專利名稱：激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對被照射物激光處理(laser treatment)時(shí)、改善了照射面上的照射激光束(laser beam)的強(qiáng)度分布的均勻性的激光束均勻照射用的光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為使用了激光照射的熱處理的例子，我們知道在制造多晶硅膜時(shí)，預(yù)先在適當(dāng)?shù)囊r底(例如玻璃襯底)上通過化學(xué)氣相淀積法(CVD)等的氣相淀積(vapor deposition)法形成非晶體的硅膜，用激光束掃描該非晶硅膜而進(jìn)行多晶化的方法。例如美國專利USP5,529,951公開了在半導(dǎo)體集成電路的組裝中，通過再向電路構(gòu)成部分蒸鍍非晶硅，向必要的地方照射受激準(zhǔn)分子(excimer)激光束，在多晶硅層上形成非晶體的方法。該美國專利為了增大照射面區(qū)域，在光學(xué)系統(tǒng)中使用蠅眼透鏡或棱鏡作為均勻化手段，使受激準(zhǔn)分子激光束的強(qiáng)度分布在整個(gè)近正方形的區(qū)域中均勻化。
我們還知道在大面積的襯底上使硅膜多晶化的方法，例如通過透鏡把來自激光光源的激光束聚光在非晶硅膜上進(jìn)行照射，在照射時(shí)，使激光點(diǎn)在硅膜上掃描，一邊局部地使其熔化，一邊在凝固的過程中使硅結(jié)晶。在使用的激光束中，在照射位置的光束的軸向強(qiáng)度分布依賴于激光源的光束輪廓，通常是對光學(xué)軸為軸對稱的高斯分布。通過這樣分布的光束的照射而形成的多晶硅膜向表面方向的結(jié)晶的均勻性非常低，很難在薄膜晶體管制造中把它作為半導(dǎo)體襯底使用。
此外，還知道使波長短的受激準(zhǔn)分子激光在照射面上的光束輪廓為矩形，掠過半導(dǎo)體膜上進(jìn)行加熱的技術(shù)。在日本專利公開11-16851和日本專利公開10-333077中，把來自振蕩器的激光束通過在垂直于光軸的面內(nèi)彼此交叉的兩個(gè)柱面透鏡陣列后，通過配置在其前方的聚焦透鏡，在半導(dǎo)體膜表面上成像。柱面透鏡陣列把多個(gè)微小柱面透鏡配置為彼此平行，并且垂直于光軸，是把一條光束分割為多條光束的光學(xué)元件。
上面所述的方法使采用高斯分布或單純模式的激光束通過兩個(gè)柱面透鏡陣列，在正交的兩個(gè)方向上成為均勻的強(qiáng)度分布。照射光束在半導(dǎo)體膜等的照射表面上的形狀在半導(dǎo)體表面上正交的兩個(gè)方向上具有不同的寬度。該方法通過使照射的激光束在窄的一方的寬度方向掃描移動(dòng)，在半導(dǎo)體膜上反復(fù)形成了具有相當(dāng)于長的一方的寬度的寬度一定的多結(jié)晶區(qū)域。
可是，如果通過這樣的柱面透鏡陣列分割來自激光光源的激光束，再在照射面上合成，則照射面上產(chǎn)生激光的光干涉，在照射位置，形成具有光束強(qiáng)度高和光束強(qiáng)度低的地方來回重復(fù)的干涉圖案。
由于由重合了的多個(gè)光束在照射面上產(chǎn)生的干涉影響到照射面上結(jié)晶的生長。即，當(dāng)使用照射面上的照射光束的形狀為長方形的照射激光束來加熱非晶體半導(dǎo)體膜、使其結(jié)晶化時(shí)，因?yàn)槭拐丈涔馐谡膶挾确较蛞苿?dòng)，所以與移動(dòng)方向正交的長度方向的強(qiáng)度分布嚴(yán)重影響結(jié)晶的生長，該方向的強(qiáng)度分布不均勻、干涉圖案大，這對于使硅膜的結(jié)晶粒長大是不利的。
提出了幾種去掉由于這種干涉引起的激光照射強(qiáng)度的不均勻性的方法。在日本專利公開2001-127003中公開了通過平行光管(collimator)使來自光源的激光束成為平行光，照射到反射面為階梯狀的鏡子上，使通過該多級鏡分割的光束通過合成柱面透鏡陣列和匯聚用的柱面透鏡陣列，照射到照射面上。該光學(xué)系統(tǒng)通過各反射面間的階梯，為分割的光束設(shè)置比激光束的可干涉長度長的光程差，防止照射面中的分割光束之間的干涉。
另外，日本專利公開2001-244213號公開了通過光束平行光管使來自光源的激光束成為平行光后，照射到多個(gè)小的反射鏡上，把來自各反射鏡的反射光照射到照射面上，使其重合，所以通過確保經(jīng)各平面鏡反射的激光束的光程差在可干涉長度以上，同樣防止了干涉。
上面所述的光束的均勻化技術(shù)利用具有多個(gè)反射面的反射鏡來設(shè)置光程差，防止因分割來自同一光源的激光束，而在照射面上重合時(shí)發(fā)生的干涉，可是這些光學(xué)系統(tǒng)需要特殊的反射鏡。特別是特開2001-244213的光學(xué)系統(tǒng)需要使基于反射鏡的光學(xué)系統(tǒng)的光軸彎曲的配置。為了能使多個(gè)分割的各光束正確地照射到照射面，要求光學(xué)系統(tǒng)的各反射鏡滿足特定的位置關(guān)系的配置。因此，多個(gè)反射鏡的配置變得復(fù)雜，存在應(yīng)該作為熱處理裝置而配置的光學(xué)系統(tǒng)的自由度降低的問題。特別是對全部的分割束設(shè)置光程差時(shí)，對于時(shí)間的干涉距離大的激光振蕩源，裝置變得又大又變復(fù)雜，這是不現(xiàn)實(shí)的，而且光學(xué)調(diào)整也困難。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)，這種光學(xué)系統(tǒng)通過使分割了來自光源的激光束的各光束在照射面上重合，是在照射面上形成具有均勻的強(qiáng)度分布的照射光束的光學(xué)系統(tǒng)，它可以防止重合引起的分割束間的干涉，能謀求照射光束的均勻化。
本發(fā)明的其他目的在于提供一種均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)使用于防止這樣的干涉、使照射光束均勻化的結(jié)構(gòu)和調(diào)整變得簡單并且容易。
本發(fā)明的別的目的在于提供一種光學(xué)系統(tǒng)，它適用于作為被照射物的非晶硅膜中使其多晶化的激光加熱裝置，能制造在結(jié)晶區(qū)域上晶格缺陷少的多晶硅膜。
本發(fā)明的均勻照射激光束的光學(xué)系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成在光束截面中、把來自激光光源的激光束在空間上分割為分割束的激光束分割部件；把多個(gè)被分割的光束重合照射在照射面上的重合照射部件；使照射面上的光束強(qiáng)度均勻的均勻化部件。所述激光束分割部件使分割的光束寬度為來自光源的激光束截面的截面方向的空間干涉距離的1/2倍以上。規(guī)定為這樣的光束寬度的分割束即使通過重合照射部件在照射面上重合，也減輕了多個(gè)光束的相互干涉，使照射面上的照射強(qiáng)度的分布均勻。
該激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)除了包括在光束截面中把來自激光光源的激光束在空間上分割為分割束的激光束分割部件和把分割的光束重合照射在照射面上的重合照射部件外，還包含使照射面上的光束強(qiáng)度均勻的均勻化部件。一種所述的均勻化部件包含使所述分割的光束的彼此相鄰的相鄰分割束中的一方相對于另一方延遲了比該激光束的時(shí)間的干涉距離還長的光學(xué)延遲部件，用于防止彼此相鄰的分割束間在照射面上發(fā)生干涉，使照射強(qiáng)度分布均勻化。
作為本發(fā)明別的均勻化部件，包含使由激光束分割部件分割的彼此相鄰的分割束間的偏振角度實(shí)質(zhì)上正交的旋光部件。旋光部件通過使分割了的光束間的偏振角度彼此正交，減輕照射面上使各相鄰的分割束重合時(shí)會產(chǎn)生的分割束間的干涉，使照射強(qiáng)度分布均勻化。
本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)通過同時(shí)減少所述激光束的截面方向的空間的干涉距離的要素和光軸方向的時(shí)間的干涉距離的要素，具有能使照射強(qiáng)度分布極其均勻的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明中，重合照射部件包含使各分割的激光束在照射面上彼此位移或彼此錯(cuò)開，形成復(fù)制的照射光束。通過分割部件分割為多個(gè)的各分割束在通過重合照射部件時(shí)，在光學(xué)上錯(cuò)開，照射到照射面上，降低了照射面上分割束間的干涉。用于使該復(fù)制位移或錯(cuò)開的重合照射部件能簡單地實(shí)施，能同時(shí)使用防止所述空間的干涉距離的要素和光軸方向的時(shí)間的干涉距離的要素引起的干涉的部件。
本發(fā)明的所述激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)把照射面作為形成在襯底上的非晶體或多晶體的半導(dǎo)體膜，能用作半導(dǎo)體膜退火用光學(xué)系統(tǒng)。
下面簡要說明附圖。
圖1A和1B是表示利用了本發(fā)明的波導(dǎo)的實(shí)施例的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的配置的圖，分別表示從y方向觀察的圖和從x方向觀察的圖。
圖2是說明波導(dǎo)的激光束的分割形態(tài)的剖視圖。
圖3A表示激光束在波導(dǎo)中分割時(shí)，應(yīng)該分割的激光束的截面中的分割束的配置，圖3B表示波導(dǎo)出射端面中的分割束的配置。
圖4是表示由波導(dǎo)分割出的彼此相鄰的兩個(gè)分割束在照射面上重合時(shí)的合成照射光束的強(qiáng)度分布和可見度的圖(d＝s時(shí))。
圖5是說明激光束的空間的干涉距離s的定義的圖。
圖6是表示由波導(dǎo)分割為7束的分割束在照射面上重合時(shí)的合成照射光束的強(qiáng)度分布和可見度的圖(d＝s時(shí))。
圖7是表示激光束的光程差和可見度的關(guān)系的曲線圖。
圖8A和圖8B是表示使用了柱面透鏡陣列作為本發(fā)明的激光束分割部件的其他實(shí)施例的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的配置的與圖1A和圖1B相當(dāng)?shù)膱D。
圖9A表示使用分割用柱面透鏡陣列作為激光束分割部件，應(yīng)該分割的激光束的截面中的分割束的配置，圖9B同樣表示波導(dǎo)出射端面中的分割束的配置。
圖10是表示由分割用柱面透鏡陣列分割的彼此相鄰的兩個(gè)分割束在照射面上重合時(shí)的合成照射光束的強(qiáng)度分布和可見度的圖(d＝s時(shí))。
圖11是表示由分割用柱面透鏡陣列分割為7束的分割束在照射面上重合時(shí)的合成照射光束的強(qiáng)度分布和可見度的圖(d＝s時(shí))。
圖12A和12B表示與本發(fā)明的實(shí)施例相關(guān)，使用波導(dǎo)作為分割部件，利用了透光性的延遲板7作為光學(xué)延遲部件的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的與圖1A和圖1B同樣的圖。
圖13是圖12所示的光學(xué)系統(tǒng)的變形例，表示遮斷了在波導(dǎo)的反射面之間不反射而通過的分割束的形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)與圖12B同樣的圖。
圖14是表示本發(fā)明的其他實(shí)施例的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的配置的和圖12B同樣的圖，表示入射光的光軸和波導(dǎo)中心軸斜交的配置。
圖15是表示入射光的光軸和波導(dǎo)中心軸斜交的配置中的光束分割的與圖14同樣的圖。
圖16A和16B是說明斜交配置了入射光的光軸和波導(dǎo)中心軸的圖15所示的波導(dǎo)中的激光束的分割狀態(tài)的與圖3A和圖3B同樣的圖。
圖17是表示本發(fā)明的其他實(shí)施例的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的配置的圖，其配置為波導(dǎo)的入射面與波導(dǎo)中心軸斜交。
圖18A和18B表示關(guān)于本發(fā)明的其他實(shí)施例的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)，對分割用的柱面透鏡陣列應(yīng)用了延遲板的與圖8A和圖8B同樣的圖。
圖19表示在復(fù)制用柱面透鏡陣列的前后配置了兩塊延遲板的與圖18B同樣的圖。
圖20是對復(fù)制用柱面透鏡陣列進(jìn)行焦點(diǎn)調(diào)制的與圖18B同樣的圖。
圖21A和圖21B表示關(guān)于本發(fā)明的其他實(shí)施例的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)，使用波導(dǎo)作為分割部件、使用旋光板作為均勻化部件的例子，分別是與圖1A和圖1B同樣的圖。
圖22是圖21B的光學(xué)系統(tǒng)的變形例，表示遮斷了在波導(dǎo)的反射面之間不反射而通過的分割束的形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的與圖21B同樣的圖。
圖23是表示本發(fā)明的其他實(shí)施例的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的配置的與圖21B的同樣的圖，表示入射光的光軸和波導(dǎo)中心軸斜交的配置。
圖24是表示入射光的光軸和波導(dǎo)中心軸斜交的配置中的光束分割的與圖23同樣的圖。
圖25為圖21的變形例，表示包含半波長板和光程長補(bǔ)償部件的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)。
圖26為圖23的例子的變形例，表示包含半波長板和光程長補(bǔ)償部件的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)。
圖27A和27B表示應(yīng)用了分割用柱面透鏡陣列和半波長板的與圖1A和圖1B同樣的圖。
圖28表示對圖27A和27B所示的分割束交替配置了半波長板和延遲板的光學(xué)系統(tǒng)的與圖27B同樣的圖。
圖29表示在復(fù)制用柱面透鏡陣列的前后配置了兩個(gè)延遲板的與圖27B同樣的圖。
圖30A和30B是關(guān)于本發(fā)明的其他實(shí)施例，表示重合照射部件使各分割束在照射面上彼此位移，即錯(cuò)開、復(fù)制的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的配置的圖，分別表示從y方向觀察的圖和從x方向觀察的圖。圖30C是表示圖30A和30B所示的光學(xué)系統(tǒng)的照射光束強(qiáng)度的輪廓的圖。
圖31A、31B和31C表示入射光的光軸和波導(dǎo)中心軸斜交配置的分別與圖30A、30B以及30C同樣的圖。
圖32A和32B是具有在照射面上使分割束位移、復(fù)制的重合照射部件的分別與圖8A和圖8B同樣的圖。
圖33A和33B是具有在照射面上使分割束位移、復(fù)制的重合照射部件的分別與圖18A和圖18B同樣的圖。
圖34是具有在照射面上使各分割束位移、復(fù)制的重合照射部件的與圖27同樣的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的激光束分割部件使從激光光源發(fā)出的單一激光束分割出的多個(gè)分割束通過重合部件，使分割束被重合照射到照射面上。這里激光束分割部件關(guān)于多個(gè)分割束，使各光束寬度為激光束截面上的截面方向的空間的干涉距離的1/2倍以上，據(jù)此，防止在照射面上的分割束間的干涉，照射光束的強(qiáng)度分布能均勻化。
在光束被分割前，兩個(gè)分割束在該激光束的截面內(nèi)是彼此相鄰的時(shí)，容易發(fā)生分割束間的干涉，但是通過使各分割束寬度為空間的干涉距離的1/2倍以上，就能降低相互干涉。
把上述的各分割束的光束寬度規(guī)定為激光束分割部件的出射面中的分割束的寬度，這時(shí)空間的干涉距離是指來自光源的激光束投射到該出射面的位置時(shí)、在截面內(nèi)的空間的干涉距離。后面將詳細(xì)描述，該空間的干涉距離是指激光束被分為兩支，然后由于在照射面上再次重合時(shí)發(fā)生的干涉，后面描述的可見度(visibility)變?yōu)?/e時(shí)的兩個(gè)光束的最小重疊距離。
在本發(fā)明中，分割束寬度與光束截面中的截面方向的空間的干涉距離的比為1/2以上，但是 以上較好，在1以上更好。即，由激光束分割部件分割的分割束的寬度希望設(shè)定為空間的干涉距離的 以上，特別是1倍以上。
分割束寬度的上限由分割激光束的分割數(shù)決定，但是分割的光束的數(shù)量至少是5，希望在7以上。盡管分割數(shù)越大對照射的激光束的強(qiáng)度的平坦化就越有效，但是不希望分割數(shù)大到使所述分割束寬度與空間的干涉距離的比變?yōu)榈陀?/2。實(shí)用的分割數(shù)為5～7，分割束寬度對于空間的干涉距離設(shè)定為1倍以上。
激光束分割部件分割來自激光源的激光束，并且規(guī)定所述的激光束寬度，但是該分割部件能使用波導(dǎo)或柱面透鏡陣列。它們都是只在垂直于光軸的面中的任意一個(gè)方向把激光束分割成所述分割數(shù)的分割束。
波導(dǎo)能利用具有彼此相對的反射面的中空體和實(shí)心的透光體。中空的波導(dǎo)能利用在空間中把兩個(gè)鏡面以一定間隔相對配置的物體。
實(shí)心的波導(dǎo)是透明的板狀，把兩方的主面作為鏡面，把兩方的端面用于入射和出射的透光體。這樣的波導(dǎo)通常能利用光學(xué)玻璃板。
在波導(dǎo)中，在激光束分割部件中包含用于使來自激光源的射出激光束入射到波導(dǎo)內(nèi)的反射面間的聚光透鏡。
從波導(dǎo)的出射面能得到在反射面不反射而透過波導(dǎo)內(nèi)的分割束；和每次在相對的反射面上反射的兩組的分割束。入射光束在反射面反射的次數(shù)每增加一次，分割束就增加兩個(gè)。
而作為激光束分割部件的柱面透鏡陣列是使柱狀、截面為凸透鏡狀的多個(gè)柱面透鏡平行排列在與光軸實(shí)質(zhì)上正交的一個(gè)方向上。能對應(yīng)于每個(gè)微小的柱面透鏡得到的分割束。在使用柱面透鏡陣列的激光束分割部件中，希望包含向柱面透鏡陣列入射平行光的平行光管。
本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的其他形態(tài)在光學(xué)系統(tǒng)中包含均勻化部件，在均勻化部件中包含光學(xué)延遲部件和旋光部件。
在本發(fā)明中，光學(xué)延遲部件具有使通過所述激光束分割部件分割的光束中彼此相鄰的分割束的一方相對于另一方，延遲比該激光束的時(shí)間的干涉距離還長的功能，據(jù)此，在照射面上，降低乃至防止彼此相鄰的分割束之間的干涉。
光學(xué)延遲部件最好利用延遲光束用的透光體，即延遲板，將其插入通過所述激光束分割部件分割的各分割束彼此在空間上分離的光路中。這時(shí)，在把各分割束反過來向來自光源的單一的激光束投影時(shí)，彼此相鄰的分割束中至少任意一方中插入延遲板，在彼此相鄰的分割束之間在光學(xué)上設(shè)置光程差。
延遲板使分割的相鄰的光束的光程差比該激光束的時(shí)間的干涉距離大，據(jù)此，防止分離的多個(gè)分割束照射到照射面、使其重合時(shí)的分割束間的干涉。光程差由延遲板的厚度即光束透過長度、延遲板的折射率和空氣的折射率的差來決定。
以來自激光源的激光束為基準(zhǔn)，把延遲板插入從該激光束分離出的相鄰的分割束的每隔一個(gè)的排列中，彼此產(chǎn)生光程差，從而產(chǎn)生相位差。
本發(fā)明中，均勻化部件還包含旋光部件，旋光部件使由激光束分割部件分割出的相鄰的分割束間的偏振角度實(shí)質(zhì)上正交，在照射面上重合，形成具有所需要的均勻的強(qiáng)度分布的輪廓的照射光束。在本實(shí)施例中，通過使分割的光束間的偏振角度彼此正交，減少當(dāng)在照射面上各相鄰的分割束重合時(shí)會產(chǎn)生的分割束間的干涉，使照射強(qiáng)度分布均勻化。
以來自激光源的激光束為基準(zhǔn)，把旋光板插入從該激光束分離出的相鄰的分割束的每隔一個(gè)的排列中，使彼此在偏振面間產(chǎn)生約90°的角度。
旋光部件的一個(gè)例子是使用水晶的結(jié)晶板，該結(jié)晶板使透過的光束的偏振面相對于另一方的分割束的偏振面幾乎旋光90°。這樣的旋光部件稱作半波長板。這里，所謂的實(shí)質(zhì)上正交，包含從一方的分割束的偏振面與另一方的分割束的偏振面正交時(shí)的角度有±30°的偏移也行。這樣，即使兩個(gè)光束的偏振面不正交，而是斜交，也能降低兩個(gè)光束間的實(shí)質(zhì)上的干涉。
其他的旋光部件，還能利用菲涅耳菱面體(fresnel rhomb)。
此外，由于只在彼此相鄰的分割束中的所述一方的分割束中插入旋光部件，由此相對于另一方的分割束產(chǎn)生光程差，該光程差使在照射面上產(chǎn)生這些分割束的成像位置的偏移。因此，在所述另一方的分割束中插入光程長補(bǔ)償板，希望使不插入所述旋光部件的另一方的分割束的光程長與該一方的分割束的光程長實(shí)質(zhì)上相同。據(jù)此，能使照射面上的所述一方和另一方的分割束的成像鮮明，能有助于合成的照射光束強(qiáng)度分布的均勻化。
關(guān)于所述的均勻化部件即延遲板和旋光板的配置，重合照射部件包含把來自激光束分割部件的分割束復(fù)制到照射面上的復(fù)制(像傳遞)透鏡，當(dāng)形成了復(fù)制透鏡把多個(gè)分割束在空間上分離了的區(qū)域時(shí)，延遲板等的均勻化部件被插入這樣的分離區(qū)域中。例如當(dāng)激光束分割部件為波導(dǎo)時(shí)，延遲板通過復(fù)制透鏡被配置在各分割束匯聚的焦點(diǎn)位置上。
關(guān)于均勻化部件的簡化，希望波導(dǎo)的構(gòu)造或配置不產(chǎn)生不反射而通過的分割束。該配置如后所述，通過在預(yù)定組的分割束中插入單一的延遲板或旋光板，在另一組的分割束中不插入，能減輕照射面上的干涉。它具有能使單一的光學(xué)延遲部件的配置簡便的優(yōu)點(diǎn)。
為此，希望只在入射激光束在內(nèi)反射面不反射而通過波導(dǎo)的分割束中插入遮蔽體。
其他的形態(tài)能采用使向波導(dǎo)入射的激光束對于波導(dǎo)中心軸非對稱地入射的構(gòu)造。因此，波導(dǎo)中，使對于波導(dǎo)的入射激光束的光軸與所述的波導(dǎo)的反射面間的中心軸斜交，據(jù)此，能不產(chǎn)生在哪個(gè)反射面上都不反射而通過的分割束。
別的形態(tài)在波導(dǎo)中使用上面所述的實(shí)心透光體，可是，采用該波導(dǎo)的入射面和波導(dǎo)的中心軸斜交的結(jié)構(gòu)，能用斜交的入射面使入射光折射。能使入射光束至少在反射面反射一次，構(gòu)成分割束。在這些形態(tài)中，與遮斷不反射就通過的分割束的結(jié)構(gòu)相比，具有能在照射中利用所有的分割束的優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)激光束分割部件為柱面透鏡陣列時(shí)，因?yàn)楦髦嫱哥R陣列的出射一側(cè)光路彼此分離，所以均勻化部件的別的配置能把延遲板或旋光板配置在光束的光程上。這時(shí)，能把幾個(gè)小的延遲板或旋光板配置在由柱面透鏡陣列分割的成列的光束的每隔一個(gè)中。
這樣，多個(gè)分割束的一部分透過均勻化部件，重合照射部件把分割束重合照射在照射面上，照射的激光的形狀投影為矩形或直線狀，照射的光束的長度方向的強(qiáng)度分布變?yōu)橐粯印?br>
本發(fā)明的實(shí)施例中，重合照射部件還包含在照射面上使各分割激光束彼此錯(cuò)開、復(fù)制，形成照射光束的功能。重合照射部件把通過分割部件分離的分割束重合照射在照射面上，使其在照射面上成為矩形或直線狀，但是在本實(shí)施例中，通過把幾個(gè)分割束在照射光束的形狀的長度方向錯(cuò)開，特別是消除了長度方向的兩側(cè)產(chǎn)生的強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布。這樣的重合照射部件最好能利用具有透鏡像差的柱面透鏡。
本發(fā)明的這些實(shí)施例的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)適用于用于把在玻璃襯底上通過化學(xué)氣相淀積法等而覆蓋形成的非晶硅或多晶硅的薄膜加熱熔化，進(jìn)行多晶化或使生長成更粗大的結(jié)晶的退火(annealing)裝置中。這里，退火不僅是對固體膜照射激光，直接進(jìn)行結(jié)晶化或再結(jié)晶，還包含用激光照射使固體膜暫時(shí)熔化，在之后的熔化膜的凝固過程中使其結(jié)晶。
在本發(fā)明中，激光源包含固體激光器和半導(dǎo)體激光器，激光束包含固體激光和半導(dǎo)體激光的基波和高次諧波。特別是當(dāng)照射面是硅半導(dǎo)體膜，尤其是非晶硅膜時(shí)，除了NdYAG激光器、NdYLF激光器、YbYAG激光器等的固體激光器的基波，希望利用第二高次諧波(2倍波)或第三高次諧波(2倍波)照射。當(dāng)這些高次諧波為于350～800nm的波長區(qū)域時(shí)，所述非晶膜能適度地吸收光束，高效地加熱熔化。
特別是在上述的退火用光學(xué)系統(tǒng)中，在硅薄膜表面上，形成細(xì)的寬幅狀的線狀的照射激光，通過在與光束線正交方向上掃描，在照射光束通過時(shí)，以該光束的寬度掃描硅薄膜，均勻、急速地加熱，在光束通過后放置冷卻時(shí)，能在凝固過程中使其結(jié)晶生長，光束的干涉圖案少，強(qiáng)度分布均勻，所以能制造各結(jié)晶具有寬幅的長的形狀和均勻的高結(jié)晶性的結(jié)晶硅膜。
實(shí)施例1在本發(fā)明的實(shí)施例1中，圖1A和圖1B表示激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)，但是表示了該光學(xué)系統(tǒng)在照射面上，形成在y方向以均勻的分布擴(kuò)展，在x方向匯聚為線狀的直線狀的照射輪廓的例子。
光學(xué)系統(tǒng)包含激光束分割部件3和重合照射部件6(61、62)。在本例子中，在激光束分割部件3中利用波導(dǎo)4，把激光束1分割為所需數(shù)量的分割束16a～16e，通過重合照射部件6把這些分割束在照射面90上成像為直線狀輪廓的照射光束19。
在本實(shí)施例中，激光束分割部件3包含用于使來自激光振蕩器的激光束1入射到波導(dǎo)4內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)，包含用于產(chǎn)生平行光束的擴(kuò)束透鏡31、y方向準(zhǔn)直透鏡32和x方向準(zhǔn)直透鏡33，下面還包含在y方向聚光、并使其入射到波導(dǎo)4內(nèi)的柱面透鏡的聚光透鏡34。
波導(dǎo)4中彼此相對的平行主表面具有反射面41、42，反射面41、42在該圖中與y方向垂直。激光束1貫穿兩個(gè)反射面間的入射面43和出射面44與激光束的光軸正交。入射的激光束1通過反射面之間被分割成從出射端射出的分割束成分、在反射面41和42的任意一個(gè)反射一次(m＝1)的兩個(gè)分割束(m＝+1，m＝-1)成分、在兩個(gè)反射面反射兩次(m＝2)的分割束(m＝+2，m＝-2)成分、還有分別反射三次乃至三次以上一對分割束從出射端射出的各成分。
來自波導(dǎo)4的分割束通過重合照射部件6重合投射到照射面90上。重合照射部件6由在y方向把分割束復(fù)制到照射面上的y方向復(fù)制透鏡61(柱面透鏡)和在x方向聚光的聚光透鏡62(柱面透鏡)構(gòu)成。y方向的復(fù)制透鏡61通過x方向聚光透鏡62，在照射面90上把光束在y方向延伸規(guī)定的長度，x方向聚光透鏡62使光束在x方向匯聚為線狀，據(jù)此，在照射面上取得了直線狀輪廓的照射光束19。
更具體而言，圖2表示了使用激光束分割部件的波導(dǎo)、分割從激光振蕩器(未圖示)射出的激光光束的形態(tài)，但是來自激光振蕩器的激光束通過柱面透鏡的聚光透鏡34，經(jīng)過焦點(diǎn)F0入射到波導(dǎo)4內(nèi)。在波導(dǎo)4內(nèi)，入射光束的一部分具有沒有在反射面反射就透過的分割束(反射次數(shù)＝0)，在彼此相對的反射面41或42只反射了一次的分割束在y方向有2種(m＝±1)，在反射面41和42反射兩次的分割束也同樣在y方向有2種(m＝±2)，各分割束從出射面44射出。在垂直于光軸、并且包含焦點(diǎn)F0的面上，有從出射面44射出的各分割束的虛像焦點(diǎn)F+1、F-1、F+2、F-2，能觀察到各分割束從這些虛像焦點(diǎn)F+1……經(jīng)過出射面44的開口被射出。
在圖2中，如果假定通過沒有波導(dǎo)時(shí)的聚光透鏡34，通過焦點(diǎn)而擴(kuò)展的激光束投影到出射面44所在的面的光束的輪廓為圓，該投影的激光束14能分解為與多個(gè)分割束分別分類對應(yīng)的成分。激光束1的截面的各成分在截面上，如果在y方向按m＝-2、-1、0、+1、+2的順序分割，則需要注意從波導(dǎo)4的出射面44射出的成分即分割束在y方向?yàn)榉瓷浯螖?shù)＝+2、+1、0、-1、-2的順序的排列。
在圖2中，只表示了從波導(dǎo)4的出射面44射出的m＝0、+1、+2的成分的分割束的配置，m＝+1和m＝+2的分割束對于反射面的中間面向彼此相反的方向射出。而m＝-1、-2的分割束對于m＝+1、+2的反射面的中心面位于對稱方向，但是在圖中省略了。
圖3A是把激光束從焦點(diǎn)F0在波導(dǎo)4不反射，投影到波導(dǎo)4的出射面44的對應(yīng)平面上的激光束14的分割束的分割寬度圖示化的圖。它是遵循高斯分布的圓形輪廓的激光束14由波導(dǎo)分割為7束的例子。
在波導(dǎo)4中，彼此相鄰的分割束在其出射面44上反復(fù)重疊。因此，基于激光束1的分割而彼此相鄰的成分的邊界部位在圖3B中，與波導(dǎo)的出射面的分割束的反復(fù)部分一致。例如，在圖3A中，m＝+1的成分的邊界部III和與它挨著的m＝0的邊界部iii在波導(dǎo)的出射面44中反復(fù)重疊(如圖3B所示)。
如果這樣的反復(fù)的分割束通過y方向復(fù)制透鏡61和x方向聚光透鏡62，重合投影到照射面90上，則在照射面上的照射光束中發(fā)生干涉，強(qiáng)度形成了波狀分布。
圖4表示了來自分割束的兩個(gè)成分，例如反射次數(shù)m＝+1和m＝0的兩個(gè)成分通過y方向復(fù)制透鏡61和x方向聚光透鏡62等，重合照射到照射面90上時(shí)的照射面90上的照射光束19的強(qiáng)度分布圖的例子。但是在原來的激光束上彼此相鄰的分割束邊界部iii和III嚴(yán)重地彼此干涉，而同樣在原來的激光束上彼此遠(yuǎn)離的分割束邊界部IV和ii表現(xiàn)了干涉引起的強(qiáng)度分布的變動(dòng)小。在圖4中，在橫軸上取分割寬度d，在縱軸上取相對的光束強(qiáng)度。只是，圖4是把激光束的強(qiáng)度分布近似為高斯分布，分割寬度d與空間的干涉距離s相等時(shí)的情形。
照射面上的重合引起的干涉的程度依賴于分割寬度d和該位置處的激光束空間的干涉距離s的比。這里，把空間的干涉距離s定義為在激光束的光束截面的強(qiáng)度分布保持高斯分布時(shí)，如圖5所示的那樣，規(guī)定光束直徑D是強(qiáng)度變?yōu)楣廨S強(qiáng)度1/e2(這里，e是自然對數(shù)的底)時(shí)的圓(1/e2圓)的直徑D，是把單一的激光束分支為兩個(gè)時(shí)的雙方的1/e2圓的中心間的距離，這時(shí)從在照射面上使它們光軸為公共的后使其干擾的狀態(tài)，把光軸彼此錯(cuò)開，在重疊的照射區(qū)域中，干涉條紋的可見度降低到1/e。這里，可見度是把干涉后的強(qiáng)度分布的最高強(qiáng)度和最低強(qiáng)度的差除以最高強(qiáng)度和最低強(qiáng)度的和而得到的值，是表示干涉的程度的尺度。
當(dāng)激光束的分割寬度d為d＝s/2時(shí)，彼此相鄰的分割束的彼此接近的區(qū)域的照射光束的重疊部分中，可見度接近1，在遠(yuǎn)離的區(qū)域的照射光束的重疊部分中可見度為1/e。中間的區(qū)域中，從1向1/e漸漸減小。在較佳的實(shí)施例中，分割寬度d為d＝s/2以上，這時(shí)遠(yuǎn)離的區(qū)域的照射光束的重疊部分中可見度降低到1/e以下。
激光束的分割寬度d為d=s/2]]>以上時(shí)，在遠(yuǎn)離的區(qū)域的照射光束的重疊部分中可見度降低到1/e2。在最佳的實(shí)施例中，在遠(yuǎn)離的區(qū)域的照射光束的重疊部分中可見度降低到1/e4以下。
使分割寬度d為d＝s，如圖2所示，通過波導(dǎo)4把激光束分割為7束，圖6表示出在照射面上重合時(shí)的強(qiáng)度分布，表現(xiàn)了得到相當(dāng)改善的強(qiáng)度分布。在該圖中，產(chǎn)生的干涉條紋的周期T由T＝λ/sin Δθ決定。這里，λ是波長，Δθ是產(chǎn)生干涉的兩個(gè)分割束在照射面19上的入射角的差。
實(shí)施例2本實(shí)施例中，利用柱面透鏡陣列作為另一種光束分割部件。本例如圖8A和8B所示，激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)包含用于使來自激光振蕩器的激光束1入射到柱面透鏡陣列5的光學(xué)系統(tǒng)，包含用于產(chǎn)生平行光束的擴(kuò)束透鏡31、y方向準(zhǔn)直透鏡32和x方向準(zhǔn)直透鏡33，來自準(zhǔn)直透鏡33的平行光束入射到柱面透鏡陣列5。
在柱面透鏡陣列5中，柱面透鏡指的是在圖中x方向?yàn)橹鶢?、向著光軸把截面凸透鏡層疊在y方向的透鏡，但是圖例由5級這樣的微小的柱面透鏡5a～5e構(gòu)成，據(jù)此，形成了五個(gè)分割束。
來自分割光束用的柱面透鏡陣列5的向y方向的分割束15a～15e入射到配置在前方的另外的復(fù)制用柱面透鏡陣列51，來自復(fù)制用柱面透鏡陣列51的分割束通過在x方向聚光的聚光透鏡62(柱面透鏡)投射到照射面90上，形成具有在y方向均勻、在x方向匯聚得很細(xì)的線狀輪廓的照射光束19。物鏡63配置在復(fù)制用柱面透鏡陣列51和聚光透鏡62之間。
圖9A和9B表示了柱面透鏡陣列5的激光束的分割形態(tài)。與前面所述的由波導(dǎo)進(jìn)行的分割不同，用各微小柱面透鏡分割的光束在照射面上重合時(shí)，沒有返回，只是被重疊，因此，即使兩個(gè)相鄰的分割束通過復(fù)制用柱面透鏡陣列51和x方向聚光透鏡62在照射面上重合，合成后的強(qiáng)度分布在y方向的干涉中也沒有差異。
圖10表示分割寬度d與上述的空間的干涉距離s相等時(shí)、彼此相鄰的兩個(gè)分割束在照射面上的重合的強(qiáng)度分布在y方向一定，它的可見度是一定的，為1/e。
圖11表示關(guān)于通過所述分割用的柱面透鏡陣列5分割為7束的分割束，分割寬度d為d＝s，在照射面上重合時(shí)的強(qiáng)度分布，但是y方向，表現(xiàn)了相當(dāng)好的分布。
實(shí)施例3本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)中，所述均勻化部件包含通過所述波導(dǎo)形成的分割束中彼此相鄰的分割束的一方相對于另一方，延遲比該激光束的時(shí)間的干涉距離還長的光學(xué)延遲部件。為了防止激光束的彼此相鄰的區(qū)域發(fā)出的兩條分割束之間發(fā)生干涉，光學(xué)延遲部件在彼此相鄰的區(qū)域的兩條分割束之間設(shè)置了時(shí)間的干涉距離以上的光程差。
本實(shí)施例作為光學(xué)延遲部件，表示利用了透光性的延遲板的光學(xué)系統(tǒng)。如圖12A和圖12B所示，光學(xué)系統(tǒng)使用利用了波導(dǎo)4的激光束分割部件3、作為重合照射部件6的正交的兩個(gè)柱面透鏡(61、62)、作為光學(xué)延遲部件的延遲板7。本例子中，波導(dǎo)4與實(shí)施例1的波導(dǎo)同樣，把激光束1分割為所需數(shù)量的分割束16a～16e，通過重合照射部件6把這些分割束在照射面90上作為直線狀輪廓的照射光束19而成像。
在圖12B中，在多個(gè)分割束彼此分離的位置，在彼此容易產(chǎn)生干涉的分割束的任意一個(gè)中，插入透光性的延遲板7(即光學(xué)玻璃板2)作為光學(xué)延遲部件，在相鄰的分割束之間形成光程差。本例子中，由波導(dǎo)4分割的光束由y方向復(fù)制透鏡61復(fù)制，通過x方向聚光透鏡62在照射面上形成照射光束，但是在y方向復(fù)制透鏡61和x方向聚光透鏡62之間，通過y方向復(fù)制透鏡61在各光束中形成焦點(diǎn)f，把作為延遲板7的玻璃板插入在相鄰的光束的任意一方中的焦點(diǎn)位置f或它的前后，設(shè)置光程差。圖的例子中，在5個(gè)分割束中每隔一束中插入作為延遲板7的玻璃板，在彼此相鄰的延遲板7、7之間的空間中，其他的分割束通過。通過這樣排列的延遲板7，重合在照射面上的照射光束中，不產(chǎn)生彼此相鄰的分割束間的干涉，所以實(shí)質(zhì)上能取得強(qiáng)度分布均勻的輪廓。
玻璃板的光程差Δa由玻璃板的厚度a、玻璃的折射率n1、空氣的折射率n0(可是，通常n0＝1)給出。Δa＝(n1-n0)/n1。
玻璃板的光程差Δa設(shè)定為時(shí)間的干涉距離ΔL以上。即Δa□ΔL。而激光束的時(shí)間的干涉距離由ΔL＝cΔtλ2/Δλ提供。這里，c是光速，Δt是可干涉時(shí)間，Δλ是激光具有的波長寬度(頻譜寬度)，激光的波長寬度越窄，干涉距離越長。
舉例來說，在NdYAG激光器中，關(guān)于中心波長λ＝1.06μm的光束，頻譜寬度Δλ＝0.12～0.30mm，所以時(shí)間的干涉距離ΔL＝3.8～9.4mm。
在圖7中表示了從激光束的彼此相鄰的區(qū)域分割出的兩個(gè)分割束在照射面上的可見度和分割束間設(shè)置的光程差的距離(即光程差Δa)的關(guān)系。當(dāng)光程差為時(shí)間的干涉距離ΔL時(shí)，可見度下降到1/e，通過使來自分割束間的光程差進(jìn)一步增大，可見度進(jìn)一步減小。
從這些關(guān)系求出彼此相鄰的分割束間提供時(shí)間的干涉距離ΔL以上的光程差的玻璃厚度a。延遲板的厚度希望設(shè)定為通過延遲板設(shè)置時(shí)間的干涉距離ΔL的2倍以上的光程差，更希望為4倍以上。例如，光源是所述的NdYAG激光器，當(dāng)對光學(xué)延遲部件的延遲板7使用了石英(折射率n1＝1.46)時(shí)，對于時(shí)間的干涉距離ΔL為3.8～9.4mm，石英玻璃厚度a為12～30mm。
圖13是本實(shí)施例3的變形例，表示從x方向觀察的光學(xué)系統(tǒng)的配置。除了光學(xué)延遲部件7的配置的不同，基本上是與圖12A和圖13B的光學(xué)系統(tǒng)相同的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)，但是本例子遮斷了在所述的波導(dǎo)的反射面間不反射而通過的分割束。
即，來自所述圖2、圖3A和圖3B所示的波導(dǎo)4的反射次數(shù)m＝0時(shí)的直線前進(jìn)的光束由配置在y方向復(fù)制透鏡后的焦點(diǎn)位置f的遮蔽體79遮斷。由于m＝0的直線前進(jìn)的光束被遮蔽體79阻擋，不到達(dá)照射面，所以它對干涉沒貢獻(xiàn)。因此，作為光學(xué)延遲部件7，只插入對稱配置的分割束組(m＝+1、-2)或(m＝-1、+2)的任意一方，在另一方的光束組不配置光學(xué)延遲部件7，據(jù)此，減輕照射面上的分割束間的干涉，并且光學(xué)延遲部件7能利用使一方的分割束組(m＝+1、-2)統(tǒng)一透射的單一延遲板71，例如一塊玻璃板或玻璃棒，具有能簡化光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。
其他變形例的光學(xué)系統(tǒng)包含波導(dǎo)4和光學(xué)延遲部件7，只是提供的由波導(dǎo)構(gòu)成的激光束分割部件不含有在波導(dǎo)4內(nèi)不反射而直線前進(jìn)的分割束，使所有的分割束至少反射一次，并且防止兩個(gè)以上的反射分割束反射相同的次數(shù)。如圖14所示，這樣的激光束分割部件能采用激光束分割部件的入射光學(xué)系統(tǒng)的光軸相對于波導(dǎo)的中心軸以給定的角度斜交配置的構(gòu)造。
如圖15、圖16A和圖16B所示，設(shè)定為入射到波導(dǎo)4內(nèi)的柱面透鏡的聚光透鏡34的光束的周邊成分①入射到波導(dǎo)4的入射面，在反射面反射一次，從出射面出射；來自聚光透鏡34的其他光束成分②、③、④分別被反射兩次、三次、四次，其他成分被更多次反射，從出射面射出。被射出、分割的光束在圖15的出射面一側(cè)，用反射次數(shù)m的數(shù)字1～8表示。
在圖16A和圖16B中，描述了出射面44上的平面中的光束截面的分割束的配置和出射面中分割束的重合。反射次數(shù)的順序表示了激光束截面中的分割束的配置的順序。因此，反射次數(shù)的順序差1的分割束彼此在照射面上容易干涉，所以在順序差1的分割束的任意一方中配置延遲板7作為空間的遲部件。如圖14所示，該延遲板的配置在y方向復(fù)制透鏡的焦點(diǎn)f位置，反射偶數(shù)次數(shù)(例如，m＝2、4、6)的分割束群對于奇數(shù)次數(shù)(m＝1、2、3)的分割束群，偏向一方，所以通過在反射偶數(shù)次數(shù)m＝2、4、6的分割束全體中插入單一的延遲板72，能簡單地防止相鄰的分割束彼此的干涉。
在圖16A和圖16B中，如上述的實(shí)施例所述，分割束的寬度d被設(shè)定為大于、等于空間的干涉距離s的1/2，希望在 以上，特別是大于、等于1個(gè)s。
圖17表示不形成在波導(dǎo)4內(nèi)直線前進(jìn)的分割束的其他變形例。本例子中，使波導(dǎo)4的光軸40與聚光透鏡34的光軸30一致，但是通過使波導(dǎo)4的入射面43不與光軸正交，以適當(dāng)?shù)慕嵌刃苯唬剐苯坏娜肷涿?3上的入射光束13折射，也能得到?jīng)]有0次反射，而有1次、2次、3次等的反射的分割束。在本例子中，通過在y方向復(fù)制透鏡的焦點(diǎn)f位置，在偶數(shù)次反射(例如m＝2、4、6)的分割束或奇數(shù)次反射(例如m＝1、3、5)的分割束中集中插入一個(gè)延遲板71，就能設(shè)置彼此相鄰的分割束間的光程差。
實(shí)施例4本實(shí)施例表示應(yīng)用所述實(shí)施例2的柱面透鏡陣列作為分割部件和把所述延遲板作為延遲通過該柱面透鏡陣列分離的分割束的光學(xué)延遲部件、防止干涉的例子。
圖18A和圖18B中，在從分割用的柱面透鏡陣列5在y方向上分割出的分割束15a～15e中插入了延遲板7作為光學(xué)延遲部件。本例子各延遲板7被插入隔一個(gè)分割束的分割束15a、15c、15d中，在其他的分割束15b、15d中不插入。據(jù)此，限制了彼此相鄰的分割束間(例如，分割束15a和15b之間，或分割束15b和15c)的照射面90上的干涉，能使由重合的照射光束產(chǎn)生的干涉的強(qiáng)度分布均勻化。
圖19是圖18A和18B所示的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的變形例，但是分割用的柱面透鏡陣列5的分割束和它的前方的復(fù)制用柱面透鏡陣列51的前方的焦點(diǎn)位置處分別配置一對延遲板73和74。在本例子中，因?yàn)樵趶?fù)制用柱面透鏡陣列51的前后配置了兩個(gè)延遲板73和74，所以能使延遲板的被復(fù)制面與復(fù)制面為共軛關(guān)系，據(jù)此，具有能使照射面上的衍射的影響最小的優(yōu)點(diǎn)。
圖20是圖18B所示的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的變形例，只是，把插入了延遲板7的分割束的復(fù)制用柱面透鏡陣列51的微小透鏡512和不插入延遲板7的分割束的復(fù)制用柱面透鏡陣列51的微小透鏡511制作為具有不同的焦點(diǎn)距離，使它們在照射面上的成像變?yōu)橐粯?。通過在由分割用柱面透鏡陣列5于y方向上排列、分割得到的分割束的每隔一個(gè)分割束中插入調(diào)整光程長用的延遲板7，對于不插入延遲板的分割束，產(chǎn)生了焦點(diǎn)位置f的偏移，但是用復(fù)制用柱面透鏡陣列51的各微小透鏡的焦點(diǎn)距離來補(bǔ)償焦點(diǎn)f的位置偏移，據(jù)此，能使照射面上成像的各分割束的強(qiáng)度分布均勻化。
實(shí)施例5在本實(shí)施例中，應(yīng)用旋光部件作為均勻化部件，防止彼此相鄰的分割束在照射面上的干涉，實(shí)現(xiàn)均勻化。本光學(xué)系統(tǒng)表示包含作為激光束分割部件的波導(dǎo)、作為重合照射部件的柱面透鏡陣列和作為均勻化部件的旋光部件的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)。本光學(xué)系統(tǒng)形成在照射面上，在y方向以均勻的分布擴(kuò)展，在x方向?yàn)榫€狀匯聚的直線狀的照射輪廓。激光束分割部件3利用波導(dǎo)4，把激光束分割為所希望數(shù)量的分割束，通過重合照射部件把分割束在照射面上成像為直線狀的輪廓。
本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)中，所述的均勻化部件包含使由所述的波導(dǎo)形成的分割束中彼此相鄰的相鄰分割束中的任意一方相對于另一方，偏振面的角度實(shí)質(zhì)上正交的旋光部件。該旋光部件使來自彼此相鄰的區(qū)域的分割束的偏振面彼此正交，防止分割束彼此的干涉。
旋光部件進(jìn)行旋光，使偏振面的相對角度實(shí)質(zhì)上正交，從而使彼此相鄰的兩個(gè)分割束達(dá)到彼此實(shí)質(zhì)上不發(fā)生干涉的程度，希望利用由石英構(gòu)成的半波長板。
在圖21A和21B中，在波導(dǎo)4的前方的y方向復(fù)制透鏡61(柱面透鏡)的前方形成焦點(diǎn)f，把半波長板8作為旋光部件配置在該焦點(diǎn)位置。在本例子中，來自波導(dǎo)4的五個(gè)分割束中，只在反射次數(shù)m＝0、m＝+2和m＝-2的三個(gè)分割束中插入半波長板7，在m＝+1和m＝-1的其他反射次數(shù)的分割束中不插入。該結(jié)構(gòu)在排列在y方向的分割束的每隔一個(gè)中插入半波長板。據(jù)此，參照圖2和圖3A，只在彼此相鄰的兩個(gè)分割束中的任意一方中插入半波長板8，使其偏振角相對于另一方的分割束實(shí)質(zhì)上正交。據(jù)此，在彼此相鄰的任意組合的兩個(gè)分割束中，即使在照射面90上重合，也不會發(fā)生干涉。因此，與所述分割寬度的限制一起，通過實(shí)質(zhì)上偏振面不同的光束的重合，改善了照射光束的均勻性。
本實(shí)施例作為均勻化部件，使排列在y方向的分割束每隔一個(gè)中插入半波長板8，所以有必要在半波長板8、8之間設(shè)置間隙，使其他分割束透過，該半波長板的配置和構(gòu)造有些復(fù)雜。
為了解決這個(gè)問題，在圖22所示的構(gòu)造中，特別是通過配置在y方向復(fù)制透鏡61的出射一側(cè)的焦點(diǎn)位置f處的遮蔽體89遮斷反射次數(shù)m＝0的直線前進(jìn)的光束。m＝0的直線前進(jìn)的光束不到達(dá)照射面，所以它對干涉沒貢獻(xiàn)。因此，作為旋光部件，把一塊半波長板8插入對于直線前進(jìn)的光束(m＝0)對稱配置的分割束群(m＝+1、-2)或(m＝-1、+2)的任意一方中，另一方的分割束組不配置旋光部件。據(jù)此，減輕了照射面90上的分割束19彼此間的干涉，并且旋光部件8能利用使一方的分割束組(m＝+1、-2)一起透過的一塊半波長板82，具有能簡化光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。
遮蔽體89能利用吸收或使激光束反射的固體，例如石墨、陶瓷、金屬等，也能把遮蔽體89與所述單一的旋光部件82組裝為一體，配置在y方向復(fù)制透鏡61的焦點(diǎn)位置f。
圖22的所述變形例通過遮蔽體89遮斷了中心的分割束m＝0，但是因?yàn)檎跀嗟闹行牡墓馐鴐＝1具有相當(dāng)大的能量，所以不利用它會導(dǎo)致效率下降，在這一點(diǎn)上是不經(jīng)濟(jì)的。
因此，下一個(gè)變形例中，入射激光的光軸相對于波導(dǎo)與其反射面41、42間的中心軸斜交，如所述實(shí)施例3的圖14～圖16已經(jīng)表示的那樣，不生成在反射面41、42間不反射而通過的分割束。這時(shí)，用反射次數(shù)m劃分的分割束的對稱性被破壞，如圖23所示，波導(dǎo)的光束分割被分離為從一次反射的分割束(m＝1)到數(shù)次反射(在本例子中，到6次(m＝6))的分割束，防止兩個(gè)以上的反射分割束反射相同的次數(shù)。并且從圖23可知，奇數(shù)次反射m＝1、3、5和偶數(shù)次反射m＝2、4、6的分割束在焦點(diǎn)位置f集中為一組，所以不用放棄利用圖22所示的無反射的分割束(m＝0)，使用單一的旋光部件8就能簡單配置奇數(shù)次反射m＝1、3、5或偶數(shù)次反射m＝2、4、6的分割束，如圖23所示，通過只在反射是偶數(shù)次數(shù)的分割束組中插入單一的旋光部件82，就能使彼此相鄰的分割束組的偏振面實(shí)質(zhì)上正交，具有能簡單地實(shí)現(xiàn)防止彼此干涉的優(yōu)點(diǎn)。
作為所述的圖23的其他變形例，圖24所示的光學(xué)系統(tǒng)由實(shí)心的透光體構(gòu)成波導(dǎo)4，形成該波導(dǎo)4的入射面43，使它與波導(dǎo)4的中心軸不正交，而是適當(dāng)?shù)匦苯?，使來自所述光源一?cè)的所述聚光透鏡34的激光束12入射到斜交入射面43上，并折射。結(jié)果，能使入射的光束在反射面41、42之間至少反射一次，與圖23同樣，不生成不反射而通過的分割束(m＝0)，能設(shè)定反射次數(shù)一次一次增加的分割束，這時(shí)用單一的半波長板劃分為只有偶數(shù)次反射的分割束或奇數(shù)次反射的分割束，能統(tǒng)一使這些劃分的分割束群偏振。這時(shí)，因?yàn)榕c波導(dǎo)的中心軸共軸配置聚光透鏡34的光軸，所以光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組裝是容易的，并且能實(shí)現(xiàn)與圖23同樣的效果。
在所述實(shí)施例中，旋光部件在所述例子中，在相鄰的分割束中插入半波長板，防止彼此干涉。但是半波長板同時(shí)實(shí)質(zhì)上延長了該分割束的光程長，所以在插入了半波長板的分割束和未插入半波長板的分割束之間產(chǎn)生光程長的差。這樣，如果兩種分割束的光程長不同，則照射面上的照射光束的成像位置彼此偏移，照射面上的光束強(qiáng)度輪廓變得不鮮明，特別是取線狀輪廓時(shí)，寬度方向強(qiáng)度分布擴(kuò)展。下面，表示插入為此的光程長補(bǔ)償板、防止產(chǎn)生光程差的例子。
圖25使用圖21B所示的波導(dǎo)分割光束，在y方向復(fù)制透鏡61的焦點(diǎn)位置f，如上所述，在每隔一個(gè)分割束中插入半波長板8、8。本例子對不插入半波長板的另一方的分割束插入延長光程長的延遲板83作為光程長補(bǔ)償部件。本例子使用光學(xué)玻璃板作為延遲板83，其厚度設(shè)定為使產(chǎn)生與由半波長板產(chǎn)生的光程長相同。在照射面上，不產(chǎn)生這些分割束間彼此的光程差，能確保照射輪廓的鮮明度。
圖26是在圖23的例子中應(yīng)用了延遲板83的例子，在y方向復(fù)制透鏡61的焦點(diǎn)位置f，在偶數(shù)次反射的分割束(m＝2、4、6)組中，如上所述，統(tǒng)一插入單一的半波長板82，在另一方的奇數(shù)次反射的分割束(m＝1、3、5)組中不插入單一的延遲板83，消除了光束群之間的光程差。本例子特別的優(yōu)點(diǎn)是能使單一的半波長板82和單一的延遲板83一體化，簡單地配置在所述焦點(diǎn)f的位置。
實(shí)施例6本實(shí)施例表示應(yīng)用旋光部件作為均勻化部件、應(yīng)用柱面透鏡陣列作為激光束分割部件的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的例子。
在圖27中，圖示出用于使來自激光振蕩器(未圖示)的激光束1入射到柱面透鏡陣列5中的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包含用于產(chǎn)生平行光束的擴(kuò)束透鏡31、y方向準(zhǔn)直透鏡32和x方向準(zhǔn)直透鏡33，來自準(zhǔn)直透鏡33的平行光束入射到柱面透鏡陣列5。柱面透鏡陣列5指的是在圖中x方向?yàn)橹鶢?、向著光軸把截面凸透鏡層疊在y方向的透鏡，但是由5級微小的柱面透鏡5a～5e構(gòu)成，據(jù)此，形成了五個(gè)分割束15a～15e。
來自分割用的柱面透鏡陣列5的在y方向上的分割束入射到配置在它前方的另外的復(fù)制用柱面透鏡陣列51，來自制用柱面透鏡陣列51的分割束通過在x方向聚光的聚光透鏡62(柱面透鏡)投射到照射面90上，形成具有在y方向均勻、在x方向匯聚得很細(xì)的線狀輪廓的照射光束19。物鏡63配置在復(fù)制用柱面透鏡陣列51和聚光透鏡62之間。
半波長板8作為旋光部件被插入從分割用的柱面透鏡陣列5在y方向分割的分割束15a～15e中，但是半波長板7被插入每隔一個(gè)的分割束15a、15c、15d中，在其他的分割束15b、15d中不插入。據(jù)此，彼此相鄰的分割束間(例如，分割束15a和15b之間，分割束15b和15c或其他相鄰的分割束間)，偏振角度實(shí)質(zhì)上正交，抑制了在照射面90上的干涉，能使重合的照射光束19的干涉產(chǎn)生的強(qiáng)度分布均勻化。
別的變形例表示出了半波長板還包括光程長補(bǔ)償部件的例子，圖28是在圖27A和圖27B所示的光學(xué)系統(tǒng)中，在不插入旋光部件的相應(yīng)的另一方的分割束(在本例子中，15b、15d)中插入延遲板83的玻璃體作為光程長補(bǔ)償部件的例子。如上所述，所述一方的分割束被配置了半波長板8作為旋光部件，但是半波長板8的插入延長了該分割束的光程長。如果兩種分割來的光程長不同，照射面上的成像位置就彼此偏移，輪廓變得不鮮明。為了進(jìn)行修正，在另一方的分割束中插入延長光程長的延遲板83作為補(bǔ)償光程長的部件。本例子把延遲板83的光學(xué)玻璃板設(shè)定為產(chǎn)生與由半波長板8產(chǎn)生的光程長相同的厚度。因?yàn)閳D27的配置交替排列半波長板8和延遲板83，所以交替并且一體地連接半波長板8和延遲板83，能形成一體的均勻化部件。
圖29是在圖27所示的激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)制用柱面透鏡陣列51中，把插入了半波長板7的分割束的微小透鏡512和不插入半波長板7的分割束的微小透鏡511制作為具有不同的焦點(diǎn)距離，使它們在照射面90上的成像變?yōu)橐粯?。通過在由分割用柱面透鏡陣列5分割、排列在y方向的分割束的每隔一個(gè)分割束中插入旋轉(zhuǎn)偏振面用的半波長板8，對于不插入半波長板的分割束，產(chǎn)生了焦點(diǎn)f位置的偏移，但是本例子用復(fù)制用柱面透鏡陣列51的各微小透鏡的焦點(diǎn)距離補(bǔ)償焦點(diǎn)位置的偏移，據(jù)此，能使照射面上成像的各分割束的強(qiáng)度分布均勻化。
實(shí)施例7在本實(shí)施例中表示的激光束照射的光學(xué)系統(tǒng)由分割來自激光光源的激光束的激光束分割部件和在照射面上重合照射分割束的重合照射部件構(gòu)成，重合照射部件在向照射面上復(fù)制各分割束時(shí)，各分割束在照射面上彼此錯(cuò)開，即彼此位移，形成照射光束。
本實(shí)施例利用波導(dǎo)作激光束分割部件，重合照射部件把來自激光束分割部件的分割束彼此偏移地照射到照射面90上，據(jù)此，防止照射面上的分割束的彼此干涉，謀求照射光束的均勻化。
在本實(shí)施例中，圖30A和圖30B中，激光束分割部件包括用于使來自激光振蕩器的激光束1入射到波導(dǎo)4內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)，包含用于產(chǎn)生平行光束的擴(kuò)束透鏡31、y方向準(zhǔn)直透鏡32和x方向準(zhǔn)直透鏡33，還包含在y方向上聚光、并使其入射到波導(dǎo)4內(nèi)的柱面透鏡的聚光透鏡34。
波導(dǎo)4中，彼此相對的平行主表面具有反射面41、42，反射面41、42在該圖中與y方向垂直，入射面43和出射面44與光學(xué)軸正交(與y方向平行)。由所述的實(shí)施例1的圖2和3可知，從入射面43入射的激光束1被分離為在反射面不反射而通過的成分(m＝0)和在反射面反射的成分，反射的成分被分離為只反射一次(m＝1)的成分、反射兩次(m＝2)以及反射三次的分割束成分。
來自波導(dǎo)4的分割束通過重合照射部件6重合投射到照射面90上，但是重合照射部件6由在y方向把分割束復(fù)制到照射面上的y方向復(fù)制透鏡61(柱面透鏡)和在x方向聚光的聚光透鏡62(柱面透鏡)構(gòu)成。
y方向的復(fù)制透鏡61通過x方向聚光透鏡62，在照射面90上，在y方向延伸規(guī)定的長度，x方向聚光透鏡62使光束在x方向匯聚為線狀，據(jù)此，在照射面上取得了直線狀輪廓的照射光束19。
在本實(shí)施例中，如圖30B所示，作為重合照射部件，利用配置在波導(dǎo)4的前方的復(fù)制透鏡61的像差，在照射面90上，使各分割束16a～16s彼此在y方向稍微錯(cuò)開照射，據(jù)此，如圖30C所示意地表示的那樣，使照射面90上合成的照射光束19的y方向的兩端部的重合錯(cuò)開，使它的強(qiáng)度分布為階梯狀，減輕了大的干涉，在均勻的照射范圍中，能取得干擾少的強(qiáng)度均勻的照射光束。
圖31A和圖31B的例子如實(shí)施例3的圖14所示，由透明固體形成波導(dǎo)4，使它的入射面43與之軸向斜交，使入射的激光束折射，從出射面射出由反射面反射一次(m＝1)的光束、反射兩次(m＝2)的光束、反射3次(m＝3)以至6次(m＝6)的光束，通過y方向聚光透鏡61和x方向聚光透鏡62把分割束照射在照射面90上，但是與圖30A和圖30B同樣，利用y方向聚光透鏡61的透鏡像差，使分割束在圖中的照射面90上，在y方向錯(cuò)開照射，據(jù)此，防止了照射面上的分割束彼此的干涉，謀求照射光束的均勻化。
下面的變形例說明的是在使用包括柱面透鏡陣列的激光束分割部件的光學(xué)系統(tǒng)中、由重合照射部件在照射面上把各分割的激光束相互偏移地復(fù)制、形成照射光束的激光束照射的光學(xué)系統(tǒng)。
圖32A和圖32B包含放大激光束的擴(kuò)束透鏡31、y方向準(zhǔn)直透鏡32和x方向準(zhǔn)直透鏡33，使平行光束入射到分割用的柱面透鏡陣列5中。通過柱面透鏡陣列5分割的光束15a～15e通過復(fù)制用的柱面透鏡陣列51、y方向物鏡(柱面透鏡)63和x方向聚光透鏡62，在照射面上取得在y方向延伸的線狀輪廓的照射光束19。而且，調(diào)節(jié)該物鏡63，使來自激光束分割部件的分割束16a～16e彼此錯(cuò)開地照射到照射面90上，得到照射光束19，據(jù)此，防止照射面上的分割束的彼此干涉，謀求照射光束在y方向的強(qiáng)度均勻化。這時(shí)，如圖30C所示，照射輪廓的y方向的兩端部表現(xiàn)出階梯狀的強(qiáng)度分布，能在其間得到表現(xiàn)均勻分布的照射光束范圍。
如圖33A和圖33B所示，本實(shí)施例的變形例在分割用柱面透鏡陣列5和復(fù)制用柱面透鏡陣列51之間配置延遲板7作為光學(xué)延遲部件，減少激光束截面上彼此相鄰的分割束在照射面上的干涉。本例子中，通過形成因物鏡63產(chǎn)生的重合時(shí)的各分割束的偏移而導(dǎo)致干涉的減輕，和因光學(xué)延遲產(chǎn)生的各分割束間的干涉的減輕的相乘效果起作用，具有能進(jìn)一步降低干涉引起的強(qiáng)度分布的變動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。
在本實(shí)施例中，在光學(xué)延遲部件中，在排列的多個(gè)分割束中每隔一個(gè)分割束配置透光性延遲板7。通過使相鄰的分割束的任意一方的光束透過延遲板7，在相鄰的分割束間形成空間的干涉距離以上的光程差。
下面，說明在均勻化部件中利用使所述分割束的彼此相鄰的分割束的一方相對于另一方的偏振方向?qū)嵸|(zhì)上正交的偏振部件的例子。圖34所示的例子使激光束從激光源到擴(kuò)束透鏡31之間預(yù)先通過旋光板71，在由分割用柱面透鏡陣列5在y方向分割的分割束15a～15e中插入半波長板8作為旋光部件。但是半波長板8被插入每隔一個(gè)的分割束15a、15c、15d中，在其他的分割束15b、15d中不插入。據(jù)此，彼此相鄰的分割束間(例如，分割束15a和15b之間，分割束15b和15c或其他相鄰的分割束間)，偏振角度實(shí)質(zhì)上正交，抑制了在照射面90上的干涉，能使基于重合的照射光束19的干涉的強(qiáng)度分布均勻化。在本例子中，在y方向被分割的每隔一個(gè)光束中插入了半波長板7，把偏振光通過復(fù)制用透鏡照射到照射面90上，但是，這里通過調(diào)節(jié)物鏡63，使各分割束在照射面上的y方向錯(cuò)開重疊，防止分割束間的干涉。表示錯(cuò)開光束照射在照射面90上時(shí)的照射光束19的強(qiáng)度分布，但是在y方向的照射光束19的兩端部，強(qiáng)度分布降低為階梯狀，但是除了兩端部之外的主要部分取得了干涉少的均勻分布。
權(quán)利要求
1.一種激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)，包括把來自激光光源的激光束在光束截面中、在空間上分割為分割束的激光束分割部件；以及把分割束重合照射在照射面上的重合照射部件；其特征在于所述激光束分割部件使所述的分割束寬度大于、等于激光束截面的截面方向的空間干涉距離的1/2倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述的激光分割寬度大于、等于空間干涉距離。
3.一種激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)，包括把來自激光光源的激光束在光束截面中、在空間上分割為分割束的激光束分割部件；把分割束重合照射在照射面上的重合照射部件；以及使照射面上的光束強(qiáng)度均勻的均勻化部件；其特征在于所述均勻化部件包括使所述分割的光束的彼此相鄰的相鄰分割束的一方相對于另一方延遲比該激光束的時(shí)間的干涉距離還長的光學(xué)延遲部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述光學(xué)延遲部件是配置在把多個(gè)分割束在空間上分離的區(qū)域中的延遲板，使該空間上分離的相鄰分割束中的某一束透過。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述激光束分割部件是具有彼此相對的反射面的一維方向的波導(dǎo)，所述重合照射部件包括把來自激光束分割部件的分割束復(fù)制到照射面上的復(fù)制透鏡，以及各延遲板配置在分割束的復(fù)制透鏡的焦點(diǎn)位置附近。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中配置入射激光的光軸相對于波導(dǎo)與其反射面間的中心軸斜交，使得在反射面間不產(chǎn)生不反射而通過的光，使彼此相鄰的兩組照射光束的任意一個(gè)通過單一的延遲板。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述激光束分割部件是一維分割激光束的分割用的柱面透鏡陣列；所述延遲板被配置在空間上分離了由所述的分割用的柱面透鏡陣列形成的多個(gè)分割束的區(qū)域中，使彼此相鄰的分割束的任意一個(gè)透過。
8.一種激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)，包括把來自激光光源的激光束在光束截面中、在空間上分割為分割束的激光束分割部件；把分割束重合照射在照射面上的重合照射部件；以及使照射面上的光束強(qiáng)度均勻的均勻化部件；其特征在于所述均勻化部件包括使所述分割了的光束的彼此相鄰的相鄰分割束的一方相對于另一方的偏振方向?qū)嵸|(zhì)上正交的旋光部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述旋光部件是被配置在空間上分離了多個(gè)分割束的區(qū)域中的旋光部件，用于使該空間上分離的相鄰分割束的任意一方的偏振方向?qū)嵸|(zhì)上正交。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述激光束分割部件是具有彼此相對的反射面的一維方向的波導(dǎo)，所述重合照射部件包含把來自激光束分割部件的分割束復(fù)制到照射面上的復(fù)制透鏡，以及所述旋光板配置在分割束的復(fù)制透鏡的焦點(diǎn)位置附近。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中入射激光的光軸與所述波導(dǎo)的反射面間的中心軸斜交，使在反射面間不產(chǎn)生不反射而通過的分割束。
12.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述激光束分割部件是一維分割激光束的分割用的柱面透鏡陣列，所述旋光板被配置在空間上分離了由分割用的柱面透鏡陣列形成的多個(gè)分割束的區(qū)域中，使彼此相鄰的分割束的任意一方相對于另一方的偏振方向正交。
13.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中配置了插入到所述另一方的分割束中，用于使另一方的分割束的光程長與所述一方的分割束的光程長實(shí)質(zhì)上相同的光程長補(bǔ)償板。
14.一種激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)，包括把來自激光光源的激光束在光束截面中、在空間上分割為分割束的激光束分割部件；以及把分割束重合照射在照射面上的重合照射部件；其特征在于所述重合照射部件使各分割束在照射面上彼此位移、復(fù)制，形成照射光束。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述激光束分割部件包含具有彼此相對的反射面的一維方向的波導(dǎo)或分割用的柱面透鏡陣列，以及所述重合照射部件是具有透鏡像差的柱面透鏡。
全文摘要
激光束均勻照射的光學(xué)系統(tǒng)，包括把來自光源的激光束在空間上分割為分割束的波導(dǎo)；把分割束重合照射在照射面上的重合用透鏡；使照射面上的光束強(qiáng)度均勻的延遲板。波導(dǎo)使分割束寬度為激光束截面上的空間干涉距離的1/2倍以上；延遲板使分割出的彼此相鄰的分割束間延遲比該激光束的時(shí)間的干涉距離還長，減輕照射面上的干涉。另一光學(xué)系統(tǒng)包括把激光束分割為分割束的激光束分割部件；把分割束重合照射在照射面上的重合照射部件；使照射面上的光束強(qiáng)度均勻的均勻化部件。均勻化部件包括使分割出的彼此相鄰的分割束之間延遲比該激光束的時(shí)間的干涉距離還長的光學(xué)延遲部件，還可包括使分割出的彼此相鄰的分割束之間偏振方向?qū)嵸|(zhì)上正交的旋光部件。
文檔編號G02B27/10GK1448753SQ03108378
公開日2003年10月15日 申請日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月28日
發(fā)明者岡本達(dá)樹, 森川和敏, 佐藤行雄, 西前順一, 小川哲也 申請人:三菱電機(jī)株式會社