JP2010204508A

JP2010204508A - 光スイッチング装置

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Publication number: JP2010204508A
Application number: JP2009051564A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Ando; 哲生安藤; Koichiro Fukaya; 康一郎深谷
Original assignee: V Technology Co Ltd
Current assignee: V Technology Co Ltd
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: JP5354779B2

Abstract

【課題】複数の光変調素子に照射する光の利用効率を向上する。
【解決手段】電気光学結晶材料から成る複数の光変調素子８を備えた複数のチップ９を所定状態に配置して有する空間光変調手段４に光源２から光源光を照射すると共に、前記複数の光変調素子８を駆動制御して前記空間光変調手段４の射出光をオン・オフする光スイッチング装置１であって、前記空間光変調手段４は、前記光源光をＰＢＳ６により偏波面が直交する二つの直線偏光に分離し、該二つの直線偏光を前記複数のチップ９に照射させる構成としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気光学結晶材料から成る複数の光変調素子を備えた複数のチップを所定の配列ピッチで二列に並べて有する光スイッチング装置に関し、詳しくは、複数の光変調素子に照射する光の利用効率を向上しようとする光スイッチング装置に係るものである。

従来、この種の光スイッチング装置は、電気光学結晶材料から成る基板上に設けた一対の電極に電圧を印加して電界を発生させることで、上記基板に複屈折を生じさせ、前段に配置した偏光子を通じて光変調素子に入射した光を９０°偏光させて、射出した光を検光子を通過させる一方、電界が発生していない場合に、偏光子を通過した光が偏光されることなく光変調素子を透過した後、検光子で遮られるようになっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−５５３２１号公報

しかし、このような従来の光スイッチング装置においては、ランダム偏光の光源光のうち偏光子を透過した直線偏光を光スイッチング素子に入射させるようになっていたため、光源光の略半分が無駄に捨てられており、光変調素子に照射する光の利用効率が悪かった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、複数の光変調素子に照射する光の利用効率を向上しようとする光スイッチング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、本発明による光スイッチング装置は、電気光学結晶材料から成る複数の光変調素子を備えた複数のチップを所定状態に配置して有する空間光変調手段に光源から光源光を照射すると共に、前記複数の光変調素子を駆動制御して前記空間光変調手段の射出光をオン・オフする光スイッチング装置であって、前記空間光変調手段は、前記光源光を偏光ビームスプリッタにより偏波面が直交する二つの直線偏光に分離し、該二つの直線偏光を前記複数のチップに照射させる構成としたものである。

このような構成により、光源光を偏光ビームスプリッタにより偏波面が直交する二つの直線偏光に分離し、該二つの直線偏光を、電気光学結晶材料から成る複数の光変調素子を備えた複数のチップを所定状態に配置して有する空間光変調手段の各チップに照射させる一方、上記複数の光変調素子を駆動制御して空間光変調手段の射出光をオン・オフする。

また、前記複数のチップは、所定の配列ピッチで二列に並べて配置されており、前記分離された二つの直線偏光は、前記二列に並んだ複数のチップに夫々照射するものである。これにより、所定の配列ピッチで二列に並べて配置された複数のチップにて、各列のチップに対して分離された二つの直線偏光を夫々照射する。

さらに、前記二列に並んだ複数のチップは、前記並び方向に互い違いに配置されると共に、各チップに備えた複数の光変調素子が前記並び方向に所定の配列ピッチで並ぶように配置されたものである。これにより、二列に並んだ複数のチップを並び方向に互い違いに配置すると共に、各チップに備えた複数の光変調素子が上記並び方向に所定の配列ピッチで並ぶようにして射出光をオン・オフする。

さらにまた、前記空間光変調手段に入射する光源光の光路上に、該光源光を横断面細線状の光ビームに整形する光ビーム整形手段を配設したものである。これにより、空間光変調手段に入射する光源光の光路上に配設した光ビーム整形手段で光源光を横断面細線状の光ビームに整形する。

そして、前記偏光ビームスプリッタにより分離された二つの直線偏光のうち一方の直線偏光の光路上に偏波面を９０°回転させる波長板を配置したものである。これにより、偏光ビームスプリッタにより分離された二つの直線偏光のうち一方の直線偏光の光路上に配置した波長板で一方の直線偏光の偏波面を９０°回転して、他方の直線偏光の偏波面に揃える。

請求項１に係る発明によれば、光源光を偏光ビームスプリッタにより偏波面が直交する二つの直線偏光に分離し、各直線偏光を所定状態に配置された複数のチップに照射するようにしているので、光源光の略全てを利用することができ、従来技術におけるよりも光の利用効率を向上することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、二列に並べて配置された複数のチップにて、各列のチップに対して分離された二つの直線偏光を夫々照射するようにしているので、分離された二つの直線偏光を列状に並んだ複数のチップに対応した形状に絞って、列毎に照射させることができ、光の利用効率をより向上することができる。

さらに、請求項３に係る発明によれば、例えば被露光体を上記複数のチップの並び方向と略直交する方向に搬送しながら、該被露光体上に空間光変調手段の各光変調素子の駆動を制御して光を照射すれば、被露光体の搬送方向手前側にある複数のチップの間を搬送方向奥側にある複数のチップで補完して露光することができ、緻密な露光パターンを形成することができる。

さらにまた、請求項４に係る発明によれば、空間光変調手段に入射する光源光を直交二軸の一軸方向に絞って横断面細線状の光ビームに整形しているので、二列に並んだ複数のチップのチップ列毎に光を効率よく照射することができる。

そして、請求項５に係る発明によれば、分離された二つの直線偏光のうち一方の直線偏光の光路上に偏波面を９０°回転させる波長板を配置して各チップ列に入射する直線偏光の偏波面が同じ向きになるようにしているので、検光子を共通化することができる。したがって、空間光変調手段の製造が容易になる。また、隣のチップ列に入射する光の漏れ光によるノイズ成分の発生がなく、スイッチング特性の向上を図ることができる。

本発明による光スイッチング装置の実施形態を示す正面図である。上記スイッチング装置に使用されるシャッタデバイスの示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＯ−Ｏ線断面図である。上記シャッタデバイスの動作を示す説明図であり、（ａ）はオン駆動状態を示し、（ｂ）はオフ駆動状態を示している。本発明の光スイッチング装置により形成される一パターン例を示す説明図である。本発明のスイッチング装置を適用した露光装置の構成を示す概要図である。上記露光装置の制御手段を示すブロック図である。上記露光装置により形成される一露光パターン例を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による光スイッチング装置の実施形態を示す正面図である。この光スイッチング装置１は、電気光学結晶材料から成る複数の光変調素子を備えた複数のチップを所定の配列ピッチで二列に並べて有するもので、光の進行方向上流側から下流側に向かって、光源２と、光ビーム整形手段３と、空間光変調手段４とをこの順に配置して構成されている。

上記光源２は、例えば紫外線等のランダム偏光や円偏光を放射するものであり、例えばランプやマルチモードファイバー出力のレーザ光源である。

上記光ビーム整形手段３は、光源２から入射する光を光軸に直交する方向に延びた横断面細線状の光ビームを生成するもので、シリンドリカルレンズ等の光学部品を含んで構成されている。この横断面細線状に整形された光ビームは、本実施形態においては、図１の手前から奥に向かって長手の形状となっている。

上記空間光変調手段４は、入射光をオン・オフ制御して射出するものであり、シャッタデバイス５と、偏光子としての偏光ビームスプリッタ６、検光子としての偏光板７とを備えている。

ここで、上記シャッタデバイス５は、図２に示すように、電気光学結晶材料から成る複数の光変調素子８を備えた複数のチップ９を所定の配列ピッチで二列に並べて有するものであり、各チップ９は引出線１０を形成した配線基板１１上に位置決め配置して固定されている。この場合、シャッタデバイス５は、複数のチップ９の並び方向が横断面細線状に整形された光ビームの長軸方向と合致するように配置されている。なお、以下、同図において右側に位置するチップ９の列を「第１のチップ列１２Ａ」といい、左側に位置するチップ９の列を「第２のチップ列１２Ｂ」という。

このようなシャッタデバイス５は、例えば次のようにして形成することができる。即ち、電気光学結晶材料から成る所定厚みの短冊状の基板の長軸に平行な両端縁部をダイシングソー等を使用して所定幅で所定深さだけ切除する。次に、この切除部の側面に導電膜を公知の技術により被着させる。続いて、上記長軸に交差し、上記切除部の深さよりも深さが深く、所定幅の複数の分離溝を所定ピッチで形成する。これにより、対向面に電極１３を形成した柱状の複数の光変調素子８が互いに電気的に分離された状態で、上記基板の長軸上に所定ピッチで並べて形成されることになる。この場合、上記切除部の底部に位置する電極１３は、引出線１０と電気的に接続するための電極パッド１４となる。

一方、図２に示すように、所定厚みの短冊状の例えば石英等の透明な基板１５に、上記チップ９に備える複数の光変調素子８を挿通可能な大きさの平面視長方形状の複数の貫通孔１６を上記基板１５の長軸方向に互い違いの二列状態に形成する。ここで、各貫通孔１６の形成位置は、各貫通孔１６に挿通された複数の光変調素子８が基板１５の長軸方向に所定の配列ピッチで並ぶように設定される。さらに、上記基板１５の一面には、各貫通孔１６の長軸に平行な両端縁部から両側方に延びると共に、各貫通孔１６に挿通される複数の光変調素子８の上記配列ピッチと同じ配列ピッチで複数の引出線１０を形成して配線基板１１が形成される。この場合、該複数の引出線１０のうち、上記基板１５の内方に延びる引出線１０は、基板１５の長軸に沿って延びて形成され、一端部を基板１５の短軸に平行な一方端部に形成された接地電極パッド１７に接続した共通配線１８に接続される。

そして、複数の光変調素子８の各電極パッド１４上に例えば半田ボールを配置した上記各チップ９を、複数の光変調素子８側から配線基板１１の各貫通孔１６に挿通し、さらに、これら全体を加熱して半田ボールを溶融させ、各光変調素子８の電極パッド１４と配線基板１１の引出線１０とを電気的に接続する。これにより、シャッタデバイス５が形成される。この場合、二列に並んだ複数の光変調素子８の一対の電極１３のうち、列の外側に面した電極１３が駆動電極１９となり、列の内側に面した電極１３が接地電極２０となる。

上記シャッタデバイス５の光入射側には、偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」という）６が配置されている。このＰＢＳ６は、入射するランダム偏光Ｒを入射面に平行であり反射面６ａを透過する直線偏光（以下、「Ｐ波」という）と、入射面に直交し反射面６ａで反射する直線偏光（以下、「Ｓ波」という）に分離するものであり、分離された二つの直線偏光をシャッタデバイス５の第１及び第２のチップ列１２Ａ，１２Ｂに夫々入射させるようになっている。なお、本実施形態においては、Ｓ波の光路上に波長板２１（λ／２板）が配置されており、該波長板２１によりＳ波の偏波面を９０°回転して、偏波面をＰ波に揃えている。

上記シャッタデバイス５の光射出側には、偏光板７が配置されている。この偏光板７は、Ｓ波の直線偏光を透過させ、Ｐ波の直線偏光を遮断するものであり、偏光軸をＳ波の偏波面に合致させて配置されている。なお、図１において、符号２２は、光路を直角方向に折り曲げる平面反射ミラーである。

次に、このように構成された光スイッチング装置１の動作について説明する。
先ず、光源２から放射されたランダム偏光Ｒは、光ビーム整形手段３により図１において手前から奥に延びた横断面細線状の光ビームに整形される。

光ビーム整形手段３を射出した光ビームは、空間光変調手段４のＰＢＳ６に入射し、ＰＢＳ６の反射面６ａにおいてこれを透過するＰ波と、ここで反射されるＳ波に分離される。

ＰＢＳ６により分離された二つの直線偏光のうち、反射面６ａを透過したＰ波は、シャッタデバイス５の第１のチップ列１２Ａに入射する。

一方、ＰＢＳ６の反射面６ａで反射されたＳ波は、波長板２１により偏波面が９０°回転されてＰ波の偏波面に揃えられる。そして、平面反射ミラーで反射されて、シャッタデバイス５の第２のチップ列１２Ｂに入射する。

シャッタデバイス５の第１及び第２のチップ列１２Ａ，１２Ｂにそれぞれ入射する二つのＰ波は、各チップ列１２Ａ，１２Ｂに備える複数の光変調素子８のオン・オフ駆動状態に応じて偏波面が９０°回転され、又は偏波面が回転されることなく各光変調素子８を射出する。

この場合、図３（ａ）に示すように、オン駆動された光変調素子８に入射したＰ波は、偏波面が９０°回転されてＳ波となって光変調素子８を射出する。そして、光変調素子８を射出したＳ波は、偏光軸をＳ波の偏波面に合致させて配置された偏光板７を透過して照射対象物２３上に到達し、光変調素子８の横断面形状に対応する照射ピクセルを形成する。

一方、図３（ｂ）に示すように、オフ駆動された光変調素子８に入射したＰ波は、偏波面が回転されることなくＰ波のまま光変調素子８を射出する。そして、光変調素子８を射出したＰ波は、偏光軸をＳ波の偏波面に合致させて配置された偏光板７で遮断される。このようにして、照射対象物２３上には、例えば図４に示すように、複数の光変調素子８の駆動状態に応じて複数のピクセル２４が形成されることになる。なお、図４において、黒く塗りつぶしたピクセル２４ａは、オン駆動の光変調素子８に対応し、光が照射されたピクセル（照射ピクセル）であり、白抜きのピクセル２４ｂは、オフ駆動の光変調素子８に対応し光が遮断されたピクセルである。

図５は、本発明の光スイッチング装置１を適用した露光装置の構成を示す概要図である。この露光装置は、被露光体２５を一定方向に搬送しながら露光するものであり、光スイッチング装置１と、搬送手段２６と、撮像手段２７と、結像レンズ２８と、制御手段２９とを備えている。

上記光スイッチング装置１は、紫外線を放射する光源２としてレーザ光源を備え、シャッタデバイス５の第１のチップ列１２Ａを矢印Ａで示す被露光体２５の搬送方向手前側とし、第２のチップ列１２Ｂを搬送方向奥側として配置している。このとき、各チップ列１２Ａ，１２Ｂの各光変調素子８の矢印Ａ方向の幅はｗに、また第１及び第２のチップ列１２Ａ，１２Ｂの中心線間距離は、ｎｗ（ｎは正の整数）に設定されている。

上記光スイッチング装置１に対向して搬送手段２６が設けられている。この搬送手段２６は、上面に被露光体２５を載置して矢印Ａで示す方向に一定速度で搬送するものであり、例えば上面と被露光体２５との間に空気層を形成して被露光体２５を所定量だけ浮上させた状態で搬送するようになっている。そして、図示省略の速度センサーと、位置センサーとを備えている。

上記光スイッチング装置１の被露光体２５の搬送方向手前側には、撮像手段２７が設けられている。この撮像手段２７は、被露光体２５に形成された基準パターンを撮像して露光位置を検出するためのものであり、搬送手段２６の上面に平行な面内にて被露光体２５の搬送方向（Ａ方向）に略直交する方向に複数の受光素子を一直線状に並べたラインカメラである。そして、光スイッチング装置１のシャッタデバイス５の二列のチップ列１２Ａ，１２Ｂのうち、被露光体２５の搬送方向手前側に位置する第１のチップ列１２Ａによる光照射位置に対して搬送方向手前側に距離Ｌだけ離隔した位置を撮像するように設けられている。

上記光スイッチング装置１と搬送手段２６との間には、結像レンズ２８が配設されている。この結像レンズ２８は、搬送されてくる被露光体２５表面にシャッタデバイス５の複数の光変調素子８の端面像を結像するものである。

上記光スイッチング装置１のシャッタデバイス５と、撮像手段２７と、搬送手段２６に接続して制御手段２９が設けられている。この制御手段２９は、シャッタデバイス５の複数の光変調素子８を夫々個別に駆動して、光スイッチング装置１の空間光変調手段４を射出する光により被露光体２５上に所定の露光パターンを形成させるものであり、画像処理部３０と、ＣＡＤデータ記憶部３１と、比較器３２と、ビットマップデータ作成部３３と、搬送手段駆動制御部３４とを備えている。

ここで、画像処理部３０は、撮像手段２７で撮像された被露光体２５表面の画像を処理して画像データを生成するものである。また、ＣＡＤデータ記憶部３１は、被露光体２５表面上の露光位置に対応して露光する全露光パターンのＣＡＤデータを記憶するもので、メモリ又はＣＤ−ＲＯＭ等である。さらに、比較器３２は、画像処理部３０で生成された画像データと、該画像データに対応してＣＡＤデータ記憶部３１から読み出されたＣＡＤデータとを比較するもので、両画像データのずれ量を検出する機能も果たす。また、ビットマップデータ作成部３３は、上記ずれ量に応じてシャッタデバイス５に備える複数の光変調素子８の配列ピッチのゼロを含む整数倍だけ、被露光体２５の搬送方向と略直交する方向にシフトさせたビットマップデータを作成してシャッタデバイス５に転送するものである。そして、搬送手段駆動制御部３４は、被露光体２５を所定速度で矢印Ａ方向に搬送するように搬送手段２６の駆動を制御すると共に、搬送手段２６に備えた位置センサーの出力に基づいて、撮像手段２７により被露光体２５の基準パターン上の最初の露光位置が撮像されてから被露光体２５が光変調素子８の被露光体２５の搬送方向の幅ｗに等しい距離だけ搬送される度に、ＣＡＤデータ記憶部３１から順次所定のＣＡＤデータを比較器３２に転送させるように動作する。

次に、このように構成された露光装置の動作について説明する。
先ず、光スイッチング装置１の光源２が点灯された後、被露光体２５を矢印Ａ方向に搬送しながら撮像手段２７で被露光体２５表面に形成された基準パターン上の露光位置の画像を撮像する。撮像された画像は、制御手段２９の画像処理部３０で画像処理されて画像データに変換される。そして、この画像データは、ＣＡＤデータ記憶部３１から読み出された対応するＣＡＤデータと比較器３２で比較され両画像データの搬送方向に略直交する方向のずれ量が検出される。

この場合、上記ずれ量がｍＰ（Ｐは光変調素子８の配列ピッチ、ｍはゼロを含む整数）であるとき、ビットマップデータ作成部３３において、被露光体２５の搬送方向に略直交する方向にｍＰだけシフトしたビットマップデータを作成してシャッタデバイス５の第１のチップ列１２Ａに転送する。なお、ビットマップデータの転送は、撮像手段２７により最初の露光位置が検出されてから被露光体２５が矢印Ａ方向に距離Ｌだけ搬送され、上記露光位置が上記第１のチップ列１２Ａの下側に到達したタイミングで行われる。又は、上記露光位置が上記第１のチップ列１２Ａの下側に到達する前にシャッタデバイス５に備える図示省略のメモリに転送しておき、到着時にメモリからビットマップデータを読み出して第１のチップ列１２Ａの複数の光変調素子８を駆動してもよい。こうして、第１のチップ列１２Ａの複数の光変調素子８が上記ビットマップデータに応じて駆動されて、被露光体２５上には、図７に示す露光ピクセル３４が形成されることになる。この場合、第１のチップ列１２Ａに転送されるビットマップデータのうち、隣接するチップ９間のビットマップデータは脱落した状態となる。また、後述する第２のチップ列１２Ｂに転送されるビットマップデータにおいても同様である。

以後、被露光体２５が距離ｗだけ搬送される度に、ビットマップデータ作成部３３からシャッタデバイス５の第１のチップ列１２Ａに所定のビットマップデータが転送され、該ビットマップデータに基づいて第１のチップ列１２Ａの各光変調素子８が駆動されて所定のパターンが生成され、該所定のパターンが被露光体２５の所定位置に露光される。

一方、シャッタデバイス５の第２のチップ列１２Ｂには、ｎ回前に第１のチップ列１２Ａに転送されたビットマップデータと同じビットマップデータが転送される。これにより、図７に示すように、第１のチップ列１２Ａによりｎ回前に露光された複数の露光ピクセル３４と同じ列上に第２のチップ列１２Ｂによる露光ピクセル３５を形成することができる。この場合、第１及び第２のチップ列１２Ａ，１２Ｂの各チップ９は、互い違いに配置されているので、第１のチップ列１２Ａによる未露光部分を第２のチップ列１２Ｂにより補完して露光し、図７に示すような完全な露光パターンを形成することができる。ここで、結像レンズ２８の高さ位置を調整して、露光ピクセル３４，３５の解像度を若干落としてやれば、複数の露光ピクセル３４，３５間の部分も露光することができる。

なお、上記実施形態においては、ＰＢＳ６で分離されたＳ波の光路上に波長板２１を配設した場合について説明したが、波長板２１はＰ波の光路上に配設してもよい。

また、波長板２１は無くてもよい。この場合、偏光板７は、第１のチップ列１２Ａに対応する偏光板と、第２のチップ列１２Ｂに対応する偏光板の二つの偏光板に分離し、且つ各偏光板の偏光軸が互いに直交するように配置するとよい。又は、共通の偏光板７を一つ配置してもよい。この場合、第１のチップ列１２Ａと第２のチップ列１２Ｂとは、互いに反転したビットマップデータにより駆動されることになる。

さらに、上記実施形態においては、偏光板７の偏光軸がＳ波の偏波面に合致している場合について説明したが、本発明はこれに限られず、偏光板７の偏光軸は、Ｐ波の偏波面に合致させてもよい。この場合、第１及び第２のチップ列１２Ａ，１２Ｂは、上記実施形態のビットマップデータとは反転したビットマップデータにより駆動されることになる。

そして、上記実施形態においては、シャッタデバイス５の配線基板１１側が上になるようにシャッタデバイス５を配置した場合について説明したが、シャッタデバイス５は、上下面を反転して配置してもよい。

以上の説明においては、複数のチップが二列に並んで配置されている場合について述べたが、本発明はこれに限られず、所定状態に配置されているならば、例えば一直線や斜め線に沿った状態又はマトリクス状等の如何なる状態に配置されていてもよい。この場合、一直線状に並んだ複数のチップに対して、細線状に整形されＰＢＳ６で二つの直線偏光に分離された光ビームを照射するためには、上記二つの直線偏光が略一直線状に並ぶように光ビーム整形手段３、ＰＢＳ６及び反射ミラー２２を配置するとよい。

１…光スイッチング装置
２…光源
３…光ビーム整形手段
４…空間光変調手段
６…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）
８…光変調素子
９…チップ
１２Ａ…第１のチップ列
１２Ｂ…第２のチップ列
２１…波長板

Claims

電気光学結晶材料から成る複数の光変調素子を備えた複数のチップを所定状態に配置して有する空間光変調手段に光源から光源光を照射すると共に、前記複数の光変調素子を駆動制御して前記空間光変調手段の射出光をオン・オフする光スイッチング装置であって、
前記空間光変調手段は、前記光源光を偏光ビームスプリッタにより偏波面が直交する二つの直線偏光に分離し、該二つの直線偏光を前記複数のチップに照射させる構成としたことを特徴とする光スイッチング装置。
前記複数のチップは、所定の配列ピッチで二列に並べて配置されており、
前記分離された二つの直線偏光は、前記二列に並んだ複数のチップに夫々照射することを特徴とする請求項１記載の光スイッチング装置。
前記二列に並んだ複数のチップは、前記並び方向に互い違いに配置されると共に、各チップに備えた複数の光変調素子が前記並び方向に所定の配列ピッチで並ぶように配置されたことを特徴とする請求項２記載の光スイッチング装置。
前記空間光変調手段に入射する光源光の光路上に、該光源光を横断面細線状の光ビームに整形する光ビーム整形手段を配設したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スイッチング装置。
前記偏光ビームスプリッタにより分離された二つの直線偏光のうち一方の直線偏光の光路上に偏波面を９０度回転させる波長板を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光スイッチング装置。