(57)【要約】【課題】線状ビームスポットの照度分布の均一性を安価な手段で実現する。【解決手段】被照射物に対向配置された第３のシリンドリカルレンズ８により線状のビームスポットを生成して前記被照射物の照射面１０に照射する照明装置であって、前記第３のシリンドリカルレンズ８は、その円柱軸に直交する軸方向における前記照射面１０との共役面を有し、該共役面の位置に拡散板７を配設したものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被照射物に対向配置されたシリンドリカルレンズにより線状のビームスポットを生成して前記被照射物の照射面に照射する照明装置であって、
前記シリンドリカルレンズは、その円柱軸に直交する軸方向における前記照射面との共役面を有し、該共役面の位置に拡散板を配設したことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記シリンドリカルレンズは、複数の単位シリンドリカルレンズを組み合わせたシリンドリカルレンズ群であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
フォトインテグレータの端面像を第１の中間像として結像するコンデンサレンズと、
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、
前記第２の中間像の位置に配設された拡散板と、
を備えたことを特徴とする照明装置。
【請求項４】
前記第３のシリンドリカルレンズは、複数の単位シリンドリカルレンズを組み合わせたシリンドリカルレンズ群であることを特徴とする請求項３記載の照明装置。
【請求項５】
前記拡散板は、その拡散角の全角を２θとすると、θが
０．５°＜θ＜１°
の条件を満足するように形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項６】
光源がレーザであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線状のビームスポットを生成して照射する照明装置に関し、特に線状ビームスポットの照度分布の均一性を安価な手段で実現し得る照明装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の照明装置において、均一な照度分布を得るためには、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が使用されて来た。このようなフォトインテグレータは、原理的には、ビームを分割し、分割されたビームを照射エリアで重ね合せることにより照度分布の平均化を図っていた。しかしながら、レーザ光を使用する照明装置においては、照明エリアに分割ビームによる干渉縞が発生し、均一な照度分布を得ることができなかった。
【０００３】
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光をイメージローテータにより回転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）。
【０００４】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１７２６７号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／１１４５０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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転させたり、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。
【０００７】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、線状ビームスポットの照度分布の均一性を安価な手段で実現し得る照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、第１の発明による照明装置は、被照射物に対向配置されたシリンドリカルレンズにより線状のビームスポットを生成して前記被照射物の照射面に照射する照明装置であって、前記シリンドリカルレンズは、その円柱軸に直交する軸方向における前記照射面との共役面を有し、該共役面の位置に拡散板を配設したものである。
【０００９】
また、第２の発明による照明装置は、フォトインテグレータの端面像を第１の中間像として結像するコンデンサレンズと、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、前記第２の中間像の位置に配設された拡散板と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
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手段により、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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による照明装置の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の近軸光線図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図３】図２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。
【図４】本発明による照明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。
【図５】本発明による照明装置において、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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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は本発明による照明装置の一実施形態を示す斜視図である。また、図２は図１の近軸光線図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。この照明装置は、線状のビームスポットを生成して照射するもので、フォトインテグレータ１と、コンデンサレンズ２と、フィールドレンズ３と、第１のシリンドリカルレンズ４と、球面レンズ５と、第２のシリンドリカルレンズ６と、拡散板７と、第３のシリンドリカルレンズ８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１においては、光の進行方向をＺ軸方向とし、線状ビームスポットの長軸方向をＸ軸（第２の軸）方向とし、線状ビームスポットの短軸（幅）方向をＹ軸（第１の軸）方向としている。
【００１３】
上記フォトインテグレータ１は、図示省略のレーザ光源から放射されたレーザ光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エレメント（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エレメントの数だけ２次光源を生じさせるようにしたフライアイレンズ９である。このフライアイレンズ９の構成は、一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。また、フォトインテグレータ１は、ロッドレンズ等であってもよい。ここでは、フォトインテグレータ１がフライアイレンズ９である場合について説明する。
【００１４】
上記フォトインテグレータ１の光進行方向下流側には、コンデンサレンズ２が設けられている。このコンデンサレンズ２は、フォトインテグレータ１の出力側端面像を第１の中間像として結像するもので、入力側が凸の平凸レンズであり、フライアイレンズ９の各レンズエレメントの光軸を後述のフィールドレンズ３の主面の位置に集めるようになっている。これにより、フィールドレンズ３の主面の位置には、フライアイレンズ９の各レンズエレメントの像が重ね合わされて結像し、第１の中間像が形成されることになる。
【００１５】
上記コンデンサレンズ２の光進行方向下流側にて上記第１の中間像の形成位置には、フィールドレンズ３が設けられている。このフィールドレンズ３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５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。
【００１６】
上記フィールドレンズ３の光進行方向下流側には、第１のシリンドリカルレンズ４が設けられている。この第１のシリンドリカルレンズ４は、図２（ａ）及び図３（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２（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４と球面レンズ５に関して共役となる。
【００１７】
上記球面レンズ５の光進行方向下流側には、第２のシリンドリカルレンズ６が設けられている。この第２のシリンドリカルレンズ６は、図３（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２（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５と第２のシリンドリカルレンズ６に関して共役となる。
【００１８】
上記第２のシリンドリカルレンズ６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７が設けられている。この拡散板７は、線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。
【００１９】
上記拡散板７の光進行方向下流側には、第３のシリンドリカルレンズ８が設けられている。この第３のシリンドリカルレンズ８は、図３（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２（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８に関して共役となる。それ故、第２の中間像（拡散板７）の位置は、上記照射面１０との共役面となる。
【００２０】
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８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。図１において符号１１は、絞りであり、第１のシリンドリカルレンズ４の前焦点近傍に配置されている。
【００２１】
ここで、本発明の特徴である拡散板７について、詳細に説明する。
一般に、拡散板７のＹ軸（短軸）方向の幅が小さくなると、拡散板７の製造が困難になる。また、拡散板７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６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７を通過するレーザ光のエネルギー密度が高くなり、拡散板７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７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７のＹ軸方向の幅は、３ｍｍ〜４ｍｍ程度に設定するのが望ましい。
【００２２】
一方、本実施形態においては、線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７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８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８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。
【００２３】
次に、拡散板７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８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８の照射面１０側（像側）ＮＡと拡散板７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８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７側（物体側）ＮＡの１０倍となる。
【００２４】
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線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、線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８の収差は、線状ビームスポットの上記幅以下に抑える必要がある。
【００２５】
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８の収差補正が不十分であると、拡散角の大きい拡散板７を使用した場合には、線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７の拡散角の全角を２θとすると、θは、
０．５°＜θ＜１°
の条件を満足するように設定されている。
【００２６】
例えば、拡散板７の拡散角の半角θを１°とすると、照射面１０に照射するレーザ光の最大入射角度は、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７の拡散角の半角θの上限は、１°ということになる。
【００２７】
一方、拡散板７の拡散角を小さくすると、線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θが０．５°以下であるような拡散板７を作るのは、現状難しい。したがって、拡散角の半角θの下限は、０．５°ということになる。
【００２８】
以上の理由から、本実施形態においては、拡散板７の拡散角は、半角θが上記条件を満足するように設定した。
【００２９】
次に、このように構成された照明装置の動作について説明する。
フォトインテグレータ１としてのフライアイレンズ９は、光源から放出されたレーザ光の光束を複数のレンズエレメントにより分割して複数の２次光源を生成する。
【００３０】
上記複数の２次光源は、コンデンサレンズ２によりフィールドレンズ３の位置に重ね合されて結像される。これにより、フィールドレンズ３の位置には、上記複数の２次光源の第１の中間像が生成される。この場合、フライレンズで分割された複数のレーザ光は、重ね合されることにより互いに干渉し、第１の中間像に干渉縞を生じさせる。
【００３１】
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４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４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８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。
【００３２】
一方、上記第１の中間像は、第２のシリンドリカルレンズ６により、Ｙ軸方向の部分が拡散板７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程度の線状の第２の中間像が生成される。
【００３３】
拡散板７を通過した横断面が線状のレーザ光は、拡散板７により干渉縞が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８に入射する。なお、第１のシリンドリカルレンズ４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。
【００３４】
上記第２の中間像は、第３のシリンドリカルレンズ８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程度の線状ビームスポットが生成される。
【００３５】
本発明によれば、拡散板７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８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４に示すように、線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。
【００３６】
一方、拡散板７の配置位置が上記共役面の位置からずれると、図５に示すように、線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。
【００３７】
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８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７を備えたことにより、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実現することができる。
【００３８】
以上の説明においては、コヒーレントなレーザ光を使用する照明装置の場合について述べたが、本発明はこれに限られず、インコヒーレントな光を使用する照明装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１…フォトインテグレータ
２…コンデンサレンズ
４…第１のシリンドリカルレンズ
６…第２のシリンドリカルレンズ
７…拡散板
８…第３のシリンドリカルレンズ
１０…照射面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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