出力面158の中間要素160と161の末端へ再指向させる。他の実施態様では、異なる数の要素(例えば、3または7)が画像分割器を形成するために使用されていることに留意されたい。
好適に、中間要素160と161は、同じタイプの要素である。言い換えると、中間要素160と161は、同じ形状で同じ光学特性を有する。従って、画像分割器121は、好適に、三つのタイプの要素だけから制作されている:即ち、内部タイプの要素、中間タイプの要素、および外部タイプの要素である。
図10bは、図10aの画像分割器を構成するように、好適に組み合わされた三つのタイプの要素の図である。
内部タイプの要素165は、形状が矩形である。内部タイプの要素165は、好適に、単一の平らなブロックの素材から製作されている。光は入力面166から内部タイプの要素へ入射し、出力面167から出射する。
中間タイプの要素169は、内部タイプの要素より複雑な形状をなしている。中間タイプの要素169は、三角形のプリズム170〜173から製作されている。これらのプリズムはすべて、小さい空気の間隙により分離されており、プリズム間の接合は、要素の光学的透過率を僅かに低下させる内部屈折面を形成している。
光は、入力面174から中間タイプの要素169へ入射し、面175で反射して、内部屈折表面176を通過し、面177で反射し、内部屈折表面178を通過し、面179で反射し、内部屈折表面180を通過し、面181で反射して、出力面182から出射する。光はまた、入力面174と出力面182以外の中間タイプの要素169のすべての外面で全内部反射を受ける。しかし、これらの全内部反射は、それらがほぼ100%の効率で行われるので、全く無視することが出来る。
外部タイプの要素184もまた、形状が内部タイプの要素より複雑である。外部タイプの要素184は、平らなブロック185と186およびプリズム187〜190から製作されている。これらの平らなブロックとプリズムは、すべて、小さい空気の間隙により分離されており、平らなブロックとプリズムとの接合部もまた、要素の光学的透過率を僅かに低下する内部屈折面を形成している。
光は、入力面191から入射して、面192で反射し、内部屈折表面193と194を通過し、面195で反射し、内部屈折表面196を通過し、面197で反射し、内部屈折表面198と199を通過し、面200で反射して、出力面201から出射する。光はまた、入力面191と出力面201以外の外部タイプの要素の外部面のすべてで全内部反射を受ける。しかし、これらの全内部反射は、それらの反射がほぼ100%の効率で行われるので、全く無視することが出来る。
一般に、中間タイプの要素169と外部タイプの要素184の内部屈折表面のすべては、反射防止被膜が施されている。さらに、反射面のすべて、すなわち、面175,177,179,181,192,195,197,および200は、性能を向上するアルミニウム反射被膜が施されている。しかし、三つのタイプの要素の光学的透過率を同等にするため、特殊な被膜が、内部タイプの要素165と中間タイプの要素169の幾つかの面と表面に施されなければならない。
詳しく説明すると、外部タイプの要素184は、多くの面と内部屈折表面を有する。その結果、すべての他の特性は同等であり、外部タイプの要素184は、内部タイプの要素165と中間タイプの要素169より、光学的透過率が低い。同様に、中間タイプの要素169は、内部タイプの要素165より、光学的透過率が低い。以降に説明する理由から、光学的透過率が等しくないことは、好ましくない。
内部タイプの要素165の光学的透過率を外部タイプの要素184の透過率へ低下させるため、内部タイプの要素165の入力面166は、面の光学的透過率を81%へ低下する被膜が施されている。この被膜は、この要素を通過する強い光束により、吸収ではなく好適に部分的に反射する。これらの強い光束は、吸収性の被膜を性能低下させる傾向がある。出力面167は、標準的反射防止膜が施されており、面は標準的光学透過率99.6%となっている。これらの被膜により、内部タイプの要素165の光学的透過率は、外部タイプの要素184の透過率と一致している。
同様に、内部屈折面176などの、中間タイプの要素169の一つの屈折面は、標準99.6%に対し、97.2%だけの光学的透過率の反射防止膜が施されている。この被膜と前述のその他の標準的被膜により、中間タイプの要素169の光学的透過率は、外部タイプの要素184の透過率と一致する。
この構成により、画像分割器121の、光が出射する出力面158は、有利にほぼ均一である。
好適な実施態様において、これらの要素を形成する平らなブロックとプリズムの多くは、形状が同じである。例えば、プリズム170,171,187,および188は、すべて同一形状である。従って、画像分割器121を形成している三つのタイプの要素は、限定された数のシンプルな平らなブロックとプリズムで制作されている。
図10cは、図10bの要素を形成するように、好適に組み合わされる、5種類の異なる形状の素材の図である。これらの5種類の異なる形状の素材は、平らなブロック205、平らなブロック206、平らなブロック207、三角形プリズム208、および三角形プリズム209である。
平らなブロック205は、大きさが5mm×25mm×25mmで、外部タイプの要素184の平坦なブロック185を形成する。平らなブロック206は、大きさが5mm×30mm×25mmで、内部タイプの要素165を形成する。平らなブロック207は、大きさが5mm×5mm×25mmで、外部タイプの要素184の平らなブロック186を形成する。三角形プリズム208は、大きさが5mm×25mm×25mmで、三角形プリズム170,171,187,および188を形成する。最後に、三角形プリズム209は、大きさが5mm×5mm×25mmで、三角形プリズム172,173,189,および190を形成する。
平らなブロック205〜207および三角形プリズム208,209は、良い耐熱負荷性を備えているように、好適に、紫外線透過グレードの溶融シリカから製作される。その上、ブロックプリズムの各面は、散乱を最小にするように、好適に研磨されている。
この構造により、画像分割器121は、限定された数の、製造が容易な平らなブロックとプリズムから制作されており、画像分割器の製造コストを低減している。
ここで、ほぼテレセントリック性の正方形の光帯125をほぼテレセントリック性の矩形の光帯126へ変形する画像分割器121の動作を考察する。
手短に言えば、好適にほぼ正方形の光帯である入力光は、複数の光帯に分割される。次に、複数の光帯は、ほぼ矩形の光帯へ再指向される。複数の光帯の少なくとも一つは、ほぼ矩形の光帯のほぼ均一な放射照度を確実にするように、弱められる。
図11は、画像分割器121の動作を示す図である。ほぼ正方形の光帯125は、入力面157を通り画像分割器121へ入射する。つぎに、ほぼ正方形の光帯は、五つの光帯に分割され、各光帯は、画像分割器の要素の一つにより、正方形の光帯から分割される。内部の光帯211は、内部の要素159により正方形の光帯から分割される。中間の光帯212と213は、中間の要素160と161により正方形の光帯から分割される。外部の光帯214と215は、外部の要素162と163により正方形の光帯から分割される。
次に、要素のそれぞれは、その対応する光帯をほぼ矩形の光帯126の一部へ再指向させ、その光帯を端から端へ配列する。内部の要素159は、内部の光帯211を矩形の光帯の内部部分216へ再指向させる。中間の要素160と161は、中間の光帯212と213を、内部部分216に沿って矩形の光帯の中間部分217と218へ再指向させる。外部の要素162と163は、外部の光帯214と215を、中間部分217と218の端に沿って矩形の光帯の外部部分219と220へ再指向させる。
上述のように、特別な被膜が、画像分割器121の要素の光学的透過率がほぼ等しいことを確実にするために、使用されている。これらの被膜は、内部と中間の光帯を分割と再指向により同一空間において弱める。この様にして、ほぼ矩形の光帯126は、ほぼ均一な放射照度で画像分割器から出射される。
この構造と動作により、および特に内部と中間の光帯を弱める被膜により、ほぼ正方形の光帯125は、ほぼ均一な放射照度を有する、ほぼ矩形の光帯126へ変形される。矩形の光帯の不均一な放射照度は投影光源の能力を低下させるので、対称な入射ひとみ放射照度の光を発生するためには、この均一な放射照度は有利である。
特別な被膜にかかわらず、主に、製造のエラーと、平らなブロックとプリズムを分離する小さい空気の間隙により発生する画像分割器の光帯分離とのために、ある程度の不均一が、ほぼ矩形の光帯126に存在するかもしれない。
図12は、十分に透明な材料の単一の板から形成された後部集積器の構造を示している図である。後部集積器122は、入力面222と出力面223を有する。後部集積器の出力面は、均質器103の出力に相当する。
この好適な実施態様において、後部集積器122は、大きさが400mm×125mm×5mmであり、その良い耐熱負荷性のために溶融シリカが使用される。後部集積器122のすべての面は研磨されている。その上、後部集積器122の入力面222と出力面223は、反射防止被膜が施されている。
動作状態において、ほぼ矩形の光帯126は、入力面222から後部集積器122へ入射する。後部集積器は、光をさらに均一になるように、全内部反射により、光を再分布する。同時に、後部集積器122は、光のテレセントリック性を実質的には低下させない。ほぼテレセントリック性の矩形の光帯111は、出力面223から後部集積器を出射する。この様にして、後部集積器122は、画像分割器121により発生した僅かな不均一もすべて効果的に相殺する。
図13aと13bは、後部集積器122の出力面223における相対的放射照度を示すグラフで、均質器103の出力に相当する。従って、電球101からの回転軸対称の光110をほぼテレセントリック性の矩形の光帯111へ変形する場合の均質器の効果を示している。
図13aは、好適な実施態様による出力面223における相対的放射照度を示すグラフである。このグラフは、均質器103における放射照度が±0.6%の範囲で均一であることを示している。
比較により、また、角度集積器120の効果を示すために、図13bは、均質器が角度集積器120を含んでいない場合の出力面223における相対的放射照度を示すグラフである。このグラフは、放射照度が±2.1%の範囲で均一であることを示している。従って、角度集積器120は、均一性のエラーを±2.1%から±0.6%へ減少する役目をはたしている。言い換えると、角度集積器120は、光を出射する均質器103の均一性を十分に高めている。
図14a〜図14fは、後部集積器122の出力面223における出射ひとみの均一性を示すグラフで、均質器103の出力に相当する。
図14aは、好適な実施態様による出力面223の中心における出射ひとみの均一性を示すグラフである。図14bは、好適な実施態様による出力面223の中心と縁との間の中間における出射ひとみの均一性を示すグラフである。図14cは、好適な実施態様による出力面223の縁における出射ひとみの均一性を示すグラフである。
これらの三つのグラフのすべてにおいて、円弧107の画像は、効果的に混ぜ合わされて均一になっている。その上、画像のパターンは、観測点が出力面223の中心(図14a)から出力面223の縁(図14c)へ移動するとき、実質的に変化していない。変移が無いこのことは、対称的なひとみの放射照度、対称的なひとみの分布、一様な開口数、および高度のテレセントリック性を示している。
比較により、また、角度集積器120の効果を示すために、図14d〜14fは、それらが、均質器が角度集積器120を含んでいない場合のひとみの均一性を示している点を除いて、図14a〜14cと同様のものである。図14dは、この場合の出力面223の中心におけるひとみの均一性を示しているグラフであり、図14eは、この場合の出力面223における中心と縁との間の中間のひとみの均一性を示しているグラフであり、図14fは、この場合の出力面223における縁のひとみの均一性を示しているグラフである。
これらの三つのグラフのすべてにおいて、円弧107の画像は、混ぜ合わされていない。さらに、画像のパターンは、観測点が出力面223の中心(図14d)から出力面223の縁(図14f)へ移動するとき、かなり変移する。この変移は、ひとみの対称性とテレセントリック性が無いことを示している。三つの観測点だけから、テレセントリック性の最大変化の絶対値を決定することは出来ない。しかし、観測された程度の変移から、±8ミリラジアンのテレセントリック性のエラーは、発生するかもしれない。この様に、角度集積器120が無いと、光を出射する均質器103のひとみの対称性とテレセントリック性は十分に低下する。言い換えると、角度集積器120は、光のひとみの対称性とテレセントリック性を有利に高める。
ほぼテレセントリック性の矩形の光帯111が、均質器103から出射した後、それは中継器104と再写像器105によりほぼテレセントリック性の弓状の光帯113へ変形される。これは再映像器106により弓状の光帯6へ再映像される。
図15は、中継器、再写像器、および再映像器の構造と動作を示している図である。中継器104は、球面レンズ231〜240を備えている。再写像器105は、レンズ241〜245と放物面鏡246を備えている。再映像器106は、球面鏡251、平面鏡252と253、および球面鏡254を備えている。
再写像器105と再映像器106は、物理的に重なっていることに留意していただきたい。しかし、光は、再映像器106へ入射する前に、再写像器105を完全に通過する。
動作状態において、ほぼテレセントリック性の矩形の光帯111は、中継器に入射し、球面レンズ231〜240を通過する。これらのレンズは、光の画像を1.6倍に単に拡大するだけである。光は、中間画像112として中継器104を出射する。中間画像112は再写像器105へ入射し、レンズ241〜245を通過する。次に、光は放物面鏡246で反射し、ほぼテレセントリック性の弓状の光帯113(示されていない)として再写像器105から出射する。この弓状の光帯は再映像器106へ入射し、鏡251〜254で反射する。これらの鏡は、弓状の光帯の画像を2倍に拡大する。次に、この拡大された画像は、弓状の光帯6として再映像器106から出射する。
明確にするために、中継器104、再写像器105、および再映像器106の構造と動作を、投影光源100のこれらの部分のそれぞれについての個々の図面を参照して説明する。
手短に説明すると、ほぼ矩形の光帯をほぼ弓状の光帯へ変形する中継器と再写像器は、レンズ系と放物面鏡を備えている。レンズ系は、ほぼ矩形の光帯を、曲率半径がほぼ弓状の光帯と同じである、湾曲した画像領域を有する光帯へ歪ませる非常に湾曲した視野を有する。言い換えると、レンズ系は、湾曲した画像の視野をほぼ矩形の光帯へ与える。放物面鏡は、ほぼ弓状の光帯の曲率にほぼ等しい円錐曲線の通径を有し、この通径における断面を有する。放物面鏡は湾曲した画像に配置されており、レンズ系からの光をほぼ平坦な画像領域を有する弓状の光帯へ反射する。
図16は、中継器の構造と動作を示す図である。中継器104は、10個の球面レンズ231から240を備えている。光は球面レンズ231を通って中継器104へ入射し、球面レンズ232〜239を通過し、球面レンズ240から出射する。中継器104は、好適に二重にテレセントリック性であり、設計画像が、中継器の入力平面と出力平面の両方においてテレセントリック性で、無限遠で造影することを意味する。
10個の球面レンズ231〜240はすべて、好適に、良い透過率と、水銀光源のi線とg線の間の良い色収差の補正とについて選択された材料から制作されている。色収差の補正は、優れた映像を生成する必要はない。むしろ、補正は、良いエネルギー伝達効率とテレセントリック性を電球101の全分光帯において確実にするため、十分でなければならないだけである。
単一の種類のガラスの屈折レンズ系は、色収差について適切に補正されないので、二種類のガラスが、レンズ231〜240に使用される。好適な実施態様において、これらの二種類のガラスは、高精度の徐冷溶融シリカとオハラi線ガラスである。
レンズのすべての面は、研磨され、反射防止膜が施されている。レンズの縁は研削され、黒染めされている。レンズ231〜240の仕様は、表1に記載されている。
Figure 2009246371

好適な実施態様において、中継器104は、投影光源100の開口絞りを備えている。開口絞り240aは、後で述べる理由から、中継器の共通軸から外れている。開口絞り204aは、半径が83.1mmで、y軸から−2.753mm外れている。絞りは、球面レンズ235と球面レンズ236の間に配置されている。
外れた開口絞りを収容するため、開口絞りに光学的に続く投影光源100の一部が、y軸に沿って−2.5716mm外れ、x−z面から0.4005度下方へ傾斜している。言い換えると、レンズ236〜245および鏡251〜254は、投影光源100の光軸から0.4005度傾斜した光軸上に位置している。
動作状態において、レンズ231〜240は、ほぼテレセントリック性の矩形の光帯111を1.6倍に拡大し、中間画像112を形成する。中継器104から出射した後、中間画像112は、再写像器105へ入射する。
図17は、再写像器の構造と動作を示す図である。上述のように、再写像器105は、レンズ241〜245および放物面鏡246を備えている。好適な実施態様において、レンズ241〜245は、オハラガラスで製作されている。これらのレンズの光学的面は、研磨され、反射防止被膜が施されている。レンズの縁は、研削され、黒染め処理されている。レンズ241〜245の仕様は、表2に記載されている。
Figure 2009246371

注1と2:
これらは、次式で与えられた非球面定数を有する非球面レンズである:
Figure 2009246371
Z = F(H) + (1/2) * CURV2 *(S^2 + Z^2 - (F(H)^2)
注1:
CURV1 = -0.005185
CURV2 = -0.007705
A = 2.93507e-7
B = -1.84177e-11
C = 1.38092e-15
注2:
CURV1 = -0.011250
CURV2 = -0.008109
A = -2.73417e-7
B = 3.10268e-13
C = 1.86346e-15
注3:
これは、次式により与えられた非球面定数を有する非球面レンズである。
Figure 2009246371
CURV = -0.01493744
K = -0.825452
放物面鏡246は、形状が円弧状である。円弧状の形状は、曲率がほぼテレセントリック性の弓状の光帯とほぼ同じである。図17の線B−Bで示された放物面鏡246の断面247は、通径上のものである。好適な実施態様において、放物面鏡246は、95%より高い反射の、高度のアルミニウムの反射被膜が施されている。
手短に言えば、動作状態において、中継器と再写像器は、ほぼ矩形の光帯をほぼ弓状の光帯へ変形する。中継器と再写像器のレンズは、ほぼ矩形の光帯を、曲率半径がほぼ弓状の光帯と同じである湾曲した画像を有する光帯へ歪ませる。次に、再写像器の放物面鏡は、湾曲した画像を有する光帯を、ほぼ平坦な画像領域を有するほぼ弓状の光帯へ反射する。
詳細に言えば、レンズ241〜245は、レンズ231〜240と共に、ほぼテレセントリック性の矩形の光帯111を、湾曲した画像250(即ち、湾曲した画像領域を有する光帯)へ歪ませる、非常に湾曲した領域を有する。言い換えると、レンズは、光帯の画像領域へ曲率を与える。湾曲した画像領域は、再写像器により出力された光の所望の円弧の半径と同じである曲率半径を有する。
好適な実施態様において、弓状の光帯6は、175.0mmの半径を有する。後述するように、再映像器106は、再写像器105の出力を2倍に拡大する。従って、再映像器106の出力において175.0mmの半径を有する弓状の光帯6を得るために、再写像器105は、87.5mmの半径を有する弓状の光帯113を生成しなければならない。従って、湾曲した画像250は、87.5mmの曲率半径を有する。
湾曲した画像250は、放物面鏡246に突き当たる。放物面の曲率と放物面鏡の向きは、湾曲した画像250を、ほぼ平坦な画像領域を有する弓状の光帯113へ変形する。図17に示されているように、弓状の光帯113は、中継器と再写像器の光軸に対しかなり傾斜して進行する。
中継器104と再写像器105は、テレセントリック性とひとみの非対称性のエラーを光へ幾らか持ち込む。エラーを低減するためのステップが全く取られない場合について、このエラーが図18と19に示されている。
図18は、中継器と再写像器の出力から100キロメートル離れたひとみの足跡を示す図である。ひとみの画像は、弓状の光帯に沿ったすべての点において対称ではない。その代わり、画像は歪んでいる:ひとみの下縁からの光は、縁に結像され、ひとみの上縁からの光は、領域を横切って結像される。この領域の大きさは、弓状の光帯の位置により左右される。
基本的に、ほぼテレセントリック性の矩形の光帯112がレンズと放物面鏡により曲線に曲げられるので、この歪みが発生する。この曲がりは、弓状の光帯の内縁となる矩形の光帯の側部を圧縮する。圧縮された側部は、ひとみの残りより大きいひとみの縁を有する。この様に、曲がりは、弓状の外側の縁になる、矩形の光帯の側部を広げる。この広げられた側部は、ひとみの残りより小さいひとみの縁を有する。ひとみの縁の底部は、一個所に整列している。結果として、異なる大きさのひとみの縁の上部は、整列せず、非対称のひとみの足跡となっている。
このようにひとみの対称性が欠けていると、テレセントリック性エラーが発生する。これは図19に示されている。エラーの範囲は、弓状の光帯の円弧部分115で9.0ミリラジアンであり、弓状の光帯のタブ部分116と117で10.6ミリラジアンである。
上述のように、図18と19は、エラーを減少するステップが少しも講じられていない場合のひとみの歪みとテレセントリック性の損失を示す図である。エラーを低減する一つの方法は、中継器104の開口絞り240aの中心を外すことである。中継器104の開口絞り240aの中心を外すことにより、テレセントリック性のエラーは、正と負のエラーの間に等しく分かれ、絶対的エラーの大きさを非常に低減する。開口絞り240aの中心が外れると、テレセントリック性のエラーが、最大±4.6ミリラジアンに減少する。上述のように、開口絞りの中心を外すには、投影光源100の一部を傾斜し、中心を外すことが必要である。
前述の方法により、ほぼテレセントリック性の矩形の光帯は、ひとみの対称性とテレセントリック性の劣化を最小限にした、ほぼテレセントリック性の弓状の光帯に変形する。
弓状の光帯113が再写像器105から出射した後、光は再映像器106へ入射する。再映像器106の構造と動作は、本技術では周知であり、再映像器106の現在生産型はキャノンにより製造されている。再映像器106の構造と動作に付いての簡単な説明を、完全を期して以降に述べる。
図20は、再映像器106の構造を示す図であり、再映像器106は、再写像器105からの弓状の光帯113を弓状の光帯6へ再び結像させる。上述のように、再映像器106は、球面鏡251、平面鏡252と253、および球面鏡254を備えている。これらの鏡は、開口240aの中心ずれと弓状の光帯113の伝搬の方向づけを行うように、指向されなければならない。
動作状態において、再映像器106は、弓状の光帯113を2倍に拡大し、これにより、弓状の光帯6を発生して、その光をレチクル1へ投射する。再映像器106から出射する光は、球面鏡251、平面鏡252、平面鏡253、および球面鏡254で反射する。次に、光は再映像器106から出射する。再映像器106は、光を再映像し、光のひとみの対称性とテレセントリック性を維持する。
他の実施態様において、本技術で知られていない再映像器が使用されている。図21は、この様な再映像器を、再映像器と共に使用される僅かに変形された再写像器310と共に示した図である。
再写像器310は、レンズ312〜315を含んでいるレンズ系を備えている。レンズ系は非常に湾曲した視野を有する。再写像器はまた、平面鏡317、放物面鏡318、および環状の視野マスク319を備えている。放物面鏡318は、再写像器により出力されたほぼ円弧状の光帯の曲率にほぼ等しい放物面の通径を有しており、その通径において断面を有する。
好適に、レンズ312から315は、オハラガラスで制作されている。レンズの光学面は研磨され、反射防止被膜が施されている。レンズの縁は研削され、黒染めが行われている。さらに、平面鏡317と放物面鏡318は、95%より高い反射率を有する、強化されたアルミニウムの反射被膜が施されている。
再写像器310は、上述のように、再写像器105とかなり似ており、これとほぼ同じ機能を行う。即ち、再写像器310は、ほぼ矩形の光帯をほぼ弓状の光帯へ変形する。しかし、幾つかの僅かな差異が、再写像器310と再写像器105のあいだにある。第一に、再写像器310は、僅かに異なるレンズを有する。第二に、再写像器310は、平面鏡317と環状の視野マスク319を有し、そのどちらも再写像器105には無い。
投影光源の動作状態において、ほぼ矩形の光帯は、再写像器へ入射する。図21の光線により示されているように、光はレンズ312から315へ通過する。これらのレンズは、ほぼ矩形の光帯を、曲率半径が所望のほぼ弓状の光帯と同じである湾曲した画像領域を有する光帯へ歪ませる。次に、光は平面鏡317で反射する。これは、再映像器311との再写像器310の心合わせに役立つように、光を再指向するだけである。次に、光は放物面鏡318で反射し、湾曲した画像を、ほぼ平坦な画像領域を有するほぼ弓状の光帯へ変形する。環状視野マスク319は、弓状の光帯の不要な部分(例えば、干渉模様)を遮蔽する。
再写像器310は、ある程度のテレセントリック性とひとみ対称性のエラーを光に持ち込む。このエラーは、上述のように、中継器104と再写像器105により光へ持ち込まれたエラーに似ている。再映像器311は、このエラーを低減するように設計されている。
手短に言えば、他の実施態様において、投影光源の使用に適した再映像器は、複数の鏡、レンズ系、およびレンズ系内の開口絞りを備えている。光は複数の鏡の少なくとも一つで反射して、レンズ系を通過する。レンズ系において、テレセントリック性のひとみの画像は、内部の絞りに形成され、出力露出とテレセントリック性を制御するように、アイリスまたは機械的絞りにより縁取りされる。レンズ系を通過した後、光は少なくとも他の複数の鏡で反射する。
詳細に説明すると、再映像器311は、凹面の球面鏡320、凸面の球面鏡321、レンズ322〜328、凸面の球面鏡331、および凹面の球面鏡322を備えている。開口絞り340は、レンズ324と325の間に配置されている。図21に光線により示されているように、光はこれらの要素のそれぞれを通過する。
好適に、レンズ322〜328は、オハラガラスで製作されている。これらのレンズの光学面は、研磨され、反射防止被膜が施されている。レンズの縁は、研削され、黒染めが施されている。さらに、球面鏡320,321,331,および332は、95%より高い反射率を有する、強化されたアルミニウムの反射被膜が施されている。
再映像器311が投影光源と共に使用される場合、ほぼ弓状の光帯が、再写像器310から再映像器へ入射される。以降に説明する理由から、球面鏡の曲率半径とレンズの構成は、弓状の光帯が3.2倍に拡大されるように、好適に選択される。その上、光が、開口絞り340が配置されている、レンズ324と325の間のテレセントリック性ひとみの画像へ焦点を結ぶように、レンズ322〜328は好適に構成されている。
開口絞り340の開口の大きさは、開口絞りが再映像器を通過する光の最小ひとみ直径まで閉じるように、好適に選択されている。例えば、図18に関し、最小ひとみの直径は、弓状の光帯の外縁に相当する。この様に、開口絞り340は、このひとみの直径まで閉じるように選択される。その結果、弓状の光帯の内縁に対応する大きいひとみの画像は、開口絞り340により、この最小のひとみの大きさまで遮蔽される。大きいひとみの画像のこのマスキングは、再写像器により持ち込まれたひとみの非対称を補償し、これにより、ひとみの放射照度の対称性を高める。さらに、開口絞りは再映像器内にあるので、開口絞りは、中継器内に配置される必要はない。その結果、中継器は、選択的に、投影光源から取り外すことが出来る。中継器が投影光源から取り外されるならば、中継器が存在する場合に行うであろう1.6倍の拡大を考慮するため、再映像器は、1.6、2、または3.2倍の係数により弓状の光帯を拡大しなければならないことに留意して戴きたい。
手短に言えば、動作状態において、光は少なくとも一つの鏡で反射することにより再映像され、レンズ系とレンズ系内の開口絞りを通過し、少なくとも他の鏡で反射する。光がレンズ系を通過すると、光はテレセントリック性ひとみの画像に焦点が合わされる。光は、実質的にこの画像にある開口絞りを通過する。
詳細に説明すると、投影光源内の再映像器311の動作は、図21の光線により示されている。ほぼ弓状の光帯は再写像器310から出射して、凹面の球面鏡320から再映像器311へ入射する。弓状の光帯は凸面の球面鏡321へ反射され、次に、レンズ322〜324へ反射される。これらのレンズは、光をテレセントリック性ひとみの画像に焦点を合わし、光はこの画像にある開口絞り340を通過する。
光が開口絞りを通過すると、光のひとみの大きさは、絞りの開口の大きさに遮蔽される。従って、開口より大きい、光のひとみの画像は、開口の大きさに遮蔽される。前に考察したように、開口の大きさは、弓状の光帯の最小のひとみの直径と好適に同じである。従って、光のすべてのひとみの画像は、その大きさに遮蔽され、これにより、再写像器により発生したひとみ画像の歪みを補償する。
開口絞り340を通過した後、光はレンズ325〜328を通過し、凸面の球面鏡331で反射して、凹面の球面鏡322で反射する。弓状の光帯が再映像器から出射すると、光は好適に3.2倍に拡大されている。
この方法により、光のひとみの大きさは、光が再映像されるとき、開口絞りにより限定される。限定されたひとみの大きさにより、ひとみの放射照度の対称性は向上する。重ねて言うと、上述のように、この方法により、投影光源は中継器無しで構成することが出来る。
本発明は、個々の例証実施態様に関して述べられている。しかし、本発明は上述の実施態様に限定されず、多様な変更と修正が、発明の精神と範囲から逸脱することなく、通常の技術を修得した当事者により行われることは、理解されるものである。

Claims (13)

  1. 投影光源との使用に適合する画像分割器であって:
    入力面と:
    出力面と:
    入力面からの光を出力面へ再指向させる複数の要素と;を含んでおり、
    出力面が、入力面と異なる矩形の形状を有し、複数の要素の少なくとも一つが、出力面のほぼ均一な放射照度を確実にするよう、複数の要素の少なくとも一つの光学的透過率を低下させる少なくとも一つの被膜を有することを特徴とする画像分割器。
  2. 請求項1に記載の画像分割器において:入力面が、正方形であることを特徴とする画像分割器。
  3. 請求項1に記載の画像分割器において:複数の要素がさらに、
    光を入力面から出力面へ真っ直ぐに進行させる内部要素と;
    光を入力面の内部要素の傍らから出力面の内部要素の末端へ再指向する二つの中間要素と;
    光を入力面の中間要素の傍らから出力面の中間要素の末端へ再指向する二つの外部要素;を含んでいることを特徴とする画像分割器。
  4. 請求項3に記載の画像分割器において:内部要素と中間要素が、光学的透過率を低下する少なくとも一つの被膜をそれぞれ有することを特徴とする画像分割器。
  5. 請求項2に記載の画像分割器において:複数の要素がさらに平らなブロックとプリズムを含んでいることを特徴とする画像分割器。
  6. 請求項5に記載の画像分割器において:平らなブロックとプリズムが小さい空気の間隙により分離されていることを特徴とする画像分割器。
  7. 請求項5に記載の画像分割器において:複数の要素の一つを含んでいる少なくとも一つの平らなブロックまたはプリズムが、複数の要素の他の要素を含んでいる少なくとも一つの平らなブロックまたはプリズムと同じ形状であることを特徴とする画像分割器。
  8. 請求項5に記載の画像分割器において:光学的透過率を低下する少なくとも一つの被膜が、複数の要素の少なくとも一つの内面上にあり、前記内面が他の平らなブロックまたはプリズムに隣接する平らなブロックまたはプリズムの面であることを特徴とする画像分割器。
  9. 請求項1に記載の画像分割器において:複数の要素が紫外線透過グレードの溶融シリカで製作されており、これにより、画像分割器が熱負荷に耐えることを特徴とする画像分割器。
  10. 入力光を矩形の光帯へ変形する方法において:
    入力光を複数の光帯へ分割する分割ステップと;
    複数の光帯を矩形の光帯へ再指向する再指向ステップと;
    矩形の光帯のほぼ均一な放射照度を確実にするように、複数の光帯の少なくとも一つを減衰する減衰ステップと;を含んでいることを特徴とする光を集積する方法。
  11. 請求項10に記載の方法において;入力光が正方形の光帯であることを特徴とする光を集積する方法。
  12. 請求項11に記載の方法において;減衰ステップが、分割ステップおよび再指向ステップと同時に発生することを特徴とする光を集積する方法。
  13. 請求項11に記載の方法において:
    分割ステップにおいて、正方形の光帯が、内部光帯、二つの中間光帯、および二つの外部光帯へ分割され;
    再指向ステップにおいて、内部光帯が、矩形の光帯の中心へ再指向され、二つの中間光帯が、矩形の光帯の内部光帯の末端へ再指向され、二つの外部光帯が、矩形の光帯の中間光帯の末端へ再指向され;
    内部光帯と中間光帯は減衰ステップにおいて減衰されること;を特徴とする光を集積する方法。
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