專利名稱：照明光學(xué)系統(tǒng)及配備該光學(xué)系統(tǒng)的激光器處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于玻璃襯底等的退火處理中的照明光學(xué)系統(tǒng)及裝備該光學(xué)系統(tǒng)的激光器處理裝置。
相關(guān)技術(shù)的說明原來，已知有通過對非晶硅膜照射激光來結(jié)晶的技術(shù)。為通過注入雜質(zhì)離子恢復(fù)受損的硅膜的結(jié)晶性和活化注入的雜質(zhì)離子而照射激光的技術(shù)是公知的。這項技術(shù)被稱為激光退火技術(shù)。
激光退火技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對襯底幾乎沒有熱損傷。此項技術(shù)的特征在于，有利于例如在玻璃等耐熱性低的襯底上形成半導(dǎo)體元件。
近年來，液晶顯示元件、特別是大型的動畫用液晶顯示元件中，由于成本問題和要求大面積化，希望將玻璃襯底用作襯底。因此，若使用激光退火法，將耐熱性低的玻璃用作襯底的情況下，也幾乎不對玻璃襯底產(chǎn)生熱損傷。因此，即便使用玻璃襯底也可制作使用結(jié)晶硅膜的薄膜晶體管等的半導(dǎo)體元件。這樣，將來期望將激光退火法用于在玻璃襯底上制作半導(dǎo)體電路的技術(shù)。
形成半導(dǎo)體電路等的玻璃襯底多具有比較大的面積。與此相反，激光在從光源射出后的狀態(tài)下，束照射面積小。因此，將束形狀加工為方形和線狀，可進(jìn)行規(guī)定區(qū)域的掃描。例如，與其長邊方向垂直地移動線狀的束，對玻璃襯底進(jìn)行掃描。這樣，比較短時間內(nèi)可對整個襯底進(jìn)行退火。
制作這樣的激光退火中使用的線狀束的光學(xué)系統(tǒng)公開在例如特開平10-244392號公報。特開平10-244392號公報中，使用叫作均化器(homogenizer)的光學(xué)系統(tǒng)將激光束變換為線狀束。均化器中要求制作具有非常高的均勻性的照度和形狀的線狀束。該公報中，多個柱狀透鏡構(gòu)成的多柱狀透鏡系統(tǒng)用作均化裝置(homogenesis)。并且均化裝置在束照度均勻性中具有中心作用。
多柱狀透鏡系統(tǒng)是沿著具有折射力的方向?qū)㈤L方形狀的各柱狀透鏡排列成一列的透鏡系統(tǒng)。與通常的均勻照明時使用的光斑(フラィァィ)透鏡一樣，入射到多柱狀透鏡系統(tǒng)的光束由各柱狀透鏡分割，會聚為線狀。其結(jié)果形成與柱狀透鏡數(shù)相等的數(shù)目的線狀像。該線狀像成為新的多個2次線光源，通過透鏡(其他的柱狀透鏡)照射試件。試件的照射面上來自多個2次線光源的光重合并均勻化。這樣，多柱狀透鏡系統(tǒng)排列的方向(具有折射力的方向)的照度分布變均勻。
特開平10-244392號公報中，不僅線狀束的長邊方向，為使其寬度方向照度也均勻，使用2個多柱狀透鏡系統(tǒng)。
但是，如上述公報公開的那樣，使用柱狀透鏡有以下的問題。柱狀透鏡與通常的球面透鏡相比加工困難，并且制造成本增加。形狀加工的精度與通常的球面透鏡相比也非常低。因此，考慮實際的裝置制造，多使用柱狀透鏡的光學(xué)系統(tǒng)除制造成本增加外，從加工精度這一點(diǎn)考慮，也不能滿足高的要求性能。
如上所述，隨著大型液晶顯示器的需要增加，掃描區(qū)域面積大型化。因此，線狀束的長要求更長。這里束線寬保持恒定，束的長邊方向長度變長時，照射面積增大。因此每單位面積的能量密度減小。其結(jié)果在試件上照射束時，加熱到退火需要的溫度變困難。從而，為提高試件照射時的能量密度，不僅需要束的長邊方向的長度加長，而且需要其束線寬變細(xì)。
需要細(xì)的線寬的束的其他理由如下所述。原來，作為激光器光源多使用輸出功率大的受激準(zhǔn)分子激光器。但是，受激準(zhǔn)分子激光器昂貴、裝置自身大型。因此，希望方便地使用廉價、小型并且容易安裝的固體激光器或YAG激光器作為光源。該固體激光器或YAG激光器與受激準(zhǔn)分子激光器相比，輸出能量低。從而為了增加照射面的能量密度，需要以較細(xì)的線寬的束來會聚光。這樣，不僅束的長邊方向的長度加長，而且其束線寬也要變細(xì)。
如上所述，隨著對細(xì)的線寬的線狀束的需要，為實現(xiàn)這一點(diǎn)，需要在線狀束的長邊方向上具有高的成像性能的光學(xué)系統(tǒng)。從要求這種成像性能的立場看，上述的特開平10-244392號公報公開的光學(xué)系統(tǒng)不十分理想。
特開平10-244392號公報中，如上所述，使用2個具有多個長方形狀的柱狀透鏡的多柱狀透鏡系統(tǒng)。并且，接著多柱狀透鏡系統(tǒng)的一般叫作會聚透鏡的光學(xué)系統(tǒng)也由多柱狀透鏡系統(tǒng)構(gòu)成。
這樣，用柱狀透鏡組構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)，束長邊方向和短邊方向以不同功率配置來構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)，在制作長方形(線狀)束時，設(shè)計者容易直觀理解，認(rèn)為是有效的設(shè)計方法。
但是，組合功率的方向不同的柱狀透鏡的光學(xué)系統(tǒng)中，入射平行光束時，出現(xiàn)在與各柱狀透鏡的功率方向不同的方向上行進(jìn)的光線。該光線的像差不能容易地由簡單組合正交的功率的光學(xué)系統(tǒng)來修正。因此，實際上，在以光學(xué)系統(tǒng)的像差高水平進(jìn)行修正為目的的情況下，該設(shè)計方法不好。
例如，假定僅僅是具有圓形的截面的平行光束。接著，配置具有負(fù)(凹)的功率的第一柱狀透鏡、在該第一柱狀透鏡的后面(像側(cè))上在與第一柱狀透鏡的功率方向正交的方向上具有正(凸)的功率的第二柱狀透鏡。并且，考慮將上述平行光束入射到第一和第二柱狀透鏡，會聚為線狀的情況。
此時，首先通過具有負(fù)功率的第一柱狀透鏡，光束僅在一個方向上發(fā)散。接著通過具有正功率的第二柱狀透鏡，該發(fā)散光在與發(fā)散方向垂直的方向上會聚。這里，從負(fù)的第一柱狀透鏡射出的發(fā)散光中發(fā)散中心部的光入射到正的第二柱狀透鏡時，相對第二柱狀透鏡的母線垂直地入射。另一方面，從第一柱狀透鏡射出的發(fā)散光中發(fā)散方向周圍部分的光相對第二柱狀透鏡的母線傾斜地入射。
其結(jié)果，從負(fù)的第一柱狀透鏡射出的發(fā)散光的發(fā)散方向中心部的光和周圍部分的光入射到正的第二柱狀透鏡后，光的會聚位置不同。其結(jié)果在成像為線狀時，線狀中心部和周圍部分的線寬不同。因此，柱狀透鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)中需要對這樣的柱狀透鏡特有的像差進(jìn)行修正。
對于上述的柱狀透鏡特有的像差，一般的光學(xué)設(shè)計者不習(xí)慣。上述光線的振動不僅僅在包含束短邊(短軸)方向的面和包含長邊方向(長軸)方向的面上表現(xiàn)。僅僅具有正交的功率的柱狀透鏡的組合靠修正柱狀透鏡特有的像差是困難的。假設(shè)預(yù)想可修正該像差，也需要非常多的柱狀透鏡。
如以上說明，加工更細(xì)的線寬的線狀束時，從光學(xué)設(shè)計方式的立場看，不希望使用多個正交的柱狀透鏡的光學(xué)系統(tǒng)。
特開平10-244392號公報中公開的光學(xué)系統(tǒng)中，是確保束短邊方向的照度均勻性的結(jié)構(gòu)。但是，考慮加工細(xì)的線寬的線狀束，由于下面的理由，也不希望是該結(jié)構(gòu)。
首先，說明線寬方向的照度均勻性的必要性。線寬方向的照度均勻性提高時，在線狀束的掃描速度提高時有效。線狀束的掃描方向的線寬寬時，線狀束的掃描速度加快了，線狀束通過襯底試件上的單位面積的試件加長。因此，襯底試件上的線狀束照射時間在結(jié)晶等反應(yīng)中充分。這樣，線狀束線寬越寬，越能可提高掃描速度，因此能夠縮短退火工序中的時間。
但是，線狀束的照度均勻性低時，束寬的周圍部分中能量降低。因此，掃描線狀束時，在線狀束的周圍有時不引起退火反應(yīng)。此時，由于與細(xì)的線寬的線狀束掃描等效，不能提高掃描速度。
如上所述，近年來，要求更大面積的液晶顯示元件(顯示器)。因此，希望加速液晶顯示元件的制造工序、加工更寬面積的襯底的技術(shù)。如上所述，由于線狀束的線寬變細(xì)，期望進(jìn)行高度像差修正。另外，進(jìn)行加工高度像差修正的線寬的細(xì)線狀束和在線狀束的短邊(線寬)方向上得到高的照度均勻性二者兼得是困難的。從而希望擁有在線狀束的長邊方向上提高照度均勻性以及在線狀束的短邊方向上減小線寬的光學(xué)性能的特性的光學(xué)系統(tǒng)。從該觀點(diǎn)看，在特開平10-244392號公報中公開的光學(xué)系統(tǒng)也是不夠的。
掃描非常寬的范圍照射激光的光學(xué)系統(tǒng)中，照射側(cè)的光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(NA)增大困難、因此，衍射產(chǎn)生影響，僅僅通過幾何光學(xué)考察，不能充分解析線狀像的照度均勻性。上述的光學(xué)系統(tǒng)中，為提高線狀束的短邊方向的照度均勻性，使用多柱狀透鏡系統(tǒng)。該透鏡系統(tǒng)的功能如已經(jīng)說明的那樣，將來自光源的束在線寬方向分割，該分割的束形成的線狀像在被照射面上重合。因此，當(dāng)被照射面的線狀像的線寬變細(xì)時，線狀像的重合精度需要比線狀像寬小。即，由于要求的線寬變細(xì)，線狀像的重合精度也要求很高。由此，考慮激光器處理裝置的制造，即使多少犧牲被照射面的線狀像的照度分布的均勻性，也希望減少束的分割數(shù)。此時，若稍稍降低退火加工的速度，由于可降低線狀像的線寬方向的照度均勻性，可減少束的分割數(shù)，從裝置制造的立場看，是所希望的。
本發(fā)明鑒于上述問題而作出，目的是提供一種具有優(yōu)良的成像性能、照度均勻性良好、可照射窄的線寬和大的寬高比的線狀束的照明光學(xué)系統(tǒng)以及低成本、制造容易的可高速處理大面積的激光器處理裝置。
發(fā)明概述為解決上述問題，本發(fā)明中，提供一種照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括擴(kuò)大來自激光器光源1的照射束的直徑的未聚焦的束擴(kuò)展系統(tǒng)2、至少在大致與第一方向x正交的第二方向y上具有折射力并將來自上述束擴(kuò)展系統(tǒng)2的照射束成像為在上述第一方向x上具有長邊方向的線狀束的線狀束形成透鏡系統(tǒng)3、具有沿著上述第一方向x排列的多個要素透鏡EL11、EL12、EL13、EL21、EL22、EL23的透鏡陣列4、將上述線狀束的上述各要素透鏡EL11、EL12、EL13、EL21、EL22、EL23每一個像重合照射在被處理面12上的會聚光學(xué)系統(tǒng)5。
本發(fā)明的實施例中，上述線狀束形成透鏡系統(tǒng)3是在上述第二方向y上具有正的折射力的柱狀透鏡3。
本發(fā)明的實施例中，可沿著光軸AX移動上述柱狀透鏡和3上述透鏡陣列4以及上述會聚光學(xué)系統(tǒng)5中的至少之一。
本發(fā)明的實施例中，上述透鏡陣列4至少具有第一分陣列部LA1和第二分陣列部LA2，上述要素透鏡EL11、EL12、EL13、EL21、EL22、EL23是旋轉(zhuǎn)對稱的透鏡，上述第一分陣列部LA1和上述第二分陣列部LA2排列成上述各分陣列部LA1、LA2的對應(yīng)的上述各要素透鏡EL11和EL21、EL12和EL22、EL13和EL23的光軸AX11和AX12，AX，AX13和AX23大致一致。
本發(fā)明的實施例中，上述會聚光學(xué)系統(tǒng)5在上述被處理面I2側(cè)上具有在上述第二方向y上具有正的折射力的其他的柱狀透鏡7。
本發(fā)明提供一種激光器處理裝置，包括提供激光的激光器光源1、權(quán)利要求1到權(quán)利要求5的任意一項的照明光學(xué)系統(tǒng)、相對移動上述被處理面I2和上述照射的線狀束的掃描移動部6。
本發(fā)明的實施例中，本發(fā)明提供一種照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括將來自激光器光源101的照射束相對第一方向(x方向)分割為多個照射束并在規(guī)定面I101上重合的棱鏡部件103、至少在與上述第一方向(x方向)大致正交的第二方向(y方向)上具有折射力并且將上述分割的多個照射束成像為在上述第一方向(x方向)上具有長邊方向的線狀束的線狀束形成透鏡系統(tǒng)104、將上述線狀束在上述第一方向(x方向)上擴(kuò)大并照射在被處理面I102上的擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105。
本發(fā)明的實施例中，上述棱鏡部件103是梯形棱鏡103，該梯形棱鏡103分割的上述多個照射束重合的上述規(guī)定面I101的位置和上述線狀束形成系統(tǒng)104的上述第二方向(y方向)的焦點(diǎn)位置I101，I112大致一致。
本發(fā)明的實施例中，上述擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105是相對光軸AX旋轉(zhuǎn)對稱的光學(xué)系統(tǒng)。
本發(fā)明的實施例中，上述線狀束形成系統(tǒng)104是在上述第二方向(y方向)上具有正的折射力的第一柱狀透鏡104。
本發(fā)明的實施例中，上述擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105在上述被處理面I102側(cè)上包括在上述第二方向(y方向)上具有正的折射力的第二柱狀透鏡107。
本發(fā)明的實施例中，可沿著上述光軸AX移動上述第一柱狀透鏡104和上述第二柱狀透鏡107中的至少之一。
本發(fā)明的實施例中，還具有將來自上述激光器光源101的照射束直徑在上述第一方向(x方向)上進(jìn)行比上述第二方向(y方向)更大地擴(kuò)大的束擴(kuò)展系統(tǒng)102。
本發(fā)明提供一種激光器處理裝置，其特征在于包括提供激光的激光器光源101、權(quán)利要求1到權(quán)利要求7的任意一項的照明光學(xué)系統(tǒng)、相對移動上述被處理面I102上的線狀束和上述被處理面I102的掃描移動部106。
說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的解決上述問題的裝置項中，為容易理解本發(fā)明，使用本發(fā)明的實施例的圖，但這并非將本發(fā)明限制于實施例。
如上說明，根據(jù)本發(fā)明，提供一種具有優(yōu)良的成像性能、照度均勻性良好、可照射窄的線寬和大的寬高比的線狀束的照明光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，可提供低成本、制造容易、可高速處理大面積的激光器處理裝置。
附圖簡述圖1A和圖1B是表示第一實施例的激光器處理裝置的簡略結(jié)構(gòu)的圖；圖2A和圖2B是表示第二實施例的激光器處理裝置的簡略結(jié)構(gòu)的圖；圖3是表示透鏡陣列的結(jié)構(gòu)的圖；圖4A和圖4B是表示第三實施例的激光器處理裝置的簡略結(jié)構(gòu)的圖；圖5A和圖5B是表示第四實施例的激光器處理裝置的簡略結(jié)構(gòu)的圖；圖6A～E是說明重合效果的圖；圖7是表示束擴(kuò)展器的結(jié)構(gòu)的圖；圖8A和圖8B是說明束的截面形狀變換的圖。
本發(fā)明的具體說明下面基于


本發(fā)明的實施例。
(第一實施例)圖1A和圖1B是表示第一實施例的激光器處理裝置的簡略結(jié)構(gòu)的圖。從固體激光器1射出的截面為大致圓形的激光束由未聚焦的束擴(kuò)展器2擴(kuò)大光束直徑，變換為直徑大的準(zhǔn)直光。準(zhǔn)直光L入射到柱狀透鏡3。柱狀透鏡3在x方向不具有折射力(非功率面)、在與該x方向大致正交的y方向上具有正的折射力。因此，透過柱狀透鏡3的光會聚成在中間成像面I1上以x方向為長邊方向的線狀。
這里，從固體激光器1射出的截面為大致圓形的激光束的強(qiáng)度分布具有高斯分布。并且，用柱狀透鏡3將圓形束變換為線狀像，從而線狀像的中心部分的照度加強(qiáng)，周圍部分的照度降低。這樣，中間成像面I1上形成的線狀像是在x方向上具有照度分布的不均勻的線狀像。
中間成像面I1的最終像側(cè)上設(shè)置具有第一分陣列部LA1和第二分陣列部LA2構(gòu)成的透鏡陣列4。圖3是表示透鏡陣列4的結(jié)構(gòu)的圖。這里，由于第一分陣列部LA1和第二分陣列部LA2的結(jié)構(gòu)相同，以第一分陣列部LA1為例說明，省略重復(fù)說明，第一分陣列部LA1具有多個要素透鏡EL11、EL12、EL13。各個要素透鏡EL11等是相對其光軸AX11等的旋轉(zhuǎn)對稱的形狀。這些各個要素透鏡EL11等沿著柱狀透鏡3具有折射力的x方向排列成一列。
第一分陣列部LA1和第二分陣列部LA2配置成第一分陣列部LA1的要素透鏡EL11的光軸AX11和第二分陣列部LA2的對應(yīng)的要素透鏡EL21的光軸AX21一致。其他的要素透鏡EL12等也同樣。
返回到圖1A和圖1B，透鏡陣列4的像側(cè)配置會聚透鏡5。透鏡陣列4和會聚透鏡5構(gòu)成成像系統(tǒng)。通過該成像系統(tǒng)，柱狀透鏡3在中間成像面I1上形成的線狀像在玻璃襯底G上的被照射面(被處理面)I2上成像。即，柱狀透鏡3形成的線狀像的位置與被照射面12的位置共軛。
透鏡陣列4和會聚透鏡5構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)是成像系統(tǒng)，并且具有將柱狀透鏡3形成的中間成像面I1上的照度不均勻的線狀像變換成在作為最終像面的被照射面I2中具有均勻的照度分布的線狀像的作用。被照射面12中，形成均勻照度分布的線狀像的原理與進(jìn)行上述的一般均勻照明時使用的光斑透鏡原理相同。即，透鏡陣列4分割來自柱狀透鏡3形成的面I1上的線狀像的光。本實施例中，用3個要素透鏡EL11、EL12、EL13進(jìn)行三分割。并且，分割的線狀像由會聚透鏡5在被照射面12上重合成像。其結(jié)果，通過對應(yīng)各要素透鏡平均各個線狀像的效果，可得到均勻照度的線狀像。
接著，以圖1A和圖1B為基礎(chǔ)詳細(xì)說明通過該重合產(chǎn)生的照度均勻化。
如圖1A所示，在柱狀透鏡3不具有折射力的x方向上，平行光束L入射到透鏡陣列4。并且，對應(yīng)各要素透鏡會聚到會聚位置P1，P2，P3。如圖1B所示，在柱狀透鏡3具有折射力的y方向上，配置成柱狀透鏡3的焦點(diǎn)位置與透鏡陣列4的焦點(diǎn)位置大致一致。這樣，柱狀透鏡3會聚稱線狀的光由透鏡陣列4變換成未聚焦的平行光束并射出。從圖1A和圖1B可知，在會聚位置P1，P2，P3會聚成線狀的光分別形成新的線光源。之后，來自這些線光源的光經(jīng)過會聚透鏡5重合在玻璃襯底G上的被照射面I2上的相同位置處，形成線狀像。
被照射面I2上的線狀像的照度分布與由透鏡陣列4的要素透鏡EL11等進(jìn)行三分割的光的照度分布重合。例如，透過要素透鏡EL11和EL21的光在被照射面I2上形成的線狀像是將柱狀透鏡3在中間成像面I1上形成的線狀像進(jìn)行三分割時的1/3部分L1的像。透過光軸AX上的要素透鏡EL12和EL22的光在被照射面I2上形成的線狀像是將柱狀透鏡3在中間成像面I1上形成的線狀像進(jìn)行三分割時的1/3部分L2的像。要素透鏡EL13和EL23的光在被照射面I2上形成的線狀像是將柱狀透鏡3在中間成像面I1上形成的線狀像進(jìn)行三分割時的1/3部分L3的像。因此，由透鏡陣列4三分割的光在被照射面I2上形成的線狀像的照度分布是光束L1，L2，L3具有的彼此不同的照度分布的重合。
柱狀透鏡3在中間成像面I1上形成的線狀像的照度分布與光軸AX對稱。因此，如圖1A所示，將線狀像進(jìn)行三分割時，遠(yuǎn)離透鏡陣列4的光軸AX的兩端的2個要素透鏡EL11，EL13形成的線狀像的照度分布是彼此反對稱的照度分布。因此，三分割的3個線狀像在被照射面I2上重合時，照度分布被均勻化，可得到非常高的均勻性的照度分布。
本實施例中，表示出要素透鏡為3的情況，但即使在2個的情況下，也得到同樣的效果。要素透鏡的個數(shù)增多，束的分割數(shù)增多，平均化的效果提高，形成均勻的照度分布的線狀像。
接著，說明形成具有更細(xì)的線寬的線狀像需要的成像性能(像差)。
將柱狀透鏡3形成的線狀像由透鏡陣列4和會聚透鏡5構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)在被照射面12上成像。因此，各像差的產(chǎn)生源是柱狀透鏡3、透鏡陣列4和會聚透鏡5。
其中，入射到柱狀透鏡3的光是平行光，其入射方向也是一個方向的，因此該柱狀透鏡3產(chǎn)生的像差僅相當(dāng)于球面像差。從而柱狀透鏡3的像差修正如通常的軸對稱光學(xué)系統(tǒng)一樣，通過組合正負(fù)(凹凸)2個柱狀透鏡，可容易進(jìn)行修正。
接著，對于透鏡陣列4和會聚透鏡5構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，如上所述進(jìn)行成像。因此，該成像光學(xué)系統(tǒng)整體必須進(jìn)行像差修正。并且，進(jìn)行該成像光學(xué)系統(tǒng)整體的像差修正時，透鏡陣列4產(chǎn)生的像差成為問題。
如上所述，透鏡陣列4實現(xiàn)與均勻照明時使用的光斑透鏡的功能相同的功能。并且，如通常的光斑透鏡一樣，各個要素透鏡可由一個單透鏡成分構(gòu)成。因此，在透鏡陣列4的要素透鏡EL11等由一個單透鏡成分構(gòu)成時，該透鏡產(chǎn)生大的像差。從而，試著用會聚透鏡5修正該透鏡陣列4產(chǎn)生的像差。但是，排列成一列的各要素透鏡EL11等的像差同時修正是非常困難的。從圖1A可知，從透鏡陣列4射出的光成像成線狀并入射到會聚透鏡5中。之后，透鏡陣列4的各個要素透鏡射出的光從不同高度射向會聚透鏡5。然而，各要素透鏡產(chǎn)生的像差的形狀相同，因此需要在會聚透鏡5中通過不同光路的光修正相同形狀的像差。該像差修正非常困難。
因此，如本實施例那樣，透鏡陣列4是由第一分陣列部LA1和第二分陣列部LA2構(gòu)成的2塊雙透鏡，因此可充分修正透鏡陣列4的像差。若2塊雙透鏡的透鏡陣列4和像差充分修正的會聚透鏡5結(jié)合，則透鏡陣列4和會聚透鏡5構(gòu)成的成像系統(tǒng)可具有足夠的成像性能。因此，可充分地細(xì)化柱狀透鏡4形成的線狀像并在被照射面I2上成像。充分修正會聚透鏡5的像差是容易的，因為是軸對稱的光學(xué)系統(tǒng)。
本實施例的情況下，透鏡陣列4和雙透鏡構(gòu)成變的容易的主要原因是因為通常的光斑透鏡是二維配置，本實施例的透鏡陣列4是一維配置。一維的透鏡陣列情況下，可從透鏡側(cè)面保持各透鏡，從而即使各個透鏡都由2塊構(gòu)成，也容易進(jìn)行保持。另外，可在要素透鏡的排列y方向(柱狀透鏡3具有折射力的方向)上移動透鏡陣列。這樣，可取得線狀像的寬方向(y方向)的透鏡的對齊產(chǎn)生的像差。
本實施例中使用一維透鏡陣列，如上所述，特性是本發(fā)明僅長邊方向優(yōu)先線狀像的照度均勻性，犧牲線寬方向的均勻性，線寬變細(xì)。從上面可知，本發(fā)明這樣的選擇是正確的。
成本增加了，但將透鏡陣列4的各個要素透鏡設(shè)定在4塊以上，也可提高成像性能。
本實施例中，希望具有沿著光軸AX移動柱狀透鏡3的第一移動機(jī)構(gòu)部MV1、沿著光軸AX移動透鏡陣列4的第二移動機(jī)構(gòu)部MV2、沿著光軸AX移動會聚透鏡5的第三移動機(jī)構(gòu)部MV3。這樣，實現(xiàn)可通過改變各透鏡3，4，5的位置來散焦并改變線狀像的線寬的效果?？梢苿尤我庖粋€透鏡。
(第二實施例)圖2A和圖2B是表示第二實施例的激光器處理裝置的簡略結(jié)構(gòu)的圖。在會聚透鏡5和被照射面I2之間新添加具有正(凸)功率的柱狀透鏡7。其他結(jié)構(gòu)與上述第一實施例相同，因此在同一部分上使用相同符號，省略重復(fù)說明。
本實施例中，柱狀透鏡3形成的線狀像再次在被照射面I2上形成。即，柱狀透鏡3形成的線狀像與被照射面I2共軛。這樣，與上述第一實施例相比，柱狀透鏡3形成的線狀像的位置(中間成像面)I1在透鏡陣列4側(cè)散焦。
通過設(shè)置該柱狀透鏡7可更自由地在透鏡設(shè)計上改變線狀像的線寬方向的焦距。
在線狀像的線寬成為問題時，激光器光源1的射出特性等的線寬方向(y方向)的焦距是重要的。一般地，將來自激光器光源1的光考慮為理想的平行光射向一定方向。但是，實際上，來自激光器光源1的光并非完全平行光。在從光源1振動的光方向上也有時間偏差。
接著說明在本激光器處理裝置的情況下，這樣的激光器光源1的振動特性對光學(xué)系統(tǒng)的性能的影響程度。例如，假定從激光器光源1射出的光并非完全平行光，其波面起伏，具有角度0的斜度(slope)的像差。此時，從激光器光源1的開口AP到被照射面I2的光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f。這種情況下，激光的像差在照射面I2上為f-0的橫向像差。其結(jié)果，被照射面I2的線狀像的線寬僅增大f-0部分。
同樣，光源1的束的射出角的偏差為φ。此時，被照射面I2的線狀像的位置偏差為f-φ。因此，為抑制激光器的波面的混亂，期望盡可能的光學(xué)系統(tǒng)的焦距縮短。但是，當(dāng)縮短光學(xué)系統(tǒng)的焦距時，難以確保動作距離(工作距離working distance)。因此，難以滿足機(jī)械制約。這樣，設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時，必須使焦距為最佳值。
上述第一實施例中改變焦距時，需要改變透鏡陣列4和會聚透鏡5構(gòu)成的成像光學(xué)系統(tǒng)的放大率(從透鏡陣列4到被照射面I2的放大率)或改變柱狀透鏡3的焦距之一。但是，透鏡陣列4的會聚透鏡5都是相對光軸AX對稱的光學(xué)系統(tǒng)。因此，為改變圖1A的x方向的焦距而變更成像光學(xué)系統(tǒng)的放大率時，同時在被照射面I2上形成的線狀像的長度也改變了。改變柱狀透鏡3的焦距時，入射到透鏡陣列4的光的數(shù)值孔徑(NA)改變。因此，從激光器光源1到被照射面I2的焦距被縮短時，該NA增大。從而，這里產(chǎn)生的像差難以修正，同時透鏡陣列4產(chǎn)生的像差也增加。
因此，如本實施例那樣，會聚透鏡5和被照射面I2之間添加柱狀透鏡7時，在優(yōu)先選擇對柱狀透鏡3、透鏡陣列4、會聚透鏡5的各焦距作像差修正時也可用柱狀透鏡7設(shè)定全部的焦距。因此，實現(xiàn)線狀像一定的長度，不增加各像差，得到與光源1的特性對應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)的效果。
(第三實施例)圖7是表示第一實施例的激光器處理裝置的簡略結(jié)構(gòu)的圖。從YAG激光器101發(fā)射的截面為大致圓形的激光束由束擴(kuò)展器102變換為截面為橢圓形狀的準(zhǔn)直光。此時，橢圓的長軸為x方向、短軸為y方向。關(guān)于束擴(kuò)展器102的結(jié)構(gòu)和束的截面形狀變換在后面說明。
接著，將該束入射到梯形的棱鏡103，進(jìn)行三分割，向不同的方向射出。此時，束的分割方向與橢圓束長軸方向(x方向)一致。三分割的束入射到柱狀透鏡104。柱狀透鏡104在與x方向大致正交的y方向上具有正的折射力。這里，決定梯形棱鏡103的形狀和位置，使得三分割的束在中間成像面I101上重合。柱狀透鏡104的焦點(diǎn)位置也與中間成像面I101上一致。由此，從柱狀透鏡104射出的束在中間成像面I101上會聚成線狀，形成相互重合的線狀像。
中間成像面I101上形成的線狀像通過分割的三個線狀像的平均化效果，與將從光源101射出的束L(下面稱作原束)直接會聚的情況相比，是照度均勻性提高的像。并且，中間成像面I101上的線狀像由擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105擴(kuò)大投影在玻璃襯底上的被照射面I102上。這樣，被照射面I102上形成照度均勻性良好的線狀像。在中間成像面I101上設(shè)置開口時，張開(flare)和梯形棱鏡的衍射的影響消除了。
接著具體定量說明中間成像面I101的線狀像的照度均勻性。
首先，基于圖6A～圖6E說明用理想的柱狀透鏡將原束會聚稱線狀時光的強(qiáng)度分布。圖6A是表示光軸AX方向(z方向)看去的原束通過的開口AP的截面形狀。開口AP具有直徑φ的圓形截面。圖6B是表示通過開口AP的原束被會聚為線狀時的照度分布的圖。圖6B所示的照度分布假定束開口AP上的照度分布如通常的激光一樣是高斯分布，從下面的式算出。I(x)α∫01-x2exp{-2(x2+y2)}dy]]>這里，xy坐標(biāo)如圖6A所示，是激光器開口AP面上的坐標(biāo)。x方向是線狀像的長邊方向，y方向是線狀像的線寬方向。從上述式可知，圖6B的線狀像上的位置x0的光的強(qiáng)度等于沿著通過圖6A的束開口AP上的位置x0的與y軸平行的支線L1積分開口AP范圍內(nèi)的照度分布所得。束徑φ與通常的情況一樣光的強(qiáng)度分布在中心的e的2次方分之一的范圍內(nèi)。從圖6B可知，線狀像的強(qiáng)度分布在線狀像中心(x＝0)最高，周圍部分強(qiáng)度降低。并且，最外圍部分的照度為0(零)。
接著，考慮用梯形棱鏡3將圖6B的照度分布分割后會聚成線狀時的光的照度分布。此時的照度分布可考慮會聚成線狀的束作三分割、之后重合時的照度分布。因此，三分割的各束的照度分布與三分割圖6B所示的照度分布等價。這里，三分割的束分別為第一束L1、第二束L2、第三束L3(參考圖7)。這些分割的各束的照度分布如圖6C所示。并且中間成像面I101上各束L101，L102，L103如圖6D所示重合。其結(jié)果，最終的照度分布為如圖6E所示的形狀。從圖6E可知，重合后的線狀像的照度分布的均勻性非常高。圖6B和圖6E比較，則重合的效果非常大。例如，圖6E的中心部(x＝0)的照度為100％時，最周圍部分的照度約為90％左右。
如上所述，中間成像面I101上形成的線狀像不在原樣的狀態(tài)下分割原束，與會聚為線狀像的情況相比，照度均勻性非常高。但是，具有高照度均勻性的線狀像中，也有不能滿足實際的激光器處理裝置中要求的規(guī)格的情況。此時，通過控制擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105的各像差，可減小線狀像的中心部的照度，提高周圍部分的照度。例如，通過使擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105的失真像差為負(fù)值，可進(jìn)行上述控制。由此，照度均勻性可提高幾個百分?jǐn)?shù)。
為去除成為被照射面I102的照度均勻性障礙的透鏡和鏡筒等的不需要的反射產(chǎn)生的光斑、分割棱鏡開口產(chǎn)生的光斑，在中間成像面I101上設(shè)置光圈(未示出)。
接著，說明本照明光學(xué)系統(tǒng)的成像性能。如已有技術(shù)所述，為形成細(xì)線狀像，要求高的成像性能，光學(xué)系統(tǒng)的各像差需要良好地修正。從這種觀點(diǎn)看，本實施例中，中間成像面I101上一度會聚為線狀，并且用擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105來再次對其成像。該光學(xué)系統(tǒng)的像差的主要產(chǎn)生源是在中間成像面I101上會聚光的柱狀透鏡104、將該線狀像再次成像在被照射面上I102的擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105。因此，這兩者的像差修正要考慮。首先，對于后者的擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105，是通常的投影光學(xué)系統(tǒng)，由相對光軸AX對稱的球面透鏡構(gòu)成。因此，修正像差通過與通常的修正程序一樣進(jìn)行即可，因此可實現(xiàn)高度的像差修正。
如上所述，通過控制擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105的失真像差，被照射面I102的線狀像的照度均勻性進(jìn)行修正。該失真像差的控制與球面像差等的成像有關(guān)的像差相比容易。因此，這不是像差修正困難(影響球面像差等的成像)的原因。從加工觀點(diǎn)看，擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105是相對光軸AX對稱的光學(xué)系統(tǒng)，因此使用已有的加工技術(shù)就可得到足夠規(guī)格的光學(xué)系統(tǒng)。
接著，回到圖7說明柱狀透鏡104的像差。柱狀透鏡104簡單地將梯形棱鏡103作三分割的平行光束會聚為線狀。因此，像差修正不困難。
到柱狀透鏡104的入射角不同的3個光束L101，L102，L103入射，因此這里產(chǎn)生的像差也當(dāng)然依賴于入射角。與光軸AX不平行的方向上行進(jìn)的2個光線L101，L103的方向相對光軸AX彼此對稱。因此，考慮向光軸AX方向行進(jìn)的光束L102和向另一方向行進(jìn)的光束L101(或L103)2個光束。
依賴于這些入射角的像差等同于軸對稱光學(xué)系統(tǒng)中叫做彗形像差和徑向像面的彎曲等。因此，從軸對稱光學(xué)系統(tǒng)類推，可容易地進(jìn)行依賴于入射角的像差的修正。光學(xué)系統(tǒng)的尺寸許可稍大一些的情況下，分割棱鏡103射出的周圍部分的2個光束L101，L103的角度減小，則依賴于柱狀透鏡104產(chǎn)生的入射角的像差可更小。
如上所述，本實施例中，考慮為像差的主要發(fā)生源的柱狀透鏡104和擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105中容易進(jìn)行像差修正，因此整個系統(tǒng)可實現(xiàn)高的成像性能。
另外，本實施例中，通過束擴(kuò)展器102由棱鏡構(gòu)成，光學(xué)系統(tǒng)整體的像差減小。如上所述，柱狀透鏡104中入射橢圓束。由此，入射到柱狀透鏡104的束在會聚方向(y方向)的亮度變暗的同時，線狀像的長邊方向(x方向)的光束徑加長。柱狀透鏡104的會聚方向(y方向)的亮度變大時，像差更容易產(chǎn)生，這更不好。另一方面，線狀像的長邊方向的束徑減小時，中間成像面I101上形成的線狀像的長度變小。因此，為形成被照射面I102要求的長度的線狀像，擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105的倍率必須增大。這樣，擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105的像差也增大了，這樣不好。
如本實施例那樣，原束擴(kuò)大變換為橢圓束為的是不產(chǎn)生像差。一般地，圓形截面的原束擴(kuò)大變換為橢圓束的情況下，使用柱狀透鏡。但是，柱狀透鏡如上所述制造成本高，高精度加工困難。因此，本實施例中，通過使用棱鏡元件，不產(chǎn)生像差，將圓形截面原束擴(kuò)大變換為橢圓束。
圖7是表示束擴(kuò)展器102的結(jié)構(gòu)的圖。束擴(kuò)展器102通過組合3個直角棱鏡108，109，110構(gòu)成。來自激光器光源101的原束斜射到棱鏡108的面PR1，從面PR2大致垂直射出。從棱鏡108的面PR2大致垂直射出的光斜射到棱鏡109的面PR3，從面PR4大致垂直射出。從棱鏡109的面PR4大致垂直射出的光斜射到棱鏡110的面PR5，從面PR6大致垂直射出。通過該結(jié)構(gòu)，具有如圖8A所示的圓形截面形狀的原束擴(kuò)大變換為如圖8B所示的橢圓截面形狀的光。
本實施例中，希望具有沿著光軸AX移動柱狀透鏡104的第一移動機(jī)構(gòu)部MV1。由此，通過改變透鏡103的位置，實現(xiàn)散焦并改變線狀像的線寬的效果。
本實施例中，具有移動玻璃襯底G的掃描移動部106。由此，可相對移動被照射面(被處理面)I102上的線狀像和被照射面I102。這樣，實現(xiàn)可高速退火處理玻璃襯底G上的大的面積的被處理面。
(第四實施例)圖8A和圖8B是表示第二實施例的激光器處理裝置的簡略結(jié)構(gòu)的圖。在擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105和被照射面I102之間新添加在y方向上具有正(凸)功率的柱狀透鏡107。其他結(jié)構(gòu)與上述第一實施例相同，因此在同一部分上使用相同符號，省略重復(fù)說明。由于這樣的配置，線狀像的線寬方向的成像關(guān)系與上述第一實施例不同，中間成像面I101和被照射面I102不共軛。因此，相對光軸AX方向移動被照射面I102上將束會聚為線狀的柱狀透鏡104，其焦點(diǎn)位置從中間成像面I101移動到圖8B中的面I112。這里，面I112的位置從線寬方向(y方向)看時，是與被照射面I102共軛的位置。通過該結(jié)構(gòu)，柱狀透鏡104和擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105形成的線狀像僅在線寬方向上由柱狀透鏡107縮小。其結(jié)果，像差也縮小，可在被照射面I102上形成更細(xì)的線狀像。
上述結(jié)構(gòu)對于激光的波面混亂、射出方向的混亂等有非常有效。一般地，考慮從激光光源在一定方向上射出平行光。但是，實際上，來自激光光源的光并非完全平行光。另外，振動方向上也有時間偏差。并且，由于這些，被照射面I102上線狀像的寬度加寬或整個像的位置在被照射面I102上產(chǎn)生移動。在從激光光源的開口AP到被照射面I102的線狀像的線寬方向的光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f、來自激光光源101的原束的波面的斜度誤差為θ時，與這些被照射面I102上的像差相當(dāng)?shù)牧繛閒xθ。束射出方向的偏差為θ時，其像差量為fxθ。這樣，都與焦距f成比例。因此，期望線寬方向(y方向)的焦距短。
上述第一實施例的結(jié)構(gòu)的情況下，為縮短焦距，可同時變更擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105的光學(xué)參數(shù)和線狀像的長度。因此，通過變更柱狀透鏡104的焦距和位置，可縮短整個系統(tǒng)的焦距。在縮短柱狀透鏡104的焦距時，增大該柱狀透鏡104的數(shù)值孔徑(NA)或同時增大入射到擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105的光的數(shù)值孔徑(NA)。這是大像差產(chǎn)生的原因。因此，本實施例中，擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)105的被照射面I102側(cè)添加其他的柱狀透鏡107，縮短線狀像的線寬方向(y方向)的焦距。通過該結(jié)構(gòu)，可提供具有更優(yōu)越的成像性能的光學(xué)系統(tǒng)。
本實施例中，除沿著光軸AX移動柱狀透鏡104的第一移動機(jī)構(gòu)部MV1外，希望還有沿著光軸AX移動柱狀透鏡107的第一移動機(jī)構(gòu)部MV2。這樣，通過改變各透鏡104，107的位置，可實現(xiàn)散焦并改變線狀像的線寬的效果。移動其中之一的透鏡都可以。
權(quán)利要求
1.一種照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括擴(kuò)大來自激光器光源的照射束的直徑的未聚焦的束擴(kuò)展系統(tǒng)、至少在大致與第一方向正交的第二方向上具有折射力并將來自上述束擴(kuò)展系統(tǒng)的照射束成像為在上述第一方向上具有長邊方向的線狀束的線狀束形成透鏡系統(tǒng)、具有沿著上述第一方向排列的多個要素透鏡的透鏡陣列部、將上述線狀束的上述各要素透鏡等每一個的像重合照射在被處理面上的會聚光學(xué)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述線狀束形成透鏡系統(tǒng)是在上述第二方向上具有正的折射力的柱狀透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于可沿著光軸移動上述柱狀透鏡和上述透鏡陣列部以及上述會聚光學(xué)系統(tǒng)中的至少之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述透鏡陣列部至少具有第一分陣列部和第二分陣列部，上述要素透鏡是旋轉(zhuǎn)對稱的透鏡，上述第一分陣列部和上述第二分陣列部排列成上述各分陣列部的對應(yīng)的上述各要素透鏡的光軸大致一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述會聚光學(xué)系統(tǒng)在上述被處理面?zhèn)壬暇哂性谏鲜龅诙较蛏暇哂姓恼凵淞Φ钠渌闹鶢钔哥R。
6.一種激光器處理裝置，其特征在于包括提供激光的激光器光源、權(quán)利要求1到權(quán)利要求5的任意一項的照明光學(xué)系統(tǒng)、相對移動上述被處理面上的線狀束和上述被處理面的掃描移動部。
7.一種照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括將來自激光器光源的照射束相對第一方向分割為多個照射束并在規(guī)定面上重合的棱鏡部件、至少在與上述第一方向大致正交的第二方向上具有折射力并且將上述分割的多個照射束成像為在上述第一方向上具有長邊方向的線狀束的線狀束形成透鏡系統(tǒng)、將上述線狀束在上述第一方向上擴(kuò)大并照射在被處理面上的擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述棱鏡部件是梯形棱鏡，該梯形棱鏡分割的上述多個照射束重合的上述規(guī)定面的位置和上述線狀束形成系統(tǒng)的上述第二方向的焦點(diǎn)位置大致一致。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)是相對光軸旋轉(zhuǎn)對稱的光學(xué)系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述線狀束形成透鏡系統(tǒng)是在上述第二方向上具有正的折射力的第一柱狀透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)在上述被處理面?zhèn)壬习ㄔ谏鲜龅诙较蛏暇哂姓恼凵淞Φ牡诙鶢钔哥R。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于可沿著上述光軸移動上述第一柱狀透鏡和上述第二柱狀透鏡中的至少之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于還具有將來自上述激光器光源的照射束直徑在上述第一方向上進(jìn)行比上述第二方向更大地擴(kuò)大的束擴(kuò)展系統(tǒng)。
14.一種激光器處理裝置，其特征在于包括提供激光的激光器光源、權(quán)利要求7到權(quán)利要求13的任意一項的照明光學(xué)系統(tǒng)、相對移動上述被處理面上的線狀束和上述被處理面的掃描移動部。
全文摘要
具有優(yōu)良的成像性能、照度均勻性良好、可照射細(xì)的線寬和大的寬高比的線狀束的照明光學(xué)系統(tǒng)包括:擴(kuò)大來自激光器光源1的照射束的直徑的未聚焦的束擴(kuò)展系統(tǒng)2、至少在大致與第一方向x正交的第二方向y上具有折射力并將來自束擴(kuò)展系統(tǒng)2的照射束成像為在上述第一方向x上具有長邊方向的線狀束的線狀束形成透鏡系統(tǒng)3、具有沿著上述第一方向x排列的多個要素透鏡EL11等的透鏡陣列部4、將上述線狀束的上述各要素透鏡EL11等每一個的像重合照射在被處理面12上的會聚光學(xué)系統(tǒng)5。
文檔編號G02B1/12GK1374562SQ0210809
公開日2002年10月16日 申請日期2002年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月22日
發(fā)明者杉山喜和, 正木深雪, 八木武人 申請人:石川島播磨重工業(yè)株式會社