JP2005234007A

JP2005234007A - 照明光学系および露光方法

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Publication number: JP2005234007A
Application number: JP2004039639A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Omori; 利彦大森
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】照明光源として半導体レーザを用い、照明光の強度分布をオプティカルインテグレータによって均一化する照明光学系において、安価な構成によって照明ＮＡを一様化する。
【解決手段】半導体レーザ66から発散光状態で出射した照明光Ｂを集光してロッド状オプティカルインテグレータ72に入射させる照明光学系において、オプティカルインテグレータ72を、光軸に垂直な断面が矩形である導光性ロッドから構成し、上記断面の１つの辺方向が半導体レーザ66の接合面と平行となる状態に配置する。そしてオプティカルインテグレータ72の、半導体レーザ66の接合面に平行な面内および垂直な面内の少なくとも一方における断面形状を、光軸に沿って幅が次第に変化するテーパ状として、前者の面内における入射端面72ａの幅に対する出射端面72ｂの幅の比を後者の面内におけるそれよりも小さくする。
【選択図】図１１

Description

本発明は２次元空間光変調素子に照明光を照射する照明光学系に関し、特に詳細には、２次元空間光変調素子に照射する照明光の強度分布をロッドインテグレータによって均一化する構成を備えた照明光学系に関するものである。

また本発明は、上述のような照明光学系を用いて感光材料を露光する方法に関するものである。

従来、２次元空間光変調素子で変調された光を感光材料に照射して該感光材料を露光する装置や、あるいは同様に変調された光をスクリーンに投影して画像を表示する装置が種々公知となっている。なお特許文献１には、上述のような画像露光装置の一例が示されている。

この種の画像露光装置においては、高生産性を実現するために、高出力光源の使用が望まれることも多い。近時、そのような高出力光源の一つとして、発光領域を広げて高出力化を図ったブロードエリア型半導体レーザ（以下、ＢＡＬＤという）が広く実用に供されている。また、このようなＢＡＬＤをアレイ化して、さらなる高出力化を図ったレーザ装置も種々提供されている。

ところで、上記ＢＡＬＤや放電ランプ等の照明光源から発せられて２次元空間光変調素子に照射される照明光は、光源から射出されたままの状態では、強度分布が不均一になっていることが多い。従来、このような照明光の強度分布を均一化する手段の一つとして、ロッド型のオプティカルインテグレータが知られている。このロッド型オプティカルインテグレータは、一般に角柱状に形成された導光部材であり、そこに入射した照明光は該インテグレータの側面とその外側の媒質との界面で全反射しつつロッド長手方向に導波し、全反射を繰り返すうちに該照明光の強度分布が均一化される。なお特許文献２には、このようなオプティカルインテグレータの一例として、四角錐の一部を頂点を含まない状態に切り取ってなる形の、テーパ形オプティカルインテグレータが示されている。

また特許文献３には、複数の発光領域を持つＢＡＬＤから発せられたレーザ光を１次元空間光変調素子に照射する照明光学系において、上記発光領域のピッチよりも小さいピッチでマイクロレンズが並設されてなるマイクロレンズアレイにレーザ光を通し、そこを通過した後のレーザ光を１次元空間光変調素子上で重ね合わせることにより、該素子に照射される光の強度分布を均一化するようにした照明光学系が示されている。
特開２００２−２０２４４２号公報特開２０００−２０６４５５号公報特許第２９９５５４０号公報

特許文献３に記載された照明光学系は、ＢＡＬＤの複数の発光領域のニアフィールドパターン（ＮＦＰ）を空間光変調素子上で重ね合わせているものであるが、個々の発光領域のＮＦＰは光強度の均一性が悪い上、また複数の発光領域のＮＦＰが互いに似たようなパターンを有することから、空間光変調素子上の光強度分布が個々の発光領域のＮＦＰの強度パターンと似たようなものとなるので、強度均一化の効果はさほど大きいものとなっていない。

そこで本出願人は、複数の発光領域を持つＢＡＬＤを用いる照明光学系において、個々の発光領域のＮＦＰではなくファーフィールドパターン（ＦＦＰ）をフライアイタイプのオプティカルインテグレータで空間的に分割し、それらを１次元空間光変調素子上で重ね合わせることにより、照明光の強度分布を均一化することを先に提案した（特願２００２−３６０７４１号）。

この技術は、ＢＡＬＤから発せられた照明光を２次元空間光変調素子に照射するようにした照明光学系に対しても適用可能であるが、その場合には、１次元空間光変調素子を用いる場合には見られない問題が起こり得る。すなわち、ＢＡＬＤ等の半導体レーザにおいては、発光領域から発散光状態で出射するレーザ光の放射角が、接合面に平行な面内と垂直な面内とで異なるため、上記フライアイタイプのオプティカルインテグレータをそのまま適用しただけでは、２次元空間光変調素子を照射する光の照明ＮＡ（開口数）が上記２つの面について互いに異なるようになる。このような場合、２次元空間光変調素子で変調されたレーザ光により感光材料を露光する装置においては、露光面近傍でのビーム径が方向によって異なる、焦点深度が方向によって異なる等の不具合を生じ、画像品質の劣化等の問題を招くことになる。

この問題は、特許文献２に示されたテーパ形オプティカルインテグレータ、つまり四角錐の一部を頂点を含まない状態に切り取ってなる形のオプティカルインテグレータを用いた場合にも、同じように発生し得る。

上記の問題を回避するために、シリンドリカルレンズやトーリックレンズ等を用いて、上記放射角の違いに起因する照明光集光状態の相違を補正することも考えられるが、そのような特殊なレンズを用いると、照明光学系のコストアップを招く。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、照明光源としてＢＡＬＤ等の半導体レーザを用いる照明光学系において、安価な構成によって照明ＮＡを一様化することを目的とする。

また本発明は、照明ＮＡを一様化して画像を露光することができる露光方法を提供することを目的とする。

本発明による照明光学系は、
前述したように２次元空間光変調素子に照明光を照射するＢＡＬＤ等の半導体レーザと、
この半導体レーザと前記２次元空間光変調素子との間に配され、前記照明光の強度分布を均一化するロッド型のオプティカルインテグレータと、
前記半導体レーザから発散光状態で出射した照明光を集光して前記オプティカルインテグレータに入射させる集光レンズとを備えてなる照明光学系において、
前記オプティカルインテグレータは、光軸に垂直な断面が矩形である導光性ロッドからなり、
該オプティカルインテグレータは、前記断面の１つの辺方向が前記半導体レーザの接合面と平行となる状態に配置され、
そして該オプティカルインテグレータの、前記半導体レーザの接合面に平行な面内および垂直な面内の少なくとも一方における断面形状が光軸に沿って幅が次第に変化するテーパ状とされて、前者の面内の入射端面幅に対する出射端面幅の比が後者の面内のそれよりも小となっていることを特徴とするものである。

なお、半導体レーザの接合面に「平行」あるいは「垂直」とは、あくまでも光学的な対応関係を示すものであり、照明光の光路が例えばミラー等によって折り曲げられている場合は、その光路を直線状に伸ばした展開状態で実際に「平行」あるいは「垂直」の関係を満たせばよいものである。

また、オプティカルインテグレータを上述のような形状とするためには、例えば、前記半導体レーザの接合面に平行な面内における断面形状を、入射端面幅と出射端面幅とが等しい長方形状とする一方、該接合面に垂直な面内における断面形状を、入射端面幅より出射端面幅が大きいテーパ形状とすればよい。あるいは、該オプティカルインテグレータの上記接合面に平行な面内における断面形状を、入射端面幅より出射端面幅が小さいテーパ形状とする一方、該接合面に垂直な面内における断面形状を、入射端面幅と出射端面幅とが等しい長方形状としてもよい。また、上記接合面に平行な面内における断面形状を、入射端面幅より出射端面幅が小さいテーパ形状とする一方、該接合面に垂直な面内における断面形状を、入射端面幅より出射端面幅が大きいテーパ形状としてもよい。さらには、上記接合面に平行な面内および垂直な面内における断面形状を、ともに入射端面幅より出射端面幅が大きい（あるいは小さい）テーパ形状とし、そのテーパの角度を両面間で互いに変えるようにしてもよい。

また上記ロッド型のオプティカルインテグレータとしては、透光性部材からなるものや、あるいは４つの側端面が内面で光を反射する板状部材から構成されて中空状をなし、これら４つの側端面の内面で光を反射させつつ導光させるものが適用可能である。

他方、本発明による露光方法は、上述した本発明による照明光学系を用いるものであって、
前記オプティカルインテグレータから出射した照明光を２次元空間光変調素子に照射し、
所定の画像信号に基づいて該２次元空間光変調素子により変調された照明光で感光材料を露光させることを特徴とするものである。

なお、本発明の露光方法においては、２次元空間光変調素子として透過型のものも、また反射型のものも使用可能である。反射型の空間光変調素子の一つとして、近時、デジタル・マイクロミラー・デバイス（テキサス・インスツルメンツ社の登録商標。以下ＤＭＤという）が多くの分野に適用されつつあり、本発明の露光方法においてもこのＤＭＤを好適に用いることができる。

なお上記ＤＭＤは、１画素を構成する微小ミラーを多数格子状に（例えば１０２４個×７６８個等）配列して構成されたミラーデバイスである。上記微小ミラーは各々独立に傾動して２つの角度位置を取り得るように構成され、そこに照射された照明光を上記角度位置に応じて互いに異なる２方向に反射させる。したがって、この２方向のうちの一方に反射した照明光が入射する位置に感光材料を配置しておけば、照明光を該２方向のうちの他方に反射させたときには感光材料に光が入射しなくなるので、該感光材料に照射される光を１つの微小ミラー単位で空間変調可能になる。そこで、上記微小ミラーの角度位置を画像情報に応じて制御すれば、感光材料にこの画像情報に対応した光が照射されて、画像露光がなされる。

半導体レーザから発散光状態で出射した照明光としてのレーザ光を、集光レンズで集光してロッド型オプティカルインテグレータに入射させる系において、半導体レーザから発散光状態で出射するレーザ光の放射角は、その接合面に平行な面内と垂直な面内とで互いに異なるため、これら両面内の形状が共通のオプティカルインテグレータを用いるのであれば、上記接合面に平行な面内と垂直な面内とで照明ＮＡが互いに異なってしまう。

一方、オプティカルインテグレータの出射端面から出射する照明光の出射角は、オプティカルインテグレータの入射端面幅に対する出射端面幅の比が小であるほどより大きくなり、その照明光をレンズで集光して空間光変調素子に照射する際の照明ＮＡがより大きくなる。そこで本発明の照明光学系において、オプティカルインテグレータの入射端面幅に対する出射端面幅の比を、半導体レーザの接合面に平行な面内と垂直な面内とで、前者における方がより小となるようにしておけば、それによって照明ＮＡをより大きくすることができるので、上記放射角の違いによりこの前者の面内での照明ＮＡが後者の面内での照明ＮＡよりも小さくなることを補償して、両面内での照明ＮＡを共通に揃え、あるいはそれに近い状態とすることが可能になる。これにより、露光面近傍でのビーム径が方向によって異なる、焦点深度が方向によって異なる等の不具合を無くすことができるので、画像品質の劣化等の問題を防ぐことが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

なおここでは、本発明の第１の実施形態による照明光学系を説明するが、まず、この照明光学系が適用される画像露光装置について詳しく説明する。

［露光装置の構成］
この画像露光装置は、図１に示すように、シート状の感光材料150を表面に吸着して保持する平板状の移動ステージ152を備えている。４本の脚部154に支持された厚い板状の設置台156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158が設置されている。ステージ152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158によって往復移動可能に支持されている。なお、この露光装置には、副走査手段としてのステージ152をガイド158に沿って駆動する後述のステージ駆動装置304（図９参照）が設けられている。

設置台156の中央部には、ステージ152の移動経路を跨ぐようにコ字状のゲート160が設けられている。コ字状のゲート160の端部の各々は、設置台156の両側面に固定されている。このゲート160を挟んで一方の側にはスキャナ162が設けられ、他方の側には感光材料150の先端および後端を検知する複数（例えば２個）のセンサ164が設けられている。スキャナ162およびセンサ164はゲート160に各々取り付けられて、ステージ152の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ162およびセンサ164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162は、図２および図３（Ｂ）に示すように、ｍ行ｎ列（例えば３行５列）の略マトリックス状に配列された複数（例えば１４個）の露光ヘッド166を備えている。この例では、感光材料150の幅との関係で、３行目には４個の露光ヘッド166を配置してある。なお、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166_mnと表記する。

露光ヘッド166による露光エリア168は、副走査方向を短辺とする矩形状である。従って、ステージ152の移動に伴い、感光材料150には露光ヘッド166毎に帯状の露光済み領域170が形成される。なお、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168_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170が副走査方向と直交する方向に隙間無く並ぶように、ライン状に配列された各行の露光ヘッドの各々は、配列方向に所定間隔（露光エリアの長辺の自然数倍、本例では２倍）ずらして配置されている。このため、１行目の露光エリア168₁₁と露光エリア168₁₂との間の露光できない部分は、２行目の露光エリア168₂₁と３行目の露光エリア168₃₁とにより露光することができる。

露光ヘッド166₁₁〜166_mnの各々は、図４および図５に示すように、入射し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、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）50を備えている。このＤＭＤ50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302（図９参照）に接続されている。このコントローラ302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166毎にＤＭＤ50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166毎にＤＭＤ50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。

ＤＭＤ50の光入射側には、照明光源としてのＢＡＬＤ（ブロードエリア型半導体レーザ）66、このＢＡＬＤ66から出射されたレーザ光をＤＭＤ上に集光させるレンズ系67、このレンズ系67を通過したレーザ光をＤＭＤ50に向けて反射するミラー69がこの順に配置されている。なお図４では、レンズ系67を概略的に示してある。

上記レンズ系67は、図５に詳しく示すように、ＢＡＬＤ66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71、この集光レンズ71を通過した光の光路に挿入されたロッド型の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）72、およびこのロッドインテグレータ72の前方つまりミラー69側に配置された結像レンズ74から構成されている。ロッドインテグレータ72は、集光レンズ71により集光されたレーザ光Ｂを、ビーム断面内強度が均一化された光束としてＤＭＤ50に入射させる。このロッドインテグレータ72の形状等については、後に詳しく説明する。

上記レンズ系67から出射したレーザ光Ｂはミラー69で反射し、ＴＩＲ（全反射）プリズム70を介してＤＭＤ50に照射される。なお図４では、このＴＩＲプリズム70は省略してある。

またＤＭＤ50の光反射側には、ＤＭＤ50で反射されたレーザ光Ｂを、記録媒体としての感光材料150上に結像する結像光学系51が配置されている。この結像光学系51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、レンズ系52，54からなる第１結像光学系と、レンズ系57，58からなる第２結像光学系と、これらの結像光学系の間に挿入されたマイクロレンズアレイ55と、アパーチャアレイ59とから構成されている。上記のマイクロレンズアレイ55は、ＤＭＤ50の各画素に対応する多数のマイクロレンズ55ａが配置されてなるものである。このマイクロレンズ55ａは、一例として焦点距離が０．１９ｍｍ、ＮＡ（開口数）が０．１１のものである。またアパーチャアレイ59は、マイクロレンズアレイ55の各マイクロレンズ55ａに対応する多数のアパーチャ59ａが形成されてなるものである。

上記第１結像光学系は、ＤＭＤ50による像を３倍に拡大してマイクロレンズアレイ55上に結像する。そして第２結像光学系は、マイクロレンズアレイ55を経た像を１．６７倍に拡大して感光材料150上に結像、投影する。したがって全体では、ＤＭＤ50による像が５倍に拡大して感光材料150上に結像、投影されることになる。

本例では、第２結像光学系と感光材料150との間にプリズムペア73が配設され、このプリズムペア73を図５中で上下方向に移動させることにより、感光材料150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150は矢印Ｙ方向に副走査送りされる。

ＤＭＤ50は図６に示すように、ＳＲＡＭセル（メモリセル）60上に、微小ミラー（マイクロミラー）62が支柱により支持されて配置されたものであり、画素（ピクセル）を構成する多数の（例えば１０２４個×７６８個）の微小ミラーを格子状に配列して構成されたミラーデバイスである。各ピクセルには、最上部に支柱に支えられたマイクロミラー62が設けられており、マイクロミラー62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、マイクロミラー62の反射率は９０％以上である。また、マイクロミラー62の直下には、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ＳＲＡＭセル60が配置されており、全体はモノリシックに構成されている。

ＤＭＤ50のＳＲＡＭセル60にデジタル信号が書き込まれると、支柱に支えられたマイクロミラー62が、対角線を中心としてＤＭＤ50が配置された基板側に対して±α度（例えば±１０度）の範囲で傾けられる。図７（Ａ）は、マイクロミラー62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62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、ＤＭＤ50の各ピクセルにおけるマイクロミラー62の傾きを、図６に示すように制御することによって、ＤＭＤ50に入射したレーザ光Ｂはそれぞれのマイクロミラー62の傾き方向へ反射される。

なお図６には、ＤＭＤ50の一部を拡大し、マイクロミラー62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62のオンオフ制御は、ＤＭＤ50に接続された上記コントローラ302によって行われる。また、オフ状態のマイクロミラー62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、ＤＭＤ50は、その短辺が副走査方向と所定角度（例えば、０．１°〜１°）を成すように僅かに傾斜させて配置するのが好ましい。図８（Ａ）はＤＭＤ50を傾斜させない場合の各マイクロミラーによる反射光像（露光ビーム）53の走査軌跡を示し、図８（Ｂ）はＤＭＤ50を傾斜させた場合の露光ビーム53の走査軌跡を示している。

ＤＭＤ50には、長手方向にマイクロミラーが多数個（例えば１０２４個）配列されたマイクロミラー列が、短手方向に多数組（例えば７５６組）配列されているが、図８（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ50を傾斜させることにより、各マイクロミラーによる露光ビーム53の走査軌跡（走査線）のピッチＰ₁が、ＤＭＤ50を傾斜させない場合の走査線のピッチＰ₂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、ＤＭＤ50の傾斜角は微小であるので、ＤＭＤ50を傾斜させた場合の走査幅Ｗ₂と、ＤＭＤ50を傾斜させない場合の走査幅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の間のつなぎ目を微少量の露光位置制御により段差無くつなぐことができる。

なお、ＤＭＤ50を傾斜させる代わりに、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。

図９は、本例の画像露光装置における電気的な構成を示すものである。ここに示されるように全体制御部300には変調回路301が接続され、該変調回路301にはＤＭＤ50を制御するコントローラ302が接続されている。また全体制御部300には、レーザモジュール64を駆動するＬＤ駆動回路303が接続されている。さらにこの全体制御部300には、前記ステージ152を駆動するステージ駆動装置304が接続されている。

［露光装置の動作］
次に、上記露光装置の動作について説明する。画像露光に際しては、図９に示す変調回路301から露光パターンに応じた画像データがＤＭＤ50のコントローラ302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。

感光材料150を表面に吸着したステージ152は、図９に示すステージ駆動装置304により、ガイド158に沿ってゲート160の上流側から下流側に一定速度で移動される。ステージ152がゲート160下を通過する際に、ゲート160に取り付けられたセンサ164により感光材料150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166毎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166毎にＤＭＤ50のマイクロミラーの各々がオンオフ制御される。なお本例の場合、１画素部となる上記マイクロミラーのサイズは１４μｍ×１４μｍである。

ＢＡＬＤ66からＤＭＤ50にレーザ光Ｂが照射されると、ＤＭＤ50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Ｂは、レンズ系54、58により感光材料150上に結像される。このようにして、ＢＡＬＤ66から出射されたレーザＢ光が画素毎にオンオフされて、感光材料150がＤＭＤ50の使用画素数と略同数の画素単位（露光エリア168）で露光される。また、感光材料150がステージ152と共に一定速度で移動されることにより、感光材料150がスキャナ162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166毎に帯状の露光済み領域170が形成される。

なお本例では、図１０（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ50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302により一部のマイクロミラー列（例えば、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１０（Ａ）に示すようにＤＭＤ50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１０（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ50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。

ＤＭＤ50のデータ処理速度には限界があり、使用する画素数に比例して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、副走査方向の画素を全部使用する必要はない。

スキャナ162による感光材料150の副走査が終了し、センサ164で感光材料150の後端が検出されると、ステージ152は、ステージ駆動装置304により、ガイド158に沿ってゲート160の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド158に沿ってゲート160の上流側から下流側に一定速度で移動される。

［照明光学系］
次に、図５に示したＢＡＬＤ66、集光レンズ71、ロッドインテグレータ72、結像レンズ74、ミラー69およびＴＩＲプリズム70から構成されてＤＭＤ50に照明光としてのレーザ光Ｂを照射する照明光学系について説明する。なお図５は、ＢＡＬＤ66の接合面と平行な面内（つまり活性層66ａと平行な面内）の形状を示す平面図であるが、この面内および上記接合面と垂直な面内における該照明光学系の詳細形状を、それぞれ図１１の（Ａ）および（Ｂ）に示し、以下ではこの図１１も参照して説明する。なおこの図１１では、ミラー69およびＴＩＲプリズム70は省略してある。

上記ＢＡＬＤ66は、活性層66ａに例えば100〜400μｍ程度の幅広の発光領域が形成されて、高出力化が図られたものである。このＢＡＬＤ66からはレーザ光（照明光）Ｂが発散光状態で発せられ、この照明光Ｂは集光レンズ71で集光されて、ロッドインテグレータ72の入射端面72ａに導かれる。この入射端面72ａからロッドインテグレータ72内に入射した照明光Ｂは、その側端面と空気との界面で全反射を繰り返しながら進行し、出射端面72ｂから出射する。

なおロッドインテグレータ72は、光軸に垂直な断面が矩形である透光性部材から形成され、上記断面の１つの辺方向がＢＡＬＤ66の接合面と平行となる状態に配置されている。なお、このようなロッドインテグレータ72の代わりに、４つの側端面が内面で光を反射する板状部材から構成されて中空状をなし、これら４つの側端面の内面で光を反射させつつ導光させるもの等も適用可能である。

ロッドインテグレータ72から出射した照明光Ｂは、結像レンズ74により集光されてＤＭＤ50に導かれ、該ＤＭＤ50を照明する。この照明光Ｂは、ロッドインテグレータ72内を上述のようにして進行するうちに、そのビーム断面内の強度分布が均一化される。そこでＤＭＤ50を、一様な強度の照明光Ｂで照明することが可能となる。

ＢＡＬＤ66から発散光状態で出射した照明光Ｂを集光レンズ71で集光してロッドインテグレータ72に入射させる系においては、上記発散光の放射角が大であるほど、ロッドインテグレータ72の入射端面72ａに対する照明光Ｂの入射角θ_INも大となり、それに対応して出射端面72ｂからの出射角θ_OUTも大となる。そこで、ロッドインテグレータ72から出射した照明光Ｂを結像レンズ74で集光してＤＭＤ50に照射する際の照明ＮＡ（＝sinθ_OUT）
は、上記発散光の放射角が大であるほど大きくなる。

また、ＢＡＬＤ66から発散光状態で発せられる照明光Ｂの放射角は、その接合面に平行な面内と垂直な面内とで互いに異なり、図示の通り前者における方がより小さい。したがって、仮に上記両面内の形状が共通であるロッドインテグレータを使用するのであれば、前者の面内での照明ＮＡが、後者の面内での照明ＮＡよりも小さくなる。

一方、ロッドインテグレータ72の出射端面72ｂから出射する照明光Ｂの出射角θ_OUTは、ロッドインテグレータ72の入射端面幅に対する出射端面幅の比が小であるほどより大きくなり、該照明光Ｂを結像レンズ74で集光してＤＭＤ50に照射する際の照明ＮＡがより大きくなる。

ここで本実施形態におけるロッドインテグレータ72は、ＢＡＬＤ66の接合面に平行な面内における断面形状が、入射端面72ａの幅と出射端面72ｂの幅とが等しい長方形状とされ、該接合面に垂直な面内における断面形状が、入射端面72ａの幅より出射端面72ｂの幅が大きいテーパ形状とされている。つまり、ロッドインテグレータ72の入射端面幅に対する出射端面幅の比は、上記接合面に平行な面内と垂直な面内とで、前者における方がより小となっている。

このようにしておけば、前者の面内での照明ＮＡをより大きくすることができるので、上記放射角の違いによりこの前者の面内での照明ＮＡが後者の面内での照明ＮＡよりも小さくなることを補償して、両面内での照明ＮＡを共通に揃え、あるいはそれに近い状態とすることが可能になる。それにより、露光面（感光材料150の表面）近傍での照明光Ｂのビーム径が方向によって異なる、焦点深度が方向によって異なる等の不具合を無くすことができるので、画像品質の劣化等の問題を防ぐことが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態による照明光学系について、図１２を参照して説明する。なおこの図１２において、図１１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。

この図１２の（Ａ）および（Ｂ）もそれぞれ、ＢＡＬＤ66の接合面と平行な面内および垂直な面内における該照明光学系の詳細形状を示している。ここでは、図１１の構成において用いられたロッドインテグレータ72に代えて、ロッドインテグレータ472が用いられている。このロッドインテグレータ472は、ＢＡＬＤ66の接合面に平行な面内における断面形状が、入射端面472ａの幅より出射端面472ｂの幅が小さいテーパ形状とされ、該接合面に垂直な面内における断面形状が、入射端面472ａの幅と出射端面472ｂの幅が等しい長方形状とされたものである。

このロッドインテグレータ472においても、その入射端面幅に対する出射端面幅の比は、上記接合面に平行な面内と垂直な面内とで、前者における方がより小となっている。そこでこの場合も、第１の実施形態と同様に、上記両面内での照明ＮＡを共通に揃え、あるいはそれに近い状態とすることが可能になる。それにより、露光面（感光材料150の表面：図５参照）近傍での照明光Ｂのビーム径が方向によって異なる、焦点深度が方向によって異なる等の不具合を無くすことができるので、画像品質の劣化等の問題を防ぐことが可能となる。

次に、本発明の第３の実施形態による照明光学系について、図１３を参照して説明する。この図１３の（Ａ）および（Ｂ）もそれぞれ、ＢＡＬＤ66の接合面と平行な面内および垂直な面内における該照明光学系の詳細形状を示している。ここでは、図１１の構成において用いられたロッドインテグレータ72に代えて、ロッドインテグレータ572が用いられている。このロッドインテグレータ572は、ＢＡＬＤ66の接合面に平行な面内および垂直な面内における断面形状がともに、入射端面572ａの幅より出射端面572ｂの幅が大きいテーパ形状とされたものである。そしてそれらのテーパ角は、前者の面内におけるよりも後者の面内における方が、より大とされている。

このロッドインテグレータ572においても、その入射端面幅に対する出射端面幅の比は、上記接合面に平行な面内と垂直な面内とで、前者における方がより小となっている。そこでこの場合も、第１および第２の実施形態と同様に、上記両面内での照明ＮＡを共通に揃え、あるいはそれに近い状態とすることが可能になる。それにより、露光面（感光材料150の表面：図５参照）近傍での照明光Ｂのビーム径が方向によって異なる、焦点深度が方向によって異なる等の不具合を無くすことができるので、画像品質の劣化等の問題を防ぐことが可能となる。

以上、照明光源としてＢＡＬＤ66を用いるようにした実施形態について説明したが、本発明はＢＡＬＤ以外の半導体レーザを照明光源として用いる照明光学系に適用することも可能であり、その場合も上記と同様の効果を奏するものである。

本発明の第１の実施形態による照明光学系が適用された露光装置の外観を示す斜視図図１の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図図１の露光装置の露光ヘッドの概略構成を示す斜視図本発明の第１の実施形態である照明光学系を含む露光ヘッドの、光軸に沿った副走査方向の断面図デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）の構成を示す部分拡大図（Ａ）および（Ｂ）はＤＭＤの動作を説明するための説明図（Ａ）および（Ｂ）は、ＤＭＤを傾斜配置しない場合と傾斜配置する場合とで、露光ビームの配置および走査線を比較して示す平面図上記露光装置の電気的構成を示すブロック図（Ａ）および（Ｂ）は、ＤＭＤの使用領域の例を示す図本発明の第１の実施形態による照明光学系を示す平面図（Ａ）と側面図（Ｂ）本発明の第２の実施形態による照明光学系を示す平面図（Ａ）と側面図（Ｂ）本発明の第３の実施形態による照明光学系を示す平面図（Ａ）と側面図（Ｂ）

符号の説明

50 デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）
51 拡大結像光学系
66 ＢＡＬＤ（ブロードエリア型半導体レーザ）
71 集光レンズ
72、472、572 ロッドインテグレータ
72ａ、472ａ、572ａロッドインテグレータの入射端面
72ｂ、472ｂ、572ｂロッドインテグレータの出射端面
74 結像レンズ
150 感光材料
152 ステージ
162 スキャナ
166 露光ヘッド
168 露光エリア
170 露光済み領域

Claims

２次元空間光変調素子に照明光を照射する半導体レーザと、
この半導体レーザと前記２次元空間光変調素子との間に配され、前記照明光の強度分布を均一化するロッド型のオプティカルインテグレータと、
前記半導体レーザから発散光状態で出射した照明光を集光して前記オプティカルインテグレータに入射させる集光レンズとを備えてなる照明光学系において、
前記オプティカルインテグレータは、光軸に垂直な断面が矩形である導光性ロッドからなり、
該オプティカルインテグレータは、前記断面の１つの辺方向が前記半導体レーザの接合面と平行となる状態に配置され、
該オプティカルインテグレータの、前記半導体レーザの接合面に平行な面内および垂直な面内の少なくとも一方における断面形状が光軸に沿って幅が次第に変化するテーパ状とされて、前者の面内の入射端面幅に対する出射端面幅の比が後者の面内のそれよりも小となっていることを特徴とする照明光学系。
前記オプティカルインテグレータの、前記半導体レーザの接合面に平行な面内における断面形状が、入射端面幅と出射端面幅とが等しい長方形状とされ、該接合面に垂直な面内における断面形状が、入射端面幅より出射端面幅が大きいテーパ形状とされていることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
前記オプティカルインテグレータの、前記半導体レーザの接合面に平行な面内における断面形状が、入射端面幅より出射端面幅が小さいテーパ形状とされ、該接合面に垂直な面内における断面形状が、入射端面幅と出射端面幅とが等しい長方形状とされていることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
請求項１から３いずれか１項記載の照明光学系を用いる露光方法であって、
前記オプティカルインテグレータから出射した照明光を２次元空間光変調素子に照射し、
所定の画像信号に基づいて該２次元空間光変調素子により変調された照明光で感光材料を露光させることを特徴とする露光方法。