JP2005275325A - 画像露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 空間光変調素子とマイクロレンズアレイとを組み合わせて用いる画像露光装置において、装置の光学性能に悪影響を与えずに、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズで集光された光の周囲に迷光が生じることを防止する。
【解決手段】 マイクロレンズアレイ６４の前段に、マイクロレンズアレイ６４と空間的に離間されて配された開口アレイ６６を設ける。開口アレイ６６の各開口６６ａの大きさは、その開口６６ａに対応するＤＭＤ３４上のマイクロミラー７４の中心に近い部分で反射された光の成分の、少なくとも０次光および±１次回折光を、第１結像光学系５２の開口数に対応する拡がり成分まで含めて通過させられる程度に大きくされている。
【選択図】 図５

Description

本発明は画像露光装置に関し、特に詳細には、露光ヘッドを備え、その露光ヘッドにより所望のパターンを感光材料上に露光する画像露光装置に関するものである。

従来、露光ヘッドを備え、その露光ヘッドにより所望のパターンを感光材料上に露光する画像露光装置が知られている。この種の画像露光装置の露光ヘッドは、基本的に、光源と、その光源から照射された光を、制御信号に応じて各々独立に変調する多数の画素部が配列されてなる空間光変調素子と、その空間光変調素子により変調された光による像を感光材料上に結像する結像光学系とを備えてなるものである。この基本的構成は、たとえば非特許文献１に記載されている。

また、画像露光装置の露光ヘッドの別の構成として、たとえば特許文献１に記載されるように、光源と、多数のマイクロミラーを備えた光変調素子としてのデジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、「ＤＭＤ」と呼ぶ）と、その多数のマイクロミラーにより変調された各光線を拡大する拡大光学系と、変調および拡大された各光線に対応する多数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイとを備えた構成も知られている。そのようなマイクロレンズアレイを用いた構成によれば、感光材料上に露光される画像のサイズを拡大しても、空間光変調素子の各画素部からの光はマイクロレンズアレイの各マイクロレンズによって集光されるので、感光材料上における露光画像の画素サイズ（各光線のスポットサイズ）は絞られて小さく保たれ、画像の鮮鋭度を高く保つことができるという利点がある。なお、上記の構成において空間光変調素子として用いられているＤＭＤとは、制御信号に応じて反射面の角度が各々独立に変化させられる多数のマイクロミラーが、シリコン等の半導体基板上に配列されてなるミラーデバイスである。
特開２００１−３０５６６３号公報 石川明人"マスクレス露光による開発短縮と量産適用化"、「エレクロトニクス実装技術」、株式会社技術調査会、Vol.18、No.6、2002年、p.74-79

しかしながら、空間光変調素子とマイクロレンズアレイとを組み合わせて用いる画像露光装置においては、上記のような利点がある一方、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズで集光された光の周囲に迷光が生じるという問題があった。このような迷光が感光材料まで到達してしまうと、露光画像の鮮鋭度を低下させる等の問題を招く。

本発明は、上記事情に鑑み、空間光変調素子とマイクロレンズアレイとを組み合わせて用いる画像露光装置において、装置の光学性能に悪影響を与えずに、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズで集光された光の周囲に迷光が生じることを防止することを目的とするものである。

すなわち、本発明の画像露光装置は、露光ヘッドを備え、その露光ヘッドにより所望のパターンを感光材料上に露光する画像露光装置であって、上記の露光ヘッドが、光源と、その光源からの光を各々独立に変調する多数の画素部が配列された空間光変調素子と、それら多数の画素部により変調された多数の光線の各々を集光し、同一の焦点面上に結像させる結像光学系と、その結像光学系を通過した多数の光線の各々に対応する多数の開口が配列された開口アレイと、上記の焦点面上に配され、上記の開口アレイを通過した多数の光線の各々に対応する多数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイとを、光路上においてこの順番に備えてなり、上記の開口アレイと上記のマイクロレンズアレイとが空間的に離間されて配されており、上記の多数の開口の各々の半径Ｒ、開口アレイとマイクロレンズアレイの前面との距離ｄ_１、その前面と上記の焦点面との距離ｄ_２、上記の結像光学系から射出する多数の光線の各々の、上記の空間光変調素子からの０次光の光線中心と１次回折光の光線中心とがなす角度θ_１、その０次光の最大錐角の半角θ_２、上記の開口アレイと上記のマイクロレンズアレイの間の媒質の屈折率ｎ_１および上記のマイクロレンズの各々を構成する材料の屈折率ｎ_２の間に、
Ｒ≧ｄ_１（ｔａｎθ_１＋ｔａｎθ_２）＋ｄ_２（ｔａｎθ_１’＋ｔａｎθ_２’）
ただし、θ_１’＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_１／ｎ_２×ｓｉｎθ_１）
θ_２’＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_１／ｎ_２×ｓｉｎθ_２）
の関係が成り立つことを特徴とするものである。

ここで、本発明において、マイクロレンズアレイが結像光学系の「焦点面上に配され」ているとは、結像光学系の焦点面が、マイクロレンズアレイの前面上あるいは後面上、またはそれらの前面と後面の間に存在することを意味するものである。また、マイクロレンズアレイの前面（または後面）とは、各マイクロレンズの前面（または後面）が凸面である場合には、それらの凸面の頂点に接する面を指すものとする。マイクロレンズアレイおよびマイクロレンズのいずれについても、「前面」とは光源や結像光学系に近い側の入射面を指し、「後面」とは光源や結像光学系から遠い側の出射面を指す。

上記の本発明の画像露光装置において、上記の開口の半径Ｒは、各画素部の短辺の長さと上記の結像光学系の倍率との積の１／２以下であることが好ましい。ここで、「画素部の短辺の長さ」とあるが、たとえば各画素部が正方形状である場合には、これは等しい一辺の長さを指すものである。

また、上記の空間光変調素子は、上記の多数の画素部として光源からの光を反射する多数のマイクロミラーを備えたデジタル・マイクロミラー・デバイスであってもよい。その場合、上記の開口の半径Ｒは、各マイクロミラーの形状的歪みの変化量が大きい周縁部からの反射光（少なくとも０次光）を遮断できる程度に小さいものであることがさらに好ましい。

さらに、上記の本発明の画像露光装置においては、上記の多数のマイクロレンズの各々が、前面が平面、後面が凸面の平凸レンズであって、上記の結像光学系の焦点面が、マイクロレンズアレイの後側のレンズ付け面と一致するものであってもよい。

また、上記の本発明の画像露光装置は、上記のような露光ヘッドを複数備えているものであってもよい。

本発明の画像露光装置によれば、マイクロレンズアレイの前段に開口アレイを設けたことによって、空間光変調素子の対応画素部の隣接画素部からきた光などの、迷光の原因となる成分を遮断することができる。これにより、各マイクロレンズで集光された光の周囲に迷光が生じることを防止して、感光材料上に、歪みのない高精細な画像を露光することができる。

また、上記の開口アレイは、マイクロレンズアレイと空間的に離間されて配されているので、光により開口アレイの構成部材が熱を帯びても、その熱がマイクロレンズアレイにほとんど伝わらず、マイクロレンズアレイの光学性能に悪影響を及ぼすおそれがない。

さらに、各開口の半径Ｒ、開口アレイとマイクロレンズアレイの前面との距離ｄ_１、マイクロレンズアレイの前面と結像光学系の焦点面との距離ｄ_２、結像光学系から射出する多数の光線の各々の、空間光変調素子からの０次光の光線中心と１次回折光の光線中心とがなす角度θ_１、その０次光の最大錐角の半角θ_２、開口アレイとマイクロレンズアレイの間の媒質の屈折率ｎ_１およびマイクロレンズの各々を構成する材料の屈折率ｎ_２の間に、
Ｒ≧ｄ_１（ｔａｎθ_１＋ｔａｎθ_２）＋ｄ_２（ｔａｎθ_１’＋ｔａｎθ_２’）
ただし、θ_１’＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_１／ｎ_２×ｓｉｎθ_１）
θ_２’＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_１／ｎ_２×ｓｉｎθ_２）
の関係が成り立つように構成されているので、各マイクロレンズには、空間光変調素子の対応画素部の中心に近い部分で反射された光の成分の、少なくとも０次光および±１次回折光を、結像光学系の開口数に対応する拡がり成分まで含めて入射させることができ、迷光の原因となる成分を遮断しながら良好な結像性能を維持することができる。

また、開口アレイの各開口の半径Ｒを、空間光変調素子の各画素部の短辺の長さと結像光学系の倍率との積の１／２以下とした場合には、各開口は、対応画素部の中心に近い部分で反射された光を必要十分に透過させながら、隣接画素部からきた光に由来する迷光の原因となる成分を効果的に遮断するものとなる。

さらに、空間光変調素子として多数のマイクロミラーを備えたＤＭＤを用いた場合において、各開口の半径Ｒを、各マイクロミラーの形状的歪みの変化量が大きい周縁部からの反射光（少なくとも０次光）を遮断できる程度に小さいものとした場合には、各マイクロミラーの周縁部の形状的歪みに由来する迷光の原因となる成分を、必要十分な範囲で遮断することができる。

また、各マイクロレンズを、前面が平面、後面が凸面の平凸レンズとし、結像光学系の焦点面をマイクロレンズアレイの後側のレンズ付け面と一致させれば、Ｒ、ｄ_１およびｄ_２間の上記の条件式を満足させるための調整が容易になる。

さらに、上記の露光ヘッドを複数設けることとすれば、露光の効率を向上させることができる。

以下、図面により、本発明の１つの実施形態に係る画像露光装置について、詳細に説明する。

［画像露光装置の構成］
本実施形態に係る画像露光装置１０は、図１に示すように、シート状の感光材料１２を表面に吸着して保持する平板状の移動ステージ１４を備えている。４本の脚部１６に支持された厚い板状の設置台１８の上面には、ステージ移動方向に沿って延びた２本のガイド２０が設置されている。ステージ１４は、その長手方向がステージ移動方向を向くように配置されると共に、ガイド２０によって往復移動可能に支持されている。なお、この画像露光装置１０には、副走査手段としてのステージ１４をガイド２０に沿って駆動する後述のステージ駆動装置１１６（図１９参照）が設けられている。

設置台１８の中央部には、ステージ１４の移動経路を跨ぐようにコの字状のゲート２２が設けられている。コの字状のゲート２２の端部の各々は、設置台１８の両側面に固定されている。このゲート２２を挟んで一方の側にはスキャナ２４が設けられ、他方の側には感光材料１２の先端および後端を検知する複数（たとえば２個）のセンサ２６が設けられている。スキャナ２４およびセンサ２６はゲート２２に各々取り付けられて、ステージ１４の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ２４およびセンサ２６は、これらを制御する図示しないコントローラに接続されている。

スキャナ２４は、図２および図３（Ｂ）に示すように、ｍ行ｎ列（たとえば３行５列）の略マトリックス状に配列された複数（たとえば１４個）の露光ヘッド２８を備えている。この例では、感光材料１２の幅との関係で、３行目には４個のみの露光ヘッド２８を配置してある。なお、以下において、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の露光ヘッドを示す場合は、露光ヘッド２８_ｍｎと表記する。

各露光ヘッド２８による露光エリア３０は、副走査方向を短辺とする矩形状である。したがって、ステージ１４の移動に伴い、感光材料１２には露光ヘッド２８ごとに帯状の露光済み領域３２が形成される。なお、以下において、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の露光ヘッドによる露光エリアを示す場合は、露光エリア３０_ｍｎと表記する。

また、図３（Ａ）および（Ｂ）に示すように、帯状の露光済み領域３２が副走査方向と直交する方向に隙間なく並ぶように、ライン状に配列された各行の露光ヘッド２８の各々は、その配列方向に所定間隔（露光エリアの長辺の自然数倍、本実施形態では２倍）ずらされて配置されている。このため、１行目の露光エリア３０_１１と露光エリア３０_１２との間の露光できない部分は、２行目の露光エリア３０_２１と３行目の露光エリア３０_３１とにより露光することができる。

露光ヘッド２８_１１から２８_ｍｎの各々は、図４および図５に示すように、入射された光線を画像データに応じて各画素部ごとに変調する空間光変調素子として、米国テキサス・インスツルメンツ社製のＤＭＤ３４を備えている。このＤＭＤ３４は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた後述のコントローラ１１２（図１９参照）に接続されている。このコントローラ１１２のデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、各露光ヘッド２８ごとに、ＤＭＤ３４上の使用領域内の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。なお、ＤＭＤ３４上の使用領域については後述する。また、ミラー駆動制御部では、画像データ処理部で生成した制御信号に基づいて、各露光ヘッド２８ごとにＤＭＤ３４の各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、反射面の角度の制御については後述する。

図４に示すように、ＤＭＤ３４の光入射側には、光ファイバの出射端部（発光点）が露光エリア３０の長辺方向と対応する方向に沿って一列に配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源３６、ファイバアレイ光源３６から出射されたレーザ光を補正してＤＭＤ上に集光させるレンズ系３８、このレンズ系３８を透過したレーザ光をＤＭＤ３４に向けて反射するミラー４０がこの順に配置されている。なお図４では、レンズ系３８を概略的に示してある。

上記レンズ系３８は、図５に詳しく示すように、ファイバアレイ光源３６から出射した照明光としてのレーザ光Ｂを集光する集光レンズ４２、この集光レンズ４２を通過した光の光路に挿入されたロッド状オプティカルインテグレータ（以下、「ロッドインテグレータ」という）４４、およびこのロッドインテグレータ４４の前方つまりミラー４０側に配置された結像レンズ４６から構成されている。ロッドインテグレータ４４は、たとえば四角柱状に形成された透光性ロッドである。ファイバアレイ光源３６から出射したレーザ光Ｂは、ロッドインテグレータ４４の内部を全反射しながら進行するうちに、ビーム断面内強度分布が均一化され、平行光に近くかつビーム断面内強度が均一化された光束としてＤＭＤ３４に入射する。これにより、照明光強度の不均一をなくして、高精細な画像を感光材料１２に露光することができる。なお、ロッドインテグレータ４４の入射端面、出射端面には反射防止膜がコートされて、透過率が高められている。

上記レンズ系３８から出射したレーザ光Ｂはミラー４０で反射し、ＴＩＲ（全反射）プリズム４８を介してＤＭＤ３４に照射される。なお図４では、このＴＩＲプリズム４８は省略してある。

またＤＭＤ３４の光反射側には、ＤＭＤ３４で反射されたレーザ光Ｂを、感光材料１２上に結像する主光学系５０が配置されている。この主光学系５０は図４では概略的に示してあるが、図５に詳細を示すように、レンズ５４、５６からなる第１結像光学系５２と、レンズ６０、６２からなる第２結像光学系５８と、これらの結像光学系の間に挿入され、第１結像光学系５２の焦点面上に配されたマイクロレンズアレイ６４と、マイクロレンズアレイ６４の前段に配された第１の開口アレイ６６と、マイクロレンズアレイ６４の後段に配された第２の開口アレイ６８とから構成されている。

マイクロレンズアレイ６４は、ＤＭＤ３４の駆動される各マイクロミラーに対応する多数のマイクロレンズ６４ａが、２次元状に配列されてなるものである。本例では、後述するようにＤＭＤ３４の１０２４個×７６８列のマイクロミラーのうち１０２４個×２５６列だけが駆動されるので、それに対応させてマイクロレンズ６４ａは１０２４個×２５６列配置されている。なお、図５には３つのマイクロレンズ６４ａのみが図示されているが、これは説明のために簡略化して示したものである。マイクロレンズ６４ａの配置ピッチは縦方向、横方向とも４１μｍである。本実施形態では、各マイクロレンズ６４ａは、前面が平面、後面が凸面の平凸レンズであり、一例として焦点距離が０．１９ｍｍ、ＮＡ（開口数）が０．１１の、光学ガラスＢＫ７から形成された平凸レンズを用いることができる。なお、上記の例に限らず、両凸レンズ等を用いてもよい。また、各マイクロレンズ６４ａと、それらをアレイ状に連結する連結部分とを、同一の材料により一体成型してマイクロレンズアレイ６４としてもよいし、多数の開口を設けた基盤に、各マイクロレンズ６４ａをはめ込んでもよい。

また上記第１の開口アレイ６６および第２の開口アレイ６８は、主として迷光の除去を目的として、遮光性の材料からなる板に各マイクロレンズ６４ａに対応する多数の開口が設けられたもので、いずれもマイクロレンズアレイ６４から空間的に離間されて配されている。これらの第１の開口アレイ６６および第２の開口アレイ６８については、後に詳しく説明する。

上記第１結像光学系５２は、ＤＭＤ３４による像を３倍に拡大してマイクロレンズアレイ６４上に結像する。そして第２結像光学系５８は、マイクロレンズアレイ６４を経た像を１．６倍に拡大して感光材料１２上に結像、投影する。したがって全体では、ＤＭＤ３４による像が４．８倍に拡大されて感光材料１２上に結像、投影されることになる。

なお本実施形態では、第２結像光学系５８と感光材料１２との間にプリズムペア７０が配設され、このプリズムペア７０を図５中で上下方向に移動させることにより、感光材料１２上における像のピントを調節可能となっている。なお同図中において、感光材料１２は矢印Ｆ方向に副走査送りされる。

ＤＭＤ３４は図６に示すように、ＳＲＡＭセル（メモリセル）７２上に、各々画素（ピクセル）を構成する多数（たとえば１０２４個×７６８個）の微小ミラー（マイクロミラー）７４が格子状に配列されてなるミラーデバイスである。各ピクセルにおいて、最上部には支柱に支えられた矩形のマイクロミラー７４が設けられており、マイクロミラー７４の表面にはアルミニウム等の反射率の高い材料が蒸着されている。なお、本実施形態では、各マイクロミラー７４の反射率は９０％以上であり、その配列ピッチは縦方向、横方向とも一例として１３．７μｍである。各マイクロミラー７４の間には若干の隙間があるため、各マイクロミラー７４自体の寸法は、縦横共に１３．０μｍとなっている。ＳＲＡＭセル７２は、ヒンジおよびヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラインで製造されるシリコンゲートのＣＭＯＳのものであり、全体はモノリシックに構成されている。

ＤＭＤ３４のＳＲＡＭセル７２にデジタル信号が書き込まれると、支柱に支えられた各マイクロミラー７４が、対角線を中心としてＤＭＤ３４が配置された基板側に対して±α度（たとえば±１２°）のいずれかに傾けられる。図７（Ａ）は、マイクロミラー７４がオン状態である＋α度に傾いた状態を示し、図７（Ｂ）は、マイクロミラー７４がオフ状態である−α度に傾いた状態を示す。したがって、画像信号に応じて、ＤＭＤ３４の各ピクセルにおけるマイクロミラー７４の傾きを、図６に示すように制御することによって、ＤＭＤ３４に入射したレーザ光Ｂはそれぞれのマイクロミラー７４の傾き方向へ反射される。

なお図６には、ＤＭＤ３４の一部を拡大し、各マイクロミラー７４が＋α度又は−α度に制御されている状態の一例を示す。それぞれのマイクロミラー７４のオンオフ制御は、ＤＭＤ３４に接続された上記のコントローラ１１２によって行われる。また、オフ状態のマイクロミラー７４で反射したレーザ光Ｂが進行する方向には、光吸収体（図示せず）が配置されている。

また、ＤＭＤ３４は、その短辺が副走査方向と所定角度θ（たとえば、１°から５°）を成すように僅かに斜め向きに配置するのが好ましい。図８（Ａ）はＤＭＤ３４を斜め向きにしない場合の各マイクロミラーにより反射および変調された各光線（露光ビーム）７６の走査軌跡を示し、図８（Ｂ）はＤＭＤ３４を斜め向きにした場合の露光ビーム７６の走査軌跡を示している。

ＤＭＤ３４には、長手方向にマイクロミラー７４が多数個（たとえば１０２４個）配列されたマイクロミラー列が、短手方向に多数組（たとえば７６８組）配列されているが、図８（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ３４を斜め向きにすることにより、各マイクロミラーによる露光ビーム７６の走査軌跡（走査線）のピッチＰ_２が、ＤＭＤ３４を斜め向きにしない場合の走査線のピッチＰ_１より狭くなり、解像度を大幅に向上させることができる。一方、ＤＭＤ３４を斜め向きにする角度は微小であるので、ＤＭＤ３４を斜め向きにした場合の走査幅Ｗ₂と、ＤＭＤ３４を斜め向きにしない場合の走査幅Ｗ₁とは略同一である。

また、異なるマイクロミラー列により同じ走査線上が重ねて露光（多重露光）されることになる。このように、多重露光されることで、露光位置の微少量をコントロールすることができ、高精細な露光を実現することができる。また、主走査方向に配列された複数の露光ヘッド２８の間のつなぎ目を微少量の露光位置制御により段差なくつなぐことができる。

なお、ＤＭＤ３４を斜め向きにする代わりに、各マイクロミラー列を副走査方向と直交する方向に所定間隔ずらして千鳥状に配置しても、同様の効果を得ることができる。

ファイバアレイ光源３６は図９ａに示すように、複数（たとえば１４個）のレーザモジュール７８を備えており、各レーザモジュール７８には、マルチモード光ファイバ８０の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ８０の他端には、マルチモード光ファイバ８０より小さいクラッド径を有するマルチモード光ファイバ８２が結合されている。図９ｂに詳しく示すように、マルチモード光ファイバ８２のマルチモード光ファイバ８０と反対側の端部は副走査方向と直交する主走査方向に沿って７個並べられ、それが２列に配列されてレーザ出射部８４が構成されている。

マルチモード光ファイバ８２の端部で構成されるレーザ出射部８４は、図９ｂに示すように、表面が平坦な２枚の支持板８６に挟み込まれて固定されている。また、マルチモード光ファイバ８０の光出射端面には、その保護のために、ガラス等の透明な保護板が配置されるのが望ましい。マルチモード光ファイバ８０の光出射端面は、光密度が高いため集塵しやすく劣化しやすいが、上述のような保護板を配置することにより、端面への塵埃の付着を防止し、また劣化を遅らせることができる。

本実施形態では図１０に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファイバ８０のレーザ光出射側の先端部分に、長さ１ｍから３０ｃｍ程度のクラッド径が小さい光ファイバ８２が同軸的に結合されている。それらの光ファイバ８０、８２は、それぞれのコア軸が一致する状態で光ファイバ８２の入射端面を光ファイバ８０の出射端面に融着することにより結合されている。

マルチモード光ファイバ８０および光ファイバ８２としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、および複合型光ファイバの何れも適用可能である。たとえば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本実施形態において、マルチモード光ファイバ８０および光ファイバ８２はステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ８０は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２、入射端面コートの透過率＝９９．５％以上であり、光ファイバ８２は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２である。

ただし、光ファイバ８２のクラッド径は６０μｍには限定されない。従来のファイバ光源に使用されている多くの光ファイバのクラッド径は１２５μｍであるが、クラッド径が小さくなるほど焦点深度がより深くなるので、マルチモード光ファイバのクラッド径は８０μｍ以下が好ましく、６０μｍ以下がより好ましい。一方、コア径は少なくとも３から４μｍ必要であることから、光ファイバ８２のクラッド径は１０μｍ以上が好ましい。結合効率の点からは、光ファイバ８０と８２のコア径を一致させることが好ましい。

また、本発明においては、上述のようにクラッド径が互いに異なる２種類の光ファイバ８０および８２を融着（いわゆる異径融着）して用いることは必ずしも必要でなく、クラッド径が一定の光ファイバ（たとえば図９ａなら光ファイバ８０）を複数本そのままバンドル状に束ねてファイバアレイ光源を構成してもよい。

レーザモジュール７８は、図１１に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック８８上に配列固定された複数（たとえば７個）のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，およびＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１からＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６，およびＬ７と、１つの集光レンズ９０と、１本のマルチモード光ファイバ８０とから構成されている。なお、半導体レーザの個数は７個に限定されるものではなく、その他の個数が採用されてもよい。また、上述のような７個のコリメータレンズＬ１からＬ７に代えて、それらのレンズが一体化されてなるコリメータレンズアレイを用いることもできる。

ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１からＬＤ７は、発振波長がほぼ共通（たとえば、４０５ｎｍ）であり、最大出力もほぼ共通（たとえばマルチモードレーザでは１００ｍＷ、シングルモードレーザでは５０ｍＷ程度）である。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１からＬＤ７としては、３５０ｎｍから４５０ｎｍの波長範囲において、上記４０５ｎｍ以外の波長で発振するレーザを用いてもよい。

上記の合波レーザ光源７８は、図１２および図１３に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ９２内に収納されている。パッケージ９２は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋９４を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ９２の開口をパッケージ蓋９４で閉じることにより、それらによって形成される閉空間（封止空間）内に上記合波レーザ光源７８が気密封止されている。

パッケージ９２の底面にはベース板９６が固定されており、このベース板９６の上面には、上記のヒートブロック８８と、集光レンズ９０を保持する集光レンズホルダー９８と、マルチモード光ファイバ８０の入射端部を保持するファイバホルダー１００とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ８０の出射端部は、パッケージ９２の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。

また、ヒートブロック８８の側面にはコリメータレンズホルダー１０２が取り付けられており、そこにコリメータレンズＬ１からＬ７が保持されている。パッケージ９２の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１からＬＤ７に駆動電流を供給する配線１０４がパッケージ外に引き出されている。

なお、図１３においては、図の煩雑化を避けるために、複数のＧａＮ系半導体レーザのうちＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズＬ７にのみ番号を付している。

図１４は、上記コリメータレンズＬ１からＬ７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズＬ１からＬ７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、たとえば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズＬ１からＬ７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１からＬＤ７の発光点の配列方向（図１４の左右方向）と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。

一方ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１からＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々たとえば１０°、３０°の状態で各々レーザ光Ｂ１からＢ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１からＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。

したがって、各発光点から発せられたレーザ光Ｂ１からＢ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズＬ１からＬ７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。本実施形態では、各コリメータレンズＬ１からＬ７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザ光Ｂ１からＢ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズＬ１からＬ７の各々は、焦点距離ｆ₁＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。

集光レンズ９０は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズＬ１からＬ７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ９０は、焦点距離ｆ₂＝２３ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ９０も、たとえば樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。

次に、第１の開口アレイ６６および第２の開口アレイ６８の構成について、図１５から１８を用いて説明する。

図１５は、マイクロレンズアレイ６４、第１の開口アレイ６６および第２の開口アレイ６８を構成する、１組のマイクロレンズ６４ａ、開口６６ａおよび開口６６ｂの周辺を拡大して示した断面図である。図１５にはさらに、ＤＭＤ３４上の１つのマイクロミラーで変調され、第１結像光学系５２で集光された光線の０次光、＋１次回折光および−１次回折光の光線中心Ｃ_０、Ｃ_＋１およびＣ_−１の軌跡がそれぞれ示されている。上記のとおり、本実施形態では、各マイクロレンズ６４ａは、前面が平面、後面が凸面の平凸レンズである。面１０６は、マイクロレンズアレイ６４の後側のレンズ付け面であると同時に、第１結像光学系５２の焦点面でもある。図示のとおり、第１の開口アレイ６６とマイクロレンズアレイ６４の前面との距離をｄ_１、マイクロレンズアレイ６４の前面と第１結像光学系５２の焦点面（すなわち、本実施形態では面１０６）との距離をｄ_２、ＤＭＤ３４の対応マイクロミラーからの０次光の光線中心と±１次回折光の光線中心とがなす角度をθ_１、第１の開口アレイ６６とマイクロレンズアレイ６４の間の媒質（本実施形態では空気）の屈折率をｎ_１、マイクロレンズ６４ａを構成する材料の屈折率をｎ_２とすると、第１の開口アレイ６６の位置における０次光の光線中心と１次回折光の光線中心との距離ｓ_１は、

と表すことができる。

図１６の（Ａ）は、図１５と同じ１組のマイクロレンズ６４ａ、開口６６ａおよび開口６６ｂの周辺を拡大して示した断面図に、第１結像光学系５２の開口数に対応する、ＤＭＤ３４の対応マイクロミラーからの０次光の拡がり成分（斜線で示す）を、その光線中心Ｃ_０の軌跡と共に図示したものである。図示のとおり、第１結像光学系５２の開口数に対応する０次光の拡がり成分の最大錐角の半角をθ_２とすると、第１の開口アレイ６６の位置における０次光の拡がり距離ｓ_２は、

と表すことができる。なお、第１結像光学系５２の開口数ＮＡと上記の角度θ_２とは、
ＮＡ＝ｎ_１ｓｉｎθ_２ （３）
の関係を満たす。

図１６の（Ｂ）および（Ｃ）は、図１６の（Ａ）と同様の断面図に、第１結像光学系５２の開口数に対応する、ＤＭＤ３４の対応マイクロミラーからの±１次回折光の拡がり成分（斜線で示す）を、それぞれその光線中心Ｃ_＋１およびＣ_−１の軌跡と共に図示したものである。図１６の（Ｂ）および（Ｃ）にｓ_３で示した距離は、第１の開口アレイ６６の位置における、０次光の光線中心Ｃ_０の軌跡と、１次回折光の最も外側の拡がり成分の軌跡との距離であり、これは上記の距離ｓ_１とｓ_２との和にほぼ等しい。したがって、第１の開口アレイ６６の各開口６６ａの半径Ｒを、（ｓ_１＋ｓ_２）以上の大きさにすれば、各マイクロレンズ６４ａには、ＤＭＤ３４の対応マイクロミラーの中心に近い部分で反射された光の成分の、少なくとも０次光および±１次回折光を、第１結像光学系５２の開口数に対応する拡がり成分まで含めて入射させることができ、良好な結像性能を得ることができる。そこで、本発明の露光装置では、
Ｒ≧ｄ_１（ｔａｎθ_１＋ｔａｎθ_２）＋ｄ_２（ｔａｎθ_１’＋ｔａｎθ_２’） （４）
ただし、θ_１’＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_１／ｎ_２×ｓｉｎθ_１）
θ_２’＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_１／ｎ_２×ｓｉｎθ_２）
という条件式を満たすように、Ｒ、ｄ_１およびｄ_２が調整されている。

一例として、本実施形態において、主としてＤＭＤ３４のピッチで決定される上記の角度θ_１が０．５７°、第１結像光学系５２の開口数がＮＡ＝０．００５であるとすると、各マイクロレンズ６４ａを屈折率ｎ_２＝１．４７の石英ガラスで構成し、Ｒ＝１６μｍ、ｄ_１＝３６０μｍ、ｄ_２＝１０００μｍとなるように調整することにより、上記の式（４）の条件が満足される。なお、前述のとおり、本実施形態では第１の開口アレイ６６とマイクロレンズアレイ６４の間の媒質は空気であるので、ｎ_１＝１．０である。

ここで、第１の開口アレイ６６を設けた目的は、迷光の原因となる成分がマイクロレンズアレイに入射しないように遮断することであるので、各開口６６ａの半径Ｒを大きくし過ぎるとこの目的が達せられず好ましくない。そこで、半径Ｒの大きさは適当な上限以下の大きさに固定して、距離ｄ_１およびｄ_２の調整を行うことにより、上記の式（４）の条件を満たすようにするのが好ましい。また、各マイクロレンズ６４ａが薄い方が水平方向への光路のずれを調節しやすいので、マイクロレンズ６４ａの厚さ（本実施形態ではほぼｄ_２）がなるべく薄くなるように調整することが好ましい。

上記の開口６６ａの半径Ｒの上限についてであるが、ＤＭＤ３４の対応マイクロミラーの中心に近い部分で反射された光を必要十分に透過させながら、隣接マイクロミラーからきた光に由来する迷光の原因となる成分を効果的に遮断するために、ＤＭＤ３４の各マイクロミラー７４の短辺の長さと第１結像光学系５２の倍率との積の１／２を上限とすることが好ましい。本実施形態では、上記のとおり、各マイクロミラーは１３．０μｍ×１３．０μｍの正方形状であり、第１結像光学系５２の倍率は３倍であるので、各開口６６ａの半径Ｒを１９．５μｍ以下とする。上記に一例として挙げたようにＲ＝１６μｍ、ｄ_１＝３６０μｍ、ｄ_２＝１０００μｍとなるように調整した場合には、この条件は満たされる。

また、本実施形態のようにＤＭＤを空間光変調素子として用いる場合においては、迷光の原因となる成分は、主としてＤＭＤを構成する各マイクロミラーの周縁部の形状的歪みに起因して発生していることが分かった。図１７は、本実施形態のＤＭＤ３４を構成するマイクロミラー７４の反射面の平面度を、実際に測定した結果を示す図である。この図においては、反射面の同じ高さ位置を等高線で結んで示してあり、等高線のピッチは５ｎｍである。なお同図に示すｘ方向およびｙ方向は、マイクロミラー７４の２つの対角線方向であり、マイクロミラー７４はｙ方向に延びる回転軸を中心として前述のように回転する。また図１８の（Ａ）および（Ｂ）にはそれぞれ、上記ｘ方向、ｙ方向に沿ったマイクロミラー７４の反射面の高さ位置変位を示す。上記図１７および図１８に示される通り、マイクロミラー７４の反射面には歪みが存在し、その歪みの変化量はマイクロミラー７４の中心から周縁部に行くにつれて次第に大きくなる傾向を有している。そしてマイクロミラー７４の回転軸方向（ｙ方向）の歪みは、他方の対角線方向（ｘ方向）の歪みと比べて大きくなっている。

そこで、ＤＭＤ３４を使用した本実施形態においては、第１の開口アレイ６６の各開口６６ａの半径Ｒは、各マイクロミラー７４の形状的歪みの変化量が大きい周縁部からの反射光（少なくとも０次光）を遮断できる程度に小さいものとしてある。

以上のように構成された第１の開口アレイ６６を設けたことにより、本実施形態の露光装置１０では、隣接マイクロミラーからの光および各マイクロミラー７４の周縁部の形状的歪みに由来する迷光の原因となる成分を必要十分な範囲で遮断しながら、良好な結像性能を維持することができる。しかも、この第１の開口アレイ６６は、マイクロレンズアレイ６４から空間的に離間されて配されているので、光により第１の開口アレイ６６の構成部材が熱を帯びても、その熱がマイクロレンズアレイ６４にほとんど伝わらず、マイクロレンズアレイ６４の光学性能に悪影響を及ぼすおそれがない。

なお、第２の開口アレイ６８の各開口６８ａの大きさは、全マイクロミラー７４がオン状態の時と、全マイクロミラー７４がオフ状態の時との光量比を十分に確保でき、かつ迷光の遮断性能において問題がない大きさに調整されている。

次に図１９を参照して、本実施形態の画像露光装置１０の電気的な構成について説明する。ここに示されるように全体制御部１０８には変調回路１１０が接続され、その変調回路１１０にはＤＭＤ３４を制御するコントローラ１１２が接続されている。また全体制御部１０８には、レーザモジュール７８を駆動するＬＤ駆動回路１１４が接続されている。さらにこの全体制御部１０８には、上記のステージ１４を駆動するステージ駆動装置１１６が接続されている。

［画像露光装置の動作］
次に、上記画像露光装置１０の全体的な動作について説明する。スキャナ２４の各露光ヘッド２８において、ファイバアレイ光源３６の合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１からＬＤ７（図１１参照）の各々から発散光状態で出射したレーザ光Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，およびＢ７の各々は、対応するコリメータレンズＬ１からＬ７によって平行光化される。平行光化されたレーザ光Ｂ１からＢ７は、集光レンズ９０によって集光され、マルチモード光ファイバ８０のコア８０ａの入射端面上で収束する。

本実施形態では、コリメータレンズＬ１からＬ７および集光レンズ９０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ８０とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ９０によって上述のように集光されたレーザ光Ｂ１からＢ７が、このマルチモード光ファイバ８０のコア８０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザ光Ｂに合波されてマルチモード光ファイバ８０の出射端部に結合された光ファイバ８２から出射する。

各レーザモジュールにおいて、レーザ光Ｂ１からＢ７のマルチモード光ファイバ８０への結合効率が０．９で、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１からＬＤ７の各出力が５０ｍＷの場合には、アレイ状に配列された光ファイバ８２の各々について、出力３１５ｍＷ（＝５０ｍＷ×０．９×７）の合波レーザ光Ｂを得ることができる。したがって、１４本のマルチモード光ファイバ８２全体では、４．４Ｗ（＝０．３１５Ｗ×１４）の出力のレーザ光Ｂが得られる。

画像露光に際しては、図１９に示す変調回路１１０から露光パターンに応じた画像データがＤＭＤ３４のコントローラ１１２に入力され、そのフレームメモリに一旦記憶される。この画像データは、画像を構成する各画素の濃度を２値（ドットの記録の有無）で表したデータである。この２値データに従って、ＤＭＤ３４の各マイクロミラー７４が、±α度のいずれかに傾けられる。

感光材料１２を表面に吸着したステージ１４は、図１９に示すステージ駆動装置１１６により、ガイド１８に沿ってゲート２２の上流側から下流側に一定速度で移動される。ステージ１４がゲート２２下を通過する際に、ゲート２２に取り付けられたセンサ２６により感光材料１２の先端が検出されると、フレームメモリに記憶された画像データが複数ライン分ずつ順次読み出され、データ処理部で読み出された画像データに基づいて各露光ヘッド２８ごとに制御信号が生成される。そして、ミラー駆動制御部により、生成された制御信号に基づいて各露光ヘッド２８ごとにＤＭＤ３４のマイクロミラーの各々がオンオフ制御される。

ファイバアレイ光源３６からＤＭＤ３４にレーザ光Ｂが照射されると、ＤＭＤ３４のマイクロミラーがオン状態のときに反射されたレーザ光は、第１結像光学系５２、第１の開口アレイ６６、マイクロレンズアレイ６４、第２の開口アレイ６８、第２結像光学系５８およびプリズムペア７０を経て、感光材料１２上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源３６から出射されたレーザ光が画素ごとにオンオフされて、感光材料１２がＤＭＤ３４の使用マイクロミラー数と略同数の画素単位（露光エリア３０）で露光される。また、感光材料１２がステージ１４と共に一定速度で移動されることにより、感光材料１２がスキャナ２４によりステージ移動方向と反対の方向に副走査され、各露光ヘッド２８ごとに帯状の露光済み領域３２が形成される。

なお本例では、図２０（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ３４には、主走査方向にマイクロミラーが１０２４個配列されたマイクロミラー列が副走査方向に７６８組配列されているが、本例では、コントローラ１１２により一部のマイクロミラー列（たとえば、１０２４個×２５６列）だけが駆動するように制御がなされる。

この場合、図２０（Ａ）に示すようにＤＭＤ３４の中央部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよく、図２０（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ３４の端部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよい。また、一部のマイクロミラーに欠陥が発生した場合は、欠陥が発生していないマイクロミラー列を使用するなど、状況に応じて使用するマイクロミラー列を適宜変更してもよい。

ＤＭＤ３４のデータ処理速度には限界があり、使用するマイクロミラー数に比例して１ライン当りの変調速度が決定されるので、一部のマイクロミラー列だけを使用することで１ライン当りの変調速度が速くなる。一方、連続的に露光ヘッドを露光面に対して相対移動させる露光方式の場合には、副走査方向のマイクロミラーを全部使用する必要はない。

スキャナ２４による感光材料１２の副走査が終了し、センサ２６で感光材料１２の後端が検出されると、ステージ１４は、ステージ駆動装置１１６により、ガイド２０に沿ってゲート２２の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド２０に沿ってゲート２２の上流側から下流側に一定速度で移動される。

以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、この実施形態は例示的なものに過ぎず、本発明の技術的範囲は、本明細書中の特許請求の範囲のみによって定められるべきものであることは言うまでもない。

本発明の一実施形態である画像露光装置の外観を示す斜視図 図１の画像露光装置のスキャナの構成を示す斜視図 （Ａ）は感光材料に形成される露光済み領域を示す平面図、（Ｂ）は各露光ヘッドによる露光エリアの配列を示す平面図 図１の画像露光装置の露光ヘッドの概略構成を示す斜視図 図１の画像露光装置の露光ヘッドの断面図 図１の画像露光装置のＤＭＤの構成を示す部分拡大図 ＤＭＤの動作を説明するための説明図 ＤＭＤを斜め向きにしない場合と斜め向きにした場合とで、露光ビームの配置および走査線を比較して示す平面図 ファイバアレイ光源の構成を示す斜視図 ファイバアレイ光源のレーザ出射部における発光点の配列を示す正面図 マルチモード光ファイバの構成を示す部分拡大断面図 合波レーザ光源の構成を示す平面図 レーザモジュールの構成を示す平面図 図１２に示すレーザモジュールの構成を示す側面図 図１２に示すレーザモジュールの構成を示す部分正面図 マイクロレンズアレイと開口アレイの構成、およびそれらに入射する光線の軌跡を図示した部分拡大断面図 マイクロレンズアレイと開口アレイの構成、およびそれらに入射する光線の拡がりを図示した部分拡大断面図 ＤＭＤを構成するマイクロミラーの反射面の歪みを等高線で示す図 上記マイクロミラーの反射面の歪みを、そのミラーの２つの対角線方向について示すグラフ 図１の画像露光装置の電気的構成を示すブロック図 ＤＭＤの使用領域の例を示す平面図

符号の説明

１０ 露光装置
１２ 感光材料
１４ 移動ステージ
１８ 設置台
２０ ガイド
２２ ゲート
２４ スキャナ
２６ センサ
２８ 露光ヘッド
３４ ＤＭＤ
３６ ファイバアレイ光源
４８ ＴＩＲプリズム
５０ 主光学系
５２ 第１結像光学系
５８ 第２結像光学系
６４ マイクロレンズアレイ
６６ 第１の開口アレイ
６８ 第２の開口アレイ
７０ プリズムペア

Claims (5)

1. 露光ヘッドを備え、該露光ヘッドにより所望のパターンを感光材料上に露光する画像露光装置であって、
   前記露光ヘッドが、
   光源と、
   前記光源からの光を各々独立に変調する多数の画素部が配列された空間光変調素子と、
   前記多数の画素部により変調された多数の光線の各々を集光し、同一の焦点面上に結像させる結像光学系と、
   前記結像光学系を通過した前記多数の光線の各々に対応する多数の開口が配列された開口アレイと、
   前記焦点面上に配され、前記開口アレイを通過した前記多数の光線の各々に対応する多数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイとを、光路上においてこの順番に備えてなり、
   前記開口アレイと前記マイクロレンズアレイとが空間的に離間されて配されており、
   前記多数の開口の各々の半径Ｒ、前記開口アレイと前記マイクロレンズアレイの前面との距離ｄ_１、該前面と前記焦点面との距離ｄ_２、前記結像光学系から射出する前記多数の光線の各々の、前記空間光変調素子からの０次光の光線中心と１次回折光の光線中心とがなす角度θ_１、前記０次光の最大錐角の半角θ_２、前記開口アレイと前記マイクロレンズアレイの間の媒質の屈折率ｎ_１および前記マイクロレンズの各々を構成する材料の屈折率ｎ_２の間に、
   Ｒ≧ｄ_１（ｔａｎθ_１＋ｔａｎθ_２）＋ｄ_２（ｔａｎθ_１’＋ｔａｎθ_２’）
   ただし、θ_１’＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_１／ｎ_２×ｓｉｎθ_１）
   θ_２’＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_１／ｎ_２×ｓｉｎθ_２）
   の関係が成り立つことを特徴とする画像露光装置。
2. 前記開口の前記半径Ｒが、前記画素部の短辺の長さと前記結像光学系の倍率との積の１／２以下であることを特徴とする請求項１記載の画像露光装置。
3. 前記空間光変調素子が、前記多数の画素部として、前記光源からの光を反射する多数のマイクロミラーを備えたデジタル・マイクロミラー・デバイスであることを特徴とする請求項１または２記載の画像露光装置。
4. 前記多数のマイクロレンズの各々が、前面が平面、後面が凸面の平凸レンズであって、
   前記焦点面が、前記マイクロレンズアレイの後側のレンズ付け面と一致することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の画像露光装置。
5. 前記露光ヘッドを複数備えていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の画像露光装置。

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