JP2007003829A - 画像露光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 マイクロレンズアレイを透過した光を直接被露光面上に露光する画像露光装置において、精度良く焦点位置を合わせることができる画像露光装置を提供する。
【解決手段】 画像露光装置は、空間光変調素子の各画素部からの光をそれぞれ集光するマイクロレンズ55aがアレイ状に配されたマイクロレンズアレイ55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マイクロレンズ55aによって直接感光材料150上に結像する結像光学系と、を備えている。マイクロレンズアレイ55は、画像露光用のマイクロレンズ55aと焦点位置検出用のマイクロレンズ55bとが一体形成され、光源308Aからのレーザ光Lはマイクロレンズ55bを透過して感光材料150上の結像位置Pに結像される。その像はカメラ308Dによって撮像され、この撮像された画像のピントが合うようにマイクロレンズアレイ55の位置を光軸方向に調整する。
【選択図】 図17

Description

本発明は、画像露光装置に係り、特に、空間光変調素子で変調された光をマイクロレンズアレイを含む結像光学系に通し、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。
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。
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矩形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。
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。
そこで、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。
なお特許文献1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。
また、DMD及びマイクロレンズアレイを組み合わせてなる画像露光装置において、露光精度を高めるために前記第2の結像光学系を省略し、マイクロレンズアレイを透過した光を直接感光材料等の被露光面に露光する装置も提案されている。
特開2001−305663号公報
上記のような画像露光装置においてマイクロレンズの焦点位置が被露光面上となるようにオートフォーカス制御するには、マイクロレンズアレイの被露光面における集光状態を直接検出することができる光学系を備えたオートフォーカス機構をマイクロレンズアレイと被露光面との間に設ける方法もあるが、マイクロレンズアレイを透過した光を直接感光材料等の被露光面に露光する画像露光装置では、通常はマイクロレンズアレイと被露光面側との距離が微小であるため不可能である。
本発明は上記事実を考慮してなされたものであり、マイクロレンズアレイを透過した光を直接被露光面上に露光する画像露光装置において、精度良く焦点位置を合わせることができる画像露光装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、 照射された光を各々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の各画素部からの光をそれぞれ集光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前記マイクロレンズアレイによって直接被露光面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の近傍に、前記マイクロレンズと前記被露光面との前記光の光軸方向における位置関係に関する情報を検出する検出手段と、前記検出手段による検出結果に基づいて、前記被露光面に対する前記マイクロレンズアレイの位置が予め定めた所定範囲内の位置となるように、前記マイクロレンズアレイの位置を前記光軸方向に調整する調整手段と、を備えたことを特徴とする。
空間変調素子は、光源から照射された光を各々変調する多数の画素部が2次元状に配列されてなり、結像光学系は、空間光変調素子の各画素部からの光をそれぞれ集光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含んで構成され、空間光変調素子により変調された光による像をマイクロレンズアレイによって直接被露光面上に結像する。なお、請求項6に記載したように、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)である構成とすることができる。
このような画像露光装置において、検出手段は、マイクロレンズアレイの近傍に、マイクロレンズと被露光面との光の光軸方向における位置関係に関する情報を検出する。
そして、検出手段による検出結果に基づいて、被露光面に対するマイクロレンズアレイの位置が予め定めた所定範囲内の位置となるように、マイクロレンズアレイの位置を光軸方向に調整する。なお、所定範囲は、例えばマイクロレンズの焦点深度の範囲である。
このように、マイクロレンズアレイの近傍に検出手段を設け、この検出手段の検出結果に基づいてマイクロレンズアレイの位置を調整するので、被露光面に対するマイクロレンズアレイの位置を精度良く調整することができる。
具体的には、例えば請求項2に記載したように、前記検出手段は、前記マイクロレンズアレイに一体形成された焦点位置検出用としての検出用マイクロレンズと、当該検出用マイクロレンズに光を照射する光源と、前記検出用マイクロレンズによって前記被露光面上に結像された像を撮像する撮像手段と、を含んで構成され、前記調整手段は、前記撮像手段により撮像された画像に基づいて、前記マイクロレンズアレイの位置を調整する構成とすることができる。
この場合、前記位置関係に関する情報は、撮像手段によって撮像された被露光面上に結像された像の画像である。調整手段は、この画像のピントが合うようにマイクロレンズアレイの位置を調整する。このように、実際に被露光面上に結像された像の画像のピントが合うようにするため、マイクロレンズアレイの位置を精度良く調整することができる。
また、請求項3に記載したように、前記検出手段は、前記被露光面との距離を検出する距離検出センサであり、前記マイクロレンズアレイを露光ヘッドに保持するための基板に設けられた構成としてもよい。なお、マイクロレンズアレイを露光ヘッドに保持するための基板としては、例えばブラケットを用いることができるが、これに限られるものではない。
この場合、調整手段は、検出した距離が、予め定めた所定範囲内となるか否かを判断する。所定範囲は、検出した距離がその範囲内であれば被露光面の位置がマイクロレンズの焦点深度の範囲となるような範囲である。そして、被露光面とマイクロレンズアレイとの距離が所定範囲内となるようにマイクロレンズアレイの位置を調整する。なお、距離検出センサは、距離そのものを検出するセンサでもよいし、予め定めた原点に対する変位を検出するセンサでもよい。
また、請求項4に記載したように、前記距離検出センサを複数備えると共に異なる位置に各々配置し、前記調整手段は、前記距離検出センサに対応した位置毎に前記マイクロレンズアレイの位置を調整するように構成してもよい。これにより、マイクロレンズアレイの姿勢を補正することができ、さらに精度良くマイクロレンズアレイの位置を調整することができる。
さらに、請求項5に記載したように、前記被露光面上の予め定めた危険凹凸を検出する危険凹凸検出センサを備え、前記危険凹凸を検出した場合に、前記被露光面に対する露光を禁止する禁止手段をさらに備えた構成としてもよい。これにより、安全に画像露光装置を動作させることができる。
本発明によれば、マイクロレンズアレイを透過した光を直接被露光面上に露光する画像露光装置において、精度良く焦点位置を合わせることができる、という効果を有する。
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る画像露光装置について説明する。
(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。移動ステージ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移動ステージ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。
設置台156の中央部には、移動ステージ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、移動ステージ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166mn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、移動ステージ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。
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16611〜166mn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。
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。
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。集光レンズ71、ロッドインテグレータ72および結像レンズ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。
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、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からなる結像光学系と、マイクロレンズアレイ55と、から構成されている。
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と共に、詳細は後述するが、図17に示すように焦点位置(焦点深度)検出用のマイクロレンズ55bが一体形成されたものである。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。さらに、マイクロレンズ55a、55bは同一のものであり、一例として焦点距離が0.23mm、NA(開口数)が0.07である。
上記結像光学系は、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。マイクロレンズアレイ55を経た像は、直接感光材料150上に結像、投影される。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。
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矩形のマイクロミラー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。
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。
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。
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。
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。
ファイバアレイ光源66は図9(A)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9(B)に詳しく示すように、光ファイバ31のマルチモード光ファイバ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。
光ファイバ31の端部で構成されるレーザ出射部68は、図9(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。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。
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。それらのマルチモード光ファイバ30,光ファイバ31は、それぞれのコア軸が一致する状態で光ファイバ31の入射端面をマルチモード光ファイバ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。
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。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。
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、マルチモード光ファイバ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。
なお本発明においては、上述のようにクラッド径が互いに異なる2つのマルチモード光ファイバ、光ファイバ31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はなく、クラッド径が一定の光ファイバ(例えば図9(A)の例ならばマルチモード光ファイバ30)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。
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。
GaN系半導体レーザLD1〜LD7は、発振波長がほぼ共通(例えば、405nm)であり、最大出力も総てほぼ共通(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の各出力は、最大出力以下で、互いに異なっていても構わない。また、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、前記移動ステージ152を駆動するステージ駆動装置304、MLA駆動装置307、及び検出装置308が接続されている。
なお、MLA駆動装置307及び検出装置308は、マイクロレンズアレイ55毎、即ち、露光ヘッド166毎に設けられる。
MLA駆動装置307は、全体制御部300の指示により、光軸方向、すなわち図17に示す矢印K方向に、露光ヘッド166内に設けられたマイクロレンズアレイ55を駆動する。
MLA駆動装置307は、例えばピエゾ素子及びこれを駆動する駆動装置を含んで構成することができるが、マイクロレンズアレイ55を光軸方向に駆動することができるものであればこれに限られるものではない。
検出装置308は、図17に示すように、光源308A、レンズ系308B、ハーフミラー308C、及びカメラ308Dを含んで構成されている。
光源308Aは、感光材料150が感光する波長以外の波長のレーザ光を出射する光源である。例えば感光材料の感度波長が405nmであった場合、光源308Aとしては、例えば波長が650nmのレーザ光源を用いることができる。
図7に示すように、光源308Aから出射されたレーザ光Lは、レンズ系308B及びハーフミラー308Cを透過して焦点位置検出用のマイクロレンズ55bに入射し、このマイクロレンズ55bによって感光材料150上に結像される。
なお、マイクロレンズ55bが設けられる位置は、各マイクロレンズ55aのピントのずれが許容範囲となるような位置、すなわち、なるべくマイクロレンズ55aに近い位置が好ましい。
レンズ系308Bは、焦点位置検出用のマイクロレンズ55bに入射するレーザ光Lが、画像露光用のマイクロレンズ55aに入射するレーザ光と略同一となるように構成されたレンズ系である。これにより、マイクロレンズ55aによって感光材料150上に結像された像とマイクロレンズ55bによって感光材料150上に結像された像とが略同一となり、精度良く焦点位置の検出を行うことが可能となる。
なお、焦点位置検出用のマイクロレンズ、光源、及びレンズ系を別個独立に設けるのではなく、マイクロレンズ55aの一部及びレーザ出射部68の一部の光ファイバ31を焦点位置検出用にすると共に、DMD50の一部のマイクロミラーを焦点位置検出用に割り当てても良い。
マイクロレンズ55bによって感光材料150上の図17に示す結像位置Pに結像された像は、反射してマイクロレンズ55bを再び透過して、ハーフミラー308Cによってカメラ308Dの方向に反射される。
カメラ308Dは、CCD等の撮像素子を含んで構成され、入射した結像位置Pの像を撮影する。撮影画像の画像データは、全体制御部300に出力される。
全体制御部300では、カメラ308Dによって撮影された画像に基づいて、オートフォーカス制御を行う。すなわち、カメラ308Dによって撮影された画像に基づいて、ピントが合っているか否かを判断し、ピントが合っていない場合には、ピントが合うようにMLA駆動装置307に指示してマイクロレンズアレイ55を光軸方向に移動させる。なお、オートフォーカス制御としては、例えば公知のコントラスト検出方式等を用いてピントが合っているか否かの判断をすることができる。
(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。
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。
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。
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。
感光材料150を表面に吸着した移動ステージ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。移動ステージ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13.7μm×13.7μmである。
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、結像光学系51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が移動ステージ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。
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。
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、移動ステージ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。
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、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。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。
また、上記の画像露光動作中に、全体制御部300では、カメラ308Dによって撮影された画像に基づいて、オートフォーカス制御を行う。すなわち、画像露光動作中に光源308Aからレーザ光Lを出射させて感光材料150上に結像させる。このとき、前述したように、レーザ光Lの波長はレーザ光Bの波長と異なり、感光材料150が感光しない波長であるため、レーザ光Lを感光材料150上に照射しても特に問題はない。
そして、レーザ光Lによって感光材料150の結像位置Pに結像された像は、カメラ308Dによって撮影され、全体制御部300では、カメラ308Dによって撮影された画像に基づいて、ピントが合っているか否かを判断する。すなわち、光軸方向における感光材料150の位置が遠すぎてピントが合っていない場合には、マイクロレンズアレイ55を感光材料150に近づけるように光軸方向に移動させ、光軸方向における感光材料150の位置が近すぎてピントが合っていない場合には、マイクロレンズアレイ55を感光材料150から遠ざけるように光軸方向に移動させる。
このように、マイクロレンズアレイ55に一体形成されたマイクロレンズ55bによって実際に感光材料150上に結像される像を撮影してピントを合わせるので、精度良くピントを合わせることができる。また、画像露光中にリアルタイムでピントを合わせるので、常にピントが合った状態で画像を露光することができ、露光精度を高めることができる。また、焦点位置検出用のマイクロレンズ55bをマイクロレンズアレイ55に一体形成した構成としたので、感光材料150とマイクロレンズアレイ55との距離が微小であっても精度良くピントを合わせることができる。
なお、焦点位置検出用のマイクロレンズアレイ55bをマイクロレンズアレイ55と一体形成するのではなく、マイクロレンズアレイ55を露光ヘッド166に保持するための基板上であってマイクロレンズアレイ55の近傍に設けた構成としてもよい。
また、上記では、カメラ308Dによって実際に感光材料150上に結像される像を撮影してピントを合わせる場合について説明したが、これに限らず、感光材料150との距離を検出し、この検出した距離に基づいてマイクロレンズアレイ55の位置を光軸方向に調整してピントを合わせるようにしてもよい。
例えば、図18に示すように、検出装置308に代えて、マイクロレンズアレイ55の近傍に感光材料150との距離dを検出する検出センサ310を設ける。そして、全体制御部300において、検出センサ310によって検出した距離dが予め定めた所定範囲内か否かを判断する。なお、所定範囲は、距離dがその範囲内であれば感光材料150がマイクロレンズ55aの焦点深度の範囲となる範囲である。そして、全体制御部300は、距離dが所定範囲内でない場合には、所定範囲内となるようにマイクロレンズアレイ55を光軸方向に移動させる。これにより、ピントを合わせることができる。
なお、検出センサ310としては、例えば公知の近接センサやレーザ変位計、静電容量センサ等の微小な距離を計測するのに適したセンサを用いることができる。
近接センサは、磁界や電界の変化を利用し、被測定物(感光材料150)までの距離を非接触で検出することができるセンサである。レーザ変位計は、レーザ光を被測定物に照射し、反射したレーザ光に基づき距離を検出することができるセンサである。なお、レーザ変位計の場合は、感光材料150が感光しない波長のレーザ光を出射するものを用いる。静電容量センサは、プローブと被測定物とが静電容量を形成し、距離の変化により静電容量が変化することを用いて被測定物までの距離を検出するセンサである。静電容量センサを用いた場合、所定領域の平均値として距離が検出されるため、被測定物に凹凸がある場合でも微小な変位を安定して高精度で測定することができる。
このように検出センサ310を用いた場合、マイクロレンズアレイ55と感光材料150との距離を直接測定するのではないため、あまりマイクロレンズアレイ55と離れた位置で感光材料150との距離を検出したのでは、精度良くピントを合わせることができない場合もある。従って、検出センサ310の位置は、検出センサ310によって検出される感光材料150との距離と、実際のマイクロレンズアレイ55と感光材料150との距離との差がある場合でも、各マイクロレンズ55aのピントのずれが許容範囲となるような位置、すなわち、なるべくマイクロレンズアレイ55に近いことが好ましい。
具体的には、例えば図19に示すように、マイクロレンズアレイ55を円筒形状の露光ヘッド166内に保持するためのブラケット312に検出センサ310を設ける。この場合の検出センサ310の位置としては、図19に示すように、マイクロレンズアレイ55の長手方向の両端部からの距離が略同一となる位置に設けることが好ましい。これにより、例えばマイクロレンズアレイ55の長手方向の片方の端部側に検出センサ310を設けた場合と比較して、各マイクロレンズ55a間におけるピント合わせの精度のずれを小さくすることができる。
なお、MLA駆動装置307は、マイクロレンズアレイ55及び検出センサ310が設けられたブラケット312自体を光軸方向に移動させる構成としてもよいし、ブラケット312にマイクロレンズアレイ55を保持しつつマイクロレンズアレイ55のみを光軸方向に移動させる構成としてもよい。また、検出センサ310は必ずしもブラケット312上に設ける必要はなく、ブラケット312の上方に設けてもよい。この場合、ブラケット312上の検出センサ310に対応した位置に検出用の検出孔を設け、この検出孔を介して感光材料150との距離を検出すればよい。
また、複数の検出センサ310を設け、各検出センサ310が設けられた各位置の距離を測定して、マイクロレンズアレイ55の姿勢を調整するようにしてもよい。
例えば図20に示すように、2つの検出センサ310R、310Lをマイクロレンズアレイ55の両端部側に設ける。この場合、MLA駆動装置307は、マイクロレンズアレイ55の両端部を独立して光軸方向に駆動させることができる構成とする。そして、全体制御部300は、各検出センサ310R、310Lによって検出された距離に基づいて、各マイクロレンズ55aのピントが合うように、マイクロレンズアレイ55の両端部を光軸方向に駆動する。これにより、各マイクロレンズ55aのピントが合うようにマイクロレンズアレイ55の傾きを補正することができる。なお、3個以上の検出センサ310を設けて、さらに細かくマイクロレンズアレイ55の姿勢を制御できるように構成してもよい。
また、図21に示すように、移動ステージ152のステージ移動方向上流側に危険凹凸を検出するためのセンサ314を設け、全体制御部300において、センサ314によって感光材料150上の危険凹凸が検出された場合には、移動ステージ152の移動を停止させて画像の露光を中止するように構成してもよい。この場合、危険凹凸とは、ピント合わせの制御を行った場合にマイクロレンズアレイ55の光軸方向における予め定めた移動範囲を越え、感光材料150とマイクロレンズアレイ55とが接触する可能性のある凹凸をいう。なお、センサ314は、例えば高精度のファイバーセンサ等で構成する。このように、予め危険凹凸を検出することにより、安全に画像露光装置を動作させることができる。
なお、本実施形態では、マイクロレンズアレイ55の近傍に検出センサ310を設ける形態として、露光ヘッド166内のマイクロレンズアレイ55を保持する基板に検出センサ310を設けた場合について説明したが、これに限らず、露光ヘッド166の外側、例えば露光ヘッド166の外周部に取り付けた構成としてもよい。
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である。 図1の画像露光装置のスキャナの構成を示す斜視図である。 (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である。 図1の画像露光装置の露光ヘッドの概略構成を示す斜視図である。 上記露光ヘッドの断面図である。 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である。 (A)および(B)はDMDの動作を説明するための説明図である。 (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である。 (A)はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図、(B)は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である。 マルチモード光ファイバの構成を示す図である。 合波レーザ光源の構成を示す平面図である。 レーザモジュールの構成を示す平面図である。 図12に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。 図12に示すレーザモジュールの構成を示す部分正面図である。 上記画像露光装置の電気的構成を示すブロック図である。 (A)および(B)は、DMDの使用領域の例を示す図である。 検出装置、マイクロレンズアレイ、及びMLA駆動装置を示す図である。 感光材料との距離を検出する検出センサとマイクロレンズアレイを示す図である。 マイクロレンズアレイ及び検出センサが設けられた基板の平面図である。 マイクロレンズアレイ及び複数の検出センサが設けられた基板の平面図である。 危険凹凸用のセンサが設けられた構成を示す図である。
符号の説明
30 マルチモード光ファイバ
31 光ファイバ
50 デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)
51 結像光学系
55 マイクロレンズアレイ
55a マイクロレンズ
55b マイクロレンズ
150 感光材料
162 スキャナ
166 露光ヘッド
300 全体制御部
304 ステージ駆動装置
307 MLA駆動装置
308 検出装置
308A 光源
308D カメラ
308C ハーフミラー
308B レンズ系
310 検出センサ
312 基板
314 センサ

Claims (6)

  1. 照射された光を各々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の各画素部からの光をそれぞれ集光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前記マイクロレンズアレイによって直接被露光面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の近傍に設けられ、前記マイクロレンズと前記被露光面との前記光の光軸方向における位置関係に関する情報を検出する検出手段と、
    前記検出手段による検出結果に基づいて、前記被露光面に対する前記マイクロレンズアレイの位置が予め定めた所定範囲内の位置となるように、前記マイクロレンズアレイの位置を前記光軸方向に調整する調整手段と、
    を備えたことを特徴とする画像露光装置。
  2. 前記検出手段は、前記マイクロレンズアレイに一体形成された焦点位置検出用としての検出用マイクロレンズと、当該検出用マイクロレンズに光を照射する光源と、前記検出用マイクロレンズによって前記被露光面上に結像された像を撮像する撮像手段と、を含んで構成され、
    前記調整手段は、前記撮像手段により撮像された画像に基づいて、前記マイクロレンズアレイの位置を調整することを特徴とする請求項1記載の画像露光装置。
  3. 前記検出手段は、前記被露光面との距離を検出する距離検出センサであり、前記マイクロレンズアレイを露光ヘッドに保持するための基板に設けられたことを特徴とする請求項1記載の画像露光装置。
  4. 前記距離検出センサを複数備えると共に異なる位置に各々配置し、前記調整手段は、前記距離検出センサに対応した位置毎に前記マイクロレンズアレイの位置を調整することを特徴とする請求項3記載の画像露光装置。
  5. 前記被露光面上の予め定めた危険凹凸を検出する危険凹凸検出センサを備え、前記危険凹凸を検出した場合に、前記被露光面に対する露光を禁止する禁止手段をさらに備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の画像露光装置。
  6. 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)であることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の画像露光装置。
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