JP4014990B2 - Optical fiber connection method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバの接続方法、特に詳細には、クラッド径が異なる2本の光ファイバを接続する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、レーザ光等の光を伝搬させる手段として、コアをそれよりも低屈折率のクラッドに被覆させてなる各種の光ファイバが広範に用いられている。この光ファイバは、複数本まとめていわゆるファイババンドルを構成して、大光量の光を伝搬するために使用されることも多い。そしてこのようにファイババンドルを構成する場合には、光出射端あるいは光入射端において、より多数の光ファイバを高密度に配置したいという要求も存在する。
【0003】
そこで従来、例えば特許文献1に示されるように、複数の光ファイバのそれぞれの一端部においてクラッドを細く加工し、この細く加工された一端部を互いに密接させて配置することが考えられている。このようにクラッドを加工するために、上記特許文献1では、光ファイバの一端部をフッ化水素酸によりエッチングすることが提案されている。
【0004】
【特許文献1】
特許第2801329号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述のフッ化水素酸は、ガラスを溶かすほどの危険な薬品であるので、取扱いに注意を要し、そのため、このフッ化水素酸による光ファイバの加工は作業性が良くないものとなっている。
【0006】
そこで、普通に光伝搬に使用する光ファイバの先端部にそれよりもクラッド径が小さい別の光ファイバを接続して、このクラッド径が小である光ファイバの部分をバンドル化することが考えられる。このように2本の光ファイバを接続するには、従来、それらの一端部どうしを同軸に揃えた上で融着結合する放電式の融着接続機が広く用いられている。
【0007】
ところが、このように外径(クラッド径)に大きな差が有る2本の光ファイバを融着接続する場合、太い方の光ファイバが適度に融けるように放電条件を設定すると、細い方の光ファイバが融け過ぎて先端が丸まってしまい、両光ファイバを適正に融着接続できないことがある。またそれとは反対に、細い方の光ファイバが適度に融けるように放電条件を設定すると、放電が弱くて太い方の光ファイバが融けず、そのためこの場合も両光ファイバを密着させて適正に融着接続できないことがある。この従来方法による場合は、具体的にこの接続部で1dB程度の損失が生じて、接続効率が80%程度にとどまることもある。
【0008】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、外径に大きな差が有る2本の光ファイバを確実に接続することができる方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
発明による第の光ファイバの接続方法は、
ラッド径が異なる2本の光ファイバを接続する方法において、
クラッド径が大である光ファイバの一端部のクラッドを、その端面の径が両光ファイバのクラッド径の中間的な径となるように加工し、
この加工された光ファイバの一端部に、前記クラッド径が小である光ファイバを融着することを特徴とするものである。
【0011】
また、本発明による第の光ファイバの接続方法は、
同じくクラッド径が異なる2本の光ファイバを接続する方法において、
それらの光ファイバの中間的なクラッド径を有する光ファイバの一端部、他端部に、それぞれクラッド径が大である光ファイバ、クラッド径が小である光ファイバを融着することを特徴とするものである。
【0012】
【発明の効果】
本発明による第1の光ファイバの接続方法では、クラッド径が大である光ファイバの一端部のクラッドを、クラッド径が小である光ファイバのクラッド径と略同じ径に加工し、この加工された光ファイバの一端部にクラッド径が小である光ファイバを融着するようにしているので、融着接続は略同じクラッド径の光ファイバどうしでなされることになる。したがって、外径が大きく異なる光ファイバどうしを融着接続する場合のように、外径が小さい方の光ファイバが融け過ぎたり、反対に外径が大きい方の光ファイバが融けなかったりすることがなく、両光ファイバを容易且つ確実に接続可能となる。
【0013】
また本発明による第2の光ファイバの接続方法では、クラッド径が大である光ファイバの一端部のクラッドを、両光ファイバのクラッド径の中間的な径に加工し、この加工された光ファイバの一端部にクラッド径が小である光ファイバを融着するようにしているので、融着接続はクラッド径が大きく異なることのない光ファイバどうしでなされることになる。したがってこの方法でも、外径が大きく異なる光ファイバどうしを融着接続する場合のように、外径が小さい方の光ファイバが融け過ぎたり、反対に外径が大きい方の光ファイバが融けなかったりすることがなく、両光ファイバを容易且つ確実に接続可能となる。
【0014】
また、本発明による第3の光ファイバの接続方法では、クラッド径が大である光ファイバ、クラッド径が小である光ファイバを、それらの中間的なクラッド径を有する光ファイバを間に介して融着接続するようにしているので、中間的なクラッド径を有する光ファイバとクラッド径が大である光ファイバとの融着接続、並びに中間的なクラッド径を有する光ファイバとクラッド径が小である光ファイバとの融着接続は、いずれもクラッド径が大きく異なることのない光ファイバどうしでなされることになる。したがってこの方法でも、外径が大きく異なる光ファイバどうしを融着接続する場合のように、外径が小さい方の光ファイバが融け過ぎたり、反対に外径が大きい方の光ファイバが融けなかったりすることがなく、各光ファイバを容易且つ確実に接続可能となる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0016】
図29は、本発明の一実施の形態による光ファイバの接続方法を説明するものである。本例では同図に示される通り、一例として外径(クラッド径)が125μmのマルチモード光ファイバ30の先端部に、外径(クラッド径)がそれよりも小さい60μmであるマルチモード光ファイバ31を接続する。マルチモード光ファイバ30は、一例としてステップインデックス型光ファイバであり、コア30aがそれよりも低屈折率のクラッド30bに被覆されてなる。マルチモード光ファイバ31も同様に、コア31aがそれよりも低屈折率のクラッド31bに被覆されてなる。
【0017】
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、マルチモード光ファイバ31は、クラッド径=60μm、コア径=50μm、NA=0.2である。
【0018】
まず同図(A)に示すように、マルチモード光ファイバ30の先端部のクラッド30bに研磨等の機械加工を施すことにより、例えば長さ1mm程度の長さの小径部分30cを形成する。この小径部分30cの外径は、マルチモード光ファイバ31のクラッド径と等しい60μmとする。
【0019】
次に同図(B)に示すように上記小径部分30cの先端に、それと外径が等しいマルチモード光ファイバ31を、互いにコア軸が同軸に揃う状態にして融着して接続する。この融着には、従来からこの種の光ファイバの融着に利用されている一般的な放電式の融着接続機を用いればよい。そのような光ファイバ融着接続機としては、例えば住友電気工業株式会社製の小型コア直視型光ファイバ融着接続機 SUMIOFCAS「Type-37」等が挙げられる。
【0020】
以上の通り本実施形態の方法では、マルチモード光ファイバ30の先端部に小径部分30cを形成してから、この小径部分30cにそれと同じ外径のマルチモード光ファイバ31を融着接続するようにしているので、外径が大きく異なる光ファイバどうしを融着接続する場合のように、外径が小さい方の光ファイバ31が融け過ぎたり、反対に外径が大きい方の光ファイバ30が融けなかったりすることがなく、両光ファイバ30、31を容易且つ確実に接続可能となる。具体的には、両光ファイバ30、31の接続部での損失を0.05dB程度に抑え、99%の接続効率を実現することも可能である。
【0021】
なお後述する通り、両光ファイバ30、31を接続してなる光ファイバは複数用意され、それらの光ファイバ31の先端部分をバンドル化して使用される。つまり、光ファイバ30の先端部の小径部分30cはバンドル化されないので、この小径部分30cに求められる機械加工精度はさほど高くなく、よってこの小径部分30cは簡単に形成することができる。
【0022】
次に図30を参照して、本発明の別の実施の形態による光ファイバの接続方法を説明する。なおこの図30において、図29中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する(以下、同様)。
【0023】
この実施の形態では、マルチモード光ファイバ30の先端部のクラッド30bに研磨等の機械加工を施すことにより、例えば長さ1mm程度の小径部分30c’を形成する。この小径部分30c’の外径は、マルチモード光ファイバ31のクラッド径60μmよりもやや大きい80μmとする。次にこの小径部分30c’の先端に、それよりも外径がやや小さいマルチモード光ファイバ31を、互いにコア軸が同軸に揃う状態にして融着して接続する。
【0024】
以上のようにしても、マルチモード光ファイバ30の先端部に直接、それと外径が大きく異なるマルチモード光ファイバ31を融着接続する場合のように、外径が小さい方の光ファイバ31が融け過ぎたり、反対に外径が大きい方の光ファイバ30が融けなかったりすることがなく、両光ファイバ30、31を容易且つ確実に接続可能となる。
【0025】
次に図31を参照して、本発明のさらに別の実施の形態による光ファイバの接続方法を説明する。この実施の形態では、まずマルチモード光ファイバ30の先端部に、それよりも外径が小さく、マルチモード光ファイバ31よりも外径が大きい、外径80μmのマルチモード光ファイバ32を融着接続する。次いでこの中間径のマルチモード光ファイバ32の先端部に、それよりも外径が小さいマルチモード光ファイバ31を融着接続する。
【0026】
以上のように、マルチモード光ファイバ30に対してそれと外径が大きく異ならないマルチモード光ファイバ32を融着接続する際には、外径が小さい方の光ファイバ32が融け過ぎたり、反対に外径が大きい方の光ファイバ30が融けなかったりすることがなく、さらに、このマルチモード光ファイバ32に対してそれと外径が大きく異ならないマルチモード光ファイバ31を融着接続する際にも、外径が小さい方の光ファイバ31が融け過ぎたり、反対に外径が大きい方の光ファイバ32が融けなかったりすることがなく、結果的に両光ファイバ30、31を容易且つ確実に接続可能となる。
【0027】
なお上記とは反対に、光ファイバ31と光ファイバ32とを融着接続してから、光ファイバ30と光ファイバ32とを融着接続するようにしてもよく、その場合にも、上記と同様の効果が得られる。
【0028】
次に、本発明の方法により接続されたマルチモード光ファイバを用いる露光装置の例について説明する。
【0029】
[露光装置の構成]
本例の露光装置は、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、この露光装置には、ステージ152をガイド158に沿って駆動するための図示しない駆動装置が設けられている。
【0030】
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の先端及び後端を検知する複数(例えば、2個)の検知センサ164が設けられている。スキャナ162及び検知センサ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及び検知センサ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。
【0031】
スキャナ162は、図2及び図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を配置した。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。
【0032】
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。
【0033】
また、図3(A)及び(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。
【0034】
露光ヘッド16611〜166mn各々は、図4、図5(A)及び(B)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、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図示しないコントローラに接続されている。このコントローラ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付いては後述する。
【0035】
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、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。
【0036】
レンズ系67は、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光を平行光化する1対の組合せレンズ71、平行光化されたレーザ光の光量分布が均一になるように補正する1対の組合せレンズ73、及び光量分布が補正されたレーザ光をDMD上に集光する集光レンズ75で構成されている。組合せレンズ73は、レーザ出射端の配列方向に対しては、レンズの光軸に近い部分は光束を広げ且つ光軸から離れた部分は光束を縮め、且つこの配列方向と直交する方向に対しては光をそのまま通過させる機能を備えており、光量分布が均一となるようにレーザ光を補正する。
【0037】
また、DMD50の光反射側には、DMD50で反射されたレーザ光を感光材料150の走査面(被露光面)56上に結像するレンズ系54、58が配置されている。レンズ系54及び58は、DMD50と被露光面56とが共役な関係となるように配置されている。
【0038】
DMD50は、図6に示すように、SRAMセル(メモリセル)60上に、微小ミラー(マイクロミラー)62が支柱により支持されて配置されたものであり、画素(ピクセル)を構成する多数の(例えば、600個×800個)の微小ミラーを格子状に配列して構成されたミラーデバイスである。各ピクセルには、最上部に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%以上である。また、マイクロミラー62の直下には、ヒンジ及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(一体型)に構成されている。
【0039】
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±10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。従って、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に入射された光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。
【0040】
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に接続された図示しないコントローラによって行われる。なお、オフ状態のマイクロミラー62により光ビームが反射される方向には、光吸収体(図示せず)が配置されている。
【0041】
また、DMD50は、その短辺が副走査方向と所定角度θ(例えば、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。
【0042】
DMD50には、長手方向にマイクロミラーが多数個(例えば、800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、600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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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、6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、図9(C)に示すように、光ファイバ31の出射端部(発光点)が副走査方向と直交する主走査方向に沿って1列に配列されてレーザ出射部68が構成されている。なお、図9(D)に示すように、発光点を主走査方向に沿って2列に配列することもできる。
【0046】
光ファイバ31の出射端部は、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の光出射側には、光ファイバ31の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板63が配置されている。保護板63は、光ファイバ31の端面と密着させて配置してもよく、光ファイバ31の端面が密封されるように配置してもよい。光ファイバ31の出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、保護板63を配置することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【0047】
この例では、クラッド径が小さい光ファイバ31の出射端を隙間無く1列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30の間にマルチモード光ファイバ30を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の2つの出射端の間に挟まれるように配列されている。
【0048】
この光ファイバは、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小径部分30cが形成され、この小径部分30cに、長さ1〜30cm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なるもので、先に図29を参照して説明した方法によって形成される。ここで、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。なお、以下では、光ファイバ31を、マルチモード光ファイバ30の出射端部と称する場合がある。
【0049】
マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ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、及び複合型光ファイバの何れでもよい。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。本例では、マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ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。
【0050】
一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、GaN系半導体レーザから出射された波長405nmのレーザ光では、クラッドの厚み{(クラッド径−コア径)/2}を800nmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の1/2程度、通信用の1.5μmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約1/4にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、クラッド径を60μmと小さくすることができる。
【0051】
但し、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以下がより好ましく、40μm以下が更に好ましい。一方、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。
【0052】
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,及び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,及び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個には限定されない。例えば、クラッド径=60μm、コア径=50μm、NA=0.2のマルチモード光ファイバには、20個もの半導体レーザ光を入射することが可能であり、露光ヘッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより減らすことができる。
【0053】
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30mW)である。なお、GaN系半導体レーザLD1〜LD7としては、350nm〜450nmの波長範囲で、上記の405nm以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。
【0054】
上記の合波レーザ光源は、図12及び図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、パッケージ40とパッケージ蓋41とにより形成される閉空間(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。
【0055】
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。
【0056】
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、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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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ビーム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。
【0060】
従って、各発光点から発せられたレーザビーム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ビーム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。
【0061】
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。
【0062】
[露光装置の動作]
次に、上記露光装置の動作について説明する。
【0063】
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の各々から発散光状態で出射したレーザビームB1,B2,B3,B4,B5,B6,及び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ビーム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の入射端面に収束する。
【0064】
本例では、コリメータレンズ11〜17及び集光レンズ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。即ち、集光レンズ20によって上述のように集光されたレーザビーム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本のレーザビーム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。
【0065】
各レーザモジュールにおいて、レーザビームB1〜B7のマルチモード光ファイバ30への結合効率が0.85で、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各出力が30mW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180mW(=30mW×0.85×7)の合波レーザビームBを得ることができる。従って、6本の光ファイバ31がアレイ状に配列されたレーザ出射部68での出力は約1W(=180mW×6)である。
【0066】
ファイバアレイ光源66のレーザ出射部68には、この通り高輝度の発光点が主走査方向に沿って一列に配列されている。単一の半導体レーザからのレーザ光を1本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出力を得ることができなかったが、本例で使用する合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば1列でも所望の出力を得ることができる。
【0067】
例えば、半導体レーザと光ファイバを1対1で結合させた従来のファイバ光源では、通常、半導体レーザとしては出力30mW(ミリワット)程度のレーザが使用され、光ファイバとしてはコア径50μm、クラッド径125μm、NA(開口数)0.2のマルチモード光ファイバが使用されているので、約1W(ワット)の出力を得ようとすれば、マルチモード光ファイバを48本(8×6)束ねなければならず、発光領域の面積は0.62mm2(0.675mm×0.925mm)であるから、レーザ出射部68での輝度は1.6×106(W/m2)、光ファイバ1本当りの輝度は3.2×106(W/m2)である。
【0068】
これに対して本例では、上述した通り、マルチモード光ファイバ6本で約1Wの出力を得ることができ、レーザ出射部68での発光領域の面積は0.0081mm2(0.325mm×0.025mm)であるから、レーザ出射部68での輝度は123×106(W/m2)となり、従来に比べ約80倍の高輝度化を図ることができる。また、光ファイバ1本当りの輝度は90×106(W/m2)であり、従来に比べ約28倍の高輝度化を図ることができる。
【0069】
ここで、図15(A)及び(B)を参照して、従来の露光ヘッドと本例の露光ヘッドとの焦点深度の違いについて説明する。従来の露光ヘッドのバンドル状ファイバ光源の発光領域の副走査方向の径は0.675mmであり、本例の露光ヘッドのファイバアレイ光源の発光領域の副走査方向の径は0.025mmである。図15(A)に示すように、従来の露光ヘッドでは、光源(バンドル状ファイバ光源)1の発光領域が大きいので、DMD3へ入射する光束の角度が大きくなり、結果として走査面5へ入射する光束の角度が大きくなる。このため、集光方向(ピント方向のずれ)に対してビーム径が太りやすい。
【0070】
一方、図15(B)に示すように、本例の露光ヘッドでは、ファイバアレイ光源66の発光領域の副走査方向の径が小さいので、レンズ系67を通過してDMD50へ入射する光束の角度が小さくなり、結果として走査面56へ入射する光束の角度が小さくなる。即ち、焦点深度が深くなる。この例では、発光領域の副走査方向の径は従来の約1/30になっており、略回折限界に相当する焦点深度を得ることができる。従って、微小スポットの露光に好適である。この焦点深度への効果は、露光ヘッドの必要光量が大きいほど顕著であり、有効である。この例では、露光面に投影された1画素サイズは10μm×10μmである。なお、DMDは反射型の空間光変調素子であるが、図15(A)及び(B)は、光学的な関係を説明するために展開図とした。
【0071】
露光パターンに応じた画像データが、DMD50に接続された図示しないコントローラに入力され、コントローラ内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。
【0072】
感光材料150を表面に吸着したステージ152は、図示しない駆動装置により、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に取り付けられた検知センサ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。
【0073】
ファイバアレイ光源66からDMD50にレーザ光が照射されると、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の被露光面56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。
【0074】
図16(A)及び(B)に示すように、DMD50には、主走査方向にマイクロミラーが800個配列されたマイクロミラー列が副走査方向に600組配列されているが、本例では、コントローラにより一部のマイクロミラー列(例えば、800個×100列)だけが駆動されるように制御する。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
例えば、600組のマイクロミラー列の内、300組だけ使用する場合には、600組全部使用する場合と比較すると1ライン当り2倍速く変調することができる。また、600組のマイクロミラー列の内、200組だけ使用する場合には、600組全部使用する場合と比較すると1ライン当り3倍速く変調することができる。即ち、副走査方向に500mmの領域を17秒で露光できる。更に、100組だけ使用する場合には、1ライン当り6倍速く変調することができる。即ち、副走査方向に500mmの領域を9秒で露光できる。
【0078】
使用するマイクロミラー列の数、即ち、副走査方向に配列されたマイクロミラーの個数は、10以上で且つ200以下が好ましく、10以上で且つ100以下がより好ましい。1画素に相当するマイクロミラー1個当りの面積は15μm×15μmであるから、DMD50の使用領域に換算すると、12mm×150μm以上で且つ12mm×3mm以下の領域が好ましく、12mm×150μm以上で且つ12mm×1.5mm以下の領域がより好ましい。
【0079】
使用するマイクロミラー列の数が上記範囲にあれば、図17(A)及び(B)に示すように、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光をレンズ系67で略平行光化して、DMD50に照射することができる。DMD50によりレーザ光を照射する照射領域は、DMD50の使用領域と一致することが好ましい。照射領域が使用領域よりも広いとレーザ光の利用効率が低下する。
【0080】
一方、DMD50上に集光させる光ビームの副走査方向の径を、レンズ系67により副走査方向に配列されたマイクロミラーの個数に応じて小さくする必要があるが、使用するマイクロミラー列の数が10未満であると、DMD50に入射する光束の角度が大きくなり、走査面56における光ビームの焦点深度が浅くなるので好ましくない。また、使用するマイクロミラー列の数が200以下が変調速度の観点から好ましい。なお、DMDは反射型の空間光変調素子であるが、図17(A)及び(B)は、光学的な関係を説明するために展開図とした。
【0081】
スキャナ162による感光材料150の副走査が終了し、検知センサ164で感光材料150の後端が検出されると、ステージ152は、図示しない駆動装置により、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。
【0082】
以上説明した通り、本例の露光装置は、主走査方向にマイクロミラーが800個配列されたマイクロミラー列が、副走査方向に600組配列されたDMDを備えているが、コントローラにより一部のマイクロミラー列だけが駆動されるように制御するので、全部のマイクロミラー列を駆動する場合に比べて、1ライン当りの変調速度が速くなる。これにより高速での露光が可能になる。
【0083】
また、DMDを照明する光源に、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列した高輝度のファイバアレイ光源を用いているので、高出力で且つ深い焦点深度を備えた露光装置を実現することができる。更に、各ファイバ光源の出力が大きくなることで、所望の出力を得るために必要なファイバ光源数が少なくなり、露光装置の低コスト化が図られる。
【0084】
特に本例では、光ファイバの出射端のクラッド径を入射端のクラッド径よりも小さくしているので、発光部径がより小さくなり、ファイバアレイ光源の高輝度化が図られる。これにより、より深い焦点深度を備えた露光装置を実現することができる。例えば、ビーム径1μm以下、解像度0.1μm以下の超高解像度露光の場合にも、深い焦点深度を得ることができ、高速且つ高精細な露光が可能となる。従って、高解像度が必要とされる薄膜トランジスタ(TFT)の露光工程に好適である。
【0085】
次に、以上説明した露光装置の変形例等について説明する。
【0086】
[露光装置の用途]
上記の露光装置は、例えば、プリント配線基板(PWB;Printed Wiring Board)の製造工程におけるドライ・フィルム・レジスト(DFR;Dry Film Resist)の露光、液晶表示装置(LCD)の製造工程におけるカラーフィルタの形成、TFTの製造工程におけるDFRの露光、プラズマ・ディスプレイ・パネル(PDP)の製造工程におけるDFRの露光等の用途に好適に用いることができる。
【0087】
更に、上記の露光装置は、レーザ照射により材料の一部を蒸発、飛散等させて除去するレーザアブレーションや焼結、リソグラフィ等の種々のレーザ加工にも使用することができる。上記の露光装置は、高出力であり、高速且つ長焦点深度での露光が可能であることから、レーザアブレーション等による微細加工に使用することができる。例えば、現像処理を行う代わりにレジストをアブレーションによりパターンに従って除去してPWBを作成したり、レジストを使用せずに直接アブレーションでPWBのパターンを形成するのに、上記の露光装置を使用することができる。また、多数の溶液の混合、反応、分離、検出などをガラスやプラスティックチップに集積したラボオンチップにおける、溝幅数十μmの微小流路の形成にも使用することができる。
【0088】
特に、上記の露光装置は、ファイバアレイ光源にGaN系半導体レーザを用いているので、上述のレーザ加工に好適に使用することができる。即ち、GaN系半導体レーザは短パルス駆動が可能であり、レーザアブレーション等にも十分なパワーを得ることができる。また、半導体レーザであるため、駆動速度が遅い固体レーザと異なり、繰り返し周波数10MHz程度での高速駆動が可能であり、高速露光が可能である。更に、金属は波長400nm付近のレーザ光の光吸収率が大きく、熱エネルギーへの変換が容易であるため、レーザアブレーション等を高速に行うことができる。
【0089】
なお、TFTのパターニングに使用される液体レジストやカラーフィルタをパターニングするために使用される液体レジストを露光する場合には、酸素阻害による感度低下(減感)を無くすために、窒素雰囲気下で被露光材料を露光することが好ましい。窒素雰囲気下で露光することで光重合反応の酸素阻害が抑制されてレジストが高感度化し、高速露光が可能となる。
【0090】
また、上記の露光装置には、露光により直接情報が記録されるフォトンモード感光材料、露光により発生した熱で情報が記録されるヒートモード感光材料の何れも使用することができる。フォトンモード感光材料を使用する場合、レーザ装置にはGaN系半導体レーザ、波長変換固体レーザ等が使用され、ヒートモード感光材料を使用する場合、レーザ装置にはAlGaAs系半導体レーザ(赤外レーザ)、固体レーザが使用される。
【0091】
[他の空間光変調素子]
上記の例では、DMDのマイクロミラーを部分的に駆動する例について説明したが、所定方向に対応する方向の長さが前記所定方向と交差する方向の長さより長い基板上に、各々制御信号に応じて反射面の角度が変更可能な多数のマイクロミラーが2次元状に配列された細長いDMDを用いても、反射面の角度を制御するマイクロミラーの個数が少なくなるので、同様に変調速度を速くすることができる。
【0092】
上記の例では、空間光変調素子としてDMDを備えた露光ヘッドについて説明したが、例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)タイプの空間光変調素子(SLM;Spacial Light Modulator)や、電気光学効果により透過光を変調する光学素子(PLZT素子)や液晶光シャッタ(FLC)等、MEMSタイプ以外の空間光変調素子を用いた場合にも、基板上に配列された全画素部に対し一部の画素部を使用することで、1画素当り、1主走査ライン当たりの変調速度を速くすることができるので、同様の効果を得ることができる。
【0093】
なお、MEMSとは、IC製造プロセスを基盤としたマイクロマシニング技術によるマイクロサイズのセンサ、アクチュエータ、そして制御回路を集積化した微細システムの総称であり、MEMSタイプの空間光変調素子とは、静電気力を利用した電気機械動作により駆動される空間光変調素子を意味している。
【0094】
[他の露光方式]
図18に示すように、上記例と同様に、スキャナ162によるX方向への1回の走査で感光材料150の全面を露光してもよく、図19(A)及び(B)に示すように、スキャナ162により感光材料150をX方向へ走査した後、スキャナ162をY方向に1ステップ移動し、X方向へ走査を行うというように、走査と移動を繰り返して、複数回の走査で感光材料150の全面を露光するようにしてもよい。なお、この例では、スキャナ162は18個の露光ヘッド166を備えている。
【0095】
[他のレーザ装置(光源)]
上記の例では、合波レーザ光源を複数備えたファイバアレイ光源を用いる例について説明したが、レーザ装置は、合波レーザ光源をアレイ化したファイバアレイ光源には限定されない。例えば、1個の発光点を有する単一の半導体レーザから入射されたレーザ光を出射する1本の光ファイバを備えたファイバ光源をアレイ化したファイバアレイ光源を用いることができる。
【0096】
また、複数の発光点を備えた光源としては、例えば、図20に示すように、ヒートブロック100上に、複数(例えば、7個)のチップ状の半導体レーザLD1〜LD7を配列したレーザアレイを用いることができる。また、図21(A)に示す、複数(例えば、5個)の発光点110aが所定方向に配列されたチップ状のマルチキャビティレーザ110が知られている。マルチキャビティレーザ110は、チップ状の半導体レーザを配列する場合と比べ、発光点を位置精度良く配列できるので、各発光点から出射されるレーザビームを合波し易い。但し、発光点が多くなるとレーザ製造時にマルチキャビティレーザ110に撓みが発生し易くなるため、発光点110aの個数は5個以下とするのが好ましい。
【0097】
本発明の露光ヘッドでは、このマルチキャビティレーザ110や、図21(B)に示すように、ヒートブロック100上に、複数のマルチキヤビティレーザ110が各チップの発光点110aの配列方向と同じ方向に配列されたマルチキャビティレーザアレイを、レーザ装置(光源)として用いることができる。
【0098】
また、合波レーザ光源は、複数のチップ状の半導体レーザから出射されたレーザ光を合波するものには限定されない。例えば、図22に示すように、複数(例えば、3個)の発光点110aを有するチップ状のマルチキャビティレーザ110を備えた合波レーザ光源を用いることができる。この合波レーザ光源は、マルチキャビティレーザ110と、1本のマルチモード光ファイバ130と、集光レンズ120と、を備えて構成されている。マルチキャビティレーザ110は、例えば、発振波長が405nmのGaN系レーザダイオードで構成することができる。
【0099】
上記の構成では、マルチキャビティレーザ110の複数の発光点110aの各々から出射したレーザビームBの各々は、集光レンズ120によって集光され、マルチモード光ファイバ130のコア130aに入射する。コア130aに入射したレーザ光は、光ファイバ内を伝搬し、1本に合波されて出射する。
【0100】
マルチキャビテイレーザ110の複数の発光点110aを、上記マルチモード光ファイバ130のコア径と略等しい幅内に並設すると共に、集光レンズ120として、マルチモード光ファイバ130のコア径と略等しい焦点距離の凸レンズや、マルチキャビティレーザ110からの出射ビームをその活性層に垂直な面内のみでコリメートするロッドレンズを用いることにより、レーザビームBのマルチモード光ファイバ130への結合効率を上げることができる。
【0101】
また、図23に示すように、複数(例えば、3個)の発光点を備えたマルチキャビティレーザ110を用い、ヒートブロック111上に複数(例えば、9個)のマルチキャビティレーザ110が互いに等間隔で配列されたレーザアレイ140を備えた合波レーザ光源を用いることができる。複数のマルチキヤビティレーザ110は、各チップの発光点110aの配列方向と同じ方向に配列されて固定されている。
【0102】
この合波レーザ光源は、レーザアレイ140と、各マルチキヤピティレーザ110に対応させて配置した複数のレンズアレイ114と、レーザアレイ140と複数のレンズアレイ114との間に配置された1本のロッドレンズ113と、1本のマルチモード光ファイバ130と、集光レンズ120と、を備えて構成されている。レンズアレイ114は、マルチキヤピティレーザ110の発光点に対応した複数のマイクロレンズを備えている。
【0103】
上記の構成では、複数のマルチキヤビティレーザ110の複数の発光点10aの各々から出射したレーザビームBの各々は、ロッドレンズ113により所定方向に集光された後、レンズアレイ114の各マイクロレンズにより平行光化される。平行光化されたレーザビームLは、集光レンズ120によって集光され、マルチモード光フアイバ130のコア130aに入射する。コア130aに入射したレーザ光は、光フアイバ内を伝搬し、1本に合波されて出射する。
【0104】
更に他の合波レーザ光源の例を示す。この合波レーザ光源は、図24(A)及び(B)に示すように、略矩形状のヒートブロック180上に光軸方向の断面がL字状のヒートブロック182が搭載され、2つのヒートブロック間に収納空間が形成されている。L字状のヒートブロック182の上面には、複数の発光点(例えば、5個)がアレイ状に配列された複数(例えば、2個)のマルチキャビティレーザ110が、各チップの発光点110aの配列方向と同じ方向に等間隔で配列されて固定されている。
【0105】
略矩形状のヒートブロック180には凹部が形成されており、ヒートブロック180の空間側上面には、複数の発光点(例えば、5個)がアレイ状に配列された複数(例えば、2個)のマルチキャビティレーザ110が、その発光点がヒートブロック182の上面に配置されたレーザチップの発光点と同じ鉛直面上に位置するように配置されている。
【0106】
マルチキャビティレーザ110のレーザ光出射側には、各チップの発光点110aに対応してコリメートレンズが配列されたコリメートレンズアレイ184が配置されている。コリメートレンズアレイ184は、各コリメートレンズの長さ方向とレーザビームの拡がり角が大きい方向(速軸方向)とが一致し、各コリメートレンズの幅方向が拡がり角が小さい方向(遅軸方向)と一致するように配置されている。このように、コリメートレンズをアレイ化して一体化することで、レーザ光の空間利用効率が向上し合波レーザ光源の高出力化が図られると共に、部品点数が減少し低コスト化することができる。
【0107】
また、コリメートレンズアレイ184のレーザ光出射側には、1本のマルチモード光ファイバ130と、このマルチモード光ファイバ130の入射端にレーザビームを集光して結合する集光レンズ120と、が配置されている。
【0108】
上記の構成では、レーザブロック180、182上に配置された複数のマルチキヤビティレーザ110の複数の発光点10aの各々から出射したレーザビームBの各々は、コリメートレンズアレイ184により平行光化され、集光レンズ120によって集光されて、マルチモード光フアイバ130のコア130aに入射する。コア130aに入射したレーザ光は、光フアイバ内を伝搬し、1本に合波されて出射する。
【0109】
この合波レーザ光源は、上記の通り、マルチキャビティレーザの多段配置とコリメートレンズのアレイ化とにより、特に高出力化を図ることができる。この合波レーザ光源を用いることにより、より高輝度なファイバアレイ光源やバンドルファイバ光源を構成することができるので、本発明の露光装置のレーザ光源を構成するファイバ光源として特に好適である。
【0110】
なお、上記の各合波レーザ光源をケーシング内に収納し、マルチモード光ファイバ130の出射端部をそのケーシングから引き出したレーザモジュールを構成することができる。
【0111】
また、上記の例では、合波レーザ光源のマルチモード光ファイバの出射端に、コア径がマルチモード光ファイバと同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバより小さい他の光ファイバを結合してファイバアレイ光源の高輝度化を図る例について説明したが、例えば、クラッド径が125μm、80μm、60μm等のマルチモード光ファイバを、出射端に他の光ファイバを結合せずに使用してもよい。
【0112】
[光量分布補正光学系]
上記の例では、露光ヘッドに1対の組合せレンズからなる光量分布補正光学系を用いている。この光量分布補正光学系は、光軸に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比が入射側に比べて出射側の方が小さくなるように各出射位置における光束幅を変化させて、光源からの平行光束をDMDに照射するときに、被照射面での光量分布が略均一になるように補正する。以下、この光量分布補正光学系の作用について説明する。
【0113】
まず、図25(A)に示したように、入射光束と出射光束とで、その全体の光束幅(全光束幅)H0、H1が同じである場合について説明する。なお、図25(A)において、符号51、52で示した部分は、光量分布補正光学系における入射面および出射面を仮想的に示したものである。
【0114】
光量分布補正光学系において、光軸Z1に近い中心部に入射した光束と、周辺部に入射した光束とのそれぞれの光束幅h0、h1が、同一であるものとする(h0=hl)。光量分布補正光学系は、入射側において同一の光束幅h0,h1であった光に対し、中心部の入射光束については、その光束幅h0を拡大し、逆に、周辺部の入射光束に対してはその光束幅h1を縮小するような作用を施す。すなわち、中心部の出射光束の幅h10と、周辺部の出射光束の幅h11とについて、h11<h10となるようにする。光束幅の比率で表すと、出射側における中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比「h11/h10」が、入射側における比(h1/h0=1)に比べて小さくなっている((h11/h10)<1)。
【0115】
このように光束幅を変化させることにより、通常では光量分布が大きくなっている中央部の光束を、光量の不足している周辺部へと生かすことができ、全体として光の利用効率を落とさずに、被照射面での光量分布が略均一化される。均一化の度合いは、例えば、有効領域内における光量ムラが30%以内、好ましくは20%以内となるようにする。
【0116】
このような光量分布補正光学系による作用、効果は、入射側と出射側とで、全体の光束幅を変える場合(図25(B),(C))においても同様である。
【0117】
図25(B)は、入射側の全体の光束幅H0を、幅H2に“縮小”して出射する場合(H0>H2)を示している。このような場合においても、光量分布補正光学系は、入射側において同一の光束幅h0、h1であった光を、出射側において、中央部の光束幅h10が周辺部に比べて大きくなり、逆に、周辺部の光束幅h11が中心部に比べて小さくなるようにする。光束の縮小率で考えると、中心部の入射光束に対する縮小率を周辺部に比べて小さくし、周辺部の入射光束に対する縮小率を中心部に比べて大きくするような作用を施している。この場合にも、中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比「H11/H10」が、入射側における比(h1/h0=1)に比べて小さくなる((h11/h10)<1)。
【0118】
図25(C)は、入射側の全体の光束幅H0を、幅Η3に“拡大”して出射する場合(H0<H3)を示している。このような場合においても、光量分布補正光学系は、入射側において同一の光束幅h0、h1であった光を、出射側において、中央部の光束幅h10が周辺部に比べて大きくなり、逆に、周辺部の光束幅h11が中心部に比べて小さくなるようにする。光束の拡大率で考えると、中心部の入射光束に対する拡大率を周辺部に比べて大きくし、周辺部の入射光束に対する拡大率を中心部に比べて小さくするような作用を施している。この場合にも、中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比「h11/h10」が、入射側における比(h1/h0=1)に比べて小さくなる((h11/h10)<1)。
【0119】
このように、光量分布補正光学系は、各出射位置における光束幅を変化させ、光軸Z1に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比を入射側に比べて出射側の方が小さくなるようにしたので、入射側において同一の光束幅であった光が、出射側においては、中央部の光束幅が周辺部に比べて大きくなり、周辺部の光束幅は中心部に比べて小さくなる。これにより、中央部の光束を周辺部へと生かすことができ、光学系全体としての光の利用効率を落とさずに、光量分布の略均一化された光束断面を形成することができる。
【0120】
図27は、上記光量分布補正光学系によって得られる照明光の光量分布を示している。横軸は光軸からの座標を示し、縦軸は光量比(%)を示す。なお、比較のために、図26に、補正を行わなかった場合の照明光の光量分布(ガウス分布)を示す。図26及び図27から分かるように、光量分布補正光学系で補正を行うことにより、補正を行わなかった場合と比べて、略均一化された光量分布が得られている。これにより、露光ヘッドにおける光の利用効率を落とさずに、均一なレーザ光でムラなく露光を行うことができる。
【0121】
[他の結像光学系]
上記の例では、露光ヘッドに使用するDMDの光反射側に、結像光学系として2組のレンズを配置したが、レーザ光を拡大して結像する結像光学系を配置してもよい。DMDにより反射される光束線の断面積を拡大することで、被露光面における露光エリア面積(画像領域)を所望の大きさに拡大することができる。
【0122】
例えば、露光ヘッドを、図28(A)に示すように、DMD50、DMD50にレーザ光を照射する照明装置144、DMD50で反射されたレーザ光を拡大して結像するレンズ系454、458、DMD50の各画素に対応して多数のマイクロレンズ474が配置されたマイクロレンズアレイ472、マイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズに対応して多数のアパーチャ478が設けられたアパーチャアレイ476、アパーチャを通過したレーザ光を被露光面56に結像するレンズ系480、482で構成することができる。
【0123】
この露光ヘッドでは、照明装置144からレーザ光が照射されると、DMD50によりオン方向に反射される光束線の断面積が、レンズ系454、458により数倍(例えば、2倍)に拡大される。拡大されたレーザ光は、マイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズによりDMD50の各画素に対応して集光され、アパーチャアレイ476の対応するアパーチャを通過する。アパーチャを通過したレーザ光は、レンズ系480、482により被露光面56上に結像される。
【0124】
この結像光学系では、DMD50により反射されたレーザ光は、拡大レンズ454、458により数倍に拡大されて被露光面56に投影されるので、全体の画像領域が広くなる。このとき、マイクロレンズアレイ472及びアパーチャアレイ476が配置されていなければ、図28(B)に示すように、被露光面56に投影される各ビームスポットBSの1画素サイズ(スポットサイズ)が露光エリア468のサイズに応じて大きなものとなり、露光エリア468の鮮鋭度を表すMTF(Modulation Transfer Function)特性が低下する。
【0125】
一方、マイクロレンズアレイ472及びアパーチャアレイ476を配置した場合には、DMD50により反射されたレーザ光は、マイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズによりDMD50の各画素に対応して集光される。これにより、図28(C)に示すように、露光エリアが拡大された場合でも、各ビームスポットBSのスポットサイズを所望の大きさ(例えば、10μm×10μm)に縮小することができ、MTF特性の低下を防止して高精細な露光を行うことができる。なお、露光エリア468が傾いているのは、画素間の隙間を無くす為にDMD50を傾けて配置しているからである。
【0126】
また、マイクロレンズの収差によるビームの太りがあっても、アパーチャによって被露光面56上でのスポットサイズが一定の大きさになるようにビームを整形することができると共に、各画素に対応して設けられたアパーチャを通過させることにより、隣接する画素間でのクロストークを防止することができる。
【0127】
更に、照明装置144に上記の例と同様に高輝度光源を使用することにより、レンズ458からマイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズに入射する光束の角度が小さくなるので、隣接する画素の光束の一部が入射するのを防止することができる。即ち、高消光比を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法で接続された光ファイバを用いる露光装置の外観を示す斜視図
【図2】図1の露光装置のスキャナの構成を示す斜視図
【図3】(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4】図1の露光装置の露光ヘッドの概略構成を示す斜視図
【図5】(A)は図4に示す露光ヘッドの構成を示す光軸に沿った副走査方向の断面図、(B)は(A)の側面図
【図6】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
【図7】(A)及び(B)はDMDの動作を説明するための説明図
【図8】(A)及び(B)は、DMDを傾斜配置しない場合と傾斜配置する場合とで、露光ビームの配置及び走査線を比較して示す平面図
【図9】(A)はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図、(B)は(A)の部分拡大図、(C)及び(D)はレーザ出射部における発光点の配列を示す平面図
【図10】マルチモード光ファイバの構成を示す図
【図11】合波レーザ光源の構成を示す平面図
【図12】レーザモジュールの構成を示す平面図
【図13】図12に示すレーザモジュールの構成を示す側面図
【図14】図12に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図
【図15】(A)及び(B)は、従来の露光装置における焦点深度と図1の露光装置における焦点深度との相違を示す光軸に沿った断面図
【図16】(A)及び(B)は、DMDの使用領域の例を示す図
【図17】(A)はDMDの使用領域が適正である場合の側面図、(B)は(A)の光軸に沿った副走査方向の断面図
【図18】スキャナによる1回の走査で感光材料を露光する露光方式を説明するための平面図
【図19】(A)及び(B)はスキャナによる複数回の走査で感光材料を露光する露光方式を説明するための平面図
【図20】レーザアレイの構成を示す斜視図
【図21】(A)はマルチキャビティレーザの構成を示す斜視図、(B)は(A)に示すマルチキャビティレーザをアレイ状に配列したマルチキャビティレーザアレイの斜視図
【図22】合波レーザ光源の他の構成を示す平面図
【図23】合波レーザ光源の他の構成を示す平面図
【図24】(A)は合波レーザ光源の他の構成を示す平面図、(B)は(A)の光軸に沿った断面図
【図25】光量分布補正光学系による補正の概念についての説明図
【図26】光源がガウス分布で且つ光量分布の補正を行わない場合の光量分布を示すグラフ
【図27】光量分布補正光学系による補正後の光量分布を示すグラフ
【図28】(A)は結合光学系の異なる他の露光ヘッドの構成を示す光軸に沿った断面図、(B)はマイクロレンズアレイ等を使用しない場合に被露光面に投影される光像を示す平面図、(C)はマイクロレンズアレイ等を使用した場合に被露光面に投影される光像を示す平面図
【図29】本発明の一実施の形態による光ファイバの接続方法を説明する図
【図30】本発明の別の実施の形態による光ファイバの接続方法を説明する図
【図31】本発明のさらに別の実施の形態による光ファイバの接続方法を説明する図
【符号の説明】
LD1〜LD7 GaN系半導体レーザ
30、31 マルチモード光ファイバ
30a、31a マルチモード光ファイバのコア
30b、31b マルチモード光ファイバのクラッド
30c、30c’ マルチモード光ファイバの小径部分
32 中間的な外径を有する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)
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
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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for connecting optical fibers, and more particularly to a method for connecting two optical fibers having different clad diameters.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various optical fibers in which a core is covered with a clad having a lower refractive index are widely used as means for propagating light such as laser light. A plurality of optical fibers are often used to form a so-called fiber bundle to propagate a large amount of light. When a fiber bundle is configured in this way, there is a demand for arranging a larger number of optical fibers at a high density at the light emitting end or the light incident end.
[0003]
Therefore, conventionally, as disclosed in, for example, Patent Document 1, it has been considered that the cladding is thinly processed at each one end portion of the plurality of optical fibers, and the thinly processed one end portions are arranged in close contact with each other. In order to process the clad as described above, in Patent Document 1, it is proposed to etch one end of the optical fiber with hydrofluoric acid.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2801329
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-mentioned hydrofluoric acid is a dangerous chemical that melts the glass, so it needs to be handled with care. Therefore, the processing of the optical fiber with hydrofluoric acid is not good. Yes.
[0006]
Therefore, it is conceivable to connect another optical fiber having a smaller cladding diameter to the tip of the optical fiber normally used for light propagation and to bundle the optical fiber portion having the smaller cladding diameter. . In order to connect the two optical fibers in this way, conventionally, a discharge-type fusion splicer is widely used in which one end portions of the two optical fibers are coaxially aligned and fusion-bonded.
[0007]
However, when two optical fibers having a large difference in outer diameter (cladding diameter) are fusion spliced in this way, if the discharge conditions are set so that the thicker optical fiber melts appropriately, the thinner optical fiber May melt too much and the tip may be rounded, and the two optical fibers may not be properly fusion spliced. On the other hand, if the discharge conditions are set so that the thin optical fiber can be melted appropriately, the thick optical fiber will not melt because the discharge is weak, and in this case as well, both optical fibers will be in close contact and melt properly. Incoming connection may not be possible. In the case of this conventional method, specifically, a loss of about 1 dB occurs in this connection portion, and the connection efficiency may remain at about 80%.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method capable of reliably connecting two optical fibers having a large difference in outer diameter.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Book No. by invention 1 The optical fiber connection method of
The In a method of connecting two optical fibers having different lad diameters,
A clad at one end of an optical fiber having a large clad diameter, The diameter of the end face is Intermediate diameter between the clads of both optical fibers To be To process
An optical fiber having a small cladding diameter is fused to one end of the processed optical fiber.
[0011]
In addition, according to the present invention 2 The optical fiber connection method of
Similarly, in a method of connecting two optical fibers having different clad diameters,
An optical fiber having a large cladding diameter and an optical fiber having a small cladding diameter are fused to one end and the other end of an optical fiber having an intermediate cladding diameter of these optical fibers, respectively. Is.
[0012]
【The invention's effect】
In the first optical fiber connecting method according to the present invention, the cladding at one end of the optical fiber having a large cladding diameter is processed to have a diameter substantially the same as the cladding diameter of the optical fiber having a small cladding diameter. Since an optical fiber having a small cladding diameter is fused to one end of the optical fiber, the fusion splicing is performed between optical fibers having substantially the same cladding diameter. Therefore, the optical fiber with the smaller outer diameter may melt too much, or the optical fiber with the larger outer diameter may not melt, as in the case of fusion splicing between optical fibers with greatly different outer diameters. Therefore, both optical fibers can be easily and reliably connected.
[0013]
In the second optical fiber connecting method according to the present invention, the clad at one end of the optical fiber having a large clad diameter is processed into an intermediate diameter between both optical fibers, and the processed optical fiber is processed. Since an optical fiber having a small clad diameter is fused to one end of the optical fiber, the fusion splicing is performed between optical fibers whose clad diameters are not significantly different. Therefore, even in this method, the optical fiber with the smaller outer diameter is melted too much, or the optical fiber with the larger outer diameter is not melted, as in the case of fusion splicing of optical fibers having greatly different outer diameters. Therefore, both optical fibers can be easily and reliably connected.
[0014]
In the third optical fiber connecting method according to the present invention, an optical fiber having a large cladding diameter and an optical fiber having a small cladding diameter are interposed between optical fibers having intermediate cladding diameters. Since the fusion-splicing is performed, an optical fiber having an intermediate cladding diameter and an optical fiber having a large cladding diameter are fused and an optical fiber having an intermediate cladding diameter is small. The fusion splicing with a certain optical fiber is made between optical fibers whose clad diameters do not differ greatly. Therefore, even in this method, the optical fiber with the smaller outer diameter is melted too much, or the optical fiber with the larger outer diameter is not melted, as in the case of fusion splicing of optical fibers having greatly different outer diameters. Thus, each optical fiber can be easily and reliably connected.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 29 illustrates an optical fiber connection method according to an embodiment of the present invention. In this example, as shown in the figure, as an example, the multimode optical fiber 31 having an outer diameter (cladding diameter) of 60 μm, which is smaller than that at the tip of the multimode optical fiber 30 having an outer diameter (cladding diameter) of 125 μm. Connect. The multimode optical fiber 30 is a step index type optical fiber as an example, and a core 30a is covered with a clad 30b having a lower refractive index than that of the core 30a. Similarly, in the multimode optical fiber 31, the core 31a is covered with a clad 31b having a lower refractive index.
[0017]
The multimode optical fiber 30 has a clad diameter = 125 μm, a core diameter = 50 μm, NA = 0.2, the transmittance of the incident end face coat = 99.5% or more, and the multimode optical fiber 31 has a clad diameter = 60 μm, Core diameter = 50 μm, NA = 0.2.
[0018]
First, as shown in FIG. 2A, the cladding 30b at the tip of the multimode optical fiber 30 is subjected to machining such as polishing to form a small diameter portion 30c having a length of about 1 mm, for example. The outer diameter of the small diameter portion 30 c is 60 μm, which is equal to the cladding diameter of the multimode optical fiber 31.
[0019]
Next, as shown in FIG. 2B, the multi-mode optical fiber 31 having the same outer diameter is fused and connected to the tip of the small diameter portion 30c so that the core axes are aligned coaxially. For this fusion, a general discharge-type fusion splicer conventionally used for fusion of this type of optical fiber may be used. As such an optical fiber fusion splicer, for example, a small core direct view type optical fiber fusion splicer SUMIOFCAS “Type-37” manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd. may be mentioned.
[0020]
As described above, in the method of the present embodiment, the small-diameter portion 30c is formed at the distal end portion of the multimode optical fiber 30, and then the multimode optical fiber 31 having the same outer diameter is fused and connected to the small diameter portion 30c. Therefore, the optical fiber 31 with the smaller outer diameter is melted too much, or the optical fiber 30 with the larger outer diameter is not melted, as in the case of fusion splicing of optical fibers having greatly different outer diameters. Therefore, both optical fibers 30 and 31 can be connected easily and reliably. Specifically, the loss at the connection portion between both optical fibers 30 and 31 can be suppressed to about 0.05 dB, and a connection efficiency of 99% can be realized.
[0021]
As will be described later, a plurality of optical fibers formed by connecting both optical fibers 30 and 31 are prepared, and the tip portions of these optical fibers 31 are bundled and used. That is, since the small-diameter portion 30c at the tip of the optical fiber 30 is not bundled, the machining accuracy required for the small-diameter portion 30c is not so high, and the small-diameter portion 30c can be easily formed.
[0022]
Next, referring to FIG. 30, an optical fiber connecting method according to another embodiment of the present invention will be described. In FIG. 30, the same elements as those in FIG. 29 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless necessary (the same applies hereinafter).
[0023]
In this embodiment, the cladding 30b at the tip of the multimode optical fiber 30 is subjected to mechanical processing such as polishing to form a small diameter portion 30c ′ having a length of about 1 mm, for example. The outer diameter of the small diameter portion 30c ′ is set to 80 μm, which is slightly larger than the clad diameter of 60 μm of the multimode optical fiber 31. Next, the multi-mode optical fiber 31 having a slightly smaller outer diameter is fused and connected to the tip of the small-diameter portion 30c ′ so that the core axes are coaxially aligned with each other.
[0024]
Even in the above-described manner, the optical fiber 31 with the smaller outer diameter is melted as in the case where the multimode optical fiber 31 having a greatly different outer diameter is fused and connected directly to the tip of the multimode optical fiber 30. The optical fiber 30 having a larger outer diameter is not melted, and the both optical fibers 30 and 31 can be easily and reliably connected.
[0025]
Next, with reference to FIG. 31, an optical fiber connecting method according to still another embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, first, the multimode optical fiber 32 having an outer diameter smaller than that and larger than the multimode optical fiber 31 and having an outer diameter of 80 μm is fusion spliced to the tip of the multimode optical fiber 30. To do. Next, the multimode optical fiber 31 having an outer diameter smaller than that of the multimode optical fiber 32 having the intermediate diameter is fused and connected.
[0026]
As described above, when the multimode optical fiber 32 whose outer diameter is not significantly different from the multimode optical fiber 30 is fusion-spliced, the optical fiber 32 having the smaller outer diameter is melted excessively, or conversely. When the multimode optical fiber 31 whose outer diameter is not greatly different from the multimode optical fiber 32 is fused without splicing the optical fiber 30 with the larger outer diameter, The optical fiber 31 with the smaller outer diameter is not melted excessively, and the optical fiber 32 with the larger outer diameter is not melted. As a result, both optical fibers 30 and 31 can be connected easily and reliably. It becomes.
[0027]
In contrast to the above, the optical fiber 31 and the optical fiber 32 may be fused and then the optical fiber 30 and the optical fiber 32 may be fused and connected. The effect is obtained.
[0028]
Next, an example of an exposure apparatus using a multimode optical fiber connected by the method of the present invention will be described.
[0029]
[Configuration of exposure apparatus]
As shown in FIG. 1, the exposure apparatus of this example includes a flat stage 152 that holds a sheet-like photosensitive material 150 by adsorbing to the surface. Two guides 158 extending along the stage moving direction are installed on the upper surface of the thick plate-shaped installation table 156 supported by the four legs 154. The stage 152 is arranged so that the longitudinal direction thereof faces the stage moving direction, and is supported by a guide 158 so as to be reciprocally movable. The exposure apparatus is provided with a drive device (not shown) for driving the stage 152 along the guide 158.
[0030]
A U-shaped gate 160 is provided at the center of the installation table 156 so as to straddle the movement path of the stage 152. Each of the ends of the U-shaped gate 160 is fixed to both side surfaces of the installation table 156. A scanner 162 is provided on one side of the gate 160, and a plurality of (for example, two) detection sensors 164 for detecting the front and rear ends of the photosensitive material 150 are provided on the other side. The scanner 162 and the detection sensor 164 are respectively attached to the gate 160 and fixedly arranged above the moving path of the stage 152. The scanner 162 and the detection sensor 164 are connected to a controller (not shown) that controls them.
[0031]
As shown in FIGS. 2 and 3B, the scanner 162 includes a plurality of (for example, 14) exposure heads 166 arranged in an approximately matrix of m rows and n columns (for example, 3 rows and 5 columns). ing. In this example, four exposure heads 166 are arranged in the third row in relation to the width of the photosensitive material 150. In the case where individual exposure heads arranged in the m-th row and the n-th column are shown, the exposure head 166 is used. mn Is written.
[0032]
An exposure area 168 by the exposure head 166 has a rectangular shape with a short side in the sub-scanning direction. Therefore, as the stage 152 moves, a strip-shaped exposed area 170 is formed for each exposure head 166 in the photosensitive material 150. In addition, when showing the exposure area by each exposure head arranged in the mth row and the nth column, the exposure area 168 is shown. mn Is written.
[0033]
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 areas 170 are arranged without gaps in the direction orthogonal to the sub-scanning direction. These are arranged with a predetermined interval (natural number times the long side of the exposure area, twice in this example) in the arrangement direction. Therefore, the exposure area 168 in the first row 11 And exposure area 168 12 The portion that cannot be exposed between the exposure area 168 and the exposure area 168 in the second row twenty one And exposure area 168 in the third row 31 And can be exposed.
[0034]
Exposure head 166 11 ~ 166 mn As shown in FIGS. 4, 5 (A) and 5 (B), each of them is a digital micromirror device (spatial light modulation element that modulates an incident light beam for each pixel according to image data. DMD) 50. The DMD 50 is connected to a controller (not shown) including a data processing unit and a mirror drive control unit. The data processing unit of this controller generates a control signal for driving and controlling each micromirror in the region to be controlled by the DMD 50 for each exposure head 166 based on the input image data. The area to be controlled will be described later. The mirror drive control unit controls the angle of the reflection surface of each micromirror of the DMD 50 for each exposure head 166 based on the control signal generated by the image data processing unit. The control of the angle of the reflecting surface will be described later.
[0035]
On the light incident side of the DMD 50, a fiber array light source 66 including a laser emitting section in which emission ends (light emitting points) of an optical fiber are arranged in a line along a direction corresponding to the long side direction of the exposure area 168, a fiber A lens system 67 for correcting the laser light emitted from the array light source 66 and condensing it on the DMD, and a mirror 69 for reflecting the laser light transmitted through the lens system 67 toward the DMD 50 are arranged in this order.
[0036]
The lens system 67 includes a pair of combination lenses 71 that collimate the laser light emitted from the fiber array light source 66 and a pair of combination lenses that correct the light quantity distribution of the collimated laser light to be uniform. 73 and a condensing lens 75 that condenses the laser light whose light quantity distribution is corrected on the DMD. With respect to the arrangement direction of the laser emitting ends, the combination lens 73 spreads the light beam at a portion close to the optical axis of the lens and contracts the light beam at a portion away from the optical axis, and with respect to a direction orthogonal to the arrangement direction. Has a function of allowing light to pass through as it is, and corrects the laser light so that the light quantity distribution is uniform.
[0037]
Further, on the light reflection side of the DMD 50, lens systems 54 and 58 for forming an image of the laser light reflected by the DMD 50 on the scanning surface (exposed surface) 56 of the photosensitive material 150 are arranged. The lens systems 54 and 58 are arranged so that the DMD 50 and the exposed surface 56 are in a conjugate relationship.
[0038]
As shown in FIG. 6, the DMD 50 is configured such that a micromirror 62 is supported by a support column on an SRAM cell (memory cell) 60, and a large number of (pixels) (pixels) are formed. For example, the mirror device is configured by arranging 600 × 800 micromirrors in a lattice pattern. Each pixel is provided with a micromirror 62 supported by a support column at the top, and a material having a high reflectance such as aluminum is deposited on the surface of the micromirror 62. The reflectance of the micromirror 62 is 90% or more. A silicon gate CMOS SRAM cell 60 manufactured in a normal semiconductor memory manufacturing line is disposed directly below the micromirror 62 via a support including a hinge and a yoke, and is entirely monolithic (integrated type). ).
[0039]
When a digital signal is written in the SRAM cell 60 of the DMD 50, the micromirror 62 supported by the support is inclined within a range of ± α degrees (for example, ± 10 degrees) with respect to the substrate side on which the DMD 50 is disposed with the diagonal line as the center. It is done. FIG. 7A shows a state in which the micromirror 62 is tilted to + α degrees in the on state, and FIG. 7B shows a state in which the micromirror 62 is tilted to −α degrees in the off state. Therefore, by controlling the inclination of the micromirror 62 in each pixel of the DMD 50 as shown in FIG. 6 according to the image signal, the light incident on the DMD 50 is reflected in the inclination direction of each micromirror 62. .
[0040]
FIG. 6 shows an example of a state in which a part of the DMD 50 is enlarged and the micromirror 62 is controlled to + α degrees or −α degrees. On / off control of each micromirror 62 is performed by a controller (not shown) connected to the DMD 50. A light absorber (not shown) is arranged in the direction in which the light beam is reflected by the micromirror 62 in the off state.
[0041]
Further, it is preferable that the DMD 50 is disposed with a slight inclination so that the short side forms a predetermined angle θ (for example, 1 ° to 5 °) with the sub-scanning direction. 8A shows the scanning trajectory of the reflected light image (exposure beam) 53 by each micromirror when the DMD 50 is not tilted, and FIG. 8B shows the scanning trajectory of the exposure beam 53 when the DMD 50 is tilted. Show.
[0042]
In the DMD 50, a number of micromirror arrays in which a large number (for example, 800) of micromirrors are arranged in the longitudinal direction are arranged in a large number (for example, 600 sets) in the short direction. As shown, the pitch P of the scanning trajectory (scanning line) of the exposure beam 53 by each micromirror is obtained by inclining the DMD 50. 1 However, the pitch P of the scanning line when the DMD 50 is not inclined. 2 It becomes narrower and the resolution can be greatly improved. On the other hand, since the tilt angle of the DMD 50 is very small, the scanning width W when the DMD 50 is tilted. 2 And the scanning width W when the DMD 50 is not inclined. 1 Is substantially the same.
[0043]
Further, the same scanning line is overlapped and exposed (multiple exposure) by different micromirror rows. In this way, by performing multiple exposure, it is possible to control a minute amount of the exposure position 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.
[0044]
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 DMD 50.
[0045]
As shown in FIG. 9A, the fiber array light source 66 includes a plurality of (for example, six) laser modules 64, and one end of the multimode optical fiber 30 is coupled to each laser module 64. Yes. The other end of the multimode optical fiber 30 is coupled with an optical fiber 31 having the same core diameter as the multimode optical fiber 30 and a cladding diameter smaller than the multimode optical fiber 30, as shown in FIG. A laser emission portion 68 is configured by arranging the emission end portions (light emission points) of the optical fiber 31 in one row along the main scanning direction orthogonal to the sub-scanning direction. As shown in FIG. 9D, the light emitting points can be arranged in two rows along the main scanning direction.
[0046]
As shown in FIG. 9B, the emission end of the optical fiber 31 is sandwiched and fixed between two support plates 65 having a flat surface. Further, a transparent protective plate 63 such as glass is disposed on the light emitting side of the optical fiber 31 in order to protect the end face of the optical fiber 31. The protective plate 63 may be disposed in close contact with the end surface of the optical fiber 31 or may be disposed so that the end surface of the optical fiber 31 is sealed. The light emitting end portion of the optical fiber 31 has a high light density and is likely to collect dust and easily deteriorate. However, by disposing the protective plate 63, it is possible to prevent the dust from adhering to the end face and to delay the deterioration.
[0047]
In this example, in order to arrange the emission ends of the optical fibers 31 with a small cladding diameter in a line without any gaps, the multimode optical fiber 30 is placed between two adjacent multimode optical fibers 30 at a portion with a large cladding diameter. Two exit ends of the optical fiber 31 coupled to the two multimode optical fibers 30 adjacent to each other at the portion where the cladding diameter is large are the exit ends of the optical fiber 31 coupled to the stacked and stacked multimode optical fibers 30. Are arranged so as to be sandwiched between them.
[0048]
As shown in FIG. 10, in this optical fiber, a small diameter portion 30c is formed at a tip portion on the laser light emission side of a multimode optical fiber 30 having a large cladding diameter, and a cladding having a length of 1 to 30 cm is formed in the small diameter portion 30c. An optical fiber 31 having a small diameter is coupled coaxially, and is formed by the method described above with reference to FIG. Here, the diameter of the core 31 a of the optical fiber 31 is the same as the diameter of the core 30 a of the multimode optical fiber 30. Hereinafter, the optical fiber 31 may be referred to as an emission end portion of the multimode optical fiber 30.
[0049]
The multimode optical fiber 30 and the optical fiber 31 may be any of a step index type optical fiber, a graded index type optical fiber, and a composite type optical fiber. For example, a step index type optical fiber manufactured by Mitsubishi Cable Industries, Ltd. can be used. In this example, the multimode optical fiber 30 and the optical fiber 31 are step index type optical fibers. The multimode optical fiber 30 has a cladding diameter = 125 μm, a core diameter = 50 μm, NA = 0.2, and an incident end face coating. The transmittance is 99.5% or more, and the optical fiber 31 has a cladding diameter = 60 μm, a core diameter = 50 μm, and NA = 0.2.
[0050]
In general, in the laser light in the infrared region, the propagation loss increases as the cladding diameter of the optical fiber is reduced. For this reason, a suitable cladding diameter is determined according to the wavelength band of the laser beam. However, the shorter the wavelength, the smaller the propagation loss. In the case of laser light having a wavelength of 405 nm emitted from a GaN-based semiconductor laser, the cladding thickness {(cladding diameter−core diameter) / 2} is set to an infrared light having a wavelength band of 800 nm. The propagation loss hardly increases even if it is about ½ of the case of propagating infrared light and about ¼ of the case of propagating infrared light in the 1.5 μm wavelength band for communication. Therefore, the cladding diameter can be reduced to 60 μm.
[0051]
However, the cladding diameter of the optical fiber 31 is not limited to 60 μm. The clad diameter of the optical fiber used in the conventional fiber light source is 125 μm, but the depth of focus becomes deeper as the clad diameter becomes smaller. Therefore, the clad diameter of the multimode optical fiber is preferably 80 μm or less, more preferably 60 μm or less. Preferably, it is 40 μm or less. On the other hand, since the core diameter needs to be at least 3 to 4 μm, the cladding diameter of the optical fiber 31 is preferably 10 μm or more.
[0052]
The laser module 64 is configured by a combined laser light source (fiber light source) shown in FIG. This combined laser light source includes a plurality of (for example, seven) chip-like lateral multimode or single mode GaN-based semiconductor lasers LD1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6, arrayed and fixed on the heat block 10. And LD7, collimator lenses 11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17 provided corresponding to each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, one condenser lens 20, and one multi-lens. Mode optical fiber 30. The number of semiconductor lasers is not limited to seven. For example, as many as 20 semiconductor laser beams can be incident on a multimode optical fiber having a cladding diameter = 60 μm, a core diameter = 50 μm, and NA = 0.2. In addition, the number of optical fibers can be further reduced.
[0053]
The GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 all have the same oscillation wavelength (for example, 405 nm), and the maximum output is also all the same (for example, 100 mW for the multimode laser and 30 mW for the single mode laser). As the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, lasers having an oscillation wavelength other than the above 405 nm in a wavelength range of 350 nm to 450 nm may be used.
[0054]
As shown in FIGS. 12 and 13, the above-described combined laser light source is housed in a box-shaped package 40 having an upper opening together with other optical elements. The package 40 includes a package lid 41 created so as to close the opening thereof. After the deaeration process, a sealing gas is introduced, and the package 40 and the package lid 41 are closed by closing the opening of the package 40 with the package lid 41. 41. The combined laser light source is hermetically sealed in a closed space (sealed space) formed by 41.
[0055]
A base plate 42 is fixed to the bottom surface of the package 40, and the heat block 10, a condensing lens holder 45 that holds the condensing lens 20, and the multimode optical fiber 30 are disposed on the top surface of the base plate 42. A fiber holder 46 that holds the incident end is attached. The exit end of the multimode optical fiber 30 is drawn out of the package from an opening formed in the wall surface of the package 40.
[0056]
Further, a collimator lens holder 44 is attached to the side surface of the heat block 10, and the collimator lenses 11 to 17 are held. An opening is formed in the lateral wall surface of the package 40, and wiring 47 for supplying a driving current to the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 is drawn out of the package through the opening.
[0057]
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 collimator lens 17 among the plurality of collimator lenses is numbered. is doing.
[0058]
FIG. 14 shows the front shape of the attachment part of the collimator lenses 11-17. Each of the collimator lenses 11 to 17 is formed in a shape obtained by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspherical surface into a long and narrow plane. This elongated collimator lens can be formed, for example, by molding resin or optical glass. The collimator lenses 11 to 17 are closely arranged in the arrangement direction of the light emitting points so that the length direction is orthogonal to the arrangement direction of the light emitting points of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 (left and right direction in FIG. 14).
[0059]
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 in a state parallel to the active layer and a divergence angle in a direction perpendicular to each other, for example, 10 ° and 30 °. 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.
[0060]
Accordingly, 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 elongated collimator lenses 11 to 17 as described above. Incident light is incident in a state where the direction coincides with the width direction (direction perpendicular to the length direction). That is, the collimator lenses 11 to 17 have a width of 1.1 mm and a length of 4.6 mm, and the horizontal and vertical beam diameters of the laser beams B1 to B7 incident thereon are 0.9 mm and 2. 6 mm. Each of the collimator lenses 11 to 17 has a focal length f. 1 = 3 mm, NA = 0.6, and lens arrangement pitch = 1.25 mm.
[0061]
The condensing lens 20 is formed by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspheric surface into a long and narrow shape in parallel planes, and is long in the arrangement direction of the collimator lenses 11 to 17, that is, in a horizontal direction and short in a direction perpendicular thereto. Is formed. The condenser lens 20 has a focal length f. 2 = 23 mm, NA = 0.2. This condensing lens 20 is also formed by molding resin or optical glass, for example.
[0062]
[Operation of exposure apparatus]
Next, the operation of the exposure apparatus will be described.
[0063]
In each exposure head 166 of the scanner 162, laser beams B1, B2, B3, B4, B5, and B6 emitted in a divergent light state from each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 constituting the combined laser light source of the fiber array light source 66. , And B7 are collimated by corresponding collimator lenses 11-17. The collimated laser beams B <b> 1 to B <b> 7 are collected by the condenser lens 20 and converge on the incident end face of the core 30 a of the multimode optical fiber 30.
[0064]
In this example, the collimator lenses 11 to 17 and the condenser lens 20 constitute a condensing optical system, and the condensing optical system and the multimode optical fiber 30 constitute a multiplexing optical system. That is, the laser beams B1 to B7 condensed as described above by the condenser lens 20 enter the core 30a of the multimode optical fiber 30 and propagate through the optical fiber to be combined with one laser beam B. The light is emitted from the optical fiber 31 coupled to the output end of the multimode optical fiber 30.
[0065]
In each laser module, when the coupling efficiency of the laser beams B1 to B7 to the multimode optical fiber 30 is 0.85 and each output of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 is 30 mW, the light arranged in an array For each of the fibers 31, a combined laser beam B with an output of 180 mW (= 30 mW × 0.85 × 7) can be obtained. Therefore, the output from the laser emitting unit 68 in which the six optical fibers 31 are arranged in an array is about 1 W (= 180 mW × 6).
[0066]
In the laser emitting portion 68 of the fiber array light source 66, light emission points with high luminance are arranged in a line along the main scanning direction as described above. A conventional fiber light source that couples laser light from a single semiconductor laser to a single optical fiber has low output, so a desired output could not be obtained unless multiple rows are arranged. Since the combined laser light source to be used has a high output, a desired output can be obtained even with a small number of columns, for example, one column.
[0067]
For example, in a conventional fiber light source in which a semiconductor laser and an optical fiber are coupled on a one-to-one basis, a laser having an output of about 30 mW (milliwatt) is usually used as the semiconductor laser, and the core diameter is 50 μm and the cladding diameter is 125 μm. Since a multimode optical fiber having a numerical aperture (NA) of 0.2 is used, if an output of about 1 W (watt) is to be obtained, 48 multimode optical fibers (8 × 6) must be bundled. The area of the light emitting region is 0.62 mm 2 (0.675 mm × 0.925 mm), the luminance at the laser emission unit 68 is 1.6 × 10 6. 6 (W / m 2 ) The brightness per optical fiber is 3.2 × 10 6 (W / m 2 ).
[0068]
On the other hand, in this example, as described above, an output of about 1 W can be obtained with the six multimode optical fibers, and the area of the light emitting region at the laser emitting portion 68 is 0.0081 mm. 2 (0.325 mm × 0.025 mm), the luminance at the laser emission unit 68 is 123 × 10. 6 (W / m 2 Thus, the brightness can be increased by about 80 times compared to the conventional case. In addition, the luminance per optical fiber is 90 × 10 6 (W / m 2 The brightness can be increased by about 28 times compared to the conventional case.
[0069]
Here, with reference to FIGS. 15A and 15B, the difference in depth of focus between the conventional exposure head and the exposure head of this example will be described. The diameter of the light emission region of the bundled fiber light source of the conventional exposure head in the sub-scanning direction is 0.675 mm, and the diameter of the light emission region of the fiber array light source of the exposure head of this example is 0.025 mm. As shown in FIG. 15A, in the conventional exposure head, since the light emitting area of the light source (bundle-shaped fiber light source) 1 is large, the angle of the light beam incident on the DMD 3 increases, and as a result, the light enters the scanning surface 5. The angle of the light beam increases. For this reason, the beam diameter tends to increase with respect to the light condensing direction (shift in the focus direction).
[0070]
On the other hand, as shown in FIG. 15B, in the exposure head of this example, since the diameter of the light emitting region of the fiber array light source 66 is small in the sub-scanning direction, the angle of the light beam that passes through the lens system 67 and enters the DMD 50 As a result, the angle of the light beam incident on the scanning surface 56 is reduced. That is, the depth of focus becomes deep. In this example, the diameter of the light emitting region in the sub-scanning direction is about 1/30 of the conventional one, and a depth of focus corresponding to a diffraction limit can be obtained. Therefore, it is suitable for exposure of a minute spot. This effect on the depth of focus is more prominent and effective as the required light quantity of the exposure head is larger. In this example, the size of one pixel projected on the exposure surface is 10 μm × 10 μm. The DMD is a reflective spatial light modulator, but FIGS. 15A and 15B are developed views for explaining the optical relationship.
[0071]
Image data corresponding to the exposure pattern is input to a controller (not shown) connected to the DMD 50 and temporarily stored in a frame memory in the controller. This image data is data representing the density of each pixel constituting the image by binary values (whether or not dots are recorded).
[0072]
The stage 152 that has adsorbed the photosensitive material 150 to the surface is moved at a constant speed from the upstream side to the downstream side of the gate 160 along the guide 158 by a driving device (not shown). When the leading edge of the photosensitive material 150 is detected by the detection sensor 164 attached to the gate 160 when the stage 152 passes under the gate 160, the image data stored in the frame memory is sequentially read out for a plurality of lines. A control signal is generated for each exposure head 166 based on the image data read by the data processing unit. Then, each of the micromirrors of the DMD 50 is controlled on and off for each exposure head 166 based on the generated control signal by the mirror drive control unit.
[0073]
When the DMD 50 is irradiated with laser light from the fiber array light source 66, the laser light reflected when the micromirror of the DMD 50 is in the on state forms an image on the exposed surface 56 of the photosensitive material 150 by the lens systems 54 and 58. Is done. In this manner, the laser light emitted from the fiber array light source 66 is turned on and off for each pixel, and the photosensitive material 150 is exposed in pixel units (exposure area 168) that is approximately the same number as the number of pixels used in the DMD 50. Further, when the photosensitive material 150 is moved at a constant speed together with the stage 152, the photosensitive material 150 is sub-scanned in the direction opposite to the stage moving direction by the scanner 162, and a strip-shaped exposed region 170 is formed for each exposure head 166. It is formed.
[0074]
As shown in FIGS. 16A and 16B, in the DMD 50, 600 sets of micromirror arrays in which 800 micromirrors are arranged in the main scanning direction are arranged in the subscanning direction. In this example, Control is performed so that only a part of micromirror rows (for example, 800 × 100 rows) are driven by the controller.
[0075]
As shown in FIG. 16A, a micromirror array arranged at the center of the DMD 50 may be used, and as shown in FIG. 16B, the micromirror array arranged at the end of the DMD 50 is used. May be used. In addition, when a defect occurs in some of the micromirrors, the micromirror array to be used may be appropriately changed depending on the situation, such as using a micromirror array in which no defect has occurred.
[0076]
Since the data processing speed of the DMD 50 is limited and the modulation speed per line is determined in proportion to the number of pixels used, the modulation speed per line can be increased by using only a part of the micromirror rows. Get faster. On the other hand, in the case of an exposure method in which the exposure head is continuously moved relative to the exposure surface, it is not necessary to use all the pixels in the sub-scanning direction.
[0077]
For example, when only 300 sets are used in 600 micromirror rows, modulation can be performed twice as fast per line as compared to the case of using all 600 sets. Further, when only 200 sets of 600 micromirror arrays are used, modulation can be performed three times faster per line than when all 600 sets are used. That is, an area of 500 mm in the sub-scanning direction can be exposed in 17 seconds. Further, when only 100 sets are used, modulation can be performed 6 times faster per line. That is, an area of 500 mm in the sub-scanning direction can be exposed in 9 seconds.
[0078]
The number of micromirror rows to be used, that is, the number of micromirrors arranged in the sub-scanning direction is preferably 10 or more and 200 or less, and more preferably 10 or more and 100 or less. Since the area per micromirror corresponding to one pixel is 15 μm × 15 μm, when converted to the use area of DMD50, an area of 12 mm × 150 μm or more and 12 mm × 3 mm or less is preferable, and 12 mm × 150 μm or more and 12 mm A region of × 1.5 mm or less is more preferable.
[0079]
If the number of micromirror rows to be used is within the above range, as shown in FIGS. 17A and 17B, the laser light emitted from the fiber array light source 66 is made into substantially parallel light by the lens system 67, and the DMD 50 Can be irradiated. It is preferable that the irradiation area where the laser beam is irradiated by the DMD 50 coincides with the use area of the DMD 50. When the irradiation area is wider than the use area, the utilization efficiency of the laser light is lowered.
[0080]
On the other hand, the diameter of the light beam condensed on the DMD 50 in the sub-scanning direction needs to be reduced according to the number of micromirrors arranged in the sub-scanning direction by the lens system 67, but the number of micromirror rows to be used. Is less than 10, it is not preferable because the angle of the light beam incident on the DMD 50 increases and the depth of focus of the light beam on the scanning surface 56 becomes shallow. Further, the number of micromirror rows to be used is preferably 200 or less from the viewpoint of modulation speed. The DMD is a reflective spatial light modulator, but FIGS. 17A and 17B are developed views for explaining the optical relationship.
[0081]
When the sub scanning of the photosensitive material 150 by the scanner 162 is completed and the rear end of the photosensitive material 150 is detected by the detection sensor 164, the stage 152 is moved along the guide 158 by the driving device (not shown) on the most upstream side of the gate 160. Returned to the origin at the point, and again moved along the guide 158 from the upstream side to the downstream side of the gate 160 at a constant speed.
[0082]
As described above, the exposure apparatus of this example includes a DMD in which 800 micromirror arrays in which 800 micromirrors are arranged in the main scanning direction are arranged in 600 sets in the subscanning direction. Since the control is performed so that only the micromirror array is driven, the modulation rate per line becomes faster than when all the micromirror arrays are driven. This enables high-speed exposure.
[0083]
Further, since a high-intensity fiber array light source in which output ends of optical fibers of a combined laser light source are arranged in an array is used as a light source for illuminating the DMD, an exposure apparatus having a high output and a deep focal depth Can be realized. Furthermore, since the output of each fiber light source is increased, the number of fiber light sources necessary to obtain a desired output is reduced, and the cost of the exposure apparatus can be reduced.
[0084]
In particular, in this example, since the cladding diameter of the output end of the optical fiber is made smaller than the cladding diameter of the incident end, the diameter of the light emitting portion is further reduced, and the brightness of the fiber array light source can be increased. Thereby, an exposure apparatus having a deeper depth of focus can be realized. For example, even in the case of ultra-high resolution exposure with a beam diameter of 1 μm or less and a resolution of 0.1 μm or less, a deep depth of focus can be obtained, and high-speed and high-definition exposure is possible. Therefore, it is suitable for a thin film transistor (TFT) exposure process that requires high resolution.
[0085]
Next, a modification of the exposure apparatus described above will be described.
[0086]
[Applications of exposure equipment]
The above-described exposure apparatus is, for example, a dry film resist (DFR) exposure process in a printed wiring board (PWB) manufacturing process, and a color filter in a liquid crystal display (LCD) manufacturing process. It can be suitably used for applications such as formation, DFR exposure in a TFT manufacturing process, and DFR exposure in a plasma display panel (PDP) manufacturing process.
[0087]
Furthermore, the above exposure apparatus can be used for various laser processing such as laser ablation, sintering, and lithography in which a part of the material is removed by evaporation, scattering, etc. by laser irradiation. The above exposure apparatus has a high output and can be exposed at a high speed and a long focal depth, so that it can be used for fine processing such as laser ablation. For example, instead of performing development processing, the resist is removed according to a pattern by ablation to create a PWB, or the above exposure apparatus can be used to form a PWB pattern by ablation directly without using a resist. it can. It can also be used to form microchannels with a groove width of several tens of μm in a lab-on-chip in which many solutions are mixed, reacted, separated, detected, etc. on glass or plastic chips.
[0088]
In particular, the exposure apparatus described above uses a GaN-based semiconductor laser as a fiber array light source, and therefore can be suitably used for the laser processing described above. That is, the GaN-based semiconductor laser can be driven with a short pulse, and sufficient power can be obtained for laser ablation and the like. In addition, since it is a semiconductor laser, it can be driven at a high repetition rate of about 10 MHz unlike a solid-state laser having a low driving speed, and high-speed exposure is possible. Furthermore, since metal has a large light absorption rate of laser light having a wavelength of around 400 nm and can be easily converted into thermal energy, laser ablation and the like can be performed at high speed.
[0089]
When exposing a liquid resist used for patterning a TFT and a liquid resist used for patterning a color filter, in order to eliminate sensitivity reduction (desensitization) due to oxygen inhibition, the exposure is performed in a nitrogen atmosphere. It is preferable to expose the exposure material. Exposure in a nitrogen atmosphere suppresses oxygen inhibition of the photopolymerization reaction, increases the sensitivity of the resist, and enables high-speed exposure.
[0090]
In the exposure apparatus, either a photon mode photosensitive material in which information is directly recorded by exposure or a heat mode photosensitive material in which information is recorded by heat generated by exposure can be used. When using a photon mode photosensitive material, a GaN-based semiconductor laser, a wavelength conversion solid-state laser, or the like is used for the laser device. When using a heat mode photosensitive material, an AlGaAs-based semiconductor laser (infrared laser), A solid state laser is used.
[0091]
[Other spatial light modulators]
In the above example, the DMD micromirror is partially driven. However, the length of the direction corresponding to the predetermined direction is longer than the length of the direction intersecting the predetermined direction. Accordingly, even if a long and narrow DMD in which a number of micromirrors whose reflection surface angles can be changed is two-dimensionally arranged is used, the number of micromirrors for controlling the reflection surface angle is reduced. Can be fast.
[0092]
In the above example, an exposure head provided with a DMD as a spatial light modulator has been described. For example, a micro electro mechanical systems (SMEM) type spatial light modulator (SLM) or an electro-optic effect allows transmission. Even when a spatial light modulation element other than the MEMS type, such as an optical element (PLZT element) that modulates light or a liquid crystal optical shutter (FLC), is used, some of the pixel parts are arranged with respect to all the pixel parts arranged on the substrate. By using, it is possible to increase the modulation speed per pixel and per main scanning line, so the same effect can be obtained.
[0093]
Note that MEMS is a general term for a micro system that integrates micro-sized sensors, actuators, and control circuits based on a micro-machining technology based on an IC manufacturing process, and a MEMS type spatial light modulator is an electrostatic force. It means a spatial light modulation element driven by an electromechanical operation using
[0094]
[Other exposure methods]
As shown in FIG. 18, similarly to the above example, the entire surface of the photosensitive material 150 may be exposed by a single scan in the X direction by the scanner 162, as shown in FIGS. 19A and 19B. Then, after scanning the photosensitive material 150 in the X direction by the scanner 162, the scanner 162 is moved one step in the Y direction and scanned in the X direction. The entire surface 150 may be exposed. In this example, the scanner 162 includes 18 exposure heads 166.
[0095]
[Other laser devices (light sources)]
In the above example, an example using a fiber array light source including a plurality of combined laser light sources has been described. However, the laser device is not limited to a fiber array light source in which combined laser light sources are arrayed. For example, a fiber array light source obtained by arraying fiber light sources including one optical fiber that emits laser light incident from a single semiconductor laser having one light emitting point can be used.
[0096]
As a light source having a plurality of light emitting points, for example, as shown in FIG. 20, a laser array in which a plurality of (for example, seven) chip-shaped semiconductor lasers LD1 to LD7 are arranged on a heat block 100 is used. Can be used. Further, a chip-shaped multicavity laser 110 in which a plurality of (for example, five) light emitting points 110a shown in FIG. 21A is arranged in a predetermined direction is known. Since the multicavity laser 110 can arrange the light emitting points with higher positional accuracy than the case where the chip-shaped semiconductor lasers are arranged, it is easy to multiplex laser beams emitted from the respective light emitting points. However, as the number of light emitting points increases, the multicavity laser 110 is likely to be bent at the time of laser manufacturing. Therefore, the number of light emitting points 110a is preferably 5 or less.
[0097]
In the exposure head of the present invention, the multi-cavity laser 110 and a plurality of multi-cavity lasers 110 on the heat block 100 as shown in FIG. 21B are in the same direction as the arrangement direction of the light emitting points 110a of each chip. A multi-cavity laser array arranged in the above can be used as a laser device (light source).
[0098]
The combined laser light source is not limited to one that combines laser beams emitted from a plurality of chip-shaped semiconductor lasers. For example, as shown in FIG. 22, a combined laser light source including a chip-shaped multicavity laser 110 having a plurality of (for example, three) light emitting points 110a can be used. This combined laser light source is configured to include a multi-cavity laser 110, one multi-mode optical fiber 130, and a condensing lens 120. The multi-cavity laser 110 can be composed of, for example, a GaN-based laser diode having an oscillation wavelength of 405 nm.
[0099]
In the above configuration, each of the laser beams B emitted from each of the plurality of light emitting points 110 a of the multicavity laser 110 is collected by the condenser lens 120 and enters the core 130 a of the multimode optical fiber 130. The laser light incident on the core 130a propagates in the optical fiber, is combined into one, and is emitted.
[0100]
A plurality of light emitting points 110 a of the multi-cavity laser 110 are juxtaposed within a width substantially equal to the core diameter of the multi-mode optical fiber 130, and a focal point substantially equal to the core diameter of the multi-mode optical fiber 130 is used as the condenser lens 120. By using a convex lens of a distance or a rod lens that collimates the outgoing beam from the multicavity laser 110 only in a plane perpendicular to the active layer, the coupling efficiency of the laser beam B to the multimode optical fiber 130 can be increased. it can.
[0101]
23, a multi-cavity laser 110 having a plurality of (for example, three) emission points is used, and a plurality of (for example, nine) multi-cavity lasers 110 are equally spaced from each other on the heat block 111. A combined laser light source including the laser array 140 arranged in (1) can be used. The plurality of multi-cavity lasers 110 are arranged and fixed in the same direction as the arrangement direction of the light emitting points 110a of each chip.
[0102]
This combined laser light source includes a laser array 140, a plurality of lens arrays 114 arranged corresponding to each multi-capability laser 110, and a single lens arranged between the laser array 140 and the plurality of lens arrays 114. A rod lens 113, one multimode optical fiber 130, and a condenser lens 120 are provided. The lens array 114 includes a plurality of microlenses corresponding to the emission points of the multi-capability laser 110.
[0103]
In the above configuration, each of the laser beams B emitted from each of the plurality of light emitting points 10a of the plurality of multi-cavity lasers 110 is condensed in a predetermined direction by the rod lens 113 and then each microlens of the lens array 114. Is collimated. The collimated laser beam L is condensed by the condenser lens 120 and enters the core 130a of the multimode optical fiber 130. The laser light incident on the core 130a propagates in the optical fiber, is combined into one, and is emitted.
[0104]
Still another example of the combined laser light source will be described. In this combined laser light source, as shown in FIGS. 24A and 24B, a heat block 182 having an L-shaped cross section in the optical axis direction is mounted on a substantially rectangular heat block 180, and two heats are provided. A storage space is formed between the blocks. On the upper surface of the L-shaped heat block 182, a plurality of (for example, two) multi-cavity lasers 110 in which a plurality of light emitting points (for example, five) are arranged in an array form the light emitting points 110a of each chip. It is arranged and fixed at equal intervals in the same direction as the arrangement direction.
[0105]
A concave portion is formed in the substantially rectangular heat block 180, and a plurality of (for example, two) light emitting points (for example, five) are arranged in an array on the upper surface of the space side of the heat block 180. The multi-cavity laser 110 is arranged such that its emission point is located on the same vertical plane as the emission point of the laser chip arranged on the upper surface of the heat block 182.
[0106]
On the laser beam emission side of the multi-cavity laser 110, a collimator lens array 184 in which collimator lenses are arranged corresponding to the light emission points 110a of the respective chips is arranged. In the collimating lens array 184, the length direction of each collimating lens coincides with the direction in which the divergence angle of the laser beam is large (the fast axis direction), and the width direction of each collimating lens is in the direction in which the divergence angle is small (slow axis direction). They are arranged to match. Thus, by collimating and integrating the collimating lenses, the space utilization efficiency of the laser light can be improved, the output of the combined laser light source can be increased, and the number of parts can be reduced and the cost can be reduced. .
[0107]
Further, on the laser beam emitting side of the collimating lens array 184, there is one multimode optical fiber 130, and a condensing lens 120 that condenses and combines the laser beam at the incident end of the multimode optical fiber 130. Has been placed.
[0108]
In the above configuration, each of the laser beams B emitted from each of the plurality of light emitting points 10a of the plurality of multi-cavity lasers 110 arranged on the laser blocks 180 and 182 is collimated by the collimating lens array 184, The light is condensed by the condensing lens 120 and enters the core 130 a of the multimode optical fiber 130. The laser light incident on the core 130a propagates in the optical fiber, is combined into one, and is emitted.
[0109]
As described above, this combined laser light source can achieve particularly high output by the multi-stage arrangement of multi-cavity lasers and the array of collimating lenses. By using this combined laser light source, a higher-intensity fiber array light source or bundle fiber light source can be formed, which is particularly suitable as a fiber light source constituting the laser light source of the exposure apparatus of the present invention.
[0110]
It should be noted that a laser module in which each of the above combined laser light sources is housed in a casing and the emission end portion of the multimode optical fiber 130 is pulled out from the casing can be configured.
[0111]
In the above example, another optical fiber having the same core diameter as the multimode optical fiber and a smaller cladding diameter than the multimode optical fiber is coupled to the output end of the multimode optical fiber of the combined laser light source. Although an example of increasing the brightness of the array light source has been described, for example, a multimode optical fiber having a cladding diameter of 125 μm, 80 μm, 60 μm, or the like may be used without coupling another optical fiber to the emission end.
[0112]
[Light distribution correction optical system]
In the above example, the light amount distribution correcting optical system including a pair of combination lenses is used for the exposure head. This light quantity distribution correcting optical system changes the light beam width at each emission position so that the ratio of the light beam width at the peripheral part to the light beam width at the central part near the optical axis is smaller on the output side than on the incident side. When the parallel light beam from the light source is irradiated onto the DMD, the light amount distribution on the irradiated surface is corrected so as to be substantially uniform. Hereinafter, the operation of this light quantity distribution correcting optical system will be described.
[0113]
First, as shown in FIG. 25A, the case where the entire luminous flux widths (total luminous flux widths) H0 and H1 are the same for the incident luminous flux and the outgoing luminous flux will be described. In FIG. 25A, the portions denoted by reference numerals 51 and 52 virtually indicate the entrance surface and the exit surface in the light quantity distribution correction optical system.
[0114]
In the light quantity distribution correcting optical system, it is assumed that the light flux widths h0 and h1 of the light beam incident on the central part near the optical axis Z1 and the light beam incident on the peripheral part are the same (h0 = hl). The light quantity distribution correcting optical system expands the light beam width h0 of the incident light beam in the central portion with respect to the light having the same light beam width h0 and h1 on the incident side, and conversely with respect to the incident light beam in the peripheral portion. Thus, the light beam width h1 is reduced. That is, the width h10 of the outgoing light beam at the center and the width h11 of the outgoing light beam at the periphery are set to satisfy h11 <h10. In terms of the ratio of the luminous flux width, the ratio “h11 / h10” of the luminous flux width in the peripheral portion to the luminous flux width in the central portion on the emission side is smaller than the ratio (h1 / h0 = 1) on the incident side ( (H11 / h10) <1).
[0115]
By changing the light flux width in this way, the light flux in the central part, which normally has a large light quantity distribution, can be utilized in the peripheral part where the light quantity is insufficient, and the overall light utilization efficiency is not reduced. In addition, the light quantity distribution on the irradiated surface is made substantially uniform. The degree of uniformity is, for example, such that the unevenness in the amount of light in the effective area is within 30%, preferably within 20%.
[0116]
The actions and effects of such a light quantity distribution correcting optical system are the same when the entire light flux width is changed between the incident side and the exit side (FIGS. 25B and 25C).
[0117]
FIG. 25B shows a case where the entire light flux width H0 on the incident side is “reduced” to the width H2 and emitted (H0> H2). Even in such a case, the light quantity distribution correcting optical system uses the light flux widths h0 and h1 that are the same on the incident side, and the light flux width h10 in the central portion is larger than that in the peripheral portion on the outgoing side. In addition, the light flux width h11 in the peripheral portion is made smaller than that in the central portion. Considering the reduction rate of the light beam, the reduction rate with respect to the incident light beam in the central part is made smaller than that in the peripheral part, and the reduction rate with respect to the incident light beam in the peripheral part is made larger than that in the central part. Also in this case, the ratio “H11 / H10” of the light flux width in the peripheral portion to the light flux width in the central portion is smaller than the ratio (h1 / h0 = 1) on the incident side ((h11 / h10) <1). .
[0118]
FIG. 25C shows a case where the entire light flux width H0 on the incident side is “enlarged” by the width Η3 and emitted (H0 <H3). Even in such a case, the light quantity distribution correcting optical system uses the light flux widths h0 and h1 that are the same on the incident side, and the light flux width h10 in the central portion is larger than that in the peripheral portion on the outgoing side. In addition, the light flux width h11 in the peripheral portion is made smaller than that in the central portion. Considering the expansion rate of the light beam, the expansion rate for the incident light beam in the central portion is made larger than that in the peripheral portion, and the expansion rate for the incident light beam in the peripheral portion is made smaller than that in the central portion. Also in this case, the ratio “h11 / h10” of the light flux width in the peripheral portion to the light flux width in the central portion is smaller than the ratio (h1 / h0 = 1) on the incident side ((h11 / h10) <1). .
[0119]
As described above, the light amount distribution correcting optical system changes the light beam width at each emission position, and the ratio of the light beam width in the peripheral part to the light beam width in the central part near the optical axis Z1 is larger on the outgoing side than on the incident side. Since the light has the same light flux width on the incident side, the light flux width in the central portion is larger than that in the peripheral portion, and the light flux width in the peripheral portion is larger than that in the central portion. Get smaller. As a result, it is possible to make use of the light beam at the center part to the peripheral part, and it is possible to form a light beam cross-section with a substantially uniform light amount distribution without reducing the light use efficiency of the entire optical system.
[0120]
FIG. 27 shows a light amount distribution of illumination light obtained by the light amount distribution correcting optical system. The horizontal axis indicates coordinates from the optical axis, and the vertical axis indicates the light amount ratio (%). For comparison, FIG. 26 shows a light amount distribution (Gaussian distribution) of illumination light when correction is not performed. As can be seen from FIG. 26 and FIG. 27, a light amount distribution that is substantially uniform is obtained by performing correction using the light amount distribution correcting optical system as compared with the case where correction is not performed. Thereby, it is possible to carry out exposure with uniform laser light without reducing the use efficiency of light in the exposure head.
[0121]
[Other imaging optics]
In the above example, two sets of lenses are arranged as the imaging optical system on the light reflection side of the DMD used for the exposure head. However, an imaging optical system for enlarging the laser beam to form an image may be arranged. . By expanding the cross-sectional area of the light beam reflected by the DMD, the exposure area area (image area) on the exposed surface can be expanded to a desired size.
[0122]
For example, as shown in FIG. 28A, the exposure head is configured to illuminate the DMD 50, the illumination device 144 for irradiating the DMD 50 with laser light, the lens systems 454, 458, the DMD 50 for enlarging the laser light reflected by the DMD 50, and forming an image. A microlens array 472 in which a large number of microlenses 474 are arranged corresponding to each of the pixels, an aperture array 476 in which a large number of apertures 478 are provided corresponding to each microlens of the microlens array 472, and a laser that has passed through the aperture It can be configured by lens systems 480 and 482 that form an image of light on the exposed surface 56.
[0123]
In this exposure head, when laser light is irradiated from the illumination device 144, the cross-sectional area of the light beam reflected by the DMD 50 in the ON direction is enlarged several times (for example, twice) by the lens systems 454 and 458. . The expanded laser light is condensed corresponding to each pixel of the DMD 50 by each microlens of the microlens array 472, and passes through the corresponding aperture of the aperture array 476. The laser light that has passed through the aperture is imaged on the exposed surface 56 by the lens systems 480 and 482.
[0124]
In this imaging optical system, the laser light reflected by the DMD 50 is magnified several times by the magnifying lenses 454 and 458 and projected onto the exposed surface 56, so that the entire image area is widened. At this time, if the microlens array 472 and the aperture array 476 are not arranged, as shown in FIG. 28B, one pixel size (spot size) of each beam spot BS projected onto the exposed surface 56 is exposed. It becomes larger according to the size of the area 468, and the MTF (Modulation Transfer Function) characteristic representing the sharpness of the exposure area 468 is deteriorated.
[0125]
On the other hand, when the microlens array 472 and the aperture array 476 are arranged, the laser light reflected by the DMD 50 is condensed corresponding to each pixel of the DMD 50 by each microlens of the microlens array 472. Thereby, as shown in FIG. 28C, even when the exposure area is enlarged, the spot size of each beam spot BS can be reduced to a desired size (for example, 10 μm × 10 μm), and the MTF characteristics are obtained. It is possible to perform high-definition exposure while preventing a decrease in the image quality. The exposure area 468 is tilted because the DMD 50 is tilted and arranged in order to eliminate a gap between pixels.
[0126]
In addition, even if the beam is thick due to the aberration of the microlens, the beam can be shaped by the aperture so that the spot size on the exposed surface 56 becomes a constant size, and corresponding to each pixel. By passing the provided aperture, it is possible to prevent crosstalk between adjacent pixels.
[0127]
Further, by using a high-intensity light source in the illumination device 144 as in the above example, the angle of the light beam incident on each microlens of the microlens array 472 from the lens 458 is reduced, so that one of the light beams of adjacent pixels can be obtained. It is possible to prevent the part from entering. That is, a high extinction ratio can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of an exposure apparatus using optical fibers connected by the method of the present invention.
2 is a perspective view showing a configuration of a scanner of the exposure apparatus in FIG. 1. FIG.
3A is a plan view showing an exposed region formed on a photosensitive material, and FIG. 3B is a diagram showing an array of exposure areas by each exposure head.
4 is a perspective view showing a schematic configuration of an exposure head of the exposure apparatus in FIG. 1. FIG.
5A is a sectional view in the sub-scanning direction along the optical axis showing the configuration of the exposure head shown in FIG. 4, and FIG. 5B is a side view of FIG.
FIG. 6 is a partially enlarged view showing a configuration of a digital micromirror device (DMD).
7A and 7B are explanatory diagrams for explaining the operation of the DMD.
FIGS. 8A and 8B are plan views showing the arrangement of exposure beams and scanning lines in a case where the DMD is not inclined and in a case where the DMD is inclined. FIG.
9A is a perspective view showing the configuration of a fiber array light source, FIG. 9B is a partially enlarged view of FIG. 9A, and FIGS. 9C and 9D are plan views showing the arrangement of light emitting points in a laser emitting section.
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a multimode optical fiber
FIG. 11 is a plan view showing the configuration of a combined laser light source.
FIG. 12 is a plan view showing the configuration of a laser module.
13 is a side view showing the configuration of the laser module shown in FIG.
14 is a partial side view showing the configuration of the laser module shown in FIG. 12;
15A and 15B are cross-sectional views along the optical axis showing the difference between the depth of focus in the conventional exposure apparatus and the depth of focus in the exposure apparatus of FIG.
FIGS. 16A and 16B are diagrams showing examples of DMD usage areas; FIGS.
FIGS. 17A and 17B are side views when the DMD use area is appropriate, and FIG. 17B is a sectional view in the sub-scanning direction along the optical axis of FIG.
FIG. 18 is a plan view for explaining an exposure method for exposing a photosensitive material by one scanning by a scanner.
FIGS. 19A and 19B are plan views for explaining an exposure method for exposing a photosensitive material by a plurality of scans performed by a scanner. FIGS.
FIG. 20 is a perspective view showing the configuration of a laser array.
21A is a perspective view showing a configuration of a multi-cavity laser, and FIG. 21B is a perspective view of a multi-cavity laser array in which the multi-cavity lasers shown in FIG.
FIG. 22 is a plan view showing another configuration of the combined laser light source.
FIG. 23 is a plan view showing another configuration of the combined laser light source.
24A is a plan view showing another configuration of the combined laser light source, and FIG. 24B is a sectional view taken along the optical axis of FIG.
FIG. 25 is an explanatory diagram about the concept of correction by the light amount distribution correction optical system.
FIG. 26 is a graph showing the light amount distribution when the light source has a Gaussian distribution and the light amount distribution is not corrected.
FIG. 27 is a graph showing the light amount distribution after correction by the light amount distribution correcting optical system;
28A is a cross-sectional view along the optical axis showing the configuration of another exposure head having a different coupling optical system, and FIG. 28B is light projected onto the exposure surface when a microlens array or the like is not used. The top view which shows an image, (C) is a top view which shows the optical image projected on a to-be-exposed surface when a micro lens array etc. are used
FIG. 29 is a diagram for explaining an optical fiber connection method according to an embodiment of the present invention;
FIG. 30 is a diagram for explaining an optical fiber connection method according to another embodiment of the present invention;
FIG. 31 is a diagram for explaining an optical fiber connection method according to still another embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
LD1-LD7 GaN semiconductor laser
30, 31 Multimode optical fiber
30a, 31a Multimode optical fiber core
30b, 31b Multimode optical fiber cladding
30c, 30c 'Small diameter portion of multimode optical fiber
32 Multimode optical fiber with intermediate outer diameter
50 Digital Micromirror Device (DMD)
64 laser module
66 Fiber array light source
68 Laser emitting part
150 Photosensitive material
152 stages
162 Scanner
166 Exposure head
168 Exposure area
170 Exposed area

Claims (2)

クラッド径が異なる2本の光ファイバを接続する方法であって、
クラッド径が大である光ファイバの一端部のクラッドを、その端面の径が両光ファイバのクラッド径の中間的な径となるように加工し、
この加工された光ファイバの一端部に、前記クラッド径が小である光ファイバを融着することを特徴とする光ファイバの接続方法。
A method of connecting two optical fibers having different clad diameters,
The clad at one end of the optical fiber having a large clad diameter is processed so that the diameter of its end face is an intermediate diameter between the clads of both optical fibers,
An optical fiber connecting method, comprising: fusing an optical fiber having a small cladding diameter to one end of the processed optical fiber.
クラッド径が異なる2本の光ファイバを接続する方法であって、
それらの光ファイバの中間的なクラッド径を有する光ファイバの一端部、他端部に、それぞれクラッド径が大である光ファイバ、クラッド径が小である光ファイバを融着することを特徴とする光ファイバの接続方法。
A method of connecting two optical fibers having different clad diameters,
An optical fiber having a large cladding diameter and an optical fiber having a small cladding diameter are fused to one end and the other end of an optical fiber having an intermediate cladding diameter of these optical fibers, respectively. Optical fiber connection method.
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