JP2004191735A

JP2004191735A - 照明光学系および露光装置

Info

Publication number: JP2004191735A
Application number: JP2002360741A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Omori; 利彦大森
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】レーザ光を用いて空間光変調素子を照明する際、レーザ光の光強度分布が従来に比べてより均一化する照明光学系を提供するとともに、この照明光学系を用いた露光装置を提供する。
【解決手段】照明光学系１０は、複数のエミッタを有するブロードエリア型レーザダイオードアレイ１２と、略同一の開口形状を有する複数のシリンドリカルマイクロレンズ２１を配列し、エミッタ１８から射出して生成されたファーフィールドパターンの各レーザ光を各シリンドリカルマイクロレンズ２１で集束させるアレイ板２４と、シリンドリカルマイクロレンズ２１と開口形状が略同一の複数のシリンドリカルマイクロレンズ２３が配列し、前記レーザ光の集束位置に設けられたアレイ板２６と、を有し、アレイ板２４の各レンズで集束することで光束が分割したレーザ光をアレイ板２６を用いて、空間光変調素子１６の投影面上に重ね合わせて照明する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を用いてデジタルマイクロミラーデバイス（商標）等の反射型の空間光変調素子や透過型の空間光変調素子を照明する照明光学系およびこの照明光学系を用いて記録媒体等の露光を行う露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、感光材料や感熱材料等の記録媒体の所定の位置にレーザ光を集束させて露光記録する露光記録装置をはじめとする露光装置では、照明する光を部分的に変調する（空間的に変調する）空間光変調素子を用いる。例えば、少なくとも１方向に配列した微小ミラー（マイクロミラー）の偏向角を制御することにより空間的に変調したレーザ光を生成する、反射型の空間光変調素子であるデジタルマイクロミラーアレイが用いられる。
このような露光装置では、均一な露光を行うことができるように、空間光変調素子の光照射面に均一な光強度分布を持った光を照明する必要がある。
また、露光を短時間に行って生産性を向上させるためには、高出力の光源を用いることも必要である。
【０００３】
高出力の光を射出する光源として、例えばレーザ光を発光するエミッタの発光領域を広げ、高出力を可能にしたブロードエリア型レーザダイオードが知られ、さらに、このブロードエリア型レーザダイオードのエミッタをアレイ状に複数配列して高出力化させたものが知られている。
【０００４】
また、下記に示す特許文献１では、上記ブロードエリア型レーザダイオードアレイを用いて空間光変調素子として機能する直線ライトバルブを均一に照明する方法を提案している。
すなわち、特許文献１では、直線ライトバルブに対して並列に作動する複数のエミッタから成り、幅の広い発光面を有するレーザーダイオードを、直線ライトバルブとを結合する方法で、エミッタのピッチより僅かに小さいピッチを有する小レンズの配列体であるレンズアレイを、レーザーダイオードに近接して配置することによって、エミッタのすべての像（ニアフィールドパターンの像）を直線ライトバルブ上で重ね合せることができ、これにより直線ライトバルブを均一に照明することができるとされている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９９５５４０号の特許公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１の方法を用いても依然として空間光変調素子を十分均一に照明することができないといった問題あった。
すなわち、レーザーダイオードに近接して配置されたレンズアレイを用いてエミッタからのレーザ光を空間光変調素子上で重ねた場合、ファーフィールドパターンのようにフラウンホーファー回折を起こさないことから、空間光変調素子上で形成されるレーザ光の光強度分布はエミッタで発光した際の光強度分布に近いニアフィールドにおける光強度分布を示す。また、エミッタで発光するレーザ光の光強度分布は必ずしも均一な分布でないことから、空間光変調素子に照明されるレーザ光の光強度分布は不均一なものとなってしまう。また、各エミッタで発光するレーザ光の光強度分布はいずれも同様な光強度分布を持つため、空間光変調素子に形成されるレーザ光の光強度分布は各エミッタで発光するレーザ光の光強度分布と略同様な光強度分布を持つ。
このように、上記特許文献１で示す方法を用いて空間光変調素子を照明するレーザ光の光強度分布は十分に均一とはいえない。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題を解決するために、レーザ光を用いて空間光変調素子を照明する際、照明するレーザ光の光強度分布が従来に比べてより均一化することのできる照明光学系を提供するとともに、この照明光学系を用いた露光装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【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、レーザ光を用いて空間光変調素子を照明する照明光学系であって、
複数のエミッタを有するレーザダイオードと、
略同一の開口形状を有する複数のレンズが配列した第１のレンズアレイを有し、前記複数のエミッタから射出して生成されたファーフィールドパターンの各レーザ光を前記第１のレンズアレイの各レンズで集束させる第１のレンズアレイ板と、
前記第１のレンズアレイの各レンズの開口形状と略同一の開口形状を有する複数のレンズが配列した第２のレンズアレイを有し、前記第１のレンズアレイにより集束したレーザ光の集束位置に前記第１のレンズアレイ板に対向して設けられた第２のレンズアレイ板と、を有し、
前記第１のレンズアレイの各レンズで集束することにより光束が分割したレーザ光を前記第２のレンズアレイを用いて、前記空間光変調素子の投影面上に重ね合わせて照明することを特徴とする照明光学系を提供する。
【０００９】
また、前記複数のエミッタから射出した各レーザ光が前記第１のレンズアレイ板上の同一領域で重なるように、各レーザ光をコリメートしてファーフィールドパターンのレーザ光を生成するコリメート光学系を有することが好ましい。
【００１０】
また、前記第１のレンズアレイおよび前記第２のレンズアレイの各々は、シリンドリカルマイクロレンズを一方向に配列したシリンドリカルマイクロレンズアレイであることが好ましい。
【００１１】
また、前記レーザダイオードは、前記複数のエミッタが一方向に配列し、前記シリンドリカルマイクロレンズは、前記エミッタの配列方向と同一方向に配列していることが好ましい。
【００１２】
また、上記照明光学系と、この照明光学系からのレーザ光の照明を受ける空間変調素子とを有し、前記空間光変調素子が受けたレーザ光の少なくとも一部を前記空間光変調素子を用いて変調し、この変調したレーザ光を用いて露光することを特徴とする露光装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の照明光学系およびこの照明光学系を用いた露光装置を添付の図面に示される好適実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の照明光学系１０の好適実施例の概略斜視図である。
図１に示す照明光学系１０は、レーザ光を射出する光源部１２と、レーザ光の光強度分布を均一化する光学系１４とを有し、空間光変調素子１６の所定の位置にレーザ光を照明するように構成される。
【００１５】
光源部１２は、高出力のブロードエリア型レーザーダイオードアレイからなり、図１に示すように、複数のエミッタ１８がｘ方向に一次元に配列し、ｚ方向に向けてレーザ光を射出する構成となっている。ここで、エミッタ１８から射出する各レーザ光の光強度分布は均一である必要はなく、また、複数のエミッタ１８から射出するレーザ光の光強度分布がレーザ光間で略同一である必要もない。
【００１６】
光学系１４は、光源部１２から順に、シリンドリカルコリメーターレンズ２０と、シリンドリカルコリメートレンズ２２と、シリンドリカルマイクロレンズアレイ板２４（以降、単にアレイ板２４という）と、シリンドリカルマイクロレンズアレイ板２６（以降、単にアレイ板２６という）と、シリンドリカルフィールドレンズ２８と、シリンドリカルフォーカシングレンズ３０と、を有して構成される。
【００１７】
シリンドリカルコリメーターレンズ２０は、光源部１２から射出したレーザ光をｙ方向において平行光とする（コリメートする）レンズであり、シリンドリカルコリメートレンズ２２は、レーザ光をｘ方向においてコリメートするレンズである。
また、アレイ板２４は、複数のシリンドリカルマイクロレンズ２１がｘ方向に略同一の開口形状を有して複数配列したレンズアレイを有する板状光学部材で、アレイ板２６は、アレイ板２４の各シリンドリカルマイクロレンズの開口形状と略同一の開口形状を有する複数のシリンドリカルマイクロレンズ２３から成るレンズアレイを有し、アレイ板２４のレンズアレイによるレーザ光の集束位置にレンズアレイ板２４に対向して設けられた板状光学部材である。
なお、開口形状とは、レンズとして作用する作用面の大きさをいう。
シリンドリカルフィールドレンズ２８は、レーザ光を空間光変調素子１６の所定の位置を照明するためにｘ方向に集光させるレンズで、シリンドリカルフォーカシングレンズ３０は、レーザ光を空間光変調素子１６上のｙ方向の所定の位置に集束させるレンズである。
【００１８】
なお、空間光変調素子１６は、ｘ方向に光変調素子が一次元に複数配列して構成され、空間光変調素子１６に制御信号が供給されると、照明されたレーザ光の一部分を非透過、残りの部分を透過するように、制御信号に応じて空間光変調素子１６の各光変調素子が素子毎に駆動して、照明されたレーザ光を空間的に変調するものである。
なお空間光変調素子１６は、透過型としたが、マイクロミラーをｘ方向に一次元状に配列したデジタルマイクロミラーデバイス（米国テキサスインスツルメント社商標）等の反射型の空間光変調素子を用いてもよい。
【００１９】
アレイ板２４およびアレイ板２６の各シリンドリカルマイクロレンズ２１および２３は、エミッタ１８の配列方向であるｘ方向に沿って配列される。このシリンドリカルマイクロレンズの配列ピッチは、エミッタ１８の配列ピッチよりも短く構成されてもよいし、長く構成されてもよく、特に制限されない。
また、アレイ板２４は、シリンドリカルコリメートレンズ２２を通過して平行光となったレーザ光を所定の位置で集束させるが、この集束位置にアレイ板２６が配置されるように構成される。
【００２０】
図２（ａ）および（ｂ）は、照明光学系１０におけるレーザ光の挙動をわかり易く説明した図であり、図２（ａ）は、図１に示すｙ方向からレーザ光の挙動を説明したものであり、図２（ｂ）は、図１に示すｘ方向からレーザ光の挙動を説明したものである。
【００２１】
図２（ａ）に示されるように、光源部１２の各エミッタ１８から射出し光束の広がったレーザ光は、シリンドリカルコリメートレンズ２２によりコリメートされる（平行光とされる）。
アレイ板２４は、光源部１２からファーフィールドの位置に配置されており、シリンドリカルコリメートレンズ２２により平行光となった、各エミッタ１８から射出した各レーザ光はアレイ板２４の面上でファーフィールドパターンのレーザ光となっており、アレイ板２４の同一の領域に重なって照射される。例えば、図２（ａ）に示すように、エミッタ１８ａから射出したレーザ光Ｌ₁はシリンドリカルコリメートレンズ２２で平行光となって、アレイ板２４の領域Ｒ上に照射される。また、エミッタ１８ｂから射出したレーザ光Ｌ₂も、シリンドリカルコリメートレンズ２２で平行光となって、アレイ板２４の領域Ｒ上に照射される。このように、複数のエミッタ１８から射出した各レーザ光がコリメートとされアレイ板２４上の同一領域に重ねてファーフィールドパターンのレーザ光が生成される。
このようにして、アレイ板２４の面上では、各エミッタ１８から射出されファーフィールドパターンのレーザ光が重ねられるので、アレイ板２４に照射されるレーザ光の光強度分布は均一化される。
【００２２】
さらに、アレイ板２４に照射されたレーザ光は、アレイ板２４のｘ方向に配列された各シリンドリカルマイクロレンズ２１毎のレンズ作用により集束する。すなわち、アレイ板２４に照射されたファーフィールドパターンのレーザ光は領域毎に光束が分割され集束する。
図２（ａ）では、領域毎に分割された一部のレーザ光Ｌ₃とレーザ光Ｌ₄が異なる位置で集束している。
なお、この集束位置には、アレイ板２４の各シリンドリカルマイクロレンズの開口と略同一の開口形状を有する複数のシリンドリカルマイクロレンズ２３から成るレンズアレイを有するアレイ板２６が、アレイ板２４に対向するように配置されており、このアレイ板２６が、シリンドリカルフィールドレンズ２８とともに作用して、アレイ板２４の各シリンドリカルマイクロレンズ２１によって集束したレーザ光を空間光変調素子１６の投影面上で重ね合わせて照明する。シリンドリカルフィールドレンズ２８は、レーザ光を集光し、空間光変調素子１６の所定の位置を照明するように調整されている。
なお、図２（ａ）では、アレイ板２６により集束したレーザ光が空間光変調素子１６の投影面上で重ね合わされて照明されていることを示している。
【００２３】
このように、アレイ板２４とアレイ板２６を対にして用いることで、レーザ光の光束を空間的に分割し、異なる経路を通過させた後、空間光変調素子１６の投影面上で再合成することにより、光強度が場所によって変化することがなくなり、光強度分布の均一化を達成することができる。すなわち、アレイ板２４とアレイ板２６は、オプティカルインテグレーターの機能を持つといえる。
【００２４】
なお、アレイ板２４のシリンドリカルマイクロレンズ２１とアレイ板２６のシリンドリカルマイクロレンズ２３のレンズセル数である分割数は、数個から数百個の範囲で選択することができるが、分割数が多いほどは光強度分布は均一化する。したがって、分割数が多い方が均一度の向上にとって好ましいが、求められる光強度分布の均一度の程度に応じて自由に分割数を設定することができる。
【００２５】
また、図２（ｂ）に示されるように、光源部１２の各エミッタ１８から射出したレーザ光は、ｙ方向においてシリンドリカルコリメートレンズ２０によりコリメートされた後、シリンドリカルフォーカシングレンズ３０により、空間光変調素子１６上のｙ方向の所定の位置に集束される。
【００２６】
なお、複数のエミッタを有するブロードエリア型レーザーダイオードアレイの近傍にシリンドリカルマイクロレンズを配する上記特許文献１の方法では、各エミッタから射出する各レーザ光を同一領域で重ねるために、ブロードエリア型レーザーダイオードのエミッタ数と同じ数のシリンドリカルマイクロレンズを有するシリンドリカルマイクロレンズアレイ板を用いなければならず、照明光学系を設計する際の自由度が制限される。
一方、上述の光学系１４は、シリンドリカルマイクロレンズに要求される条件はなく、使用するブロードエリア型レーザーダイオードアレイおよび空間光変調素子により、シリンドリカルマイクロレンズ２１の開口の大きさ、レンズセル数である分割数および焦点距離、さらには、他のレンズの焦点距離等を最適化し、光強度の均一度の向上および照明光学系全体のサイズの小型化を実現することができる。
【００２７】
図３は、本発明の照明光学系を用いた露光装置の一例を説明する概略構成図である。
光源部１２から射出され、光学系１４により均一な光強度分布とされたレーザ光は、空間光変調素子１６の所定の位置に照明される。一方、空間光変調素子１６に制御信号が供給されて光変調素子がそれぞれ駆動して変調されたレーザ光が生成される。
空間変調素子１６を透過して変調されたレーザ光は、コリメートレンズ３２でコリメートされ、フォーカシングレンズ３４により、一定速度で回転するドラム３６の外周面に保持された、感熱材料あるいは感光材料である記録媒体３８上に集束し記録媒体３８を走査露光により画像等を記録する。
また、照明光学系１０、空間変調素子１６、コリメートレンズ３２およびフォーカシングレンズ３４は、記録媒体３８を露光する露光ヘッドとして一体的に図３の紙面垂直方向（副走査方向）に移動する構成となっており、記録媒体３８を走査露光する一方、副走査方向に移動して記録媒体３８に所望の画像を露光により記録することができる。
【００２８】
図４は、本発明の照明光学系を用いた露光装置の図３の露光装置とは異なる例を説明する概略構成図である。
図４に示す露光装置は、図３に示す露光装置が、一定速度で回転するドラム３６の外周面に記録媒体３８を保持して走査露光するのに対し、平面上のステージ４６に記録媒体４８を保持して、照明光学系１０、空間変調素子１６、コリメートレンズ４２およびフォーカシングレンズ４４からなる露光ヘッドを用いて露光記録する装置である。
本発明の照明光学系は、記録媒体に画像等を露光記録する露光記録装置をはじめ光の照射によって硬化する樹脂等を用いた光造形装置等の各種露光装置に用いることができる。
【００２９】
なお、サーマルタイプの感熱材料として用いて画像を露光記録するＣＴＰ（Computer To Plate ）システムの場合、光強度分布の均一度が多少悪くても露光記録される画像の画質に与える影響は小さいことから、上述の照明光学系をＣＴＰシステムに適用した場合、アレイ板２４および２６のシリンドリカルマイクロレンズアレイ２１および２３のレンズセル数を５〜１０程度と少なくすることができ、照明光学系全体の小型化や低コスト化を実現することができる。
【００３０】
以上、本発明の照明光学系及び露光装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定はされず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行ってもよいのはもちろんである。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、複数のエミッタから射出して生成されたファーフィールドパターンの各レーザ光を第１のレンズアレイの各レンズで集束させ、前記第１のレンズアレイの各レンズの開口形状と略同一の開口形状を有する複数のレンズから成る第２のレンズアレイを用いて、前記集束したレーザ光を空間光変調素子の投影面上で重ねせて照明するので、従来の方法に比べて空間光変調素子を照明するレーザ光の光強度分布は均一化する。
また、ファーフィールドパターンのレーザ光はフラウンホーファー回折により光強度分布がニアフィールドに比べて均一化しているので、各エミッタから射出したファーフィールドパターンのレーザ光を重ね合わせた後、このレーザ光の光束を分割し、この後、分割した各レーザ光を空間変調素子上で重ねて再合成するるので、より光強度分布の均一度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の照明光学系の好適実施例の概略を示す斜視図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、本発明の照明光学系において射出されたレーザ光の挙動を説明する説明図である。
【図３】本発明の照明光学系を用いた露光装置の一例を示した概略構成図である。
【図４】本発明の照明光学系を用いた露光装置の他の例を示した概略構成図である。
【符号の説明】
１０照明光学系
１２光源部
１４光学系
１６空間光変調素子
１８エミッタ
２０，２２シリンドリカルコリメータレンズ
２１，２３シリンドリカルマイクロレンズ
２４，２６シリンドリカルマイクロレンズアレイ
２８シリンドリカルフィールドレンズ
３０シリンドリカルフォーカシングレンズ
３２，４２コリメートレンズ
３４，４４フォーカシングレンズ
３６ドラム
３８，４８記録媒体
４６ステージ
Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，Ｌ₄ レーザ光
Ｒアレイ板上の領域

Claims

レーザ光を用いて空間光変調素子を照明する照明光学系であって、
複数のエミッタを有するレーザダイオードと、
略同一の開口形状を有する複数のレンズが配列した第１のレンズアレイを有し、前記複数のエミッタから射出して生成されたファーフィールドパターンの各レーザ光を前記第１のレンズアレイの各レンズで集束させる第１のレンズアレイ板と、
前記第１のレンズアレイの各レンズの開口形状と略同一の開口形状を有する複数のレンズが配列した第２のレンズアレイを有し、前記第１のレンズアレイにより集束したレーザ光の集束位置に前記第１のレンズアレイ板に対向して設けられた第２のレンズアレイ板と、を有し、
前記第１のレンズアレイの各レンズで集束することにより光束が分割したレーザ光を前記第２のレンズアレイを用いて、前記空間光変調素子の投影面上に重ね合わせて照明することを特徴とする照明光学系。
前記複数のエミッタから射出した各レーザ光が前記第１のレンズアレイ板上の同一領域で重なるように、各レーザ光をコリメートしてファーフィールドパターンのレーザ光を生成するコリメート光学系を有する請求項１に記載の照明光学系。
前記第１のレンズアレイおよび前記第２のレンズアレイの各々は、シリンドリカルマイクロレンズを一方向に配列したシリンドリカルマイクロレンズアレイである請求項１または２に記載の照明光学系。
前記レーザダイオードは、前記複数のエミッタが一方向に配列し、
前記シリンドリカルマイクロレンズは、前記エミッタの配列方向と同一方向に配列している請求項３に記載の照明光学系。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明光学系と、
この照明光学系からのレーザ光の照明を受ける空間変調素子とを有し、
前記空間光変調素子が受けたレーザ光の少なくとも一部を前記空間光変調素子を用いて変調し、この変調したレーザ光を用いて露光することを特徴とする露光装置。