均一化光学装置及びそれを用いた平行光源装置
【課題】 平行光の面内強度分布を平均化して均一化する光学装置と、それを用いた平行光源装置。
【解決手段】 入射光が進む方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交し相互に直交する方向をＸ方向とＹ方向とするとき、Ｚ方向に対して直交する入射面４４と射出面４５とを備え、Ｘ−Ｙ面及びＹ−Ｚ面に対して４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して２面の全反射鏡４２1 、４２2 が配置され、その２面の全反射鏡４２1 、４２2 の間であって入射面４４と射出面４５の間に単数又は複数の半透過鏡４３1 〜４３3 が相互に所定の間隔で全反射鏡４２1 、４２2 に平行に配置されて構成されてなる均一化素子４１1 、４１2 を備えてなる均一化光学装置４０。
【解決手段】 入射光が進む方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交し相互に直交する方向をＸ方向とＹ方向とするとき、Ｚ方向に対して直交する入射面４４と射出面４５とを備え、Ｘ−Ｙ面及びＹ−Ｚ面に対して４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して２面の全反射鏡４２1 、４２2 が配置され、その２面の全反射鏡４２1 、４２2 の間であって入射面４４と射出面４５の間に単数又は複数の半透過鏡４３1 〜４３3 が相互に所定の間隔で全反射鏡４２1 、４２2 に平行に配置されて構成されてなる均一化素子４１1 、４１2 を備えてなる均一化光学装置４０。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均一化光学装置及びそれを用いた平行光源装置に関し、特に、均一な面内強度分布を持つ平行光を得るための均一化光学装置とそれを用いた平行光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、半導体露光用のレーザ光源は、ピグテイルモジュールを束ねた高出力かつ大口径光ファイバ束出力構造であり、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を利用したマスクレス露光機用光源として使用されている。ＤＭＤにその光源からの光を導入する際、光束は平行光である程露光面への照射効率（トータルとしての利用効率）が高いが、理想的な平行光を作るには、光ファイバ束出力端のビームスポットを限りなくゼロに近づける必要がある。光ファイバ束出力構造タイプの光源は、高出力である一方、ビームスポットサイズが大きく（例えば、６００μｍ）、平行光として取り出すことが困難であるため、光の利用効率が低くなってしまうという課題がある。光学系でその利用効率を上げるのに制限があるため、ピグテイルモジュールに用いている半導体レーザ個々の高出力化に頼らざるを得ないのが現状である。
【０００３】
また、露光制御の際、面内強度分布の平均化が必要となる。例えば光ファイバ束モジュールの場合、照明領域の中心部分の出力が高く、中心から離れるに従って光強度が減少する傾向を持つ。強度の低い部分は露光に寄与することができないので、有効面積が制限される。また、有効範囲内においても、面内強度が低い箇所に合わせて露光制御をするため、強度の高い部分を低い部分に合わせる必要があり、出力が低くなってしまう問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、平行光の面内強度分布を平均化して均一化する光学装置と、それを用いた平行光源装置であって、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等に利用可能で、面内強度分布の均一性が高く、平行度が高く、光の利用効率が高い平行光源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明の均一化光学装置は、入射光が進む方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交し相互に直交する方向をＸ方向とＹ方向とするとき、Ｚ方向に対して直交する入射面と射出面とを備え、Ｘ−Ｙ面及びＹ−Ｚ面に対して４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して２面の全反射鏡が配置され、その２面の全反射鏡の間であって入射面と射出面の間に単数又は複数の半透過鏡が相互に所定の間隔で全反射鏡に平行に配置されて構成されてなる均一化素子を備えてなることを特徴とするものである。
【０００６】
また、前記均一化素子の射出面側に第２の均一化素子を備えることができる。前記第２の均一化素子は、Ｘ−Ｙ面及びＹ−Ｚ面に対して４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して２面の全反射鏡が配置され、その２面の全反射鏡の間であって入射面と射出面の間に単数又は複数の半透過鏡が相互に所定の間隔で全反射鏡に平行に配置されて構成されてなるものとすることができる。
【０００７】
そして、このような本発明の均一化光学装置は、以下の（１）〜（６）のように配置して本発明の平行光源装置を構成することができる。
【０００８】
（１）稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている２つの光ファイバコリメータアレイを含み、一方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と他方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなる平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【０００９】
（２）稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている４つの光ファイバコリメータアレイを含み、その中の第１光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第２光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第４光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含む平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【００１０】
（３）正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される２つの光コリメータを含み、一方の光コリメータから射出される平行光と他方の光コリメータから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成され、前記一方の光コリメータと前記他方の光コリメータが相互にずれている平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【００１１】
（４）正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される４つの光コリメータを含み、その中の第１光コリメータから出射される平行光と第２光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータから出射される平行光と第４光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含み、前記第１光コリメータと前記第２光コリメータが相互にずれており、前記第３光コリメータと前記第４光コリメータが相互にずれている平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【００１２】
（５）稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される２つの光コリメータアレイを含み、一方の光コリメータアレイから射出される平行光と他方の光コリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなる平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【００１３】
（６）稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される４つの光コリメータアレイを含み、その中の第１光コリメータアレイから出射される平行光と第２光コリメータアレイから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータアレイから出射される平行光と第４光コリメータアレイから出射される平行先の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含む平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の均一化光学装置によると、入射する平行光の面内強度分布に不均一があっても、平均化され均一化された平行光として射出することができる。この均一化光学装置を平行光源装置の平行光射出側に配置することにより、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光源装置に適したものが得られる。例えばＤＭＤを利用したマスクレス露光機用光源として使用すると、露光時間の短縮を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の均一化光学装置及びそれを用いた平行光源装置を実施例に基づいて説明する。
【００１６】
まず、図１〜図９を用いて、本発明の均一化光学装置を適用可能な平行光源装置の実施例を説明する。
【００１７】
図１は、本発明の均一化光学装置を適用できる１実施例の平行光源装置の構成を示す断面図である。この平行光源装置は、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４と、第１光ファイバコリメータアレイ１１からの平行光と第２光ファイバコリメータアレイ１２からの平行光とを合成する第１偏光合成器１５と、第３光ファイバコリメータアレイ１３からの平行光と第４光ファイバコリメータアレイ１４からの平行光とを合成する第２偏光合成器１６と、第１偏光合成器１５で合成された第１合成平行光１９と第２偏光合成器１６で合成された第２合成平行光２０とを合成して第３合成平行光２１と第４合成平行光２２にする無偏光合成器１７と、無偏光合成器１７で合成された第４合成平行光２２を第３合成平行光２１と同じ方向に向ける反射プリズム１８とからなる。
【００１８】
ここで、まず、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４は同様の構成であるので、光ファイバコリメータアレイ１１を代表にあげてその構成を説明する。光ファイバコリメータアレイ１１は、図２に平面図を示すような同一特性の微小な正レンズ１を複数稠密にアレイ状に配置したレンズアレイ１０と、その正レンズ１の光軸上の焦点位置各々に射出端を配置したＰＡＮＤＡ型等の偏波保存型シングルモード光ファイバ２のアレイとからなり、レンズアレイ１０の個々の正レンズ１に対応して配置されている各偏波保存型シングルモード光ファイバ２の入射端には、図３に示すように、同一特性の半導体レーザ３からの両矢符方向に偏波面５を持つ発振光が偏波保存型シングルモード光ファイバ２の１つの偏波面保存方向に一致して入射結合するように、集光レンズ４を介して結合されている。
【００１９】
ここで、今後の説明のために、光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０の正レンズ１の形状と配置方向を説明しておく。図２に示すように、正レンズ１を稠密に配置しようとする場合、その外形は好ましくは光軸を中心とする正六角形になる。正レンズ１が列状に並ぶ方向をＸ方向、それに直交する方向をＹ方向とするとき、Ｘ方向に一列に並ぶ正レンズ１の列とＹ方向に隣接する隣の正レンズ１の列とでは正レンズ１の繰り返しピッチが半分ずれていることになる。
【００２０】
図１に戻って、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４のレンズアレイ１０のＹ方向は何れも図１の面に垂直に向いており、したがって、各レンズアレイ１０のＸ方向は図１の面に平行となっており、何れのレンズアレイ１０においても、正レンズ１は図１の面に平行に列状に並んでいる。
【００２１】
そして、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４それぞれにおいては、レンズアレイ１０の個々の偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端から出る光の偏波方向が、各光ファイバコリメータアレイ中で同じになるように配置されており、図１に示すように、第１ファイバコリメータアレイ１１においてはｐ偏光に、第２ファイバコリメータアレイ１２においてはｓ偏光に、第３ファイバコリメータアレイ１３においてはｐ偏光に、第４ファイバコリメータアレイ１４においてはｓ偏光になるように配置されている。
【００２２】
このような構成であるので、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４各々においては、アレイ状に配置された偏波保存型シングルモード光ファイバ２各々の射出端からｐ偏光又はｓ偏光のシングルモードで強度がガウス分布の発散光が射出され、おのおのの発散光はレンズアレイ１０の対応する正レンズ１で平行光に変換される。レンズアレイ１０の隣接した何れの正レンズ１からも同一方向（光軸方向）の平行光が射出されるため、それぞれ、第１ファイバコリメータアレイ１１からは全体でｐ偏光の平行光が、第２ファイバコリメータアレイ１２からは全体でｓ偏光の平行光が、第３ファイバコリメータアレイ１３からは全体でｐ偏光の平行光が、第４ファイバコリメータアレイ１４からは全体でｓ偏光の平行光が射出される。
【００２３】
そして、第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光と、第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光とは、図示のように相互に直交する方向に進み、第３ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と、第４ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とは、図示のように同様に相互に直交する方向に進むように、相互に直交する方向に向き、かつ、第１光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０と、第４光ファイバコリメータアレイ１４のレンズアレイ１０が略同一面に、また、第２光ファイバコリメータアレイ１２のレンズアレイ１０と、第３光ファイバコリメータアレイ１３のレンズアレイ１０が略同一面に位置するように配置されている。
【００２４】
第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光と第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光とが直交する位置に第１偏光合成器１５が配置され、第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とが直交する位置に第２偏光合成器１６が配置されている。第１偏光合成器１５と第２偏光合成器１６は、偏光ビームスプリッタープリズムのように、それぞれの４５°配置の偏光合成面Ａ、Ｂでｐ偏光を略１００％透過し、ｓ偏光を略１００％反射する特性を持つものである。したがって、第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光は第１偏光合成器１５の偏光合成面Ａを透過し、第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光はその偏光合成面Ａで反射され、両平行光は第１偏光合成器１５の偏光合成面Ａで合成されて第１合成平行光１９となる。また、第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光は第２偏光合成器１６の偏光合成面Ｂを透過し、第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光はその偏光合成面Ｂで反射され、両平行光は第２偏光合成器１６の偏光合成面Ｂで合成されて第２合成平行光２０となる。
【００２５】
そして、第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とが直交する位置に無偏光合成器１７が配置されている。この無偏光合成器１７は、通常のビームスプリッタープリズム又はハーフミラーのように、その４５°配置の無偏光合成面Ｃで、第１合成平行光１９、第２合成平行光２０の偏光状態に依存せずに、それらの略５０％の強度を反射し、残りの略５０％の強度を透過するものであり、したがって、無偏光合成面Ｃで第１合成平行光１９の略半分の強度が反射され、第２合成平行光２０の略半分の強度が無偏光合成面Ｃを透過してそれらの平行光は合成されて第３合成平行光２１となる。また、無偏光合成面Ｃを第１合成平行光１９の略半分の強度が透過し、第２合成平行光２０の略半分の強度が無偏光合成面Ｃで反射されてそれらの平行光は合成され、反射プリズム１８の反射面Ｄで第３合成平行光２１と同じ方向に反射されて第４合成平行光２２となる。第３合成平行光２１と第４合成平行光２２は同じ強度で同じ方向に隙間なく隣接しているので、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２を合わせて、平行度の高い平行光として、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光として用いることができる。しかも、第１偏光合成器１５、第２偏光合成器１６、無偏光合成器１７を反射あるいは透過した光は、最終的に全て平行光成分として利用されているので、光の利用効率が極めて高いものとなっている。しかも、正レンズ１の焦点に配置される光源は、偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端であるため、実質的に点光源であるので、合成平行光１９、２０、２１、２２の平行度は極めて高いものである。
【００２６】
ところで、このようにして得られる第１合成平行光１９、第２合成平行光２０、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２の並列合成平行光は、平均的に見れば面内強度が均一であり、合成平行光１９、２０だけでも、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光として用いることができる。しかしながら、上記したように、偏波保存型シングルモード光ファイバ２各々の射出端から発散される光は強度分布がガウス分布となっているので、レンズアレイ１０の正レンズ１のＮＡ（開口数）と偏波保存型シングルモード光ファイバ２のＮＡを合わせて効率的に射出光を利用しようとすると、レンズアレイ１０から出る平行光は、各正レンズ１中心に強度のガウス分布のピークがあり、その周辺に向かうにつれて強度が弱まっていき、レンズアレイ１０全面では正レンズ１の配列に対応したガウス分布が周期的に繰り返してなる強度分布の平行光であるので、局所的には強度分布は必ずしも均一であるとは言えない。
【００２７】
そこで、第１偏光合成器１５（偏光合成面Ａ）で第１光ファイバコリメータアレイ１１からの平行光と第２光ファイバコリメータアレイ１２からの平行光を合成するときに、及び、第２偏光合成器１６（偏光合成面Ｂ）で第３光ファイバコリメータアレイ１３からの平行光と第４光ファイバコリメータアレイ１４からの平行光を合成するときに、直交する２方向の中の少なくとも１つの方向、例えばＸ方向に強度分布を平均化して略均一になるようにし、次に、無偏光合成器１７で第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とを合成するときに、直交する２方向の中の別の１つの方向、例えばＹ方向に強度分布を平均化して面内全体で略均一になるようにすることができる。そのための構成を以下に説明する。
【００２８】
図４は、第１偏光合成器１５、第２偏光合成器１６それぞれで合成された平行光に対するレンズアレイ１０相互の位置関係と合成光の強度分布を示す図である。以後、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４のレンズアレイ１０をそれぞれ１０1 〜１０4 とする。
【００２９】
図２のように正レンズ１が稠密にアレイ状に配置されている場合に、正レンズ１のＸ方向の配列ピッチを２Ｍとすると、Ｙ方向の配列ピッチは（３／２）Ｌとなり、ＭとＬの間には、Ｍ＝（√３／２）Ｌの関係がある。ここで、Ｌは正レンズ１の正六角形の１辺の長さに相当する。この図２のような配列において、第１光ファイバコリメータアレイ１１（第３光ファイバコリメータアレイ１３）のレンズアレイ１０1 （１０3 ）と第２光ファイバコリメータアレイ１２（第４光ファイバコリメータアレイ１４）のレンズアレイ１０2 （１０4 ）との間にＸ方向にレンズ配列ピッチの１／２、すなわち、Ｍの配置ずれが発生するように、第１偏光合成器１５（第２偏光合成器１６）で第１光ファイバコリメータアレイ１１（第３光ファイバコリメータアレイ１３）と第２光ファイバコリメータアレイ１２（第４光ファイバコリメータアレイ１４）を合成するようにすると、図４の上方に分布曲線を示したように、第１合成平行光１９（第２合成平行光２０）のＸ方向の光強度分布は略均一になる。より具体的には、正レンズ１のＮＡと偏波保存型シングルモード光ファイバ２のＮＡを略一致させた場合、正レンズ１の中心を結ぶＸ方向の光強度分布のバラツキは略２％である。
【００３０】
しかしながら、第１合成平行光１９（第２合成平行光２０）のＹ方向の光強度分布は、図４の左方に分布曲線を示したように、Ｙ方向の配列ピッチと同じピッチで変化し、正レンズ１の中心位置に対応してピークを持つ繰り返し分布となる。
【００３１】
次に、図５に、無偏光合成器１７でこのようにＸ方向に平均化された第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とが合成された平行光に対するレンズアレイ１０1 〜１０4 相互の位置関係と合成光の強度分布を示す。第１光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０1 と第２光ファイバコリメータアレイ１２のレンズアレイ１０2 との間、及び、第３光ファイバコリメータアレイ１３のレンズアレイ１０3 と第４光ファイバコリメータアレイ１４のレンズアレイ１０4 との間は、上記のように、それぞれＸ方向にレンズ配列ピッチの半分のＭの配置ずれがあるが、Ｙ方向にはＹ方向の配列ピッチ（３／２）Ｌの半分、すなわち、（３／４）Ｌだけ、レンズアレイ１０1 （１０2 ）とレンズアレイ１０3 （１０4 ）の間がずれるように合成する。そして、図５の場合は、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせに対するレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせのＸ方向への繰り返しピッチの位相ずれが、Ｘ方向のレンズ配列ピッチ２Ｍの１／３、すなわち、（２／３）Ｍとなるように、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせ（第１合成平行光１９）とレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせ（第２合成平行光２０）とを合成するようにする。その場合の正レンズ１の中心を結ぶＸ方向の光強度分布のバラツキは図５の上方に分布曲線を示すようになり、上記の具体例においては略２％であり、また、Ｙ方向の光強度分布は図５の左方に分布曲線を示すように、平均化されて略均一になる。ここで、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせに対するレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせのＸ方向へのずらし量を横軸に、面内の光強度分布のバラツキΔＰ／Ｐmax を縦軸にとった図７から、上記の具体例においては、面内の光強度分布のバラツキは略６．５％であることが分かる。なお、ΔＰは、光強度分布の最大値をＰmax 、最小値をＰmin としたとき、ΔＰ＝Ｐmax −Ｐmin である。
【００３２】
図５の代わりに、図６に示すように、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせに対するレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせのＸ方向への繰り返しピッチの位相ずれを、Ｘ方向のレンズ配列ピッチ２Ｍの１／４、すなわち、（１／２）Ｍとなるように、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせ（第１合成平行光１９）とレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせ（第２合成平行光２０）とを合成するようにしてもよい。その場合の正レンズ１の中心を結ぶＸ方向の光強度分布のバラツキは図６の上方に分布曲線を示すようになり、上記の具体例においては略２％であり、また、Ｙ方向の光強度分布は図６の左方に分布曲線を示すように、平均化されて略均一になる。上記の具体例においては、面内の光強度分布のバラツキは、図７から略７．５％であることが分かり、図５の配置に比べてバラツキが若干大きくなるが、十分に平均化されていると言える。なお、その他の配置関係は図５の場合と同様である。
【００３３】
なお、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせに対するレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせのＸ方向へのずらし量をＸ方向のレンズ配列ピッチ２Ｍの１／６、すなわち、（１／３）Ｍの場合は、１／３、すなわち、（２／３）Ｍの場合と同様に、面内の光強度分布のバラツキは略６．５％であり、１／８、３／８、すなわち、（１／４）Ｍ、（３／４）Ｍの場合は、１／４、すなわち、（１／２）Ｍの場合と同様に、面内の光強度分布のバラツキは略７．５％であることが、図７から分かる。
【００３４】
このことから、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせに対するレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせのＸ方向へのずらし量は、（１／４）Ｍ〜（３／４）Ｍの範囲にあれば、面内の光強度分布のバラツキは略７．５％以下になることが分かる。なお、図形の対称性から、（５／４）Ｍ〜（７／４）Ｍの範囲においても同様である。
【００３５】
次に、図８に、図１の平行光源装置の変形例の構成を示す断面図を示す。図１の実施例と異なるのは、第１偏光合成器１５と第２偏光合成器１６の代わりに、図の断面内の大きさが縦横略２倍の同様な構成の単一の偏光合成器２５を用いる点と、反射プリズム１８と無偏光合成器１７の代わりに、形状が異なり反射面の配置が異なる単一の無偏光合成器２６を用いる点である。この変形例を説明すると、図１の場合と同様に、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４を備え、各々の光ファイバコリメータアレイ１１〜１４の構成は図１の場合と同様であるが、第１光ファイバコリメータアレイ１１と第３光ファイバコリメータアレイ１３は、図８の面で隣接していてそれらのｐ偏光の射出平行光も隣接していて同一方向に射出されるようになっており、また、第２光ファイバコリメータアレイ１２と第４光ファイバコリメータアレイ１４も、図８の面で隣接していてそれらのｓ偏光の射出平行光も隣接していて同一方向に射出されるようになっており、かつ、第１光ファイバコリメータアレイ１１と第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と、第２光ファイバコリメータアレイ１２と第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とは、図示のように相互に直交する方向に進むように、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４が配置されている。そして、第１光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０と、第３光ファイバコリメータアレイ１３のレンズアレイ１０とが同一面で隣接するように、また、第２光ファイバコリメータアレイ１２のレンズアレイ１０と、第４光ファイバコリメータアレイ１４のレンズアレイ１０とが同一面で隣接するように、配置されている。
【００３６】
そして、第１光ファイバコリメータアレイ１１と第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と、第２光ファイバコリメータアレイ１２と第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とが直交する位置に、偏光合成面Ｅがそれら平行光に対して４５°の角度をなすように偏光合成器２５が配置されている。
【００３７】
そのため、第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光は偏光合成器２５の偏光合成面Ｅの片側を透過し、第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光は偏光合成面Ｅの同じ片側で反射され、両平行光は偏光合成面Ｅの片側で合成されて第１合成平行光１９となる。また、第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光は偏光合成器２５の偏光合成面Ｅの反対側の片側を透過し、第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光は偏光合成面Ｅの同じ片側で反射され、両平行光は偏光合成面Ｅの反対側の片側で合成されて第２合成平行光２０となる。
【００３８】
第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とは、図示のように、相互に隣接して平行に出るので、その射出側に配置される無偏光合成器２６には、第２合成平行光２０が入射する位置に進行方向を９０°偏向する反射面Ｇが配置されている。また、第１合成平行光１９が入射する位置には、無偏光合成面Ｃと同様の無偏光合成面Ｆが配置され、さらに、無偏光合成面Ｆで反射された平行光の進行方向を９０°折り曲げて無偏光合成面Ｆに入射する平行光と同じ方向に向ける反射面Ｄと同様の反射面Ｈが配置されている。無偏光合成器２６のこれら反射面Ｇ、無偏光合成面Ｆ、反射面Ｈは相互に平行に配置されており、これらの面を透明プリズム中に一体に配置するように構成するのが望ましい。
【００３９】
無偏光合成器２６の反射面Ｇに入射した第２合成平行光２０は、９０°偏向されて無偏光合成面Ｆに入射し、その略５０％の強度が反射され、残りの略５０％の強度は透過する。また、無偏光合成面Ｆに入射した第１合成平行光１９も、その略５０％の強度が反射され、残りの略５０％の強度は透過する。したがって、無偏光合成面Ｆで第１合成平行光１９の略半分の強度が透過し、第２合成平行光２０の略半分の強度が反射されてそれらの平行光は合成されて第４合成平行光２２として無偏光合成器２６から射出する。また、無偏光合成面Ｆで第１合成平行光１９の略半分の強度が反射され、第２合成平行光２０の略半分の強度が透過してそれらの平行光は合成され、反射面Ｈで第３合成平行光２１と同じ方向に反射されて第３合成平行光２１となる。第３合成平行光２１と第４合成平行光２２は同じ強度で同じ方向に隙間なく隣接しているので、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２を合わせて、平行度の高い平行光として、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光として用いることができる。しかも、偏光合成器２５、無偏光合成器２６を反射あるいは透過した光は、最終的に全て平行光成分として利用されているので、光の利用効率が極めて高いものとなっている。しかも、正レンズ１の焦点に配置される光源は、偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端であるため、実質的に点光源であるので、合成平行光１９、２０、２１、２２の平行度は極めて高いものである。
【００４０】
この変形例においても、図５、図６に示したように、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４のレンズアレイ１０1 〜１０4 相互の位置関係を調節することにより、直交するＸ方向、Ｙ方向両方向において強度分布が平均化され略均一になった平行度が極めて高い平行光を得ることができる。
【００４１】
以上、本発明の均一化光学装置を適用可能な平行光源装置を実施例に基づいて説明してきたが、これら実施例に限定されず種々の変形が可能である。例えば、レンズアレイ１０、１０1 〜１０4 の正レンズ１の焦点位置各々に偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端（２次光源）を配置する代わりに、直線偏光を放射する半導体レーザ等の点光源を配置するようにしてもよい。また、レンズアレイ１０、１０1 〜１０4 の正レンズ１の稠密配置に関しては、図２のように正六角形の外形の正レンズ１を稠密に配置する場合以外に、図９（ａ）に示すように、正方形の外形の正レンズ１を例えば碁盤の目状に稠密に配置するようにしてもよく、あるいは、図９（ｂ）に示すように、円形外形の正レンズ１を俵積み状に配置してもよい。
【００４２】
次に、上記のような実施例の平行光源装置に本発明の均一化光学装置を適用した実施例を説明する。
【００４３】
図１０は、図１の実施例の平行光源装置３０の平行光３１出力側に本発明の１実施例の均一化光学装置４０を配置した場合の実施例の断面図である。ここで、平行光源装置３０からの平行光３１は、図１において説明したように、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２が隙間なく隣接してなるものであり、図１０においては、説明の分かりやすさから、１本の光線３１で示してあるが、均一化素子４１1 の入射面４４全体をカバーする太さの光束である。
【００４４】
ここで、あらためて座標を定義する。図１０に示すように、平行光源装置３０からの平行光３１が進む方向をＺ方向とし、それに直交し図１の面内の方向をＸ方向とし、紙面に垂直な方向をＹ方向とする。
【００４５】
この実施例の均一化光学装置４０は、同一構成の均一化素子４１1 と均一化素子４１2 を平行光３１の進行方向に沿って直列に接続したものであり、均一化素子４１2 は均一化素子４１1 に対してＺ軸の周りで９０°回転して（捩じって）配置されているものである。したがって、均一化素子４１1 の構成の説明から、均一化素子４１2 の構成と配置は明らかになる。
【００４６】
均一化素子４１1 は、図１０から明らかなように、Ｚ方向に対して直交する入射面４４と射出面４５の間に、Ｚ方向に対してＸ−Ｚ面内で法線が４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して全反射鏡４２1 と４２2 が配置され、その全反射鏡４２1 と４２2 の間であって入射面４４と射出面４５の間に、複数の半透過鏡４３1 〜４３3 が略均一の間隔で全反射鏡４２1 と４２2 に平行に配置されて構成されてなる。このような構成は、限定的ではないが、簡単には、透明な複数の平行平板の片面にそれぞれ半透過鏡４３1 〜４３3 を設けた複数の平行平板と１枚の透明な平行平板を密に重ね合わせて固定し（平行平板の屈折率は等しいとする。）、その積層体を両端で積層面に対して４５°の角度をなす２面の切断面で切り出すことによって作製することができる。その積層体の外側に露出している半透過鏡４３1 〜４３3 を設けない面が全反射面として全反射鏡４２1 と４２2 を構成し、２面の切断面が入射面４４と射出面４５を構成する。
【００４７】
このような構成の均一化素子４１1 をその入射面４４が平行光源装置３０からの平行光３１に対して垂直になるように配置すると、入射面４４から均一化素子４１1 内に入った平行光３１は、全反射鏡４２1 と４２2 との間の半透過鏡４３1 〜４３3 で部分透過と部分反射を受け、かつ、その両側では全反射鏡４２1 と４２2 で全反射を受けて光路がその間に制限されて、多重反射を全反射鏡４２1 と４２2 、及び、半透過鏡４３1 〜４３3 の間で繰り返しながら射出面４５に達するので、入射面４４の小さな１つの領域に達した光は射出面４５の全体に分配されることになり、結局入射面４４に入った平行光３１は射出面４５で平均化され均一化されることになる。
【００４８】
したがって、図１０の例の場合、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４に属する何れかの半導体レーザ３（図３）が劣化あるいは故障して発光強度が部分的に低下あるいはなくなっても、その光強度分布の不均一は均一化素子４１1 によりＸ方向に平均化され、そのような半導体レーザ３の部分的な劣化や故障に基づく光強度分布の不均一は均一化素子４１1 からの出力平行光５１中には生じないことになる。
【００４９】
また、均一化素子４１1 により入力平行光３１がＸ方向に平均化されるため、先に示したようなレンズアレイの間に配置ずれに伴う面内の光強度分布のバラツキも平均化されて小さくなるかなくなる。
【００５０】
ただし、均一化素子４１1 による均一化はＸ方向にしか行われないので、その平均化をＹ方向にも行わせるために、均一化素子４１1 からの出力平行光５１中にもう１つの均一化素子４１2 が配置されている。この均一化素子４１2 は、均一化素子４１1 と同じ構成で、均一化素子４１1 に対してＺ軸の周りで９０°回転して（捩じって）配置されているものであり、今度は同様にしてＹ方向に平均化される。そのため、入射側の均一化素子４１1 の入射面４４の１つの領域に達した光は、射出側の均一化素子４１2 の射出面４５の全体に２次元的に分配されることになり、そのため、均一化光学装置４０の入射側の均一化素子４１1 の入射面４４に入った平行光３１は、射出側の均一化素子４１2 の射出面４５から２次元的に平均化され均一化された出力平行光６１として射出する。
【００５１】
したがって、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４に属する何れかの半導体レーザ３（図３）が劣化あるいは故障して発光強度が部分的に低下あるいはなくなっても、その光強度分布の不均一は均一化光学装置４０により直交するＸ方向、Ｙ方向の両方向に平均化され、そのような半導体レーザ３の部分的な劣化や故障に基づく光強度分布の不均一は均一化光学装置４０からの出力平行光６１中には生じないことになる。また、先に示したようなレンズアレイの間に配置ずれに伴う面内の光強度分布のバラツキも平均化されて小さくなるかなくなる。
【００５２】
なお、均一化素子４１1 、４１2 の半透過鏡４３1 〜４３3 の枚数については、１枚以上でなるべく多い方が好ましいが、余り多いと吸収に基づく減衰が多くなるので、その点を考慮して決める。また、各半透過鏡４３1 〜４３3 の透過率（１−反射率）については、１０〜９０％の範囲内であればよい。なお、Ｘ方向に均一化する均一化素子４１1 とＹ方向に均一化する均一化素子４１2 における半透過鏡４３1 〜４３3 の枚数と透過率については、必ずしも同じである必要はない。
【００５３】
次に、図１０の場合と同様の均一化光学装置４０を図８の平行光源装置３０の平行光３１出力側に配置した場合の実施例の断面図を図１１に示す。この場合の平行光源装置３０からの平行光３１も、図８において説明したように、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２が隙間なく隣接してなるものであり、図１１においては、説明の分かりやすさから、１本の光線３１で示してあるが、均一化素子４１1 の入射面４４全体をカバーする太さの光束である。
【００５４】
この場合も、図１０の場合と同様に、均一化光学装置４０の入射側の均一化素子４１1 の入射面４４に入った平行光３１は、射出側の均一化素子４１2 の射出面４５から２次元的に平均化され均一化された出力平行光６１として射出する。
【００５５】
したがって、この場合も、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４に属する何れかの半導体レーザ３（図３）が劣化あるいは故障して発光強度が部分的に低下あるいはなくなっても、その光強度分布の不均一は均一化光学装置４０により直交するＸ方向、Ｙ方向の両方向に平均化され、そのような半導体レーザ３の部分的な劣化や故障に基づく光強度分布の不均一は均一化光学装置４０からの出力平行光６１中には生じないことになる。また、先に示したようなレンズアレイの間に配置ずれに伴う面内の光強度分布のバラツキも平均化されて小さくなるかなくなる。
【００５６】
以上、本発明の均一化光学装置とそれを用いた平行光源装置を実施例に基づいて説明してきたが、これら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の均一化光学装置を適用できる１実施例の平行光源装置の構成を示す断面図である。
【図２】レンズアレイの平面図である。
【図３】偏波保存型シングルモード光ファイバの入射端に半導体レーザが結合されている構成を説明するための模式的斜視図である。
【図４】第１偏光合成器、第２偏光合成器それぞれで合成された平行光に対するレンズアレイ相互の位置関係と合成光の強度分布を示す図である。
【図５】無偏光合成器で合成された平行光に対するレンズアレイ相互の位置関係と合成光の強度分布を示す図である。
【図６】図５の変形を示す同様の図である。
【図７】一方のレンズアレイの組み合わせに対する他方のレンズアレイの組み合わせのＸ方向へのずらし量と面内の光強度分布のバラツキの関係を示す図である。
【図８】図１の平行光源装置の変形例の構成を示す断面図である。
【図９】レンズアレイの変形例の平面図である。
【図１０】本発明の１実施例の均一化光学装置を図１の平行光源装置平行光出力側に配置した場合の実施例の断面図である。
【図１１】本発明の１実施例の均一化光学装置を図８の平行光源装置平行光出力側に配置した場合の実施例の断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…正レンズ
２…偏波保存型シングルモード光ファイバ
３…半導体レーザ
４…集光レンズ
５…偏波面
１０…レンズアレイ
１０1 …第１光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１０2 …第２光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１０3 …第３光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１０4 …第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１１…第１光ファイバコリメータアレイ
１２…第２光ファイバコリメータアレイ
１３…第３光ファイバコリメータアレイ
１４…第４光ファイバコリメータアレイ
１５…第１偏光合成器
１６…第２偏光合成器
１７…無偏光合成器
１８…反射プリズム
１９…第１合成平行光
２０…第２合成平行光
２１…第３合成平行光
２２…第４合成平行光
２５…偏光合成器
２６…無偏光合成器
３０…平行光源装置
３１…平行光源装置の出力平行光
４０…均一化光学装置
４１1 、４１2 …均一化素子
４２1 、４２2 …全反射鏡
４３1 、４３2 、４３3 …半透過鏡
４４…入射面
４５…射出面
５１…均一化素子からの出力平行光
６１…均一化光学装置からの出力平行光
Ａ…偏光合成面
Ｂ…偏光合成面
Ｃ…無偏光合成面
Ｄ…反射面
Ｅ…偏光合成面
Ｆ…無偏光合成面
Ｇ…反射面
Ｈ…反射面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均一化光学装置及びそれを用いた平行光源装置に関し、特に、均一な面内強度分布を持つ平行光を得るための均一化光学装置とそれを用いた平行光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、半導体露光用のレーザ光源は、ピグテイルモジュールを束ねた高出力かつ大口径光ファイバ束出力構造であり、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を利用したマスクレス露光機用光源として使用されている。ＤＭＤにその光源からの光を導入する際、光束は平行光である程露光面への照射効率（トータルとしての利用効率）が高いが、理想的な平行光を作るには、光ファイバ束出力端のビームスポットを限りなくゼロに近づける必要がある。光ファイバ束出力構造タイプの光源は、高出力である一方、ビームスポットサイズが大きく（例えば、６００μｍ）、平行光として取り出すことが困難であるため、光の利用効率が低くなってしまうという課題がある。光学系でその利用効率を上げるのに制限があるため、ピグテイルモジュールに用いている半導体レーザ個々の高出力化に頼らざるを得ないのが現状である。
【０００３】
また、露光制御の際、面内強度分布の平均化が必要となる。例えば光ファイバ束モジュールの場合、照明領域の中心部分の出力が高く、中心から離れるに従って光強度が減少する傾向を持つ。強度の低い部分は露光に寄与することができないので、有効面積が制限される。また、有効範囲内においても、面内強度が低い箇所に合わせて露光制御をするため、強度の高い部分を低い部分に合わせる必要があり、出力が低くなってしまう問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、平行光の面内強度分布を平均化して均一化する光学装置と、それを用いた平行光源装置であって、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等に利用可能で、面内強度分布の均一性が高く、平行度が高く、光の利用効率が高い平行光源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明の均一化光学装置は、入射光が進む方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交し相互に直交する方向をＸ方向とＹ方向とするとき、Ｚ方向に対して直交する入射面と射出面とを備え、Ｘ−Ｙ面及びＹ−Ｚ面に対して４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して２面の全反射鏡が配置され、その２面の全反射鏡の間であって入射面と射出面の間に単数又は複数の半透過鏡が相互に所定の間隔で全反射鏡に平行に配置されて構成されてなる均一化素子を備えてなることを特徴とするものである。
【０００６】
また、前記均一化素子の射出面側に第２の均一化素子を備えることができる。前記第２の均一化素子は、Ｘ−Ｙ面及びＹ−Ｚ面に対して４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して２面の全反射鏡が配置され、その２面の全反射鏡の間であって入射面と射出面の間に単数又は複数の半透過鏡が相互に所定の間隔で全反射鏡に平行に配置されて構成されてなるものとすることができる。
【０００７】
そして、このような本発明の均一化光学装置は、以下の（１）〜（６）のように配置して本発明の平行光源装置を構成することができる。
【０００８】
（１）稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている２つの光ファイバコリメータアレイを含み、一方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と他方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなる平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【０００９】
（２）稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている４つの光ファイバコリメータアレイを含み、その中の第１光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第２光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第４光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含む平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【００１０】
（３）正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される２つの光コリメータを含み、一方の光コリメータから射出される平行光と他方の光コリメータから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成され、前記一方の光コリメータと前記他方の光コリメータが相互にずれている平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【００１１】
（４）正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される４つの光コリメータを含み、その中の第１光コリメータから出射される平行光と第２光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータから出射される平行光と第４光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含み、前記第１光コリメータと前記第２光コリメータが相互にずれており、前記第３光コリメータと前記第４光コリメータが相互にずれている平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【００１２】
（５）稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される２つの光コリメータアレイを含み、一方の光コリメータアレイから射出される平行光と他方の光コリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなる平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【００１３】
（６）稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される４つの光コリメータアレイを含み、その中の第１光コリメータアレイから出射される平行光と第２光コリメータアレイから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータアレイから出射される平行光と第４光コリメータアレイから出射される平行先の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含む平行光源装置の平行光射出側に配置して、本発明の平行光源装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の均一化光学装置によると、入射する平行光の面内強度分布に不均一があっても、平均化され均一化された平行光として射出することができる。この均一化光学装置を平行光源装置の平行光射出側に配置することにより、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光源装置に適したものが得られる。例えばＤＭＤを利用したマスクレス露光機用光源として使用すると、露光時間の短縮を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の均一化光学装置及びそれを用いた平行光源装置を実施例に基づいて説明する。
【００１６】
まず、図１〜図９を用いて、本発明の均一化光学装置を適用可能な平行光源装置の実施例を説明する。
【００１７】
図１は、本発明の均一化光学装置を適用できる１実施例の平行光源装置の構成を示す断面図である。この平行光源装置は、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４と、第１光ファイバコリメータアレイ１１からの平行光と第２光ファイバコリメータアレイ１２からの平行光とを合成する第１偏光合成器１５と、第３光ファイバコリメータアレイ１３からの平行光と第４光ファイバコリメータアレイ１４からの平行光とを合成する第２偏光合成器１６と、第１偏光合成器１５で合成された第１合成平行光１９と第２偏光合成器１６で合成された第２合成平行光２０とを合成して第３合成平行光２１と第４合成平行光２２にする無偏光合成器１７と、無偏光合成器１７で合成された第４合成平行光２２を第３合成平行光２１と同じ方向に向ける反射プリズム１８とからなる。
【００１８】
ここで、まず、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４は同様の構成であるので、光ファイバコリメータアレイ１１を代表にあげてその構成を説明する。光ファイバコリメータアレイ１１は、図２に平面図を示すような同一特性の微小な正レンズ１を複数稠密にアレイ状に配置したレンズアレイ１０と、その正レンズ１の光軸上の焦点位置各々に射出端を配置したＰＡＮＤＡ型等の偏波保存型シングルモード光ファイバ２のアレイとからなり、レンズアレイ１０の個々の正レンズ１に対応して配置されている各偏波保存型シングルモード光ファイバ２の入射端には、図３に示すように、同一特性の半導体レーザ３からの両矢符方向に偏波面５を持つ発振光が偏波保存型シングルモード光ファイバ２の１つの偏波面保存方向に一致して入射結合するように、集光レンズ４を介して結合されている。
【００１９】
ここで、今後の説明のために、光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０の正レンズ１の形状と配置方向を説明しておく。図２に示すように、正レンズ１を稠密に配置しようとする場合、その外形は好ましくは光軸を中心とする正六角形になる。正レンズ１が列状に並ぶ方向をＸ方向、それに直交する方向をＹ方向とするとき、Ｘ方向に一列に並ぶ正レンズ１の列とＹ方向に隣接する隣の正レンズ１の列とでは正レンズ１の繰り返しピッチが半分ずれていることになる。
【００２０】
図１に戻って、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４のレンズアレイ１０のＹ方向は何れも図１の面に垂直に向いており、したがって、各レンズアレイ１０のＸ方向は図１の面に平行となっており、何れのレンズアレイ１０においても、正レンズ１は図１の面に平行に列状に並んでいる。
【００２１】
そして、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４それぞれにおいては、レンズアレイ１０の個々の偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端から出る光の偏波方向が、各光ファイバコリメータアレイ中で同じになるように配置されており、図１に示すように、第１ファイバコリメータアレイ１１においてはｐ偏光に、第２ファイバコリメータアレイ１２においてはｓ偏光に、第３ファイバコリメータアレイ１３においてはｐ偏光に、第４ファイバコリメータアレイ１４においてはｓ偏光になるように配置されている。
【００２２】
このような構成であるので、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４各々においては、アレイ状に配置された偏波保存型シングルモード光ファイバ２各々の射出端からｐ偏光又はｓ偏光のシングルモードで強度がガウス分布の発散光が射出され、おのおのの発散光はレンズアレイ１０の対応する正レンズ１で平行光に変換される。レンズアレイ１０の隣接した何れの正レンズ１からも同一方向（光軸方向）の平行光が射出されるため、それぞれ、第１ファイバコリメータアレイ１１からは全体でｐ偏光の平行光が、第２ファイバコリメータアレイ１２からは全体でｓ偏光の平行光が、第３ファイバコリメータアレイ１３からは全体でｐ偏光の平行光が、第４ファイバコリメータアレイ１４からは全体でｓ偏光の平行光が射出される。
【００２３】
そして、第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光と、第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光とは、図示のように相互に直交する方向に進み、第３ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と、第４ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とは、図示のように同様に相互に直交する方向に進むように、相互に直交する方向に向き、かつ、第１光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０と、第４光ファイバコリメータアレイ１４のレンズアレイ１０が略同一面に、また、第２光ファイバコリメータアレイ１２のレンズアレイ１０と、第３光ファイバコリメータアレイ１３のレンズアレイ１０が略同一面に位置するように配置されている。
【００２４】
第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光と第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光とが直交する位置に第１偏光合成器１５が配置され、第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とが直交する位置に第２偏光合成器１６が配置されている。第１偏光合成器１５と第２偏光合成器１６は、偏光ビームスプリッタープリズムのように、それぞれの４５°配置の偏光合成面Ａ、Ｂでｐ偏光を略１００％透過し、ｓ偏光を略１００％反射する特性を持つものである。したがって、第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光は第１偏光合成器１５の偏光合成面Ａを透過し、第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光はその偏光合成面Ａで反射され、両平行光は第１偏光合成器１５の偏光合成面Ａで合成されて第１合成平行光１９となる。また、第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光は第２偏光合成器１６の偏光合成面Ｂを透過し、第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光はその偏光合成面Ｂで反射され、両平行光は第２偏光合成器１６の偏光合成面Ｂで合成されて第２合成平行光２０となる。
【００２５】
そして、第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とが直交する位置に無偏光合成器１７が配置されている。この無偏光合成器１７は、通常のビームスプリッタープリズム又はハーフミラーのように、その４５°配置の無偏光合成面Ｃで、第１合成平行光１９、第２合成平行光２０の偏光状態に依存せずに、それらの略５０％の強度を反射し、残りの略５０％の強度を透過するものであり、したがって、無偏光合成面Ｃで第１合成平行光１９の略半分の強度が反射され、第２合成平行光２０の略半分の強度が無偏光合成面Ｃを透過してそれらの平行光は合成されて第３合成平行光２１となる。また、無偏光合成面Ｃを第１合成平行光１９の略半分の強度が透過し、第２合成平行光２０の略半分の強度が無偏光合成面Ｃで反射されてそれらの平行光は合成され、反射プリズム１８の反射面Ｄで第３合成平行光２１と同じ方向に反射されて第４合成平行光２２となる。第３合成平行光２１と第４合成平行光２２は同じ強度で同じ方向に隙間なく隣接しているので、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２を合わせて、平行度の高い平行光として、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光として用いることができる。しかも、第１偏光合成器１５、第２偏光合成器１６、無偏光合成器１７を反射あるいは透過した光は、最終的に全て平行光成分として利用されているので、光の利用効率が極めて高いものとなっている。しかも、正レンズ１の焦点に配置される光源は、偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端であるため、実質的に点光源であるので、合成平行光１９、２０、２１、２２の平行度は極めて高いものである。
【００２６】
ところで、このようにして得られる第１合成平行光１９、第２合成平行光２０、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２の並列合成平行光は、平均的に見れば面内強度が均一であり、合成平行光１９、２０だけでも、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光として用いることができる。しかしながら、上記したように、偏波保存型シングルモード光ファイバ２各々の射出端から発散される光は強度分布がガウス分布となっているので、レンズアレイ１０の正レンズ１のＮＡ（開口数）と偏波保存型シングルモード光ファイバ２のＮＡを合わせて効率的に射出光を利用しようとすると、レンズアレイ１０から出る平行光は、各正レンズ１中心に強度のガウス分布のピークがあり、その周辺に向かうにつれて強度が弱まっていき、レンズアレイ１０全面では正レンズ１の配列に対応したガウス分布が周期的に繰り返してなる強度分布の平行光であるので、局所的には強度分布は必ずしも均一であるとは言えない。
【００２７】
そこで、第１偏光合成器１５（偏光合成面Ａ）で第１光ファイバコリメータアレイ１１からの平行光と第２光ファイバコリメータアレイ１２からの平行光を合成するときに、及び、第２偏光合成器１６（偏光合成面Ｂ）で第３光ファイバコリメータアレイ１３からの平行光と第４光ファイバコリメータアレイ１４からの平行光を合成するときに、直交する２方向の中の少なくとも１つの方向、例えばＸ方向に強度分布を平均化して略均一になるようにし、次に、無偏光合成器１７で第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とを合成するときに、直交する２方向の中の別の１つの方向、例えばＹ方向に強度分布を平均化して面内全体で略均一になるようにすることができる。そのための構成を以下に説明する。
【００２８】
図４は、第１偏光合成器１５、第２偏光合成器１６それぞれで合成された平行光に対するレンズアレイ１０相互の位置関係と合成光の強度分布を示す図である。以後、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４のレンズアレイ１０をそれぞれ１０1 〜１０4 とする。
【００２９】
図２のように正レンズ１が稠密にアレイ状に配置されている場合に、正レンズ１のＸ方向の配列ピッチを２Ｍとすると、Ｙ方向の配列ピッチは（３／２）Ｌとなり、ＭとＬの間には、Ｍ＝（√３／２）Ｌの関係がある。ここで、Ｌは正レンズ１の正六角形の１辺の長さに相当する。この図２のような配列において、第１光ファイバコリメータアレイ１１（第３光ファイバコリメータアレイ１３）のレンズアレイ１０1 （１０3 ）と第２光ファイバコリメータアレイ１２（第４光ファイバコリメータアレイ１４）のレンズアレイ１０2 （１０4 ）との間にＸ方向にレンズ配列ピッチの１／２、すなわち、Ｍの配置ずれが発生するように、第１偏光合成器１５（第２偏光合成器１６）で第１光ファイバコリメータアレイ１１（第３光ファイバコリメータアレイ１３）と第２光ファイバコリメータアレイ１２（第４光ファイバコリメータアレイ１４）を合成するようにすると、図４の上方に分布曲線を示したように、第１合成平行光１９（第２合成平行光２０）のＸ方向の光強度分布は略均一になる。より具体的には、正レンズ１のＮＡと偏波保存型シングルモード光ファイバ２のＮＡを略一致させた場合、正レンズ１の中心を結ぶＸ方向の光強度分布のバラツキは略２％である。
【００３０】
しかしながら、第１合成平行光１９（第２合成平行光２０）のＹ方向の光強度分布は、図４の左方に分布曲線を示したように、Ｙ方向の配列ピッチと同じピッチで変化し、正レンズ１の中心位置に対応してピークを持つ繰り返し分布となる。
【００３１】
次に、図５に、無偏光合成器１７でこのようにＸ方向に平均化された第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とが合成された平行光に対するレンズアレイ１０1 〜１０4 相互の位置関係と合成光の強度分布を示す。第１光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０1 と第２光ファイバコリメータアレイ１２のレンズアレイ１０2 との間、及び、第３光ファイバコリメータアレイ１３のレンズアレイ１０3 と第４光ファイバコリメータアレイ１４のレンズアレイ１０4 との間は、上記のように、それぞれＸ方向にレンズ配列ピッチの半分のＭの配置ずれがあるが、Ｙ方向にはＹ方向の配列ピッチ（３／２）Ｌの半分、すなわち、（３／４）Ｌだけ、レンズアレイ１０1 （１０2 ）とレンズアレイ１０3 （１０4 ）の間がずれるように合成する。そして、図５の場合は、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせに対するレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせのＸ方向への繰り返しピッチの位相ずれが、Ｘ方向のレンズ配列ピッチ２Ｍの１／３、すなわち、（２／３）Ｍとなるように、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせ（第１合成平行光１９）とレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせ（第２合成平行光２０）とを合成するようにする。その場合の正レンズ１の中心を結ぶＸ方向の光強度分布のバラツキは図５の上方に分布曲線を示すようになり、上記の具体例においては略２％であり、また、Ｙ方向の光強度分布は図５の左方に分布曲線を示すように、平均化されて略均一になる。ここで、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせに対するレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせのＸ方向へのずらし量を横軸に、面内の光強度分布のバラツキΔＰ／Ｐmax を縦軸にとった図７から、上記の具体例においては、面内の光強度分布のバラツキは略６．５％であることが分かる。なお、ΔＰは、光強度分布の最大値をＰmax 、最小値をＰmin としたとき、ΔＰ＝Ｐmax −Ｐmin である。
【００３２】
図５の代わりに、図６に示すように、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせに対するレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせのＸ方向への繰り返しピッチの位相ずれを、Ｘ方向のレンズ配列ピッチ２Ｍの１／４、すなわち、（１／２）Ｍとなるように、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせ（第１合成平行光１９）とレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせ（第２合成平行光２０）とを合成するようにしてもよい。その場合の正レンズ１の中心を結ぶＸ方向の光強度分布のバラツキは図６の上方に分布曲線を示すようになり、上記の具体例においては略２％であり、また、Ｙ方向の光強度分布は図６の左方に分布曲線を示すように、平均化されて略均一になる。上記の具体例においては、面内の光強度分布のバラツキは、図７から略７．５％であることが分かり、図５の配置に比べてバラツキが若干大きくなるが、十分に平均化されていると言える。なお、その他の配置関係は図５の場合と同様である。
【００３３】
なお、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせに対するレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせのＸ方向へのずらし量をＸ方向のレンズ配列ピッチ２Ｍの１／６、すなわち、（１／３）Ｍの場合は、１／３、すなわち、（２／３）Ｍの場合と同様に、面内の光強度分布のバラツキは略６．５％であり、１／８、３／８、すなわち、（１／４）Ｍ、（３／４）Ｍの場合は、１／４、すなわち、（１／２）Ｍの場合と同様に、面内の光強度分布のバラツキは略７．５％であることが、図７から分かる。
【００３４】
このことから、レンズアレイ１０1 と１０2 の組み合わせに対するレンズアレイ１０3 と１０4 の組み合わせのＸ方向へのずらし量は、（１／４）Ｍ〜（３／４）Ｍの範囲にあれば、面内の光強度分布のバラツキは略７．５％以下になることが分かる。なお、図形の対称性から、（５／４）Ｍ〜（７／４）Ｍの範囲においても同様である。
【００３５】
次に、図８に、図１の平行光源装置の変形例の構成を示す断面図を示す。図１の実施例と異なるのは、第１偏光合成器１５と第２偏光合成器１６の代わりに、図の断面内の大きさが縦横略２倍の同様な構成の単一の偏光合成器２５を用いる点と、反射プリズム１８と無偏光合成器１７の代わりに、形状が異なり反射面の配置が異なる単一の無偏光合成器２６を用いる点である。この変形例を説明すると、図１の場合と同様に、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４を備え、各々の光ファイバコリメータアレイ１１〜１４の構成は図１の場合と同様であるが、第１光ファイバコリメータアレイ１１と第３光ファイバコリメータアレイ１３は、図８の面で隣接していてそれらのｐ偏光の射出平行光も隣接していて同一方向に射出されるようになっており、また、第２光ファイバコリメータアレイ１２と第４光ファイバコリメータアレイ１４も、図８の面で隣接していてそれらのｓ偏光の射出平行光も隣接していて同一方向に射出されるようになっており、かつ、第１光ファイバコリメータアレイ１１と第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と、第２光ファイバコリメータアレイ１２と第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とは、図示のように相互に直交する方向に進むように、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４が配置されている。そして、第１光ファイバコリメータアレイ１１のレンズアレイ１０と、第３光ファイバコリメータアレイ１３のレンズアレイ１０とが同一面で隣接するように、また、第２光ファイバコリメータアレイ１２のレンズアレイ１０と、第４光ファイバコリメータアレイ１４のレンズアレイ１０とが同一面で隣接するように、配置されている。
【００３６】
そして、第１光ファイバコリメータアレイ１１と第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光と、第２光ファイバコリメータアレイ１２と第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光とが直交する位置に、偏光合成面Ｅがそれら平行光に対して４５°の角度をなすように偏光合成器２５が配置されている。
【００３７】
そのため、第１光ファイバコリメータアレイ１１からのｐ偏光の平行光は偏光合成器２５の偏光合成面Ｅの片側を透過し、第２光ファイバコリメータアレイ１２からのｓ偏光の平行光は偏光合成面Ｅの同じ片側で反射され、両平行光は偏光合成面Ｅの片側で合成されて第１合成平行光１９となる。また、第３光ファイバコリメータアレイ１３からのｐ偏光の平行光は偏光合成器２５の偏光合成面Ｅの反対側の片側を透過し、第４光ファイバコリメータアレイ１４からのｓ偏光の平行光は偏光合成面Ｅの同じ片側で反射され、両平行光は偏光合成面Ｅの反対側の片側で合成されて第２合成平行光２０となる。
【００３８】
第１合成平行光１９と第２合成平行光２０とは、図示のように、相互に隣接して平行に出るので、その射出側に配置される無偏光合成器２６には、第２合成平行光２０が入射する位置に進行方向を９０°偏向する反射面Ｇが配置されている。また、第１合成平行光１９が入射する位置には、無偏光合成面Ｃと同様の無偏光合成面Ｆが配置され、さらに、無偏光合成面Ｆで反射された平行光の進行方向を９０°折り曲げて無偏光合成面Ｆに入射する平行光と同じ方向に向ける反射面Ｄと同様の反射面Ｈが配置されている。無偏光合成器２６のこれら反射面Ｇ、無偏光合成面Ｆ、反射面Ｈは相互に平行に配置されており、これらの面を透明プリズム中に一体に配置するように構成するのが望ましい。
【００３９】
無偏光合成器２６の反射面Ｇに入射した第２合成平行光２０は、９０°偏向されて無偏光合成面Ｆに入射し、その略５０％の強度が反射され、残りの略５０％の強度は透過する。また、無偏光合成面Ｆに入射した第１合成平行光１９も、その略５０％の強度が反射され、残りの略５０％の強度は透過する。したがって、無偏光合成面Ｆで第１合成平行光１９の略半分の強度が透過し、第２合成平行光２０の略半分の強度が反射されてそれらの平行光は合成されて第４合成平行光２２として無偏光合成器２６から射出する。また、無偏光合成面Ｆで第１合成平行光１９の略半分の強度が反射され、第２合成平行光２０の略半分の強度が透過してそれらの平行光は合成され、反射面Ｈで第３合成平行光２１と同じ方向に反射されて第３合成平行光２１となる。第３合成平行光２１と第４合成平行光２２は同じ強度で同じ方向に隙間なく隣接しているので、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２を合わせて、平行度の高い平行光として、投影装置、投影露光装置、マスクレス露光装置等の照明光として用いることができる。しかも、偏光合成器２５、無偏光合成器２６を反射あるいは透過した光は、最終的に全て平行光成分として利用されているので、光の利用効率が極めて高いものとなっている。しかも、正レンズ１の焦点に配置される光源は、偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端であるため、実質的に点光源であるので、合成平行光１９、２０、２１、２２の平行度は極めて高いものである。
【００４０】
この変形例においても、図５、図６に示したように、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４のレンズアレイ１０1 〜１０4 相互の位置関係を調節することにより、直交するＸ方向、Ｙ方向両方向において強度分布が平均化され略均一になった平行度が極めて高い平行光を得ることができる。
【００４１】
以上、本発明の均一化光学装置を適用可能な平行光源装置を実施例に基づいて説明してきたが、これら実施例に限定されず種々の変形が可能である。例えば、レンズアレイ１０、１０1 〜１０4 の正レンズ１の焦点位置各々に偏波保存型シングルモード光ファイバ２の射出端（２次光源）を配置する代わりに、直線偏光を放射する半導体レーザ等の点光源を配置するようにしてもよい。また、レンズアレイ１０、１０1 〜１０4 の正レンズ１の稠密配置に関しては、図２のように正六角形の外形の正レンズ１を稠密に配置する場合以外に、図９（ａ）に示すように、正方形の外形の正レンズ１を例えば碁盤の目状に稠密に配置するようにしてもよく、あるいは、図９（ｂ）に示すように、円形外形の正レンズ１を俵積み状に配置してもよい。
【００４２】
次に、上記のような実施例の平行光源装置に本発明の均一化光学装置を適用した実施例を説明する。
【００４３】
図１０は、図１の実施例の平行光源装置３０の平行光３１出力側に本発明の１実施例の均一化光学装置４０を配置した場合の実施例の断面図である。ここで、平行光源装置３０からの平行光３１は、図１において説明したように、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２が隙間なく隣接してなるものであり、図１０においては、説明の分かりやすさから、１本の光線３１で示してあるが、均一化素子４１1 の入射面４４全体をカバーする太さの光束である。
【００４４】
ここで、あらためて座標を定義する。図１０に示すように、平行光源装置３０からの平行光３１が進む方向をＺ方向とし、それに直交し図１の面内の方向をＸ方向とし、紙面に垂直な方向をＹ方向とする。
【００４５】
この実施例の均一化光学装置４０は、同一構成の均一化素子４１1 と均一化素子４１2 を平行光３１の進行方向に沿って直列に接続したものであり、均一化素子４１2 は均一化素子４１1 に対してＺ軸の周りで９０°回転して（捩じって）配置されているものである。したがって、均一化素子４１1 の構成の説明から、均一化素子４１2 の構成と配置は明らかになる。
【００４６】
均一化素子４１1 は、図１０から明らかなように、Ｚ方向に対して直交する入射面４４と射出面４５の間に、Ｚ方向に対してＸ−Ｚ面内で法線が４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して全反射鏡４２1 と４２2 が配置され、その全反射鏡４２1 と４２2 の間であって入射面４４と射出面４５の間に、複数の半透過鏡４３1 〜４３3 が略均一の間隔で全反射鏡４２1 と４２2 に平行に配置されて構成されてなる。このような構成は、限定的ではないが、簡単には、透明な複数の平行平板の片面にそれぞれ半透過鏡４３1 〜４３3 を設けた複数の平行平板と１枚の透明な平行平板を密に重ね合わせて固定し（平行平板の屈折率は等しいとする。）、その積層体を両端で積層面に対して４５°の角度をなす２面の切断面で切り出すことによって作製することができる。その積層体の外側に露出している半透過鏡４３1 〜４３3 を設けない面が全反射面として全反射鏡４２1 と４２2 を構成し、２面の切断面が入射面４４と射出面４５を構成する。
【００４７】
このような構成の均一化素子４１1 をその入射面４４が平行光源装置３０からの平行光３１に対して垂直になるように配置すると、入射面４４から均一化素子４１1 内に入った平行光３１は、全反射鏡４２1 と４２2 との間の半透過鏡４３1 〜４３3 で部分透過と部分反射を受け、かつ、その両側では全反射鏡４２1 と４２2 で全反射を受けて光路がその間に制限されて、多重反射を全反射鏡４２1 と４２2 、及び、半透過鏡４３1 〜４３3 の間で繰り返しながら射出面４５に達するので、入射面４４の小さな１つの領域に達した光は射出面４５の全体に分配されることになり、結局入射面４４に入った平行光３１は射出面４５で平均化され均一化されることになる。
【００４８】
したがって、図１０の例の場合、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４に属する何れかの半導体レーザ３（図３）が劣化あるいは故障して発光強度が部分的に低下あるいはなくなっても、その光強度分布の不均一は均一化素子４１1 によりＸ方向に平均化され、そのような半導体レーザ３の部分的な劣化や故障に基づく光強度分布の不均一は均一化素子４１1 からの出力平行光５１中には生じないことになる。
【００４９】
また、均一化素子４１1 により入力平行光３１がＸ方向に平均化されるため、先に示したようなレンズアレイの間に配置ずれに伴う面内の光強度分布のバラツキも平均化されて小さくなるかなくなる。
【００５０】
ただし、均一化素子４１1 による均一化はＸ方向にしか行われないので、その平均化をＹ方向にも行わせるために、均一化素子４１1 からの出力平行光５１中にもう１つの均一化素子４１2 が配置されている。この均一化素子４１2 は、均一化素子４１1 と同じ構成で、均一化素子４１1 に対してＺ軸の周りで９０°回転して（捩じって）配置されているものであり、今度は同様にしてＹ方向に平均化される。そのため、入射側の均一化素子４１1 の入射面４４の１つの領域に達した光は、射出側の均一化素子４１2 の射出面４５の全体に２次元的に分配されることになり、そのため、均一化光学装置４０の入射側の均一化素子４１1 の入射面４４に入った平行光３１は、射出側の均一化素子４１2 の射出面４５から２次元的に平均化され均一化された出力平行光６１として射出する。
【００５１】
したがって、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４に属する何れかの半導体レーザ３（図３）が劣化あるいは故障して発光強度が部分的に低下あるいはなくなっても、その光強度分布の不均一は均一化光学装置４０により直交するＸ方向、Ｙ方向の両方向に平均化され、そのような半導体レーザ３の部分的な劣化や故障に基づく光強度分布の不均一は均一化光学装置４０からの出力平行光６１中には生じないことになる。また、先に示したようなレンズアレイの間に配置ずれに伴う面内の光強度分布のバラツキも平均化されて小さくなるかなくなる。
【００５２】
なお、均一化素子４１1 、４１2 の半透過鏡４３1 〜４３3 の枚数については、１枚以上でなるべく多い方が好ましいが、余り多いと吸収に基づく減衰が多くなるので、その点を考慮して決める。また、各半透過鏡４３1 〜４３3 の透過率（１−反射率）については、１０〜９０％の範囲内であればよい。なお、Ｘ方向に均一化する均一化素子４１1 とＹ方向に均一化する均一化素子４１2 における半透過鏡４３1 〜４３3 の枚数と透過率については、必ずしも同じである必要はない。
【００５３】
次に、図１０の場合と同様の均一化光学装置４０を図８の平行光源装置３０の平行光３１出力側に配置した場合の実施例の断面図を図１１に示す。この場合の平行光源装置３０からの平行光３１も、図８において説明したように、第３合成平行光２１と第４合成平行光２２が隙間なく隣接してなるものであり、図１１においては、説明の分かりやすさから、１本の光線３１で示してあるが、均一化素子４１1 の入射面４４全体をカバーする太さの光束である。
【００５４】
この場合も、図１０の場合と同様に、均一化光学装置４０の入射側の均一化素子４１1 の入射面４４に入った平行光３１は、射出側の均一化素子４１2 の射出面４５から２次元的に平均化され均一化された出力平行光６１として射出する。
【００５５】
したがって、この場合も、第１〜第４光ファイバコリメータアレイ１１〜１４に属する何れかの半導体レーザ３（図３）が劣化あるいは故障して発光強度が部分的に低下あるいはなくなっても、その光強度分布の不均一は均一化光学装置４０により直交するＸ方向、Ｙ方向の両方向に平均化され、そのような半導体レーザ３の部分的な劣化や故障に基づく光強度分布の不均一は均一化光学装置４０からの出力平行光６１中には生じないことになる。また、先に示したようなレンズアレイの間に配置ずれに伴う面内の光強度分布のバラツキも平均化されて小さくなるかなくなる。
【００５６】
以上、本発明の均一化光学装置とそれを用いた平行光源装置を実施例に基づいて説明してきたが、これら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の均一化光学装置を適用できる１実施例の平行光源装置の構成を示す断面図である。
【図２】レンズアレイの平面図である。
【図３】偏波保存型シングルモード光ファイバの入射端に半導体レーザが結合されている構成を説明するための模式的斜視図である。
【図４】第１偏光合成器、第２偏光合成器それぞれで合成された平行光に対するレンズアレイ相互の位置関係と合成光の強度分布を示す図である。
【図５】無偏光合成器で合成された平行光に対するレンズアレイ相互の位置関係と合成光の強度分布を示す図である。
【図６】図５の変形を示す同様の図である。
【図７】一方のレンズアレイの組み合わせに対する他方のレンズアレイの組み合わせのＸ方向へのずらし量と面内の光強度分布のバラツキの関係を示す図である。
【図８】図１の平行光源装置の変形例の構成を示す断面図である。
【図９】レンズアレイの変形例の平面図である。
【図１０】本発明の１実施例の均一化光学装置を図１の平行光源装置平行光出力側に配置した場合の実施例の断面図である。
【図１１】本発明の１実施例の均一化光学装置を図８の平行光源装置平行光出力側に配置した場合の実施例の断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…正レンズ
２…偏波保存型シングルモード光ファイバ
３…半導体レーザ
４…集光レンズ
５…偏波面
１０…レンズアレイ
１０1 …第１光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１０2 …第２光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１０3 …第３光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１０4 …第４光ファイバコリメータアレイのレンズアレイ
１１…第１光ファイバコリメータアレイ
１２…第２光ファイバコリメータアレイ
１３…第３光ファイバコリメータアレイ
１４…第４光ファイバコリメータアレイ
１５…第１偏光合成器
１６…第２偏光合成器
１７…無偏光合成器
１８…反射プリズム
１９…第１合成平行光
２０…第２合成平行光
２１…第３合成平行光
２２…第４合成平行光
２５…偏光合成器
２６…無偏光合成器
３０…平行光源装置
３１…平行光源装置の出力平行光
４０…均一化光学装置
４１1 、４１2 …均一化素子
４２1 、４２2 …全反射鏡
４３1 、４３2 、４３3 …半透過鏡
４４…入射面
４５…射出面
５１…均一化素子からの出力平行光
６１…均一化光学装置からの出力平行光
Ａ…偏光合成面
Ｂ…偏光合成面
Ｃ…無偏光合成面
Ｄ…反射面
Ｅ…偏光合成面
Ｆ…無偏光合成面
Ｇ…反射面
Ｈ…反射面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光が進む方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交し相互に直交する方向をＸ方向とＹ方向とするとき、Ｚ方向に対して直交する入射面と射出面とを備え、Ｘ−Ｙ面及びＹ−Ｚ面に対して４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して２面の全反射鏡が配置され、その２面の全反射鏡の間であって入射面と射出面の間に単数又は複数の半透過鏡が相互に所定の間隔で全反射鏡に平行に配置されて構成されてなる均一化素子を備えてなることを特徴とする均一化光学装置。
【請求項２】
前記均一化素子の射出面側に第２の均一化素子を備えており、前記第２の均一化素子は、Ｘ−Ｙ面及びＹ−Ｚ面に対して４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して２面の全反射鏡が配置され、その２面の全反射鏡の間であって入射面と射出面の間に単数又は複数の半透過鏡が相互に所定の間隔で全反射鏡に平行に配置されて構成されてなることを特徴とする請求項１記載の均一化光学装置。
【請求項３】
稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている２つの光ファイバコリメータアレイを含み、一方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と他方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなる平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【請求項４】
稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている４つの光ファイバコリメータアレイを含み、その中の第１光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第２光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第４光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含む平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【請求項５】
正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される２つの光コリメータを含み、一方の光コリメータから射出される平行光と他方の光コリメータから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成され、前記一方の光コリメータと前記他方の光コリメータが相互にずれている平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【請求項６】
正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される４つの光コリメータを含み、その中の第１光コリメータから出射される平行光と第２光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータから出射される平行光と第４光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含み、前記第１光コリメータと前記第２光コリメータが相互にずれており、前記第３光コリメータと前記第４光コリメータが相互にずれている平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【請求項７】
稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される２つの光コリメータアレイを含み、一方の光コリメータアレイから射出される平行光と他方の光コリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなる平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【請求項８】
稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される４つの光コリメータアレイを含み、その中の第１光コリメータアレイから出射される平行光と第２光コリメータアレイから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータアレイから出射される平行光と第４光コリメータアレイから出射される平行先の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含む平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【請求項１】
入射光が進む方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交し相互に直交する方向をＸ方向とＹ方向とするとき、Ｚ方向に対して直交する入射面と射出面とを備え、Ｘ−Ｙ面及びＹ−Ｚ面に対して４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して２面の全反射鏡が配置され、その２面の全反射鏡の間であって入射面と射出面の間に単数又は複数の半透過鏡が相互に所定の間隔で全反射鏡に平行に配置されて構成されてなる均一化素子を備えてなることを特徴とする均一化光学装置。
【請求項２】
前記均一化素子の射出面側に第２の均一化素子を備えており、前記第２の均一化素子は、Ｘ−Ｙ面及びＹ−Ｚ面に対して４５°の角度をなすように、相互に平行に離間して２面の全反射鏡が配置され、その２面の全反射鏡の間であって入射面と射出面の間に単数又は複数の半透過鏡が相互に所定の間隔で全反射鏡に平行に配置されて構成されてなることを特徴とする請求項１記載の均一化光学装置。
【請求項３】
稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている２つの光ファイバコリメータアレイを含み、一方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と他方の光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなる平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【請求項４】
稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に射出端を配置した偏波保存型シングルモード光ファイバとからなり、その偏波保存型シングルモード光ファイバ各々の入射端に偏光した光が結合され、その射出端の偏光方向が全て同じ方向を向いている４つの光ファイバコリメータアレイを含み、その中の第１光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第２光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光ファイバコリメータアレイから射出される平行光と第４光ファイバコリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように選ばれ、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含む平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【請求項５】
正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される２つの光コリメータを含み、一方の光コリメータから射出される平行光と他方の光コリメータから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成され、前記一方の光コリメータと前記他方の光コリメータが相互にずれている平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【請求項６】
正レンズと、その正レンズの焦点に光源を有し、前記光源から前記正レンズに直線偏光が入射される４つの光コリメータを含み、その中の第１光コリメータから出射される平行光と第２光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータから出射される平行光と第４光コリメータから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含み、前記第１光コリメータと前記第２光コリメータが相互にずれており、前記第３光コリメータと前記第４光コリメータが相互にずれている平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【請求項７】
稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される２つの光コリメータアレイを含み、一方の光コリメータアレイから射出される平行光と他方の光コリメータアレイから射出される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光が偏光合成器により合成されるように構成されてなる平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【請求項８】
稠密配置した正レンズのレンズアレイと、その正レンズの焦点各々に光源を有し、前記光源から偏光方向が全て同じ方向を向いている光が入射される４つの光コリメータアレイを含み、その中の第１光コリメータアレイから出射される平行光と第２光コリメータアレイから出射される平行光の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第１合成平行光とする第１偏光合成器を備え、第３光コリメータアレイから出射される平行光と第４光コリメータアレイから出射される平行先の偏光方向が相互に直交するように配置され、両平行光を合成して第２合成平行光とする第２偏光合成器を備え、前記第１合成平行光の一部を透過させ前記第２合成平行光の一部を反射させて両平行光を合成して第３合成平行光とし、前記第１合成平行光の残りの一部を反射させ前記第２合成平行光の残りの一部を透過させて両平行光を合成して第４合成平行光とする無偏光合成器を備え、前記第３合成平行光と前記第４合成平行光を隣接して同じ方向に進む平行光にする偏向手段を含む平行光源装置の平行光射出側に請求項１又は２記載の均一化光学装置が配置されてなることを特徴とする平行光源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−３０１２３４（Ｐ２００６−３０１２３４Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１２１９３３（Ｐ２００５−１２１９３３）
【出願日】平成１７年４月２０日（２００５．４．２０）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月２０日（２００５．４．２０）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
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