JP4646278B2 - 照明光学系及び投射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学系及び投射装置に関し、さらに詳しくは、レーザ光を光源とし被照射部を均一に照明する照明光学系、レーザ光を光源とする照明光学系を用いた投射装置に関し、プロジェクタ、レーザ加工、ステッパ等多くの技術分野への応用に適したものである。
【０００２】
【従来の技術】
１９９８年９月２８日付け日経産業新聞に、ビーム強度分布を変換することができる特殊レンズに関する記事が記載されている。
図３０は、同記事に記載されている図で、図３０に示された特殊レンズは、レンズの中央部が凹レンズ効果を有し、周辺部が凸レンズ効果を有するような特殊な断面形状を有し、強度分布に疎密があるビームを強度分布が均一なビームに変換することができる。
しかし、強度分布に疎密があるビームを均一な強度分布の平行光線束に変換するのを、レンズで実施するにはレンズ形状の設計が困難であり、また特殊な断面形状の金型を作製する必要があるため高コストとなる。
【０００３】
また、特開平８−９４８３９号公報には、第１のホログラムと第２のホログラムからなる光ビーム変換素子が記載されている。しかし、この光ビーム変換素子によれば、第１のホログラムの各ファセットからの光が第２のホログラムの全面に照射されるため、第２のホログラムで全ての光線を平行化させることは不可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の技術に鑑みてなされたもので、強度分布に疎密がある光源からのビームを被照射部で均一な強度分布に、または、均一な強度分布の平行光線束に変換する変換素子に特殊な断面形状のレンズを用いることなしに、ホログラム素子を用いて強度分布に疎密がある光源からのビームを被照射部で均一な強度分布に、または、均一な強度分布のビームに変換することができる光学変換素子、照明光学系及び投射装置を低コストで提供することを目的とする。また、各請求項の発明は次のような事項を目的とする。
【０００５】
（１）レーザ光源のビームを被照射部に強度分布が均一となるように照明することを目的とする（請求項１）。
【０００６】
（２）強度分布がガウシアン分布を有するビームを強度分布が均一なビームに変換することができ、ホログラム素子の作製に二光束干渉露光法を使用することができるようにすることを目的とする（請求項２）。
【０００７】
（３）レーザアレイ光源の各ガウシアン分布を有するビームを強度分布が均一なビームに変換することを目的とする（請求項３）。
【０００８】
（４）レーザアレイ光源の各ガウシアン分布を有するビームを強度分布が均一なビームに変換し、かつ小型な照明光学系にも使用可能であることを目的とする（請求項４）。
【００１０】
（５）レーザ光源のビームを被照射部に強度分布が均一となるように照明し、かつ照明光学系の小型化を可能とすることを目的とする（請求項５，６）。
【００１１】
（６）発光部がライン状に配列されたレーザアレイ光源のビームを被照射部に強度分布が均一となるように照明する照明光学系において、レーザアレイ光源のアレイ数が多くなっても照明光学系の設計が容易であることを目的とする（請求項７）。
【００１２】
（７）レーザ光源またはレーザアレイ光源を用いた投射装置を小型化し、高性能化することを目的とする（請求項８）。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するためになされたものであって、その第１の技術手段は、レーザ光源と、コリメートレンズと、ビーム変換素子と、レンズアレイからなる照明光学系において、前記ビーム変換素子は、平行配置された第１ホログラム素子と第２ホログラム素子からなり、前記第１ホログラム素子は凹レンズ機能を有しホログラムの中心に向かうほど焦点距離が大きく、前記第２ホログラム素子は凸レンズ機能を有しホログラムの中心に向かうほど焦点距離が小さいことを特徴とする。
【００２５】
第２の技術手段は、第１の技術手段のビーム変換素子において、前記第１ホログラム素子と前記第２ホログラム素子は、斜入射系となるように配置されていることを特徴とする。
【００２６】
第３の技術手段は、第１または第２の技術手段のビーム変換素子において、前記第１ホログラム素子と前記第２ホログラム素子のホログラムパターンは、それぞれアレイ状に形成されていることを特徴とする。
【００２７】
第４の技術手段は、第２の技術手段のビーム変換素子が複数個アレイ状に配列されているビーム変換素子であることを特徴とする。
【００２９】
第５の技術手段は、第１の技術手段の照明光学系において、前記コリメートレンズ部は、コリメート機能を有するホログラム素子からなることを特徴とする。
【００３０】
第６の技術手段は、第５の技術手段の照明光学系において、前記レンズアレイは、レンズアレイ機能を有するホログラム素子からなることを特徴とする。
【００３１】
第７の技術手段は、レーザアレイ光源と、ビーム変換素子部と、ホモジナイザからなる照明光学系において、前期レーザアレイ光源は発光部がライン状に配列され、前記ビーム変換素子部は前記レーザアレイ光源のアレイ厚さ方向のみにレンズ機能を有し、第１ホログラム素子と第２ホログラム素子で形成され、前記第１ホログラム素子は凹レンズ機能を有しホログラムの中心に向かうほど焦点距離が大きく、前記第２ホログラム素子は凸レンズ機能を有しホログラムの中心に向かうほど焦点距離が小さい照明光学系であることを特徴とする。
【００３２】
第８の技術手段は、第１〜７の照明光学系と、ライトバルブと、投射レンズからなる投射装置であることを特徴とする。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜２９に示す実施例１〜２２に基づいて説明する。
（実施例１）
図１は、実施例１のビーム変換素子を示す図である。
実施例１のビーム変換素子１は、第１のホログラム素子２と第２のホログラム素子３から構成され、両者は互いに平行に配置される。
第１のホログラム素子２は、凹レンズの機能を有するが、中心に近づくほど焦点距離が大きく（凹レンズの焦点距離は負の値なので、焦点距離が大きいということは焦点距離の長さが小さいことになる）、レンズの周辺に近づくほど焦点距離が小さくなるように設計されている。第１のホログラム２は、例えば計算機ホログラムの作製方法で作製可能である。
第２のホログラム素子３は凸レンズの機能を有するが、中心に近づくほど焦点距離が小さく、周辺に近づくほど焦点距離が大きくなるように設計されている。第２のホログラム素子３も計算機ホログラムによって作製可能である。
【００４５】
図１に示すビーム変換素子１は、向かって左側からレーザ光４が第１のホログラム素子２に入射する。通常、レーザ光のビームプロファイルはガウシアン分布（Gaussian Distribution）で、ビームの中心が強度が高く、ビームの周辺に近づくにしたがって指数関数的に光強度が減少する。図１に示すレーザ光４もガウシアン分布であり、図１では光強度の強い領域ほど線と線の間隔を狭く描いている。
第１のホログラム素子２によってレーザ光４の中心部付近の強度の強い光線は焦点距離が大きい（焦点距離の長さが小さい）レンズ作用を受けて大きく発散される。レーザ光４の周辺部にいくにしたがって第１のホログラム素子２による発散角は小さくなる。これらの光線は、第２のホログラム素子３によって平行光束となる。
そして、第１のホログラム素子２から第２のホログラム素子３に向かう光は重なり合うことなく第２のホログラム素子３に入射させるため、第２のホログラム素子３から透過される光を平行化させることが設計上可能になる。
したがって、第１，第２のホログラム素子２，３によって、ガウシアンビームをコリメート光で、かつ放射照度を均一化したビーム５に変換することができる。
【００４６】
（実施例２）
図２は、実施例２のビーム変換素子を示す図である。
実施例２のビーム変換素子６は、平行配置された第１のホログラム素子７と第２のホログラム素子８で構成される。
第１のホログラム素子７は、凹レンズ機能と偏向機能を有する。第１のホログラム素子７の中心部付近は焦点距離が大きく（焦点距離の長さが小さく）、かつ光軸が所定の方向に偏向される。第１のホログラム素子７の周辺に近づくほど、その凹レンズ機能の焦点距離が小さく（焦点距離の長さが大きく）なるように設計される。
一方、第２のホログラム素子８は、凸レンズ機能と偏向機能を有する。第２のホログラム素子８の中央に近づくほど凸レンズの焦点距離が小さく、周辺に向かうにしたがって焦点距離が大きくなるように設計されている。
【００４７】
第１のホログラム素子７に入射するレーザ光９はその強度分布がガウシアン分布であり、中央部付近の強度が高く、ビームの周辺に向かうにしたがって指数関数的に光強度が減少する。図２では強度の強い領域ほど線と線の間隔を狭くして表している。ガウシアン分布のレーザ光９の中央付近は、第１のホログラム素子７の中央部付近の偏向機能と凹レンズ機能によって進行方向が変わり、かつ発散される。ガウシアン分布のレーザ光９の周辺ほど発散の度合いが小さくなっている。
これらのビームが第２のホログラム素子８に入射されると、凸レンズ機能と偏向機能によって図２に示すように平行光束化し、かつ強度分布が均一なレーザ光１０に変換される。
【００４８】
実施例２のような斜入射系のホログラムを用いることによって、図１２に示すような二光束干渉露光法でホログラムを作製することができる。
垂直入射ホログラムを用いることによっても、二光束干渉露光法は可能であるが、効率の良いホログラムの作製は困難である。
斜入射系のホログラムでは図１２のようにホログラム記録材料の基板７４の片側から二つの光束を重ねることができる。ところが、二光束干渉で垂直入射タイプのホログラムを作製するには基板７４の両側から光束を照射するため、基板７４の裏面による多重反射によってホログラムの効率や特性が低下する。
したがって、本構成の場合、２つのホログラム素子からなるビーム変換素子の作製自由度が高くなることになる。
【００４９】
（実施例３）
図３は、実施例３のビーム変換素子を示す図である。
実施例３のビーム変換素子１１は、第１のホログラム素子１２と第２のホログラム素子１３で構成される。入射光はアレイ光１４であり、例えば、レーザアレイ光源からのレーザ光である。図３では２つのビームのみ表しているが、アレイ数はいくつであっても構わない。
第１のホログラム素子１２は入射光であるアレイ光１４のアレイ数に対応する領域のホログラムが施されている。図３では２つのビームに合わせて、第１のホログラム素子１２には２つの領域にホログラムを施している。
同様に、第２のホログラム素子１３も入射ビームのアレイ光１４に合わせた領域にホログラムが施されている。各領域のホログラムの構成は、実施例１に記載されるホログラムと同じであるので説明を省略する。
実施例３の構成によって、各々がガウシアンビームであるアレイ光１４をそれぞれビーム変換し、強度均一化されたアレイ光１５が得られる。
【００５０】
（実施例４）
図４は、実施例４のビーム変換素子を示す図である。
実施例４のビーム変換素子１６は、第１のホログラム素子１７と第２のホログラム素子１８で構成される。
入射光１９はアレイ光であり、例えばレーザアレイ光源からのレーザ光である。図４では２つのビームのみ表示しているが、アレイ数はいくつであっても構わない。
第１のホログラム素子１７は入射光であるアレイ光１９のアレイ数に対応した領域数のホログラムが施されている。図４では２つのビームにあわせて、第１のホログラム素子１７には２つの領域にホログラムが施される。
同様にして、第２のホログラム素子１８も入射ビーム数に合わせたホログラムが施されている。各領域のホログラムの構成は実施例２のビーム変換素子に用いられるホログラムと同じ構成であるので説明を省略する。
【００５１】
実施例４のビーム変換素子によって、各々がガウシアンビームであるアレイ光１９をそれぞれ強度均一化されたビーム変換し、強度均一化されたアレイ光２０が得られる。また、実施例４に使われる第１、第２のホログラム素子１７，１８は計算機ホログラム以外にも二光束干渉露光法で作製することも可能である。
二光束干渉露光法でホログラムを作製するには、図１２に示すように、レーザ光７５をハーフミラー６９（またはビームスプリッタ）で２分する。一方のビームは必要ならミラー７０で反射させ、ホログラム記録材料の基板７４に照射される。もう一方のビームは必要ならミラー７１で反射させ、レンズ７２で集光させホログラム記録材料の基板７４に照射する。ホログラム記録材料の基板７４の直前にはマスク７３を配置させ、必要な領域だけを露光させるようにする。その領域に適した焦点距離となるようにレンズ７２を適宜交換することによって、ホログラム素子の焦点距離を変えることができる。さらに、レンズ７２の焦点位置をホログラム記録材料の基板７４の手前に（図１２に示す配置）するとホログラム素子は凹レンズ機能を有し、焦点位置が記録材料７４の先にあれば凸レンズ機能をもたせることになる。
【００５２】
（実施例５）
図５は、実施例５のビーム変換素子を示す図である。
実施例５のビーム変換素子２１は、第１のホログラム素子２２ａ，２２ｂ，…と第２のホログラム素子２３ａ，２３ｂ，…で構成される。図５に示したビーム変換素子２１は２セットのホログラム素子であるが、入射されるアレイ光２４の数に合わせる。
入射されるアレイ光２４は、まず第１のホログラム素子２２ａ，２２ｂで回折される。
各々の第１ホログラム素子２２ａ，２２ｂは凹レンズ機能を有し、各素子の中心に近づくほど焦点距離が大きい凹レンズ機能を有する。
第２のホログラム素子２３ａ，２３ｂは凸レンズ機能を有し、各ホログラム素子の中心ほど焦点距離が短い凸レンズ機能を有する。
【００５３】
実施例５のビーム変換素子２１の構成によって、強度分布がガウシアン分布のアレイ光２４は、２枚のホログラム素子２２ａ，２２ｂで回折させた結果、光強度が均一化される。この動作が全てのアレイ光２４で動作されるので、結果的にレーザアレイ光２４を全て均一ビームのアレイ光２５に変換させることができる。また、斜入射系のホログラムであるため、二光束干渉露光法でも、計算機ホログラムでも作製が可能である。
さらに、ホログラム素子をアレイ状に配置させるため、ビーム変換素子部２１の入射光軸方向の長さを小さくまとめることができる。
【００５４】
（実施例６）
図６は、本発明の実施例６の照明光学系を示す図である。
実施例６の照明光学系２６は、レーザアレイ光源２７と、コリメートレンズアレイ２８と、ビーム変換素子部２９と、レンズアレイ３０と、コンデンサレンズ３１で構成され、被照射部３２を照射する。
コリメートレンズアレイ２８は、必ず備えなければならないものではなく、ビーム変換素子部２９のホログラム素子の設計と配置によって、コリメートレンズアレイ２８を省略することができる。具体的には、第１のホログラム素子に入射する光を発散光で設計し、さらに、レーザアレイ光源２７の各アレイからの発散光が重ならないうちに第１のホログラム素子に入射するように配置させればよい。
また、コンデンサレンズ３１は必ずしも必要ではなく、レンズアレイ３０にコンデンサレンズ３１の機能を持たせることも可能である。
【００５５】
ビーム変換素子部２９には、実施例３〜５のビーム変換素子１１，１６，２１を用いることができる。
実施例６の照明光学系２６によって、レンズアレイ３０に入射される各ビームは照度が均一化されている。レンズアレイ３０とコンデンサレンズ３１によって各ビームを被照射部３２に照射している。
均一化されている各ビームを被照射部３２で重ね合わせるため、被照射部３２でも均一な照度分布が得られる。さらに、レーザアレイ光源２７の各ビームは被照射部３２全体を各々照明するため、レーザアレイ光源２７の各アレイ間で光強度のばらつきがあったとしても、被照射部３２で均一な照明となる。
【００５６】
（実施例７）
図７は、本発明の実施例７の照明光学系を示す図である。
実施例７の照明光学系３３は、光源３４と、コリメートレンズ機能を有するホログラム素子３５と、ビーム変換素子部３６と、レンズアレイ３７、コンデンサレンズ３８で構成され、被照射部３９を照射する。
光源３４は一本のレーザでもレーザアレイ光源でも良い。レーザアレイ光源の場合にはホログラム素子３５やビーム変換素子部３６はアレイ状にホログラムが形成される。
【００５７】
光源３４からの各ビームは、ホログラム素子３５で各々平行光束化される。この段階では平行光束化されただけで、それぞれのビームにはガウシアンの強度分布であり、このビームがビーム変換素子部３６に入射する。光源３４が一本のレーザであるならビーム変換素子部３６は、実施例１または２のビーム変換素子１，６を使用し、レーザアレイ光源なら実施例３〜５のビーム変換素子１１，１６，２１を用いる。
ビーム変換素子の機能によって各々のビームは均一照度分布のビームに変換される。レンズアレイ３７とコンデンサレンズ３８によって、それぞれの均一ビームを被照射部３９に重ね合わせる。したがって、被照射部３９でも均一な照度が得られる。
ホログラム素子３５の機能は、ビーム変換素子部３６に持たせることも可能である。
実施例７の照明光学系３３によって、レーザ光源もしくはレーザアレイ光源を被照射部３９に均一照明することができる。さらに、ホログラム素子３５はビーム変換素子部３６のホログラムに集約することも可能であるため、さらに小型の照明光学系を実現することができる。
【００５８】
（実施例８）
図８は、本発明の実施例８の照明光学系を示す図である。
実施例８の照明光学系４０は、光源４１と、コリメートレンズ機能を有するホログラム素子４２と、ビーム変換素子部４３と、各光束を合成するホログラム素子４４で構成され、被照射部４５を照射する。
光源４１は一本のレーザでもレーザアレイ光源でもよい。レーザアレイ光源の場合にはホログラム素子４２，４４やビーム変換素子部４３はアレイ状にホログラムが形成される。
光源４１からの各ビームはホログラム素子４２で各々平行光束化される。この段階では平行光束化されただけで、それぞれのビームにはガウシアンの強度分布である。このビームがビーム変換素子部４３に入射する。光源４１が一本のレーザならビーム変換素子は実施例１または２のビーム変換素子１，６を使用し、レーザアレイ光源なら実施例３〜６記載のビーム変換素子１１，１６，２１を用いることができる。ビーム変換素子の機能によって各々のビームは均一照度分布のビームになる。ホログラム素子４４は、これ一枚で図７に示すレンズアレイ３７とコンデンサレンズ３８の組み合わさった機能を有する。
【００５９】
実施例８の照明光学系４０によって、レーザ光源もしくはレーザアレイ光源を被照射部４５に均一照明することができる。さらに、ホログラム素子４２，４４はどちらか一方、または両方をビーム変換素子部４３のホログラムに集約することも可能であるため、さらに小型の照明光学系を実現することができる。
【００６０】
（実施例９）
図９は、本発明の実施例９の照明光学系を示す図で、図９（Ａ）は正面図、図９（Ｂ）は平面図である。
実施例９の照明光学系４６は、レーザアレイ光源４７と、レンズアレイ４８と、シリンドリカルレンズ４９と、ビーム変換素子部５０と、レンズアレイ５１、シリンドリカルレンズ５２，５３で構成され、被照射部５４を照射する。
レーザアレイ光源４７は、レーザ発振部がライン状に配列されている。
レンズアレイ４８はコリメートレンズアレイで示されているが、レーザアレイ厚さ方向にはレンズパワーを持たないシリンドリカルレンズアレイでもよい。
ビーム変換素子部５０は、レーザアレイの厚さ方向のガウシアン分布特性を均一なビームに変換する機能を有する。
レンズアレイ５１とシリンドリカルレンズ５２はレーザアレイ光源４７のアレイ方向成分のホモジナイザである。すなわち、レーザアレイ４７のアレイ方向に（図９（Ａ）の紙面内方向に）平行光束化されたアレイ光をシリンドリカルレンズアレイ４８の分割数だけ分割し、シリンドリカルレンズ５２で各々を被照射部５４で重ね合わせる。
シリンドリカルレンズ５３はレーザアレイ４７のアレイ厚さ方向のビームを被照射部５４に合わせるためのレンズである。図９（Ｂ）で、ビーム変換素子部５０からのビームが既に被照射部５４の形状に合っているなら、シリンドリカルレンズ５３は必要ではない。
また、シリンドリカルレンズ４９も特に必要ではない。シリンドリカルレンズ４９のない場合には、入射光が発散光であることを考慮したビーム変換素子部５０を設計すればよい。
【００６１】
レンズアレイ４８はレーザアレイ光源４７のアレイ数に一致する。
レンズアレイ５１はレーザアレイ数よりも好ましくは少なくし、かつレーザアレイ数の約数ではない分割数を選ぶ。被照射部５４でレンズアレイ５１の各アレイでのビーム強度が重ね合わさることになるが、アレイ数の約数でないために、各ビーム強度分布の位相がずれて重ね合わさり、均一化される。
実施例９の照明光学系４６によって、ビーム変換素子部５０のホログラム設計は光源のアレイ数に依存することなく設計することができる。
また、ホモジナイザ部は光源のアレイ数ほどの分割数にしなくても均一照明が可能である。したがって設計、作製がさらに容易になる。
【００６２】
（実施例１０）
図１０は、本発明の実施例１０の投射装置を示す図である。
実施例１０の投射装置５５は、レーザ光源５６ｒ，５６ｇ，５６ｂと、照明光学系５７ｒ，５７ｇ，５７ｂと、ライトバルブ５８ｒ，５８ｇ，５８ｂと、色合成素子５９と投射レンズ６０で構成される。
レーザ光源５６ｒ，５６ｇ，５６ｂが各々１本のレーザ光の場合には、照明光学系５７ｒ，５７ｇ，５７ｂは、実施例１または２のビーム変換素子１，６を用いることができる。また、レーザ光源５６ｒ，５６ｇ，５６ｂがアレイである場合、照明光学系５７ｒ，５７ｇ，５７ｂには実施例３〜５のビーム変換素子１１，１６，２１が用いられる。
ライトバルブ５８ｒ，５８ｇ，５８ｂには、例えば液晶ライトバルブを用いることができる。
投射レンズの瞳に効率よく光を導くために、各ライトバルブ５８ｒ，５８ｇ，５８ｂの直前にフィールドレンズを配置してもよい。
実施例１０の投射装置５５によって、ライトバルブ５８ｒ，５８ｇ，５８ｂ上で均一照度が得られ、投射レンズ６０によってスクリーン（図示せず）上で照度均一化を図ることができる。
【００６３】
（実施例１１）
図１１は、本発明の実施例１１の投射装置を示す図である。
実施例１１の投射装置６１は、レーザアレイ光源６２ｒ，６２ｇ，６２ｂを３枚ならべ、かつ単板のライトバルブ６７を用いた例である。
レーザアレイ光源６２ｒ，６２ｇ，６２ｂの直後にはコリメートレンズもしくはコリメートレンズ機能を有するホログラム素子６３ｒ，６３ｇ，６３ｂが配置され、これらはビーム変換素子部６４ｒ，６４ｇ，６４ｂ、光束合成部６５ｒ，６５ｇ，６５ｂ、（必要なら）フィールドレンズ６６、ライトバルブ６７、投射レンズ６８で構成される。ビーム変換素子部６４ｒ，６４ｇ，６４ｂには実施例３〜５のビーム変換素子１１，１６，２１が使われる。
光束合成部６５ｒ，６５ｇ，６５ｂは、レンズアレイとコンデンサレンズで構成してもよいし、またホログラム素子で構成してもよい。
実施例１１の投射装置６１の構成によれば、レーザ光源を使用した小型の投射装置を実現することができる。
【００６４】
（実施例１２）
図１３は、実施例１２のビーム変換素子を示す図である。
実施例１２のビーム変換素子８１は、ホログラム素子８２と被照射部８３からなり、ホログラム素子８２に強度分布が不均一なビーム８６が入射される。入射光はレーザ光が最も均一化しやすいが、もとのビームより均一化されれば良い程度ならレーザ光以外のビームでも良い。例えば発光ダイオードやインコヒーレントの単色光でも良い。ただし、ビームの中心に向かって光線強度が高くなるガウシアンビームもしくはガウシアンに近いビームプロファイルを有する入射光である必要がある。ホログラム素子８２の設計は次のように行う。
【００６５】
入射光軸８４と回折光軸８５を含む面（図１３の紙面に平行で入射光の中心を通る平面）でホログラム素子８２を切った断面の格子ピッチが（式１）を満たすようにする。
Ｐ＝Ａ＋Ｂｘ＋Ｃｓｉｎ（Ｄｘ） （式１）
ただし、Ａ，Ｃ，Ｄは０以外の定数、Ｂは０を含む定数
例えば、入射光が円形のガウシアンビームであるとき、Ａは入射光軸が通過する場所の格子ピッチを表す。Ｂは図１３において、ビームの両端の格子ピッチの差とホログラム領域の長さの比に関係する値である。Ｃは正弦波関数の重み付けで、Ｄはホログラム領域の中心から端までを半周期とするパラメータである。
【００６６】
定数Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄの範囲は次の通りである。
Ａは入射光の波長によって異なるが、概ね、０＜Ａ＜２０（μｍ）である。
Ｂ，Ｃ，Ｄはホログラム素子のホログラム面の大きさや被照射部との相対位置によって異なるが、概ね、−２＜Ｂ＜２（μｍ），−１＜Ｃ＜１（μｍ），−０.３＜Ｄ＜０.３（ｒａｄ／μｍ）である。
【００６７】
図１４は、定数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの具体例として
Ａ＝０.５（μｍ）、
Ｂ＝６.８４×１０^−５（μｍ）、
Ｃ＝−７.１×１０^−３（μｍ）、
Ｄ＝１.３７×１０^−２（ｒａｄ／μｍ）
としたときの、ホログラム素子の中心からの距離と格子ピッチの関係を示す図であり、図１５は図１３のビーム変換素子を用いてガウシアン分布の入射光プロファイルが均一なビームプロファイルに変換される様子を示す図である。
図１５に示すように、図１３面内において、入射角３０度の入射ビーム（ガウシアン分布）が光線強度の均一化されたビームに変換される。この設計を図１３の紙面に非平行な方向にも行うことで被照射部８３では円形で光線強度が均一になる。
【００６８】
ホログラムの作製は、例えば電子ビーム描画機などを使い、いわゆる計算機ホログラムを作製するときに、（式１）を用いて格子ピッチを数値指定することができる。このため、ホログラムの作製も容易になる。この加工法によって表面レリーフを量産するための金型の原型、もしくは、体積ホログラム量産用のマスターホログラムを作ることが可能である。このため本発明によって低コストのビーム変換素子を実現できる。
【００６９】
（実施例１３）
図１６は、実施例１３のビーム変換素子を示す図であり、図１７は、第２のホログラム素子の中心からの距離と格子ピッチの関係を示す図である。
実施例１３のビーム変換素子８８は、第１のホログラム素子８９と第２のホログラム素子９０で構成される。第１のホログラム素子８９は（式１）で表される変調ピッチが形成される。第１のホログラム素子８９で回折された光９５は、実施例１２の説明の通り、ガウシアンプロファイルの入射光９４の中央付近は第２のホログラム素子９０上で広がり、入射光の周辺からの光ほど第２のホログラム素子９０上で圧縮される。第２のホログラム素子９０の格子ピッチは、例えば図１７で表される。この例は、第１のホログラム素子８９として図１６に示された格子を用いたときに、第２のホログラム素子９０からの出射光９６の回折角が１５度でコリメート光として出射される場合である。図１６の例では第１のホログラム素子８９は入射光９２に対し傾いているが、垂直に配置しても変調ピッチは設計可能である。
【００７０】
二枚のホログラム素子を用いてガウシアンビームをコリメート光として均一強度にできるため、被照射部９１と第２のホログラム素子９０との距離が変っても均一性は保持される。このため、ビーム変換素子８８と被照射部９１の距離を任意に設定でき設置の自由度が高い。
【００７１】
（実施例１４）
図１８は、実施例１４のビーム変換素子９７を示す図であり、図１９は、第２のホログラム素子の中心からの距離と格子ピッチの関係を示す図である。
図１８に示すように、実施例１４のビーム変換素子９７は、第１のホログラム９８素子と第２のホログラム素子９９で構成され、入射光１０３と出射光１０５の光軸１０１，１０２が平行となるようにホログラムを設計する。すなわち、例えば第１のホログラム素子９８が図１４に示される格子ピッチであるとき、第２のホログラム素子９９は図１９に示す変調ピッチにすれば良い。図１９は第２のホログラム素子９９が入射光１０３に対して垂直に配置された場合の格子ピッチである。第１のホログラム素子９８の格子ピッチの設計値から第２のホログラム素子９９への各光線の入射角は決まるため、第２のホログラム素子９９からの回折光１０５が入射光１０３と平行となるように回折角度が決められるので第２のホログラム素子９９の格子ピッチが求められる。
【００７２】
２枚のホログラム素子を用いてガウシアンビームをコリメート光として均一放射照度にできるため、被照射部１００と第２ホログラム素子９９との距離が変化しても放射照度の均一性は保持される。このため、被照射部１００までの距離を自由に選ぶことができる。これに加えて、入射光軸１０１と出射光軸１０２が平行になるため、本発明のビーム変換素子を光学系の一部に利用する場合にその他の光学系を設計しやすくなる。
図１８では第１のホログラム素子９８と第２のホログラム素子９９が非平行であるが、平行であっても両ホログラム素子の格子ピッチは設計可能である。両ホログラム素子が平行な配置であれば第１のホログラム素子９８からの回折光が第２のホログラム素子９９に入力される場所では第１のホログラム素子９８の格子ピッチと同じになる。
【００７３】
（実施例１５）
図２０は、実施例１５のビーム変換素子を示す図である。
実施例１５のビーム変換素子１１１は、ホログラム素子１１２と被照射部１１３があり、（式１）で表される変調ピッチのホログラム素子１１２からの回折光１１５によって被照射部１１３が均一照明される。ホログラム素子１１２の変調ピッチの設計は実施例１２に説明された通りである。ホログラム素子１１２の端部から被照射部１１３の端までの入射光軸に沿った距離Ｌを（式２）に示される様に配置する。
Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） （式２）
ここで、Ｗは入射ビームの直径もしくは入射面内のビームの幅を表し、θはホログラム素子１１２への入射角、ψはホログラム素子の平均的な回折角である。
【００７４】
本構成によってホログラム素子１１２で回折せず透過した光１１６は被照射部１１３を外れる。従って、被照射部１１３でのビームの均一性が良好になる。図示しないが，被照射部１１３がホログラム素子１１２と平行であっても良く、さらにはホログラム素子１１２と被照射部１１３がともに入射光軸に垂直に配置されていても式２の関係を保った距離Ｌを設定すれば、被照射部１１３から不要光であるホログラム透過光１１６を外すことができる。
図示しないが、後述の実施例１７，１８においてホログラム素子をアレイ状に配列させたビーム変換デバイスの場合でも（式２）を満たすようにホログラム素子から被照射部までの距離を設定することによって不要な透過光を被照射部から外すことが可能である。
【００７５】
（実施例１６）
図２１は、実施例１６のビーム変換素子を示す図である。
実施例１６のビーム変換素子は、第１のホログラム素子１１８と第２のホログラム素子１１９で構成される。第１のホログラム素子１１８はその格子が（式１）で表される変調ピッチを有し、入射光１２１は第２ホログラム素子１１９によってさらに回折され、入射光軸と平行となり、かつコリメート光１２３で出力される。図２１のように第１のホログラム素子１１８と第２のホログラム素子１１９の入射光軸に沿った距離Ｌ１を（式３）で示される距離とし、
Ｌ１≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） （式３）
さらに、第２ホログラム素子１１９から被照射部１２０までの入射光軸に沿った距離Ｌ２を（式４）で示される距離に設定する。
Ｌ２≧Ｗ／ｔａｎ（θ＋ψ） （式４）
【００７６】
本構成によれば、第１のホログラム素子１１８から回折されずに透過する光１２４が被照射部１２０から外れ、さらには第１ホログラム素子１１８で回折されて第２ホログラム素子１１９で回折されずに透過する光１２５が被照射部１２０から外れる。このため、第１のホログラム素子１１８と第２のホログラム素子１１９で共に回折された光１２３のみが被照射部１２０に到達する。このためフレア光の無い設計通りの均一性の高いコリメート光が得られる。Ｌ１、Ｌ２がそれぞれ（式３），（式４）を満たす最小の距離を選ぶことによって小型のビーム変換素子が得られる。
【００７７】
（実施例１７）
図２２は、実施例１７のビーム変換素子を示す図である。
実施例１７のビーム変換素子１３１は、ホログラム素子１３２によってレーザアレイ光１３４を被照射部１３３に均一照明する。図２２ではガウシアンビームが２本で構成されるのでホログラム素子１３２には同じ格子パターンが２つあることになる。レーザアレイの数や配列方向に合わせて格子パターンを作製すればアレイ数は任意である。なお、格子パターンが同じパターンがアレイ状に配列されるには、ホログラムの基板１３２と被照射部１３３が平行である必要がある。
図示しないが、ホログラム基板１３２と被照射部１３３が非平行の場合には格子パターンはアレイごとに異なる。
【００７８】
図２３は、実施例１７のビーム変換素子の異なる構成を示す図である。
ビーム変換素子１３６は、第１のホログラム素子１３７と第２のホログラム素子１３８で構成される。第１のホログラム素子１３７に施されるアレイ状の格子パターンは各々（式１）で表される変調ピッチを有する。第２のホログラム素子１３８は第１のホログラム素子と平行にしている。このため、両ホログラム素子ともに格子パターンは全て同じパターンをアレイ状に配列させれば良い。また、図２３では第２ホログラム素子１３８と被照射部１３９は非平行であるが、平行であっても第２ホログラム素子１３８を設計することは可能である。
本発明によってアレイ光ごとにガウシアンビームのレーザアレイ光を被照射部１３９で均一な放射照度にすることができる。
【００７９】
（実施例１８）
図２４は、実施例１８のビーム変換素子を示す図である。
実施例１８のビーム変換素子１４２は、ホログラム素子１４３ａ，１４３ｂがアレイ状に配列される。ガウシアンビームの特性を持つレーザアレイ光１４５に合わせてホログラム素子アレイ１４３ａ，１４３ｂを配置する。図２３のように入射ビームに対してホログラム素子を傾ける場合にはアレイ数が多くなるとホログラム素子（図２３の１３７，１３８）が光軸方向に長くなる。本構成のようにホログラム素子を配列させれば光軸方向の厚さをコンパクトにする事ができる。
【００８０】
（実施例１９）
図２５は、実施例１９のビーム変換素子を示す図である。
実施例１９のビーム変換素子１４７は、第１のホログラム素子１４８ａと第２のホログラム素子１４９ａ、同様に１４８ｂと１４９ｂ、１４８ｃと１４９ｃがそれぞれ１組のビーム変換素子を構成する。これらがアレイ状に配列されている。ビーム変換素子によって入射アレイ光の１本のビーム１５２ａのガウシアン分布が均一な放射照度に変換される。隣接する出射ビーム１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃの間には遮蔽板１５１ａ，１５１ｂが配置される。第１のホログラム素子１４８ａの回折光のうち第２のホログラム素子１４９ａで回折されずに透過した光（図２５で点線で示した光）は遮蔽版１５１ａによって被照射部１５０に届かない。この遮蔽板１５１ａ，１５１ｂがアレイ状に配置されるため、被照射部１５０では均一な放射照度分布が得られる。さらに、これら遮蔽板１５１ａ，１５１ｂを置くことによって第２のホログラム素子１４９ａから被照射部１５０までの入射光軸に沿った距離Ｌは、第１のホログラム素子１４８ａへの入射角をθ、１本の入射ビームの直径もしくは幅をＷ、第１のホログラム素子１４８ａの平均的な回折角をψとすると（式２）を満たせば良い。仮に、遮蔽板が配置されず、入射ビームの本数がｍとすれば、第２のホログラム素子１４９ａからの不要光を被照射部１５０から外すには、
Ｌ≧ｍＷ／ｔａｎ（θ＋ψ）
にする必要がある。したがって本発明によってｍ分の１に被照射部との距離を短くすることができる。
なお、図２５では入射光のビームは３本であるが、アレイ数は２以上ならいくつであっても本発明の効果が得られる。
【００８１】
図２６は、実施例１９のビーム変換素子の変形であって、ホログラム基板上に格子パターンをアレイ状に形成された２枚のホログラム素子１５４，１５５と遮蔽板１５７で構成される実施例を示している。
この例でも、入射光の一つのビーム１５８ａが第１のホログラム素子１５４と第２のホログラム素子１５５によって放射照度が均一化され（１５９ａ）被照射部１５６に向かうが、第２のホログラム素子１５５で透過した光（点線で示される光）は遮蔽板１５７でカットされ被照射部１５６には届かない。図２６では入射光のビームが２本の例を示しているが、アレイ数は２以上ならいくつであっても本発明の効果が得られる。
本発明によって、ガウシアンプロファイルを有するアレイ光を均一放射強度にすることができ、かつ、このデバイスと被照射部までの距離を短くすることができる。
【００８２】
（実施例２０）
図２７は、実施例２０の露光装置を示す図である。
実施例２０の露光装置１６０は、レーザ光源１６１、実施例１２〜１９で説明したいずれかのビーム変換素子１６２、レチクル１６３、投影レンズ１６４、基板ステージ１６５等から構成されている。レーザ光源１６１からのガウシアン分布の強度がビーム変換素子１６２で均一放射照度となりレチクル１６３を照明する。レチクル１６３のパターンが基板ステージ１６５上に置かれたウエハに露光される。図示しないが、レーザ光源１６１とビーム変換素子１６２の間に、コリメートレンズを配置しても良い。また、レーザ光源によっては、ビームを拡大して平行光束化させる光学系を使っても良い。
設計しやすいホログラム素子で構成された、放射照度均一性を高くした小型のビーム変換素子を用いた露光装置を提供できる。
【００８３】
（実施例２１）
図２８は、実施例２１のレーザ加工機を示す図である。
実施例２１のレーザ加工機１７０は、レーザ光源１７１、実施例１２〜１９で説明したいずれかのビーム変換素子１７２、レンズ１７３、ワーク１７４等からなる。
本発明のレーザ加工機１７０は、レーザ光源１７１からのレーザ光をビーム変換素子１７２で均一ビームに変換し、レンズ１７３でワーク１７４に集光される。集光スポットによってワーク１７４の表面加工や切断加工ができる。また、レンズ１７３を投影レンズに置きかえるか、もしくは被照射部が直接ワークとする配置では、ワークの広い範囲にわたって均一照明できるため、レーザアニールとしても利用できる。
図示しないが、レーザ光源１７１とビーム変換素子１７２の間に、コリメートレンズを配置しても良い。また、レーザ光源１７１によっては、ビームを拡大して平行光束化させる光学系を使っても良い。
設計しやすいホログラム素子を用いたり、放射照度均一性を高くした小型のビーム変換素子を用いたレーザ加工機を提供できる。
【００８４】
（実施例２２）
図２９は、実施例２２の投写装置を示す図である。
実施例２２の投射装置１８０は、レーザ光源１８１、実施例１２〜１９で説明したいずれかのビーム変換素子１８２、ライトバルブ１８３、投射レンズ１８４等で構成される。レーザ光のガウシアン分布強度のビームがビーム変換素子１８２で均一強度のビームに変換され、ライドバルブ１８３で空間変調された画像を投射レンズ１８４でスクリーン（図では省略）に投影する。ライドバルブ１８３は例えば液晶素子を用いることができる。図示しないが、レーザ光源１８１とビーム変換デバイス１８２の間に、コリメートレンズを配置しても良い。また、レーザ光源１８１によっては、ビームを拡大して平行光束化させる光学系を使っても良い。
設計しやすいホログラム素子を用いたり、放射照度均一性を高くした小型のビーム変換デバイスを用いた投射装置を提供できる。
【００８５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば特殊な断面形状のレンズを用いることなしに、強度分布に疎密があるビームを被照射部で均一強度分布に変換、または、均一強度分布のコリメート光に変換する、照明光学系及び投射装置を提供することができる。
【００８６】
（１）請求項１の発明によれば、ビーム変換素子を用いて照明光学系を形成したので、ガウシアン分布を有するレーザ光を被照射部に均一に照明することができる。また、レーザ光源としてレーザアレイ光源を用いた場合においても、各ビームは被照射部全体を各々照明するため、各アレイ間で光強度のばらつきがあったとしても被照射部で均一な照明とすることができる。さらに、２枚のホログラムを用いることによって、ガウシアン分布を持つレーザ光のビームをコリメート光で、均一な強度分布のビームに変換することができる。
【００８７】
（２）請求項２の発明によれば、斜入射系のホログラム素子を用いることによって、作製法の自由度が高くなるビーム変換素子が得られる。
【００８８】
（３）請求項３の発明によれば、２枚のホログラム素子にアレイ状にビーム変換パターンを作製することによって、レーザアレイ光の各々のガウシアン分布を均一強度分布のビームに変換することができる。
【００８９】
（４）請求項４の発明によれば、レーザアレイ光をすべて均一強度分布のビームに変換させることができる光学系であるので、ホログラム作製の自由度が高く、ビーム変換部の厚さを小さくすることができる。
【００９１】
（５）請求項５の発明によれば、コリメート機能のホログラム素子はビーム変換素子部のホログラムに集約することも可能であるため、さらに小型の照明光学系を実現することができる。
【００９２】
（６）請求項６の発明によれば、コリメート機能及びビーム合成用のホログラム素子はどちらか一方、または両方をビーム変換素子部のホログラムに集約することも可能であるため、さらに小型の照明光学系を実現することができる。
【００９３】
（７）請求項７の発明によれば、ビーム変換素子部のホログラム設計は光源のアレイ数に依存することなく設計できる。また、ホモジナイザ部は光源のアレイ数ほどの分割数にしなくても均一に照明することができる。
【００９４】
（８）請求項８の発明によれば、レーザ光源を用いた小型の投射装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１のビーム変換素子を示す図である。
【図２】 本発明の実施例２のビーム変換素子を示す図である。
【図３】 本発明の実施例３のビーム変換素子を示す図である。
【図４】 本発明の実施例４のビーム変換素子を示す図である。
【図５】 本発明の実施例５のビーム変換素子を示す図である。
【図６】 本発明の実施例６の照明光学系を示す図である。
【図７】 本発明の実施例７の照明光学系を示す図である。
【図８】 本発明の実施例８の照明光学系を示す図である。
【図９】 本発明の実施例９の照明光学系を示す図である。
【図１０】 本発明の実施例１０の投射装置を示す図である。
【図１１】 本発明の実施例１１の投射装置を示す図である。
【図１２】 斜入射系のホログラムを用いた二光束干渉露光法でホログラムを作製する装置を示す図である。
【図１３】 本発明の実施例１２のビーム変換素子を示す図である。
【図１４】 図１３のホログラム素子の中心からの距離と格子ピッチの関係を示す図である。
【図１５】 図１３のビーム変換素子を用いてガウシアン分布の入射光プロファイルが均一なビームプロファイルに変換される様子を示す図である。
【図１６】 本発明の実施例１３のビーム変換素子を示す図である。
【図１７】 図１６のビーム変換素子において、第２のホログラム素子の中心からの距離と格子ピッチの関係を示す図である。
【図１８】 本発明の実施例１４のビーム変換素子を示す図である。
【図１９】 図１８のビーム変換素子において、第２のホログラム素子の中心からの距離と格子ピッチの関係を示す図である。
【図２０】 本発明の実施例１５のビーム変換素子を示す図である。
【図２１】 本発明の実施例１６のビーム変換素子を示す図である。
【図２２】 本発明の実施例１７のビーム変換素子を示す図である。
【図２３】 図２２のビーム変換素子の異なる構成を示す図である。
【図２４】 本発明の実施例１８のビーム変換素子を示す図である。
【図２５】 本発明の実施例１９のビーム変換素子を示す図である。
【図２６】 図２５のビーム変換素子の異なる構成を示す図である。
【図２７】 本発明の実施例２０の露光装置を示す図である。
【図２８】 本発明の実施例２１のレーザ加工機を示す図である。
【図２９】 本発明の実施例２１の投射装置を示す図である。
【図３０】 強度分布に疎密があるビームを強度分布が均一なビームに変換する従来の特殊レンズを示す図である。
【符号の説明】
１，６，１１，１６，２１…ビーム変換素子、２，７，１２，１７…第１のホログラム素子、３，８，１３，１８…第２のホログラム素子、４，９…ガウシアン分布のレーザ光、５，１０…均一強度分布のレーザ光、１４，１９，２４…ガウシアン分布のアレイ光、１５，２０，２５…均一強度分布のアレイ光、２６，３３，４０，４６…照明光学系、２７，４７…レーザアレイ光源、２８…コリメートレンズアレイ、２９，３６，４３，５０…ビーム変換素子部、３０，３７，４８，５１…レンズアレイ、３１，３８…コンデンサレンズ、３２，３９，４５，５４…被照射部、３４，４１…光源、３５，４２，４４，６３…ホログラム素子、４９，５２，５３…シリンドリカルレンズ、５５，６１…投射装置、５６…レーザ光源、５７…照明光学系、５８，６５，６７…ライトバルブ、５９…色合成素子、６０，６８…投射レンズ、６２…レーザアレイ光源、６４…ビーム変換素子部、６５…光束合成部、６６…フィールドレンズ、８１，８８，９７，１１１，１１７，１３１，１３６，１４２，１４７…ビーム変換素子、８２，１１２，１３２，１４３…ホログラム素子、８３，９１，１００，１１３，１２０，１３３，１３９，１４４，１５０，１５６…被照射部、８９，９８，１１８，１３７，１４８，１５４…第１のホログラム素子、９０，９９，１１９，１３８，１４９，１５５…第２のホログラム素子、１５１，１５７…遮蔽板、１６０…露光装置、１６１，１７１，１８１…レーザ光源、１６２，１７２，１８２…ビーム変換素子、１６３…レチクル、１６４…投影レンズ、１６５…基板ステージ、１７０…レーザ加工機、１７３…レンズ、１７４…ワーク、１８０…投射装置、１８３…ライトバルブ、１８４…投射レンズ。

Claims (8)

1. レーザ光源と、コリメートレンズと、ビーム変換素子と、レンズアレイからなる照明光学系において、
   前記ビーム変換素子は、平行配置された第１ホログラム素子と第２ホログラム素子からなり、前記第１ホログラム素子は凹レンズ機能を有しホログラムの中心に向かうほど焦点距離が大きく、前記第２ホログラム素子は凸レンズ機能を有しホログラムの中心に向かうほど焦点距離が小さいことを特徴とする照明光学系。
2. 前記第１ホログラム素子と前記第２ホログラム素子は、斜入射系となるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
3. 前記第１ホログラム素子と前記第２ホログラム素子のホログラムパターンは、それぞれアレイ状に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の照明光学系。
4. 前記ビーム変換素子が複数個アレイ状に配列されていることを特徴とする請求項２記載の照明光学系。
5. 前記コリメートレンズは、コリメート機能を有するホログラム素子からなることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
6. 前記レンズアレイは、レンズアレイ機能を有するホログラム素子からなることを特徴とする請求項５記載の照明光学系。
7. レーザアレイ光源と、ビーム変換素子部と、ホモジナイザからなる照明光学系において、前期レーザアレイ光源は発光部がライン状に配列され、前記ビーム変換素子部は前記レーザアレイ光源のアレイ厚さ方向のみにレンズ機能を有し、第１ホログラム素子と第２ホログラム素子で形成され、前記第１ホログラム素子は凹レンズ機能を有しホログラムの中心に向かうほど焦点距離が大きく、前記第２ホログラム素子は凸レンズ機能を有しホログラムの中心に向かうほど焦点距離が小さいことを特徴とする照明光学系。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載の照明光学系と、ライトバルブと、投射レンズからなることを特徴とする投射装置。

Images