(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
該光源から発散された光束を集光する集光手段と、
互いに直交する２方向について長さの異なる矩形断面の素子レンズを配列したオプティカルインテグレータとを備えた照明装置であって、
前記集光手段は、
前記光源と異なる位置の集光点に光源像を結像する主反射鏡と、
前記光源からの光のうち、前記主反射鏡で反射され前記集光点に集光する光以外の少なくとも一部の光を反射して前記光源の位置に結像する補助反射鏡と有し、
前記集光点からみた前記主反射鏡の開口は、前記矩形断面の素子レンズの短手方向に対応する方向の長さが、該方向に対して垂直な方向の長さよりも小さいことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記主反射鏡は、前記光源の中心付近を第１焦点とする少なくとも１つの楕円ミラーから構成され、前記補助反射鏡は、前記主反射鏡の第１焦点もしくは第２焦点付近を中心とする球面ミラー、主反射鏡の第１焦点付近を１つの焦点とする双曲面ミラー、主反射鏡の第１焦点付近を１つの焦点とする楕円ミラー、主反射鏡の第１焦点付近を焦点とする放物面ミラー、もしくは平面ミラーの少なくとも１つ以上から構成され、前記集光手段以降の光学系は、該光学系の光軸に対して、前記集光手段によって集光された光束の最大集光角が対称になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記集光手段は、前記光源から発散された光束を反射することにより、前記オプティカルインテグレータへの光束を指向する主反射鏡と、該主反射鏡に直接到達しない光束を反射することにより、前記主反射鏡へ光束を指向する補助反射鏡とを有し、前記主反射鏡は、前記光源の中心付近を第１焦点とする少なくとも１つの楕円ミラーと、前記楕円ミラーの２つの焦点とほぼ同じ位置に２つの焦点を持つ少なくとも１つの双曲線ミラーとから構成され、前記補助反射鏡は、前記主反射鏡の第１焦点もしくは第２焦点付近を中心とする球面ミラー、主反射鏡の第１焦点付近を１つの焦点とする双曲面ミラー、前記主反射鏡の第１焦点付近を１つの焦点とする楕円ミラー、主反射鏡の第１焦点付近を焦点とする放物面ミラー、もしくは平面ミラーの少なくとも１つ以上から構成され、前記集光手段以降の光学系は、該光学系の光軸に対して、前記集光手段によって集光された光束の最大集光角が対称になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項４】
前記主反射鏡と前記補助反射鏡とは、前記集光手段以降の光軸を含み、前記直交方向の内の短手方向に平行な面に対して、ほぼ面対称な形状であることを特徴とする請求項２または３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記主反射鏡は、前記光源の近傍を一方の焦点とする楕円ミラーであって、該楕円ミラーの２つの焦点を結ぶ直線を含み、前記直交する２方向の長手方向に平行な面の片側のみに存在するような形状であることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記補助反射鏡は、前記光源の中心付近を中心とする球面ミラーであって、前記楕円ミラーと前記球面ミラーとは、前記楕円ミラーの２つの焦点を結ぶ直線を含み、前記直交する２方向の内の長手方向に平行な面の近傍を境界として配置されていることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
【請求項７】
前記補助反射鏡は、前記光源の中心付近を焦点とする少なくとも２つの放物面ミラーで構成され、前記楕円ミラーと前記２つの放物面ミラーとは、前記楕円ミラーの２つの焦点を結ぶ直線を含み、前記直交する２方向の内の長手方向に平行な面の近傍を境界として配置されていることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
【請求項８】
前記補助反射鏡は、前記光源の中心付近を焦点とする放物面ミラーと平面ミラーとで構成され、前記楕円ミラーと前記放物面ミラーは、前記楕円ミラーの２つの焦点を結ぶ直線を含み、前記直交する２方向の内の長手方向に平行な面の近傍を境界として配置され、前記平面ミラーは、前記放物面ミラーで反射された平行光束に対して垂直に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
【請求項９】
前記補助反射鏡は、前記光源の中心付近を焦点とする少なくとも２つの放物面ミラーと、前記楕円ミラーの２つの焦点とほぼ同じ位置にある２つの焦点を有する双曲面ミラーとで構成され、前記楕円ミラーと前記放物面ミラーとは、前記楕円ミラーの２つの焦点を結ぶ直線を含み、前記直交する２方向の内の長手方向に平行な面の近傍を境界として配置され、前記双曲面ミラーは、前記楕円ミラーによって前記オプティカルインテグレータへ指向された光束の内、前記光軸となす角が所望角度以上の光を反射するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記補助反射鏡は、前記光源の中心付近を焦点とする少なくとも２つの放物面ミラーと、前記楕円ミラーの前記光源から遠い方の焦点付近を中心とする球面ミラーとで構成され、前記楕円ミラーと前記放物面ミラーとは、前記楕円ミラーの２つの焦点を結ぶ直線を含み、前記直交する２方向の内の長手方向に平行な面の近傍を境界として配置され、前記球面ミラーは、前記楕円ミラーによって前記オプティカルインテグレータへ指向された光束の内、前記光軸となす角が所望角度以上のものを反射するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記補助反射鏡は、前記光源の中心付近を焦点とする少なくとも２つの放物面ミラーと、前記光源の中心付近を中心とする球面ミラーとで構成され、前記楕円ミラーと前記放物面ミラーとは、楕円ミラーの２つの焦点を結ぶ直線を含み、前記直交する２方向の内の長手方向に平行な面の近傍を境界として配置され、前記楕円ミラーは、前記オプティカルインテグレータに指向される光束が光軸となす角が所望角度以内になるように構成されており、前記球面ミラーは、前記楕円ミラーからの漏れ光を反射すると共に前記楕円ミラーによって前記オプティカルインテグレータへ指向される光束を遮らないように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記集光手段は、前記直交する２方向で異なる反射面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項１３】
前記集光手段は、焦点位置が同じで、短径と長径の長さが異なる２つの楕円ミラーで構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の照明装置。
【請求項１４】
前記主反射鏡が前記光源の中心付近を第１焦点とする楕円ミラーであり、前記補助反射鏡が前記光源の中心付近を中心とする球面ミラーであって、前記楕円ミラーの開口は、ほぼ矩形になるように構成され、前記球面ミラーは、前記楕円ミラーからの漏れ光を反射すると共に前記楕円ミラーによって前記オプティカルインテグレータへ指向される光束を遮らないように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項１５】
前記主反射鏡が前記光源の中心付近を第１焦点とする楕円ミラーであり、前記補助反射鏡が前記楕円ミラーの２つの焦点とほぼ同じ位置に２つの焦点を有する双曲面ミラーであって、前記双曲面ミラーの開口は、ほぼ矩形であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項１６】
前記主反射鏡が前記光源の中心付近を第１焦点とする楕円ミラーであり、前記補助反射鏡が前記楕円ミラーの２つの焦点の中間で、該２つの焦点を結ぶ直線と直交する平面ミラーであって、該平面ミラーの開口は、ほぼ矩形であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項１７】
前記主反射鏡が前記光源の中心付近を第１焦点とする楕円ミラーと、前記楕円ミラーの２つの焦点とほぼ同じ位置に２つの焦点を持つ双曲面ミラーとで構成され、前記補助反射鏡が前記楕円ミラーの２つの焦点の中間で、該２つの焦点を結ぶ直線と直交する双曲面ミラーであって、前記補助ミラーとしての双曲面ミラーの開口が、ほぼ矩形になるように構成すると共に、前記主反射鏡の一部としての双曲面ミラーは、前記補助ミラーとしての双曲線ミラーで反射された光束を反射することにより、前記オプティカルインテグレータに指向するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項１８】
前記主反射鏡が前記光源の中心付近を第１焦点とする楕円ミラーと、前記楕円ミラーの２つの焦点とほぼ同じ位置に２つの焦点を持つ双曲面ミラーとで構成され、前記補助反射鏡が前記楕円ミラーの２つの焦点の中間で、該２つの焦点を結ぶ直線と直交する平面ミラーであって、前記平面ミラーの開口が、ほぼ矩形になるように構成すると共に、前記主反射鏡の一部としての双曲面ミラーは、前記平面ミラーで反射された光束を反射することにより、前記オプティカルインテグレータへ指向するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項１９】
パターンを照射する照明装置と、該パターンを基板上に投影する投影光学系とを有する投影露光装置において、前記照明装置が請求項１ないし１８の何れかに記載の照明装置であることを特徴とする投影露光装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の投影露光装置を用いてデバイスを製造することを特徴とするデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧水銀ランプなどの、ある大きさを持った範囲から光を放射する光源を用いて照明を行う照明装置に関し、特に、露光シーケンスで使用されるレチクルに対し、矩形の照明領域での照明が必要とされる、半導体素子、液晶パネルなどの製造に用いられる投影露光装置の照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
投影露光装置における照明には、例えば、特開平６−３３３７９５号公報に記載のような、高圧水銀ランプなどの、特定の分布を持って特定の範囲（所定の大きさを持った範囲）から光を放射する光源を用いて、被照射面上を均一に照明する照明装置が用いられるが、この照明装置の事例を、図２９を参照して説明する。ここで、符号１は光源であり、２は光源１から特定の角度分布を持って放射された光束を集光するための集光手段である。なお、この事例では、集光手段として楕円ミラーが用いられており、楕円ミラーの第１焦点付近に光源１を配置し、第２焦点００付近に光源から放射された光束を集光する。
【０００３】
図２９の事例においては、オプティカルインテグレーターを用いたケーラー照明を行って、均一な照明を実現している。即ち、楕円ミラー（集光手段２）の第２焦点００付近に集光された光束は、コリメーターレンズ３により平行光に変換され、オプティカル・インテグレーター４に平行に入射する。オプティカル・インテグレーター４は、その射出端近傍に多数の集光点を形成する。図２９の事例においては、それらを２次光源とし、光学系５によって照明領域６を均一に照明している。
【０００４】
なお、照明領域の形状に合わせて照明するためには、ケーラー照明であることから、オプティカル・インテグレーターからの射出角が照明位置に対応するように、オプティカル・インテグレーター４であるハエノ目レンズを設計し、採用すればよい。例えば、照明領域が正方形であれば、断面が正方形である棒レンズを並べた、図３０に示すような、ハエノ目レンズを用いればよく、また、照明領域が矩形であれば、断面が照明領域と縦横比が同一な矩形である棒レンズを並べた、図３１の（ａ）のような矩形ハエノ目レンズを用いればよい。
【０００５】
なぜなら、矩形ハエノ目レンズに平行な光束を入射させた場合、図３１（ｂ）および（ｃ）に模式的に示すように、図３１（ｂ）の、長手方向の断面の方が図３１（ｃ）の短手方向よりも、入射面への光線の入射高が高くなるために、出射端からの出射光線と光軸のなす角の最大値が、長手方向においてより大きくなるからである。つまり、φb ＞φc となる。この出射光線を用いて、ケーラー照明を行えば、矩形領域を効率よく照明することができる。
【０００６】
なお、投影露光装置として用いる場合における光学系の構成要素について述べると、図２９中、符号７は投影レンズ系、８は投影レンズ系７の絞り、９はウエハー基板である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ハエノ目レンズをオプティカル・インテグレーターとして用いた場合には、図３２に示すように、ハエノ目レンズから射出することのできる光線の入射角には自ずと限度がある。つまり、ある入射角度ａで入射した光束は、ハエノ目レンズの射出端から射出することができるが、ある入射角以上、例えば入射角ｂで入射した光束は射出することができない。
【０００８】
もし、集光手段２によって集光された光束が、集光点に完全に集光されるのであるならば、前述のように、コリメーターレンズを用いて、ハエノ目レンズに、平行光として入射させることができるので、前述の入射角と射出可能性との関係を配慮することなく、全ての光束を、ハエノ目レンズより射出でき、効率的に２次光源を形成することが可能である。しかし、高圧水銀ランプなどの光源は、特定の分布を持って特定の範囲から光束を放射するため、光源から放射された光束を１つの楕円ミラーのみによって、第２焦点に完全に集光させることができない。従って、楕円ミラーで反射された光束は、楕円ミラーの第２焦点近傍の光軸と直交する面で、特定の角度分布と特定の位置分布を持つことになる。
【０００９】
このように、高圧水銀ランプなどの光源を用いた場合には、光源より発する光束を１点に集光させることができず、コリメーターレンズを用いても、全ての光線を平行光に変換することができない。よって、必ずハエノ目レンズの入射面において特定の角度分布を持った光束群となり、前述のようなハエノ目レンズにおける入射角と射出可能性との関係を配慮しなければならない。もし、射出できない光束が存在すれば、ハエノ目レンズにおいて照度が下がる可能性がある。
【００１０】
なお、以後は、集光点において分布する光束を、ハエノ目レンズ上に結像させて、被照射面において、均一な照明を行うようにした照明装置について説明する。ただし、このことは本発明の技術的範囲を制限するものではなく、第２焦点近傍に分布した光束を、ハエノ目レンズに、どのように入射させるかは自由に選択でき、例えばコリメーターレンズを用いたとしても本発明の技術的範囲内である。
【００１１】
前述のように、照明領域が矩形で、矩形ハエノ目レンズを用いる場合には、矩形の長手方向と短手方向とで、射出可能な入射角の最大値が異なる。つまり、図３１（ｂ）の長手方向において射出し得る最大の入射角θb は、図３１（ｃ）の短手方向において射出し得る最大の入射角θc よりも大きい。しかし、従来技術において用いられる集光手段により集光点に至る光束は、集光手段である楕円ミラーが光軸に対して回転対称であるために、図４に示すように、第１焦点から放射された光束が集光点００を頂点とし、光軸を中心とした円錐を形成していた。なお、本来、注目すべきは、第２焦点に集光されない光束についてであるが、第１焦点から離れた位置から放射された光束は、ほぼ円錐に沿って第２焦点近傍を通る。従って、ここでの説明においては、第１焦点から放射された光束が形成する錘を持って、代用することにする。また、以後の説明についても、第１焦点から放射された光束のみを議論するが、第１焦点から離れた位置から放射された光束が、その光束が形成する錘の近傍に分布しており、同様の議論ができる。
【００１２】
つまり、従来の回転対称な集光ミラーを用いた場合に、集光点における光束の角度分布は、長・短径の両方向で同じであり、これら集光光束によって、矩形ハエノ目レンズを用いて、効率的に矩形領域を照明しようとすると、全ての光束が、矩形ハエノ目レンズから射出できるように、より射出可能な角度が小さい、短手方向の射出可能な最大入射角θｃより小さい角度で入射させる必要があった。
【００１３】
しかし、光学系においては、Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの関係式による制限がある。これは光学系においてＨｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量と呼ばれる２つの光線が交わる角度と交点の光軸からの距離との積が保存されるというものである。前述のように、第１焦点外から放射された光束は集光点に集光してないため、０ではないＨｅｌｍｈｏｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量を持っている。
【００１４】
従って、像点であるハエノ目レンズの入射面で入射角を小さくしようとすると、像高が高くなる。つまり、ハエノ目レンズの入射面の面積が大きくなってしまう。ハエノ目レンズの入射面の面積は、照明装置における有効光源の大きさと対応するため、有効光源の大きさが定まっている照明装置においては、これに対応する特定の面積に定まっている。このため、ある角度よりも入射角を小さくすることはできないので、従来の集光ミラーにおいては、ハエノ目レンズにおいて出射できない光束が存在し、照度が落ちるという問題があった。
【００１５】
本発明は、上記事情に基づいてなされたもので、矩形の照明領域に対しても、効率よく照明することができるように集光手段を改良した照明装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としての照明装置は、光源と、該光源から発散された光束を集光する集光手段と、互いに直交する２方向について長さの異なる矩形断面の素子レンズを配列したオプティカルインテグレータとを備えた照明装置であって、前記集光手段は、前記光源と異なる位置の集光点に光源像を結像する主反射鏡と、前記光源からの光のうち、前記主反射鏡で反射され前記集光点に集光する光以外の少なくとも一部の光を反射して前記光源の位置に結像する補助反射鏡と有し、前記集光点からみた前記主反射鏡の開口は、前記矩形断面の素子レンズの短手方向に対応する方向の長さが、該方向に対して垂直な方向の長さよりも小さいことを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の照明装置を半導体素子などの製造用の投影露光装置に適用した実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、図１（ａ）は本発明の基本となる投影露光装置の実施形態を示す、ｘ−ｚ平面での断面図、図１（ｂ）は、そのｙ−ｚ平面での断面図である。ここで、符号１は光源として用いる高圧水銀ランプであり、ある分布を持って特定の範囲（所定の大きさを持った範囲）から光を放射している。また、符号２は光源から放射された光束を集光するミラーであり、このミラーの開口の形状を、集光点００から見て、例えば、矩形とすることにより、矩形開口の長手方向と短手方向とで、集光点００における光束の角度分布を異ならせている。光学系３は、集光点００における分布を、断面が矩形の複数の棒レンズ（素子レンズ）で構成された矩形ハエノ目レンズ４の入射面上に投影している。矩形開口を有するミラー２の作用により、矩形ハエノ目レンズに入射する光束の角度分布は、各素子レンズ断面の長・短手の方向について異なっており、光軸となす最大集光角が、素子レンズの矩形断面の短手方向では小さく、長手方向では大きくなるようになっている。これにより、矩形ハエノ目レンズ４は、射出面近傍に、各素子レンズ毎に効率よく、集光点群（２次光源）を形成できる。
【００３２】
矩形ハエノ目レンズ４によって形成された集光点群からの光束は、各素子レンズ断面の矩形の長手方向と短手方向の直交する２方向で射出角度の分布が異なっており、長手方向では、光軸となす角が短手方向に比べてより大きい角度まで射出光束が分布している。これにより、矩形の照明領域を効率よく形成している。
【００３３】
また、符号５はハエノ目レンズ４により形成された集光点群を用いて、被照明面であるレチクル６を矩形の照明領域でケーラー照明し、均一に照明するための光学系である。更に、符号７は投影光学系であり、レチクル６上のパターンをウエハー基板９上に縮小投影している。また、符号８は絞りであり、投影光学系７の開口数を決めている。
【００３４】
本発明のポイントは、集光手段である集光ミラー２の集光点００における角度分布が、直交する２つの方向で異なっていることであり、以後、この集光手段である、図１の集光ミラー２の様々な実施の形態について詳細に説明する。
【００３５】
（第１の実施の形態）
図５（ａ）は、第１の実施の形態における集光ミラー２の光軸を含み、集光点において小さい角度で集光する方向の断面（ｘ−ｚ平面）を示しており、図５（ｂ）は同じく、集光ミラー２の光軸を含み、集光点において大きい角度で集光する方向の断面（ｙ−ｚ平面）を示している。集光ミラー２は、光源付近を第１焦点とする楕円ミラー１０１と光源付近を中心とする球面ミラー２０１の組み合わせからなる。
【００３６】
即ち、ここでの集光手段は、楕円ミラー１０１と球面ミラー２０１とを組み合わせたもので、楕円ミラー１０１、球面ミラー２０１共に図５（ａ）の光軸（ｚ軸）を中心に回転させた、光軸に対して回転対称な形状であるが、楕円ミラー１０１の直交する２断面における開口の大きさが、図５（ａ）および（ｂ）のようにそれぞれ異なっている。即ち、楕円ミラー１０１の開口形状は、図６に示すように、集光点００（楕円ミラー１０１の第２焦点近傍）から見て、矩形である。
【００３７】
第１の実施の形態において、光源１から球面ミラー２０１の方向に放射された光は、球面ミラー２０１で反射され、光源の中心付近に戻されるが、高圧水銀ランプの中心は空洞であるから、そのまま、光源の中心付近を通過し、楕円ミラー１０１で反射されて、集光点００に集光される。一方、楕円ミラー１０１の方向に放射された光束は、楕円ミラー１０１で反射されて、直接に集光点００近傍に集光される。ここでの楕円ミラー１０１の開口は矩形であるから、集光点００に至る光束群は、二つの直交する方向で、集光角度が異なっており、集光点００を頂点とする四角錐を形成する。従って、矩形の照明領域を照明をするのに適した矩形断面の素子レンズで構成される矩形ハエノ目レンズに効率よく光を入射できる。
【００３８】
第１の実施の形態における集光ミラーの形状の具体例としては、長径２ａ、短径２ｂの楕円ミラー１０１と球面ミラー２０１とを用いると共に、集光点００に至る光束群を、仰ぎ角がｘ方向にΦ、ｙ方向にΨの四角錐（図２を参照）状に集光するような集光手段の形状が挙げられる。
【００３９】
ここでは、２つの焦点の中心を原点とし、直交座標系を楕円ミラー１０１の２つの焦点が（０，０，±√ａ2 −ｂ2 ）となるように取り、光源位置を（０，０，−√ａ2 −ｂ2 ）、集光点を（０，０，√ａ2 −ｂ2 ）とすると（図７を参照）、φ＝±Φのもとで元でψを−Ψ＜ψ＜Ψの範囲で、ψ＝±Ψのもとでφを−Φ＜φ＜Φの範囲で変化させた時に、
ｘ＝（ｂ2 ／ａ−ｃｃｏｓθ）ｃｏｓθｔａｎφ            （１）
ｙ＝（ｂ2 ／ａ−ｃｃｏｓθ）ｃｏｓθｔａｎψ            （２）
ｚ＝−（ｂ2 ／ａ−ｃｃｏｓθ）ｃｏｓθ＋ｃ              （３）
が楕円ミラーの境目であり、球面ミラーは、その境目から反射された光線が当たらないような、半径を持ち、（０，０，√ａ2 −ｂ2 ）を中心としている。ただし、ｔａｎ2 θ＝ｔａｎ2 ψ＋ｔａｎ2 φ、ｃ＝√ａ2 −ｂ2 である。
【００４０】
勿論、製造上の問題から加工ができない場合には、加工し易い形状、例えば、楕円ミラー１０１を、前述の座標系において、ｘ＝±Ｘ、ｙ＝±Ｙとなる位置で切断し、ミラーの射影が、長方形になるようにしてもよい。この条件で、矩形ハエノ目レンズを照明した場合でも、等方的な開口形状の従来技術に比べれば、無駄になる光量を減らすことができる。
【００４１】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態の集光ミラーを示すもので、その集光ミラーの光軸を含む断面で示されている。集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じであるから、その点は説明を省略する。本実施形態の集光ミラーは、光源付近を第１焦点とする楕円ミラー１０１と、この楕円ミラー１０１に対して２つの焦点がほぼ同じ位置にある双曲面ミラー２３１とからなる。そして、双曲面ミラー２３１の開口部は、集光点００から見て矩形である。
【００４２】
第１の実施の形態においては、光源から放射された光束の内、集光点００から見て、矩形である楕円ミラー１０１に当たらない光束を、球面ミラー２０１で反射し、光源の中心付近に戻していたが、第２の実施の形態においては、楕円ミラー１０１で反射された光束の内、集光点００から見て、矩形の開口内に入らない光束を、双曲面ミラー２３１で反射し、光源の中心付近に戻している。
【００４３】
即ち、楕円ミラー１０１で反射されて集光点００へ向う光束の内、集光点００に至る光束群は、集光点００から矩形の開口内にあるから、集光点００に至る光束群が集光点００を頂点とする四角錐を形成する。これは、ハエノ目レンズの光利用効率を向上させるのに適している。
【００４４】
第２の実施の形態での集光ミラーの形状の具体例として、主反射鏡である楕円ミラー１０１と、その楕円ミラーに対して２つの焦点が同じ位置にある双曲面ミラー２３１とで、断面が（ｘ2 ／ａ2 ）−（ｙ2 −ｂ2 ）＝１で描ける双曲面ミラー２３１を用いて、集光点００に集光する光束を、仰ぎ角がｘ方向にΦ、ｙ方向にΨの四角錐（図２を参照）から集光するような形状を挙げることができる。
【００４５】
ここでは、２つの焦点の中心を原点とし、直交座標系を２つの焦点が（０，０，±√ａ2 ＋ｂ2 ）となるようにとり、光源を（０，０，√ａ2 ＋ｂ2 ）、集光点を（０，０，−√ａ2 ＋ｂ2 ）とすると（図９を参照）、φ＝±Φのもとで元でψを−Ψ＜ψ＜Ψの範囲で、ψ＝±Ψのもとでφを−Φ＜φ＜Φの範囲で変化させた時に、
ｘ＝｛（ｂ2 （±ａ＋ｃｃｏｓθ）／
（ｂ2 ｃｏｓ2 θ−ａ2 ｓｉｎ2 θ）｝ｃｏｓθｔａｎφ    （４）
ｙ＝｛（ｂ2 （±ａ＋ｃｃｏｓθ）／
（ｂ2 ｃｏｓ2 θ−ａ2 ｓｉｎ2 θ）｝ｃｏｓθｔａｎψ    （５）
ｚ＝｛（ｂ2 （±ａ＋ｃｃｏｓθ）／
（ｂ2 ｃｏｓ2 θ−ａ2 ｓｉｎ2 θ）｝ｃｏｓθ＋ｃ          （６）
上式で、ｘ、ｙ、ｚが、双曲面ミラー２３１の開口の位置であり、楕円ミラー１０１は、光源からの光を集めるのに十分な、開口を持っていればよい。なお、ここで、±が存在するのは、双曲面のどちらの焦点に近い方の面を用いても良いことを示している。
【００４６】
但し、ｔａｎ2 θ＝ｔａｎ2 ψ＋ｔａｎ2 φ、ｃ＝√ａ2 ＋ｂ2 である。勿論、
製造上の問題で加工ができない場合には、加工し易い形状、例えば、双曲面ミラー２３１を、前述の座標系で、ｘ＝±Ｘ、ｙ＝±Ｙなる位置で切断し、ミラーの射影が長方形の開口となるようにしてもよい。これでも、等方的な開口形状のミラーを使用した従来技術に比べれば、矩形ハエノ目レンズに入射させた際に無駄になる光量を減らすことができる。
【００４７】
（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施の形態における集光ミラーの光軸を含む断面を示している。集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じである。ここでの集光ミラーは、光源付近を第１焦点とする楕円ミラー１０１と、楕円ミラー１０１に対して２つの焦点のほぼ中間に存在する平面ミラー２４１とからなる。なお、平面ミラー２４１の開口部は、集光点００（楕円ミラー１０１の第２焦点近傍）から見て、矩形である。
【００４８】
第３の実施の形態においては、第２の実施の形態と同様に、楕円ミラー１０１で反射された光束の内、集光点００から見て、平面シラー２４１の矩形の開口内に入らない光束を、平面ミラー２４１で反射して、光源の中心付近に戻している。また、楕円ミラー１０１で反射されて集光点００に向う光束の内、集光点００に至る光束群は、集光点００から矩形の開口内にあるものであるから、集光点００に至る光束群が集光点００を頂点とする四角錐を形成している。従って、矩形ハエノ目レンズの光利用効率を向上させるのに適している。なお、使用するミラーが平面ミラー２４１であるから、加工が容易であり、矩形の開口を作るのにも、単に、矩形の開口を作ればよいという加工状の利点もある。
【００４９】
（第４の実施の形態）
図１１は、本発明の第４の実施の形態における集光ミラーの光軸を含む断面を示している。集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じである。ここでの集光ミラーは、光源付近を第１焦点とする楕円ミラー１０１と、楕円ミラー１０１に対して２つの焦点がほぼ同じ位置にある第１の双曲面ミラー２３１と、楕円ミラー１０１に対して２つの焦点がほぼ同じ位置にある、別の第２の双曲面ミラー１３１とからなる。双曲面ミラー２３１の開口部は、集光点００（楕円ミラー１０１の第２焦点近傍）から見て、矩形である。
【００５０】
なお、第１、２、３の実施の形態においては、矩形開口外に向かう光束を光源の中心付近に戻していたが、第４の実施の形態では、第２の双曲面ミラー１３１により、光源の中心付近に戻る光線を反射して、集光点００に集光させている。この実施の形態においては、ランプによる中抜きの量を小さくすることができ、更なる均一な照明をする際に有効である。
【００５１】
また、双曲面ミラー２３１の形状は、第２の実施の形態の双曲面ミラー２３１と同じである。なお、開口を決めている双曲面ミラー２３１の代わりに、第３の実施の形態で用いた平面ミラー２４１を用いても良い。
【００５２】
（第５の実施の形態）
図１２、図１３は、本発明の第５の実施の形態における集光ミラーの光軸を含み、直交する２つの面での断面を示している。集光ミラー以外の構成は図１に示した形態と同じである。従来の楕円ミラーは、ある長軸と短軸の長さを持った楕円を、長軸を中心に回転させた形状をしていたが、本実施の形態の集光ミラーは、楕円ミラー１０１に対して、２つの焦点の位置がほぼ同じで、長径と短径との長さの異なる楕円ミラーの一部１０２を重ねて、直交する２つの方向で、開口差を付けていることを特徴とする。
【００５３】
なお、図１４は、第５の実施の形態における集光ミラーを、集光点００から臨んだ図である。ここでは、上下方向に放射された光束は、それぞれ長径と短径とが小さい楕円ミラー１０２で反射され、小さい角度で集光点００に集光しており、左右方向に放射された光束は、長径と短径とが大きい楕円ミラー１０１で反射され、より大きな角度を持って集光される。
【００５４】
そして、集光点００に至る光線群は、図１４の斜線部を底辺とし、集光点００を頂点とする錐を形成している。従って、矩形ハエノ目レンズを照明をする際に、従来のミラーを使用した場合に比べて、光源から放射されたエネルギーを効率的に使用することができる。
【００５５】
なお、第５の実施の形態において、長径と短径との大きい楕円ミラー１０１は完全な楕円ミラーの構造にしているが、光源から見て、長径と短径との小さい楕円ミラー１０２にて覆われていない部分だけでも十分であり、図１４の斜線部のみあれば、良いことは言うまでもない。
【００５６】
（第６の実施の形態）
図１５は、本発明の第６の実施の形態における集光ミラーの光軸を含み、直交する２つの方向の内、集光点において最大集光角の光線がより小さい角度で集光する方向を含む断面を示している。なお、集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じである。ここでは、集光ミラーは、光源付近を第１焦点とする楕円ミラー１１１と、光源付近を中心とする球面ミラー２０１とからなる。集光ミラーの開口部は、集光点００（楕円ミラー１１１の第２焦点近傍）から見て、半円である。
【００５７】
図１６は、第６の実施の形態における集光ミラーを、集光点００から臨んだ図であり、下部の半円が楕円ミラー１１１の端部であり、上部の半円が、球面ミラー２０１である。半円分の球面ミラーの反射面は、全て光源側を向いていて、集光点００から臨んだ際には、反射面は臨めないので、球面ミラー２０１部に集光点００から見た開口は存在しない。よって、集光点００から見て、楕円ミラー１１１の開口部である半円だけが、集光ミラーとしての開口である。ここでは、光源から球面ミラー２０１の方向に放射された光束は、球面ミラー２０１で反射され、光源の中心付近に戻される。高圧水銀ランプの中心は空洞であるから、そのまま、光源の中心付近を通過し、楕円ミラー１１１で反射されて、集光点００に集光される。一方、楕円ミラー１１１の方向に放射された光束は、楕円ミラー１１１で反射され、集光点００に集光されるが、集光ミラーの開口が半円であるため、集光点００に至る光束群は、集光点００を頂点とする円錐を、半分にした錐を形成している。従って、矩形ハエノ目レンズを照明する際に、従来のミラーを使用した場合に比べて、光源から放射されたエネルギーを効率的に使用することができる。
【００５８】
なお、第６の実施例においては、集光手段以降の光学系の光軸は、直交する２つの方向で、光軸となる角の最大値が対象になるように配置する。つまり、図１５の直線Ａを、集光手段以降の光学系の光軸とする。なぜなら、前述のように、矩形ハエノ目レンズを効率よく照明するには、少しでもＨｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量を小さくする方のが好ましいからである。
【００５９】
（第７の実施の形態）
図１７は、本発明の第７の実施の形態における集光ミラーの光軸を含み、直交する２つの方向の内、集光点において最大集光角の光線がより小さい角度で集光する方向を含む断面を示している。なお、集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じである。本実施形態の集光ミラーは、光源の中心付近に第１焦点を持つ楕円ミラー１１１と、光源の中心付近に焦点を持つ放物面ミラー２２１と、平面ミラー２４１からなる。集光ミラーの開口部は、集光点００（楕円ミラー１１１の第２焦点近傍）から見て半円である。
【００６０】
既述の第６の実施の形態においては、球面ミラー２０１によって、開口をなしている楕円ミラー１１１とは別方向に向う光束を反射して、光源の中心付近に戻していたが、本実施の形態においては、放物面ミラー２２１と平面ミラー２４１とにより反射され、光源の中心付近に戻される。つまり、楕円ミラー１１１とは別方向に放射された光束は、放物面ミラー２２１によって反射され、平行光となり、その平行光は、平行光と垂直に配置された平面ミラー２４１で反射され、再び、平行光として、放物面ミラー２２１に返される。この平行光は放物面ミラー２２１で反射されて、再び、光源の中心付近の位置に戻される。
【００６１】
なお、集光ミラーの開口は半円であるため、集光点００に至る光束群は、集光点００を頂点とする円錐を半分にした錐を形成し、矩形ハエノ目レンズを照明をする際に、従来のミラーを使用した場合に比べて、光源から放射されたエネルギーを効率的に使用することができる。
【００６２】
第７の実施の形態において、集光手段以降の光学系の光軸は、直交する２つの方向で、光軸となす角の最大値が対称になるように配置する。つまり、図１７の直線Ａが集光手段以降の光学系の光軸となる。なぜなら、前述のように矩形ハエノ目レンズを効率よく照明するには、少しでも、Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量が小さい方が好ましいからである。
【００６３】
なお、図中においては、放物面ミラーが形成する平行光は、光軸と平行であるが、必ずしもその必要はなく、実質的に開口をなす楕円ミラーからの光束を遮らない限り任意であってもよい。
【００６４】
（第８の実施の形態）
図１８は、本発明の第８の実施の形態における集光ミラーの光軸を含み、直交する２つの方向の内、集光点において、最大集光角の光線がより小さく角度で集光する方向を含む断面を示している。なお、集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じである。本実施形態の集光ミラーは、光源の中心付近に第１焦点を持つ楕円ミラー１１１と、光源の中心付近に焦点を持つ２つの放物面ミラー２２１、２２２とからなる。なお、集光ミラーの開口部は、集光点００（楕円ミラー１１１の第２焦点近傍）から見て半円である。
【００６５】
第６の実施の形態においては、球面ミラー２０１によって、開口をなしている楕円ミラー１１１とは別方向に向う光束を反射し、光源の中心付近に戻していたが、本実施の形態では、２枚の放物面ミラー２２１、２２２により反射し、光源の中心付近に戻す。つまり、楕円ミラー１１１とは別方向に放射された光束は、放物面ミラー２２１もしくは２２２によって反射され、平行光となる。平行光は、もう１つの放物面ミラー２２２もしくは２２１で反射されて、再び、光源の中心付近の位置に戻される。なお、集光ミラーの開口は半円であるために、集光点００に至る光束群は、集光点００を頂点とする円錐を半分にした錐を形成している。従って、矩形ハエノ目レンズを照明する際に、従来のミラーを使用した場合に比べて、光源から放射されたエネルギーを効率的に使用することができる。
【００６６】
なお、第８の実施の形態においては、集光手段以降の光学系の光軸は、直交する２つの方向で、光軸となる角の最大値が対称になるように配置する。つまり、図１８の直線Ａが集光手段以降の光学系の光軸となる。なぜなら、前述のように矩形ハエノ目レンズを効率よく照明するには、少しでも、Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量が小さい方法が好ましいからである。
【００６７】
図中においては、放物面ミラーが形成する平行光は、光軸と平行であるが、必ずしも、その必要はなく、開口をなす楕円ミラー１１１からの光束を遮らない限り任意である。
【００６８】
（第９の実施の形態）
図１９は、本発明の第９の実施の形態における集光ミラーの光軸を含み、直交する２つの方向の内、集光点において、最大集光角の光線がより小さい角度で分布する方向を含む断面を示している。なお、集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じである。ここでの集光ミラーは、光源の中心付近に第１焦点を持つ楕円ミラー１１１と、光源の中心付近に焦点を持つ２つの放物面ミラー２２１、２２２と、楕円ミラー１１１に対して２つの焦点がほぼ同じ位置にある双曲面ミラー２３１の一部とからなる。なお、集光ミラーの開口部は、焦点００側から見て放物面ミラー２２２と双曲面ミラー２３１とがなす開口の形状である。
【００６９】
第８の実施の形態においては、楕円ミラー１１１で反射した光束を全て集光点００に到達させていたが、本実施の形態では、楕円ミラー１１１で反射し集光点００に向かう光束の一部を、双曲面ミラー２３１によって反射して、光源の中心付近に戻し、２つの直交方向における集光角度の差（Ｎ．Ａ．差）をより大きくしている。集光ミラーの開口は、放物面ミラー２２２と双曲面ミラー２３１がなす開口であるために、集光点００に至る光束群は、集光点００を頂点とし、放物面ミラー２２２と双曲面ミラー２３１のなす開口を底面とする錐を形成する。従って、矩形ハエノ目レンズを照明する際に、従来のミラーを使用した場合に比べて、光源から放射されたエネルギーを効率的に使用することができる。
【００７０】
なお、第９の実施例において、集光手段以降の光学系の光軸は、直交する２つの方向で、光軸となす角の最大値が対称になるように配置する。つまり、図１９の直線Ａが集光手段以降の光学系の光軸となる。なぜなら、前述のように矩形ハエノ目レンズを効率よく照明するには、少しでも、Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量が小さい方が好ましいからである。
【００７１】
図中においては、放物面ミラーが形成する平行光は光軸と平行であるが、必ずしもその必要はなく、楕円ミラー１１１からの光束を遮らない限り任意である。
【００７２】
（第１０の実施の形態）
図２０は、本発明の第１０の実施の形態における集光ミラーの光軸を含み、直交する２つの方向の内、集光点において、最大集光角の光線がより小さい角度で集光する方向を含む断面を示している。なお、集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じである。ここでの集光ミラーは、光源の中心付近に第１焦点を持つ楕円ミラー１１１と、光源の中心付近に焦点を持つ２つの放物面ミラー２２１、２２２と、楕円ミラー１１１の光源の中心付近と異なる位置にある、もう１つの焦点００付近に中心を持つ球面ミラー２０１とで構成されている。なお、集光ミラーの開口部は、焦点００側から見て放物面ミラー２２２と球面ミラー２０１とがなす開口の形状である。
【００７３】
第９の実施の形態においては、楕円ミラー１１１で反射した光束の一部を双曲面ミラー２３１によって反射して光源の中心付近に戻していたが、本実施の形態では、楕円ミラーで反射した光束の一部を球面ミラー２０１によって反射して楕円ミラーで反射した後、光源の中心付近に戻してＮ．Ａ．差をより付けるにしている。集光ミラーの開口は、放物面ミラー２２２と球面ミラー２０１のなす開口であるために、集光点００に至る光束群は、集光点００を頂点とし、放物面ミラー２２２と球面ミラー２０１のなす開口を底面とする錐を形成する。従って、矩形ハエノ目レンズを照明をする際に、従来のミラーを使用した場合に比べて、光源から放射されたエネルギーを効率的に使用することができる。
【００７４】
なお、第１０の実施の形態において、集光手段以降の光学系の光軸は、直交する２つの方向で、光軸となす角の最大値が対称となるように配置する。つまり、図２０の直線Ａが集光手段以降の光学系の光軸となる。なぜなら、前述のように矩形ハエノ目レンズを効率よく照明するには、少しでも、Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量が小さい方が好ましいからである。
【００７５】
図中においては、放物面ミラーが形成する平行光は光軸と平行であるが、必ずしもその必要はなく、楕円ミラー１１１からの光束を遮らない限り任意である。
【００７６】
（第１１の実施の形態）
図２１は、本発明の第１１の実施の形態における集光ミラーの光軸を含み、直交する２つの方向の内、集光点において、最大集光角の光線がより小さい角度で集光する方向を含む断面を示している。なお、集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じである。ここでの集光ミラーは、光源の中心付近に第１焦点を持つ楕円ミラー１１１と、光源の中心付近に焦点を持つ２つの放物面ミラー２２１、２２２と、光源の中心付近に中心を持つ球面ミラー２０１とからなる。なお、集光ミラーの開口部は、焦点００から見て楕円ミラー１１１と放物面ミラー２２２とがなす開口の形状である。
【００７７】
第８の実施の形態においては、図の下方向に放射された光束は、全て楕円ミラー１１１によって反射されていたが、本実施の形態では、下方向に放射された光束の一部を球面ミラー２０１によって反射し、光源の中心付近に戻して、開口のＮ．Ａ．差をより付けるようにしている。なお、集光ミラーの開口は、楕円ミラー１１１と放物面ミラー２２２を集光点００から臨んだ時の形状であり、集光点００に至る光束群は集光点００を頂点とし、楕円ミラー１１１の開口を底面とする錐を形成する。従って、矩形ハエノ目レンズを照明する際に、従来のミラーを使用した場合に比べて、光源から放射されたエネルギーを効率的に使用することができる。
【００７８】
第１１の実施の形態において、集光手段以降の光学系の光軸は、直交する２つの方向で、光軸となす角の最大値が対称となるように配置する。つまり、図２１の直線Ａが集光手段以降の光学系の光軸となる。なぜなら、前述のように矩形ハエノ目レンズを効率よく照明するには、少しでもＨｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量が小さい方が好ましいからである。
【００７９】
図中においては、放物面ミラーが形成する平行光は、光軸と平行であるが、必ずしも、その必要はなく、楕円ミラー１１１からの光束を遮らない限り、任意である。
【００８０】
（第１２の実施の形態）
図２２は、本発明の第１２の実施の形態における集光ミラーの光軸を含み、直交する２つの方向の内、集光点において、最大集光角の光線がより小さい角度を集光する方向を含む断面を示す。なお、集光ミラー以外の構成は図１ｓに示した形態と同じである。ここでの集光ミラーは、光源の中心付近に第１焦点を持つ２つの楕円ミラー１１１、２１１と、楕円ミラー２１１の２つの焦点（光源の中心と０１）と、ほぼ同じ位置に焦点を持つ双曲面ミラー２３１とからなる。なお、集光ミラーの開口部は、集光点００（楕円ミラー１１１の第２焦点付近）から見て、半円である。
【００８１】
第６の実施の形態においては、球面ミラー２０１によって、開口をなしている楕円ミラー１１１とは別方向に向う光束を反射し、光源の中心付近に戻していたが、本実施の形態においては、楕円ミラー２１１と双曲面ミラー２３１とにより反射され光源の中心付近に戻される。つまり、楕円ミラー１１１とは別方向に放射された光束は、楕円ミラー２１１によって反射され楕円ミラー２１１のもう１つの焦点０１に向う。楕円ミラー２１１の焦点０１に向った光束は、双曲面ミラー２３１によって反射され、再び光源の中心付近の位置に戻される。集光ミラーの開口が半円であるから、集光点００に至る光束群は、集光点００を頂点とする円錐を半分にした錐を形成する。従って、矩形ハエノ目レンズを照明をする際に、従来のミラーを使用した場合に比べて、光源から放射されたエネルギーを効率的に使用することができる。
【００８２】
なお、第１２の実施の形態において、集光手段以降の光軸は、直交する２つの方向で光軸となす角の最大値が対称になるように配置する。つまり、図２２の直線Ａが集光手段以降の光軸となる。なぜなら、前述のように、矩形ハエノ目レンズを効率よく照明するには、すこしでも、Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量が小さい方が好ましいからである。
【００８３】
また、楕円ミラー２１１の第２焦点０１の位置は、開口をなす楕円ミラー１１１からの光束を遮らない限り任意であり、双曲面ミラー２３１は光源に近い方の双曲面を利用しても構わない。
【００８４】
（第１３の実施の形態）
図２３は、本発明の第１３の実施の形態における集光ミラーの光軸を含み、直交する２つの方向の内、集光点において、最大集光角の光線がより小さい角度で集光する方向を含む断面を示している。なお、集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じである。ここでの集光ミラーは、光源の中心付近に第１焦点を持つ２つの楕円ミラー１１１、２１１と、楕円ミラー２１１の光源と第２焦点０１とほぼ同じ位置に中心を持つ球面ミラー２０１とからなる。集光ミラーの開口部は、集光点００（楕円ミラー２１１の第２焦点近傍）から見て半円である。
【００８５】
第６の実施の形態においては、開口をなしている楕円ミラー１１１とは別方向に向う光束を球面ミラー２０１によって反射し、光源の中心付近に戻していたが、本実施の形態においては、楕円ミラー２１１と球面ミラー２０１により、楕円ミラー１１１に向かう光束以外の光束が反射され光源の中心付近に戻される。つまり、楕円ミラー１１１とは別方向に放射された光束は、楕円ミラー２１１によって反射され、楕円ミラー２１１のもう１つの焦点０１に向う。焦点０１に向った光束は、球面ミラー２０１によって反射され、再び楕円ミラー２１１に反射され、光源の中心付近の位置に戻される。集光ミラーの開口は半円であるから、集光点００に至る光束群は、集光点００を頂点とする円錐を半分にした錐を形成する。従って、矩形ハエノ目レンズを照明する際に、従来のミラーを使用した場合に比べて、光源から放射されたエネルギーを効率的に使用することができる。
【００８６】
なお、第１３の実施の形態において、集光手段以降の光学系の光軸は、直交する２つの方向で光軸となす角の最大値が対称になるように配置する。つまり、図２３の直線Ａが集光手段以降の光軸となる。なぜなら、前述のように矩形ハエノ目レンズを効率よく照明するには、少しでもＨｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量が小さい方が好ましいからである。
【００８７】
楕円ミラー２０１の第２焦点０１の位置は、開口をなす楕円ミラー１１１からの光束を遮らない限り任意である。
【００８８】
（第１４の実施の形態）
図２４は、本発明の第１４の実施の形態における集光ミラーの光軸を含み、直交する２つの方向の内、集光点において、最大集光角の光線がより小さい角度で集光する方向を含む断面を示している。なお、集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じである。ここでの集光ミラーは、光源の中心付近に第１焦点を持つ楕円ミラー１１１と、光源の中心付近に第１焦点を持ち、楕円ミラー１１１の集光点００と異なる位置に第２焦点０１を持つ楕円ミラー２１１とからなる。
なお、集光ミラーの開口部は、集光点００（楕円ミラー２１１の第２焦点近傍）から見て半円である。
【００８９】
なお、第６の実施の形態においては、開口をなしている楕円ミラー１１１とは別方向に向う光束を球面ミラー２０１によって反射し、光源の中心付近に戻していたが、本実施の形態においては、楕円ミラー１１１とは別方向に向かう光束は楕円ミラー２１１により反射されて光源の中心付近に戻される。つまり、楕円ミラー１１１とは別方向に放射された光束は、楕円ミラー２１１によって反射され、楕円ミラー２１１の第２焦点０１を通り、再び楕円ミラー２１１によって反射され光源の中心付近の位置に戻される。なお、集光ミラーの開口は半円であるから、集光点００に至る光束群は、集光点００を頂点とする円錐を半分にした錐を形成する。従って、矩形ハエノ目レンズを照明する際に、従来のミラーを使用した場合に比べて光源から放射されたエネルギーを効率的に使用することができる。
【００９０】
また、第１４の実施の形態において、集光手段以降の光学系の光軸は、直交する２つの方向で光軸となす角の最大値が対称になるように配置する。つまり、図２４の直線Ａが集光手段以降の光学系の光軸となる。なぜなら、前述のように、矩形ハエノ目レンズを効率よく照明するには、少しでもＨｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌｌａｇｒａｎｇｅの不変量が小さい方が好ましいからである。
【００９１】
なお、楕円ミラー２１１の第２焦点０１の位置は、開口をなす楕円ミラー１１１からの光束を遮らない限り任意である。
【００９２】
（第１５の実施の形態）
図２５は、本発明の第１５の実施の形態における集光ミラーの光軸を含み、直交する２つの方向の内、集光点において、最大集光角の光線がより小さい角度で集光する方向を含む面での断面を示す。なお、集光ミラー以外の構成は、図１に示した形態と同じである。ここでの集光ミラーは、光源の中心付近に第１焦点を持つ楕円ミラー１１１と、楕円ミラー１１１の２つの焦点の中間に配置した平面ミラー２４１とからなる。
【００９３】
第６の実施の形態においては、開口をなしている楕円ミラー１１１とは別方向に向う光束を球面ミラー２０１によって反射し、光源の中心付近に戻していたが、本実施の形態においては、楕円ミラー１１１とは別方向に向かう光束は、楕円ミラー１１１と平面ミラー２４１とにより、反射されて光源の中心付近に戻される。つまり、開口をなす楕円ミラー（図２５中では下半分）とは別方向に放射された光束は、開口をなさない楕円ミラー（図２５中では上半分）によって反射され、楕円ミラー１１１の第２焦点００に向って放射される。００に向った光束は、平面ミラー２４１で反射され、光源の中心付近の位置に戻される。集光ミラーの開口は半円であるから、集光点００に至る光束群は、集光点００を頂点とする円錐を半分にした錐を形成する。従って、矩形ハエノ目レンズを照明する際に、従来のミラーを使用した場合に比べて、光源から放射されたエネルギーを効率的に使用することができる。
【００９４】
なお、第１５の実施の形態において、集光手段以降の光学系の光軸は直交する２つの方向で光軸となす角の最大値が対称になるように配置する。つまり、図２５の直線Ａが集光手段以降の光学系の光軸となる。なぜなら、前述のように矩形ハエノ目レンズを効率よく照明するには、少しでもＨｅｌｍｈｏｌｔｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量が小さい方が好ましいからである。
【００９５】
図中では、１つの楕円ミラー１１１を用いて、上方向に放射された光束を反射しているが、必ずしもその必要はなく、別に楕円ミラーを用意してもよい。その場合、平面ミラー２４１は、別に設けた楕円ミラーの２つの焦点の中心付近に配置すればよい。また、主反射鏡や補助反射鏡を分割した実施の形態もあり得る。図２６は、第８の実施の形態において、２枚であった放物面の補助反射鏡を、３枚に分割したもので、それぞれの放物面は、光源の中心付近に焦点を持っている。このように分割することによって、光源に戻ってくる光束の角度分布を所望に選択することができる。
【００９６】
（その他の実施の形態）
図２７は、第１０の実施の形態において、楕円面の主反射鏡を分割したものである。それぞれの楕円面は、光源の中心付近と、集光点００付近とに焦点を持っている。このように分割することによって、双曲面によって戻される光線と、楕円ミラーによって集光される光束が楕円ミラーに当たる位置の集光点００からの仰ぎ角が、境界不連続になるので、双曲面ミラーを配置する際に、ミラー相互の組立て誤差の許容範囲を大きくとることができる。
【００９７】
また、他の実施の形態についても同様であり、放物面ミラー、楕円ミラー、双曲線ミラーを、ほぼ同じ位置に焦点を持つ、幾つかの集光ミラーに分割することが可能であり、また、球面ミラーを同じ中心を持つ、幾つかの集光ミラーに分割することが可能であり、また、平面ミラーを平行な幾つかのミラーに分割することも可能である。
【００９８】
図１９〜２１において使用する２つの放物面ミラー２２１、２２２の代わりに、図２２に示す楕円ミラー２１１と双曲面ミラー２３１、図２３に示す楕円ミラー２１１と球面ミラー２０１、図２４に示す楕円ミラー２１１、および、図２５に示す、開口をなさない楕円ミラー１１１と平面ミラー２４１を用いても、前者のもの（図１９〜２１）と同じ効果を実現できる。
【００９９】
なお、ここで、「境界」とは、光束がそこを境に反射されるミラーが異なるのとを言い、必ずしも、ミラーが境界で切れていなくてはならないという訳ではない。
【０１００】
本発明では、以上の実施の形態において、説明の簡単のために、光軸を含む面に境界を配置したが、必ずしもこのように構成する必要はない。例えば、図２８では、第６の実施の形態での境界面を、光軸を含まない面に持つ実施の形態を示している。ここでは、図中、Ｃの点が境界面となっている。また、境界面で平面である必要もなく、その境界は、必要に応じて自由に設定できる。
【０１０１】
また、本発明が適用される光学系において、上述のような集光手段によって集光された光束を用いて、どのように被照射面を照射するとしても、本発明の技術的範疇にあると考えられる。また、本発明は、上述の実施の形態において、ハエノ目レンズを用いたケーラー照明を行ったが、上述のような光源の集光手段を用いれば、パイプを用いたケーラー照明など、その後の構成にどのような光学系を介在させるかを問わないのであって、換言すれば、如何なる照明方法を用いても、その点で、本発明の技術的範囲に属すると考える。
【０１０２】
その一例として、図３３には、光源１と矩形ハエノ目レンズ４との間に、内面反射型のオプティカル・インテグレータとして、正方形（断面）パイプ１０を配置した照明装置の実施の形態が示されている。ここで、（ａ）は矩形照明領域の短辺方向に相当するｙ−ｚ平面における断面図であり、（ｂ）は長辺方向に相当するｘ−ｚ平面における断面図である。なお、図１で説明した実施形態の投影露光装置での同一部材は同一符号で示している。また、本実施の形態においては、光源１によって放射された光を集光する集光手段として、図１５、図１６に示した第６の実施の形態と同じ集光ミラーを採用している。
【０１０３】
ここでは、光源１を発した光は、球面ミラー２０１および／または楕円ミラー１１１で反射した後、ｉ線以外の波長の光を大部分カットするためのｉ線フィルター１２を介して、正方形パイプ１０の入射面近傍に集光する。正方形パイプ１０に入射した光は、その内面反射面で多重反射しながら、その内部を通過して、光軸と垂直な面に光源１の複数の虚像を形成する。このため、正方形パイプ１０の射出面では、これら複数の虚像からあたかも射出したように見える複数の光束が互いに重ね合わされるので、均一な照度分布が得られる。
【０１０４】
結像光学系１１は、正方形パイプ１０の射出面の像を矩形ハエノ目レンズ４の入射面に形成するように構成される。正方形パイプ１０によって照度分布が均一化された光を矩形ハエノ目レンズ４によって波面分割し、レクチル６上で再び重ね合わせる。従って、図１の系に比べて、本実施の形態での照明装置は更なる照明領域での照度均一化が実現できる。
【０１０５】
図３３から理解されるように、矩形ハエノ目レンズの前方に、正方形パイプなどの他の光学要素が存在したとしても、矩形ハエノ目レンズに入射する光の角度分布は、集光ミラーの集光点における角度分布に依存して決まるので、本発明のように、集光ミラーの集光点における角度分布を、照明領域の長辺方向と短辺方向で異ならせることによって、図３３に示したような照明装置においても、光源から発した光の有効利用が図れることになる。
【０１０６】
（本発明に係わる露光装置を用いた半導体デバイスの製造方法）
次に、上述の露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法の実施例を説明する。図３４は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、あるいは、液晶パネルやＣＣＤなど）の製造のフローを示す。ここで、ステップ１において、半導体デバイスの回路設計がなされる。また、ステップ２では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３では、シリコンなどの材料を用いて、ウエハを製造する。
【０１０７】
ステップ４は、前工程（ウエハプロセス）と呼ばれていて、先に用意されたマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によって、ウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップは、後工程（組立て）と呼ばれていて、ステップ４により作成されたウエハを用いて、半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）などの工程を含む。
【０１０８】
ステップ６では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て、半導体デバイスを完成して、最終的に出荷（ステップ７）するのである。
【０１０９】
図３５は、上述のウエハプロセスの詳細を示すフローである。ステップ１１ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２では、ウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３では、ウエハ上に電極を蒸着によって、形成する。ステップ１４では、ウエハにイオンを打ち込む。また、ステップ１５では、レジスト処理でウエハに感光剤を塗布し、ステップ１６では、上述の露光装置によって、マスクの回路パターンをウエハ上に焼き付け露光する。
【０１１０】
更に、ステップ１７では、露光したウエハを現像し、ステップ１８では、エッチングによって、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。そして、ステップ１９では、エッチングが済んで、不要となったレジストを取り除く（レジスト剥離）。これらのステップを繰り返すことにより、ウエハ上に多重の回路パターンが形成されるから、本発明の実施の形態による照明装置、それを用いた投影照明装置により、従来では製造が難しかった高集積度の半導体デバイスも容易に製造できる。
【０１１１】
【発明の効果】
本発明は、以上詳述したように照明装置を構成することにより、集光手段による集光光束の光軸となす角の最大値が、直交する２つの方向で異なる集光光束が得られ、その結果、矩形断面の複数素子レンズによって構成される矩形ハエノ目レンズを、光量の無駄なく、効率的に照明できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な投影露光装置の実施の形態を示す断面図である。
【図２】集光ミラーの開口が矩形である場合の集光点に至る光束群を示す平面および側面図である。
【図３】集光ミラーの開口が半円である場合の集光点に至る光束群を示す斜視図である。
【図４】従来の集光ミラーにおいて、集光点に至る光束群を示す斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の集光ミラーの平面断面および側面断面図を示す。
【図６】本発明の第１の実施の形態の集光ミラーを集光点から臨んだ形状を示す。
【図７】第１の実施の形態の具体的な形状を表示する際の座標を示す。
【図８】本発明の第２の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図９】第２の実施例の具体的な形状を表示する際の座標を示す。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図１２】本発明の第５の実施の形態の集光ミラーのある面での断面図を示す。
【図１３】第５の実施例の集光ミラーの、図１２と直交する面での断面図を示す。
【図１４】本発明の第５の実施の形態の集光ミラーを集光点から臨んだ形状を示す。
【図１５】本発明の第６の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図１６】第６の実施例の集光ミラーを集光点から臨んだ形状を示す。
【図１７】本発明の第７の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図１８】本発明の第８の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図１９】本発明の第９の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図２０】本発明の第１０の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図２１】本発明の第１１の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図２２】本発明の第１２の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図２３】本発明の第１３の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図２４】本発明の第１４の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図２５】本発明の第１５の実施の形態の集光ミラーの断面図を示す。
【図２６】本発明の第８の実施の形態において、ミラーを分割した事例を示す。
【図２７】本発明の第１０の実施の形態において、ミラーを分割した事例を示す。
【図２８】本発明の第６の実施の形態において、境界を、光軸を含まない面にした事例を示す。
【図２９】従来の照明装置の光束群を示す。
【図３０】正方形の照明領域に対するハエノ目レンズの断面を示す。
【図３１】矩形の照明領域に対するハエノ目レンズの断面、平面および側面を示す。
【図３２】ハエノ目レンズにおける光線を示す。
【図３３】光源とハエノ目レンズとの間に、オプティカルインテグレータとして、正方形パイプを配置した照明装置の実施の形態を示す平面および側面図である。
【図３４】本発明に係わる照明装置を用いた半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。
【図３５】同じく、ウエハプロセスの詳細を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１    光源
２    集光手段
３    コリメータレンズ
４    オプティカル・インテグレータ
５    光学系
６    照明領域（レチクル）
７    投影光学系
８    絞り
９    ウエハー基板
１０    正方形パイプ
００  主反射鏡の第２焦点近傍にある集光点
０１  補助反射鏡のの第２焦点
１０１，１０２  主反射鏡となる楕円ミラー
１１１  主反射鏡となる半楕円ミラー
１２１  主反射鏡となる楕円ミラーの一部
１３１  主反射鏡となる双曲面ミラー
２０１  補助反射鏡となる球面ミラー
２１１  補助反射鏡となる楕円ミラー
２２１，２２２，２２３  補助反射鏡となる放物面ミラー
２３１  補助反射鏡となる双曲面ミラー
２４１  補助反射鏡となる平面ミラー
Ａ  集光手段以降の光軸を示す。（ｚ軸と等しいものは省略）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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