JP3640391B1 - 照明光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 分解能とコントラストの高い微小ミラーのアレイからなる空間光変調器の照明光学装置の提供。
【解決手段】 光軸に対して傾斜して設置された平面光源と、テレセントリック光学系を設置し、平面光源と空間光変調器がシャインプルーフの関係を満足するように配置し、照明光軸に対して所定の角度傾斜して設置された空間光変調器上の全ての微小ミラーに主光線が照明光軸と一致する様に平面光源を結像して照明する。これにより空間光変調器の個々の微小ミラーを照明する照明光はその主光線が平行で空間光変調器に対しては所定の角度で斜め方向から照明される。これにより高い分解能と迷光を排除した高いコントラストが得られる。
【選択図】 図１

Description

デジタルマイクロミラーデバイス(Digital
Micro Mirror Device)（以下ＤＭＤと記す）に代表される微小ミラーのアレイからなる空間光変調器が、プロジェクタなどの画像表示装置，光造形装置や露光装置などのパターン発生手段、それに顕微鏡の共焦点走査手段として利用されている。空間光変調器を利用した機器は、空間光変調器本体を挟んで前段および後段の二つの光学系から成り立っている。まず前段の照明光学系で空間光変調器に光を導入し、空間光変調器で空間光変調を行い、出力光をそれぞれの利用装置に適した後段の結像光学系や投影光学系などにより空間光変調器を利用した機器の目的に応じた所望の機能を得る構成になっている。本発明は微小ミラーのアレイからなる空間光変調器に照明光を導入する前段の照明光学系で構成される照明光学装置に関する。

ＤＭＤはテキサスインスツルメンツ社（米国テキサス州）によって開発され、±１０度または±１２度の傾動角を持つ微小ミラーの二次元アレイである。ＤＭＤの空間光変調機能は微小ミラーの傾動制御によって照明光の進行方向をスイッチすることで実現している。集積度が６４０×４８０，１０２４×７６８など数種類のデバイスが販売されている。ＤＭＤに垂直な方向に光を反射させるためには２０度または２４度の方向から光を入射しなければならない。ＤＭＤが照明光軸に対して傾斜していることと、微小ミラーがさらに所定の角度１０度または１２度傾動することの二つの要因により、ＤＭＤに代表される微小ミラーのアレイからなる空間光変調器の性能を余すところなく発揮する最適な照明系が確立していない。

従来のＤＭＤを利用した装置の照明光学系は、平行光による照明法と光源の像をＤＭＤに結像する照明法が知られている。
平行光による照明法では，略平行光が利用されてきた。しかし平行からのわずかなズレが装置の焦点面をずらせてしまう問題が生ずる。図６は平行でない光がＤＭＤに導光された場合の例として、収束光によるＤＭＤの照明を示すもので、平行光から大きくずれた状態を現している。焦点面が光軸に対して垂直な面と一致しない。加えて厳密な平行光を得ることは、光源が点光源でない、すなわち光源がある大きさがあるので困難を伴う。このような現象によって装置の解像度とコントラストを劣化させてしまう問題がある。平行性の優れるレーザー光は干渉性が高くＤＭＤの構造に起因する干渉パターンが現れて利用できない。

光源の像をＤＭＤに結像する照明法では、光源から射出された光をロッドインテグレータを利用した光照度の均一化手段を通過し、リレーレンズ群によってロッドインテグレータの射出端面、またはプロジェクタなどカラー表示を行うものではカラーフィルタの像がＤＭＤに結像され照明される。しかし、ＤＭＤは照明光軸に対して傾いているので、照明光軸に対して垂直な射出端面やカラーフィルタを精度良く結像することは困難である。この理由から装置の解像度とコントラストが劣化せざるを得ない。また、完全な平行光で照明した場合には、照明光の入射角度が個々の微小ミラー全て一定になるが、従来の結像方法では一定にならずＤＭＤ上の微小ミラーの位置によって差が出てしまう問題があり、従来の結像照明法では後段の投影系などによる像がボケてしまう。また従来の結像照明法では、ロッドインテグレータなどの照度を均一化する光学素子を設置したとしても結像系のＣＯＳ4乗則として知られる照度ムラが発生することも問題である。

一般的に、ＤＭＤの照明系は、カメラや顕微鏡などの照明光が一度物体に当たって散乱光となるシステムと違って、照明対象がミラーであり照明光の質がＤＭＤの射出光にも反映される。照明光に対する技術的な検討が不足すると、ＤＭＤの射出光を処理する後段光学系として高性能な結像系や投影系を利用しても装置全体の解像度やコントラストを高めることは不可能である。従来の照明法ではＤＭＤの持つ性能を最大限に発揮させる事が難しい。

これらの諸問題は、上記ＤＭＤ以外の空間光変調器、例えば引用文献３や引用文献４などに開示された微小ミラーのアレイからなる空間光変調器でも同様に存在する。

特開２００２-３６７９００号公報 特開２００２-２６８０１０号公報 特開２００１-７５０２９号公報 特開平７-３０６３６８号公報

本発明の目的は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、高い分解能と迷光を排除した高いコントラストを有する、微小ミラーのアレイからなる空間光変調器を利用した機器に最適な照明光学装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１の発明は微小ミラーのアレイからなる空間光変調器を備え、該空間光変調器が照明光軸に対して所定の角度で傾斜して設置されていると共に、前記空間光変調器を光源からの光で照明し、前記空間光変調器によって空間光変調された光を利用する機器の照明光学装置であって、
前記照明光軸に対して傾斜して配置された平面光源と、両側テレセントリックなレンズ光学系と、を備え、前記平面光源が空間光変調器にシャインプルーフの関係を満足して結像されることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１において、平面光源は光源からの光照度を均一に調整するロッドインテグレータと、該ロッドインテグレータの射出端近傍に傾斜して設置された視野絞りとを含み、前記ロッドインテグレータの射出端近傍とはロッドインテグレータの射出角で決定される錐体の輪郭内側であると共に、前記錐体の底面はロッドインテグレータの射出端面であり、前記光源からの光をロッドインテグレータの入射端から導入し、前記視野絞りの位置に前記平面光源が生成されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１において、平面光源は射出端が斜めにカットされたロッドインテグレータを含み、該ロッドインテグレータの入射端に光源からの光を導入し、該ロッドインテグレータの射出端面に前記平面光源が生成されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１において、平面光源は照明光軸に対してオフセット角を持って設置されていると共に、射出端が斜めにカットされたロッドインテグレータを含み、該ロッドインテグレータの入射端に光源からの光を導入し、該ロッドインテグレータの射出端に前記平面光源が生成されることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１において、平面光源は配光角度が調整された薄膜散乱体であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１において、平面光源は面発光体であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１〜４のいずれかにおいて、空間光変調器の微小ミラーごとに平面光源からの照明光の面内分布を均一にする手段を備えていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、空間光変調器の個々の微小ミラーを照明する照明光はその主光線が平行で空間光変調器に対しては所定の角度で斜め方向から照明されるので、高い分解能と迷光を排除した高いコントラストが得られる。

請求項２の発明によれば、ロッドインテグレータの射出端近傍に設置した視野絞りの開口面に、平面光源を限定することで、光軸に対して垂直なロッドインテグレータの射出端面そのものを光軸に対して所定の角度傾いて配置されている空間光変調器の照明に不要な光（迷光）を遮断する。これにより解像度とコントラストを向上させると共に、空間光変調器を利用した光学装置の視野全体の分解能を向上させることができる。

請求項３の発明によれば、斜めに切断した射出端を持つロッドインテグレータを照射光軸に対してオフセット角を持たせて設置し、射出端面に２次光源として平面光源を生成することで、ロッドインテグレータの射出端面の配光特性が考慮されロス光のない明るい照明装置である。

図１は本発明の照明光学装置の概念図である。空間光変調機能を実現するため、照明光軸に対して所定の角度傾いて微小ミラーのアレイからなる空間光変調器が設置されている。この種の空間光変調器はＤＭＤに代表されるので、以下の説明ではＤＭＤを用いる。

平面光源はＤＭＤの照明光軸に対して傾斜して設置されている。この平面光源とＤＭＤの間には照明光学系を構成するテレセントリック光学系が配置されている。このテレセントリック光学系により平面光源の像がＤＭＤに結像される。この構成では平面光源とＤＭＤは共に照明光軸に対して傾斜して設置してあるが、平面光源とＤＭＤはテレセントリック光学系に対してシャインプルーフの関係を満足する配置になっている。図には示していないがＤＭＤに入射した照明光は空間的に変調され射出光となり、後段の投影光学系などに導入される。

ＤＭＤの個々の微小ミラーを照明する照明光はその主光線が平行でＤＭＤに対しては所定の角度で斜め方向から照明される。照明光の開き角度βは一定でテレセントリック光学系の開口絞りを利用し平面光源の配光特性とＤＭＤに対する角度βの入射可能な範囲を考慮して容易に調整する事ができる。他の光学系の持つＣＯＳ4乗則による照度のムラも発生しない。

ＤＭＤの各種用途に応じて本発明の照明光学装置を適用し、ＤＭＤの入射側とＤＭＤの射出側の処理を組み合わせることによって、解像度とコントラストの高い光学機器を提供する事ができる。

図２は本発明の照明光学装置を利用したプロジェクタを示す。プロジェクタはＤＭＤを介して照明光学系と投影光学系が設置されている。投影光学系の光軸はＤＭＤに対して垂直であり、照明光学系の光軸は２４度の角度でＤＭＤの位置で交差している。その角度は本実施例では２４度であるが採用するＤＭＤによって２０度の場合もある。

照明光学系は光源１と集光装置２とロッドインテグレータ３と視野絞り４と両側テレセントリックであるレンズ群５と開口しぼり６により構成されている。
投影光学系はＤＭＤ１０側がテレセントリックである投影レンズ7とスクリーン８により構成されている。

ロッドインテグレータ３は光源から射出された光を導入して照度を均一に調整する。視野絞り４はロッドインテグレータ３の射出端近傍に傾斜して設置される。ここで、ロッドインテグレータ３の射出端近傍とは、図３の斜線部で示すようにロッドインテグレータ３の射出角で決定される錐体３０の輪郭内側である。錐体３０はロッドインテグレータ３が円柱である場合は円錐となり、角柱である場合には四角錘となる。錐体３0の底面はロッドインテグレータ３の射出端面３１である。
錐体３０の輪郭内側に視野絞り４を設置するとその位置（絞り開口面）４０には平面光源が生成される

ロッドインテグレータ３の射出角は光源からロッドインテグレータ３へ入射する角度と、ロッドインテグレータ３の材質の屈折率で決定される全反射角のどちらかの角度によって決定される。視野絞り４は錐体３０の外側の平面光源とはみなせない領域からの光を遮断し迷光を押さえる。

視野絞り４の像は両側テレセントリック光学系を形成するレンズ群５を通してＤＭＤ１０に結像される。視野絞り４とＤＭＤ１０は光軸に対してともに傾いているが、レンズ群５に対してシャインプル―フの関係を満足する共役位置にある。この光学系により、ＤＭＤ１０のすべてのマイクロミラに平面光源が結像し、しかも主光線は投影光軸に対して２４度の角度をなして平行である。

投影光学系はＤＭＤ１０側がテレセントリックである投影レンズが設置され、ＤＭＤ１０から反射される主光線が平行状態で投影レンズ7に導かれスクリーン８に拡大投影される。

本構成の照明光学系を利用すると光軸に対して傾いた平面光源を傾いたＤＭＤ１０に結像するので、結像光学系で周知の台形歪が発生し、結果として照明ムラを生じる。しかし、プロジェクタとしては要求性能上差し支えない範囲である。なお、より均一な表示を要求する場合には、実施例２として後述する露光装置の照明ムラを補正する手段を同様に採用する事ができる。

図４は本発明の照明光学装置を利用した露光装置を示す。露光装置はコンピュータ２０に接続されたＤＭＤ１０を介して照明光学系と両側テレセントリック縮小投影光学系を設置し、コンピュータ２０にあらかじめ保存したパターンをＤＭＤ１０に表示させ、試料３０にパターンを露光するよう構成されている。

照明光学系を構成する照明光学装置は光源１と集光装置２とロッドインテグレータ３とテレセントリック光学系を構成するレンズ群５と開口しぼり６により構成されている。

ロッドインテグレータ３の射出端面３１は、角度Bで斜めにカットされ、ロッドインテグレータ３の軸は照明光軸に対して角度Aだけオフセット角を持たせて設置されている。ロッドインテグレータ３の射出端面３１とＤＭＤ１０とはテレセントリック光学系に対してシャインプルーフの関係を満足する様に設置されている。

オフセット角を持たせることで、ロッドインテグレータ３の射出端面３１からの光が照明光軸と一致するようになり、結果として最も光利用効率が良くなる。

図４において、
Ａ：オフセット設置角（ロッドインテグレータ３の軸と照明光軸のなす角度）
Ｂ：斜めカット角（ロッドインテグレータ３の軸とロッドインテグレータ射出端面３１のなす角度）
Ｃ：射出端傾斜角（ロッドインテグレータ射出端面３１と照明光軸のなす角度）
ｎ：ロッドインテグレータのコアの屈折率
とすると、
射出端傾斜角Cはテレセントリック光学系に対してＤＭＤ１０の傾斜角とシャインプルーフの関係を満足する様に決定される。また、空気の屈折率を１とすると、スネルの法則が成り立ちｎSinB＝Sin(A＋B)。またA＋B＋C＝９０度であるので、Cとｎが決まれば、AとBはそれぞれ決定される。

ロッドインテグレータ３の射出端３１とＤＭＤ１０の配置はテレセントリック光学系に対してシャインプルーフの関係を満足する。このような構成によれば、ＤＭＤ１０上の全ての微小ミラーに主光線が平行で所定の角度傾斜した方向から平面光源を結像させることができる。またオフセット角Ａを持たせたことにより光束の無駄がなく、能率よくＤＭＤ１０を照明可能にする。

本実施例では、レンズ２枚と開口しぼり６からなる最も単純な構成のテレセントリック光学系を採用したがレンズ群を利用し収差を補正した構成や、よりコンパクトな構成が可能である。また拡大倍率は約２．５倍になっているがこれに限定されない。

次にＤＭＤ１０の微小ミラーごとに平面光源からの照明光の面内分布を均一にする手段について説明する。
本発明の照明光学系を利用すると光軸に対して傾いた平面光源を傾いたＤＭＤに結像するので台形歪が発生し、照明ムラを生じる。

照明ムラ補正の具体例を露光装置により説明する。図５は照明ムラを補正した露光のフローチャートを示す。
先ず、コンピュータを利用した照明光学シミュレーションによって、テレセントリック光学系を構成するレンズ群のＤＭＤの位置における照度分布、すなわちＤＭＤの微小ミラー（以下画素と記す）（ｘ，ｙ）ごとの照度を計算する。これを規格化するために画素ごとの照度の逆数を計算し、照明ムラ補正テーブルＮ（ｘ，ｙ）とする。この補正テーブルは予め記憶しておく。

所望の露光パターンＧ（ｘ，ｙ）がコンピュータに入力され、画素ごとに補正された制御値Ｓ（ｘ，ｙ）が計算される。
Ｓ（ｘ，ｙ）＝Ｇ（ｘ，ｙ）×Ｎ（ｘ，ｙ）
この制御値Ｓ（ｘ，ｙ）によりＤＭＤを制御することにより照明ムラを補正した露光が可能となる。

ＤＭＤの制御法には強度調節法と時間調節法の２つの方法がある。強度調節法はパルス幅変調（ＰＷＭ）で微小ミラーを細かくオン・オフし、露光時間内の強度を制御値Ｓ（ｘ，ｙ）にする。一方時間調節法は制御値Ｓ（ｘ，ｙ）の時間だけ微小ミラーをオンする。これらのいずれかの方法を用いてＤＭＤを制御する。

照明ムラ補正の他の方法はＤＭＤの位置にＣＣＤなどの画像検出器を設置し、この画像検出器によって実測しても良い。実測値からＮ（ｘ，ｙ）を計算する。画素ごとの照度を実測すると光源やロッドインテグレータを含めた照明系全体を補正することができる。

ＤＭＤ上のすべての微小ミラーに対して所定の角（２０度または２４度）で照明する事が出来るので、ＤＭＤの利用装置の視野全体に高分解能が発揮されると共に、光源からの光エネルギを無駄なく利用可能となる。

上記の実施例に示す様に、平面光源は光源からの光を変換手段で変換し２次光源として生成する。変換手段は上記のロッドインテグレータを利用した方法以外に薄膜散乱体や光ファイバーを束ねたファイバーオプチックプレートなどが利用可能である。薄膜散乱体やファイバーオプチックプレートの射出面をテレセントリック光学系に対してＤＭＤとシャインプルーフの関係を満足する様に照明光軸に対して傾斜して配置する。

また平面光源はそれ自体が平面状に発光する面発光体であっても良い、エレクトロルミネッセンス発光体、ＬＥＤの集積体などが使用可能である。もちろん面発光体もテレセントリック光学系に対してＤＭＤとシャインプルーフの関係を満足する様に照明光軸に対して傾斜して配置する。

本発明の照明光学装置の概念図である。 本発明の照明光学装置を利用したプロジェクタを示す図である。 ロッドインテグレータに対する視野絞りの設置範囲を説明する図である。 本発明の照明光学装置を利用した露光装置を示す図である。 照明ムラを補正した露光のフローチャートを示す図である。 集束光でＤＭＤを照明した場合の焦点位置を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ 集光装置
３ ロッドインテグレータ
４ 視野絞り
５ 照明光学系のレンズ群
６ 開口絞り
７ 投影光学系のレンズ
８ プロジェクタのスクリーン
１０ ＤＭＤ
２０ コンピュータ
３０ 試料

Claims (7)

1. 微小ミラーのアレイからなる空間光変調器を備え、該空間光変調器が照明光軸に対して所定の角度で傾斜して設置されていると共に、前記空間光変調器を光源からの光で照明し、前記空間光変調器によって空間光変調された光を利用する機器の照明光学装置であって、
   前記照明光軸に対して傾斜して配置された平面光源と、両側テレセントリックなレンズ光学系と、を備え、前記平面光源が空間光変調器にシャインプルーフの関係を満足して結像されることを特徴とする照明光学装置。
2. 請求項１において、平面光源は光源からの光照度を均一に調整するロッドインテグレータと、該ロッドインテグレータの射出端近傍に傾斜して設置された視野絞りとを含み、前記ロッドインテグレータの射出端近傍とはロッドインテグレータの射出角で決定される錐体の輪郭内側であると共に、前記錐体の底面はロッドインテグレータの射出端面であり、前記光源からの光をロッドインテグレータの入射端から導入し、前記視野絞りの位置に前記平面光源が生成されることを特徴とする照明光学装置。
3. 請求項１において、平面光源は射出端が斜めにカットされたロッドインテグレータを含み、該ロッドインテグレータの入射端に光源からの光を導入し、該ロッドインテグレータの射出端面に前記平面光源が生成されることを特徴とする照明光学装置。
4. 請求項１において、平面光源は照明光軸に対してオフセット角を持って設置されていると共に、射出端が斜めにカットされたロッドインテグレータを含み、該ロッドインテグレータの入射端に光源からの光を導入し、該ロッドインテグレータの射出端面に前記平面光源が生成されることを特徴とする照明光学装置。
5. 請求項１において、平面光源は配光角度が調整された薄膜散乱体であることを特徴とする照明光学装置。
6. 請求項１において、平面光源は面発光体であることを特徴とする照明光学装置。
7. 請求項１〜6のいずれかにおいて、空間光変調器の微小ミラーごとに平面光源からの照明光の面内分布を均一にする手段を備えていることを特徴とする照明光学装置。

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