JP2007012973A - 半導体レーザの駆動方法および装置、並びに半導体レーザ駆動電流パターンの導出方法および装置 - Google Patents

半導体レーザの駆動方法および装置、並びに半導体レーザ駆動電流パターンの導出方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 長い待ち時間を必要とせずに、高出力のレーザ光が安定的に得られるように半導体レーザを駆動する。
【解決手段】 半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を定電流電源305を用いて定電流制御したり、あるいは定出力制御する半導体レーザの駆動方法において、定電流制御あるいは定出力制御による目標光出力と略同じ光出力が得られる半導体レーザの駆動電流値を、駆動開始からの経過時間に応じて規定したパターンを予め作成しておき、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を駆動開始させてから所定の期間、該ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる。
【選択図】 図１５

Description

本発明は半導体レーザの駆動方法および装置に関するものである。
また本発明は、半導体レーザの駆動方法において使用される駆動電流パターンを作製する方法に関するものである。
さらに本発明は、半導体レーザから発せられた光を空間光変調素子によって変調し、その変調された光により感光材料を露光させる露光装置に関するものである。
従来、半導体レーザが多くの分野において実用に供されており、特許文献１には、半導体レーザから発せられた光を空間光変調素子によって変調し、その変調された光により感光材料を露光させるレーザ露光装置の一例が示されている。
また、例えば特許文献２に示されるように、４００ｎｍ近傍の波長のレーザビームを発する窒化物系化合物半導体レーザ（ＧａＮ系半導体レーザ）が公知となっており、上記特許文献１には、この種の半導体レーザを露光光源として用いることも記載されている。
上述したような露光装置等の用途においては、半導体レーザをその光出力が一定になるように駆動することが求められる。そのように半導体レーザを駆動する方式としては、例えば特許文献３に示されるようにACC (Automatic current control：定電流制御)駆動とAPC (Automatic power control：定出力制御)駆動が一般に知られている。
特開２００５−０５５８８１号公報 特開２００４−０９６０６２号公報 特開平８−２７４３９５号公報
通常、半導体レーザは自己発熱などにより駆動電流−光出力特性が変動してしまうので、駆動電流を一定に制御するACC方式では、光出力がレーザ点灯後に変動する欠点が認められる。その傾向は、特に高出力半導体レーザにおいて顕著に顕れる。また、複数の半導体レーザを搭載したレーザ装置でも、同様にその傾向が顕著に顕れる。さらに、GaN系青紫半導体レーザでは、赤色系レーザよりも発光効率が低く発熱量が大きいため、その傾向がより顕著に表れる。
そのような事情から、安定した光出力を得るために、一般的にはAPC方式が多用されている。これは、半導体レーザ光の一部をモニタ用光検出器に入射させ、半導体レーザの光出力に比例して発生するモニタ電流が一定化する様にフィードバックをかけて半導体レーザの駆動電流を制御する方式である。
しかしこのAPC方式には、出力光の一部をフィードバック回路への入力として使うため、本来の用途に使用できる光量が減るという欠点がある。また、光量フィードバック回路のコストが嵩むという欠点も認められる。
他方、前述したようなレーザ露光装置においては、半導体レーザの光出力が露光処理のタクトタイムを決める要因となるので、高出力のレーザ光を低コストで安定的に得られることが望まれている。しかし、安定した光出力を得るためにACC駆動を採用した場合は、点灯してから温度が安定化するまで時間がかかるので、その間待機することにより時間のロスが発生し、装置としてのタクトタイムが増加する。このことは、露光処理の生産性低下につながる。
上述の待機による時間ロスをなくすために、半導体レーザを常時点灯し続ける事が考えられるが、レーザの寿命は点灯時間によって決まるため、露光していない時の点灯時間分だけ有効寿命が落ちる。例えば点灯時間に対する露光描画時間比率が約５０%の場合、半導体レーザの寿命は約半分になってしまう。
本発明は上記の事情に鑑みて、簡便かつ低コストで、しかも長い待ち時間を必要とせずに、高出力のレーザ光を安定的に得ることができる半導体レーザの駆動方法および、その方法を実施可能な駆動装置を提供することを目的とする。
また本発明は、上述のような半導体レーザの駆動方法において用いられる、半導体レーザ駆動電流のパターンを導出する方法および、その方法を実施可能な装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、半導体レーザから発せられた光を空間光変調素子によって変調し、その変調された光により感光材料を露光させる露光装置において、タクトタイムを短縮することを目的とする。
本発明による半導体レーザの駆動方法は、
１つまたは複数の半導体レーザを定電流制御（ACC ）あるいは定出力制御（APC ）する半導体レーザの駆動方法において、
前記定電流制御あるいは定出力制御による目標光出力と略同じ光出力が得られる半導体レーザの駆動電流値を、駆動開始からの経過時間に応じて規定したパターンを予め作成しておき、
半導体レーザを駆動開始させてから所定の期間、該半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させることを特徴とするものである。
なお、この本発明による半導体レーザの駆動方法においては、前記パターンを１つだけ用い、そのパターンを複数の半導体レーザに対して共通に使用することが好ましい
また、上述のように１つのパターンを複数の半導体レーザに対して共通に使用する場合は、そのパターンとして、半導体レーザの駆動電流値を所定電流値に対する比で規定したパターンを用いることが望ましい。
また、上述のように１つのパターンを複数の半導体レーザに対して共通に使用する場合は、半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる処理を、複数の半導体レーザに対して共通のタイミングで行うことが望ましい。
さらに、上述のように１つのパターンを複数の半導体レーザに対して共通に使用する際に、特にそれら複数の半導体レーザの各々から出射したレーザ光が合波される場合には、複数の半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる処理を、複数の半導体レーザ間で時間的遅延を付けて行うことが望ましい。
また、本発明による半導体レーザの駆動方法は、特に共通の放熱体上に固定された複数の半導体レーザを駆動する場合に適用されることが望ましい。
また、本発明による半導体レーザの駆動方法は、特に複数の半導体レーザと、それらから各々出射したレーザ光が入力されて該レーザ光を合波する光ファイバとを有する装置において適用されるのがより好ましい。
さらに本発明による半導体レーザの駆動方法は、特にＧａＮ系半導体レーザを駆動する場合に適用されることが望ましい。
一方、本発明による半導体レーザの駆動装置は、
１つまたは複数の半導体レーザを定電流制御あるいは定出力制御する構成を備えた半導体レーザの駆動装置において、
前記定電流制御あるいは定出力制御による目標光出力と略同じ光出力が得られる半導体レーザの駆動電流値を、駆動開始からの経過時間に応じて規定したパターンを記憶した記憶手段と、
半導体レーザを駆動開始させてから所定の期間、該半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる電流制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
なお上記の電流制御手段は、１つの前記パターンを複数の半導体レーザに対して共通に使用するように構成されていることが好ましい。
また、上述のように電流制御手段が、１つの前記パターンを複数の半導体レーザに対して共通に使用するように構成されている場合、記憶手段が記憶している前記パターンは、半導体レーザの駆動電流値を所定電流値に対する比で規定したパターンであることが望ましい。
また、上述のように電流制御手段が、１つの前記パターンを複数の半導体レーザに対して共通に使用するように構成されている場合、その電流制御手段は、半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる処理を、複数の半導体レーザに対して共通のタイミングで行うように構成されていることが望ましい。
また、上述のように電流制御手段が、１つの前記パターンを複数の半導体レーザに対して共通に使用し、そして特にそれら複数の半導体レーザの各々から出射したレーザ光が合波される構成においては、前記電流制御手段が、複数の半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる処理を、複数の半導体レーザ間で時間的遅延を付けて行うように構成されていることが望ましい。
また、本発明による半導体レーザの駆動装置は、共通の放熱体上に固定された複数の半導体レーザを駆動するものとして構成されるのが特に望ましい。
また、本発明による半導体レーザの駆動装置は、特に複数の半導体レーザと、それらから各々出射したレーザ光が入力されて該レーザ光を合波する光ファイバとを有する装置において適用されるのがより好ましい。
さらに、本発明による半導体レーザの駆動装置は、ＧａＮ系半導体レーザを駆動するものとして構成されるのが特に望ましい。
他方、本発明による半導体レーザ駆動電流パターンの導出方法は、
上述した本発明による半導体レーザの駆動方法に用いられる前記パターンを導出するものであって、
駆動対象の半導体レーザを、所定電流を供給して定常状態になるまで駆動し、
そのとき該半導体レーザから発せられる光の少なくとも一部を光検出器により検出し、
該光検出器の出力が一定になるように前記所定電流を増減させ、
この所定電流を検出して、その増減のパターンを前記パターンとして採取することを特徴とするものである。
なお、この本発明による半導体レーザ駆動電流パターンの導出方法においては、
複数の半導体レーザを同時に駆動し、
そのとき該複数の半導体レーザから発せられる光の少なくとも一部を光検出器により検出し、
該光検出器の出力が一定になるように、各半導体レーザに供給される前記所定電流を同時に増減させることが望ましい。
また、本発明による半導体レーザ駆動電流パターンの導出装置は、
上述した本発明による半導体レーザの駆動装置に用いられる前記パターンを導出する装置であって、
駆動対象の半導体レーザを、所定電流を供給して定常状態になるまで駆動する定電流回路と、
そのとき該半導体レーザから発せられる光の少なくとも一部を検出する光検出器と、
該光検出器の出力が一定になるように前記所定電流を増減させる手段と、
この所定電流を検出して、その増減のパターンを前記パターンとして採取する手段とを備えたことを特徴とするものである。
なお、この本発明による半導体レーザ駆動電流パターンの導出装置においては、
前記定電流回路が、複数の半導体レーザを同時に駆動するように構成され、
前記光検出器が、そのとき該複数の半導体レーザから発せられる光の少なくとも一部を検出可能に構成され、
前記所定電流を増減させる手段が、前記光検出器の出力が一定になるように、各半導体レーザに供給される前記所定電流を同時に増減させるように構成されていることが望ましい。
他方、本発明による露光装置は、
半導体レーザから発せられた光を空間光変調素子によって変調し、その変調された光により感光材料を露光させる露光装置において、
半導体レーザを駆動する装置として、上述した本発明による半導体レーザの駆動装置が用いられたことを特徴とするものである。
本発明による半導体レーザの駆動方法は、定電流制御あるいは定出力制御による目標光出力と略同じ光出力が得られる半導体レーザの駆動電流値を、駆動開始からの経過時間に応じて規定したパターンを予め作成しておき、半導体レーザを駆動開始させてから所定の期間、該半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させるようにしたので、半導体レーザの光出力は例えば図１８に一例を示すように段階的に変化し、従来技術による図１７の場合と比較して、より短い時間内で一定の目標光出力に近付くようになり、また光出力の変動幅ΔＰ2も、図１７の場合の変動幅ΔＰ1より小さくなる。
これにより、長い待ち時間を必要とせずに高出力のレーザ光を安定的に得ることが可能となる。また、そのように半導体レーザを駆動するための構成は、通常設けられる定電流電源に若干の変更を加えるだけで完成するので、簡便かつ低コストで形成可能である。
なお、本発明による半導体レーザの駆動方法を適用した後、半導体レーザが定常状態で駆動する期間は、定電流制御（ACC）駆動も定出力制御(APC)駆動も、どちらも採用可能である。しかし特に定電流制御駆動を採用すれば、そのための定電流制御回路を、本発明方法において半導体レーザの駆動電流を段階的に変化させるために使用することも可能になるから、駆動回路の構成が簡素化される。また、定電流制御駆動を採用する場合は、使用光であるレーザ光を定出力制御のために一部分岐してモニタする必要がないので、レーザ光を本来の用途により有効に利用可能となる。また、光出力をモニタするための光検出器や、フィードバック回路も不要であるので、装置のコストダウンにつながる。
また本発明による半導体レーザの駆動方法において、半導体レーザの駆動電流を段階的に変化させるパターンを１つだけ用いて、それを複数の半導体レーザに共通使用する場合は、そのパターンを記憶するための記憶手段が小容量のもので済む。
また上記パターンとして、半導体レーザの駆動電流値を所定電流値に対する比で規定したパターンを用いる場合は、複数の半導体レーザの駆動電流−光出力特性が互いに相違していても、そのパターンを複数の半導体レーザに対して共通使用して、簡便にそれらの光出力を安定化させることが可能となる。それに対して、半導体レーザ駆動電流のパターンを電流値そのもので規定する場合は、複数の半導体レーザの駆動電流−光出力特性が互いに相違している場合は、各半導体レーザ毎にパターンを規定しておく必要があるので、パターン記憶手段として大容量のものが必要になる。さらに、そうして多くのパターンを使用する場合は、それを処理するために長い時間を要し、また処理装置の構成も複雑になってしまう。
また本発明による半導体レーザの駆動方法において、複数の半導体レーザに対して、駆動電流を段階的に変化させる処理を共通のタイミングで行う場合は、電流制御手段が１つで済み、よって駆動装置を低コストで形成可能となる。
また、本発明による半導体レーザの駆動方法において、１つのパターンを複数の半導体レーザに対して共通に使用し、特にそれら複数の半導体レーザの各々から出射したレーザ光が合波される場合に、複数の半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる処理を、複数の半導体レーザ間で時間的遅延を付けて行うようにすると、合波前の各レーザ光に存在した細かい光出力変動が相殺されて、合波レーザ光の光出力変化がより滑らかになる。
さらに本発明による半導体レーザの駆動方法が、特に共通の放熱体上に固定された複数の半導体レーザを駆動する場合に適用される場合は、光出力を安定化する上で特に効果的であると言える。すなわち上述のような構成においては、複数の半導体レーザの各々が発する熱の相互作用により、各半導体レーザの特性が変化することがある。そのようなことが有っても、複数の半導体レーザに対して共通のパターンを使用すれば、上記熱の相互作用に起因するレーザ光の光出力変化も補償可能となる。
また本発明による半導体レーザの駆動方法が、複数の半導体レーザと、それらから各々出射したレーザ光が入力されて該レーザ光を合波する光ファイバとを有する装置において適用される場合は、光出力を安定化する上で特に効果的である。
すなわち、上述の構成においては、複数の半導体レーザを駆動開始したときのそれらの駆動電流−光出力特性の変化のみならず、それらが発する熱のために、光ファイバから出射する合波レーザ光の出力が変動することがある。これは、上述の熱を受けて装置構成部材が膨張すると、合波前の各レーザ光に対する光ファイバの調芯状態がずれ、それによりレーザ光の光ファイバに対する入力効率が変化するからである。さらには、半導体レーザが駆動開始してから定常状態に入るまでの期間に、レーザ光のビームプロファイルが変化して、それにより該レーザ光の光ファイバに対する入力効率が変化することもある。
そのようなことが有っても、光ファイバから出射するレーザ光を検出して前記パターンを作成すれば、上記入力効率の変化特性も反映したパターンが得られるので、この入力効率の変化に起因するレーザ光の光出力変化も補償可能となる。
さらに本発明による半導体レーザの駆動方法が、駆動対象をＧａＮ系半導体レーザとする場合は、光出力を安定化する上で特に効果的であると言える。すなわちこのＧａＮ系半導体レーザは、その他のＧａＡｓ系半導体レーザ等と比較すると発熱量が特に大きいので、駆動開始してから定常状態に入るまでの間の駆動電流−光出力特性が顕著に変化する。そうであっても、本発明による半導体レーザの駆動方法を適用することにより、駆動電流−光出力特性の変化を補償して、レーザ光の光出力を安定化することができる。
またＧａＮ系半導体レーザは、常温付近では温度変化に対して発振閾値電流のみが変化して、スロープ効率は余り変わらないという特性を有している。そこで、このようなＧａＮ系半導体レーザを駆動対象とする場合は、ある電流域で決めた前記パラメータをほぼ全出力域で使用可能となるので、出力を変えてもパラメータを変える必要がない。
一方、本発明の半導体レーザの駆動装置によれば、以上説明した本発明による半導体レーザの駆動方法を実施可能である。
また本発明の半導体レーザ駆動電流パターンの導出方法によれば、本発明の半導体レーザの駆動方法において使用する駆動電流パターンを効率良く得ることができる。
以上詳しく説明した通り本発明による半導体レーザの駆動方法は、長い待ち時間を必要とせずに、高出力のレーザ光を安定的に得ることができるものである。したがって、この方法を実施する駆動装置を用いた露光装置は、レーザ光の出力が安定化するまでの待機時間を短くして、画像露光のタクトタイムを短縮可能となる。そうであれば、露光光源である半導体レーザの交換頻度も低くなるので、露光装置のランニングコストを低減する効果も得られる。
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。なおここでは、一例として、画像露光装置に適用された半導体レーザの駆動方法の実施形態について説明するが、まずこの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。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。
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、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。
以下、各部の構成をさらに詳しく説明する。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。
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。
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。
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。
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。
なお、上述のようにクラッド径が互いに異なる２つの光ファイバ30、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９ａの例ならば光ファイバ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、発振波長が総て略共通（例えば、４０５ｎｍ近辺）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。
図５に示した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。
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。
また、図５に示したレンズ系52、54からなる第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。そしてレンズ系57、58からなる第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。
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。
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、Ｄ／Ａ変換部303を介して、レーザモジュール64の各ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を駆動する７個の定電流電源305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。
［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。
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。
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。
なお本例では、図１６（Ａ）および（Ｂ）に概略的に示すように、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、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。
次に図１５を参照して、レーザモジュール64を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７（図１１参照）の駆動方法について詳しく説明する。同図に示す全体制御部300は、例えばＰＣ（パーソナル・コンピュータ）システム等から構成され、そこに包含する例えばＲＯＭ（読出し専用メモリ）等の記憶手段に、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の駆動電流値を駆動開始からの経過時間に応じて変化させるパターンを、それぞれ経過時間と対応する複数のパラメータで定義して記憶している。本実施形態におけるこのパラメータは下の表１に示すように、一例として駆動開始からの経過時間Ｔ（秒）毎の電流比Ｉrateである。
Figure 2007012973
ここで、半導体レーザを従来なされているように定電流制御して駆動すると、一般にその光出力は経過時間Ｔに伴って図１７に示すように変化する。一般には、目標光出力が得られる定常状態に入る前に、約２０秒かけて光出力が次第に低下する。これは、半導体レーザの温度上昇によりその発光効率が低下するからである。なおこの図１７および後述の図１８においては、縦軸の光出力を、半導体レーザが定常状態で駆動するときの値を１として相対値で示してある。
ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を駆動する際、全体制御部300は上記ＲＯＭ等の記憶手段から経過時間Ｔおよび電流比Ｉrateを読み出し、駆動開始からの経過時間Ｔに応じて、それと対応付けられている電流比Ｉrateを示すデジタルデータをＤ／Ａ変換部303に入力させる。つまり、表１より例を挙げて説明すれば、Ｔ＝０．０秒から０．９秒未満までの期間はＩrate＝０．９９４を、Ｔ＝０．９秒から１．４秒未満までの期間はＩrate＝０．９９５を示すデジタルデータをＤ／Ａ変換部303に入力させる。
Ｄ／Ａ変換部303は、入力された電流比Ｉrateを示すデジタルデータをアナログ値に変換し、そのアナログ値を、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を駆動する各定電流電源305に同時に入力させる。７つの定電流電源305は基本的に、各ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に、目標光出力を得る一定電流Ｉcon（その値はＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７間で互いに一致してもよいし、異なっていてもよい）を供給するように構成されているが、上記電流比Ｉrateを示すアナログデータが入力されると、Ｉconに電流比Ｉrateを乗じた値の電流を各ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に供給する。なお表１の例では、Ｔ＝１４．０秒以降の電流比Ｉrate＝１であるから、Ｔ＝１４．０秒以降はずっと一定電流Ｉconが各ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に供給されることになる。
そこで各ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の光出力は、図１８に一例を示すように段階的に変化し、従来技術による図１７の場合と比較して、より短い時間内で一定の目標光出力に近付くようになり、また光出力の変動幅ΔＰ2も、図１７の場合の変動幅ΔＰ1より小さくなる。これにより、長い待ち時間を必要とせずに高出力のレーザ光Ｂ１〜Ｂ７を（つまりは合波レーザ光Ｂを）安定的に得ることが可能となる。また、そのようにＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を駆動するための構成は、全体制御部300の構成を若干変更するだけで済むので、簡便かつ低コストで形成可能である。
なお、本発明による半導体レーザの駆動方法を適用した後、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７が定常状態で駆動する期間は、定電流制御（ACC）駆動に限らず定出力制御(APC)駆動するようにしても構わない。しかし、本実施形態のように、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の全駆動期間を通じて定電流電源305による駆動を採用すれば、駆動装置の構成が簡素化する上、使用光であるレーザ光Ｂを定出力制御のために一部分岐してモニタする必要がないので、レーザ光Ｂを本来の用途により有効に利用可能となる。また、上記モニタを行うための光検出器や、フィードバック回路が不要であるので、装置のコストダウンにつながる。
また、上述のように長い待ち時間を必要とせずに、高出力の合波レーザ光Ｂを安定的に得ることができれば、合波レーザ光Ｂの出力が安定化するまでの待機時間を短くして、画像露光のタクトタイムを短縮可能となる。そうであれば、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の交換頻度も低くなるので、露光装置のランニングコストを低減する効果も得られる。
また本実施形態では、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の駆動電流を段階的に変化させるパターンを１つだけ、つまり複数のパラメータの組み合わせを１通りだけ用いて、それを７個のＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に共通使用しているので、パラメータを記憶するための記憶手段が小容量のもので済む。
なお、光出力をより高精度に安定化させたい場合は、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の点灯直後から消灯直前までの全域に亘って、一定時間間隔、例えば０．１秒間隔で全てのパラメータを設定することが望ましい。
また本実施形態では、特に上記パラメータとして前述の通りの電流比Ｉrateを用いているので、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の駆動電流−光出力特性が互いに相違していても、各ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に対して電流比Ｉrateを共通使用して、簡便にそれらの光出力を安定化させることが可能となっている。それに対して、半導体レーザ駆動電流のパターンを示すパラメータとして電流値そのものを用いる場合は、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の駆動電流−光出力特性が互いに相違している場合は、各半導体レーザ毎にパラメータを規定しておく必要があるので、パラメータの記憶手段として大容量のものが必要になる。さらに、多くのパラメータを使用する場合は、それを処理するために長い時間を要し、また処理装置の構成も複雑になってしまう。
また本実施形態は、複数のＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に対して、駆動電流を段階的に変化させる処理を共通のタイミングで行うようにしているので、電流制御手段としての全体制御部300およびＤ／Ａ変換部303（図１５参照）が１つで済み、よって駆動装置を低コストで形成可能となる。
なお本実施形態では、１つのレーザモジュール64を構成する７個のＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を１通りのパラメータによって共通に駆動しているが、そのようにする他、例えば７個のＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７のうちの４個を１通りのパラメータによって駆動し、残りの３個を別の１通りのパラメータによって駆動するようなことも可能である。その場合も、複数の半導体レーザを１通りのパラメータによって駆動することによる前述の効果は、当然得られるものである。
また本実施形態では、前述した通り１４個のレーザモジュール64が用いられるので、各レーザモジュール64の７個のＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を、各モジュール毎に異なる１通りのパラメータによって駆動するのであれば、合計１４通りのパラメータが必要になる。あるいは、それらの１４個のレーザモジュール64のうちのいくつかを、共通の１通りのパラメータによって駆動してもよく、その場合は、用意するパラメータを１４通りよりも少なくすることができる。
また本実施形態は、複数のＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７と、それらから各々出射したレーザ光Ｂ１〜Ｂ７が入力されて該レーザ光を合波する光ファイバ30とを有する装置において、本発明の半導体レーザ駆動方法を適用しているので、光出力を安定化する上で特に効果的であると言える。
すなわち、上述の構成においては、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を駆動開始したときのそれらの駆動電流−光出力特性の変化のみならず、それらが発する熱のために、光ファイバ30から出射する合波レーザ光Ｂの出力が変動することがある。これは、上述の熱を受けてモジュール構成部材が膨張すると、レーザ光Ｂ１〜Ｂ７に対する光ファイバ30の調芯状態がずれ、それによりレーザ光Ｂ１〜Ｂ７の光ファイバ30に対する結合効率が変化するからである。さらには、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７が駆動開始してから定常状態に入るまでの期間に、レーザ光Ｂ１〜Ｂ７のビームプロファイルが変化して、それにより該レーザ光Ｂ１〜Ｂ７の光ファイバ30に対する結合効率が変化することもある。例えば図１１〜１３に示したような構成においては、合波レーザ光Ｂの光出力の変動が±０．５％以内に収まる安定性が得られるまでに、レーザ駆動開始してから約８秒の時間を要する。
そのようなことが有っても、後述するように光ファイバ30から出射するレーザ光Ｂを検出して前述のパラメータを作成すれば、上記結合効率の変化特性も反映したパラメータが得られるので、この入力効率の変化に起因するレーザ光Ｂの光出力変化も補償可能となる。
さらに本実施形態は、共通の放熱体であるヒートブロック10（図１１〜１３参照）に複数のＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を固定した装置において、本発明の半導体レーザ駆動方法を適用しているので、この点からも、光出力を安定化する上で特に効果的であると言える。すなわち上述の構成においては、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々が発する熱の相互作用により、各ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の特性が変化することがある。そのようなことが有っても、後述するように合波後のレーザ光Ｂを検出して前記パラメータを作成すれば、上記熱の相互作用も反映したパラメータが得られるので、この熱の相互作用に起因するレーザ光Ｂの光出力変化も補償可能となる。
上述の効果は、図１１〜１３に示したようなレーザモジュールに限らず、例えば図２１に示すように、半導体レーザチップがCanタイプのパッケージに収容されてなる半導体レーザ500を複数、共通の放熱体501に固定した構造においても、同様に得られるものである。なお本構造において、各半導体レーザ500が出射したレーザ光は、それぞれ光ファイバ502によって使用位置まで導かれるようになっている。
ここで上述の効果は、共通の放熱体であるヒートブロック10や放熱体501を介して複数の半導体レーザを温度調節する場合にも、あるいはそのような温度調節は行わない場合にも、共に得られるものである。
さらに本実施形態は、駆動対象の半導体レーザがＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７であるので、この点からも、光出力を安定化する上で特に効果的であると言える。すなわちこのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、その他のＧａＡｓ系半導体レーザ等と比較すると発熱量が特に大きいので、駆動開始してから定常状態に入るまでの間の駆動電流−光出力特性が顕著に変化する。そうであっても、本発明の半導体レーザの駆動方法を適用することにより、駆動電流−光出力特性の変化を補償して、各レーザ光Ｂ１〜Ｂ７の光出力を安定化することができる。
またＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、常温付近では温度変化に対して発振閾値電流のみが変化して、スロープ効率は余り変わらないという特性を有している。そこで、このようなＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を駆動対象とする本実施形態においては、ある電流域で決めた前記パラメータをほぼ全出力域で使用可能となるので、出力を変えてもパラメータを変える必要がない。この点は、特にＧａＮ系半導体レーザのみについて言えることではなく、使用する温度域について、発振閾値電流の温度特性係数Ｔ0に対し、スロープ効率の温度特性係数Ｔ1が小さい半導体レーザを駆動対象とする場合一般に言えることである。
なお上記係数Ｔ0は半導体レーザのＩＬ波形（駆動電流−光出力特性）における発振閾値電流Ｉthの温度特性を表す係数であり、係数Ｔ1は半導体レーザのスロープ効率ηdの温度特性を表す係数である。ある温度Ｔaの時に発振閾値電流Ｉtha、スロープ効率ηdaを有するＩＬ波形が、ある温度Ｔbでは発振閾値電流Ｉthb、スロープ効率ηdbとなるとすると、Ｔ0およびＴ1はそれぞれ以下の（数１）式で定義される。
Figure 2007012973
次に、前述のパラメータすなわち、経過時間Ｔ毎の電流比Ｉrateを導出する方法について説明する。図１９はこのパラメータを導出する装置の概略構成を示すものであり、図示の通りこの装置は、７個のＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を共通に駆動する１つの定電流電源400と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７から各々発せられた後にマルチモード光ファイバ30で合波されてそこから出射したレーザ光Ｂの光出力を検出する光検出器401と、この光検出器401の出力信号Ｓ10を受ける比較部402と、この比較部402に光出力設定信号Ｓ11を入力させる入力部403と、比較部402の出力Ｓ12を受ける加算部404と、定電流電源400がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に供給する電流の値をモニタする電流モニタ部405と、この電流モニタ部405の出力Ｓ14を受ける出力部406とから構成されている。なお上記入力部403および出力部406は、一般的なＰＣ（パーソナル・コンピュータ）システム等から構成されるものである。なお光検出器401は、熱による特性変化を生じないように、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７が発する熱の影響を受けない位置に配設される。
以下、この装置によるパラメータの導出方法について説明する。この方法は、上述した露光装置の露光操作に先立って実行され、まず定電流電源400が並列供給する所定電流によりＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７が全て駆動される。このときの上記所定電流は、加算部404が出力する駆動電流設定信号Ｓ13の初期値によって指定され、画像露光時にＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に求められる定常光出力を得る値とされる。
こうして駆動されたＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７からは各々レーザ光Ｂ１〜Ｂ７が出射し、それらは前述のマルチモード光ファイバ30で合波される。そして合波されたレーザ光Ｂを一部分岐したレーザ光の光出力が光検出器401によって検出され、その検出光出力を示す信号Ｓ10が比較部402に入力される。それとともに比較部402には、入力部403が出力する光出力設定信号Ｓ11が入力される。この光出力設定信号Ｓ11は、画像露光時に合波レーザ光Ｂに求められる光出力を示すものである。
比較部402はＳ12＝Ｓ11−Ｓ10なる差分信号Ｓ12を出力し、この差分信号Ｓ12は加算部404に入力される。加算部404はこの差分信号Ｓ12が入力されると、定電流電源400がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に供給する電流の値を指定する駆動電流設定信号Ｓ13を、この差分信号Ｓ12を加えた値に変更する。この加算処理が所定の周期で逐次なされることにより、定電流電源400がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に供給する電流は、Ｓ11＝Ｓ10となる値に、つまり合波レーザ光Ｂの光出力が入力部403による設定光出力と略等しくなるような値に逐次変更される。
このようにして変化する定電流電源400の供給電流値は電流モニタ部405によってモニタされ、この供給電流値を示す信号Ｓ14が出力部406に入力される。この供給電流値の変化は、合波レーザ光Ｂの光出力を入力部403による設定光出力と等しくなるように制御したときの変化であるから、画像露光時に、この供給電流値の変化パターンと同様にＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の駆動電流を変化させれば、合波レーザ光Ｂの光出力は入力部403による設定光出力と同じ値、あるいはそれに近い値に収束する。そこで出力部406は、この信号Ｓ14が示す供給電流値の変化パターンに基づいて、表１に示したようなパラメータ、すなわち経過時間Ｔ毎の電流比Ｉrateを作成する。
図２０は、上述のように信号Ｓ14を利用してなされるパラメータ作成処理の一例を示すフローチャートである。以下、この処理について同図を参照して詳しく説明する。まずステップ450で処理がスタートすると、次にステップ451において、サンプリング順番ｉにおける点灯後時間（駆動開始後の経過時間）Ｔ_on［ｉ］、サンプリング順番ｉにおける電流制御率（駆動電流の変化率であって、露光時の前記電流比に相当）Ｉrate［ｉ］、および書き出し電流制御率Ｉrate_aを設定するとともに、パラメータの刻みを決定する電流率単位Ｉrate_min＝初期電流率単位Ｉrate_min0とした上で、初期電流率単位Ｉrate_min0＝０．００１とし、またサンプリング順番ｉ＝０（ゼロ）とする設定がなされる。
次にステップ453において、サンプリング順番０における点灯後時間Ｔ_on［０］＝０秒、および、その時間に対応する書き出し電流制御率Ｉrate_a＝電流制御率Ｉrate［０］としてパラメータデータが出力（書き出し）される。
次にステップ454においてサンプリング順番ｉが「１」繰り上げられた後、ステップ456において、電流制御率Ｉrate［ｉ］が、書き出し電流制御率Ｉrate_aから電流率単位Ｉrate_min（この段階では初期電流率単位Ｉrate_min0であって、その値は０．００１）を上回る量増大しているか否かが判別される。もしそうであれば次にステップ457において、点灯後時間Ｔ_on［ｉ］における電流制御率Ｉrate［ｉ］がパラメータデータとして出力され、記憶手段に一時的に記憶される。ステップ456において、電流制御率Ｉrate［ｉ］の増加分が上記電流率単位Ｉrate_min以下であると判別された場合は、ステップ454においてサンプリング順番ｉが「１」繰り上げられた上で、再度ステップ456での判別処理がなされる。
ステップ457において、点灯後時間Ｔ_on［ｉ］における電流制御率Ｉrate［ｉ］がパラメータ作成用データとして出力されると、次にステップ458において書き出し電流制御率Ｉrate_a＝電流制御率Ｉrate［ｉ］と設定され、次にステップ459において、データ（前記信号Ｓ14）の入力が終了しているか否かが判別される。なおこの信号Ｓ14は、例えば各ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７が定常状態で点灯するまで、あるいはそれよりやや長い所定時間だけ出力部406に入力させるように、電流モニタ部405からの出力が制御される。ステップ454以降の処理は、ステップ459において信号Ｓ14の入力が終了していると判別されるまで繰り返される。
ステップ459において信号Ｓ14の入力が終了していると判別されると、次にステップ460において、出力されて上記記憶手段に記憶されたパラメータデータの点数が、指定数以下であるか否かが判別される。もしそうである場合は、次にステップ462において、記憶されているパラメータデータ、つまりいくつかの点灯後時間Ｔ_on毎の電流制御率Ｉrateが、ＲＯＭなどの出力用記憶手段に書き出される。
ステップ460において、出力されて上記記憶手段に記憶されたパラメータデータの点数が指定数を上回っていると判別された場合は、次にステップ461において、電流率単位Ｉrate_minをＩrate_min0＝０．００１だけ増大させる処理がなされ、処理は前記ステップ452に戻る。このようにすることにより、電流率単位Ｉrate_minが小さ過ぎて、つまりパラメータの刻みが細か過ぎて、パラメータ数が不必要に多くなることを回避できる。
一般には、上述のパラメータが多いほど光出力安定化の効果は高くなる。しかし、余りに多過ぎると、それを保持しておくためにより大容量のメモリが必要となり、またパラメータを処理するためにより長い時間、かつ複雑なシステムが必要になる。
なお、上述のパラメータは、以上説明した方法以外の方法によって作成することも可能であり、以下にその一例を挙げる。この場合は、複数の半導体レーザを定格出力となる定格電流値で発光させ、その時の全出力を光検出器でモニタする。点灯後の経過時間と、その各時間における光出力変化をモニタし、記録する。次に、測定された光出力変化と、搭載された半導体レーザの平均的な駆動電流−光出力波形、および熱的影響の補正係数から、出力が一定となるために駆動電流がどの割合になれば良いかを計算する。そして、点灯後の経過時間に対する電流値増減の割合を設定パラメータとする。
また、以上の実施形態におけるように、複数の半導体レーザの各々から出射したレーザ光が合波される場合には、それら複数の半導体レーザの駆動電流を段階的に変化させる処理を、複数の半導体レーザ間で時間的遅延を付けて行うことが望ましい。そのようにすれば、複数の半導体レーザのそれぞれにおける細かい光出力変動が相殺されて、合波レーザ光の光出力変化がより滑らかになる。つまり、上記遅延が無いときの合波レーザ光の光出力が図２２に例示するようなものである場合、遅延を付けることによりその光出力は、図２３に示すように滑らかに変化するようになる。
また、以上説明した実施形態は、複数の半導体レーザを駆動するものであるが、本発明による半導体レーザの駆動方法は、１つの半導体レーザを駆動する場合にも同様に適用可能である。また、複数の半導体レーザを駆動する場合、前述したように光ファイバ等で合波を行う場合以外にも本発明を適用可能であることは勿論である。
さらに本発明による半導体レーザの駆動方法を実施する際には、半導体レーザ消灯時の駆動電流値を０ｍＡにはせず、発振閾値電流より少し下の電流を流し続けるようにしてもよい。例えば、発振閾値電流が３５ｍＡの半導体レーザには、３０ｍＡ程度の電流を流すとよい。そうすることにより、半導体レーザの消灯時と点灯時の温度差を減らし、ACC駆動時の出力変動を小さくすることができる。
本発明の一実施形態の方法により駆動される半導体レーザを露光光源として備えた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の画像露光装置の露光ヘッドの概略構成を示す斜視図 上記露光ヘッドの断面図 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 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図 合波レーザ光源の構成を示す平面図 レーザモジュールの構成を示す平面図 図１２に示すレーザモジュールの構成を示す側面図 図１２に示すレーザモジュールの構成を示す部分正面図 上記画像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 従来方法で駆動された半導体レーザの光出力変化特性を示すグラフ 本発明の方法で駆動された半導体レーザの光出力変化特性を示すグラフ 本発明の一実施形態による半導体レーザ駆動電流パターンの導出装置を概略的に示すブロック図 本発明の一実施形態による半導体レーザ駆動電流パターンの導出装置における処理の流れを示すフローチャート 本発明の駆動方法が適用されるレーザ装置の別の例を示す斜視図 本発明の方法で駆動された半導体レーザの光出力変化特性の一例を示すグラフ 本発明の方法で駆動された半導体レーザの光出力変化特性の別の例を示すグラフ
符号の説明
ＬＤ１〜ＬＤ７ ＧａＮ系半導体レーザ
30 マルチモード光ファイバ
50 デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）
55 マイクロレンズアレイ
66 レーザモジュール
66 ファイバアレイ光源
300 全体制御部
303 Ｄ／Ａ変換部
305、400 定電流電源
401 光検出器
402 比較部
403 入力部
404 加算部
405 電流モニタ部
406 出力部
500 半導体レーザ
501 放熱体
502 光ファイバ

Claims (21)

  1. １つまたは複数の半導体レーザを定電流制御あるいは定出力制御する半導体レーザの駆動方法において、
    前記定電流制御あるいは定出力制御による目標光出力と略同じ光出力が得られる半導体レーザの駆動電流値を、駆動開始からの経過時間に応じて規定したパターンを予め作成しておき、
    半導体レーザを駆動開始させてから所定の期間、該半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させることを特徴とする半導体レーザの駆動方法。
  2. 前記パターンを１つだけ用い、そのパターンを複数の半導体レーザに対して共通に使用することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの駆動方法。
  3. 前記パターンとして、半導体レーザの駆動電流値を所定電流値に対する比で規定したパターンを用いることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザの駆動方法。
  4. 半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる処理を、複数の半導体レーザに対して共通のタイミングで行うことを特徴とする請求項２または３記載の半導体レーザの駆動方法。
  5. 前記複数の半導体レーザの各々から出射したレーザ光が合波される場合に、
    これら複数の半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる処理を、複数の半導体レーザ間で時間的遅延を付けて行うことを特徴とする請求項２または３記載の半導体レーザの駆動方法。
  6. 共通の放熱体上に固定された複数の半導体レーザを駆動することを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の半導体レーザの駆動方法。
  7. 複数の半導体レーザと、それらから各々出射したレーザ光が入力されて該レーザ光を合波する光ファイバとを有する装置において、前記複数の半導体レーザを駆動することを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の半導体レーザの駆動方法。
  8. 前記半導体レーザとして、ＧａＮ系半導体レーザを駆動することを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の半導体レーザの駆動方法。
  9. １つまたは複数の半導体レーザを定電流制御あるいは定出力制御する構成を備えた半導体レーザの駆動装置において、
    前記定電流制御あるいは定出力制御による目標光出力と略同じ光出力が得られる半導体レーザの駆動電流値を、駆動開始からの経過時間に応じて規定したパターンを記憶した記憶手段と、
    半導体レーザを駆動開始させてから所定の期間、該半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる電流制御手段とを備えたことを特徴とする半導体レーザの駆動装置。
  10. 前記電流制御手段が、１つの前記パターンを複数の半導体レーザに対して共通に使用するように構成されていることを特徴とする請求項９記載の半導体レーザの駆動装置。
  11. 前記記憶手段が記憶している前記パターンが、半導体レーザの駆動電流値を所定電流値に対する比で規定したパターンであることを特徴とする請求項１０記載の半導体レーザの駆動装置。
  12. 前記電流制御手段が、半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる処理を、複数の半導体レーザに対して共通のタイミングで行うように構成されていることを特徴とする請求項１０または１１記載の半導体レーザの駆動装置。
  13. 前記複数の半導体レーザの各々から出射したレーザ光が合波される構成において、該複数の半導体レーザを駆動する装置であって、
    前記電流制御手段が、前記複数の半導体レーザの駆動電流を前記パターンに従って段階的に変化させる処理を、複数の半導体レーザ間で時間的遅延を付けて行うように構成されていることを特徴とする請求項１０または１１記載の半導体レーザの駆動装置。
  14. 共通の放熱体上に固定された複数の半導体レーザを駆動することを特徴とする請求項１０から１３いずれか１項記載の半導体レーザの駆動装置。
  15. 複数の半導体レーザと、それらから各々出射したレーザ光が入力されて該レーザ光を合波する光ファイバとを有する装置において、前記複数の半導体レーザを駆動することを特徴とする請求項９から１４いずれか１項記載の半導体レーザの駆動装置。
  16. 前記半導体レーザとして、ＧａＮ系半導体レーザを駆動することを特徴とする請求項９から１５いずれか１項記載の半導体レーザの駆動装置。
  17. 請求項１から８いずれか１項記載の半導体レーザの駆動方法に用いられる前記パターンを導出する方法であって、
    駆動対象の半導体レーザを、所定電流を供給して駆動し、
    そのとき該半導体レーザから発せられる光の少なくとも一部を光検出器により検出し、
    該光検出器の出力が一定になるように前記所定電流を増減させ、
    この所定電流を検出して、その増減のパターンを前記パターンとして採取することを特徴とする半導体レーザ駆動電流パターンの導出方法。
  18. 複数の半導体レーザを同時に駆動し、
    そのとき該複数の半導体レーザから発せられる光の少なくとも一部を光検出器により検出し、
    該光検出器の出力が一定になるように、各半導体レーザに供給される前記所定電流を同時に増減させることを特徴とする請求項１７記載の半導体レーザ駆動電流パターンの導出方法。
  19. 請求項９から１６いずれか１項記載の半導体レーザの駆動装置に用いられる前記パターンを導出する装置であって、
    駆動対象の半導体レーザを、所定電流を供給して駆動する定電流回路と、
    そのとき該半導体レーザから発せられる光の少なくとも一部を検出する光検出器と、
    該光検出器の出力が一定になるように前記所定電流を増減させる手段と、
    この所定電流を検出して、その増減のパターンを前記パターンとして採取する手段とを備えたことを特徴とする半導体レーザ駆動電流パターンの導出装置。
  20. 前記定電流回路が、複数の半導体レーザを同時に駆動するように構成され、
    前記光検出器が、そのとき該複数の半導体レーザから発せられる光の少なくとも一部を検出可能に構成され、
    前記所定電流を増減させる手段が、前記光検出器の出力が一定になるように、各半導体レーザに供給される前記所定電流を同時に増減させるように構成されていることを特徴とする請求項１９記載の半導体レーザ駆動電流パターンの導出装置。
  21. 半導体レーザから発せられた光を空間光変調素子によって変調し、その変調された光により感光材料を露光させる露光装置において、
    半導体レーザを駆動する装置として、請求項９から１６いずれか１項記載の半導体レーザの駆動装置が用いられたことを特徴とする露光装置。
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