CN1308710C - 曝光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及曝光装置。本发明课题是提供能够得到高照明效率并且能够均匀曝光的曝光装置。在具有光源、从该光源供给光的光积分器、和由经过该光积分器的光照明的2维空间调制元件的曝光装置中，将向光积分器射出光的光纤束端部(174E)设置在光源中，使从射出侧看的光纤束端部(174E)的射出区域(192)具有与光积分器的射出面的轮廓形状大致相似的形状。因此，因为从光纤束端部(174E)射出的光的大部分能够照射在设定的照明区域上，所以能够得到高照明效率并且能够均匀地曝光。

Description

曝光装置

技术领域

本发明涉及曝光装置，更详细地涉及能够提高照明效率并且能够均匀曝光的曝光装置。

背景技术

用来自光源的光照明LCD(液晶元件)和DMD(数字微镜器件)等的2维空间光调制元件(以下称为2维SLM)，具有该照明光学系统在感光材料上进行由2维SLM控制的光像的曝光的曝光装置是众所周知的。在这种曝光装置中，需要均匀地照明2维SLM，可以将光积分器用于照明光学系统，除了曝光装置以外一般也可以用于投影仪中。(例如，请参照专利文献1)。

光积分器是通过分割光束，经过不同的路径后再合成起来，解除强度与位置的相关关系(强度分布)实现均匀化的器件，但是根据光束的分割方式的不同，具有2种方式。(1)一个是使用2维地配置透镜的透镜阵列(飞眼透镜)，空间地分割光束的飞眼(Fly-Eye)型，(2)另一个是使用将玻璃棒和内面制成镜子的中空的棒，通过多重反射角度地进行分割的棒型。

在飞眼型中，使用2块飞眼透镜，在第1块飞眼透镜中具有为了将光会聚在第2块飞眼透镜的各个透镜元件中的构成。而且，使光源像成像在第2块飞眼透镜的各个透镜元件上，第2块飞眼透镜具有为了使第1块飞眼透镜的各个透镜元件的像成像在2维SLM上的构成。另一方面，在棒型的情形中，具有使光源像成像在棒入射面上，使棒的射出面的像成像在2维SLM上的构成。

当在光源中使用超高压水银灯等的灯时，灯的光射出单元形状和2维SLM的照明区域形状(即，照明2维SLM的区域形状)是完全不同的，但是通过使用上述的光积分器，可以只均匀地照明2维SLM需要的使用区域。

[专利文献1]

日本平成3年公布的3-111806号专利公报

发明内容

可是，实际上，在如灯那样扩展大并且光射出单元的形状与到达2维SLM的照明光的照明区域的形状不同的情形中，要全部有效地利用从灯射出的光是困难的，照明效率变低就是当前的现状。

当举出具体例进行说明时，例如，在使用灯和飞眼型的光积分器的情形中，通过第1飞眼透镜，使灯的电弧的像成像在第2飞眼透镜的各元件上。在2维SLM上使用的区域为长方形那样的情形中，为了具有飞眼透镜的透镜元件形状也成为与照明的区域相似的形状，使透镜元件的像成像的构成，使灯的电弧像在第2飞眼透镜的透镜尺寸以下而进行设计，但是实际上，根据光源尺寸(灯的光射出单元尺寸即电弧尺度)、光的扩展、透镜的象差等，要使光源的像全部入射到透镜元件是困难的，因此，发生光学性能恶化，照明效率低下和照明均匀度变坏等问题。

本发明，考虑到上述事实，将提供能够得到高照明效率并且能够均匀曝光的曝光装置作为课题。

本发明者着眼于如果制成具有与飞眼透镜的透镜元件形状(棒的射出单元形状)大致相似的形状，即与光积分器的射出面的轮廓形状大致相似的形状的光射出单元的光源，则可以将从光射出单元射出的大部分光导向照明区域，期待能够提高照明效率和照明均匀度。而且，将光纤的端部捆绑成一束的光射出单元，通常，具有图10所示的六角形状(大致圆形)，但是我们发现该形状能够成为任何形状，进一步反复对其进行研讨，达到了完成本发明目的。

权利要求1所述的发明是具有光源、从上述光源供给光的光积分器、和由经过上述光积分器的光照明的2维空间调制元件的曝光装置，该曝光装置的特征是上述光源是由并排地配列光纤，从上述光纤射出光的光纤束构成的光源，使在从射出侧看的上述光纤束端部上形成的射出区域的形状和与上述光积分器的射出面的轮廓形状具有大致相似的形状。

在本说明书中，光纤束是将多条光纤的端部捆绑成一束的端部。光纤束可以具有任何形状。

为了将光供给光纤束的入射侧，既可以使用灯，也可以使用LD(半导体激光器)，没有特别的限制。当用LD时，使光纤束的入射侧与LD耦合。又，也可以使多个LD与1条光纤耦合，因此，能够减小扩展而同时增大光的功率。进一步，也可以用将多个发射极配列成阵列状的浮动区域型的半导体激光器。

根据权利要求1所述的发明，因为能够将从光纤束端部射出的大部分光导向到达2维空间调制元件的照明光的照明区域，所以能够得到高照明效率并且能够均匀地曝光。

在很多情形中，上述光积分器是飞眼型或棒型。

此外，当增多光纤的根数时，光纤束端部的尺寸变大，即，光源侧的扩展变大。当光源侧的扩展比2维光调制元件的扩展大时，照明效率降低。因此，当光纤的根数多时，能够通过减小光纤的芯子直径和外套直径，防止照明效率降低。

当使用DMD作为上述2维空间调制元件时，因为使光以与DMD的各镜面的光轴成预定角度倾斜地入射，并且从倾斜方向入射到各镜面(即，因为从各镜面的预定的对角方向入射)，所以即便从射出面看的光纤束端部的形状例如是长方形，在各MDM的面上，也会成为使长方形变形后的形状。不过，因为变形量小也可以认为是大致长方形。从而，即便当使用DMD作为2维空间调制元件时，从射出侧看的光纤束端部的形状和光积分器的射出面的轮廓形状也可以具有大致相似的形状。

因为DMD不会如LCD(液晶元件)那样由于UV光而恶化，所以因此，能够以高的照明效率对具有UV光灵敏度的感光材料进行曝光。

附图说明

图1是表示与本发明的1个实施形态有关的曝光装置的外观的斜视图。

图2是表示与本发明的1个实施形态有关的曝光装置的扫描器的构成的斜视图。

图3(A)是表示在感光材料上形成的完成曝光区域的平面图，(B)是表示配列由各曝光头曝光的曝光区域的平面图。

图4是表示与本发明的1个实施形态有关的曝光装置的曝光头的构成的模式图。

图5是表示在与本发明的1个实施形态有关的曝光装置中，要用2维SLM照明的照明设定区域的平面图。

图6是表示在与本发明的1个实施形态有关的曝光装置中，光纤束端部的正面图。

图7是表示与本发明的1个实施形态有关的曝光装置的曝光头的变形例的模式图。

图8是用于说明扩展的原理的模式图。

图9(A)和(B)分别表示当不倾斜配置DMD时和倾斜配置DMD时，比较入射到DMD的光束的位置和从DMD射出的扫描线的模式图。

图10是已有的光纤束端部的正面图。

其中：

142——曝光装置

166——曝光头

174E——光纤束端部(端部)

176——光积分器

186——2维SLM(2维空间调制元件)

192——射出区域

200——DMD

具体实施方式

下面，我们举出实施形态说明本发明的实施形态。与本发明的1个实施形态有关的曝光装置142，如图1所示，备有将片状的感光材料150吸附并保持在表面上的平板状的载物台152。在由4条腿154支持的厚板状的设置台156的上面，设置沿载物台移动方向延伸的2条导轨158。载物台152为了使它的长方向向着载物台的移动方向而进行配置，并且被导轨158支持可以往复移动。此外，在该曝光装置142上，设置了图中未画出的用于沿导轨158驱动载物台152的驱动装置。

在设置台156的中央部分，设置跨越载物台152的移动路径，口字缺一横状的门160。将门160的各个端部固定在设置台156的两侧的面上。夹着该门160，在一侧设置扫描器162，在另一侧设置检测感光材料150的前端和后端的多个(例如，2个)的检测传感器164。分别将扫描器162和检测传感器164安装在门160上，固定配置在载物台152的移动路径的上方。此外，扫描器162和检测传感器164与图中未画出的控制它们的控制器连接。

扫描器162，如图2和图3(B)所示，备有m行n列(例如，3行5列)的大致矩阵状地配列的多个(例如，14个)的曝光头166。在该例子中，以与感光材料150的宽度的关系，将4个曝光头166配置在第3行中。此外，当表示配列在第m行第n列的各个曝光头时，将它标记为曝光头166_mn。各曝光头的构成是相同的。

由曝光头166曝光的曝光区域168具有将副扫描方向V作为短边的矩形形状。所以，伴随着载物台152的移动，在感光材料150中由每个曝光头166形成带状的完成曝光区域170。此外，当表示由配列在第m行第n列的各个曝光头进行曝光的曝光区域时，将它标记为曝光区域168_mn。

由，如图3(A)和(B)所示，为了使带状的完成曝光区域170在与副扫描方向正交的方向上无间隙地并排，而在配列方向偏移预定间隔(曝光区域的长边的自然数倍数，在本实施形态中为2倍)地配置配列成直线状的各行中的各个曝光头。因此，第1行的曝光区域168₁₁与曝光区域168₁₂之间不能曝光的部分能够由第2行的曝光区域168₂₁和第3行的曝光区域168₃₁进行曝光。

[曝光头的构成]

因为曝光头166₁₁～166_mn的构成都是相同的，所以下面只要说明一个曝光头的构成。

曝光头166，如图4所示，备有将射出侧端部捆绑成束作成光纤束端部174E的多条光纤174和使多条光纤174与LD耦合起来的光源，作为光源。

又，曝光头166，作为射入从光纤束端部174E射出的光的照明光学系统备有光积分器176。光积分器176备有会聚来自光纤束端部174E的光的平行光管透镜178、通过平行光管透镜178的会聚光束顺次地通过的2个飞眼透镜180A、180B和滤光器透镜182。

进一步，在曝光头166中设置对通过滤光器透镜182的光进行调制的2维SLM(2维空间调制元件)186。

如图5所示，使要对2维SLM186进行照明的有意设定的照明区域190成长方形状。又，如图6所示，光纤束端部174E形成从射出侧看具有与照明设定区域190大致相似形状的射出区域192。因此，能够没有浪费地利用来自光纤束端部174E的光作为照明光，得到高的照明效率。

此外，也可以是不用飞眼透镜型，如图7所示，具有用由玻璃构成的棒194的棒型的曝光头的曝光装置。因此，能够使装置构成简单化。

[照明光学系统的特性、配置位置]

照明光学系统的简略图的一个例子如图4所示。飞眼透镜180A是具有透镜元件尺寸S1、透镜元件数N1、纵向长度A1和焦距ML1F，会聚尺寸为Z1(＝2×ML1F×NA1)。飞眼透镜180B的透镜元件尺寸S2(＝S1)、透镜元件数N2(＝N1)和纵向长度A2(＝A1)都与飞眼透镜180A相同，焦距为ML2F。飞眼透镜182的纵向长度FLD与A2大致相同。又，为了使飞眼透镜182的焦距FLF大致和飞眼透镜180B与2维SLM186的距离L4相同而配置2维SLM186。

使光纤束端部174E与平行光管透镜178的距离L1和平行光管透镜178与飞眼透镜180A的距离L2都与平行光管透镜178的焦距CL2F相同。使飞眼透镜180A和飞眼透镜180B的距离L3与飞眼透镜180A的焦距ML1F相同。

这里，当令光纤束端部174E的某一方向的长度为A0、来自光纤束端部174E的光的发散角为NA0、到飞眼透镜180A的会聚角为NA1时，照明系统的基本公式由下列公式给出。

A0·NA0＝A1·NA1

(即，A0·NA0＝N1·S1·NA1)

又，成像特性由下列公式给出。

1/L3+1/L4＝1/ML2F

(即，1/ML1F+1/L4＝1/ML2F)

放大倍数特性由下列公式给出。

ACS/S1＝L4/L3

(即，ACS/S1＝L4/ML1F)

当令飞眼透镜180A产生的会聚尺寸(直径)为Z1时，会聚特性由下列公式给出。

Z1＝2·ML1F·NA1

照明FN₀由下列公式给出。

SFN₀＝FLF/FLD(≈L4/L2)

[扩展的概念]

所谓照明SLM(空间调制元件)指的是将某个光源的像成像在SLM上。当令光学放大倍数为β时，如图8所示，像的面积S₂与β²成正比(S₂＝β²S₁)，光线与光轴所成的角θ与放大倍数β成反比(θ₂＝θ₁/β)。即，

S₁θ₁ ²＝S₂θ₂ ²

这里，因为立体角Ω大致与θ₂成正比，所以

Ω₁S₁≈Ω₂S₂

即，光源面积与立体角的乘积恒定。严密地说，由理想透镜(透过率100％、无象差)198进行的光束传递由

光束：e≈∫S∫cosθ·dS·Ω

表示。因为当θ足够小(F2.5以上)时，cosθ≈1，所以得到

光束：e≈Ω₁S₁≈Ω₂S₂

该“ΩS”就是扩展。当假定理想的无象差、透过率100％的光学系统时，保存扩展(此外，即便没有共轭关系，也能够保存扩展，这是众所周知的)。

即，如果使上述图中的光源B为2维SLM时，则如果光源A的扩展比2维SLM的扩展小，则能够以非常高的效率进行照明。

(计算例)

令光源侧的扩展为Es。

(1)电弧长4mm的放电灯的例子

当使光源为直径1mm、长度4mm的圆柱，从侧面等方向地发射光时，

Es＝π·1·4·2π≈80mm²·str

(扩展大)

(2)光纤光源的例子

当令光纤束射出单元尺寸为0.7×0.7mm、NA为0.2(≈11.5deg)时，Es＝2π·(1-cos11.5)·0.7×0.7≈0.06mm²·str

(扩展非常小)

[实施例]

下面，我们举出将DMD用作2维SLM186的情形作为实施例进行说明。如图9所示，在本实施例中，作为2维SLM，将DMD200设置在各曝光头166₁₁～166_mn上，通过DMD200，与图象数据对应对于每个象素对入射的光束进行调制。

图9(A)表示当对于主扫描方向U不倾斜DMD200时的各象素单元的实像(光束点BS)的扫描轨迹，图9(B)表示当对于主扫描方向U倾斜DMD200时的光束点BS的扫描轨迹。最好，使DMD200只以它的边方向与主扫描方向U形成预定角度θ(例如，0.1°～1°)轻微地倾斜配置。

在DMD200中，沿长方向(行方向)配列多个象素单元(例如，800个)的象素列，但是沿短方向配列多个组(例如，600组)，如图4(B)所示，通过使DMD200倾斜，从各象素单元设射出的光束点BS的扫描轨迹(扫描线)的间隔P₂比不使DMD200倾斜时的扫描线的间隔P₁窄，能够大幅度地提高图象分辨率。另一方面，因为DMD200的倾斜角很小，所以当使DMD200倾斜时的扫描宽度W₂和当不使DMD200倾斜时的扫描宽度W₁大致相同。

又，根据不同的象素列对在同一扫描线上的大致同一位置(点)进行重复曝光(多重曝光)。这样，通过多重曝光，能够控制曝光位置的微量，能够实现高精细的曝光。又，通过微量的曝光位置控制能够无段差地连接沿主扫描方向U配列的多个曝光头之间的接缝。不过，它的形变量很小。

如以上说明的那样，在本实施例中，设置不如LCD(液晶元件)那样由于UV光而恶化的DMD200作为2维SLM。因此，能够以高的照明效率对具有UV光灵敏度的感光材料均匀地进行曝光。

以上，我们举出了实施形态说明本发明的实施形态，但是上述实施形态只是一个例子，在不脱离本发明要旨的范围内能够实施各种不同的变更。又，本发明的权利要求范围不限定于上述实施形态，这是不言而喻的。

因为本发明具有上述构成，所以可以实现能够得到高照明效率并且能够均匀曝光的曝光装置。

Claims (2)

1.一种曝光装置，该曝光装置具有光源、从上述光源供给光的光积分器、和由经过上述光积分器的光照明的2维空间调制元件，其特征在于：上述光源是由并排地配列光纤，从上述光纤射出光的光纤束构成的光源；使在从射出侧看的光纤束端部上形成的射出区域的形状和上述光积分器的射出面的轮廓形状具有大致相似的形状。

2.权利要求1所述的曝光装置，其特征在于：上述光积分器是飞眼型或棒型。

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