JP2006337528A - Image exposure system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は画像露光装置に関し、特に詳細には、空間光変調素子で変調された光を結像光学系に通し、この光による像を感光材料上に結像させて該感光材料を露光する画像露光装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE
従来、空間光変調素子で変調された光を結像光学系に通し、この光による像を所定の感光材料上に結像して該感光材料を露光する画像露光装置が公知となっている。この種の画像露光装置は、基本的に、照射された光を各々制御信号に応じて変調する多数の画素部が2次元状に配列されてなる空間光変調素子と、この空間光変調素子に光を照射する光源と、前記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上に結像する結像光学系とを備えてなるものである。なお、非特許文献1および特許文献1には、上記基本的構成を有する画像露光装置の一例が示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an image exposure apparatus that passes light modulated by a spatial light modulation element through an imaging optical system, forms an image of this light on a predetermined photosensitive material, and exposes the photosensitive material. This type of image exposure apparatus basically includes a spatial light modulation element in which a large number of pixel units that modulate irradiated light according to a control signal are two-dimensionally arranged, and the spatial light modulation element. A light source for irradiating light and an imaging optical system for forming an image of light modulated by the spatial light modulation element on a photosensitive material are provided.
この種の画像露光装置において、上記空間光変調素子としては、例えばLCD(液晶表示素子)やDMD(デジタル・マイクロミラー・デバイス)等が好適に用いられ得る。なお上記のDMDは、制御信号に応じて反射面の角度を変化させる多数のマイクロミラーが、シリコン等の半導体基板上に2次元状に配列されてなるミラーデバイスである。 In this type of image exposure apparatus, as the spatial light modulation element, for example, an LCD (liquid crystal display element), a DMD (digital micromirror device), or the like can be suitably used. The DMD is a mirror device in which a number of micromirrors that change the angle of the reflecting surface in accordance with a control signal are two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate such as silicon.
上述のような画像露光装置においては、感光材料に投影する画像を拡大したいという要求が伴うことも多く、その場合には、結像光学系として拡大結像光学系が用いられる。そのようにする際、空間光変調素子を経た光をただ拡大結像光学系に通しただけでは、空間光変調素子の各画素部からの光束が拡大して、投影された画像において画素サイズが大きくなり、画像の鮮鋭度が低下してしまう。 In the image exposure apparatus as described above, there is often a demand for enlarging an image projected on a photosensitive material, and in that case, an enlarged imaging optical system is used as an imaging optical system. In doing so, simply passing the light that has passed through the spatial light modulation element through the magnification imaging optical system expands the luminous flux from each pixel portion of the spatial light modulation element, and the pixel size in the projected image is reduced. The image becomes larger and the sharpness of the image decreases.
そこで、上記特許文献1にも示されるように、空間光変調素子で変調された光の光路に第1の結像光学系を配し、この結像光学系による結像面には空間光変調素子の各画素部にそれぞれ対応するマイクロレンズがアレイ状に配されてなるマイクロレンズアレイを配置し、そしてこのマイクロレンズアレイを通過した光の光路には、変調された光による像を感光材料やスクリーン上に結像する第2の結像光学系を配置して、これら第1および第2の結像光学系によって像を拡大投影することが考えられている。この構成においては、感光材料やスクリーン上に投影される画像のサイズは拡大される一方、空間光変調素子の各画素部からの光はマイクロレンズアレイの各マイクロレンズによって集光されるので、投影画像における画素サイズ(スポットサイズ)は絞られて小さく保たれるので、画像の鮮鋭度も高く保つことができる。
Therefore, as shown in
なお特許文献2には、空間光変調素子としてDMDを用い、それとマイクロレンズアレイとを組み合わせてなる画像露光装置の一例が示されている。
しかしながら、上記のような画像露光装置では、空間光変調素子の各画素部を経由してマイクロレンズアレイの各マイクロレンズで集光されたビームには、非点隔差が生じ、断面が楕円状のビームになることがあった。この結果、投影画像における画素サイズを小さく保つことができず、画像の鮮鋭度が劣化してしまうという問題が生じていた。上記非点隔差は主に空間光変調素子の画素部の面の歪みに起因しており、空間光変調素子としてDMDを用いたときにはDMDの画素部の反射面の歪みが主な原因となる。 However, in the image exposure apparatus as described above, an astigmatic difference occurs in the beam condensed by each microlens of the microlens array via each pixel portion of the spatial light modulator, and the cross section is elliptical. It sometimes became a beam. As a result, the pixel size in the projected image cannot be kept small, resulting in a problem that the sharpness of the image is deteriorated. The astigmatic difference is mainly caused by the distortion of the surface of the pixel portion of the spatial light modulation element, and when the DMD is used as the spatial light modulation element, the distortion of the reflection surface of the DMD pixel portion is the main cause.
特に、画素部の反射面が光軸に対して回転非対称な面となる異方的な歪みがある場合には、非点収差が発生する光学系となり、画素部の反射面を経由してマイクロレンズで集光されたビームは、ビーム径が最も小さくなる光軸方向の位置(ビームウエスト位置)が、光軸に垂直な面内の方向により異なるという現象が起こる。 In particular, when there is an anisotropic distortion in which the reflective surface of the pixel portion is a rotationally asymmetric surface with respect to the optical axis, an optical system that generates astigmatism is generated, and the microscopic surface passes through the reflective surface of the pixel portion. The beam condensed by the lens has a phenomenon that the position in the optical axis direction (beam waist position) at which the beam diameter becomes the smallest differs depending on the in-plane direction perpendicular to the optical axis.
具体的には、光軸に垂直な面内の異なる2方向をそれぞれx方向、y方向としたとき、x方向のビーム径が最小となるx方向のビームウエスト位置では、y方向のビームは広がったものとなり、y方向のビーム径は最小とならないため、ビームの断面形状は楕円となる。y方向のビーム径が最小となるy方向のビームウエスト位置においても同様に、x方向のビームは広がったものとなり、ビームの断面形状は楕円となる。感光材料上への結像は2次元面上に行われるため、このようなビームをそのまま用いて画像を形成すると、鮮鋭度が低下する。 Specifically, assuming that two different directions in the plane perpendicular to the optical axis are the x direction and the y direction, respectively, the beam in the y direction spreads at the beam waist position in the x direction where the beam diameter in the x direction is minimum. Since the beam diameter in the y direction is not minimized, the cross sectional shape of the beam is an ellipse. Similarly, at the beam waist position in the y direction where the beam diameter in the y direction is minimum, the beam in the x direction is expanded and the cross-sectional shape of the beam is an ellipse. Since the image formation on the photosensitive material is performed on a two-dimensional surface, the sharpness decreases when an image is formed using such a beam as it is.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、空間光変調素子の画素部が異方的な歪みをもつ場合でも、高精細な画像を得ることが可能な画像露光装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an image exposure apparatus capable of obtaining a high-definition image even when a pixel portion of a spatial light modulator has an anisotropic distortion. With the goal.
本発明による画像露光装置は、照射された光を各々制御信号に応じて変調する反射型の画素部が複数並設されてなる空間光変調素子と、この空間光変調素子に光を照射する光源と、前記空間光変調素子の各画素部を経た光を受けて該画素部の像を結像させる光学系、および、前記空間光変調素子の各画素部を経て前記光学系を通過した光が個別に入射するマイクロレンズが複数並設されてなるマイクロレンズアレイを含み、前記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上に結像する結像光学系とを備えた画像露光装置において、前記マイクロレンズアレイが前記光学系による前記画素部の結像位置近傍に配置され、前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズが、前記画素部の異方的な歪みによる収差を補正するよう、光軸に垂直な面内の2方向で異なるパワーを有するものであることを特徴とするものである。 An image exposure apparatus according to the present invention includes a spatial light modulation element in which a plurality of reflective pixel units that modulate irradiated light according to control signals, and a light source that emits light to the spatial light modulation element. And an optical system that receives light that has passed through each pixel portion of the spatial light modulator and forms an image of the pixel portion, and light that has passed through the optical system via each pixel portion of the spatial light modulator. An image exposure apparatus including a microlens array in which a plurality of individually incident microlenses are arranged in parallel, and an imaging optical system that forms an image of light modulated by the spatial light modulator on a photosensitive material The microlens array is disposed in the vicinity of the imaging position of the pixel unit by the optical system, and each microlens of the microlens array corrects aberration due to anisotropic distortion of the pixel unit. axis It is characterized in that those having different powers in two directions perpendicular plane.
なお、上記画像露光装置において、マイクロレンズは通常の屈折型レンズだけでなく、屈折率分布型レンズ、あるいは回折型レンズを用いてもよい。また、マイクロレンズは、屈折型レンズ、屈折率分布型レンズ、回折型レンズの少なくとも2つを組み合わせて構成されたレンズを用いてもよい。ここでいう組合せとは、接合レンズだけでなく、1つのレンズに複数の作用を持たせたものも意味する。例えば、屈折型レンズと回折型レンズの組合せとしては、屈折作用と回折作用を有するフレネルレンズ等が考えられる。また、屈折型レンズと屈折率分布型レンズの組み合わせとしては、例えば屈折率分布を有する球面形状のレンズ等を採用できる。 In the image exposure apparatus, the microlens may be not only a normal refractive lens but also a gradient index lens or a diffractive lens. The microlens may be a lens configured by combining at least two of a refractive lens, a gradient index lens, and a diffractive lens. The combination here means not only a cemented lens but also a single lens having a plurality of functions. For example, as a combination of a refractive lens and a diffractive lens, a Fresnel lens having a refractive action and a diffractive action can be considered. Further, as a combination of the refractive lens and the refractive index distribution type lens, for example, a spherical lens having a refractive index distribution can be adopted.
上記画像露光装置において、前記光学系による前記画素部の結像位置から外れた、前記画素部、前記光学系および前記マイクロレンズアレイによる集光位置に、前記各画素部を経た光を個別に集光するマイクロレンズが複数並設されてなる集光用マイクロレンズアレイがさらに配設されていることが望ましい。 In the image exposure apparatus, the light that has passed through each pixel unit is individually collected at a condensing position by the pixel unit, the optical system, and the microlens array that is out of the imaging position of the pixel unit by the optical system. It is desirable that a condensing microlens array in which a plurality of light-emitting microlenses are arranged in parallel is further provided.
そして、前記集光用マイクロレンズアレイが、前記光の光軸方向に移動可能に配置されていることが望ましい。 The condensing microlens array is preferably arranged so as to be movable in the optical axis direction of the light.
また、上記画像露光装置において、前記光学系による前記画素部の結像位置から外れた、前記画素部、前記光学系および前記マイクロレンズアレイによる集光位置に、前記各画素部を経た光を個別に透過させる開口が複数並設されてなるアパーチャアレイがさらに配設されていることが望ましい。 Further, in the image exposure apparatus, the light that has passed through each pixel unit is individually applied to the light collection position by the pixel unit, the optical system, and the microlens array that is out of the imaging position of the pixel unit by the optical system. It is desirable that an aperture array in which a plurality of apertures through which light passes is arranged is further provided.
さらに、前記空間光変調素子が、前記画素部としての微小ミラーが2次元状に配列されてなるDMD(デジタル・マイクロミラー・デバイス)であることが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the spatial light modulation element is a DMD (digital micromirror device) in which micromirrors as the pixel portion are two-dimensionally arranged.
なお、上述した集光位置は、光学系による画素部の結像位置から外れた位置において、画素部、光学系およびマイクロレンズアレイにより、各画素部から反射した光が分離されて集光されている位置を意味する。 Note that the light condensing position described above is separated from the light reflected from each pixel unit by the pixel unit, the optical system, and the microlens array at a position deviating from the image forming position of the pixel unit by the optical system. Means the position.
本発明による画像露光装置では、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズが、上記画素部の異方的な歪みによる収差を補正するよう、光軸に垂直な面内の2方向で異なるパワーを有する。これにより、空間光変調素子の画素部が異方的な歪みをもつ場合でも、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズが、上記歪みにより発生する非点収差を補正して、各画素部を経由して各マイクロレンズで集光されたビームの上記x方向およびy方向におけるビームウエスト位置を一致させることができる。したがって、本発明による画像露光装置によれば、集光されてx方向およびy方向のビームウエスト位置が揃ったビームを画像形成に利用できるため、高精細な画像を得ることができる。 In the image exposure apparatus according to the present invention, each microlens of the microlens array has different powers in two directions in a plane perpendicular to the optical axis so as to correct aberration due to anisotropic distortion of the pixel portion. Thereby, even when the pixel portion of the spatial light modulation element has anisotropic distortion, each microlens of the microlens array corrects astigmatism generated by the distortion and passes through each pixel portion. The beam waist positions in the x direction and the y direction of the beams condensed by the microlenses can be matched. Therefore, according to the image exposure apparatus of the present invention, a beam which is condensed and has a uniform beam waist position in the x direction and the y direction can be used for image formation, so that a high-definition image can be obtained.
また、本発明による画像露光装置では、マイクロレンズアレイを画素部の結像位置近傍に配置して非点収差を補正しているため、各画素部から反射された光が分離されて集光されている上記集光位置の範囲を広くとることができる。 Further, in the image exposure apparatus according to the present invention, since the astigmatism is corrected by arranging the microlens array in the vicinity of the image forming position of the pixel portion, the light reflected from each pixel portion is separated and condensed. The condensing position range can be widened.
この集光位置に各画素部を経た光を個別に集光する集光用マイクロレンズアレイがさらに配設された場合には、よりスポットサイズを絞ることができ、画像の鮮鋭度の向上に貢献できる。また、結像位置近傍に配置されたマイクロレンズアレイにより光は集光されているため、集光位置に配設された集光用マイクロレンズアレイに入射するビーム径は結像位置でのビーム径よりさらに小さい。よって、空間光変調素子と集光用マイクロレンズアレイとが多少ずれていても、集光位置でのビームがケラレたり、集光用マイクロレンズアレイのあるマイクロレンズに入射すべきビームが隣のマイクロレンズに入り込むことがなく、集光用マイクロレンズアレイを配設する際に懸念される光利用効率や消光比の低下を防止できる。 If a condensing microlens array that condenses the light that has passed through each pixel section is further arranged at this condensing position, the spot size can be further reduced, contributing to the improvement of image sharpness. it can. Further, since the light is collected by the microlens array arranged in the vicinity of the imaging position, the beam diameter incident on the condensing microlens array arranged at the focusing position is the beam diameter at the imaging position. Even smaller. Therefore, even if the spatial light modulator and the condensing microlens array are slightly shifted, the beam at the condensing position is vignetted or the beam to be incident on the microlens with the condensing microlens array is adjacent to the microlens array. Without entering the lens, it is possible to prevent a decrease in light use efficiency and extinction ratio, which are a concern when arranging the condensing microlens array.
この集光用マイクロレンズアレイが、光の光軸方向に移動可能に配置されていれば、光の焦点調整を容易に行うことができる。特に、結像位置とその前後での光利用効率の変化量よりも集光位置とその前後での光利用効率の変化量の方が小さいため、焦点調整を行ったときの光利用効率の変化量を最小限に押さえることができる。 If this condensing microlens array is arranged so as to be movable in the direction of the optical axis of light, it is possible to easily adjust the focus of light. In particular, since the amount of change in light utilization efficiency before and after the focusing position is smaller than the amount of change in light utilization efficiency before and after the imaging position, the change in light utilization efficiency when focus adjustment is performed The amount can be kept to a minimum.
この集光位置にアパーチャアレイが配設された場合には、各アパーチャに各画素部を経て集光された光のみが通過するようになるので、迷光を遮断でき、消光比を向上できる。 When an aperture array is disposed at this condensing position, only the light collected through each pixel portion passes through each aperture, so that stray light can be blocked and the extinction ratio can be improved.
なお、マイクロレンズに屈折率分布型レンズを採用した場合は、外形形状を平行平板にすることができ、回折型レンズを採用した場合は、外形形状を平行平板にすると共に通常の屈折型のレンズよりも光軸方向の厚みを低減できる。マイクロレンズに屈折型レンズ、屈折率分布型レンズ、回折型レンズの少なくとも2つを組み合わせて構成されたレンズを採用した場合には、設計の自由度が高まる。 If a gradient index lens is used for the microlens, the outer shape can be a parallel plate. If a diffractive lens is used, the outer shape can be a parallel plate and a normal refractive lens. Thus, the thickness in the optical axis direction can be reduced. In the case where a lens configured by combining at least two of a refractive lens, a gradient index lens, and a diffractive lens is employed as the microlens, the degree of freedom in design is increased.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。まず、本発明の第1の実施形態による画像露光装置について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, an image exposure apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described.
[画像露光装置の構成]
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、この画像露光装置には、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15参照)が設けられている。
[Configuration of image exposure apparatus]
As shown in FIG. 1, the image exposure apparatus includes a flat plate-like moving
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。
A
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166mnと表記する。
As shown in FIGS. 2 and 3B, the
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168mnと表記する。
An
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。
Further, as shown in FIGS. 3A and 3B, each of the exposure heads in each row arranged in a line so that the strip-shaped exposed
露光ヘッド16611〜166mnの各々は、図4および図5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、米国テキサス・インスツルメンツ社製のデジタル・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15参照)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。
As shown in FIGS. 4 and 5, each of the exposure heads 166 11 to 166 mn is a spatial light modulation element that modulates an incident light beam for each pixel according to image data, and is manufactured by Texas Instruments Incorporated. Digital micromirror device (DMD) 50. The
DMD50の光入射側には、光ファイバの出射端部(発光点)が露光エリア168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DMD上に集光させるレンズ系67、このレンズ系67を透過したレーザ光を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。
On the light incident side of the
上記レンズ系67は、図5に詳しく示すように、ファイバアレイ光源66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)72、およびこのロッドインテグレータ72の下流側、つまりミラー69側に配置されたコリメータレンズ74から構成されている。集光レンズ71、ロッドインテグレータ72およびコリメータレンズ74は、ファイバアレイ光源66から出射したレーザ光を、平行光に近くかつ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の形状や作用については、後に詳しく説明する。
As shown in detail in FIG. 5, the
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。
The laser beam B emitted from the
またDMD50の光反射側には、DMD50で反射されたレーザ光Bを、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。
An imaging
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2次元状に配列されてなるものである。本例では、後述するようにDMD50の1024個×768列のマイクロミラーのうち1024個×256列だけが駆動されるので、それに対応させてマイクロレンズ55aは1024個×256列配置されている。またマイクロレンズ55aの配置ピッチは縦方向、横方向とも41μm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で、光学ガラスBK7から形成されている。なおマイクロレンズ55aの形状については、後に詳しく説明する。そして、各マイクロレンズ55aの位置におけるレーザ光Bのビーム径は、41μmである。
The
また上記アパーチャアレイ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(開口)59aが形成されてなるものである。本実施形態において、アパーチャ59aの径は10μmである。
The
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1.6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4.8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。
The first image-forming optical system forms an image on the
なお本例では、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F方向に副走査送りされる。
In this example, a
DMD50は図6に示すように、SRAMセル(メモリセル)60上に、各々画素(ピクセル)を構成する多数(例えば1024個×768個)の微小ミラー(マイクロミラー)62が格子状に配列されてなるミラーデバイスである。各ピクセルにおいて、最上部には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%以上であり、その配列ピッチは縦方向、横方向とも一例として13.7μm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。
As shown in FIG. 6, in the
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±12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。
When a digital signal is written in the
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に接続された前記コントローラ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。本実施形態におけるマイクロミラー62はその反射面に歪みを有するが、図6、図7ではその歪みは省略している。
FIG. 6 shows an example of a state in which a part of the
また、DMD50は、その短辺が副走査方向と所定角度θ(例えば、0.1°〜5°)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。
Further, it is preferable that the
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。
In the
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、アライメントマークに対する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。 Further, the same scanning line is overlapped and exposed (multiple exposure) by different micromirror rows. Thus, by performing multiple exposure, it is possible to control a minute amount of the exposure position with respect to the alignment mark, and to realize high-definition exposure. Further, joints between a plurality of exposure heads arranged in the main scanning direction can be connected without a step by controlling a very small amount of exposure position.
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。
Note that the same effect can be obtained by arranging the micromirror rows in a staggered manner by shifting the micromirror rows by a predetermined interval in a direction orthogonal to the sub-scanning direction instead of inclining the
ファイバアレイ光源66は図9aに示すように、複数(例えば14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が結合されている。図9bに詳しく示すように、マルチモード光ファイバ31の光ファイバ30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68が構成されている。
As shown in FIG. 9 a, the fiber
マルチモード光ファイバ31の端部で構成されるレーザ出射部68は、図9b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、マルチモード光ファイバ31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31の光出射端面は、光密度が高いため集塵し易く劣化し易いが、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。
As shown in FIG. 9B, the
本例では図10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程度のクラッド径が小さい光ファイバ31が同軸的に結合されている。それらの光ファイバ30,31は、それぞれのコア軸が一致する状態で光ファイバ31の入射端面を光ファイバ30の出射端面に融着することにより結合されている。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。
In this example, as shown in FIG. 10, an
マルチモード光ファイバ30および光ファイバ31としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーデ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。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。本例において、マルチモード光ファイバ30および光ファイバ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=50μm、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=50μm、NA=0.2である。
As the multimode
ただし、光ファイバ31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、シングルモード光ファイバの場合、コア径は少なくとも3〜4μm必要であることから、光ファイバ31のクラッド径は10μm以上が好ましい。また、光ファイバ30のコア径と光ファイバ31のコア径を一致させることが、結合効率の点から好ましい。
However, the cladding diameter of the
レーザモジュール64は、図11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,および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および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11〜17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。
The
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50mW程度)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。 The GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 all have a common oscillation wavelength (for example, 405 nm), and the maximum output is also all common (for example, about 100 mW for a multimode laser and about 50 mW for a single mode laser). As the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, lasers that oscillate at wavelengths other than 405 nm in the wavelength range of 350 nm to 450 nm may be used.
上記の合波レーザ光源は、図12および図13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、それらによって形成される閉空間(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。
As shown in FIGS. 12 and 13, the above-described combined laser light source is housed in a box-shaped
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。
A
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、そこにコリメータレンズ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。
A
なお、図13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。
In FIG. 13, in order to avoid complication of the drawing, only the GaN semiconductor laser LD7 among the plurality of GaN semiconductor lasers is numbered, and only the
図14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14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。
FIG. 14 shows the front shape of the attachment part of the collimator lenses 11-17. Each of the
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光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。 On the other hand, each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 includes an active layer having a light emission width of 2 μm, and each of the laser beams B1 to B1 having a divergence angle in a direction parallel to the active layer and a direction perpendicular thereto, for example A laser emitting B7 is used. These GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 are arranged so that the light emitting points are arranged in a line in a direction parallel to the active layer.
したがって、各発光点から発せられたレーザ光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光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。
Therefore, in the laser beams B1 to B7 emitted from the respective light emitting points, the direction in which the divergence angle is large coincides with the length direction and the divergence angle is small with respect to the
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。
The condensing
次に図15を参照して、本例の画像露光装置における電気的な構成について説明する。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。
Next, the electrical configuration of the image exposure apparatus of this example will be described with reference to FIG. As shown here, a
[画像露光装置の動作]
次に、上記画像露光装置の動作について説明する。スキャナ162の各露光ヘッド166において、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(図11参照)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11〜17によって平行光化される。平行光化されたレーザ光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の入射端面上で収束する。
[Operation of image exposure apparatus]
Next, the operation of the image exposure apparatus will be described. In each
本例では、コリメータレンズ11〜17および集光レンズ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。すなわち、集光レンズ20によって上述のように集光されたレーザ光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本のレーザ光Bに合波されてマルチモード光ファイバ30の出射端部に結合された光ファイバ31から出射する。
In this example, the
各レーザモジュールにおいて、レーザ光B1〜B7のマルチモード光ファイバ30への結合効率が0.9で、GaN系半導体レーザLD1〜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31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31全体では、4.4W(=0.315W×14)の出力のレーザ光Bが得られる。
In each laser module, when the coupling efficiency of the laser beams B1 to B7 to the multimode
画像露光に際しては、図15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。
At the time of image exposure, image data corresponding to the exposure pattern is input from the
感光材料150を表面に吸着したステージ152は、図15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。
The
ファイバアレイ光源66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、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。
When the laser beam B is irradiated from the fiber
なお本例では、図16(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。
In this example, as shown in FIGS. 16A and 16B, the
この場合、図16(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16(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。
In this case, a micromirror array arranged at the center of the
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。
Since the data processing speed of the
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。
When the sub-scan of the
次に、図5に示したファイバアレイ光源66、集光レンズ71、ロッドインテグレータ72、コリメータレンズ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。ロッドインテグレータ72は例えば四角柱状に形成された透光性ロッドであり、その内部をレーザ光Bが全反射しながら進行するうちに、該レーザ光Bのビーム断面内強度分布が均一化される。なお、ロッドインテグレータ72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。以上のようにして、照明光であるレーザ光Bのビーム断面内強度分布を高度に均一化できれば、照明光強度の不均一を無くして、高精細な画像を感光材料150に露光可能となる。
Next, illumination optics configured by the fiber
ここで図17に、DMD50を構成するマイクロミラー62が回転するときの中心軸となる偏向軸の方向を示す。本実施形態では、マイクロミラー62の反射面の一方の対角線方向が偏向軸の方向となっており、その方向をy方向とし、他方の対角線方向をx方向としている。すなわち、x方向、y方向は光軸Oに垂直な面内の異なる2方向であり、本実施形態においてはこれらの方向は直交している。
Here, FIG. 17 shows the direction of the deflection axis that becomes the central axis when the
上記x方向およびy方向に平行な断面内のマイクロミラー62の反射面の高さ位置変位の模式図を図18の(A)および(B)にそれぞれ示す。図18においては、横軸に反射面中心からの各方向の位置、縦軸に光軸方向の変位をとっている。図18の(A)および(B)に示される通り、マイクロミラー62の反射面はx方向では凹面形状、y方向では凸面形状をした回転非対称な曲面となっており、異方的な歪みを有している。
FIGS. 18A and 18B respectively show schematic views of the height position displacement of the reflecting surface of the
このような面に平行光を入射させると、反射された光はx方向では収束光となり、y方向では発散光となる。この光を光軸に対して回転対称なパワーを有する通常のレンズで集光した場合には、x方向とy方向ではビーム径が最も小さくなる光軸方向の位置(ビームウエスト位置)が異なるという現象、すなわち非点収差が生じ、画像の高精細化の障害となる。 When parallel light is incident on such a surface, the reflected light becomes convergent light in the x direction and becomes divergent light in the y direction. When this light is collected by a normal lens having a rotationally symmetric power with respect to the optical axis, the position in the optical axis direction (beam waist position) at which the beam diameter becomes the smallest differs between the x direction and the y direction. A phenomenon, that is, astigmatism occurs, which hinders high definition of an image.
そこで、本実施形態の画像露光装置においては上述の問題を防止するために、マイクロレンズアレイ55の各マイクロレンズ55aが、従来とは異なる特殊な形状とされている。以下、その点について詳しく説明する。
Therefore, in the image exposure apparatus of the present embodiment, in order to prevent the above-described problem, each
図19の(A)および(B)はそれぞれ、マイクロレンズアレイ55全体の正面形状および側面形状を詳しく示すものである。これらの図にはマイクロレンズアレイ55の各部の寸法も記入してあり、それらの単位はmmである。本実施形態では、先に図16を参照して説明したようにDMD50の1024個×256列のマイクロミラー62が駆動されるものであり、それに対応させてマイクロレンズアレイ55は、横方向に1024個並んだマイクロレンズ55aの列を縦方向に256列並設して構成されている。なお同図(A)では、マイクロレンズアレイ55の並び順を横方向についてはjで、縦方向についてはkで示している。
FIGS. 19A and 19B respectively show the front and side shapes of the
各マイクロレンズ55aは、上述したマイクロミラー62の反射面の異方的な歪みによる収差を補正するよう、x方向とy方向で有するパワーが異なり、光軸に対して回転非対称な構成となっている。より具体的には、本実施形態におけるマイクロレンズ55aは、x方向のパワーは0、y方向のパワーは正の値を持つシリンドリカルレンズである。y方向のパワーの値は、マイクロミラー62の反射面の曲率を考慮して、マイクロミラー62を反射して第1結像光学系のレンズ系52,54およびマイクロレンズ55aを透過した後のビームのx方向とy方向のビームウエスト位置の差(非点隔差)がほぼ0となるように決められる。
Each
図20(a)に、一例として上記のようなマイクロレンズ55aの斜視図を示す。マイクロレンズ55aは、x方向およびy方向を対角線とする正方形を底面として有し、その上面は曲面形状である。そして、図20(b)および(c)にそれぞれ示すように、マイクロレンズ55aは、光軸を通りx方向に平行な断面内では長方形状となり、光軸を通りy方向に平行な断面内では底面側が直線で上面側が円弧の平凸形状となる。
FIG. 20A shows a perspective view of the
マイクロミラー62の反射面の歪みによる収差がマイクロレンズ55aにより補正される様子をより具体的に説明する。図21(A)および(B)はそれぞれ、光軸を通りx方向およびy方向に平行な断面内において、上述したマイクロミラー62で反射された光がマイクロレンズ55aにより補正される様子を示す模式図である。マイクロレンズアレイ55は、第1結像光学系によりマイクロミラー62の像が結像される結像位置近傍に配置されている。
The manner in which the aberration due to the distortion of the reflection surface of the
なお、図21ではTIRプリズム70は省略している。図21では隣接する3つのマイクロミラーを図示し、中央の1つのマイクロミラーの中心および両端で反射された光を実線で示している。また、図21では上記3つのマイクロミラーで反射されたビームのビーム径が、レンズ系54より下流側において変化する様子を点線の楕円で模式的に示している。
In FIG. 21, the
x方向においては、図21(A)に示すように、凹面形状となっているマイクロミラー62で反射された光は、収束光となり、レンズ系52、54を透過した後、マイクロレンズ55aに入射する。上述のようにマイクロレンズ55aのx方向のパワーは0であるから、x方向においてはマイクロレンズ55aに入射された光は光軸との角度を変えることなく進行し、ビームウエスト位置でビーム径が最も小さくなる。
In the x direction, as shown in FIG. 21 (A), the light reflected by the
一方、y方向においては、図21(B)に示すように、凸面形状となっているマイクロミラー62で反射された光は、発散光となり、レンズ系52、54を透過した後、マイクロレンズ55aに入射する。上述のようにマイクロレンズ55aは、y方向で正のパワーを有するため、y方向においてはマイクロレンズ55aに入射された光は集光されて、上記のx方向のビームウエスト位置と同じ位置でビーム径が最も小さくなる。
On the other hand, in the y direction, as shown in FIG. 21B, the light reflected by the
上述したように、マイクロミラー62の反射面の異方的な形状に応じて、マイクロレンズ55aがx方向とy方向で異なるパワーを有するように構成することにより、非点収差を補正することができ、ビームの断面形状が楕円になるのを防ぐことができる。したがって、x方向およびy方向のビームウエスト位置が揃い、ビームの断面形状が整形されて、集光された状態のビームを画像形成に利用できるため、高精細な画像を得ることができる。
As described above, the astigmatism can be corrected by configuring the
上記説明ではマイクロミラー62の反射面がx方向、y方向でそれぞれ凹面形状、凸面形状を有する例について説明したが、x方向、y方向の一方が平面形状で他方が凹面形状あるいは凸面形状の場合でも、同様にマイクロミラーの反射面による非点収差を補正することが可能である。次に、これらの場合について説明する。
In the above description, the example in which the reflection surface of the
まず、反射面がx方向、y方向でそれぞれ凹面形状、平面形状を有するマイクロミラー262が複数並設されてなるDMD250を用いて画像形成する場合について説明する。簡単のために、マイクロミラー262のx方向の凹面形状は、上記のマイクロミラー62のx方向の凹面形状と同じとする。
First, a case where an image is formed using a
この場合は、上記のマイクロレンズ55aの代わりにマイクロレンズ55a’が複数並設されてなるマイクロレンズアレイ55’を用いる。マイクロレンズ55a’は、x方向ではパワーが0で、y方向では上記のマイクロレンズ55aより小さな正のパワーを有するシリンドリカルレンズである。すなわち、マイクロレンズ55a’は、図20に示すマイクロレンズ55aのy方向の曲率半径を大きくしたものと考えることができる。マイクロレンズ55a’のy方向のパワーの値は、マイクロミラー262の反射面の曲率を考慮して、マイクロミラー262を反射して第1結像光学系のレンズ系52,54およびマイクロレンズ55a’を透過した後のビームのx方向とy方向のビームウエスト位置の差(非点隔差)がほぼ0となるように決められる。
In this case, a microlens array 55 'in which a plurality of
マイクロミラー262の反射面の歪みによる収差がマイクロレンズ55a’により補正される様子を図21(A)および(C)を参照しながら説明する。なお、図21(C)は、光軸を通りy方向に平行な断面内において、マイクロミラー262で反射された光がマイクロレンズ55a’により補正される様子を示す模式図であり、同図の図示の仕方は上述したとおりである。この場合もマイクロレンズアレイ55’は、第1結像光学系によりマイクロミラー262の像が結像される結像位置近傍に配置される。
The manner in which the aberration due to the distortion of the reflection surface of the
x方向においては、図21(A)を参照して説明した前述のマイクロミラー62およびマイクロレンズ55aを用いた場合のx方向のものと全く同様となり、x方向におけるビーム径は、前述のマイクロミラー62およびマイクロレンズ55aを用いた場合のビームウエスト位置で最小となる。
In the x direction, the
一方、y方向においては、図21(C)に示すように、平面形状となっているマイクロミラー262で反射された光は、平行光のまま、レンズ系52、54を透過した後、マイクロレンズ55a’に入射する。上述のようにマイクロレンズ55a’は、y方向で正のパワーを有するため、y方向においてはマイクロレンズ55aに入射された光は集光されて、上記のx方向のビームウエスト位置と同じ位置でビーム径が最も小さくなる。
On the other hand, in the y direction, as shown in FIG. 21C, the light reflected by the
このように、マイクロミラーの反射面が光軸に垂直な面内の異なる方向でそれぞれ凹面形状、平面形状を有する場合でも、この反射面の形状に応じたマイクロレンズを用いることにより、非点収差を補正することができ、同様の効果が得られる。 As described above, even when the reflecting surface of the micromirror has a concave shape and a planar shape in different directions in the plane perpendicular to the optical axis, astigmatism is obtained by using the microlens according to the shape of the reflecting surface. Can be corrected, and the same effect can be obtained.
なお、マイクロレンズ55a、55a’のy方向に平行な断面内の形状は、図20(c)に示される平凸形状に限定されるものではなく、メニスカス形状であってもよい。また、上記実施形態ではマイクロミラーの反射面が凹面形状を有する方向では、マイクロレンズのパワーは0としたが、これに限定するものではなく、マイクロレンズ透過後の光が収束光となり、マイクロミラーに起因する非点収差を補正できるのであれば、マイクロミラーの反射面が凹面形状を有する方向でマイクロレンズが正または負のパワーを有するようにしてもよい。
In addition, the shape in the cross section parallel to the y direction of the
次に、マイクロミラーの反射面がx方向、y方向でそれぞれ平面形状、凸面形状を有する場合について説明する。この場合は、上記のシリンドリカルレンズであるマイクロレンズ55a、55a’に代わり、x方向、y方向共に正のパワーを有し、且つx方向のパワーがy方向のパワーよりも小さなマイクロレンズを用いる。このようなマイクロレンズの一例としては、x方向およびy方向に平行な断面内の形状が、それぞれ曲率半径が異なる球面レンズの断面形状と等しくなるように構成されたレンズが挙げられる。
Next, the case where the reflection surface of the micromirror has a planar shape and a convex shape in the x direction and the y direction will be described. In this case, instead of the above-described
このマイクロレンズのx方向、y方向のパワーの値は、上述の例と同様に、マイクロミラーの反射面の曲率を考慮して、マイクロミラーを反射して第1結像光学系のレンズ系52,54およびマイクロレンズを透過した後のビームのx方向とy方向のビームウエスト位置の差(非点隔差)がほぼ0となるように決められる。
The power values in the x and y directions of the microlens are reflected by the micromirror in consideration of the curvature of the reflecting surface of the micromirror, as in the above example, and the
この場合は、x方向に関しては、図21(C)を参照して説明した前述のマイクロミラー262およびマイクロレンズ55a’を用いた場合のy方向のものと同様に考えることができる。また、y方向に関しては、図21(B)を参照して説明した前述のマイクロミラー62およびマイクロレンズ55aを用いた場合のy方向のものと同様に考えることができる。よって、この場合もx方向とy方向のビームウエスト位置を一致させることができる。
In this case, the x direction can be considered in the same way as the y direction when the above-described
このように、マイクロミラーの反射面が光軸に垂直な面内の異なる方向でそれぞれ平面形状、凸面形状を有する場合でも、この反射面の形状および曲率に応じたマイクロレンズを用いることにより、非点収差を補正することができ、同様の効果が得られる。 Thus, even when the reflective surface of the micromirror has a planar shape and a convex shape in different directions in the plane perpendicular to the optical axis, by using a microlens corresponding to the shape and curvature of the reflective surface, Astigmatism can be corrected, and the same effect can be obtained.
以上のことから、マイクロミラーの反射面がx方向とy方向とで異なる形状となっていても、マイクロレンズのx方向とy方向のパワーを異なる値に設定することにより、マイクロミラーによる非点収差を補正することができ、より高精細な画像を形成することができる。 From the above, even if the reflection surface of the micromirror has different shapes in the x direction and the y direction, the power of the microlens in the x direction and the y direction can be set to different values, thereby reducing the astigmatism caused by the micromirror. Aberration can be corrected and a higher definition image can be formed.
なお、上記説明においてマイクロレンズの曲面形状は球面形状としたが、これに限定するものではなく、高次(4次、6次・・・)の非球面形状を採用してもよい。 In the above description, the curved surface shape of the microlens is a spherical shape, but the invention is not limited to this, and a higher order (4th order, 6th order, ...) aspherical shape may be adopted.
以上説明した実施形態においてはマイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズを屈折型レンズとして説明したが、これに代わり、屈折率分布型レンズを用いても同様の効果を得ることができる。屈折率分布型レンズの一例としてマイクロレンズ155aを図22に示す。同図の(A)および(B)はそれぞれ、このマイクロレンズ155aの正面形状および側面形状を示すものであり、図示の通りこのマイクロレンズ155aの外形形状は平行平板状である。なお、同図におけるx、y方向は、既述した通りである。
In the embodiment described above, each microlens constituting the microlens array has been described as a refractive lens, but the same effect can be obtained by using a gradient index lens instead. A
また、図23の(A)および(B)は、このマイクロレンズ155aによる上記x方向およびy方向に平行な断面内におけるレーザ光Bの状態を概略的に示している。このマイクロレンズ155aは、x方向では一様な屈折率分布を有し、y方向では光軸Oから外方に向かって次第に増大する屈折率分布を有するものであり、同図の(B)においてマイクロレンズ155a内に示す破線は、その屈折率が光軸Oから所定の等ピッチで変化した位置を示している。
23A and 23B schematically show the state of the laser beam B in the cross section parallel to the x direction and the y direction by the microlens 155a. The
図示の通り、x方向に平行な断面内とy方向に平行な断面内とを比較すると、マイクロレンズ155aに入射した平行光はx方向では平行光のまま出射し、y方向では収束光となって出射する。このような屈折率分布型レンズから構成されるマイクロレンズアレイを用いても、前述のマイクロレンズ55a、55a’を用いたマイクロレンズアレイを用いる場合と同様の効果を得ることが可能である。
As shown in the drawing, when the cross section parallel to the x direction is compared with the cross section parallel to the y direction, the parallel light incident on the
また、前述のx方向、y方向共に正のパワーを有し、且つx方向のパワーがy方向のパワーよりも小さなマイクロレンズの代わりには、x方向、y方向共に屈折率分布を有し、x方向の方がy方向よりも屈折率変化の割合がより小であって、焦点距離がより長いマイクロレンズ255aを用いる。図24(A)および(B)は、このマイクロレンズ255aによる上記x方向およびy方向に平行な断面内におけるレーザ光Bの集光状態を概略的に示している。このマイクロレンズ255aは、光軸Oから外方に向かって次第に増大する屈折率分布を有するものであり、同図においてマイクロレンズ255a内に示す破線は、その屈折率が光軸Oから所定の等ピッチで変化した位置を示している。
Further, instead of a microlens having positive power in both the x-direction and y-direction and having power in the x-direction smaller than that in the y-direction, it has a refractive index distribution in both the x-direction and y-direction, A microlens 255a having a smaller refractive index change rate in the x direction and a longer focal length is used than in the y direction. 24A and 24B schematically show the condensing state of the laser beam B in the cross section parallel to the x and y directions by the microlens 255a. The
図示の通り、x方向に平行な断面内とy方向に平行な断面内とを比較すると、後者の断面内の方がマイクロレンズ255aの屈折率変化の割合がより大であって、焦点距離がより短くなっている。このような屈折率分布型レンズから構成されるマイクロレンズアレイを用いても、前述のx方向、y方向共に正のパワーを有し、且つx方向のパワーがy方向のパワーよりも小さなマイクロレンズから構成されるマイクロレンズアレイを用いる場合と同様の効果を得ることが可能である。 As shown in the figure, when the cross section parallel to the x direction is compared with the cross section parallel to the y direction, the ratio of the refractive index change of the microlens 255a is larger in the latter cross section, and the focal length is larger. It is shorter. Even when a microlens array composed of such a gradient index lens is used, the microlens has positive power in both the x-direction and y-direction, and the power in the x-direction is smaller than the power in the y-direction. It is possible to obtain the same effect as when a microlens array composed of
さらに、上記の屈折型レンズや屈折率分布型レンズの代わりに回折型レンズを用いてもよい。そのようなマイクロレンズ355aの一例を図25に示す。同図の(A)および(B)はそれぞれ、このマイクロレンズ355aの正面形状および側面形状を示すものであり、図示の通りこのマイクロレンズ355aの外形形状は平行平板状である。なお、同図におけるx、y方向は、既述した通りである。同図(A)で模式的に示すように、マイクロレンズ355aは、y方向に所定間隔のピッチで回折格子が形成されており、x方向のパワーは0であり、y方向で正のパワーを持つものである。このようなマイクロレンズ355aから構成されるマイクロレンズアレイを用いても、前述のマイクロレンズ55a、55a’を用いたマイクロレンズアレイを用いる場合と同様の効果を得ることが可能である。
Further, a diffractive lens may be used in place of the above refractive lens or gradient index lens. An example of such a
また、前述のx方向、y方向共に正のパワーを有し、且つx方向のパワーがy方向のパワーよりも小さなレンズの代わりには、図26に例示する回折型レンズ455aを用いることができる。同図の(A)および(B)はそれぞれ、このマイクロレンズ455aの正面形状および側面形状を示すものであり、図示の通りこのマイクロレンズ455aの外形形状は平行平板状である。なお、同図におけるx、y方向は、既述した通りである。同図(A)で模式的に示すように、マイクロレンズ455aの回折格子のピッチの間隔はx方向の方がy方向よりも大きくなっており、x方向のパワーがy方向のパワーよりも小さくなるよう構成されている。このような回折型レンズ455aから構成されるマイクロレンズアレイを用いても、前述のx方向、y方向共に正のパワーを有し、且つx方向のパワーがy方向のパワーよりも小さなマイクロレンズから構成されるマイクロレンズアレイを用いる場合と同様の効果を得ることが可能である。
Further, instead of the lens having positive power in both the x direction and the y direction and having a power in the x direction smaller than that in the y direction, a
またさらに、上記マイクロレンズに代わり、屈折型レンズ、屈折率分布型レンズ、回折型レンズの少なくとも2つを組み合わせて構成された複合型のレンズを用いてもよい。屈折型レンズと回折型レンズを複合したレンズとしては例えば、フレネルレンズ等が考えられる。屈折型レンズと屈折率分布型レンズを複合したレンズとしては例えば、球面等の曲面形状を有するレンズに屈折率分布を与えたレンズを採用し、面形状と屈折率分布の双方によって、マイクロミラーの反射面の歪みによる収差を補正するようにしてもよい。 Furthermore, instead of the microlens, a composite lens configured by combining at least two of a refractive lens, a gradient index lens, and a diffractive lens may be used. For example, a Fresnel lens can be considered as a lens in which a refractive lens and a diffractive lens are combined. As a lens that combines a refractive lens and a refractive index distribution type lens, for example, a lens having a curved surface shape such as a spherical surface is used, and a lens having a refractive index distribution is used. Aberration due to distortion of the reflecting surface may be corrected.
なお本実施形態においては、マイクロミラー62の2つの対角線方向に沿ってx方向およびy方向をとり、マイクロレンズ55aはその方向に沿ってパワーが異なるように構成したが、この方向の取り方はマイクロミラー62の歪みの分布に応じて決めることが望ましい。例えば、本実施形態と異なり、マイクロミラーの2つの辺方向に沿って顕著に異なる曲面形状が存在する場合には、この2つの辺方向に沿ってマイクロレンズが異なるパワーを有するよう構成することが望ましい。
In the present embodiment, the x and y directions are taken along the two diagonal directions of the
ここで、再び図21(A)を参照しながら集光位置について説明する。マイクロレンズ55aより上流側では、同図の重なり合う点線の楕円で模式的に示されるように、各マイクロミラー62で反射された光は広がって重なっている。これに対して、マイクロレンズ55aより下流側では、同図の離隔した点線の楕円で模式的に示されるように、隣接する各マイクロミラー62で反射された光はそれぞれ分離されて集光されている。また、図21(B)を参照すると、マイクロレンズ55aより下流側では、各マイクロミラー62で反射された光はそれぞれ分離されて集光されている。
Here, the condensing position will be described with reference to FIG. On the upstream side of the
すなわち、マイクロレンズ55aより下流側から所定範囲までは、マイクロミラー62、レンズ系52、54、マイクロレンズ55aにより、各マイクロミラー62で反射された光がそれぞれ分離されて集光された集光位置となっている。
That is, from the downstream side of the
本実施形態では、この集光位置にアパーチャアレイ59を配設し、その各アパーチャ59aには、それと対応するマイクロレンズ55aを経た光のみが入射し、透過するようになっている。これにより、各アパーチャ59aと対応しない隣接のマイクロレンズ55aからの光の入射や迷光の入射を防止でき、消光比を高めることができる。また、このようなアパーチャアレイ59は、光利用効率が高く、また開口によってビーム形状を整形できるという効果も奏する。
In the present embodiment, an
次に、本発明の第2の実施形態による画像露光装置について説明する。図27は、本発明の第2の実施形態による画像露光装置の露光ヘッドを示す概略断面図である。この露光ヘッドは、図5に示した第1の実施形態における露光ヘッドと比べると、第1の実施形態の結像光学系51に代わり、第1の実施形態の結像光学系51からレンズ系57,58からなる第2結像光学系を省いた結像光学系51’を用いた点が基本的に異なるものである。その他の構成については前述の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。
Next, an image exposure apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 27 is a schematic sectional view showing an exposure head of an image exposure apparatus according to the second embodiment of the present invention. Compared with the exposure head in the first embodiment shown in FIG. 5, this exposure head replaces the imaging
すなわち本実施形態においては、マイクロレンズアレイ55が集光した光が直接、感光材料150に露光されるようになっている。本実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
That is, in this embodiment, the light collected by the
次に、本発明の第3の実施形態による画像露光装置について説明する。図28は、本発明の第3の実施形態による画像露光装置の露光ヘッドを示す概略断面図である。本実施形態の画像露光装置は、図5に示す第1の実施形態の画像露光装置の集光位置に集光用マイクロレンズアレイ56をさらに配設した点が基本的に異なるものである。本実施形態においては、第1の実施形態の結像光学系51に代わり、結像光学系151を用いている。結像光学系151は、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、集光用マイクロレンズアレイ56と、アパーチャアレイ159とから構成されている。その他の構成については前述の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。
Next, an image exposure apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 28 is a schematic sectional view showing an exposure head of an image exposure apparatus according to the third embodiment of the present invention. The image exposure apparatus of this embodiment is basically different in that a condensing
集光用マイクロレンズアレイ56は、各画素部を経た光を個別に集光するマイクロレンズ56aが複数並設されてなるものであり、各マイクロレンズ56aにはマイクロレンズアレイ55の各マイクロレンズ55aにより収差補正されて集光された光が入射される。また、アパーチャアレイ159は、アパーチャアレイ59と同様に、遮光性部材に、集光用マイクロレンズアレイ56の各マイクロレンズ56aに対応する多数のアパーチャ(開口)159aが形成されてなるものであり、対応する各マイクロレンズ56aを経た光のみが入射するように配置されている。
The condensing
本実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果が得られる上に、本実施形態の上記構成によれば、マイクロレンズアレイ55により集光されて断面形状が整形されたビームを集光用マイクロレンズアレイ56により集光してスポットサイズをさらに小さく制御できるので、鮮鋭度をより向上させることができる。
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and according to the configuration of the present embodiment, the beam condensed by the
次に、本発明の第4の実施形態による画像露光装置について説明する。図29は、本発明の第4の実施形態による画像露光装置の露光ヘッドを示す概略断面図である。この露光ヘッドは、図28に示した第3の実施形態における露光ヘッドと比べると、第3の実施形態の結像光学系151に代わり、第3実施形態の結像光学系151からレンズ系57,58からなる第2結像光学系を省いた結像光学系151’を用いた点が基本的に異なるものである。その他の構成については前述の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。
Next, an image exposure apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 29 is a schematic sectional view showing an exposure head of an image exposure apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. Compared with the exposure head in the third embodiment shown in FIG. 28, this exposure head replaces the imaging
すなわち本実施形態においては、マイクロレンズアレイ55が集光した光が直接、感光材料150に露光されるようになっている。本実施形態においても、第3の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
That is, in this embodiment, the light collected by the
さらに、本実施形態においては、配置した集光用マイクロレンズアレイ56を光の光軸方向に移動可能に配置するようにすれば、光の焦点調整を容易に行うことができる。特に、集光用マイクロレンズアレイ56が結像位置ではなく集光位置に配置されていることにより、焦点調整を行ったときに光利用効率の変化量を最小限に押さえることができる。すなわち、結像位置とその前後での光利用効率の変化量よりも集光位置での前後の光利用効率の変化量の方が小さい。よって、集光用マイクロレンズアレイ56を光軸方向に移動させたときに、光利用効率が急激に変化するのを防止することができる。
Furthermore, in the present embodiment, if the arranged condensing
上述した実施形態では、空問光変調素子に光を照射する光源としてレーザ光源を用いているが、本発明においてはそれに限らず、例えば水銀灯等のランプ光源を用いることも可能である。 In the above-described embodiment, a laser light source is used as a light source for irradiating light to the spatial light modulation element. However, the present invention is not limited to this, and a lamp light source such as a mercury lamp can also be used.
また上記の実施形態では、空間光変調素子としてDMDを用いるものであるが、DMD以外の反射型空間光変調素子を用いる画像露光装置においても、本発明を適用することにより、同様の効果が得られる。 In the above embodiment, the DMD is used as the spatial light modulation element. However, the same effect can be obtained by applying the present invention to an image exposure apparatus using a reflective spatial light modulation element other than the DMD. It is done.
LD1〜LD7 GaN系半導体レーザ
30、31 マルチモード光ファイバ
50、250 デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)
51 結像光学系
52、54 レンズ系
55、55’ マイクロレンズアレイ
55a、55a’、56a、155a、255a、355a、455a マイクロレンズ
56 集光用マイクロレンズアレイ
57、58 レンズ系
59、159 アパーチャアレイ
59a、159a アパーチャ
62、262 マイクロミラー
64 レーザモジュール
66 ファイバアレイ光源
68 レーザ出射部
72 ロッドインテグレータ
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
LD1 to LD7
51 Imaging
Claims (9)
この空間光変調素子に光を照射する光源と、
前記空間光変調素子の各画素部を経た光を受けて該画素部の像を結像させる光学系、および、前記空間光変調素子の各画素部を経て前記光学系を通過した光が個別に入射するマイクロレンズが複数並設されてなるマイクロレンズアレイを含み、前記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上に結像する結像光学系とを備えた画像露光装置において、
前記マイクロレンズアレイが前記光学系による前記画素部の結像位置近傍に配置され、
前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズが、前記画素部の異方的な歪みによる収差を補正するよう、光軸に垂直な面内の2方向で異なるパワーを有するものであることを特徴とする画像露光装置。 A spatial light modulation element in which a plurality of reflective pixel portions each for modulating irradiated light according to a control signal are arranged in parallel;
A light source for irradiating light to the spatial light modulator;
An optical system that receives light that has passed through each pixel portion of the spatial light modulator and forms an image of the pixel portion, and light that has passed through the optical system via each pixel portion of the spatial light modulator is individually In an image exposure apparatus comprising a microlens array in which a plurality of incident microlenses are arranged side by side, and an imaging optical system that forms an image of light modulated by the spatial light modulator on a photosensitive material,
The microlens array is disposed in the vicinity of the imaging position of the pixel unit by the optical system,
Each microlens of the microlens array has different power in two directions in a plane perpendicular to the optical axis so as to correct aberration due to anisotropic distortion of the pixel portion. Exposure device.
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