JP2005277153A - 画像露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像露光装置において、露光面上における露光画像の画素サイズを小さく絞り、高い鮮鋭度の露光画像を実現する。
【解決手段】 画像露光装置の各露光ヘッド２８内に、均一な平行光とされた照明光を多数の光線束として集光する前段マイクロレンズアレイ３８と、その焦点面に配された空間光変調素子としてのマイクロシャッタアレイ４０と、変調された各光線束を平行光線束となす第１の後段マイクロレンズアレイ４２と、各平行光線束を集光し感光材料１２の露光面上に結像させる第２の後段マイクロレンズアレイ４４を設ける。
【選択図】 図４

Description

本発明は画像露光装置に関し、特に詳細には、光源からの光を所望のパターン状にして感光材料の露光面上に露光する露光ヘッドを備えた画像露光装置に関するものである。

従来、光源からの光を所望のパターン状にして感光材料の露光面上に露光する露光ヘッドを備えた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の露光面上に結像させ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、上記の結像光学系として、光路上において空間光変調素子の後段に配された１層の後段マイクロレンズアレイを含む光学系を使用した画像露光装置も提案されている。そのような後段マイクロレンズアレイを使用すると、空間光変調素子の多数の画素部により各々独立に変調された多数の光線束を、各々個別に集光することができるので、露光面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）を小さく絞り、画像の鮮鋭度を高めることができるという利点がある。たとえば、特許文献１には、空間光変調素子の一種であるマイクロシャッタアレイと、そのマイクロシャッタアレイの直前に配された１層の前段マイクロレンズアレイと、直後に配された１層の後段マイクロレンズアレイとを備えた画像露光装置が示されている。かかる構成により、特許文献１の画像露光装置では、露光面上で１２−２５μｍの画素サイズが達成されている。
特表２００１−５１９９２５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、後段マイクロレンズアレイを１層のみ用いた露光装置では、後段マイクロレンズアレイを全く用いない場合に比べれば画像の鮮鋭度は改善されるが、１層の後段マイクロレンズアレイのみの設計最適化では各光線束の収差を十分に除去しきれないため、上記の特許文献１に記載された１２−２５μｍ程度の範囲を超えてさらに小さく画素サイズを絞ることは困難であった。

本発明は、上記事情に鑑み、光源からの光を所望のパターン状にして感光材料の露光面上に露光する露光ヘッドを備えた画像露光装置において、露光面上における露光画像の画素サイズを従来よりもさらに小さく絞り、高い鮮鋭度の露光画像を実現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、光源からの光を所望のパターン状にして感光材料の露光面上に露光する露光ヘッドを備えた画像露光装置であって、上記の露光ヘッドが、光源からの光を、各々独立に変調された多数の光線束となす多数の画素部が配列された空間光変調素子と、その空間光変調素子により変調された多数の光線束のそれぞれに対応する多数のマイクロレンズが各々配列されてなる、少なくとも２層の後段マイクロレンズアレイとを備えてなることを特徴とするものである。

ここで、本発明において「空間光変調素子」とは、マイクロシャッタアレイのような透過型のものであってもよいし、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）のような反射型のものであってもよい。

上記の本発明の画像露光装置において、上記の後段マイクロレンズアレイのうち空間光変調素子の最も近くに配された後段マイクロレンズアレイは、上記の多数の光線束をそれぞれ平行光線束となす多数のコリメータレンズが配列されてな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、上記の露光ヘッドが、上記の光源と空間光変調素子との間に配された少なくとも１層の前段マイクロレンズアレイをさらに備え、その前段マイクロレンズアレイの各々が、上記の多数の画素部にそれぞれ対応する多数のマイクロレンズが配列されてなるものであってもよい。

さらに、上記の本発明の画像露光装置は、上記の多数の光線束の各々のビーム径が、上記の後段マイクロレンズアレイのうち空間光変調素子の最も近くに配された後段マイクロレンズアレイへの入射位置において、その最も近くに配された後段マイクロレンズアレイをなす各マイクロレンズのレンズ径よりも小さくなるように構成されたものであってもよい。かかる構成は、たとえば、上記の前段マイクロレンズアレイを設けた場合には、空間光変調素子の直前に、前段マイクロレンズアレイのうちの１つを、その焦点距離分だけ空間光変調素子から離間させて配し、空間光変調素子の直後に、後段マイクロレンズアレイのうちの１つであって、上記の直前の前段マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズと同一のレンズ径であるが焦点距離がより短い多数のマイクロレンズが配されてなる後段マイクロレンズアレイを、その焦点距離分だけ空間光変調素子から離間させて配することにより実現することができる。

また、上記の本発明の画像露光装置は、上記の露光ヘッドから露光される光の焦点が、上記の露光面に整合しているか否かを監視する焦点モニター手段と、その焦点が露光面に整合していないことを上記の焦点モニター手段が検知した際に、上記の後段マイクロレンズアレイのうちの少なくとも１つを移動させることにより、上記の焦点を露光面に整合させる焦点合わせ手段とをさらに備えたものであってもよい。その場合において、焦点モニター手段は、上記の感光材料が感光しない波長の光を露光面に向けて出射し、その光が露光面上で反射した反射光を検出することにより、上記の焦点が露光面に整合しているか否かを監視するものであって、上記の反射光を取り出すために、上記の後段マイクロレンズアレイのうちのいずれかの前段に定置状態または挿入可能な状態に配された光学素子を備えているものであってもよい。上記の反射光を取り出すための光学素子としては、たとえば平面ミラーやビームスプリッタ等が使用可能である。

さらに、上記の本発明の画像露光装置においては、上記の後段マイクロレンズアレイのうちの少なくとも１つが、多数の非球面レンズが配列されてな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、上記の露光ヘッドを、露光面に対して並列に複数備えているものであってもよい。その場合、光源等の一部の構成が、複数の露光ヘッド間で兼用されていてもよい。

本発明の画像露光装置においては、空間光変調素子の後段に少なくとも２層の後段マイクロレンズアレイが配されているため設計の自由度が高く、それら少なくとも２層の後段マイクロレンズアレイの設計最適化により、空間光変調素子の各画素部で変調された各光線束の収差を良好に除去できるため、露光面上における露光画像の画素サイズを極めて小さく絞り、高い鮮鋭度の画像を得ることができるという効果がある。

また、上記の本発明の画像露光装置において、後段マイクロレンズアレイのうち空間光変調素子の最も近くに配された後段マイクロレンズアレイを、多数のコリメータレンズが配列されてなるものとすれば、上記の収差除去のための設計最適化が容易となる。加えて、そのような後段マイクロレンズアレイの直後に、拡大／縮小光学系その他の要素を容易に介在させることができるようになるという効果もある。

さらに、上記の本発明の画像露光装置において、空間光変調素子の前段にも少なくとも１層の前段マイクロレンズアレイを設けることとすれば、光源からの光を、空間光変調素子の各画素部の中心部分に集光する光線束の群として空間光変調素子に入射させることができるので、光の損失や画素間のにじみの少ない露光画像を得ることができる。特に、空間光変調素子としてマイクロシャッタアレイを使用した場合には、各画素部上に集光された光線束のビーム径に合わせて各シャッタの開口の大きさを小さくできるので、シャッタの開閉駆動を高速化することができ、露光の高速化に繋がるという効果もある。

また、上記の本発明の画像露光装置を、空間光変調素子の各光線束のビーム径が、後段マイクロレンズアレイのうち空間光変調素子の最も近くに配されたものへの入射位置において、その後段マイクロレンズアレイをなす各マイクロレンズのレンズ径よりも小さくなるように構成すれば、空間光変調素子により変調された光を損失なく利用することができ、しかも、開口アレイのような追加の要素を設けることなく隣接するマイクロレンズ間のクロストークを排除することができる。

さらに、上記の本発明の画像露光装置を、焦点モニター手段と焦点合わせ手段とをさらに備えた構成とした場合には、各露光に先立ってまたは露光中に亘って、露光画像を構成する各光線束が感光材料の露光面上に精確に結像するよう調整することができるので、より鮮鋭度の高い画像を得ることができる。

また、上記の本発明の画像露光装置において、後段マイクロレンズアレイのうちの少なくとも１つを、多数の非球面レンズが配列されてなるものとした場合には、各光線束の収差をより良好に除去できる設計が可能となり、さらに鮮鋭度の高い画像を得ることができる。

さらに、上記の本発明の画像露光装置において、上記の露光ヘッドを露光面に対して並列に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という効果が得られる。

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９８（図１２参照）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。

各露光ヘッド２８は、図４の断面図に示されるように、ファイバアレイ光源３４、レンズ系３６、前段マイクロレンズアレイ３８、空間光変調素子の一種であるマイクロシャッタアレイ４０、第１の後段マイクロレンズアレイ４２、第２の後段マイクロレンズアレイ４４、焦点モニター部４６およびアクチュエータ４８を含む内部構成を有している。以下、各部の詳細な構成を、順を追って説明する。

ファイバアレイ光源３４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光源であり、図５に示すように、複数（たとえば１４個）のレーザモジュール５０を備えている。各レーザモジュール５０には、マルチモード光ファイバ５２の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ５２の他端には、マルチモード光ファイバ５２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５４が結合されている。図６に詳しく示すように、マルチモード光ファイバ５４のマルチモード光ファイバ５２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５６が構成されている。

マルチモード光ファイバ５４の端部で構成されるレーザ出射部５６は、図６に示すように、表面が平坦な２枚の支持板５８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５４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５４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７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５２のレーザ光出射側の先端部分に、長さ１から３０ｃｍ程度のクラッド径が小さい光ファイバ５４が同軸的に結合されている。それらの光ファイバ５２および５４は、それぞれのコア軸が一致する状態で光ファイバ５４の入射端面を光ファイバ５２の出射端面に融着することにより互いに結合されている。

マルチモード光ファイバ５２および光ファイバ５４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５２および光ファイバ５４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５２は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝５０μｍ、開口数（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５４は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、開口数（ＮＡ）＝０．２である。

ただし、光ファイバ５４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５４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５２と５４のコア径を一致させることが好ましい。

また、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５２および５４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５なら光ファイバ５２）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。

各レーザモジュール５０は、図８に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック６０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また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６２と、１本のマルチモード光ファイバ５２の入射端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。

各コリメータレンズＬ１からＬ７は、本実施形態では、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を有しており、それぞれ幅１．１ｍｍ、長さ４．６ｍｍ、焦点距離３ｍｍ、開口数（ＮＡ）０．６のレンズである。また、レンズ配置ピッチは、１．２５ｍｍである。各コリメータレンズＬ１からＬ７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。

集光レンズ６２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６２は、焦点距離２３ｍｍ、開口数（ＮＡ）０．２のレンズである。コリメータレンズＬ１からＬ７および集光レンズ６２は、たとえば樹脂または光学ガラスをモールド成形することにより形成することができる。

図４に戻って、レンズ系３６は、ファイバアレイ光源３４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６４、この集光レンズ６４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）６６、およびこのロッドインテグレータ６６の後段に配置されたコリメータレンズ６８から構成されている。ロッドインテグレータ６６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３４から出射したレーザ光Ｂは、ロッドインテグレータ６６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、さらにコリメータレンズ６８を通過することにより、照明光として好ましい均一な平行光となる。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６６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。

続いて、前段マイクロレンズアレイ３８、マイクロシャッタアレイ４０、第１の後段マイクロレンズアレイ４２および第２の後段マイクロレンズアレイ４４の構成について、図４および図９を参照しながら詳細に説明する。

マイクロシャッタアレイ４０は、空間光変調素子の一種であって、各々独立に開閉駆動される多数のマイクロシャッタが２次元状に配されてなるものである。本実施形態では、１０２４×７６８個のマイクロシャッタが、縦横共に３０μｍのピッチで配されているものとする。このマイクロシャッタアレイ４０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９４（図１２参照）に接続されている。このコントローラ９４のデータ処理部は、所望のパターンを示す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、マイクロシャッタアレイ４０上の各マイクロシャッタを開閉駆動する制御信号を生成する。また、ミラー駆動制御部は、データ処理部で生成された制御信号に従って、各露光ヘッド２８ごとにマイクロシャッタアレイ４０上の各マイクロシャッタの開閉を制御する。

前段マイクロレンズアレイ３８および第１の後段マイクロレンズアレイ４２はいずれも、上記のマイクロシャッタの数と同数の１０２４×７６８個のマイクロレンズアレイが配されてなるものである。第２の後段マイクロレンズアレイ４４は、図４に示すように、１０２４×７６８個のマイクロレンズに加えて、後述する焦点モニターに使用するための余剰のマイクロレンズの列を備えている。いずれのマイクロレンズアレイにおいても、マイクロレンズの配置ピッチは、上記のマイクロシャッタの配置ピッチと同一の３０μｍである。また、いずれのマイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズも同一のレンズ径を有し、そのレンズ径は配置ピッチの３０μｍにほぼ等しい。なお、図４では、説明のため、マイクロシャッタアレイ４０が有するマイクロシャッタの数および各マイクロレンズアレイ３８、４２および４４が有するマイクロレンズの数は、実際より少なく描かれている。

図９は、図４に示した断面図の部分拡大図である。図９において破線で示した面は、各マイクロレンズアレイ３８、４２および４４の主面を表す。図示のとおり、レンズ系３６の作用により均一な平行光として前段マイクロレンズアレイ３８に入射した光が、マイクロシャッタアレイ４０の通過位置において焦点を結ぶように、マイクロシャッタアレイ４０は、前段マイクロレンズアレイ３８の焦点距離ｆ_１分だけ前段マイクロレンズアレイ３８から離間されて配されている。第１の後段マイクロレンズアレイ４２は、その焦点距離ｆ_２分だけ、マイクロシャッタアレイ４０から離間されて配されている。本実施形態では、ｆ_１＝１１７μｍ、ｆ_２＝１００μｍであり、第１の後段マイクロレンズアレイ４２の焦点距離ｆ_２の方が、前段マイクロレンズアレイ３８の焦点距離ｆ_１よりも短くされている。このような焦点距離および配置の選択により、図９に示すように、マイクロシャッタアレイ４０を通過した各光線束のビーム径は、第１の後段マイクロレンズアレイ４２への入射位置において、第１の後段マイクロレンズアレイ４２を構成する各マイクロレンズのレンズ径よりも小さく抑えられる。これにより、光を損失なく利用できると共に、マイクロレンズ間のクロストークによる露光画像の鮮鋭度の低下を防止することができる。

本実施形態では、前段マイクロレンズアレイ３８により、マイクロシャッタアレイ４０の各マイクロシャッタ上において、各光線束のビーム径は２μｍまで絞られる。このように各光線束を小さく集光させてマイクロシャッタアレイ４０に入射させることにより、光の損失や画素間のにじみの少ない露光画像を得ることができる。さらに、各光線束のビーム径に合わせて各マイクロシャッタの開口の大きさを小さくできるので、マイクロシャッタの開閉駆動を高速化することができ、露光処理を高速化できるという利点もある。

第１の後段マイクロレンズアレイ４２により平行光線束とされた各光線束は、第２の後段マイクロレンズアレイ４４を経て、感光材料１２の露光面上に結像する。第２の後段マイクロレンズアレイ４４を構成する各マイクロレンズは、焦点距離ｆ_３＝２５μｍ、開口数（ＮＡ）０．５の非球面レンズである。各光線束の焦点と感光材料１２の露光面とが整合していれば、露光面上における各光線束のビーム径は０．５μｍとなる。また、露光面における焦点深度は０．８μｍである。

このように、２層の後段マイクロレンズアレイ４２および４４を設けることにより、レンズ設計の自由度が高まるため、本実施形態に係る画像露光装置１０によれば、マイクロシャッタアレイ４０で変調された各光線束の収差を良好に除去でき、感光材料１２の露光面上における露光画像の画素サイズを極めて小さく絞って、高い鮮鋭度の画像を得ることが可能となる。また、上記のとおり、後段マイクロレンズアレイ４２と４４の間において各光線束は平行光線束であるので、この間に、拡大／縮小光学系その他の要素を必要に応じて容易に介在させることができる。

図４に戻って、露光ヘッド２８は、第２の後段マイクロレンズアレイ４４が有する余剰のマイクロレンズの列の前段に定置された焦点モニター部４６、および焦点モニター部４６からの駆動信号を受けて第２の後段マイクロレンズアレイ４４を移動させるアクチュエータ４８を備えている。以下、図１０の拡大概略図を参照して、この焦点モニター部４６およびアクチュエータ４８の構成と動作を説明する。

焦点モニター部４６は、図１０に示すとおり、測定用光源７０、ビームスプリッタ７２、平面ミラー７４、２次元検出器７６および駆動信号計算部７８を含んでいる。測定用光源７０は、感光材料１２が感光しない波長の平行光を出射する光源である。出射した平行光は、ビームスプリッタ７２および平面ミラー７４を経た後、第２の後段マイクロレンズアレイ４４が有する余剰のマイクロレンズにより集光され、感光材料１２の露光面上で反射する。反射した光は、再び第２の後段マイクロレンズアレイ４４、平面ミラー７４およびビームスプリッタ７２を経て、２次元検出器７６により検出される。駆動信号計算部７８は、２次元検出器７６からの検出信号を解析し、測定用の光の焦点と感光材料１２の露光面が整合していない場合には、第２の後段マイクロレンズアレイ４４を露光面に垂直な方向にどれだけ移動させれば焦点と露光面とが整合するかを示す駆動信号を算出する。算出された駆動信号は、第２の後段マイクロレンズアレイ４４に取り付けられたアクチュエータ４８に伝えられ、アクチュエータ４８は、その駆動信号に従って、第２の後段マイクロレンズアレイ４４を露光面に垂直な方向に移動させる。このような焦点モニター部４６およびアクチュエータ４８の動作により、画像露光処理中に亘って常に焦点整合状態が保たれるため、鮮鋭度の高い露光画像を得ることができる。なお、本実施形態では、上記のとおり第２の後段マイクロレンズアレイ４４に余剰のマイクロレンズを設けて、その前段に焦点モニター部４６を定置する構成としたが、焦点モニター部４６の一部を後段マイクロレンズアレイ４２および４４の間に挿入可能なものとし、各画像露光処理に先立って焦点整合状態を確認する構成としてもよい。

また、マイクロシャッタアレイ４０とマイクロレンズアレイ３８、４２および４４は、それら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１１の（Ａ）はそれらを斜め向きにしない場合の各マイクロシャッタにより変調された各光線束８０の走査軌跡を示し、図１１の（Ｂ）はＤ斜め向きにした場合の各光線束８０の走査軌跡を示している。

マイクロシャッタアレイ４０には、上記のとおり１０２４×７６８個のマイクロシャッタが配されているが、図１１の（Ｂ）に示すように、マイクロシャッタアレイ４０とマイクロレンズアレイ３８、４２および４４を斜め向きにすることにより、各マイクロシャッタによる露光ビーム８０の走査軌跡（走査線）のピッチＰ_２が、それら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、上記のように斜め向きにする角度は微小であるので、斜め向きにした場合の走査幅Ｗ₂と、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、異なるマイクロシャッタ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、マイクロシャッタアレイ４０とマイクロレンズアレイ３８、４２および４４を斜め向きにする代わりに、各マイクロシャッタ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。

次に図１２を参照して、本実施形態の画像露光装置１０のうち、既に詳述した焦点モニター部４６およびアクチュエータ４８以外の部分の、全体的な電気的構成について説明する。ここに示されるように、画像露光装置１０の全体制御部９０には変調回路９２が接続され、その変調回路９２にはマイクロシャッタアレイ４０を制御するコントローラ９４が接続されている。また全体制御部９０には、レーザモジュール５６を駆動するＬＤ駆動回路９６が接続されている。さらにこの全体制御部９０には、上記のステージ１４を駆動するステージ駆動装置９８が接続されている。

以上、本発明の１つの実施形態に係る画像露光装置１０の構成について詳細に説明したが、本発明の画像露光装置の構成は上記に限られるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更が可能である。

たとえば、上記の実施形態では、各露光ヘッドは、１層の前段マイクロレンズアレイおよび２層の後段マイクロレンズアレイを備えていたが、最低限２層の後段マイクロレンズアレイが備わっていれば、前段マイクロレンズアレイはなくてもよい。あるいは、上記の実施形態よりもさらに多くの層の前段および／または後段マイクロレンズアレイを設けてもよい。そのようにマイクロレンズアレイの層の数を増やすことにより、種々の収差をさらに良好に除去する光学系構成とすることが可能となる。

また、上記の実施形態においては、透過型の空間光変調素子であるマイクロシャッタアレイを用いたが、ＤＭＤ等の反射型の空間光変調素子を用いてもよい。その場合においても、少なくとも２層の後段マイクロレンズアレイを設けることにより、空間光変調素子で変調された各光線束の収差を良好に除去し、鮮鋭度の高い露光画像を得るという本発明の効果を享受することができる。

さらに、上記の実施形態では、第２の後段マイクロレンズアレイ４４を構成する各マイクロレンズを非球面レンズとしたが、すべてのマイクロレンズアレイを球面レンズにより構成してもよい。あるいは、より多くのマイクロレンズアレイにおいて、非球面レンズを使用してもよい。

［画像露光装置の動作］
最後に、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３４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６２によって集光され、マルチモード光ファイバ５２のコア５２ａの入射端面上で収束し、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５４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５２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５４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５４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１２に示す変調回路９２から所望の露光パターンに応じた画像データがマイクロシャッタアレイ４０のコントローラ９４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、マイクロシャッタアレイ４０を構成する各マイクロシャッタが、開状態または閉状態のいずれかに駆動される。

感光材料１２を表面に吸着したステージ１４は、図１２に示すステージ駆動装置９８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ごとにマイクロシャッタアレイ４０を構成する各マイクロシャッタが開閉駆動される。これにより、感光材料１２の露光面が、マイクロシャッタアレイ４０のマイクロシャッタの数と同数の画素単位で露光される。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。

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９８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）は感光材料の露光面上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構成を示す断面図 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 図４の断面図の部分拡大図 図４の露光ヘッドに含まれる焦点モニター部およびアクチュエータの構成を示す概略図 マイクロシャッタアレイ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 図１の画像露光装置の電気的構成を示すブロック図

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 ファイバアレイ光源
３８ 前段マイクロレンズアレイ
４０ マイクロシャッタアレイ
４２ 第１の後段マイクロレンズアレイ
４４ 第２の後段マイクロレンズアレイ
４６ 焦点モニター部
４８ アクチュエータ
６６ ロッドインテグレータ
７０ 測定用光源
７６ ２次元検出器

Claims (8)

1. 光源からの光を所望のパターン状にして感光材料の露光面上に露光する露光ヘッドを備えた画像露光装置であって、
   前記露光ヘッドが、
   前記光源からの光を、各々独立に変調された多数の光線束となす多数の画素部が配列された空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子により変調された前記多数の光線束のそれぞれに対応する多数のマイクロレンズが各々配列されてなる、少なくとも２層の後段マイクロレンズアレイを備えてなるものであることを特徴とする画像露光装置。
2. 前記後段マイクロレンズアレイのうち前記空間光変調素子の最も近くに配された後段マイクロレンズアレイが、前記多数の光線束をそれぞれ平行光線束となす多数のコリメータレンズが配列されてなるもの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. 前記露光ヘッドが、前記光源と前記空間光変調素子との間に配された少なくとも１層の前段マイクロレンズアレイをさらに備え、
   該前段マイクロレンズアレイの各々が、前記多数の画素部にそれぞれ対応する多数のマイクロレンズが配列されてなるもの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. 前記多数の光線束の各々のビーム径が、前記後段マイクロレンズアレイのうち前記空間光変調素子の最も近くに配された後段マイクロレンズアレイへの入射位置において、該最も近くに配された後段マイクロレンズアレイをなす各マイクロレンズのレンズ径よりも小さいことを特徴と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. 前記露光ヘッドから露光される光の焦点が、前記露光面に整合しているか否かを監視する焦点モニター手段と、
   前記焦点が前記露光面に整合していないことを前記焦点モニター手段が検知した際に、前記後段マイクロレンズアレイのうちの少なくとも１つを移動させることにより、前記焦点を前記露光面に整合させる焦点合わせ手段とをさらに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。
6. 前記焦点モニター手段が、前記感光材料が感光しない波長の光を前記露光面に向けて出射し、該光が前記露光面上で反射した反射光を検出することにより、前記焦点が前記露光面に整合しているか否かを監視するものであって、該反射光を取り出すために、前記後段マイクロレンズアレイのうちのいずれかの前段に定置状態または挿入可能な状態に配された光学素子を備えていることを特徴とする請求項５記載の画像露光装置。
7. 前記後段マイクロレンズアレイのうちの少なくとも１つが、多数の非球面レンズが配列されてなるものであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の画像露光装置。
8. 前記露光ヘッドを、前記露光面に対して並列に複数備えていることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の画像露光装置。

Images