JP2004042273A - 露光ヘッド - Google Patents
露光ヘッド Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004042273A JP2004042273A JP2002199090A JP2002199090A JP2004042273A JP 2004042273 A JP2004042273 A JP 2004042273A JP 2002199090 A JP2002199090 A JP 2002199090A JP 2002199090 A JP2002199090 A JP 2002199090A JP 2004042273 A JP2004042273 A JP 2004042273A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- glv
- light
- laser
- optical fiber
- grating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Printers Or Recording Devices Using Electromagnetic And Radiation Means (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光ヘッドに関し、特に、空間変調素子により変調された光で感光材料を露光する露光ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、感光材料を露光する露光ヘッドの空間変調素子に、GLV(回折格子光バルブ;グレーティング・ライト・バルブ)が用いられている。GLVは、リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を交互に多数個並列配置して構成されている。この可動格子が移動することにより回折格子が形成され、入射光が所定方向に回折される。
【0003】
従来のGLVを用いた露光ヘッドは、レーザ光を照射する光源、光源から照射されたレーザ光をコリメートするレンズ系、レンズ系でコリメートされたレーザ光を反射するミラー、ミラーのレーザ光反射方向に配置されたGLV、GLVで回折された1次回折光を走査面上に結像するレンズ系、及び0次回折光を光路から除外する遮蔽板から構成されている。この露光ヘッドでは、画像データ等に基づいてGLVを図示しない制御装置でオンオフ制御することにより、露光が行なわれる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の露光ヘッドでは、1次回折光と0次回折光とが十分に分離されていない場合には、消光比が低下して、露光の位置精度や解像度が低下する、という問題がある。
【0005】
本発明は上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、高消光比を実現して、高精度且つ高解像度の露光ヘッドを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、露光面に対して所定方向と交差する方向に相対移動される露光ヘッドであって、リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を所定方向に沿って交互に多数個並列配置して構成したグレーティングライトバルブと、光ファイバの入射端から入射されたレーザ光をその出射端から出射するファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々が前記所定方向に配列されたレーザ装置と、前記レーザ装置から出射され前記グレーティングライトバルブの各画素部で変調されたレーザ光を露光面上に結像させる光学系と、を備え、以下に定義される各パラメータが、下記式(A)を満たすように構成されたことを特徴とする。
【0007】
【数3】
【0008】
上記の式において各パラメータは以下のように定義される。
λ:レーザ光の波長
Λ:GLVの1周期当りの回折格子サイズ(格子ピッチ)
θ:光ファイバの開口数(NA)から下記式に従い導出される照明光源からのビーム出射角度
θ=sin−1(NA)
n:光ファイバの本数
d:光ファイバのクラッド径
W:GLV配置位置(照射面)でのビーム幅
a:GLV上での1画素のサイズ
本発明の露光ヘッドでは、レーザ光の波長λとGLVの1周期当りの回折格子サイズΛとの比λ/Λが、照明光源からのビーム出射角度θ、光ファイバの本数n、光ファイバのクラッド径d、GLV配置位置でのビーム幅W、及びGLV上での1画素のサイズaの各パラメータとの関係で所定の関係式を満たすように露光ヘッドを設計することにより、GLVにより回折される0次光と±1次光とを完全に分離して、高消光比の露光ヘッドを実現することができる。これにより、高精度且つ高解像度で露光を行うことができる。
【0009】
上記の露光ヘッドにおいて、レーザ装置の高輝度化を図るために、ファイバ光源に使用される光ファイバを、コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバとすることが好ましい。また、複数のレーザ光を合波して前記光ファイバの各々に入射させるファイバ光源(合波レーザ光源)を用いることが好ましい。合波レーザ光源を用いることで、レーザ装置を構成する各ファイバ光源の高出力化を図ることができ、少ないファイバ本数で高出力を得ることができる。これにより一層の高輝度化と低コスト化とが図られる。
【0010】
また、複数の発光点が所定間隔で配列されたレーザ装置を備えていてもよい。即ち、本発明の露光ヘッドは、露光面に対して所定方向と交差する方向に相対移動される露光ヘッドであって、リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を所定方向に沿って交互に多数個並列配置して構成したグレーティングライトバルブと、複数の発光点が前記所定方向に所定間隔で配列されたレーザ装置と、前記レーザ装置から出射され前記グレーティングライトバルブの各画素部で変調されたレーザ光を露光面上に結像させる光学系と、を備え、以下に定義される各パラメータが、下記式(B)を満たすように構成されたことを特徴とする。
【0011】
【数4】
【0012】
上記の式において各パラメータは以下のように定義される。
λ:レーザ光の波長
Λ:GLVの1周期当りの回折格子サイズ(格子ピッチ)
θA:発光点からビーム出射角度
DA:全発光点からの全出射ビーム幅
W:GLV配置位置(照射面)でのビーム幅
a:GLV上での1画素のサイズ
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の露光ヘッドの実施の形態を詳細に説明する。
[露光ヘッドの構成]
本実施の形態に係る露光ヘッドは、図1、図2(A)及び(B)に示すように、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、所定方向に長い形状(ライン状)をしたグレーティング・ライト・バルブ(GLV)300を備えている。このGLV300は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。
【0014】
コントローラのデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、露光ヘッドにGLV300の制御すべき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、制御すべき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、各露光ヘッドにGLV300のリボン状のマイクロブリッジを制御する。
【0015】
GLV300の光入射側には、光ファイバの出射端部(発光点)がGLV300の長さ方向と対応する方向に沿って配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源66、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光を補正してGLV300上に集光させるレンズ系67、レンズ系67を透過したレーザ光をGLV300に向けて反射するミラー69がこの順に配置されている。
【0016】
レンズ系67は、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光を平行光化するレンズ系、平行光化されたレーザ光の光量分布が均一になるように補正するレンズ系、及び光量分布が補正されたレーザ光をGLV上に集光する集光レンズ系等で構成されている。
【0017】
ライン状のGLV300は、その長手方向がファイバアレイ光源66の光ファイバの配列方向と平行になり且つGLV300のリボン状のマイクロブリッジの反射面がミラー69の反射面と略平行になるように配置されている。
【0018】
このGLV300は、図3に示すように、シリコン等からなる長尺状の基板203上に、リボン状の反射面を備えたマイクロブリッジ209が多数個(例えば、6480個)平行に配列されたものであり、隣接するマイクロブリッジ209間には多数のスリット211が形成されている。通常、1画素は複数(例えば、6個)のマイクロブリッジ209列で構成されており、1画素を6個のマイクロブリッジ列で構成すると仮定すると、6480個のマイクロブリッジで1080画素での露光が可能である。
【0019】
各マイクロブリッジ209は、図4(A)及び(B)に示すように、窒化シリコン(SiNx)等からなる可撓性梁209aの表面に、アルミニウム(又は、金、銀、銅等)の単層金属膜からなる反射電極膜209bを形成したものである。反射電極膜209bの各々は、図示しない配線により図示しないスイッチを介して電源に接続されている。
【0020】
ここで、GLV300の動作原理を簡単に説明する。電圧を印加していない状態では、マイクロブリッジ209は基板203から所定間隔離間されているが、マイクロブリッジ209と基板203との間に電圧を印加すると、静電誘導された電荷によってマイクロブリッジ209と基板203との間に静電吸引力が発生し、マイクロブリッジ209が基板203側に撓む。そして、電圧の印加を止めると、撓みが解消し、マイクロブリッジ209は弾性復帰により基板203から離間する。従って、電圧を印加するマイクロブリッジと電圧を印加しないマイクロブリッジとを交互に配置することで、電圧の印加により回折格子を形成することができる。
【0021】
図4(A)は、画素単位のマイクロブリッジ列に電圧が印加されておらず、オフ状態にある場合を示している。オフ状態では、マイクロブリッジ209の反射面の高さが総て揃い、反射光には光路差が生じず正反射される。即ち、0次回折光しか得ることができない。一方、図4(B)は、画素単位のマイクロブリッジ列に電圧が印加され、オン状態にある場合を示している。なお、電圧は1つおきのマイクロブリッジ209に印加される。オン状態では、前述した原理によりマイクロブリッジ209の中央部が撓み、交互に段差のある反射面が形成される。即ち、回折格子が形成される。この反射面にレーザ光を入射させると、撓みのあるマイクロブリッジ209で反射された光と、撓みのないマイクロブリッジ209で反射された光との間に光路差が生じ、所定方向に±1次回折光が出射される。
【0022】
従って、図示しないコントローラにより、制御信号に応じて、GLV300の各画素におけるマイクロブリッジ列を、印加される電圧のオン/オフで駆動制御することによって、GLV300に入射されたレーザ光は画素毎に変調されて所定方向に回折される。
【0023】
また、GLV300の光反射側、即ち、回折光(0次回折光及び±1次回折光)が出射される側には、回折光を走査面(被露光面)56上に結像するレンズ系54、58が、GLV300と被露光面56とが共役な関係となるように配置されている。また、回折光がレンズ系54に入射されるように、GLV300はそのリボン状の反射面を予めレンズ系54の光軸に対し所定角度(例えば45°)傾斜させて配置されている。
【0024】
図2(A)及び(B)では、0次回折光は点線で図示し、±1次回折光は実線で図示している。レンズ系54は、入射された回折光をGLV300の長手方向に集光し且つ副走査方向に平行光化する。レンズ系54とレンズ系58との間の0次回折光の焦点位置には、0次回折光を走査面56への光路から除外するための長尺状の遮蔽板55がその長手方向がGLVの長手方向と直交するように配置されている。これにより、0次回折光が排除される。
【0025】
なお、この露光ヘッドは、図示しない駆動手段により、被露光面56に対し所定の主走査方向と交差する副走査方向に相対移動される。即ち、露光ヘッドを移動させてもよく、被露光面(露光対象)を移動させてもよい。
【0026】
ファイバアレイ光源66は、図5に示すように、多数(例えば、30個)のレーザモジュール64を備えており、各レーザモジュール64には、マルチモード光ファイバ30の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ30の他端はレーザモジュール64のパッケージから引き出され、発光点がGLVの長さ方向に並ぶように配列されたレーザ出射部68が構成されている。ファイバアレイ光源66の各発光点での出力を180mW(ミリワット)とすると、25個の発光点が配列されたレーザ出射部68での出力は約5.4W(=180mW×30)である。
【0027】
マルチモード光ファイバ30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、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、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。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ30は、ステップインデックス型光ファイバであり、クラッド径=60μm、コア径=25μm、NA=0.2である。
【0028】
[露光ヘッドの動作]
次に、上記露光ヘッドの動作について説明する。
【0029】
露光パターンに応じた画像データが、GLV300に接続された図示しないコントローラに入力されると、この画像データに基づいて制御信号が生成され、生成された制御信号に基づいて各照射ヘッド毎にGLV300のマイクロブリッジの各々が画素単位でオンオフ制御される。ファイバアレイ光源66からGLV300にレーザ光が照射されると、GLV300のマイクロブリッジがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系54、58により透明基板150のアニール面56上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、感光材料がGLVの画素数と略同数の画素単位で露光される。また、感光材料が図示しない移動手段により一定速度で移動されることにより、露光ヘッドによって移動方向と反対の方向に副走査される。
【0030】
[関係式の導出]
本実施の形態では、高消光比を得るために、下記の関係式を満たすように露光ヘッドを設計する。
【0031】
【数5】
【0032】
上記の式において各パラメータは以下のように定義される。
λ:レーザ光の波長
Λ:GLVの1周期当りの回折格子サイズ(格子ピッチ)
θ:光ファイバの開口数(NA)から下記式に従い導出される照明光源からのビーム出射角度
θ=sin−1(NA)
n:光ファイバの本数
d:光ファイバのクラッド径
W:GLV配置位置(照射面)でのビーム幅
a:GLV上での1画素のサイズ
以下、図6及び図7を参照して上記関係式の導出方法を説明する。上記の通り、GLV300により異なる方向に回折される複数の次数の回折光(0次光、±1次光、±2次光...)が得られるが、±1次光以外の光をカットして±1次光だけを露光に使用する。このとき、回折光のピーム拡がり角度が大きいと、本来カットされるべき0次光の一部が±1次光と重なり消光比が低下する。
【0033】
図6は0次光と±1次光とを分離するための条件を示す図である。回折光のビーム拡がり角度には、レンズ系67による成分とGLV上の画素サイズによる成分とがある。即ち、GLV300へ照射されるビームは略平行なビームであるが、±φ(rad)だけ角度を持っている。そして、GLV300で反射した光は、さらにGLV300の画素サイズの影響による回折効果で拡がり角ψ(rad)だけ拡がる。従って、GLV300による反射光の拡がり角は、下記式で与えられる。
【0034】
【数6】
【0035】
GLV300での回折により0次光と±1次光とが成す角度をαとすると、0次光と±1次光とを重なり無く分離するためには、この角度αが下記関係式を満たす必要がある。
【0036】
【数7】
【0037】
一方、0次光と±1次光とが成す角度αは、いわゆる回折角度であり、レーザ光の波長λ、GLVの1周期当りの回折格子サイズΛを用いて近似的に下記式で表される。
【0038】
【数8】
【0039】
図7に示すように、レンズ系67は、ファイバアレイ光源66からの出射光を略平行な光にすると共に、ファイバアレイ光源66の発光点の各々がGLV300の使用領域全体をほぼ等しく照明するように配置されている。この通り、各発光点から出射された光束がGLV300の使用領域全体を照明するので、ファイバアレイ光源66を構成する一部のレーザモジュールが故障しても、GLV300に照射されるレーザ光の光量分布が不均一になることはない。
【0040】
この条件下では、照明光のビーム束角度2φ(rad)は、ビーム出射角度θ(rad)、出射ビーム幅nd(mm)、及びGLV配置位置でのビーム幅W(mm)を用いて下記式で表される。
【0041】
【数9】
【0042】
GLV300の1画素サイズがa(μm)、入射するレーザ光の波長がλ(μm)である場合、回折拡がり角ψ(rad)は、下記式で与えられる。
【0043】
【数10】
【0044】
以上の式を整理すると、上記の関係式(A)を得ることができる。即ち、上記関係式(A)を満たすように露光ヘッドを設計することにより、GLV300での回折による0次光と±1次光とが完全に分離され、±1次光だけを用いて露光を行うことができるので、露光ヘッドの消光比が向上する。
【0045】
上記で説明した露光ヘッドにおいて、例えば、レーザ光の波長λを405nm、GLVの1周期当りの回折格子サイズΛを6.25μm、GLV配置位置(照射面)でのビーム幅Wを27mm、GLV上での1画素のサイズaを25μm、ファイバアレイ光源からのビーム出射角度θを11.5°、光ファイバの本数nを30本、及び光ファイバのクラッド径dを60μmとした場合には、上記式(A)の関係が成立し、高い消光比を得ることができる。
【0046】
以上説明した通り、本実施の形態の露光ヘッドでは、関係式(A)を満たすように、波長λ、回折格子サイズΛ、ビーム幅W、画素サイズa、ビーム出射角度θ、光ファイバ本数n、及びクラッド径dの各パラメータを決定することにより、高消光比の露光ヘッドを実現することができる。これにより、高精度且つ高解像度での露光を行うことができる。
【0047】
[レーザモジュールの構成]
上記のレーザモジュール64は、図8に示す合波レーザ光源(ファイバ光源)によって構成することができる。この合波レーザ光源は、ヒートブロック10上に配列固定された複数(例えば、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,及びLD7と、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々に対応して設けられたコリメータレンズ11,12,13,14,15,16,及び17と、1つの集光レンズ20と、1本のマルチモード光ファイバ30と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は7個には限定されない。
【0048】
GaN系半導体レーザLD1〜LD7は、発振波長が総て共通(例えば、405nm)であり、最大出力も総て共通(例えば、マルチモードレーザでは100mW、シングルモードレーザでは30mW)である。なお、GaN系半導体レーザLD1〜LD7としては、350nm〜450nmの波長範囲で、上記の405nm以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。
【0049】
上記の合波レーザ光源は、図9及び図10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40内に収納されている。パッケージ40は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋41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40の開口をパッケージ蓋41で閉じることにより、パッケージ40とパッケージ蓋41とにより形成される閉空間(封止空間)内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【0050】
パッケージ40の底面にはベース板42が固定されており、このベース板42の上面には、前記ヒートブロック10と、集光レンズ20を保持する集光レンズホルダー45と、マルチモード光ファイバ30の入射端部を保持するファイバホルダー46とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ30の出射端部は、パッケージ40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。
【0051】
また、ヒートブロック10の側面にはコリメータレンズホルダー44が取り付けられており、コリメータレンズ11〜17が保持されている。パッケージ40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〜LD7に駆動電流を供給する配線47がパッケージ外に引き出されている。
【0052】
なお、図10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17にのみ番号を付している。
【0053】
図11は、上記コリメータレンズ11〜17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11〜17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、例えば、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11〜17は、長さ方向がGaN系半導体レーザLD1〜LD7の発光点の配列方向(図11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。
【0054】
一方、GaN系半導体レーザLD1〜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例えば10°、30°の状態で各々レーザビームB1〜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〜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。
【0055】
従って、各発光点から発せられたレーザビームB1〜B7は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ11〜17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。つまり、各コリメータレンズ11〜17の幅が1.1mm、長さが4.6mmであり、それらに入射するレーザビームB1〜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11〜17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。
【0056】
集光レンズ20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11〜17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20は、焦点距離f2=23mm、NA=0.2である。この集光レンズ20も、例えば、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。
【0057】
このレーザモジュールでは、ファイバアレイ光源66の合波レーザ光源を構成するGaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々から発散光状態で出射したレーザビームB1,B2,B3,B4,B5,B6,及びB7の各々は、対応するコリメータレンズ11〜17によって平行光化される。平行光化されたレーザビームB1〜B7は、集光レンズ20によって集光され、マルチモード光ファイバ30のコア30aの入射端面に収束する。
【0058】
本例では、コリメータレンズ11〜17及び集光レンズ20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30とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ20によって上述のように集光されたレーザビームB1〜B7が、このマルチモード光ファイバ30のコア30aに入射して光ファイバ内を伝搬し、1本のレーザビームBに合波されてマルチモード光ファイバ30の出射端から出射する。
【0059】
各レーザモジュールにおいて、レーザビームB1〜B7のマルチモード光ファイバ30への結合効率が0.85で、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各出力が30mWの場合には、アレイ状に配列された光ファイバ30の各々について、出力180mW(=30mW×0.85×7)の合波レーザビームBを得ることができる。
【0060】
GLVを照明する光源に、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部における発光点を配列した高輝度のファイバアレイ光源を用いることにより、高出力で且つ深い焦点深度を備えた露光ヘッドを実現することができる。更に、各発光点での出力が大きくなることで、所望の出力を得るために必要なファイバ本数が少なくなり、露光ヘッドの低コスト化が図られる。
【0061】
[マルチモード光ファイバ]
レーザモジュール64には、マルチモード光ファイバ30の一端が結合されているが、マルチモード光ファイバ30の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ30と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ30より小さい光ファイバ31を結合してもよい。出射端のクラッド径を小さくすることで、GLV300に入射する光束の角度が小さくなり、走査面56へ入射する光束の角度が小さくなる。そして、光ファイバ31の出射端部(発光点)が副走査方向と直交する主走査方向に沿って1列に配列されてレーザ出射部68が構成されている。
【0062】
光ファイバ31の出射端部は、図12(A)及び(B)に示すように、表面が平坦な2枚の支持板65に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ31の光出射側には、光ファイバ31の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板63が配置されている。保護板63は、光ファイバ31の端面と密着させて配置してもよく、光ファイバ31の端面が密封されるように配置してもよい。光ファイバ31の出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、保護板63を配置することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【0063】
この例では、クラッド径が小さい光ファイバ31の出射端を隙間無く1列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30の間にマルチモード光ファイバ30を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の2つの出射端の間に挟まれるように配列されている。
【0064】
このような光ファイバは、例えば、図13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30のレーザ光出射側の先端部分に、長さ1〜30cmのクラッド径が小さい光ファイバ31を同軸的に結合することにより得ることができる。2本の光ファイバは、光ファイバ31の入射端面が、マルチモード光ファイバ30の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致するように融着されて結合されている。上述した通り、光ファイバ31のコア31aの径は、マルチモード光ファイバ30のコア30aの径と同じ大きさである。
【0065】
また、長さが短くクラッド径が大きい光ファイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマルチモード光ファイバ30の出射端に結合してもよい。コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の交換が容易になり、露光ヘッドのメンテナンスに要するコストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ31を、マルチモード光ファイバ30の出射端部と称する場合がある。
【0066】
マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31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、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、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。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31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30は、クラッド径=125μm、コア径=25μm、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31は、クラッド径=60μm、コア径=25μm、NA=0.2である。
【0067】
一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、GaN(窒化ガリウム)系半導体レーザから出射された波長405nmのレーザ光では、クラッドの厚み{(クラッド径−コア径)/2}を800nmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の1/2程度、通信用の1.5μmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約1/4にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、クラッド径を60μmと小さくすることができる。
【0068】
[複数の発光点を備えた光源]
上記ではファイバアレイ光源をGLV照明光源に用いる例について説明したが、例えば、ヒートブロック上に複数のチップ状の半導体レーザを所定方向に所定間隔で配列したレーザアレイや、複数の発光点が所定方向に所定間隔で配列されたチップ状のマルチキャビティレーザを照明光源として用いてもよい。マルチキャビティレーザは、チップ状の半導体レーザを配列する場合と比べ、発光点を位置精度良く配列できる。
【0069】
次に、図14(A)及び(B)を参照して、このマルチキャビティレーザを照明光源として用いた例について説明する。図14(A)に示すように、このマルチキャビティレーザ110には、多数の発光点110aが所定方向に沿って所定間隔で配列されている。このときの照明光源の全発光点からの全出射ビーム幅をDA(mm)とする。また、図14(B)に示すように、発光点からビーム出射角度をθA(rad)とする。従って、上記関係式(A)において、光ファイバからのビーム出射角度θの代わりにθAを代入し、レーザ装置の出射ビーム幅Dの代わりに上記の全出射ビーム幅DAを代入すると、下記の関係式(B)が導出される。
【0070】
【数11】
【0071】
上記の式において各パラメータは以下のように定義される。
λ:レーザ光の波長
Λ:GLVの1周期当りの回折格子サイズ(格子ピッチ)
θA:発光点からビーム出射角度
DA:全発光点からの全出射ビーム幅
W:GLV配置位置(照射面)でのビーム幅
a:GLV上での1画素のサイズ
なお、発光点の間隔をP(mm)、発光点の個数をm個とすると、照明光源の全発光点からの全出射ビーム幅は、下記式で表される。
【0072】
【数12】
【0073】
前記関係式(B)に上記の全出射ビーム幅を代入すると、下記の関係式(C)を得ることができる。
【0074】
【数13】
【0075】
従って、発光点の間隔がP(mm)、発光点の個数がm個のマルチキャビティレーザを照明光源に用いた露光ヘッドでは、上記関係式(C)を満たすように、波長λ、回折格子サイズΛ、ビーム幅W、画素サイズa、及びビーム出射角度θAの各パラメータを決定することにより、高消光比の露光ヘッドを実現することができる。
【0076】
例えば、レーザ光の波長λを405nm、GLVの1周期当りの回折格子サイズΛを6.25μm、GLV配置位置(照射面)でのビーム幅Wを27mm、GLV上での1画素のサイズaを25μm、ビーム出射角度θAを10°、発光点の間隔を100μm、及びGLV長さ方向に配列された発光点の個数を24個とした場合には、左辺の値が0.0648、右辺の値が0.0621で上記式(C)の関係が成立し、高い消光比を得ることができる。
【0077】
また、図15に示すように、ヒートブロック100上に、マルチキヤビティレーザ110を、各チップの発光点110aの配列方向と同じ方向に所定間隔で配列したマルチキャビティレーザアレイを照明装置として用いてもよい。多数の発光点の配列間隔をP1(mm)、相互に隣り合うマルチキヤビティレーザ間の発光点の配列間隔をP2(mm)、発光点の個数をm個、マルチキヤビティレーザの個数をN個とすると、照明光源の全発光点からの全出射ビーム幅は下記式で表される。
【0078】
【数14】
【0079】
この場合には、前記関係式(B)に上記の全出射ビーム幅を代入すると、下記の関係式(D)を得ることができる。
【0080】
【数15】
【0081】
従って、発光点の間隔がP1(mm)、発光点の個数がm個のマルチキャビティレーザを、相互に隣り合うマルチキヤビティレーザ間の発光点の配列間隔がP2(mm)となるように、複数配列したマルチキャビティレーザアレイを照明光源に用いた露光ヘッドでは、上記関係式(D)を満たすように、波長λ、回折格子サイズΛ、ビーム幅W、画素サイズa、及びビーム出射角度θAの各パラメータを決定することにより、高消光比の露光ヘッドを実現することができる。
【0082】
例えば、レーザ光の波長λを405nm、GLVの1周期当りの回折格子サイズΛを6.25μm、GLV配置位置(照射面)でのビーム幅Wを27mm、GLV上での1画素のサイズaを25μm、ビーム出射角度θAを10°、マルチキヤビティレーザの発光点の間隔を100μm、相互に隣り合うマルチキヤビティレーザ間の発光点の間隔を200μm、1チップ当りの発光点の個数を5個、マルチキヤビティレーザの個数を4個とした場合には、左辺の値が0.0648、右辺の値が0.0608で上記式(D)の関係が成立し、高い消光比を得ることができる。
【0083】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高消光比を実現して、高精度且つ高解像度で露光を行うことができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る露光ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図2】(A)は図1に示す露光ヘッドの光軸に沿った断面図であり、(B)はその側面図である。
【図3】グレーティング・ライト・バルブ(GLV)の構成を示す部分拡大図である。
【図4】(A)及び(B)はGLVの動作を説明するための説明図である。
【図5】ファイバアレイ光源の構成を示す斜視図である。
【図6】0次回折光と±1次回折光とを分離するための条件を説明する説明図である。
【図7】パラメータを説明するための説明図である。
【図8】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図9】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図10】図9に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図11】図9に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図12】(A)はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、(B)は(A)の部分拡大図である。
【図13】マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図14】(A)及び(B)はマルチキャビティレーザを照明光源として用いた場合のパラメータを説明するための説明図である。
【図15】マルチキャビティレーザアレイを照明光源として用いた場合のパラメータを説明するための説明図である。
【符号の説明】
54、58、67 レンズ系
56 走査面(被露光面)
66 ファイバアレイ光源
69 ミラー
300 グレーティング・ライト・バルブ(GLV)
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光ヘッドに関し、特に、空間変調素子により変調された光で感光材料を露光する露光ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、感光材料を露光する露光ヘッドの空間変調素子に、GLV(回折格子光バルブ;グレーティング・ライト・バルブ)が用いられている。GLVは、リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を交互に多数個並列配置して構成されている。この可動格子が移動することにより回折格子が形成され、入射光が所定方向に回折される。
【0003】
従来のGLVを用いた露光ヘッドは、レーザ光を照射する光源、光源から照射されたレーザ光をコリメートするレンズ系、レンズ系でコリメートされたレーザ光を反射するミラー、ミラーのレーザ光反射方向に配置されたGLV、GLVで回折された1次回折光を走査面上に結像するレンズ系、及び0次回折光を光路から除外する遮蔽板から構成されている。この露光ヘッドでは、画像データ等に基づいてGLVを図示しない制御装置でオンオフ制御することにより、露光が行なわれる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の露光ヘッドでは、1次回折光と0次回折光とが十分に分離されていない場合には、消光比が低下して、露光の位置精度や解像度が低下する、という問題がある。
【0005】
本発明は上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、高消光比を実現して、高精度且つ高解像度の露光ヘッドを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、露光面に対して所定方向と交差する方向に相対移動される露光ヘッドであって、リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を所定方向に沿って交互に多数個並列配置して構成したグレーティングライトバルブと、光ファイバの入射端から入射されたレーザ光をその出射端から出射するファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々が前記所定方向に配列されたレーザ装置と、前記レーザ装置から出射され前記グレーティングライトバルブの各画素部で変調されたレーザ光を露光面上に結像させる光学系と、を備え、以下に定義される各パラメータが、下記式(A)を満たすように構成されたことを特徴とする。
【0007】
【数3】
【0008】
上記の式において各パラメータは以下のように定義される。
λ:レーザ光の波長
Λ:GLVの1周期当りの回折格子サイズ(格子ピッチ)
θ:光ファイバの開口数(NA)から下記式に従い導出される照明光源からのビーム出射角度
θ=sin−1(NA)
n:光ファイバの本数
d:光ファイバのクラッド径
W:GLV配置位置(照射面)でのビーム幅
a:GLV上での1画素のサイズ
本発明の露光ヘッドでは、レーザ光の波長λとGLVの1周期当りの回折格子サイズΛとの比λ/Λが、照明光源からのビーム出射角度θ、光ファイバの本数n、光ファイバのクラッド径d、GLV配置位置でのビーム幅W、及びGLV上での1画素のサイズaの各パラメータとの関係で所定の関係式を満たすように露光ヘッドを設計することにより、GLVにより回折される0次光と±1次光とを完全に分離して、高消光比の露光ヘッドを実現することができる。これにより、高精度且つ高解像度で露光を行うことができる。
【0009】
上記の露光ヘッドにおいて、レーザ装置の高輝度化を図るために、ファイバ光源に使用される光ファイバを、コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバとすることが好ましい。また、複数のレーザ光を合波して前記光ファイバの各々に入射させるファイバ光源(合波レーザ光源)を用いることが好ましい。合波レーザ光源を用いることで、レーザ装置を構成する各ファイバ光源の高出力化を図ることができ、少ないファイバ本数で高出力を得ることができる。これにより一層の高輝度化と低コスト化とが図られる。
【0010】
また、複数の発光点が所定間隔で配列されたレーザ装置を備えていてもよい。即ち、本発明の露光ヘッドは、露光面に対して所定方向と交差する方向に相対移動される露光ヘッドであって、リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を所定方向に沿って交互に多数個並列配置して構成したグレーティングライトバルブと、複数の発光点が前記所定方向に所定間隔で配列されたレーザ装置と、前記レーザ装置から出射され前記グレーティングライトバルブの各画素部で変調されたレーザ光を露光面上に結像させる光学系と、を備え、以下に定義される各パラメータが、下記式(B)を満たすように構成されたことを特徴とする。
【0011】
【数4】
【0012】
上記の式において各パラメータは以下のように定義される。
λ:レーザ光の波長
Λ:GLVの1周期当りの回折格子サイズ(格子ピッチ)
θA:発光点からビーム出射角度
DA:全発光点からの全出射ビーム幅
W:GLV配置位置(照射面)でのビーム幅
a:GLV上での1画素のサイズ
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の露光ヘッドの実施の形態を詳細に説明する。
[露光ヘッドの構成]
本実施の形態に係る露光ヘッドは、図1、図2(A)及び(B)に示すように、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、所定方向に長い形状(ライン状)をしたグレーティング・ライト・バルブ(GLV)300を備えている。このGLV300は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。
【0014】
コントローラのデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、露光ヘッドにGLV300の制御すべき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、制御すべき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、各露光ヘッドにGLV300のリボン状のマイクロブリッジを制御する。
【0015】
GLV300の光入射側には、光ファイバの出射端部(発光点)がGLV300の長さ方向と対応する方向に沿って配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源66、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光を補正してGLV300上に集光させるレンズ系67、レンズ系67を透過したレーザ光をGLV300に向けて反射するミラー69がこの順に配置されている。
【0016】
レンズ系67は、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光を平行光化するレンズ系、平行光化されたレーザ光の光量分布が均一になるように補正するレンズ系、及び光量分布が補正されたレーザ光をGLV上に集光する集光レンズ系等で構成されている。
【0017】
ライン状のGLV300は、その長手方向がファイバアレイ光源66の光ファイバの配列方向と平行になり且つGLV300のリボン状のマイクロブリッジの反射面がミラー69の反射面と略平行になるように配置されている。
【0018】
このGLV300は、図3に示すように、シリコン等からなる長尺状の基板203上に、リボン状の反射面を備えたマイクロブリッジ209が多数個(例えば、6480個)平行に配列されたものであり、隣接するマイクロブリッジ209間には多数のスリット211が形成されている。通常、1画素は複数(例えば、6個)のマイクロブリッジ209列で構成されており、1画素を6個のマイクロブリッジ列で構成すると仮定すると、6480個のマイクロブリッジで1080画素での露光が可能である。
【0019】
各マイクロブリッジ209は、図4(A)及び(B)に示すように、窒化シリコン(SiNx)等からなる可撓性梁209aの表面に、アルミニウム(又は、金、銀、銅等)の単層金属膜からなる反射電極膜209bを形成したものである。反射電極膜209bの各々は、図示しない配線により図示しないスイッチを介して電源に接続されている。
【0020】
ここで、GLV300の動作原理を簡単に説明する。電圧を印加していない状態では、マイクロブリッジ209は基板203から所定間隔離間されているが、マイクロブリッジ209と基板203との間に電圧を印加すると、静電誘導された電荷によってマイクロブリッジ209と基板203との間に静電吸引力が発生し、マイクロブリッジ209が基板203側に撓む。そして、電圧の印加を止めると、撓みが解消し、マイクロブリッジ209は弾性復帰により基板203から離間する。従って、電圧を印加するマイクロブリッジと電圧を印加しないマイクロブリッジとを交互に配置することで、電圧の印加により回折格子を形成することができる。
【0021】
図4(A)は、画素単位のマイクロブリッジ列に電圧が印加されておらず、オフ状態にある場合を示している。オフ状態では、マイクロブリッジ209の反射面の高さが総て揃い、反射光には光路差が生じず正反射される。即ち、0次回折光しか得ることができない。一方、図4(B)は、画素単位のマイクロブリッジ列に電圧が印加され、オン状態にある場合を示している。なお、電圧は1つおきのマイクロブリッジ209に印加される。オン状態では、前述した原理によりマイクロブリッジ209の中央部が撓み、交互に段差のある反射面が形成される。即ち、回折格子が形成される。この反射面にレーザ光を入射させると、撓みのあるマイクロブリッジ209で反射された光と、撓みのないマイクロブリッジ209で反射された光との間に光路差が生じ、所定方向に±1次回折光が出射される。
【0022】
従って、図示しないコントローラにより、制御信号に応じて、GLV300の各画素におけるマイクロブリッジ列を、印加される電圧のオン/オフで駆動制御することによって、GLV300に入射されたレーザ光は画素毎に変調されて所定方向に回折される。
【0023】
また、GLV300の光反射側、即ち、回折光(0次回折光及び±1次回折光)が出射される側には、回折光を走査面(被露光面)56上に結像するレンズ系54、58が、GLV300と被露光面56とが共役な関係となるように配置されている。また、回折光がレンズ系54に入射されるように、GLV300はそのリボン状の反射面を予めレンズ系54の光軸に対し所定角度(例えば45°)傾斜させて配置されている。
【0024】
図2(A)及び(B)では、0次回折光は点線で図示し、±1次回折光は実線で図示している。レンズ系54は、入射された回折光をGLV300の長手方向に集光し且つ副走査方向に平行光化する。レンズ系54とレンズ系58との間の0次回折光の焦点位置には、0次回折光を走査面56への光路から除外するための長尺状の遮蔽板55がその長手方向がGLVの長手方向と直交するように配置されている。これにより、0次回折光が排除される。
【0025】
なお、この露光ヘッドは、図示しない駆動手段により、被露光面56に対し所定の主走査方向と交差する副走査方向に相対移動される。即ち、露光ヘッドを移動させてもよく、被露光面(露光対象)を移動させてもよい。
【0026】
ファイバアレイ光源66は、図5に示すように、多数(例えば、30個)のレーザモジュール64を備えており、各レーザモジュール64には、マルチモード光ファイバ30の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ30の他端はレーザモジュール64のパッケージから引き出され、発光点がGLVの長さ方向に並ぶように配列されたレーザ出射部68が構成されている。ファイバアレイ光源66の各発光点での出力を180mW(ミリワット)とすると、25個の発光点が配列されたレーザ出射部68での出力は約5.4W(=180mW×30)である。
【0027】
マルチモード光ファイバ30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、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、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。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ30は、ステップインデックス型光ファイバであり、クラッド径=60μm、コア径=25μm、NA=0.2である。
【0028】
[露光ヘッドの動作]
次に、上記露光ヘッドの動作について説明する。
【0029】
露光パターンに応じた画像データが、GLV300に接続された図示しないコントローラに入力されると、この画像データに基づいて制御信号が生成され、生成された制御信号に基づいて各照射ヘッド毎にGLV300のマイクロブリッジの各々が画素単位でオンオフ制御される。ファイバアレイ光源66からGLV300にレーザ光が照射されると、GLV300のマイクロブリッジがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系54、58により透明基板150のアニール面56上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、感光材料がGLVの画素数と略同数の画素単位で露光される。また、感光材料が図示しない移動手段により一定速度で移動されることにより、露光ヘッドによって移動方向と反対の方向に副走査される。
【0030】
[関係式の導出]
本実施の形態では、高消光比を得るために、下記の関係式を満たすように露光ヘッドを設計する。
【0031】
【数5】
【0032】
上記の式において各パラメータは以下のように定義される。
λ:レーザ光の波長
Λ:GLVの1周期当りの回折格子サイズ(格子ピッチ)
θ:光ファイバの開口数(NA)から下記式に従い導出される照明光源からのビーム出射角度
θ=sin−1(NA)
n:光ファイバの本数
d:光ファイバのクラッド径
W:GLV配置位置(照射面)でのビーム幅
a:GLV上での1画素のサイズ
以下、図6及び図7を参照して上記関係式の導出方法を説明する。上記の通り、GLV300により異なる方向に回折される複数の次数の回折光(0次光、±1次光、±2次光...)が得られるが、±1次光以外の光をカットして±1次光だけを露光に使用する。このとき、回折光のピーム拡がり角度が大きいと、本来カットされるべき0次光の一部が±1次光と重なり消光比が低下する。
【0033】
図6は0次光と±1次光とを分離するための条件を示す図である。回折光のビーム拡がり角度には、レンズ系67による成分とGLV上の画素サイズによる成分とがある。即ち、GLV300へ照射されるビームは略平行なビームであるが、±φ(rad)だけ角度を持っている。そして、GLV300で反射した光は、さらにGLV300の画素サイズの影響による回折効果で拡がり角ψ(rad)だけ拡がる。従って、GLV300による反射光の拡がり角は、下記式で与えられる。
【0034】
【数6】
【0035】
GLV300での回折により0次光と±1次光とが成す角度をαとすると、0次光と±1次光とを重なり無く分離するためには、この角度αが下記関係式を満たす必要がある。
【0036】
【数7】
【0037】
一方、0次光と±1次光とが成す角度αは、いわゆる回折角度であり、レーザ光の波長λ、GLVの1周期当りの回折格子サイズΛを用いて近似的に下記式で表される。
【0038】
【数8】
【0039】
図7に示すように、レンズ系67は、ファイバアレイ光源66からの出射光を略平行な光にすると共に、ファイバアレイ光源66の発光点の各々がGLV300の使用領域全体をほぼ等しく照明するように配置されている。この通り、各発光点から出射された光束がGLV300の使用領域全体を照明するので、ファイバアレイ光源66を構成する一部のレーザモジュールが故障しても、GLV300に照射されるレーザ光の光量分布が不均一になることはない。
【0040】
この条件下では、照明光のビーム束角度2φ(rad)は、ビーム出射角度θ(rad)、出射ビーム幅nd(mm)、及びGLV配置位置でのビーム幅W(mm)を用いて下記式で表される。
【0041】
【数9】
【0042】
GLV300の1画素サイズがa(μm)、入射するレーザ光の波長がλ(μm)である場合、回折拡がり角ψ(rad)は、下記式で与えられる。
【0043】
【数10】
【0044】
以上の式を整理すると、上記の関係式(A)を得ることができる。即ち、上記関係式(A)を満たすように露光ヘッドを設計することにより、GLV300での回折による0次光と±1次光とが完全に分離され、±1次光だけを用いて露光を行うことができるので、露光ヘッドの消光比が向上する。
【0045】
上記で説明した露光ヘッドにおいて、例えば、レーザ光の波長λを405nm、GLVの1周期当りの回折格子サイズΛを6.25μm、GLV配置位置(照射面)でのビーム幅Wを27mm、GLV上での1画素のサイズaを25μm、ファイバアレイ光源からのビーム出射角度θを11.5°、光ファイバの本数nを30本、及び光ファイバのクラッド径dを60μmとした場合には、上記式(A)の関係が成立し、高い消光比を得ることができる。
【0046】
以上説明した通り、本実施の形態の露光ヘッドでは、関係式(A)を満たすように、波長λ、回折格子サイズΛ、ビーム幅W、画素サイズa、ビーム出射角度θ、光ファイバ本数n、及びクラッド径dの各パラメータを決定することにより、高消光比の露光ヘッドを実現することができる。これにより、高精度且つ高解像度での露光を行うことができる。
【0047】
[レーザモジュールの構成]
上記のレーザモジュール64は、図8に示す合波レーザ光源(ファイバ光源)によって構成することができる。この合波レーザ光源は、ヒートブロック10上に配列固定された複数(例えば、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,及びLD7と、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々に対応して設けられたコリメータレンズ11,12,13,14,15,16,及び17と、1つの集光レンズ20と、1本のマルチモード光ファイバ30と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は7個には限定されない。
【0048】
GaN系半導体レーザLD1〜LD7は、発振波長が総て共通(例えば、405nm)であり、最大出力も総て共通(例えば、マルチモードレーザでは100mW、シングルモードレーザでは30mW)である。なお、GaN系半導体レーザLD1〜LD7としては、350nm〜450nmの波長範囲で、上記の405nm以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。
【0049】
上記の合波レーザ光源は、図9及び図10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40内に収納されている。パッケージ40は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋41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40の開口をパッケージ蓋41で閉じることにより、パッケージ40とパッケージ蓋41とにより形成される閉空間(封止空間)内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【0050】
パッケージ40の底面にはベース板42が固定されており、このベース板42の上面には、前記ヒートブロック10と、集光レンズ20を保持する集光レンズホルダー45と、マルチモード光ファイバ30の入射端部を保持するファイバホルダー46とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ30の出射端部は、パッケージ40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。
【0051】
また、ヒートブロック10の側面にはコリメータレンズホルダー44が取り付けられており、コリメータレンズ11〜17が保持されている。パッケージ40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〜LD7に駆動電流を供給する配線47がパッケージ外に引き出されている。
【0052】
なお、図10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17にのみ番号を付している。
【0053】
図11は、上記コリメータレンズ11〜17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11〜17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、例えば、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11〜17は、長さ方向がGaN系半導体レーザLD1〜LD7の発光点の配列方向(図11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。
【0054】
一方、GaN系半導体レーザLD1〜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例えば10°、30°の状態で各々レーザビームB1〜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〜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。
【0055】
従って、各発光点から発せられたレーザビームB1〜B7は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ11〜17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。つまり、各コリメータレンズ11〜17の幅が1.1mm、長さが4.6mmであり、それらに入射するレーザビームB1〜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11〜17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。
【0056】
集光レンズ20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11〜17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20は、焦点距離f2=23mm、NA=0.2である。この集光レンズ20も、例えば、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。
【0057】
このレーザモジュールでは、ファイバアレイ光源66の合波レーザ光源を構成するGaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々から発散光状態で出射したレーザビームB1,B2,B3,B4,B5,B6,及びB7の各々は、対応するコリメータレンズ11〜17によって平行光化される。平行光化されたレーザビームB1〜B7は、集光レンズ20によって集光され、マルチモード光ファイバ30のコア30aの入射端面に収束する。
【0058】
本例では、コリメータレンズ11〜17及び集光レンズ20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30とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ20によって上述のように集光されたレーザビームB1〜B7が、このマルチモード光ファイバ30のコア30aに入射して光ファイバ内を伝搬し、1本のレーザビームBに合波されてマルチモード光ファイバ30の出射端から出射する。
【0059】
各レーザモジュールにおいて、レーザビームB1〜B7のマルチモード光ファイバ30への結合効率が0.85で、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各出力が30mWの場合には、アレイ状に配列された光ファイバ30の各々について、出力180mW(=30mW×0.85×7)の合波レーザビームBを得ることができる。
【0060】
GLVを照明する光源に、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部における発光点を配列した高輝度のファイバアレイ光源を用いることにより、高出力で且つ深い焦点深度を備えた露光ヘッドを実現することができる。更に、各発光点での出力が大きくなることで、所望の出力を得るために必要なファイバ本数が少なくなり、露光ヘッドの低コスト化が図られる。
【0061】
[マルチモード光ファイバ]
レーザモジュール64には、マルチモード光ファイバ30の一端が結合されているが、マルチモード光ファイバ30の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ30と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ30より小さい光ファイバ31を結合してもよい。出射端のクラッド径を小さくすることで、GLV300に入射する光束の角度が小さくなり、走査面56へ入射する光束の角度が小さくなる。そして、光ファイバ31の出射端部(発光点)が副走査方向と直交する主走査方向に沿って1列に配列されてレーザ出射部68が構成されている。
【0062】
光ファイバ31の出射端部は、図12(A)及び(B)に示すように、表面が平坦な2枚の支持板65に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ31の光出射側には、光ファイバ31の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板63が配置されている。保護板63は、光ファイバ31の端面と密着させて配置してもよく、光ファイバ31の端面が密封されるように配置してもよい。光ファイバ31の出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、保護板63を配置することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【0063】
この例では、クラッド径が小さい光ファイバ31の出射端を隙間無く1列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30の間にマルチモード光ファイバ30を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の2つの出射端の間に挟まれるように配列されている。
【0064】
このような光ファイバは、例えば、図13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30のレーザ光出射側の先端部分に、長さ1〜30cmのクラッド径が小さい光ファイバ31を同軸的に結合することにより得ることができる。2本の光ファイバは、光ファイバ31の入射端面が、マルチモード光ファイバ30の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致するように融着されて結合されている。上述した通り、光ファイバ31のコア31aの径は、マルチモード光ファイバ30のコア30aの径と同じ大きさである。
【0065】
また、長さが短くクラッド径が大きい光ファイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマルチモード光ファイバ30の出射端に結合してもよい。コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の交換が容易になり、露光ヘッドのメンテナンスに要するコストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ31を、マルチモード光ファイバ30の出射端部と称する場合がある。
【0066】
マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31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、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、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。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31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30は、クラッド径=125μm、コア径=25μm、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31は、クラッド径=60μm、コア径=25μm、NA=0.2である。
【0067】
一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、GaN(窒化ガリウム)系半導体レーザから出射された波長405nmのレーザ光では、クラッドの厚み{(クラッド径−コア径)/2}を800nmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の1/2程度、通信用の1.5μmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約1/4にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、クラッド径を60μmと小さくすることができる。
【0068】
[複数の発光点を備えた光源]
上記ではファイバアレイ光源をGLV照明光源に用いる例について説明したが、例えば、ヒートブロック上に複数のチップ状の半導体レーザを所定方向に所定間隔で配列したレーザアレイや、複数の発光点が所定方向に所定間隔で配列されたチップ状のマルチキャビティレーザを照明光源として用いてもよい。マルチキャビティレーザは、チップ状の半導体レーザを配列する場合と比べ、発光点を位置精度良く配列できる。
【0069】
次に、図14(A)及び(B)を参照して、このマルチキャビティレーザを照明光源として用いた例について説明する。図14(A)に示すように、このマルチキャビティレーザ110には、多数の発光点110aが所定方向に沿って所定間隔で配列されている。このときの照明光源の全発光点からの全出射ビーム幅をDA(mm)とする。また、図14(B)に示すように、発光点からビーム出射角度をθA(rad)とする。従って、上記関係式(A)において、光ファイバからのビーム出射角度θの代わりにθAを代入し、レーザ装置の出射ビーム幅Dの代わりに上記の全出射ビーム幅DAを代入すると、下記の関係式(B)が導出される。
【0070】
【数11】
【0071】
上記の式において各パラメータは以下のように定義される。
λ:レーザ光の波長
Λ:GLVの1周期当りの回折格子サイズ(格子ピッチ)
θA:発光点からビーム出射角度
DA:全発光点からの全出射ビーム幅
W:GLV配置位置(照射面)でのビーム幅
a:GLV上での1画素のサイズ
なお、発光点の間隔をP(mm)、発光点の個数をm個とすると、照明光源の全発光点からの全出射ビーム幅は、下記式で表される。
【0072】
【数12】
【0073】
前記関係式(B)に上記の全出射ビーム幅を代入すると、下記の関係式(C)を得ることができる。
【0074】
【数13】
【0075】
従って、発光点の間隔がP(mm)、発光点の個数がm個のマルチキャビティレーザを照明光源に用いた露光ヘッドでは、上記関係式(C)を満たすように、波長λ、回折格子サイズΛ、ビーム幅W、画素サイズa、及びビーム出射角度θAの各パラメータを決定することにより、高消光比の露光ヘッドを実現することができる。
【0076】
例えば、レーザ光の波長λを405nm、GLVの1周期当りの回折格子サイズΛを6.25μm、GLV配置位置(照射面)でのビーム幅Wを27mm、GLV上での1画素のサイズaを25μm、ビーム出射角度θAを10°、発光点の間隔を100μm、及びGLV長さ方向に配列された発光点の個数を24個とした場合には、左辺の値が0.0648、右辺の値が0.0621で上記式(C)の関係が成立し、高い消光比を得ることができる。
【0077】
また、図15に示すように、ヒートブロック100上に、マルチキヤビティレーザ110を、各チップの発光点110aの配列方向と同じ方向に所定間隔で配列したマルチキャビティレーザアレイを照明装置として用いてもよい。多数の発光点の配列間隔をP1(mm)、相互に隣り合うマルチキヤビティレーザ間の発光点の配列間隔をP2(mm)、発光点の個数をm個、マルチキヤビティレーザの個数をN個とすると、照明光源の全発光点からの全出射ビーム幅は下記式で表される。
【0078】
【数14】
【0079】
この場合には、前記関係式(B)に上記の全出射ビーム幅を代入すると、下記の関係式(D)を得ることができる。
【0080】
【数15】
【0081】
従って、発光点の間隔がP1(mm)、発光点の個数がm個のマルチキャビティレーザを、相互に隣り合うマルチキヤビティレーザ間の発光点の配列間隔がP2(mm)となるように、複数配列したマルチキャビティレーザアレイを照明光源に用いた露光ヘッドでは、上記関係式(D)を満たすように、波長λ、回折格子サイズΛ、ビーム幅W、画素サイズa、及びビーム出射角度θAの各パラメータを決定することにより、高消光比の露光ヘッドを実現することができる。
【0082】
例えば、レーザ光の波長λを405nm、GLVの1周期当りの回折格子サイズΛを6.25μm、GLV配置位置(照射面)でのビーム幅Wを27mm、GLV上での1画素のサイズaを25μm、ビーム出射角度θAを10°、マルチキヤビティレーザの発光点の間隔を100μm、相互に隣り合うマルチキヤビティレーザ間の発光点の間隔を200μm、1チップ当りの発光点の個数を5個、マルチキヤビティレーザの個数を4個とした場合には、左辺の値が0.0648、右辺の値が0.0608で上記式(D)の関係が成立し、高い消光比を得ることができる。
【0083】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高消光比を実現して、高精度且つ高解像度で露光を行うことができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る露光ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図2】(A)は図1に示す露光ヘッドの光軸に沿った断面図であり、(B)はその側面図である。
【図3】グレーティング・ライト・バルブ(GLV)の構成を示す部分拡大図である。
【図4】(A)及び(B)はGLVの動作を説明するための説明図である。
【図5】ファイバアレイ光源の構成を示す斜視図である。
【図6】0次回折光と±1次回折光とを分離するための条件を説明する説明図である。
【図7】パラメータを説明するための説明図である。
【図8】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図9】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図10】図9に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図11】図9に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図12】(A)はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、(B)は(A)の部分拡大図である。
【図13】マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図14】(A)及び(B)はマルチキャビティレーザを照明光源として用いた場合のパラメータを説明するための説明図である。
【図15】マルチキャビティレーザアレイを照明光源として用いた場合のパラメータを説明するための説明図である。
【符号の説明】
54、58、67 レンズ系
56 走査面(被露光面)
66 ファイバアレイ光源
69 ミラー
300 グレーティング・ライト・バルブ(GLV)
Claims (4)
- 露光面に対して所定方向と交差する方向に相対移動される露光ヘッドであって、
リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を所定方向に沿って交互に多数個並列配置して構成したグレーティングライトバルブと、
光ファイバの入射端から入射されたレーザ光をその出射端から出射するファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々が前記所定方向に配列されたレーザ装置と、
前記レーザ装置から出射され前記グレーティングライトバルブの各画素部で変調されたレーザ光を露光面上に結像させる光学系と、
を備え、
以下に定義される各パラメータが、下記式(A)を満たすように構成されたことを特徴とする露光ヘッド。
λ:レーザ光の波長
Λ:GLVの1周期当りの回折格子サイズ(格子ピッチ)
θ:光ファイバの開口数(NA)から下記式に従い導出される照明光源からのビーム出射角度
θ=sin−1(NA)
n:光ファイバの本数
d:光ファイバのクラッド径
W:GLV配置位置(照射面)でのビーム幅
a:GLV上での1画素のサイズ - 前記光ファイバとして、コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバを用いた請求項1に記載の露光ヘッド。
- 前記ファイバ光源は、複数のレーザ光を合波して前記光ファイバの各々に入射させる請求項1又は2に記載の露光ヘッド。
- 露光面に対して所定方向と交差する方向に相対移動される露光ヘッドであって、
リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を所定方向に沿って交互に多数個並列配置して構成したグレーティングライトバルブと、
複数の発光点が前記所定方向に所定間隔で配列されたレーザ装置と、
前記レーザ装置から出射され前記グレーティングライトバルブの各画素部で変調されたレーザ光を露光面上に結像させる光学系と、
を備え、
以下に定義される各パラメータが、下記式(B)を満たすように構成されたことを特徴とする露光ヘッド。
λ:レーザ光の波長
Λ:GLVの1周期当りの回折格子サイズ(格子ピッチ)
θA:発光点からビーム出射角度
DA:全発光点からの全出射ビーム幅
W:GLV配置位置(照射面)でのビーム幅
a:GLV上での1画素のサイズ
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002199090A JP2004042273A (ja) | 2002-07-08 | 2002-07-08 | 露光ヘッド |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002199090A JP2004042273A (ja) | 2002-07-08 | 2002-07-08 | 露光ヘッド |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004042273A true JP2004042273A (ja) | 2004-02-12 |
Family
ID=31706360
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002199090A Pending JP2004042273A (ja) | 2002-07-08 | 2002-07-08 | 露光ヘッド |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004042273A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7535625B2 (en) | 2005-04-20 | 2009-05-19 | Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. | Image recording apparatus |
-
2002
- 2002-07-08 JP JP2002199090A patent/JP2004042273A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7535625B2 (en) | 2005-04-20 | 2009-05-19 | Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. | Image recording apparatus |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4244156B2 (ja) | 投影露光装置 | |
JP4731787B2 (ja) | 露光ヘッド及び露光装置 | |
JP2004006440A (ja) | レーザ装置、露光ヘッド、及び露光装置 | |
JP2004062156A (ja) | 露光ヘッド及び露光装置 | |
KR20040084851A (ko) | 합파레이저광 조심방법, 레이저광 합파광원 및 노광장치 | |
JP2005309380A (ja) | 画像露光装置 | |
EP1369731A2 (en) | Exposure head and exposure apparatus | |
JP2004062155A (ja) | 露光ヘッド及び露光装置 | |
JP2003345030A (ja) | 露光装置 | |
WO2006137486A1 (ja) | 画像露光装置 | |
JP2005032909A (ja) | 照明光学系およびそれを用いた露光装置 | |
WO2007040165A1 (ja) | 画像露光装置 | |
JP2004310081A (ja) | 合波レーザ光調芯方法、レーザ光合波光源、および露光装置 | |
JP2006337528A (ja) | 画像露光装置 | |
JP4588428B2 (ja) | 画像露光方法および装置 | |
JP2005275325A (ja) | 画像露光装置 | |
JP4323335B2 (ja) | 画像露光方法および装置 | |
JP2004042273A (ja) | 露光ヘッド | |
JP2005277153A (ja) | 画像露光装置 | |
JP2004126034A (ja) | 画像形成装置 | |
JP4208141B2 (ja) | 画像露光方法および装置 | |
JP4708785B2 (ja) | 画像露光方法および装置 | |
JP2006171426A (ja) | 照明光学系及びそれを用いた露光装置 | |
JP4014990B2 (ja) | 光ファイバの接続方法 | |
JP2003341128A (ja) | 露光ヘッド |