JP2009510496A - 光を均質化するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、光を均質化するための装置に関し、該装置は、複数の凸レンズ（１２）を有する第１のレンズアレイ（１１）と、ビーム伝播方向において、第１のレンズアレイ（１１）から離間されて配置された少なくとも１つの第２のレンズアレイ（２１）であって、該レンズアレイ（２１）を第１のレンズアレイ（１１）によって屈折させられた光が通過可能である、第２のレンズアレイ（２１）とを有する。第２のレンズアレイ（２１）は複数の第１のレンズ（２２）を有し、該第１のレンズ（２２）はそれらの間の間隙によって互いに離間されて配置され、第１のレンズアレイ（１１）の各凸レンズ（１２）は、第２のレンズアレイ（２１）の第１のレンズ（２２）の少なくとも１つに割り当てられる。第１のレンズアレイ（１１）の凸レンズ（１２）は、それに割り当てられた、第２のレンズアレイ（２１）の第１のレンズよりも小さい曲率を有する。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、光を均質化するための装置であって、複数の凸レンズを有する第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイからビーム伝播方向に離間して設けられた少なくとも１つの第２のレンズアレイとを有してなり、第１のレンズアレイによって屈折させられた光はこの第２のレンズアレイを通過することが可能であり、第２のレンズアレイは複数の第１のレンズを有し、それらは互いに間に間隔を設けて配置され、第１のレンズアレイの各凸レンズは、第２のレンズアレイの第１のレンズの少なくとも１つに割り当てられている、光を均質化するための装置に関する。

冒頭に述べたタイプの装置は、たとえば、レーザダイオードバーから発光された比較的不均質なレーザ光を均質化するために用いられる。レンズアレイの各レンズによって屈折される、このような装置から出射される光は、ある角度範囲にわたって均質に分布される。光を均質化するための技術の水準から知られる装置は、比較的小さい、または中程度の開口数を有して作製される。開口数の典型的値は、０．０１と０．３５との間の大きさにある。特に、技術の水準から知られる光を均質化するための装置は、たとえば材料加工、マイクロリソグラフ、または作業領域を一様に照射するための測定技術において用いられる。このような知られた光を均質化するための装置によって達成される開口数はいくつかの利用分野では充分ではない。

本発明は、比較的低い屈折率の材料であっても、比較的安価に比較的大きな開口数を達成することができる、光を均質化するための装置を提供するという課題に基づく。

この課題は、請求項１の特徴を有する、光を均質化するための装置によって解決される。下位の請求項は、本発明の好ましいさらなる実施形態に対応する。

本発明に従えば、第１のレンズアレイの凸レンズは、それに割り当てられる第２のレンズアレイの第１のレンズよりも小さい曲率を有する。したがって、本発明に従う光を均質化するための装置に当たったレーザ光は、第１のレンズアレイのより曲率の小さい凸レンズで屈折して、第１のレンズアレイのレンズよりも大きな曲率の第２のレンズアレイの第１のレンズに当たる。本発明に従う装置によって、比較的低い屈折率の材料であっても、わずかの費用で比較的大きな開口数を達成することができる。第１のレンズアレイの凸レンズとそれに割り当てられる第２のレンズアレイの第１のレンズとの曲率をかえることによって、目的にかなった開口数を達成することができる。

好ましい実施形態において、ビーム伝播方向における第１のレンズアレイの凸レンズの頭頂線（アペックスライン）は、第１のレンズアレイの第１のレンズの頭頂線と実質的に一直線に並んでいる。したがって、２つのレンズアレイの位置合わせは、互いに、比較的最適化することができる。

第２のレンズアレイの第１のレンズの少なくとも一部は、凸状に形成することが可能である。その場合、第２のレンズアレイの第１のレンズのすべてを凸状に形成してもよい。

さらにまた、または、その代わりに、第２のレンズアレイの第１のレンズの少なくとも一部を凹状に形成することも可能である。その場合、第２のレンズアレイの第１のレンズのすべてを凸状に形成してもよい。その場合には、第２のレンズアレイは第１のレンズアレイの焦点面より後ろに設けられる。

好ましい実施形態において、第１のレンズアレイの２つの隣接する凸レンズの間には、間隙が形成される。

第１のレンズアレイの凸レンズが互いに配置される方向における第１のレンズアレイの凸レンズは、その間隙よりも大きな幅を有している。したがって、均質化されるべきレーザ光の本質的な部分がこれらの凸レンズを通過して、これらによって屈折させられる。

基本的に、第１のレンズアレイのレンズ間の間隙は任意に形成すればよい。装置の製造を簡易にするために、好ましい実施形態においては、第１のレンズアレイの凸レンズ間の間隙は、隣接する凸レンズへの移行が連続したものになるように形成される。

特に好ましい実施形態において、間隙は少なくとも一部に凹レンズを有してもよい。
好ましい実施形態において、第２のレンズアレイの第１のレンズは、その曲率が、レンズの焦点が第２の基板内にあるように形成することができる。

第２のレンズアレイの第１のレンズ間の間隙は、第１のレンズ以外の形を有する第２のレンズとしてもよい。

好ましい実施形態において、第２のレンズは第２のレンズアレイの第１のレンズよりも大きな曲率半径を有することができる。

たとえば、第２のレンズは凹状に形成してもよい。
本発明のさらなる特徴と利点については、以下の好ましい実施形態についての添付の図を参照した説明から明らかになるであろう。図においては、本発明に従う光を均質化するための装置の側面が概略的に非常に簡略化され示されている。以下の説明を簡単にするために、図１においては、デカルト座標が用いられている。

本発明に従う光を均質化するための装置の図１に示された実施形態は、第１の基板１０と第２の基板２０とを有する。第１の基板１０は、光入射面上に第１のレンズアレイ１１を有していることがわかる。それに対して、光出射面は平らまたは少なくとも実質的に平らに形成されている。第１のレンズアレイ１１は、複数の凸レンズ１２と、複数の凹レンズ１３とを有している。かかる凸レンズ１２と凹レンズ１３とは、本実施形態においてはシリンドリカルレンズであり、そのシリンダ軸は実質的に互いに平行にされている。第１のレンズアレイ１１の凸レンズ１２と凹レンズ１３は、ｘ方向において互いに交互に設けられていることがわかる。凹レンズ１３は、第１のレンズアレイ１１の各凸レンズ１２間に間隙を有している。基本的に、ｘ方向においては、多数の凸レンズと凹レンズ１２，１３が互いに相並んで設けられている。第１のレンズアレイ１１の凸レンズ１２は、凹レンズ１３よりも、ｘ方向において長く延び、したがってより大きな幅を有する。代わりに、凹レンズ１３の代わりに、各凸レンズ１２間に他の形状の間隙を設けてもよい。これらの間隙は、ｘ方向における延びがより小さく、好ましくは実質的に凸レンズ１２よりも延びが小さい。凸レンズ１２間の間隙は、原則的にに任意の形状にすることができる。製造技術上の観点から、間隙と、間隙との境をなしているを２つの隣接する凸レンズ１２との間の移行は、製造技術上の観点からただ単に必要なのであって、これは、数学的に見れば、連続的に微分可能である。

他の実施形態において、ここでは明確に示されていないが、第１の基板１０の光出射面にさらなるレンズアレイを設けてもよい。これらのレンズアレイは、たとえば第１のレンズアレイ１１のシリンドリカルレンズのシリンダ軸に垂直なシリンダ軸を有する複数のシリンドリカルレンズを有してもよい。

ビーム伝播方向（ｚ方向）において、第１の基板１０から離間した第２の基板２０は、第１の基板１０の光出射面に向けられた光入射面上に、第２のレンズアレイ２１を有している。この実施形態においては、第２のレンズアレイ２１の光出射面は、平らであるか、または、少なくとも実質的に平らである。第２のレンズアレイ２１は、凸状に形成された第１のレンズ２２と、凹状に形成された第２のレンズ２３とを有し、これらは、本実施形態においてはシリンドリカルレンズであり、それらのシリンダ軸は互いに平行にされている。第２のレンズアレイの凸レンズ２２と凹レンズ２３とは、ｘ方向において、互いに交互に設けられる。第１のレンズアレイ１１とは反対に、第２のレンズアレイ２１の凸レンズ２２は、凹レンズ２３よりもｘ方向における長さがより小さく、したがって幅がより小さい。凹レンズ２３の代わりに、原則的に任意の形状にすることが可能である、各凸レンズ２２間の間隙を設けてもよい。間隙と、間隙との境をなしているを２つの隣接する凸レンズ２２との間の移行は、製造技術上の観点からただ単に必要なのであって、これは、数学的に見れば、連続的に微分可能である。凸レンズ２２間の間隙の長さは、ｘ方向において凹レンズ２３よりも小さく、好ましくは、実質的により小さい。

さらにまた他の実施形態において、第２の基板２０の光出射面にも、たとえば複数のシリンドリカルレンズを有してもよいレンズアレイを備えてもよく、それらシリンドリカルレンズのシリンダ軸は、第２のレンズアレイ２１のシリンドリカルレンズのシリンダ軸に垂直とすることができる。

この実施形態において、第１のレンズアレイ１１の凸レンズ１２の頭頂線は、ビーム伝播方向（ｚ方向）において、第２のレンズアレイ２１の凸レンズ２２の頭頂線と一直線に並んでいることがわかる。同様に、第１のレンズアレイ１１の凹レンズ１３の頭頂線は、ビーム伝播方向において、第２のレンズアレイ２１の凹レンズ２３の頭頂線と一直線に並んでいる。第１のレンズアレイ１１の各凸レンズ１２は、第２のレンズアレイ２１の凸レンズ２２に割り当てられている。同様に、この実施形態において、第１のレンズアレイ１１の各凹レンズ１３は、第２のレンズアレイ２１の凹レンズ２３に割り当てられている。

光を均質化するためのここに示した装置の動作方法をわかり易く説明するために、図１においては、たとえばレーザ光源（特にレーザダイオードバーまたはエキシマレーザ）であってもよい、明確には図示されてはいない均質化されるべき光ビーム３の総計５つの部分ビーム３０，３１，３２，３３，３４が図示されている。ここに示された例においては実質的に平行であるが、基本的には発散し得る光ビーム３は、第１のレンズアレイ１１の光入射面に入射し、光を均質化するための装置に入射し、第１のレンズアレイ１１の凸レンズ１２の一つを通過して屈折させられ、第１の基板１０の光出射面で出射される。部分ビーム３０，３１，３２，３３，３４は、第２のレンズアレイ２１の光入射面上に集束される。

上述のように、第１のレンズアレイ１１の凸レンズ１２に割り当てられている第２のレンズアレイ２１の凸レンズ２２は、第１のレンズアレイ１１の凸レンズ１２よりも、曲率半径がより小さいより強い曲率と、ｘ方向における長さが小さく、部分ビーム３０，３１，３２，３３，３４を、この実施形態において、図１に示したように、第２のレンズアレイ２１を横断する場合、焦点に投射される。この焦点は、本実施形態においては、第２の基板２０の内部にある。第２の基板２０から出射する場合、部分ビーム３０，３１，３２，３３，３４は、光出射面で新たに屈折させられ、したがって、光を均質化するための装置の作業領域においては、第２の基板２０の後ろの一定距離離間したところに、均質で、実質的に線状の領域であって、比較的大きな幅を有する領域ができる。基本的に、部分ビーム３０，３１，３２，３３，３４は共通の焦点に投射されなくてもよい。さらにまた、ビームのくびれが第２の基板２０の外にあってもよい。

ここに示した光を均質化するための装置は、たとえば、比較的小さな作業間隔で、比較的長く延びる線状の領域をレーザ光で照射しなければならない材料加工方法において利用することが可能である。

上述したように、基本的には、第２のレンズアレイ２１の凸レンズ２２間の間隙は任意に形成することが可能であって、これは、ここに示した装置の場合に支配される幾何学的関係から、これらの間隙上には光が入射しないからである。しかしながら、基本的には、第２のレンズアレイ２１の凸レンズ２２間の間隙は、その間隙を通過した光を、レーザ光３の均質化のために利用することができるように実施することも可能である。レンズアレイ１１，２１を製造するために使用することができる製造方法のために、通常、レンズアレイ１１，２１をｚ方向に深く実施することはできない。凸レンズ１２，２２に対する、それらの最も急勾配の側面における接線は、かなり急峻であろう。図１に、凸レンズ１２，２２の最も急勾配な箇所での接線が示されている。ここに示した光を均質化するための装置の開口数については、φ＝４０°の場合およびガラスの屈折率ｎ＝１．５の場合、約０．９となる。この場合、ｚ方向における第１のレンズアレイ１１の凸レンズ１２の深さは、たとえば０．３９５ｍｍとすることができる。第２のレンズアレイ２１の凸レンズ２２の幅は、約０．２ｍｍ程度の大きさであってよい。試験した結果、接線角φが約３０°〜４０°の場合、図示された装置では、約１の開口数（ＮＡ）とすることができることが明らかになった。図示した装置では、比較的屈折率の低い基板１０，２０の場合であっても、比較的大きな開口数を達成することができる。

装置の作業領域におけるレーザ光３のできる限り均質な分布を達成するためには、場合によっては、第１および第２のレンズアレイ１１，２１の凸レンズ１２，２２を非球面とすることが必要であってもよい。

ここに明確に示してはいないが、図１に示した光を均質化するための装置の変形例に従えば、第１のレンズアレイ１１の凸レンズ１２に割り当てられる凹レンズを有するレンズアレイを第２のレンズアレイ２１の代わりとしてもよい。

基本的に、シリンドリカルレンズに代えて、両レンズアレイ１１，２１のレンズ１２，１３，２２，２３は、たとえば、丸レンズ（レンズ間に間隙を有する）として、角型レンズとして、または、六角レンズとしても実施可能である。本発明の基本概念は、特定のレンズのタイプに制限されない。

さらにまた、光を均質化するための装置は、２以上のレンズアレイ１１，２１から構成される。さらにまた、全レンズ１２，１３，２２，２３は、ミラー面（ｙ−ｚ面）に関して非対称であってもよい。

図示された、光を均質化するための装置によって、基本的には、１程度の比較的大きな開口数を達成することができるであろう。このような配置によって、特に、屈折率の低い材料の場合であっても、低いコストでこのような値の開口数を達成することができる。

本発明に従う光を均質化するための装置を示す図である。

Claims (12)

1. 光を均質化するための装置であって、複数の凸レンズ（１２）を有する第１のレンズアレイ（１１）と、
   ビーム伝播方向において、第１のレンズアレイ（１１）から離間されて配置された少なくとも１つの第２のレンズアレイ（２１）であって、該レンズアレイ（２１）を第１のレンズアレイ（１１）によって屈折させられた光が通過可能であって、第２のレンズアレイ（２１）は複数の第１のレンズ（２２）を有し、該第１のレンズ（２２）はそれらの間の間隙によって互いに離間されて配置されている、第２のレンズアレイ（２１）とを、
   有し、
   第１のレンズアレイ（１１）の各凸レンズ（１２）は、第２のレンズアレイ（２１）の第１のレンズ（２２）の少なくとも１つに割り当てられる光を均質化するための装置において、
   第１のレンズアレイ（１１）の凸レンズ（１２）は、それに割り当てられた、第２のレンズアレイ（２１）の第１のレンズよりも小さい曲率を有することを特徴とする、光を均質化するための装置。
2. ビーム伝播方向における第１のレンズアレイ（１１）の凸レンズ（１２）の頭頂線は、第２のレンズアレイ（２１）の第１のレンズの頭頂線と実質的に一直線に並んでいることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 第２のレンズアレイ（２１）の第１のレンズ（２２）の少なくとも一部は、凸状に形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 第２のレンズアレイ（２１）の第１のレンズ（２２）の少なくとも一部は、凹状に形成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 第１のレンズアレイ（１１）の２つの隣接する凸レンズの間には、間隙が形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 第１のレンズアレイ（１１）の凸レンズ（１２）が互いに配置される方向における第１のレンズアレイ（１１）の凸レンズは、その間隙よりも大きな幅を有していることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 第１のレンズアレイ（１１）の凸レンズ間の間隙は、隣接する凸レンズ（１２）への移行が連続したものになるように形成されることを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
8. 間隙は少なくとも一部に凹レンズ（１３）を有することを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 第２のレンズアレイ（２１）の第１のレンズ（２２）は、その曲率が、レンズの焦点が第２の基板（２０）内にあるように形成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 第２のレンズアレイ（２１）の第１のレンズ（２２）間の間隙は、第１のレンズ（２２）以外の形を有する第２のレンズ（２３）であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 第２のレンズ（２３）は、第２のレンズアレイ（２１）の第１のレンズ（２２）よりも大きな曲率半径を有することを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 第２のレンズ（２３）は凹状に形成されることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の装置。

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