JP2018133417A - レーザ照明装置及びラインビームレーザ照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照度分布の均一性を安価な手段で実現する。
【解決手段】レンズアレイ５の各レンズレット１２の像を重ね合せて結像するコンデンサレンズ６と、前記レンズアレイ５の光入射側、又は前記コンデンサレンズ６の光射出側のいずれか一方に、入射光を偏光状態が異なる二つの直線偏光に分離して透過する、複屈折を利用した偏光素子７と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ照明装置に関し、特に照度分布の均一性を安価な手段で実現し得るレーザ照明装置及びラインビームレーザ照射装置に係るものである。

レーザアニールやレーザリフトオフ等に使用される照明装置及びエキシマレーザを使用した半導体露光装置においては、従来から均一な照明が求められて来た。一般的には、フライアイレンズやロッドレンズ等のフォトインテグレータを使用して、低コヒーレントの光源光を分割し、分割された光源光をコンデンサレンズで集め、照射エリア（コンデンサレンズの焦点面）で重ね合せることにより照度分布の平均化が図られている。しかしながら、コヒーレンスの高い、例えばＹＡＧレーザ等の光源光を使用する照明装置においては、照明エリアに干渉縞が発生し、均一な照度分布を得ることができなかった。

このような問題に対処するために、従来の照明装置には、ビーム断面が線状に整形されたレーザビームをイメージローテータにより回動させて照度分布を均一化しようとしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、他の照明装置には、フライアイレンズをレンズ移動機構により光軸に垂直な面内方向に移動させるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２１７２６７号公報 国際公開第２００８／１１４５０２号

しかし、このような従来の照明装置は、いずれも、イメージローテータを回動させたり、フライアイレンズを移動させたりして干渉縞の模様を変化させ時間的平均をとることで均一化しようとしたものであり、イメージローテータ及びフライアイレンズを可動する可動手段を設ける必要があり、装置構成が複雑になり、製造コストが高くなるという問題がある。

また、短パルスレーザや、パルスの繰り返し周波数が低いパルスレーザの場合には、時間平均の効果を得るのが難しいという問題がある。即ち、短パルスの場合には、短いパルス幅に応じてイメージローテータやフライアイレンズを高速で駆動しなければ時間平均の効果が得られない。しかしながら、イメージローテータやフライアイレンズを高速駆動するためには、高速駆動可能な可動手段が必要であり、コストがかかるという問題がある。

詳細には、例えば、フレキシブルパネルのレーザリフトオフは、透明なガラス基板に被着されたポリイミドフィルムにレーザビームを照射することにより、これをアブレーションしてガラス基板から剥離するものであるが、ポリイミドの表面をアブレーションするためには、高エネルギー密度の短パルスのレーザビームを照射する必要がある。このとき、パルスの繰り返し周波数を高くすると１パルス当たりのエネルギーとして高エネルギーを確保することができない。そこで、高エネルギーを確保するためには、短パルスの繰り返し周波数を遅くせざるを得ない。具体的には、パルス幅が７ｎｓのパルスを使用する場合には、繰り返し周波数は５０Ｈｚ程度とする必要がある。この場合、パルス幅に比べてパルス間隔が極めて大きいため、レーザビームを振って干渉縞の時間平均を取ろうとすると、極めて高速動作が可能な可動手段が必要となり、装置のコストが嵩むことになる。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、照度分布の均一性を安価な手段で実現し得るレーザ照明装置及びラインビームレーザ照射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明によるレーザ照明装置は、レンズアレイの各レンズレットの像を重ね合せて結像するコンデンサレンズと、前記レンズアレイの光入射側、又は前記コンデンサレンズの光射出側のいずれか一方に、入射光を偏光状態が異なる二つの直線偏光に分離して透過する、複屈折を利用した偏光素子と、を備えたものである。

また、第２の発明によるラインビームレーザ照射装置は、レンズアレイの各レンズレットの像を重ね合せて第１の中間像として結像するコンデンサレンズと、前記レンズアレイの光入射側、又は前記コンデンサレンズの光射出側のいずれか一方に配置され、入射光を偏光状態が異なる二つの直線偏光に分離して透過する、複屈折を利用した偏光素子と、第１の軸に平行な円柱軸を有し、前記第１の中間像にて前記第１の軸に直交する第２の軸の方向に対応する部分を被照射物の照射面に拡大結像する第１のシリンドリカルレンズと、前記第１のシリンドリカルレンズの光進行方向下流側に配置され、前記第２の軸に平行な円柱軸を有し、前記第１の中間像にて第１の軸方向に対応する部分を第２の中間像として縮小結像する第２のシリンドリカルレンズと、前記第２の軸に平行な円柱軸を有し、前記第２の中間像にて前記第１の軸方向に対応する部分を前記被照射物の前記照射面に縮小結像する第３のシリンドリカルレンズと、を備えたものである。

本発明によれば、従来技術におけるような可動手段を使用せず安価な汎用の偏光素子を使用して、面照明及び線状ビームスポットの長軸方向及び短軸方向の何れの照度分布も均一にすることができる。したがって、レーザアニールやレーザリフトオフに好適な照明装置を安価に提供することができる。

本発明によるレーザ照明装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。 本発明によるレーザ照明装置に使用する偏光素子について説明する説明図である。 従来技術における照射面に生じる干渉縞を示す説明図である。 本発明によるレーザ照明装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。 上記第２の実施形態におけるλ／２板及び偏光素子の回動調整の効果を示す説明図であり、（ａ）は調整前を示し、（ｂ）は調整後を示す。 本発明によるラインビームレーザ照射装置の構成を示す近軸光線図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 図５の要部を拡大して示す近軸光線図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本発明によるラインビームレーザ照射装置の線状ビームスポットの短軸方向の断面プロファイルを示す図である。 本発明によるラインビームレーザ照射装置において、拡散板の配置に位置ずれがある場合の線状ビームスポットの短軸方向の断面プロファイルを示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるレーザ照明装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。このレーザ照明装置１は、均一な照度分布を得ようとするもので、レーザ光源２と、ビームエキスパンダ３と、λ／２板４と、レンズアレイ５と、コンデンサレンズ６と、偏光素子７と、を備えて構成されている。

レーザ光源２は、例えば３５５ｎｍの波長のレーザビームを射出するシングルモードのＹＡＧレーザであり、レーザビームは直線偏光である。エキシマレーザであってもよいが、ここでは、コスト的に安価なＹＡＧレーザを採用している。なお、レーザビームの波長は、３５５ｎｍに限られず、用途に応じて適宜選択される。

上記レーザ光源２の光進行方向下流側には、ビームエキスパンダ３が設けられている。このビームエキスパンダ３は、レーザビームの径を拡大するものであり、例えば第１の集光レンズ８と該第１の集光レンズ８の後焦点に前焦点を合致させて備えた第２の集光レンズ９とで構成されている。汎用のビームエキスパンダを使用してもよい。

上記ビームエキスパンダ３の光進行方向下流側には、λ／２板４が設けられている。このλ／２板４は、直交する偏光成分の間に位相差を生じさせる複屈折素子であり、位相差π（１８０度）を生じさせるもので、光軸を中心に回動可能となっている。これにより、λ／２板４の光学軸を入射光の偏光方向から傾けることにより、射出光の偏光方向を入射光の偏光方向に対し２倍傾いて射出させることができ、直線偏光の偏光方向を自由に変えることができる。

上記λ／２板４の光進行方向下流側には、レンズアレイ５が設けられている。このレンズアレイ５は、レーザ光源２から放射されたレーザビームの断面内輝度分布を均一化するためのもので、具体的には、光軸に垂直な面内に複数のレンズレット１２（入力側が凸の平凸レンズ）をマトリクス状に配置し、光源からの光束を分割してレンズレット１２の数だけ２次光源を生じさせるようにしたフライアイレンズである。このフライアイレンズの構成は、１枚のフライアイレンズ構成であっても、２枚のフライアイレンズを対向配置した構成であってもよい。

上記レンズアレイ５の光進行方向下流側には、コンデンサレンズ６が設けられている。このコンデンサレンズ６は、レンズアレイ５の各レンズレット１２の像を重ね合せて結像するもので、レンズアレイ５の各レンズレット１２の光軸を照射面１０（コンデンサレンズ６の焦点面）の位置に集めるようになっている。

上記コンデンサレンズ６の光進行方向下流側には、偏光素子７が設けられている。この偏光素子７は、図２に示すように、直線偏光の入射光（平面波）を偏光状態が異なる二つの直線偏光に分離して透過するもので、例えば方解石で作った２個のプリズムを偏光軸（ｆａｓｔ軸とｓｌｏｗ軸）が互いに直交するように組んで貼合せたローションプリズムや、偏光解消板、又はサバール板等、複屈折を利用した公知の偏光素子が適用できる。

次に、このように構成されたレーザ照明装置１の動作について説明する。
レーザ光源２から射出した直線偏光のレーザビームは、ビームエキスパンダ３によりビーム径が拡大されてλ／２板４に入射する。

λ／２板４において、直線偏光の入射光は、その偏光方向が変えられる。例えば、入射光の偏光方向がλ／２板４の光学軸に対して所定の角度だけ傾いている場合には、射出光の偏光方向は入射光の偏光方向に対して上記角度の２倍の角度だけ傾くことになる。そして、上記射出光は、後段のレンズアレイ５に入射し、該レンズアレイ５により夫々分割される。これにより、レンズアレイ５の各レンズレット１２の焦点位置には、レンズレット１２の数に等しい複数の２次光源が生じる。

上記レンズアレイ５の各レンズレット１２を射出したレーザビームは、各レンズレット１２の焦点に集光した後、発散しながらコンデンサレンズ６に入射し、コンデンサレンズ６により平行光にされる。そして、コンデンサレンズ６により集められて照射面１０（コンデンサレンズ６の焦点面）上で各平行光の波面が重ね合わされる。

ここで、理想条件における照射面１０での光の振幅分布を計算する。照射面１０へ入射する各平行光の入射角をＮＡ（ｓｉｎθ）で考える。レンズレット１２の間隔をｄ、コンデンサレンズ６の焦点距離をｆｃとすると、照射面１０への各レンズレット１２からの平面波の入射角はＮＡで表すとｎ×ｄ／ｆｃとなる。ここで、ｎは整数であり、レンズレット１２の順番を示す。

また、光学系には収差がなく理想的なものであるとし、コンデンサレンズ６の焦点面の光軸上で各波面の位相が一致するものとすると、コンデンサレンズ６の焦点面での振幅分布Ａは、次のように計算できる。
ここで、Δμ＝ｄ／ｆｃとした。

ここでは、説明を簡単にするために、式（１）は一次元で考え、ｘをコンデンサレンズ６の焦点面の座標とした。また、ここでは、シングルモードレーザを仮定しているが、さらに、レンズアレイ５に入射するレーザビームはビーム内で振幅が一定であり、波面も平面であると仮定した。式（１）は等比数列であるので、周知の等比数列の和の計算から、
と計算できる。

式（１）又は式（２）から、具体的に計算したコンデンサレンズの焦点面（照射面１０）上の光の振幅分布は、図３である。図３から、レンズアレイ５の作る干渉縞は単純な正弦波ではなく、急峻なピークをもったものである。尚、図３は８×８個のフライアイレンズの場合の計算結果を示している。

以上は、光路中に偏光素子７を備えない従来のレーザ照明装置の場合である。
本発明によるレーザ照明装置１の第１の実施形態においては、コンデンサレンズ６の光進行方向下流側に偏光素子７が配置されている。したがって、コンデンサレンズ６を射出した平行光（平面波）は、図２に示すように、偏光素子７に入射し、該偏光素子７で偏光状態が互いに異なる二つの直線偏光に分離されて射出する。この場合、分離された二つの直線偏光の光軸は、互いに反対回りに傾いたものであり、射出する各直線偏光の波面は、夫々対応する光軸に対して直交するものであるから、両直線偏光の波面は、互いに反対回りに傾いた状態にある。したがって、両直線偏光の波面には、光束内で位相差が生じている。

偏光素子７により分離された偏光状態が異なる二つの直線偏光は、コンデンサレンズ６の焦点面（照射面１０）で重ね合わされる。この場合、上述したように、偏光素子７を射出する各直線偏光の波面は、互いに反対回りに傾いた状態にあり、光束内で位相差が生じているため、照射面１０には、各直線偏光が干渉して干渉縞が形成される。この場合、偏光状態が異なる直線偏光同士は干渉しないため、照射面１０上には、同一の直線偏光同士による干渉縞の二重像が現れることになる。したがって、図３に示す従来技術による単一の干渉縞と違って、干渉縞が二重像となることにより照射面１０全体のコントラストが低減され、均一な照明を実現することができる。

さらに、λ／２板４を光軸を中心に回動させて入射する直線偏光の偏光方向を変えることにより、干渉縞の二重像のコントラストをバランスさせ、照射面１０全体の干渉縞のコントラストが最小となるように調整することができる。

また、偏光素子７を光軸を中心に回動させることにより、干渉縞の分離方向（二重像の出現方向）を自由に変えることができる。この場合、同時に、λ／２板４を回動させて、干渉縞の二重像のコントラストの低減効果が最大となるように調整するのがよい。

図４は本発明によるレーザ照明装置１の第２の実施形態を示す概略構成図である。
上記第１の実施形態との相違点は、偏光素子７をλ／２板４とレンズアレイ５との間に配置した点である。

この第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に照射面１０上に干渉縞の二重像が生じるものの、各干渉縞が平均化されて干渉縞のコントラストを低減することができる。

詳細には、偏光素子７で分離された偏光状態が異なる二つの直線偏光は、図２に示すように、波面が互いに反対回りに傾いている。したがって、ここでは、波面が傾斜した直線偏光がレンズアレイ５に入射した場合を考える。レンズアレイ５の入射側の面の座標を（μ，ν）、コンデンサレンズ６の焦点面（照射面１０）の座標を（ｘ，ｙ）とする。先ずは、簡単のために、一次元で考える。

レンズアレイ５に入射する傾斜した直線偏光の位相差φ（μ）は、
と表すことができる。

次に、レンズアレイ５の光軸上の一個のレンズレット１２とコンデンサレンズ６の焦点面（照射面１０）に入射する波面には、以下の位相差φ′（ｘ）が付く。
ここで、βはコンデンサレンズ６とレンズレット１２の焦点距離の比であり、角倍率である。

レンズレット１２に角度θで入射した光は、光軸上からｆθ（ｆはレンズレット１２の焦点距離）の位置に焦点を結ぶ。コンデンサレンズ６の焦点距離ｆｃ、コンデンサレンズ６の焦点面（照射面１０）への入射角度をθ′とすると、ｆθ＝ｆｃθ′であるので、θとθ′の比はレンズレット１２の焦点距離ｆとコンデンサレンズ６の焦点距離ｆｃとの比になることが分かる。

ここでは、光軸上のレンズレット１２について考えたが、光軸から離れたレンズレット１２についても同様である。コンデンサレンズ６は、一般的に正弦条件を満足しているので、θ′をｓｉｎθ′（ＮＡ）で考えるとレンズレット１２への入射ＮＡと照射面１０へ入射する光のＮＡ′の変化ΔＮＡ′の比は１／βとなる。

次に、光軸から一つ離れたレンズレット１２について考える。このレンズレット１２の光軸上の位相は、レンズレット１２の配置ピッチｄだけ離れているので、レンズレット１２の光軸を中心とした座標μ１を使用すると、
となる。

また、上記レンズレット１２に入射した光のコンデンサレンズ６の焦点面（照射面１０）での位相は、
となる。

これにより、光軸からｎ番目のレンズレット１２を通った光のコンデンサレンズ６の焦点面（照射面１０）での位相は、
となる。

これを整理すると、
と表される。

そして、全てのレンズレット１２からの波面をコンデンサレンズ６の焦点面（照射面１０）で重ね合せると、
となる。

ここで、和の外の位相の係数は、絶対値を取ると消えるので無視して考えてよい。したがって、式（１）と式（９）を比較すると、式（９）は式（１）に対してｘの座標をα×ｄ／（ｋ×Δμ）だけシフトしたものと考えることができる。言い換えれば、干渉縞の模様がα×ｄ／（ｋ×Δμ）だけシフトしたものであると言える。これにより、コンデンサレンズ６の焦点面（照射面１０）には、偏光方向が互いに直交する直線偏光による干渉縞がｘ方向に互いにα×ｄ／（ｋ×Δμ）だけずれて形成されることになる。

また、偏光素子７を光軸を中心に回動させることにより、偏光状態が異なる二つの直線偏光が夫々つくる干渉縞を任意の方向にて、互いに反対方向にシフトさせることができる。さらに、λ／２板４を光軸を中心に回動させることにより、偏光状態が異なる二つの直線偏光が夫々つくる干渉縞のコントラストをバランスさせて平均化し、照射面１０全体の干渉縞のコントラストを低減することができる。また、干渉縞の模様も変化させることができる。

なお、偏光素子７としては、偏光解消板を使用するのが望ましい。偏光解消板は、一般に広く販売されており、低コストで入手が容易である。また、偏光解消板を透過した光は、コンデンサレンズ６の焦点面近傍では様々な位相差の光の集まりとなり、疑似的に偏光の効果を消することができる点で、偏光解消板の使用は有利である。

汎用の偏光解消板の使用上の問題点は、偏光解消板を透過した光の位相差が固定的であるため、干渉縞の間隔に適した所望の位相差のものを入手し難いことである。この点に関しては、本発明のレーザ照明装置によれば、偏光解消板を光軸を中心に回動させることにより、位相差の調整をすることができる。

偏光方向が直交する二つの直線偏光の干渉縞のシフト量が、互いに干渉縞の間隔の１／２であるときに最大の効果が得られるものと考えられる。この場合、本発明によるレーザ照明装置１においては、λ／２板４及び偏光素子７を回動させて干渉縞のシフト方向を調整することができる。干渉縞は、図３に示すように、二次元の格子状にできるため、４５°方向の干渉縞の間隔は√２倍になる。したがって、干渉縞のシフト量が丁度、干渉縞の間隔と同じになって、図５（ａ）に示すように二つの干渉縞（第１の干渉縞及び第２の干渉縞）が重なった場合に、λ／２板４及び偏光素子７を４５°だけ回動させて、図５（ｂ）に示すように二つの直線偏光の干渉縞を４５°方向にて互いに反対方向にシフトさせれば、照射面１０全体の干渉縞のコントラストを低減させることができる。

また、干渉縞のコントラストの低減には、複数のレーザ（例えば、パルスレーザ）を使用して偏光状態が異なる複数のレーザビームを照射してもよい。各レーザビームは、夫々独立して干渉縞を作るため、この場合も、図５（ａ）に示すように、各レーザビームによる干渉縞が偶然に重なってコントラストを低減できないこともあり得る。しかし、本発明によるレーザ照明装置１の、特に上記第２の実施形態によれば、λ／２板４及び偏光素子７の回動角を調整して各レーザビームによる干渉縞を分離することにより、コントラストを低減することができる。例えば、λ／２板４及び偏光素子７を４５°回動させて、図５（ｂ）に示すように、二つの干渉縞（第１の干渉縞及び第２の干渉縞）を４５°方向にて互いに反対方向にシフトさせれば、照射面１０全体の干渉縞のコントラストを低減することができる。

このように本発明によるレーザ照明装置１によれば、高いコヒーレンスのレーザ光源２と、フライアイインテグレータやロッドインテグレータを備えて構成した照明装置におけるコントラストの高い干渉縞も、汎用品として容易に入手できる偏光解消板等の偏光素子７と、容易に入手可能なλ／２板４との組み合わせにより干渉縞のコントラストを低減することができる。したがって、比較的低コストで均一なレーザ照明装置を実現することができる。

なお、装置の製造段階において、偏光素子７を光軸を中心に回動させ、偏光状態が異なる二つの直線偏光の干渉縞の位相差を変化させて干渉縞のコントラストが低減調整されるものである場合には、完成した装置の偏光素子７は固定されていてもよい。

また、装置の製造段階において、偏光状態の異なる二つの直線偏光による照射面１０上の干渉縞のコントラストがバランスするように、偏光素子７に入射する直線偏光の傾き角度が調整される場合には、λ／２板４は無くてもよい。

図６は本発明によるラインビームレーザ照射装置の構成を示す近軸光線図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。このラインビームレーザ照射装置は、ライン状のビームスポットを生成して照射面１０に照射するもので、レーザ照明装置１と、フィールドレンズ１３と、第１のシリンドリカルレンズ１４と、球面レンズ１５と、第２のシリンドリカルレンズ１６と、拡散板１７と、第３のシリンドリカルレンズ１８と、を光進行方向上流側からこの順に備えて構成されている。なお、図５においては、光の進行方向をＺ軸方向とし、ライン状ビームスポットの長軸方向をＸ軸（第１の軸）方向とし、ライン状ビームスポットの短軸（幅）方向をＹ軸（第２の軸）方向としている。

上記レーザ照明装置１は、均一な照度分布を得ようとするもので、本発明によるレーザ照明装置１が適用されている。したがって、ここでは、レーザ照明装置１の説明は省略する。なお、上記レーザ照明装置１による照射面１０は、レンズアレイ５の各レンズレット１２の像が重ね合わされて結像する第１の中間像の形成位置に相当する。

上記第１の中間像の形成位置には、フィールドレンズ１３が設けられている。このフィールドレンズ１３は、第１の中間像の位置から射出する光束の広がりを抑えるためのものであり、球面レンズ１５であっても、シリンドリカルレンズであってもよい。本実施形態においては、Ｘ軸方向に円柱軸を有し、出力側が凸のシリンドリカルレンズの場合について説明する。

上記フィールドレンズ１３の光進行方向下流側には、第１のシリンドリカルレンズ１４が設けられている。この第１のシリンドリカルレンズ１４は、図６（ａ）及び図７（ａ）に示すように、第１の中間像にてＸ軸方向に対応する部分を被照射物の照射面１０に結像するものであり、円柱軸をＹ軸方向に合致させ、入力側が凸となるようにして配置されている。したがって、図７（ａ）に示すように、上記第１の中間像のＸ軸方向と上記照射面１０とは、第１のシリンドリカルレンズ１４と球面レンズ１５に関して共役となる。

上記球面レンズ１５の光進行方向下流側には、第２のシリンドリカルレンズ１６が設けられている。この第２のシリンドリカルレンズ１６は、図７（ｂ）に示すように、上記第１の中間像にてＹ軸方向に対応する部分を第２の中間像として結像するものであり、円柱軸をＸ軸方向に合致させ、入力側が凸となるようにして配置されている。したがって、図６（ｂ）に示すように、上記第１の中間像のＹ軸方向と上記第２の中間像のＹ軸方向とは、球面レンズ１５と第２のシリンドリカルレンズ１６に関して共役となる。

上記第２のシリンドリカルレンズ１６の光進行方向下流側にて、上記第２の中間像の生成位置には、拡散板１７が設けられている。この拡散板１７は、ライン状のビームスポットの長軸方向の照度ムラ（例えば干渉縞等）を低減しつつ、ビームスポットの短軸（幅）方向の広がりを抑制するためのものであり、Ｘ軸方向に長軸を有する短冊状に形成され、例えば表面に微細な凹凸を設けたすりガラスや、ホログラフィー等である。

上記拡散板１７の光進行方向下流側には、第３のシリンドリカルレンズ１８が設けられている。この第３のシリンドリカルレンズ１８は、図７（ｂ）に示すように、上記第２の中間像にてＹ軸方向に対応する部分を被照射物の照射面１０に結像するものであり、円柱軸がＸ軸方向となるように配置されている。したがって、図６（ｂ）に示すように、上記第２の中間像のＹ軸方向と上記照射面１０上の像のＹ軸方向とは、第３のシリンドリカルレンズ１８に関して共役となる。それ故、第２の中間像（拡散板１７）の位置は、上記照射面１０との共役面となる。

なお、高アスペクト比を有し、収差の小さなシリンドリカルレンズを単体で形成することは困難である。そこで、本実施形態においては、第３のシリンドリカルレンズ１８は、出力側が凸の２つの単位シリンドリカルレンズと、入力側が凸の４つの単位シリンドリカルレンズを光進行方向上流側からこの順に配置して組み合わせることによりパワーを分けて、収差を補正したシリンドリカルレンズ群の構成としたものである。これにより、既成のシリンドリカルレンズを使用することができ、装置の製造コストを低減することができる。

ここで、拡散板１７について、詳細に説明する。
一般に、拡散板１７のＹ軸（短軸）方向の幅が小さくなると、拡散板１７の製造が困難になる。また、拡散板１７のＹ軸（短軸）方向の幅が小さくなるとそれに合せて、第２のシリンドリカルレンズ１６による第２の中間像のＹ軸方向への絞り込み量を大きくする必要がある。その結果、拡散板１７を通過するレーザビームのエネルギー密度が高くなり、拡散板１７に熱的な悪影響を及ぼす恐れがある。例えば、ホログラフィーで拡散板１７を作る場合には、ホログラフィーに適合したガラス基板の種類に制約があるため、使用するガラス基板の耐熱性の問題が生じる恐れがある。また、基板表面に例えば反射防止膜等のコーティングができなくなる等の問題が生じる恐れもある。そこで、これらの問題を回避するためには、経験的に第２の中間像のＹ軸方向の幅は、３ｍｍ以上となるように設計するのがよいことが分かっている。したがって、拡散板１７のＹ軸方向の幅は、３ｍｍ〜４ｍｍ程度に設定するのが望ましい。

一方、本実施形態においては、ライン状ビームスポットの短軸方向の幅は、３００μｍ程度に設定している。また、前述したように、拡散板１７の位置における第２の中間像のＹ軸方向と被照射物の照射面１０上の像のＹ軸方向とは、第３のシリンドリカルレンズ１８に関して共役である。したがって、第３のシリンドリカルレンズ１８のＹ軸方向の縮小倍率は、１／１０程度に設定するのが望ましい。

次に、拡散板１７の拡散角について説明する。
上述したように第３のシリンドリカルレンズ１８の縮小倍率が１／１０であるので、第３のシリンドリカルレンズ１８の照射面１０側（像側）ＮＡと拡散板１７側（物体側）ＮＡを考えると、両者の関係は、第３のシリンドリカルレンズ１８の結像倍率により決まる。したがって、照射面１０側（像側）ＮＡは、拡散板１７側（物体側）ＮＡの１０倍となる。

一般に、ＮＡが大きくなると収差補正が困難になることが知られている。また、レーザアニールやレーザリフトオフのようなライン状ビームスポットをスキャンさせて使用する装置の場合は、ライン状ビームスポットの短軸（幅）方向の断面プロファイルは、トップハットのプロファイルが望ましい。この場合、第３のシリンドリカルレンズ１８の収差は、ライン状ビームスポットの上記幅以下に抑える必要がある。

しかしながら、シリンドリカルレンズの場合、正負のレンズを組み合わせて収差を補正することは、コスト面から困難である。第３のシリンドリカルレンズ１８の収差補正が不十分であると、拡散角の大きい拡散板１７を使用した場合には、ライン状ビームスポットの幅が広がってしまうという問題が生じる。そこで、本実施形態においては、拡散板１７の拡散角の全角を２γとすると、γは、
０．５°＜γ＜１°
の条件を満足するように設定されている。

例えば、拡散板１７の拡散角の半角γを１°とすると、照射面１０に照射するレーザビームの最大入射角度は、１０°となる。これをＮＡで表すと０．１７となる。このＮＡは、経験知から、既成のシリンドリカルレンズを組み合わせて収差補正することが可能な限界値に近いものである。したがって、本実施形態においては、拡散板１７の拡散角の半角γの上限は、１°ということになる。

一方、拡散板１７の拡散角を小さくすると、ライン状ビームスポットの長軸（Ｘ軸）方向の照度分布の均一性を確保することが困難となる。さらに、拡散角の半角γが０．５°以下であるような拡散板１７を作るのは、現状難しい。したがって、拡散角の半角γの下限は、０．５°ということになる。

以上の理由から、本実施形態においては、拡散板１７の拡散角は、半角γが上記条件を満足するように設定した。

次に、このように構成されたラインビームレーザ照射装置の動作について説明する。
レーザ照明装置１を射出した偏光状態が異なる二つの直線偏光は、第１の中間像の位置に集められ、該位置には、各偏光による干渉縞が平均化されて均一な輝度分布の第１の中間像が得られる。

上記第１の中間像は、Ｙ軸方向に円柱軸を有する第１のシリンドリカルレンズ１４により、Ｘ軸方向の部分が被照射物の照射面１０に拡大結像される。この場合、第１のシリンドリカルレンズ１４の光進行方向下流側に配置された第２及び第３のシリンドリカルレンズ１８は、共に、Ｘ軸方向に円柱軸を有するものであるから、Ｘ軸方向にはレンズ機能を有さず、Ｘ軸方向の結像には寄与しない。

一方、上記第１の中間像は、第２のシリンドリカルレンズ１６により、Ｙ軸方向の部分が拡散板１７の位置に縮小結像され、Ｘ軸方向に長軸を有し、Ｙ軸方向の幅が３ｍｍ程度のライン状の第２の中間像が生成される。

拡散板１７を通過した横断面が線状のレーザビームは、拡散板１７により干渉縞がさらに平均化されて断面内輝度分布が均一な光線となって第３のシリンドリカルレンズ１８に入射する。なお、第１のシリンドリカルレンズ１４は、前述したようにＹ軸方向に円柱軸を有するものであるから、Ｙ軸方向にはレンズ機能を有さず、Ｙ軸方向の結像には寄与しない。

上記第２の中間像は、第３のシリンドリカルレンズ１８により、Ｙ軸方向の部分が被照射物の照射面１０上に縮小結像され、Ｘ軸方向に長軸を有し、Ｙ軸方向の幅が３００μｍ程度のライン状ビームスポットが生成される。

本発明によれば、拡散板１７が第２の中間像の生成位置、即ち、第３のシリンドリカルレンズ１８に関して照射面１０とのＹ軸方向における共役面の位置に配置されているので、図８に示すように、ライン状ビームスポットの幅方向の断面プロファイルは、トップハットのプロファイルとなる。

一方、拡散板１７の配置位置が上記共役面の位置からずれると、図９に示すように、ライン状ビームスポットの幅方向の断面プロファイルは、不均一となる。さらに、幅も広がるため好ましくない。

このように、本発明によれば、第３のシリンドリカルレンズ１８が、その円柱軸に直交する軸方向における照射面１０との共役面を有し、該共役面の位置に拡散板１７を備えたことにより、ライン状ビームスポットの長軸方向及び短軸方向の何れの照度分布も均一にすることができる。したがって、レーザアニールやレーザリフトオフに好適なラインビームレーザ照射装置を実現することができる。

また、レーザ照明装置１の偏光素子７を光軸を中心に回動させることにより、ライン状ビームスポット内の干渉縞の発生方向をライン状ビームスポットの長軸方向から短軸方向にずらすことができ、干渉縞をライン状ビームスポット外に逃すことができる。したがって、これによっても、均一な照度分布のライン状ビームスポットを生成することができる。この場合、当然ながら、偏光素子７の回動に伴ってλ／２板４も光軸を中心に回動される。

なお、上記実施形態においては、拡散板１７を備えた場合について説明したが、本発明はこれに限られず、上記レーザ照明装置１により許容範囲の均一な照明が実現できる場合には、拡散板１７は無くてもよい。

１…レーザ照明装置
４…λ／２板
５…レンズアレイ
６…コンデンサレンズ
７…偏光素子
１０…照射面
１４…第１のシリンドリカルレンズ
１６…第２のシリンドリカルレンズ
１７…拡散板
１８…第３のシリンドリカルレンズ

Claims (9)

1. レンズアレイの各レンズレットの像を重ね合せて結像するコンデンサレンズと、
   前記レンズアレイの光入射側、又は前記コンデンサレンズの光射出側のいずれか一方に、入射光を偏光状態が異なる二つの直線偏光に分離して透過する、複屈折を利用した偏光素子と、
   を備えたことを特徴とするレーザ照明装置。
2. 前記偏光素子は、光軸を中心に回動可能であることを特徴とする請求項１記載のレーザ照明装置。
3. 前記偏光素子の光進行方向上流側には、λ／２板がさらに配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ照明装置。
4. 前記λ／２板は、光軸を中心に回動可能であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ照明装置。
5. レンズアレイの各レンズレットの像を重ね合せて第１の中間像として結像するコンデンサレンズと、
   前記レンズアレイの光入射側、又は前記コンデンサレンズの光射出側のいずれか一方に配置され、入射光を偏光状態が異なる二つの直線偏光に分離して透過する、複屈折を利用した偏光素子と、
   第１の軸に平行な円柱軸を有し、前記第１の中間像にて前記第１の軸に直交する第２の軸の方向に対応する部分を被照射物の照射面に拡大結像する第１のシリンドリカルレンズと、
   前記第１のシリンドリカルレンズの光進行方向下流側に配置され、前記第２の軸に平行な円柱軸を有し、前記第１の中間像にて第１の軸方向に対応する部分を第２の中間像として縮小結像する第２のシリンドリカルレンズと、
   前記第２の軸に平行な円柱軸を有し、前記第２の中間像にて前記第１の軸方向に対応する部分を前記被照射物の前記照射面に縮小結像する第３のシリンドリカルレンズと、
   を備えたことを特徴とするラインビームレーザ照射装置。
6. 前記第２の中間像の位置には、拡散板が配設されていることを特徴とする請求項５記載のラインビームレーザ照射装置。
7. 前記偏光素子は、光軸を中心に回動可能であることを特徴とする請求項５又は６記載のラインビームレーザ照射装置。
8. 前記偏光素子の光進行方向上流側には、λ／２板がさらに配置されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のラインビームレーザ照射装置。
9. 前記λ／２板は、光軸を中心に回動可能であることを特徴とする請求項８に記載のラインビームレーザ照射装置。