JP4450689B2 - Exposure head - Google Patents

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本発明は、画像データに応じて空間光変調素子により変調された光ビームの束により感光材料等における露光面を露光するための露光ヘッドに関する。   The present invention relates to an exposure head for exposing an exposure surface of a photosensitive material or the like with a bundle of light beams modulated by a spatial light modulator in accordance with image data.

従来、デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)等の空間光変調素子を利用して、画像データに応じて変調された光ビームで画像露光を行うための露光ヘッドが種々提案されている。   Conventionally, various exposure heads have been proposed for performing image exposure with a light beam modulated in accordance with image data using a spatial light modulator such as a digital micromirror device (DMD).

上記DMDでは、制御信号に応じて反射面の角度が変化する多数のマイクロミラーが、シリコン等の半導体基板上に2次元的に配列されたミラーデバイスが用いられる。このDMDを用いた露光ヘッドは、例えば、レーザビームを出射する光源、光源から出射されたレーザビームをコリメートするコリメートレンズ系、レーザビームを変調するDMD、このDMDで反射されたレーザビームを露光面上に結像する結像光学系等を備えている。この露光ヘッドでは、画像データ等に応じて生成した制御信号によって、DMDの各マイクロミラーをそれぞれ制御装置でオン/オフ制御してレーザビームを露光状態又は非露光状態に変調(偏向)し、露光状態に変調されたレーザビーム(これらの集合を、以下「ビーム束」という。)により露光面を露光している。ここで、結像光学系は、通常、拡大光学系として構成されており、マイクロミラーが2次元的に配列されたDMDの有効領域の面積に対して露光面上での露光面積を拡大している。しかし、結像光学系によりDMDの有効領域の面積に対して露光面に対する露光エリアの面積を拡大すると、その拡大率に応じて露光面におけるビームスポットの面積(スポット径)も拡大するため、露光面におけるMTF(Modulation Transfer Function)特性が露光面積の拡大率に応じて低下する。   The DMD uses a mirror device in which a large number of micromirrors whose reflection surfaces change in response to a control signal are two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate such as silicon. The exposure head using this DMD is, for example, a light source that emits a laser beam, a collimating lens system that collimates the laser beam emitted from the light source, a DMD that modulates the laser beam, and a laser beam reflected by this DMD. An imaging optical system that forms an image on top is provided. In this exposure head, each micromirror of the DMD is controlled to be turned on / off by a control device in accordance with a control signal generated according to image data or the like, and the laser beam is modulated (deflected) into an exposure state or a non-exposure state. The exposure surface is exposed by a laser beam modulated in a state (hereinafter referred to as “beam bundle”). Here, the imaging optical system is usually configured as an enlargement optical system, and the exposure area on the exposure surface is enlarged with respect to the area of the effective area of the DMD in which micromirrors are two-dimensionally arranged. Yes. However, when the area of the exposure area with respect to the exposure surface is enlarged with respect to the area of the effective area of the DMD by the imaging optical system, the area (spot diameter) of the beam spot on the exposure surface is also enlarged according to the enlargement ratio. The MTF (Modulation Transfer Function) characteristic on the surface is lowered in accordance with the enlargement ratio of the exposure area.

そこで、上記のような問題を解決可能な露光ヘッドとしては、例えば、特許文献1及び特許文献2に示されているような構成を有するものがある。   Therefore, as an exposure head capable of solving the above-described problems, for example, there are those having configurations as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2.

特許文献1には、開口数は小さいがイメージ領域(image field)が大きい二重テレセントリック(double‐telecentric)の投影光学系と、各々が大きい開口数と小さい領域(field)を有するマイクロレンズのアレイと、マイクロレンズ開口のアレイ(microlens aperture array)を組み合わせた光学システムが示されており、この光学システムを備えた光走査装置(microlens scanner)では、マイクロレンズアレイにより形成された露光スポットにより露光面(printing surface)上を走査露光する。しかしながら、このような光学システムでは、マイクロレンズ開口上の照明の均一性と、隣接する開口への光漏洩(クロストーク)の抑制との間にトレードオフが必要となり、露光面において均一な露光スポットを得ることと光利用効率の両立が難しいという問題がある。   Patent Document 1 discloses a double-telecentric projection optical system having a small numerical aperture but a large image field, and an array of microlenses each having a large numerical aperture and a small field. And an optical system combining a microlens aperture array, and an optical scanning device (microlens scanner) equipped with this optical system exposes an exposure surface by an exposure spot formed by the microlens array. Scan exposure on the (printing surface). However, in such an optical system, there is a trade-off between the uniformity of illumination on the microlens aperture and the suppression of light leakage (crosstalk) to the adjacent aperture, and a uniform exposure spot on the exposure surface. There is a problem that it is difficult to achieve both light efficiency and light utilization efficiency.

また、例えば、特許文献2のFig.15には、画素パネル(pixel panel)に表示されるパターン情報をウェファ(wafer)等の材料(subject)の上に結像させるため、レンズ群(group of lenses)と、マイクロレンズアレイ等のポイントアレイ(point array)と、格子(grating)と、付加的なレンズ群を用いる構成が示されている。ここで、格子は、画素パネルを照明する光の散乱成分や画素パネルからの回折、散乱等によるクロストーク光やノイズ光を遮蔽効果によって減少させるためのものである。   Also, for example, FIG. 15 includes a group of lenses and a point such as a microlens array in order to image pattern information displayed on the pixel panel on a subject such as a wafer. A configuration using an array (point array), a grating, and an additional lens group is shown. Here, the grating is for reducing the crosstalk light and noise light due to the scattering component of the light that illuminates the pixel panel and the diffraction and scattering from the pixel panel by the shielding effect.

しかし、前記格子は、マイクロレンズアレイによる収束光ビーム(focused light beam)が収束するより前の位置、いわゆるフレネル回折(Fresnel diffraction)の領域に配置されると、クロストーク光や散乱光を減少させる効果が十分ではない。また格子が収束光ビームの収束位置、いわゆるフラウンホーファー回折(Fraunhofer diffraction)の位置に配置されると、ワーキングディスタンス(working distance)が確保できないためにビーム収束位置に材料を直接置くことができず、付加的なレンズ群(結像レンズ系)を介して材料上に結像させることが必要になる。この結像レンズ系は、特に高解像度の結像を行う場合には多数枚の要素レンズが必要になって、コストが高くなると共に、大きな空間を要するという欠点がある。
米国特許公報6,133,986(Fig.14) 米国特許公報6,473,237 B2(Fig.15)
However, when the grating is arranged at a position before the focused light beam by the microlens array is converged, that is, in a so-called Fresnel diffraction region, it reduces crosstalk light and scattered light. The effect is not enough. Also, if the grating is placed at the convergence position of the convergent light beam, so-called Fraunhofer diffraction, the working distance cannot be secured, so the material cannot be placed directly at the beam convergence position. It is necessary to form an image on the material via an additional lens group (imaging lens system). This imaging lens system has a drawback that a large number of element lenses are required particularly when high-resolution imaging is performed, which increases the cost and requires a large space.
US Pat. No. 6,133,986 (FIG. 14) US Pat. No. 6,473,237 B2 (FIG. 15)

本発明の目的は、上記事実を考慮し、空間光変調素子により表示される光学的なパターン情報を広い露光面積にわたって高分解能及び高解像度に露光することを可能にする露光ヘッドを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an exposure head capable of exposing optical pattern information displayed by a spatial light modulator with high resolution and high resolution over a wide exposure area in consideration of the above facts. is there.

上記目的を達成するため、本発明に係る露光ヘッドは、露光面に対して走査方向に沿って相対移動しつつ、該露光面を前記走査方向と交差する行方向に沿って配列された光ビームの束により露光面を2次元的に露光するための露光ヘッドであって、制御信号に応じて光変調状態がそれぞれ変化する複数の画素部が一次元的又は2次元的に配列され、光源部から入射した光ビームを前記複数の画素部により複数本の画素ビームに分割すると共に、複数本の画素ビームをそれぞれ露光状態及び非露光状態の何れかに選択的に変調する空間光変調素子と、前記空間光変調素子における複数の画素部に対応するように複数の第1のマイクロ収束素子が配列された第1のマイクロ収束素子アレイと、前記露光状態に変調された画素ビームのフラウンホーファー回折像が前記第1のマイクロ収束素子により形成される該第1のマイクロ収束素子の後側焦点面付近に配置されると共に、前記複数の第1のマイクロ収束素子にそれぞれ対応するように複数のアパーチャが配列され、該アパーチャにより前記フラウンホーファー回折像の主要部分のみを透過させるアパーチャアレイと、前記複数のアパーチャに対応するように複数の第2のマイクロ収束素子が配列され、前記複数のアパーチャをそれぞれ透過した画素ビームの実像を前記複数の第2のマイクロ収束素子により前記露光面上に形成する第2のマイクロ収束素子アレイと、を有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, an exposure head according to the present invention comprises a light beam arranged along a row direction intersecting the scanning direction while moving relative to the exposure surface along the scanning direction. An exposure head for two-dimensionally exposing an exposure surface with a bundle of light sources, wherein a plurality of pixel portions whose light modulation states change according to a control signal are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and a light source portion A spatial light modulation element that selectively divides the plurality of pixel beams into one of an exposure state and a non-exposure state, respectively, A first micro-focusing element array in which a plurality of first micro-focusing elements are arranged so as to correspond to a plurality of pixel portions in the spatial light modulation element, and a Fraunhofer of the pixel beam modulated in the exposure state A diffraction pattern is arranged in the vicinity of the rear focal plane of the first micro-focusing element formed by the first micro-focusing element, and corresponds to each of the plurality of first micro-focusing elements. A plurality of apertures are arranged, an aperture array that transmits only a main part of the Fraunhofer diffraction image by the apertures, and a plurality of second micro-focusing elements are arranged so as to correspond to the plurality of apertures, And a second micro-focusing element array that forms a real image of the pixel beam respectively transmitted through the aperture on the exposure surface by the plurality of second micro-focusing elements.

上記本発明に係る露光ヘッドでは、第1のマイクロ収束素子アレイに、空間光変調素子における複数の画素部に対応するように複数の第1のマイクロ収束素子が配列されると共に、第1のマイクロ収束素子の後側焦点面付近に配置されたアパーチャアレイが、複数の第1のマイクロ収束素子にそれぞれ対応するように配列された複数のアパーチャが複数の第1のマイクロレンズアレイによって形成されるフラウンホーファー回折像の主要部分のみを透過させることにより、空間光変調素子の各画素部により露光状態に変調された画素ビームのビーム径を縮小できるので、第2のマイクロレンズアレイを通して露光面上に投影されるビームスポットのビーム径を所要のサイズに調整できる。   In the exposure head according to the present invention, a plurality of first micro-focusing elements are arranged in the first micro-focusing element array so as to correspond to the plurality of pixel portions in the spatial light modulation element, and the first micro-focusing elements are arranged. A Fraunhofer in which a plurality of apertures arranged so that aperture arrays arranged in the vicinity of the rear focal plane of the focusing element respectively correspond to the plurality of first micro focusing elements are formed by the plurality of first microlens arrays -By transmitting only the main part of the diffracted image, the beam diameter of the pixel beam modulated into the exposure state by each pixel portion of the spatial light modulator can be reduced, so that it is projected onto the exposure surface through the second microlens array. The beam diameter of the generated beam spot can be adjusted to a required size.

また本発明に係る露光ヘッドでは、第2のマイクロ収束素子アレイが、複数のアパーチャをそれぞれ透過した画素ビームの実像を複数の第2のマイクロ収束素子により露光面上に形成することにより、第1のマイクロ収束素子アレイの第1のマイクロ収束素子及びアパーチャアレイのアパーチャを透過することによってビーム径が縮小された画素ビームを、第2のマイクロ収束素子の焦点距離と結像倍率とによって決まる位置にビームスポットとして結像できるので、アパーチャの作用によりクロストーク光や散乱光を効果的に減少させつつ、所要のワーキングディスタンスを確保して露光面を画素ビームの収束位置に直接設定することができるようになる。   In the exposure head according to the present invention, the second micro-focusing element array forms the real image of the pixel beam that has passed through each of the plurality of apertures on the exposure surface by using the plurality of second micro-focusing elements. The pixel beam whose beam diameter has been reduced by passing through the first micro-focusing element of the micro-focusing element array and the aperture of the aperture array is placed at a position determined by the focal length and imaging magnification of the second micro-focusing element. Since the image can be formed as a beam spot, the exposure surface can be set directly at the convergence position of the pixel beam while ensuring the required working distance while effectively reducing crosstalk light and scattered light by the action of the aperture. become.

また本発明に係る露光ヘッドでは、第2のマイクロ収束素子アレイが、複数のアパーチャをそれぞれ透過した画素ビームの実像を複数の第2のマイクロ収束素子により露光面上に形成することにより、第1のマイクロ収束素子アレイの第1のマイクロ収束素子によってビーム径が縮小され、アパーチャアレイのアパーチャを透過した画素ビームを第2のマイクロ収束素子の焦点距離と結像倍率とによって決まる位置にビームスポットとして結像できるので、アパーチャの作用によりクロストーク光や散乱光を効果的に減少させつつ、所要のワーキングディスタンスを確保して露光面を画素ビームの収束位置に直接置くことができるようになる。   In the exposure head according to the present invention, the second micro-focusing element array forms the real image of the pixel beam that has passed through each of the plurality of apertures on the exposure surface by using the plurality of second micro-focusing elements. The beam diameter is reduced by the first micro-focusing element of the micro-focusing element array, and the pixel beam transmitted through the aperture of the aperture array is formed as a beam spot at a position determined by the focal length and the imaging magnification of the second micro-focusing element. Since the image can be formed, the exposure surface can be directly placed at the convergence position of the pixel beam while ensuring the required working distance while effectively reducing the crosstalk light and the scattered light by the action of the aperture.

ここで、ワーキングディスタンスを確保するために、マイクロレンズアレイ等のマイクロ収束素子アレイを用いているので、複数枚の要素レンズからなる結像レンズ系を用いた場合と比較し、装置の部品点数を大幅に減少できると共に、設置スペースを大幅に減少できるので、装置コストの低減及び装置の小型化が可能になる。   Here, in order to secure a working distance, a micro-converging element array such as a micro-lens array is used, so the number of parts of the apparatus is reduced compared to the case where an imaging lens system composed of a plurality of element lenses is used. In addition to being able to greatly reduce the installation space, the apparatus cost can be reduced and the apparatus can be downsized.

また以上説明した本発明に係る露光ヘッドでは、第1のマイクロ収束素子及び第2のマイクロ収束素子の少なくとも一方としてトーリックレンズ等の非球面レンズを用いることができる。   In the exposure head according to the present invention described above, an aspherical lens such as a toric lens can be used as at least one of the first microfocusing element and the second microfocusing element.

以上説明したように、本発明の露光ヘッドによれば、空間光変調素子により表示される光学的なパターン情報を広い露光面積にわたって高分解能及び高解像度に露光できる。   As described above, according to the exposure head of the present invention, the optical pattern information displayed by the spatial light modulator can be exposed with high resolution and high resolution over a wide exposure area.

具体的には、本発明の露光ヘッドによれば、空間光変調素子の画素サイズを、マイクロレンズアレイ等を用いて画素ごとに縮小して露光面において高分解能化(high resolving power)するとともに、空間光変調素子の1つの画素列に対して一定の角度θ(0°<θ<90°)をなす直線に沿って露光面を走査して露光密度を高くして高解像度化(high resolution)を図る露光ヘッドにおいて、
(A)空間光変調素子を照明する光に含まれる散乱成分や空間光変調素子からの回折、散乱等によって生ずるクロストーク成分等のノイズ成分をほぼ完全に遮断して高解像度の露光ビームを得ることができる。
Specifically, according to the exposure head of the present invention, the pixel size of the spatial light modulator is reduced for each pixel using a microlens array or the like to increase the resolution on the exposure surface (high resolving power), The exposure surface is scanned along a straight line that forms a certain angle θ (0 ° <θ <90 °) with respect to one pixel column of the spatial light modulator, thereby increasing the exposure density and increasing the resolution (high resolution). In the exposure head aiming at
(A) A high-resolution exposure beam is obtained by almost completely blocking noise components such as scattering components contained in light illuminating the spatial light modulation device and crosstalk components caused by diffraction and scattering from the spatial light modulation device. be able to.

(B)この露光ビームを空間的に別の面に伝達することによってワーキングディスタンス(working distance)を確保し、伝達された面に実際の露光体を配置できる。   (B) A working distance can be secured by transmitting the exposure beam spatially to another surface, and an actual exposure object can be disposed on the transmitted surface.

(C)上記(B)を低コストかつ小空間にて実現できる。   (C) The above (B) can be realized at a low cost and in a small space.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
[露光装置の構成]
本発明の実施形態に係る露光ヘッドが適用された露光装置142は、図1に示されるように、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。脚部154に支持された肉厚板状の設置台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、このステージ152はガイド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142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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Configuration of exposure apparatus]
As shown in FIG. 1, an exposure apparatus 142 to which an exposure head according to an embodiment of the present invention is provided 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 legs 154, and the stage 152 is supported by the guides 158 so as to be reciprocally movable. ing. The exposure device 142 is provided with a drive device (not shown) for driving the stage 152 along the guide 158.

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。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レーザスキャナ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。レーザスキャナ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、レーザスキャナ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。   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 end portions of the gate 160 is fixed to both side surfaces of the installation table 156. A laser 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 laser 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 laser scanner 162 and the detection sensor 164 are connected to a controller (not shown) that controls them.

レーザスキャナ162は、図2及び図3(B)に示されるように、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。   As shown in FIGS. 2 and 3B, the laser scanner 162 has a plurality of (for example, 14) exposure heads 166 arranged in a substantially matrix of m rows and n columns (for example, 3 rows and 5 columns). It has. In this example, four exposure heads 166 are arranged in the third row in relation to the width of the photosensitive material 150. In addition, when showing each exposure head arranged in the m-th row and the n-th column, it is expressed as an exposure head 166mn.

露光ヘッド166による露光エリア168は、走査方向を短辺とする矩形状である。従って、ステージ152の移動に伴い、感光材料150には露光ヘッド166毎に帯状の露光済み領域170が形成される。なお、m行目のn列目に配列された個々の露光ヘッドによる露光エリアを示す場合は、露光エリア168mnと表記する。   An exposure area 168 by the exposure head 166 has a rectangular shape with a short side in the 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, it is expressed as an exposure area 168mn.

また、図3(A)及び(B)に示されるように、帯状の露光済み領域170が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、本実施形態では2倍)ずらして配置されている。このため、1行目の露光エリア16811と露光エリア16812との間の露光できない部分は、2行目の露光エリア16821と3行目の露光エリア16831とにより露光することができる。 Further, as shown in FIGS. 3A and 3B, each of the exposure heads in each row arranged in a line so that the strip-shaped exposed regions 170 are arranged in the direction orthogonal to the scanning direction without gaps. These are arranged with a predetermined interval (natural number times the long side of the exposure area, twice in this embodiment) in the arrangement direction. Therefore, can not be exposed portion between the exposure area 168 11 in the first row and the exposure area 168 12, it can be exposed by the second row of the exposure area 168 21 and the exposure area 168 31 in the third row.

露光ヘッド16611〜166mn各々は、図4に示されるように、入射し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(有効領域)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、DMD50の有効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における各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、この反射面の角度の制御についても後述する。 As shown in FIG. 4, each of the exposure heads 166 11 to 166 mn uses a digital micromirror device (DMD) 50 as a spatial light modulation element that modulates an incident light beam for each pixel in accordance with image data. I have. 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 area (effective area) to be controlled by the DMD 50 for each exposure head 166 based on the input image data. The effective area of the DMD 50 will be described later. The mirror drive control unit controls the angle of the reflection surface of each micromirror in 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.

露光ヘッド166には、図4に示されるように、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から出射したレーザビームをDMD50上に均一の照明光として照射する照明光学系67、照明光学系67を透過したレーザビームをDMD50に向けて反射する折返しミラー74、折返しミラー74により反射されDMD50に入射するレーザビームとDMD50により反射されたレーザビームとを高効率で分離するTIR(全反射)プリズム76がこの順に配置されている。ここで、照明光学系67には、光軸方向に沿った中間部に要素レンズとして微小ロッドレンズ71が配置されており、この微小ロッドレンズ71をファイバアレイ光源66からのレーザビームが透過することにより照明光が均一化される。   As shown in FIG. 4, the exposure head 166 includes a laser emission portion in which the emission end portion (light emission point) of the optical fiber is arranged in a line along the direction corresponding to the long side direction of the exposure area 168. A fiber array light source 66, an illumination optical system 67 that irradiates the laser beam emitted from the fiber array light source 66 onto the DMD 50 as uniform illumination light, a folding mirror 74 that reflects the laser beam transmitted through the illumination optical system 67 toward the DMD 50, A TIR (total reflection) prism 76 that separates the laser beam reflected by the folding mirror 74 and incident on the DMD 50 and the laser beam reflected by the DMD 50 with high efficiency is arranged in this order. Here, in the illumination optical system 67, a micro rod lens 71 is disposed as an element lens in an intermediate portion along the optical axis direction, and the laser beam from the fiber array light source 66 is transmitted through the micro rod lens 71. As a result, the illumination light is made uniform.

DMD50は、図6に示されるように、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。このマイクロミラー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。   As shown in FIG. 6, the DMD 50 is configured such that a micromirror 62 is supported on a SRAM cell (memory cell) 60 by supporting columns, and a large number of pixels (pixels) are formed. This is a mirror device configured by arranging (for example, 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). ).

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に示されるように制御することによって、DMD50に入射した光はそれぞれのマイクロミラー62の傾きに対応する方向へ反射される。   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 according to the image signal as shown in FIG. 6, the light incident on the DMD 50 is directed in a direction corresponding to the inclination of each micromirror 62. Reflected.

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。ここで、オン状態のマイクロミラー62により反射された光は露光状態に変調され、DMD50の光出射側に設けられた照明光学系67(図4参照)へ入射する。またオフ状態のマイクロミラー62により反射された光は非露光状態に変調され、光吸収体(図示省略)に入射する。   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. Here, the light reflected by the on-state micromirror 62 is modulated into an exposure state, and enters an illumination optical system 67 (see FIG. 4) provided on the light exit side of the DMD 50. The light reflected by the micromirror 62 in the off state is modulated into a non-exposure state and enters a light absorber (not shown).

また、DMD50は、その短辺方向(行方向)が走査方向と所定角度θ(例えば、0.1°〜0.5°)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露光面上におけるビームスポット(レーザビーム)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面上におけるビームスポット53の走査軌跡を示している。   The DMD 50 is preferably arranged with a slight inclination so that the short side direction (row direction) forms a predetermined angle θ (for example, 0.1 ° to 0.5 °) with the scanning direction. FIG. 8A shows the scanning trajectory of the beam spot (laser beam) 53 on the exposure surface by each micromirror when the DMD 50 is not tilted, and FIG. 8B is the exposure track when the DMD 50 is tilted. A scanning locus of the beam spot 53 is shown.

DMD50には、長手方向(行方向)に沿って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)に示されるように、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P´が、DMD50を傾斜させない場合の走査線のピッチP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W´と、DMD50を傾斜させない場合の走査幅Wとは略同一と見なせる。なお、DMD50を傾斜させる代わりに、各マイクロミラー列を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。   In the DMD 50, a number of micromirror arrays in which a large number (for example, 800) of micromirrors are arranged along the longitudinal direction (row direction) are arranged in a short direction (for example, 600 sets). As shown in FIG. 8B, by tilting the DMD 50, the pitch P ′ of the scanning trajectory (scanning line) of the exposure beam 53 by each micromirror is greater than the pitch P of the scanning line when the DMD 50 is not tilted. 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 scan width W ′ when the DMD 50 is tilted and the scan width W when the DMD 50 is not tilted can be regarded as substantially the same. 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 scanning direction instead of inclining the DMD 50.

ファイバアレイ光源66は、例えば、図9(A)に示されるように、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)に示されるように、光ファイバ31の出射端部(発光点)が走査方向と直交する方向に沿って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)に示されるように、発光点を走査方向に直交する方向に沿って2列に配列することもできる。   For example, as shown in FIG. 9A, the fiber array light source 66 includes a plurality of (for example, six) laser modules 64, and each laser module 64 includes one end of the multimode optical fiber 30. Are combined. 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. 9C. The laser emitting portion 68 is configured by arranging the emitting end portions (light emitting points) of the optical fiber 31 in a line along a direction orthogonal to the scanning direction. As shown in FIG. 9D, the light emitting points can be arranged in two rows along a direction orthogonal to the scanning direction.

光ファイバ31の出射端部(図9参照)は、表面が平坦な2枚の支持板(図示省略)に挟み込まれて固定されている。また、図9(B)に示されるように、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。光ファイバ31の出射端部は、光密度が高く集塵し易いため劣化し易いが、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。   The exit end (see FIG. 9) of the optical fiber 31 is sandwiched and fixed between two support plates (not shown) having a flat surface. Further, as shown in FIG. 9B, 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 exit end of the optical fiber 31 is easily deteriorated because of its high light density and easy dust collection. However, the protective plate 63 can prevent dust from adhering to the end face and delay the deterioration. .

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、グレーデ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。本実施形態では、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=25μm、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=25μm、NA=0.2である。   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 the present embodiment, the multimode optical fiber 30 and the optical fiber 31 are step index type optical fibers, and the multimode optical fiber 30 has a cladding diameter = 125 μm, a core diameter = 25 μm, NA = 0.2, and an incident end face coat. The optical fiber 31 has a cladding diameter = 60 μm, a core diameter = 25 μm, and NA = 0.2.

レーザモジュール64は、図10に示す合波レーザビーム源(ファイバ光源)によって構成されている。この合波レーザビーム源は、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。   The laser module 64 is configured by a combined laser beam source (fiber light source) shown in FIG. This combined laser beam 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 arranged and fixed on the heat block 10. , 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 And a multimode optical fiber 30. The number of semiconductor lasers is not limited to seven.

次に、露光ヘッド166におけるDMD50の光反射側における光学系の構成について説明する。   Next, the configuration of the optical system on the light reflection side of the DMD 50 in the exposure head 166 will be described.

図5に示されるように、露光ヘッド166には、DMD50の光反射側に画素ビームの進行方向に沿って結像レンズ系200、第1マイクロレンズアレイ206、アパーチャアレイ210及び第2マイクロレンズアレイ214が順に設けられている。ここで、DMD50は面(X1,Y1)に配置されており、DMD50の各マイクロミラー62は面(X1,Y1)に沿って配置されている。また結像レンズ系200は、画素ビームの入射側(物体側)及び射出側(像側)ともにテレセントリック光学系とすることが好ましく、要素レンズ202,204の焦点距離はそれぞれf1,f2となっている。   As shown in FIG. 5, the exposure head 166 includes an imaging lens system 200, a first microlens array 206, an aperture array 210, and a second microlens array along the traveling direction of the pixel beam on the light reflection side of the DMD 50. 214 are provided in order. Here, the DMD 50 is disposed on the surface (X1, Y1), and each micromirror 62 of the DMD 50 is disposed along the surface (X1, Y1). The imaging lens system 200 is preferably a telecentric optical system on both the incident side (object side) and exit side (image side) of the pixel beam, and the focal lengths of the element lenses 202 and 204 are f1 and f2, respectively. Yes.

図5において、220A,220B,220Cは、それぞれマイクロミラー62A,62B,62Cにより露光状態に変調された画素ビーム、222A,222B,222Cは、それぞれ結像レンズ系200を通過した画素ビーム、224A,224B,224Cは、結像レンズ系200によりそれぞれ形成されたマイクロミラー62A,62B,62Cの実像である。   In FIG. 5, 220A, 220B, and 220C are pixel beams that are modulated by the micromirrors 62A, 62B, and 62C, respectively, and 222A, 222B, and 222C are pixel beams that have passed through the imaging lens system 200, 224A, and 220C, respectively. 224B and 224C are real images of the micromirrors 62A, 62B, and 62C formed by the imaging lens system 200, respectively.

なお、図5では、結像レンズ系200における光軸方向両端に配置された2枚の要素レンズ202,204のみが示されているが、実際には、このような結像レンズ系200は、十分に高い解像度の結像を行うために、5〜15枚といった多数枚の要素レンズで構成されたり、あるいは製造の難しい非球面レンズを含む複数枚の要素レンズで構成されることが一般的である。   FIG. 5 shows only two element lenses 202 and 204 arranged at both ends of the imaging lens system 200 in the optical axis direction. In order to form an image with sufficiently high resolution, it is generally composed of a plurality of element lenses such as 5 to 15 elements, or a plurality of element lenses including an aspheric lens that is difficult to manufacture. is there.

結像レンズ系200は、DMD50を構成する各マイクロミラー62(図5では、3個のマイクロミラー62A,62B,62Cのみが示されている。)を第1マイクロレンズアレイ206の入射面上に結像する。すなわち、マイクロミラー62A,62B,62Cの反射面と、これらの実像224A,224B,224Cが形成される第1マイクロレンズアレイ206の入射面とは、結像レンズ系200に関して互いに共役の関係になっている。   In the imaging lens system 200, each micromirror 62 (only three micromirrors 62A, 62B, and 62C are shown in FIG. 5) constituting the DMD 50 is placed on the incident surface of the first microlens array 206. Form an image. That is, the reflecting surfaces of the micromirrors 62A, 62B, and 62C and the incident surface of the first microlens array 206 on which these real images 224A, 224B, and 224C are formed are in a conjugate relationship with each other with respect to the imaging lens system 200. ing.

図5では、DMD50におけるマイクロミラー62A,62B,62Cにより露光状態に変調された画素ビーム220A,220B,220Cを実線で示し、また結像レンズ系200に関する共役関係を破線で示している。また説明の簡略化のために、図5では、3個のマイクロミラー62A,62B,62Cのみを示しているが、露光ヘッド166では、DMD50における全て(例えば、800×600個、1024×256個)のマイクロミラー62により構成される光反射面から所要の有効領域を選択し、この有効領域に含まれる多数個(例えば、200×600個)のマイクロミラー62によりそれぞれレーザビームを変調する。   In FIG. 5, the pixel beams 220A, 220B, and 220C modulated in the exposure state by the micromirrors 62A, 62B, and 62C in the DMD 50 are indicated by solid lines, and the conjugate relationship with respect to the imaging lens system 200 is indicated by a broken line. For simplification of explanation, FIG. 5 shows only three micromirrors 62A, 62B, and 62C, but the exposure head 166 has all (for example, 800 × 600, 1024 × 256) in the DMD 50. The required effective area is selected from the light reflecting surface constituted by the micromirrors 62), and the laser beams are respectively modulated by a large number (for example, 200 × 600) of micromirrors 62 included in the effective area.

第1マイクロレンズアレイ206には、複数個のマイクロレンズ208が設けられており、これらのマイクロレンズ208は、その光入射面がマイクロミラー62A,62B,62Cの実像224A,224B,224Cが形成される面(X2,Y2)と一致するように配置されている。また第1マイクロレンズアレイ206の各マイクロレンズ208は、DMD50における有効領域に配列された複数個のマイクロミラー62にそれぞれ1対1で対応している。すなわち、例えば、DMD50における800×600のマイクロミラー62を用いてレーザビームを変調する場合は、第1マイクロレンズアレイ206には、800×600個のマイクロレンズ208が各マイクロミラー62にそれぞれ対応するように二次元的に配列される。   The first microlens array 206 is provided with a plurality of microlenses 208, and these microlenses 208 are formed with real images 224A, 224B, and 224C of the light incident surfaces of the micromirrors 62A, 62B, and 62C. Are arranged so as to coincide with the surface (X2, Y2). Each microlens 208 of the first microlens array 206 has a one-to-one correspondence with the plurality of micromirrors 62 arranged in the effective area of the DMD 50. That is, for example, when the laser beam is modulated using the 800 × 600 micromirror 62 in the DMD 50, 800 × 600 microlenses 208 correspond to the micromirrors 62 in the first microlens array 206. Are arranged two-dimensionally.

ここで、第1マイクロレンズアレイ206のマイクロレンズ208の焦点距離は、f3とされており、また226A,226B,226Cは、第1マイクロレンズアレイ206のマイクロレンズ208により収束した画素ビーム(フラウンホーファー回折像)をそれぞれ示している。   Here, the focal length of the microlens 208 of the first microlens array 206 is f3, and 226A, 226B, and 226C are pixel beams (Fraunhofer) converged by the microlens 208 of the first microlens array 206. (Diffraction images) are shown respectively.

すなわち、DMD50により変調されたレーザビームは、通常、略コリメートされた画素ビーム220A,220B,220Cとして出射され、結像レンズ系200を経て略コリメートされた画素ビーム222A,222B,222Cとして第1マイクロレンズアレイ206の各マイクロレンズ208に入射する。これらの画素ビーム222A,222B,222Cは、それぞれ第1マイクロレンズアレイ206のマイクロレンズ208よって収束され、第1マイクロレンズアレイ206の焦点面(X3,Y3)にフラウンホーファー回折像を形成する。   In other words, the laser beam modulated by the DMD 50 is normally emitted as substantially collimated pixel beams 220A, 220B, and 220C, and passes through the imaging lens system 200 to be substantially collimated pixel beams 222A, 222B, and 222C. The light enters each microlens 208 of the lens array 206. These pixel beams 222A, 222B, and 222C are converged by the microlens 208 of the first microlens array 206, respectively, and form a Fraunhofer diffraction image on the focal plane (X3, Y3) of the first microlens array 206.

図5に示されるように、アパーチャアレイ210は、第1マイクロレンズアレイ206の焦点面(X3,Y3)に配置されている。アパーチャアレイ210には、第1マイクロレンズアレイ206の各マイクロレンズ208にそれぞれ1対1で対応するようにアパーチャ212が二次元的に配列されている。これらのアパーチャ212は、第1マイクロレンズアレイ206の各マイクロレンズ208により形成されたフラウンホーファー回折像の0次回折像のみを実質的に透過させるサイズ及び形状を有している。これにより、第1マイクロレンズアレイ206により形成された回折像に含まれるノイズ成分、例えば、DMD50を照明するレーザビームに含まれる散乱成分やDMD50から発生する散乱成分、またはDMD50からの回折によって生ずるクロストーク成分等が遮断される。   As shown in FIG. 5, the aperture array 210 is disposed on the focal plane (X3, Y3) of the first microlens array 206. Apertures 212 are two-dimensionally arranged in the aperture array 210 so as to correspond to the microlenses 208 of the first microlens array 206 on a one-to-one basis. These apertures 212 have a size and a shape that substantially transmits only the 0th-order diffraction image of the Fraunhofer diffraction image formed by each microlens 208 of the first microlens array 206. Thereby, noise components included in the diffraction image formed by the first microlens array 206, for example, scattering components included in the laser beam that illuminates the DMD 50, scattering components generated from the DMD 50, or crosses generated by diffraction from the DMD 50. Talk components and the like are blocked.

アパーチャアレイ210を通過してノイズ成分を除去された画素ビームは、第2マイクロレンズアレイ214の各マイクロレンズ216によって結像され、露光面56上に露光スポット228A,228B,228Cを形成する。このとき、第2マイクロレンズアレイ214と露光面56との間には一定の空間(ワーキングディスタンス)が確保されることから、露光面56上に配された感光材料を高分解能の露光スポット228A,228B,228Cによって露光することができる。また、第1及び第2のマイクロレンズアレイ206,214の各マイクロレンズ208,216の焦点距離は、通常0.1〜1mm程度にすることができるので、DMD50の各マイクロミラー62の実像224A,224B,224Cが形成される面から露光面56までの距離Lを10mm以下にすることができる。   The pixel beam that has passed through the aperture array 210 and from which noise components have been removed is imaged by the microlenses 216 of the second microlens array 214 to form exposure spots 228A, 228B, and 228C on the exposure surface 56. At this time, since a certain space (working distance) is ensured between the second microlens array 214 and the exposure surface 56, the photosensitive material arranged on the exposure surface 56 is exposed to the high-resolution exposure spots 228A, 228A, Exposure can be performed using 228B and 228C. Further, since the focal lengths of the microlenses 208 and 216 of the first and second microlens arrays 206 and 214 can be normally set to about 0.1 to 1 mm, the real images 224A and 224A of the micromirrors 62 of the DMD 50 can be obtained. The distance L from the surface on which 224B and 224C are formed to the exposure surface 56 can be 10 mm or less.

次に、上記のように構成されたDMD50、第1マイクロレンズアレイ206、アパーチャアレイ210及び第2マイクロレンズアレイ214からなる光学系により得られる分解能について理論的な説明を行う。   Next, a theoretical description will be given of the resolution obtained by the optical system including the DMD 50, the first microlens array 206, the aperture array 210, and the second microlens array 214 configured as described above.

図11(A)には、図5に示される共役面(X1,Y1)に配置されたDMD50が示されている。但し、ここでは、DMD50における一部(5行×5列)のマイクロミラー62のみを図示している。典型的には、DMD50には600行×800列などにマイクロミラー62が配列される。ここで、P1は画素周期、W1は画素サイズであり、画素サイズW1は行方向(X1方向)、列方向(Y1方向)ともに同一サイズであるとする。   FIG. 11A shows the DMD 50 arranged on the conjugate plane (X1, Y1) shown in FIG. However, only a part (5 rows × 5 columns) of micromirrors 62 in the DMD 50 is illustrated here. Typically, in the DMD 50, the micromirrors 62 are arranged in 600 rows × 800 columns. Here, P1 is the pixel period, W1 is the pixel size, and the pixel size W1 is the same size in both the row direction (X1 direction) and the column direction (Y1 direction).

図11(B)には、共役面(X2,Y2)に形成される各マイクロミラー62の実像224が示されている。ここで、結像レンズ系200の結像倍率aはf2/f1により算出され、実像224の画素周期P2はa・P1、画素サイズW2はa・W1によりそれぞれ算出される。   FIG. 11B shows a real image 224 of each micromirror 62 formed on the conjugate plane (X2, Y2). Here, the imaging magnification a of the imaging lens system 200 is calculated by f2 / f1, the pixel period P2 of the real image 224 is calculated by a · P1, and the pixel size W2 is calculated by a · W1.

図11(C)には、焦点面(X3,Y3)に配置されたアパーチャアレイ210が示されている。焦点面(X3,Y3)には、前述したように、第1マイクロレンズアレイ206における各マイクロレンズ208に入射した画素ビーム222A,222B,222Cのフラウンホーファー回折像が形成される。ここで、第1マイクロレンズアレイ206における各マイクロレンズ208の有効開口が入射する画素ビーム222A,222B,222Cをカバーしていると仮定した場合、焦点面(X3,Y3)に形成される回折像は、画素ビーム222A,222B,222Cのサイズと同じ矩形開口が一様照明された場合の回折像と考えることができる。この際、座標の原点を各画素の中心にとったときの強度分布I(X3,Y3)は、光の波長をλ、第1マイクロレンズアレイ206の個々のマイクロレンズ208の焦点距離をf3とした場合に、下記(7)式により表される。   FIG. 11C shows the aperture array 210 arranged on the focal plane (X3, Y3). As described above, Fraunhofer diffraction images of the pixel beams 222A, 222B, and 222C that have entered the microlenses 208 in the first microlens array 206 are formed on the focal plane (X3, Y3). Here, assuming that the effective aperture of each microlens 208 in the first microlens array 206 covers the incident pixel beams 222A, 222B, and 222C, a diffraction image formed on the focal plane (X3, Y3). Can be considered as a diffracted image when a rectangular aperture having the same size as the pixel beams 222A, 222B, and 222C is uniformly illuminated. At this time, the intensity distribution I (X3, Y3) when the origin of the coordinates is set at the center of each pixel has a wavelength of light λ and a focal length of each microlens 208 of the first microlens array 206 as f3. In this case, it is expressed by the following formula (7).

I(X3,Y3)=C・sinc2(W2・X3/λ・f3)・sinc2(W2・Y3/λ・f3) ・・・ (7)
ただし、Cは定数、sinc(ω)=sin(πω)/(πω)である。
I (X 3 , Y 3 ) = C · sinc 2 (W 2 · X 3 / λ · f 3) · sinc 2 (W 2 · Y 3 / λ · f 3) (7)
However, C is a constant, sinc (ω) = sin (πω) / (πω).

上記の強度分布I(X3,Y3)は、中心(ω=0)に主極大があり(0次回折像)、ω=1,2,3,・・・で0になる。ω=1,2,3,・・・の間には副極大が現れるが、主極大に比べるとずっと強度が低く、全エネルギーの多くの部分は0次回折像に含まれる。   The intensity distribution I (X3, Y3) has a main maximum at the center (ω = 0) (0th order diffraction image), and becomes 0 at ω = 1, 2, 3,. A sub-maximum appears between ω = 1, 2, 3,..., but the intensity is much lower than that of the main maximum, and a large part of the total energy is included in the zero-order diffraction image.

また、0次回折像の周縁を与えるω=1となる座標(X31、Y31)は、|X31|=|Y31|=λ・f3/W2である。ここで、各画素の位置にX方向、Y方向にs=2・|X31|=2・|Y31|=2λ・f3/W2の正方形のアパーチャ212を有するアパーチャアレイ210を配置して0次回折像のみを透過させるようにすると、アパーチャアレイ210を透過した直後において、画素周期はP3=P2=a・P1、画素サイズはW3=sとなる。 Further, the coordinates (X3 1 , Y3 1 ) at which ω = 1 giving the periphery of the 0th-order diffraction image are | X3 1 | = | Y3 1 | = λ · f3 / W2. Here, an aperture array 210 having a square aperture 212 of s = 2 · | X3 1 | = 2 · | Y3 1 | = 2λ · f3 / W2 in the X direction and the Y direction is arranged at each pixel position. When only the next diffraction image is transmitted, immediately after transmitting through the aperture array 210, the pixel period is P3 = P2 = a · P1, and the pixel size is W3 = s.

図11(D)には、第2マイクロレンズアレイ214により露光面(X4,Y4)56上に形成される各マイクロミラー62の実像(画素ビーム)228が示されている。第2マイクロレンズアレイ214の各マイクロレンズ216は、アパーチャアレイ210の各アパーチャ212を透過した直後の個々の画素ビームを露光面(X4,Y4)56上に結像し、実像を形成する。このとき、結像倍率をbとすると、画素周期はP4=P3=P2=a・P1、画素サイズはW4=b・sとなる。   FIG. 11D shows a real image (pixel beam) 228 of each micromirror 62 formed on the exposure surface (X4, Y4) 56 by the second microlens array 214. Each microlens 216 of the second microlens array 214 forms an actual image on the exposure surface (X4, Y4) 56 by imaging each pixel beam immediately after passing through each aperture 212 of the aperture array 210. At this time, if the imaging magnification is b, the pixel period is P4 = P3 = P2 = a · P1, and the pixel size is W4 = b · s.

(具体的な数値例に基づく計算結果)
次に、以上説明した理論的な演算式に、具体的な数値を代入して求めた分解能の演算結果の一例について説明する。
(Calculation results based on specific numerical examples)
Next, an example of a resolution calculation result obtained by substituting specific numerical values for the above-described theoretical calculation formula will be described.

露光ヘッド166における、DMD50における画素周期P1を13.7μm、画素サイズW1を13.0μm、
結像レンズ系200の要素レンズ202,204の焦点距離f1及びf2をそれぞれ20mm及び40mm、
ファイバアレイ光源66から出射されるレーザビームの波長λを0.4μm、
第1マイクロレンズアレイ206の各マイクロレンズ208の焦点距離f3を0.2mm、
アパーチャアレイ210の各アパーチャ212一辺の寸法をs(ここで、sはアパーチャ212の形状を正方形とし、0次回折像のみ通過させるための理論的な寸法)、
第2マイクロレンズアレイ214の各マイクロレンズ216による実像形成の結像倍率bを1とした場合、露光面(X4,Y4)56上における画素サイズW4及び画素周期P4は、以下のように求められる。
In the exposure head 166, the pixel period P1 in the DMD 50 is 13.7 μm, the pixel size W1 is 13.0 μm,
The focal lengths f1 and f2 of the element lenses 202 and 204 of the imaging lens system 200 are 20 mm and 40 mm, respectively.
The wavelength λ of the laser beam emitted from the fiber array light source 66 is 0.4 μm,
The focal length f3 of each microlens 208 of the first microlens array 206 is 0.2 mm,
The dimension of one side of each aperture 212 of the aperture array 210 is s (where s is a theoretical dimension for making the shape of the aperture 212 square and allowing only the 0th-order diffraction image to pass through),
When the imaging magnification b for real image formation by each microlens 216 of the second microlens array 214 is 1, the pixel size W4 and the pixel period P4 on the exposure surface (X4, Y4) 56 are obtained as follows. .

a=f2/f1=40/20=2
W1=13.0μm、P1=13.7μm、W2=26.0μm、P2=27.4μm
|X31|=|Y31|=λ・f3/W2=0.4×0.2/26.0=3.1μm
s=2・|X31|=2・|Y31|=6.2μm
W3=s=6.2μm、P3=P2=27.4μm
W4=b・s=1×6.2=6.2μm、P4=P3=27.4μmとなる。
a = f2 / f1 = 40/20 = 2
W1 = 13.0 μm, P1 = 13.7 μm, W2 = 26.0 μm, P2 = 27.4 μm
| X31 | = | Y31 | = λ · f3 / W2 = 0.4 × 0.2 / 26.0 = 3.1 μm
s = 2 · | X3 1 | = 2 · | Y 3 1 | = 6.2 μm
W3 = s = 6.2 μm, P3 = P2 = 27.4 μm
W4 = b · s = 1 × 6.2 = 6.2 μm, P4 = P3 = 27.4 μm.

すなわち、露光面(X4,Y4)56上の画素ビームサイズW4は6.2μmとなり、DMD50の画素サイズW1(=13.0μm)よりも十分に小さくなり、高分解能化される。   That is, the pixel beam size W4 on the exposure surface (X4, Y4) 56 is 6.2 μm, which is sufficiently smaller than the pixel size W1 (= 13.0 μm) of the DMD 50, and the resolution is increased.

(傾斜走査による解像度の向上効果)
次に、DMD50の行方向を走査方向に対して所定の角度θだけ傾斜させた場合の解像度の向上効果について理論的な説明を行う。
(Resolution improvement effect by tilt scanning)
Next, the theoretical improvement effect of the resolution when the row direction of the DMD 50 is inclined by a predetermined angle θ with respect to the scanning direction will be described.

図12に示されるように、DMD50の行方向を走査方向に対してtanθ=1/n(nは列の数)となる角度θ傾斜させて走査する場合につき、露光面(X4,Y4)56上における画素ビームの走査態様を考える。   As shown in FIG. 12, the exposure surface (X4, Y4) 56 in the case where scanning is performed with the row direction of the DMD 50 inclined at an angle θ that is tan θ = 1 / n (n is the number of columns) with respect to the scanning direction. Consider the scanning mode of the pixel beam above.

ここで、角度θは、DMD50の行方向(矢印X方向)と、露光面56に対する走査方向(図12に示される矢印t方向)とのなす角度(0°<θ<90°)、
P4は露光面(X4,Y4)56上における画素周期、
W4は露光面(X4,Y4)56上における画素サイズ
但し、ここで言う画素は、露光スポット228(図11(D)参照)の露光により露光面(X4,Y4)56上に形成される画像の単位要素を意味しているが、この画素の画素周期及び画素サイズは、露光面(X4,Y4)56上に結像された露光スポット228(図11(D)参照)の周期及びサイズと等しいものになる、として以下の説明を行う。
Here, the angle θ is an angle (0 ° <θ <90 °) formed by the row direction (arrow X direction) of the DMD 50 and the scanning direction with respect to the exposure surface 56 (arrow t direction shown in FIG. 12),
P4 is a pixel period on the exposure surface (X4, Y4) 56,
W4 is the pixel size on the exposure surface (X4, Y4) 56. However, the pixel referred to here is an image formed on the exposure surface (X4, Y4) 56 by exposure of the exposure spot 228 (see FIG. 11D). The pixel period and pixel size of this pixel are the same as the period and size of the exposure spot 228 (see FIG. 11D) imaged on the exposure surface (X4, Y4) 56. The following description will be made assuming that they are equal.

図12に示されるように、本実施形態の露光ヘッド166では、DMD50における任意の一つの行に含まれるn個の画素によるn本の走査線群が、相互にP4・sinθの間隔で並び、また隣接する次の行に含まれるn個の画素によるn本の走査線群との隣接間隔もP4・sinθとなり、全体として間隔P4・sinθの走査線が形成される。   As shown in FIG. 12, in the exposure head 166 of the present embodiment, n scanning line groups of n pixels included in any one row in the DMD 50 are arranged at an interval of P4 · sin θ. Further, the adjacent interval between the n pixels included in the next adjacent row and the n scanning line group is also P4 · sin θ, and the scanning line having the interval P4 · sin θ is formed as a whole.

このとき、走査線間隔と同じ間隔で露光画素を配列するように変調制御すると露光画素周期はP4・sinθとなる。これに前述した数値例をあてはめると、
θ=tan-1(1/n)=tan-1(0.2)=11.3°
露光画素周期=P4・sinθ=27.4×sin11.3°=5.4μm
また、露光面(X4,Y4)56上での露光画素ビームサイズは、W4=b・s=1×6.2μm=6.2μmである。従って、6.2μmという十分に小さい露光ビームにより、多少の重ね露光をしつつ、5.4μmという画素周期で適切な露光を行うことができる。すなわち、露光面56の露光画素周期P4・sinθ=5.4μmは、DMD50の画素周期P1=13.7μmよりも小さくなり、高解像度化される。
[マイクロレンズアレイの変形例]
以上説明した本実施形態に係る露光ヘッド166では、マイクロレンズアレイ206のマイクロレンズ208及びマイクロレンズアレイ214のマイクロレンズ216としてそれぞれ球面レンズを用いていたが、このようなマイクロレンズアレイ206,214のマイクロレンズとして、非球面レンズ、具体的には、例えばトーリックレンズを用いることができる。マイクロレンズアレイ206,216の少なくとも一方が、そのマイクロレンズとしてトーリックレンズを用いることにより、DMD50の歪みによる影響を解消することが可能になる。
At this time, if modulation control is performed so that the exposure pixels are arranged at the same interval as the scanning line interval, the exposure pixel period becomes P4 · sin θ. Applying the numerical example mentioned above to this,
θ = tan-1 (1 / n) = tan-1 (0.2) = 11.3 °
Exposure pixel period = P4 · sin θ = 27.4 × sin 11.3 ° = 5.4 μm
The exposure pixel beam size on the exposure surface (X4, Y4) 56 is W4 = b · s = 1 × 6.2 μm = 6.2 μm. Accordingly, appropriate exposure can be performed with a pixel period of 5.4 μm while performing a slight overlap exposure with a sufficiently small exposure beam of 6.2 μm. That is, the exposure pixel period P4 · sin θ = 5.4 μm of the exposure surface 56 is smaller than the pixel period P1 = 13.7 μm of the DMD 50, and the resolution is increased.
[Modification of micro lens array]
In the exposure head 166 according to the present embodiment described above, spherical lenses are used as the microlens 208 of the microlens array 206 and the microlens 216 of the microlens array 214, respectively. As the microlens, an aspherical lens, specifically, for example, a toric lens can be used. At least one of the microlens arrays 206 and 216 uses a toric lens as the microlens, so that the influence of the distortion of the DMD 50 can be eliminated.

すなわち、DMD50のマイクロミラー52には歪がある場合があり、その歪の影響により、オン状態のマイクロミラー52により変調された光をマイクロレンズアレイ206で集光しようとしても形状が乱れたビームとなり、十分に小さなビームに集光できないおそれがある。このままでは、露光面56上でビーム径を十分に小さく集光できない、あるいは、アパーチャ210を通過しない光が増えて光利用効率が落ちてしまう、といった問題の発生が懸念される。そこで、本実施形態に係る露光ヘッド166では、上記のような問題が特に懸念される場合には、非球面のマイクロレンズ(ここでは、トーリックレンズ)からなるマイクロレンズアレイ206,214を採用することによって、このような問題の発生を回避するようにしている。   That is, the micromirror 52 of the DMD 50 may be distorted, and due to the distortion, the light modulated by the micromirror 52 in the on state is a beam whose shape is disordered even if it is focused by the microlens array 206. There is a possibility that the beam cannot be condensed into a sufficiently small beam. If this is the case, there is a concern that the beam diameter may not be sufficiently small on the exposure surface 56, or that light that does not pass through the aperture 210 increases, resulting in a decrease in light utilization efficiency. Therefore, in the exposure head 166 according to the present embodiment, when the above-described problem is particularly concerned, the microlens arrays 206 and 214 including aspherical microlenses (here, toric lenses) are employed. Therefore, the occurrence of such a problem is avoided.

なお、マイクロレンズアレイ206及びマイクロレンズアレイ214のうち、下流側のマイクロレンズアレイ214をトーリックレンズが配列されたマイクロレンズアレイ(以下、「トーリックレンズアレイ」という。)にしてもよいが、アパーチャ210よりも上流側でビーム整形する方がより好ましいという事情から、マイクロレンズアレイ206をトーリックレンズアレイとする方が好ましい。この場合、アパーチャ210への入射ビームの形状、サイズが良好となるので、ビームのケラレが少なくなる等の利点がある。このことから、ここではアパーチャ210の上流側に配置されたマイクロレンズアレイとして、複数のトーリックレンズが二次元的に配列されたもの(以下、これを「マイクロレンズアレイ260」という。)を用いた場合について説明する。   Of the microlens array 206 and the microlens array 214, the microlens array 214 on the downstream side may be a microlens array in which toric lenses are arranged (hereinafter referred to as “toric lens array”), but the aperture 210. In view of the fact that it is more preferable to shape the beam on the upstream side, it is preferable to use the microlens array 206 as a toric lens array. In this case, since the shape and size of the incident beam to the aperture 210 are improved, there is an advantage that the vignetting of the beam is reduced. Therefore, here, a microlens array arranged upstream of the aperture 210 is a microlens array in which a plurality of toric lenses are two-dimensionally arranged (hereinafter referred to as “microlens array 260”). The case will be described.

本実施形態に係るマイクロレンズアレイとして用いられるトーリックレンズアレイについて詳細に説明する。   The toric lens array used as the microlens array according to the present embodiment will be described in detail.

図14には、DMD50を構成するマイクロミラー62の反射面の平面度を測定した結果の一例を示す。同図においては、反射面の同じ高さ位置を等高線で結んで示してあり、等高線のピッチは5nmである。なお同図に示すx方向およびy方向は、マイクロミラー62の2つ対角線方向であり、このマイクロミラー62はy方向に延びる回転軸を中心として回転するように構成されている。また図15(A)及び(B)にはそれぞれ、上記x方向、y方向に沿ったマイクロミラー62の反射面の高さ位置変位を示す。   FIG. 14 shows an example of the result of measuring the flatness of the reflecting surface of the micromirror 62 constituting the DMD 50. In the figure, the same height positions of the reflecting surfaces are shown connected by contour lines, and the pitch of the contour lines is 5 nm. Note that the x direction and the y direction shown in the figure are two diagonal directions of the micromirror 62, and the micromirror 62 is configured to rotate around a rotation axis extending in the y direction. FIGS. 15A and 15B show the height position displacement of the reflecting surface of the micromirror 62 along the x direction and the y direction, respectively.

上記図14及び図15に示される通り、マイクロミラー62の反射面には歪みが存在し、そして特にミラー中央部に注目してみると、1つの対角線方向(y方向)の歪みが、別の対角線方向(x方向)の歪みよりも大きくなっている。そのため、マイクロレンズアレイ206の球面マイクロレンズ208(図5参照)で集光されたレーザ光(画素ビーム)の集光位置における形状が歪むという問題が発生し得る。   As shown in FIG. 14 and FIG. 15, there is distortion on the reflection surface of the micro mirror 62, and when attention is paid particularly to the center of the mirror, distortion in one diagonal direction (y direction) It is larger than the distortion in the diagonal direction (x direction). Therefore, there may be a problem that the shape of the laser beam (pixel beam) collected by the spherical microlens 208 (see FIG. 5) of the microlens array 206 is distorted.

本実施形態に係る露光ヘッド166においては、上述の問題を防止するために、マイクロレンズアレイ260のマイクロレンズ262として非球面レンズ(トーリックレンズ)を用いることができる。   In the exposure head 166 according to the present embodiment, an aspherical lens (toric lens) can be used as the microlens 262 of the microlens array 260 in order to prevent the above-described problem.

図16(A)及び(B)には、トーリックレンズを用いたマイクロレンズアレイの正面形状および側面形状がそれぞれ示されている。これらの図にはマイクロレンズアレイ260の各部の寸法も記入してあり、それらの単位はmmである。ここでは、DMD50の1024個×256列のマイクロミラー62が駆動されるものであるとし、それに対応させてマイクロレンズアレイ260は、横方向に1024個並んだマイクロレンズ262の列を縦方向に256列並設して構成されている。なお図16(A)では、マイクロレンズアレイ260の並び順を横方向についてはjで、縦方向についてはkで示している。   FIGS. 16A and 16B show a front shape and a side shape of a microlens array using a toric lens, respectively. In these drawings, the dimensions of each part of the microlens array 260 are also written, and the unit thereof is mm. Here, it is assumed that the 1024 × 256 rows of micromirrors 62 of the DMD 50 are driven, and the microlens array 260 correspondingly corresponds to the row of 1024 microlenses 262 arranged in the horizontal direction. It is configured in parallel. In FIG. 16A, the arrangement order of the micro lens array 260 is indicated by j in the horizontal direction and k in the vertical direction.

また、図17(A)及び(B)は、それぞれ、上記マイクロレンズアレイ260における1つのマイクロレンズ262の正面形状および側面形状を示すものである。なお、図17(A)には、マイクロレンズ262の等高線を併せて示してある。各マイクロレンズ262の光出射側の端面は、上述したマイクロミラー62の反射面の歪みによる収差を補正する非球面形状とされている。より具体的に、マイクロレンズ262はトーリックレンズとされており、上記x方向に光学的に対応する方向の曲率半径Rxが−0.125mm、上記y方向に対応する方向の曲率半径Ryが−0.1mmとされている。   FIGS. 17A and 17B show a front shape and a side shape of one microlens 262 in the microlens array 260, respectively. In FIG. 17A, contour lines of the microlens 262 are also shown. The end surface of each microlens 262 on the light emission side has an aspherical shape that corrects the aberration caused by the distortion of the reflection surface of the micromirror 62 described above. More specifically, the microlens 262 is a toric lens, the radius of curvature Rx in the direction optically corresponding to the x direction is −0.125 mm, and the radius of curvature Ry in the direction corresponding to the y direction is −0. .1 mm.

従って、上記x方向およびy方向に平行な断面内における画素ビームBの集光状態は、概略、それぞれ図18(A)及び(B)に示す通りとなる。つまり、x方向に平行な断面内とy方向に平行な断面内とを比較すると、後者の断面内の方がマイクロレンズ262の曲率半径がより小であって、焦点距離がより短くなっている。   Accordingly, the condensing state of the pixel beam B in the cross section parallel to the x direction and the y direction is roughly as shown in FIGS. 18A and 18B, respectively. That is, comparing the cross section parallel to the x direction and the cross section parallel to the y direction, the radius of curvature of the microlens 262 is smaller and the focal length is shorter in the latter cross section. .

マイクロレンズ262を上記形状とした場合の、このマイクロレンズ262の集光位置(焦点位置)近傍におけるビーム径を計算機によってシミュレーションした結果を図19A、図19B、図19C、および図19Dにそれぞれ示す。また比較のために、マイクロレンズアレイのマイクロレンズが曲率半径Rx=Ry=−0.1mmの球面形状である場合について、同様のシミュレーションを行った結果を図20A、図20B、図20Cおよび図20Dに示す。なお各図におけるzの値は、マイクロレンズのピント方向の評価位置を、このマイクロレンズのビーム出射面からの距離で示している。   FIGS. 19A, 19B, 19C, and 19D show the simulation results of the beam diameter in the vicinity of the condensing position (focal position) of the microlens 262 when the microlens 262 has the above shape, respectively. For comparison, the results of similar simulations for the case where the microlenses of the microlens array have a spherical shape with a radius of curvature Rx = Ry = −0.1 mm are shown in FIGS. 20A, 20B, 20C, and 20D. Shown in Note that the value of z in each figure indicates the evaluation position in the focus direction of the microlens by the distance from the beam exit surface of the microlens.

また、上記シミュレーションに用いたマイクロレンズ262の面形状は、下記(8)式により表される。   The surface shape of the microlens 262 used in the simulation is expressed by the following equation (8).

なお上式において、Cx:x方向の曲率(=1/Rx)、Cy:y方向の曲率(=1/Ry)、X:x方向に関するレンズ光軸Oからの距離、Y:y方向に関するレンズ光軸Oからの距離である。   In the above equation, Cx: curvature in the x direction (= 1 / Rx), Cy: curvature in the y direction (= 1 / Ry), X: distance from the lens optical axis O in the x direction, Y: lens in the y direction This is the distance from the optical axis O.

図19A〜19Dと図20A〜20Dとを比較すると明らかなように、本実施形態に係る露光ヘッド166においては、マイクロレンズ262を、y方向に平行な断面内の焦点距離がx方向に平行な断面内の焦点距離よりも小さいトーリックレンズとしたことにより、その集光位置近傍におけるビーム形状の歪みが抑制される。そうであれば、歪みの無い、より高精細な画像を感光材料150に露光可能となる。また、図19A〜19Dに示すマイクロレンズ262の方が、球面レンズをマイクロレンズとして用いた場合よりもビーム径の小さい領域がより広い、すなわち焦点深度がより大であることが分かる。   As is apparent from a comparison between FIGS. 19A to 19D and FIGS. 20A to 20D, in the exposure head 166 according to the present embodiment, the microlens 262 has a focal length in a cross section parallel to the y direction parallel to the x direction. By using a toric lens smaller than the focal length in the cross section, distortion of the beam shape in the vicinity of the condensing position is suppressed. If so, the photosensitive material 150 can be exposed to a higher-definition image without distortion. It can also be seen that the microlens 262 shown in FIGS. 19A to 19D has a wider region with a smaller beam diameter, that is, a greater depth of focus, than when a spherical lens is used as the microlens.

なお、マイクロミラー62のx方向およびy方向に関する中央部の歪の大小関係が、上記と逆になっている場合は、x方向に平行な断面内の焦点距離がy方向に平行な断面内の焦点距離よりも小さいトーリックレンズによってマイクロレンズ262を構成すれば、同様に、歪みの無い、より高精細な画像を感光材料150に露光可能となる。   In addition, when the magnitude relation of the distortion of the center part in the x direction and the y direction of the micromirror 62 is opposite to the above, the focal length in the cross section parallel to the x direction is in the cross section parallel to the y direction. If the microlens 262 is composed of a toric lens that is smaller than the focal length, similarly, a higher-definition image without distortion can be exposed to the photosensitive material 150.

また、マイクロレンズアレイ260の集光位置近傍に配置されたアパーチャアレイ210は、その各アパーチャ212に、それと対応するマイクロレンズ262を経た光のみが入射するように配置されたものである。すなわち、このアパーチャアレイ210が設けられていることにより、各アパーチャ212に、それと対応しない隣接のマイクロレンズ262からの光が入射することが防止され、消光比が高められる。   In addition, the aperture array 210 disposed in the vicinity of the condensing position of the microlens array 260 is disposed such that only light having passed through the corresponding microlens 262 is incident on each aperture 212. That is, by providing this aperture array 210, it is possible to prevent light from adjacent microlenses 262 not corresponding to each aperture 212 from entering, and to increase the extinction ratio.

本来、上記目的で設置されるアパーチャアレイ210のアパーチャ212の径をある程度小さくすれば、マイクロレンズ262の集光位置におけるビーム形状の歪みを抑制する効果も得られる。しかしそのようにした場合は、アパーチャアレイ210で遮断される光量がより多くなり、光利用効率が低下することになる。それに対してマイクロレンズ262を非球面形状とする場合は、光を遮断することがないので、光利用効率も高く保たれる。   Originally, if the diameter of the aperture 212 of the aperture array 210 installed for the above purpose is reduced to some extent, the effect of suppressing the distortion of the beam shape at the condensing position of the microlens 262 can also be obtained. However, in such a case, the amount of light blocked by the aperture array 210 is increased, and the light use efficiency is reduced. On the other hand, when the microlens 262 has an aspherical shape, the light utilization efficiency is kept high because light is not blocked.

また、ここでは、本実施形態に係る露光ヘッド166において、マイクロレンズアレイ260のマイクロレンズ262を、2次の非球面形状を有するトーリックレンズとした場合について説明したが、より高次(4次、6次・・・)の非球面形状レンズを採用することにより、ビーム形状をさらに良化することができる。   Here, in the exposure head 166 according to the present embodiment, the case where the microlens 262 of the microlens array 260 is a toric lens having a secondary aspherical shape has been described, but higher order (fourth order, By adopting a sixth-order aspherical lens, the beam shape can be further improved.

また、変形例に係るマイクロレンズアレイ260では、そのマイクロレンズ262の光出射側の端面が非球面(トーリック面)とされているが、2つの光通過端面の一方を球面とし、他方をシリンドリカル面としたマイクロレンズによりマイクロレンズアレイを構成しても、マイクロレンズ262と同様の効果を得ることもできる。   Further, in the microlens array 260 according to the modification, the end surface on the light emitting side of the microlens 262 is an aspheric surface (toric surface), but one of the two light passing end surfaces is a spherical surface and the other is a cylindrical surface. Even if the microlens array is constituted by the microlenses, the same effect as that of the microlens 262 can be obtained.

さらに、変形例に係るマイクロレンズアレイ260では、そのマイクロレンズ262がマイクロミラー62の反射面の歪みによる収差を補正する非球面形状とされているが、このような非球面形状を採用する代わりに、マイクロレンズアレイ260を構成する各マイクロレンズ262に、マイクロミラー62の反射面の歪みによる収差を補正する屈折率分布を持たせても、同様の効果を得ることができる。   Further, in the microlens array 260 according to the modified example, the microlens 262 has an aspherical shape that corrects aberration due to distortion of the reflection surface of the micromirror 62. Instead of adopting such an aspherical shape, The same effect can be obtained even if each microlens 262 constituting the microlens array 260 has a refractive index distribution that corrects aberration due to distortion of the reflection surface of the micromirror 62.

そのようなマイクロレンズ264の一例を図21に示す。同図(A)及び(B)はそれぞれ、このマイクロレンズ264の正面形状および側面形状を示すものであり、図示の通りこのマイクロレンズ264の外形形状は平行平板状である。なお、同図におけるx、y方向は、既述した通りである。   An example of such a microlens 264 is shown in FIG. FIGS. 4A and 4B show the front and side shapes of the microlens 264, respectively. As shown in the drawing, the outer shape of the microlens 264 is a parallel plate. The x and y directions in the figure are as described above.

また図22(A)及び(B)は、図21に示されるマイクロレンズ264による上記x方向およびy方向に平行な断面内における画素ビームBの集光状態を概略的に示している。このマイクロレンズ264は、光軸Oから外方に向かって次第に増大する屈折率分布を有するものであり、同図においてマイクロレンズ264内に示す破線は、その屈折率が光軸Oから所定の等ピッチで変化した位置を示している。図示の通り、x方向に平行な断面内とy方向に平行な断面内とを比較すると、後者の断面内の方がマイクロレンズ264の屈折率変化の割合がより大であって、焦点距離がより短くなっている。このような屈折率分布型レンズから構成されるマイクロレンズアレイを用いても、変形例に係るマイクロレンズアレイ260を用いる場合と同様の効果を得ることが可能である。   22A and 22B schematically show the condensing state of the pixel beam B in the cross section parallel to the x direction and the y direction by the microlens 264 shown in FIG. The microlens 264 has a refractive index distribution that gradually increases outward from the optical axis O. In the drawing, the broken line shown in the microlens 264 indicates that the refractive index is predetermined from the optical axis O. The position changed with the pitch is shown. As shown in the drawing, when comparing the cross section parallel to the x direction and the cross section parallel to the y direction, the ratio of the refractive index change of the microlens 264 is larger in the latter cross section, and the focal length is larger. It is shorter. Even when a microlens array including such a gradient index lens is used, it is possible to obtain the same effect as when the microlens array 260 according to the modification is used.

なお、先に図17及び図18に示したマイクロレンズ262のように面形状を非球面としたマイクロレンズにおいて、併せて上述のような屈折率分布を与え、面形状と屈折率分布の双方によって、マイクロミラー62の反射面の歪みによる収差を補正するようにしてもよい。   In addition, in the microlens whose surface shape is aspherical like the microlens 262 previously shown in FIGS. 17 and 18, a refractive index distribution as described above is given together, and both by the surface shape and the refractive index distribution. The aberration due to the distortion of the reflection surface of the micromirror 62 may be corrected.

また、図17A及び図17Bに示したマイクロレンズ262に替えて図23A及び図23Bに示したマイクロレンズ266を採用してもよい。このマイクロレンズ266の等高線の分布は、DMD50のミラーの歪み方向の変更に応じて、マイクロレンズ262を光軸回りに回転させたような分布となっている。すなわち、本実施形態では、DMD50の歪み形状に対応した最適な等高線の分布が得られるように、マイクロレンズを形成したり、その光軸回りの取付方向を設定したりできる。   Further, the microlens 266 shown in FIGS. 23A and 23B may be adopted instead of the microlens 262 shown in FIGS. 17A and 17B. The distribution of the contour lines of the microlens 266 is such that the microlens 262 is rotated around the optical axis in accordance with the change in the distortion direction of the mirror of the DMD 50. That is, in the present embodiment, a microlens can be formed and the mounting direction around the optical axis can be set so that an optimal contour line distribution corresponding to the distortion shape of the DMD 50 can be obtained.

また、ここでは、アパーチャ210の上流側に配置されたマイクロレンズアレイとして非球面レンズからなるマイクロレンズアレイ260を用いた場合について説明したが、アパーチャ210の上流側に配置されたマイクロレンズアレイとして球面レンズからなるマイクロレンズアレイ216を用い、アパーチャ210の下流側に配置されたマイクロレンズアレイとして非球面レンズからなるマイクロレンズアレイを用いて良い。この場合、アパーチャ210による入射ビームのケラレが若干増加するおそれがあるが、マイクロレンズアレイ260をアパーチャ210の上流側に配置した場合と同様に、露光面56上でのビーム形状、サイズを良好にできる。   Here, the case where the microlens array 260 made of an aspherical lens is used as the microlens array disposed on the upstream side of the aperture 210 has been described. However, the microlens array disposed on the upstream side of the aperture 210 is spherical. A microlens array 216 made of lenses may be used, and a microlens array made of aspherical lenses may be used as a microlens array arranged on the downstream side of the aperture 210. In this case, the vignetting of the incident beam due to the aperture 210 may slightly increase, but the beam shape and size on the exposure surface 56 are improved as in the case where the microlens array 260 is arranged on the upstream side of the aperture 210. it can.

またアパーチャ210の上流側及び下流側にそれぞれ配置された2個のマイクロレンズアレイの双方を非球面レンズからなるマイクロレンズアレイとして、アパーチャ210の上流側及び下流側でそれぞれマイクロミラー62の反射面の歪みによる収差を補正するようにしてもよい。
[露光ヘッドの変形例]
次に、本発明の実施形態の変形例に係る露光ヘッドについて説明する。
In addition, both the two microlens arrays respectively arranged on the upstream side and the downstream side of the aperture 210 are made into microlens arrays composed of aspherical lenses, and the reflection surfaces of the micromirrors 62 are respectively arranged on the upstream side and the downstream side of the aperture 210. You may make it correct | amend the aberration by distortion.
[Modification of exposure head]
Next, an exposure head according to a modification of the embodiment of the present invention will be described.

図13には、本発明の実施形態の変形例に係る露光ヘッドにおけるDMDの光反射側の構成が示されている。この変形例に係る露光ヘッド250が図5に示される露光ヘッド166と異なる点は、結像レンズ系200が省略されている点である。   FIG. 13 shows a configuration on the light reflection side of the DMD in an exposure head according to a modification of the embodiment of the present invention. The exposure head 250 according to this modification differs from the exposure head 166 shown in FIG. 5 in that the imaging lens system 200 is omitted.

図13に示される露光ヘッド250では、DMD50の各マイクロミラー62A,62B,62Cからの画素ビーム220A,220B,220Cが略コリメートされており、これらの画素ビーム220A,220B,220Cは、第1マイクロレンズアレイ206の各マイクロレンズ208に入射し、各マイクロレンズ208の焦点位置にフラウンホーファー回折像226A,226B,226Cを形成する。これらの回折像226A,226B,226Cは、その0次回折像と同一サイズのアパーチャ212を有するアパーチャアレイ210を通過することにより、ノイズ成分が除去されて第2マイクロレンズアレイ214の各マイクロレンズ216に入射する。これにより、図5に示される場合と同様に、露光面(X4,Y4)56上に実像228A,228B,228Cが露光ビームスポットとして形成される。この露光ヘッド250では、図5に示される露光ヘッド166において、倍率a=1の結像レンズ系200を用いる場合と略同一の光学特性を得られることになる。   In the exposure head 250 shown in FIG. 13, the pixel beams 220A, 220B, and 220C from the micromirrors 62A, 62B, and 62C of the DMD 50 are substantially collimated, and these pixel beams 220A, 220B, and 220C are the first micromirrors. The light enters the microlenses 208 of the lens array 206, and Fraunhofer diffraction images 226A, 226B, and 226C are formed at the focal positions of the microlenses 208. These diffraction images 226A, 226B, and 226C pass through an aperture array 210 having an aperture 212 having the same size as that of the zeroth-order diffraction image, so that noise components are removed and each microlens 216 of the second microlens array 214 is removed. Is incident on. Thereby, real images 228A, 228B, and 228C are formed as exposure beam spots on the exposure surface (X4, Y4) 56 as in the case shown in FIG. In this exposure head 250, substantially the same optical characteristics as in the case of using the imaging lens system 200 with the magnification a = 1 in the exposure head 166 shown in FIG. 5 can be obtained.

以上説明した変形例に係る露光ヘッド250は、DMD50から露光面56までの距離が短い場合に好適に使用でき、露光ヘッド166と比較して結像レンズ系200を省略できるので、装置の部品点数を減少して製造コストを低減すると共に、装置の小型化が可能になる。   The exposure head 250 according to the modified example described above can be suitably used when the distance from the DMD 50 to the exposure surface 56 is short, and the imaging lens system 200 can be omitted as compared with the exposure head 166. As a result, the manufacturing cost can be reduced and the apparatus can be downsized.

なお、変形例に係る露光ヘッド250でも、アパーチャアレイ210の上流側及び下流側にそれぞれ配置された2個のマイクロレンズアレイの少なくとも一方をトーリックレンズアレイ等の非球面レンズからなるマイクロレンズアレイとし、この非球面レンズからなるマイクロレンズアレイによりマイクロミラー62の反射面の歪みによる収差を補正するようにしてもよい。
[高解像度条件の一般化]
次に、以上説明した本発明の実施形態に係る露光ヘッド166,250を用いて露光面56を走査露光する場合に、高解像度を得るための一般化された条件について説明する。
In the exposure head 250 according to the modified example, at least one of the two microlens arrays arranged on the upstream side and the downstream side of the aperture array 210 is a microlens array made of an aspheric lens such as a toric lens array, Aberration due to distortion of the reflection surface of the micromirror 62 may be corrected by the microlens array including the aspherical lens.
[Generalization of high resolution conditions]
Next, generalized conditions for obtaining a high resolution when the exposure surface 56 is scanned and exposed using the exposure heads 166 and 250 according to the embodiment of the present invention described above will be described.

(1)露光ビームサイズ及び走査線間隔
露光ビームサイズW4は、下記(9)式により求められる。
(1) Exposure beam size and scanning line interval The exposure beam size W4 is obtained by the following equation (9).

W4=b・W3=b・s=b・(2λ・f3/W2)=b・(2λ・f3/a・W1)=2b・λ・f3/a・W1 ・・・ (9)
また、DMD50のn個の画素を有する行方向に対し、tanθ=1/nである角度θの方向に走査して露光する場合の走査線間隔は、下記(10)式により求められる。
W4 = b · W3 = b · s = b · (2λ · f3 / W2) = b · (2λ · f3 / a · W1) = 2b · λ · f3 / a · W1 (9)
Further, the scanning line interval when scanning and exposing in the direction of angle θ where tan θ = 1 / n with respect to the row direction having n pixels of DMD 50 is obtained by the following equation (10).

P4・sinθ=a・P1・sin[tan-1(1/n)]≒a・P1・(1/n)=a・P1/n ・・・ (10)
(2)高解像度を得るための一般化された条件式
高解像度を得るためには、下記(a)〜(c)の何れかに記載された条件を満たす必要がある。
P4 · sin θ = a · P1 · sin [tan −1 (1 / n)] ≈a · P1 · (1 / n) = a · P1 / n (10)
(2) Generalized conditional expression for obtaining high resolution In order to obtain high resolution, it is necessary to satisfy the conditions described in any of the following (a) to (c).

(a)露光ビームサイズが元の空間光変調器の画素サイズ以下であること
すなわち、W4≦W1、
上記(9)式より、2b・λ・f3/a・W1≦W1
従って、2b・λ・f3≦a・W12
(b)走査線間隔が露光ビームサイズ以下であること
すなわち、P4・sinθ≦W4
上記(10)式より、a・P1/n≦2b・λ・f3/a・W1
従って、a2・P1・W1/n≦2b・λ・f3
(c)上記の(a)及び(b)の条件式が同時に成り立つこと
すなわち、a2・P1・W1/n≦2b・λ・f3≦a・W12
なお、図13に示される露光ヘッド250では、上記(a)及び(b)にてa=1とすれば、高解像度を得るための一般化された条件を得ることができる。
(A) the exposure beam size is equal to or smaller than the pixel size of the original spatial light modulator, ie, W4 ≦ W1,
From the above equation (9), 2b · λ · f3 / a · W1 ≦ W1
Therefore, 2b · λ · f3 ≦ a · W1 2
(B) The scanning line interval is equal to or smaller than the exposure beam size. That is, P4 · sin θ ≦ W4
From the above equation (10), a · P1 / n ≦ 2b · λ · f3 / a · W1
Therefore, a 2 · P1 · W1 / n ≦ 2b · λ · f3
(C) The above conditional expressions (a) and (b) hold simultaneously, that is, a 2 · P 1 · W 1 / n ≦ 2b · λ · f 3 ≦ a · W 1 2
In the exposure head 250 shown in FIG. 13, if a = 1 in the above (a) and (b), generalized conditions for obtaining a high resolution can be obtained.

なお、本実施形態の露光ヘッド166,250では、空間光変調素子としてDMD50を用いた場合のみを説明したが、このような空間光変調素子としては、光ファイバ光源66から出射されたレーザビームを所望の画素ピッチの複数の画素ビーム(光束群)に分割すると共に、これらの画素ビームを露光状態及び非露光状態の何れかに選択的に変調できるものならば、DMD50以外のものでも適用可能であり、例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)タイプの空間変調素子や、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(LCD)等も適用可能である。但し、画素ごとに空間光変調された光束群を得るための照明光学系は、空間光変調素子の種類によって個々に最適化する必要がある。   In the exposure heads 166 and 250 of this embodiment, only the case where the DMD 50 is used as the spatial light modulation element has been described. However, as such a spatial light modulation element, a laser beam emitted from the optical fiber light source 66 is used. Any device other than the DMD 50 can be used as long as it can be divided into a plurality of pixel beams (light beam groups) having a desired pixel pitch and can selectively modulate these pixel beams into either an exposure state or a non-exposure state. For example, a micro electro mechanical systems (MEMS) type spatial modulation element, an optical element (PLZT element) that modulates transmitted light by an electro-optic effect, a liquid crystal light shutter (LCD), and the like are also applicable. However, an illumination optical system for obtaining a light beam group spatially modulated for each pixel needs to be individually optimized depending on the type of the spatial light modulator.

また上記のような空間光変調素子は、必ずしもマイクロミラー等の画素が二次元的に配列されたものである必要はなく、画素が一次元的に配列されたもの、すなわちn個の画素が行方向に沿って直線的に配列されたものでもよい。   In addition, the spatial light modulation element as described above does not necessarily have to be two-dimensionally arranged with pixels such as micromirrors, but has one-dimensionally arranged pixels, that is, n pixels are arranged in rows. It may be arranged linearly along the direction.

また本実施形態に係る露光ヘッド166,250では、第1マイクロレンズアレイ206の入射面に形成される空間光変調器の実像を、等倍像(結像レンズ系200の倍率a=1)としても、拡大像(a>1)としてもよく、更に第2マイクロレンズアレイ214の各マイクロレンズ216による結像倍率bを1倍以外の値に設定することも可能である。   In the exposure heads 166 and 250 according to the present embodiment, the real image of the spatial light modulator formed on the incident surface of the first microlens array 206 is used as an equal-magnification image (magnification a = 1 of the imaging lens system 200). Alternatively, an enlarged image (a> 1) may be used, and the imaging magnification b by each microlens 216 of the second microlens array 214 may be set to a value other than 1.

また本実施形態に係る露光ヘッド166,250では、マイクロレンズアレイ206,214を用いたが、屈折型のマイクロレンズ208,216を有するマイクロレンズアレイ206,214に限定されず、ビーム収束性を有するマイクロ収束素子あればよく、例えば、GRIN(graded index)型のマイクロレンズアレイ、ホログラムなどの回折型マイクロレンズアレイ及び反射型のマイクロ凹面反射ミラーアレイ等も適用可能である。   In the exposure heads 166 and 250 according to the present embodiment, the microlens arrays 206 and 214 are used. However, the microlens arrays 206 and 214 having the refractive microlenses 208 and 216 are not limited to the microlens arrays 206 and 214. For example, a GRIN (graded index) type microlens array, a diffraction type microlens array such as a hologram, a reflection type micro concave reflection mirror array, and the like are also applicable.

本発明の実施形態に係る露光ヘッドが適用された露光装置の外観を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an appearance of an exposure apparatus to which an exposure head according to an embodiment of the present invention is applied. 図1に示される露光装置のスキャナの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the scanner of the exposure apparatus shown by FIG. (A)は感光材料に形成される露光済み領域を示す平面図であり、(B)は各露光ヘッドによる露光エリアの配列を示す図である。(A) is a top view which shows the exposed area | region formed in a photosensitive material, (B) is a figure which shows the arrangement | sequence of the exposure area by each exposure head. 本発明の実施形態に係る露光ヘッドの概略構成を示す側面図である。1 is a side view showing a schematic configuration of an exposure head according to an embodiment of the present invention. 図4に示される露光ヘッドにおけるDMDの光反射側に配置された光学系の構成を示す側面図である。FIG. 5 is a side view showing a configuration of an optical system arranged on the light reflection side of the DMD in the exposure head shown in FIG. 4. デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)の構成を示す部分拡大図である。It is the elements on larger scale which show the structure of a digital micromirror device (DMD). (A)及び(B)はDMDの動作を説明するための説明図である。(A) And (B) is explanatory drawing for demonstrating operation | movement of DMD. (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である。(A) And (B) is a top view which compares and shows the arrangement | positioning of an exposure beam, and a scanning line by the case where it does not arrange | position inclined DMD and the case where it arranges inclined. (A)はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、(B)は(A)の部分拡大図であり、(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である。(A) is a perspective view which shows the structure of a fiber array light source, (B) is the elements on larger scale of (A), (C) and (D) is a top view which shows the arrangement | sequence of the light emission point in a laser emission part. It is. 合波レーザビーム源の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of a combined laser beam source. 図5に示される面(X1,Y1)、(X2,Y2)(X3,Y3)及び(X4,Y4)における露光ビームのサイズ及びピッチとの関係を示す平面図である。6 is a plan view showing the relationship between the size and pitch of the exposure beam in the planes (X1, Y1), (X2, Y2) (X3, Y3) and (X4, Y4) shown in FIG. DMDを走査方向に対して傾斜させた場合の露光面(X4,Y4)での解像度の向上効果を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the improvement effect of the resolution in the exposure surface (X4, Y4) at the time of inclining DMD with respect to the scanning direction. 本発明の実施形態の変形例に係る露光ヘッドにおけるDMDの光反射側に配置された光学系の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the optical system arrange | positioned at the light reflection side of DMD in the exposure head which concerns on the modification of embodiment of this invention. DMDを構成するマイクロミラーの反射面の平面度を測定した結果を等高線により示した平面図である。It is the top view which showed the result of having measured the flatness of the reflective surface of the micromirror which comprises DMD by the contour line. 図14に示されるマイクロミラーにおける反射面の高さ位置変位を示すグラフである。It is a graph which shows the height position displacement of the reflective surface in the micromirror shown by FIG. トーリックレンズを用いたマイクロレンズアレイの構成を示す正面図及び側面図である。It is the front view and side view which show the structure of the micro lens array using a toric lens. 図16に示されるマイクロレンズアレイにおけるトーリックレンズの構成を示す正面図及び側面図である。It is the front view and side view which show the structure of the toric lens in the micro lens array shown by FIG. 図17に示されるトーリックレンズによる画素ビームの集光状態を示す側面図である。It is a side view which shows the condensing state of the pixel beam by the toric lens shown by FIG. マイクロレンズアレイのマイクロレンズとしてトーリックレンズを用いた場合の集光位置近傍におけるビーム径のシミュレーション結果を示すグラフであり、マイクロレンズのビーム出射面から評価位置までの距離が0.18mmの場合を示している。It is a graph which shows the simulation result of the beam diameter in the vicinity of a condensing position at the time of using a toric lens as a micro lens of a micro lens array, and shows the case where the distance from the beam emission surface of a micro lens to an evaluation position is 0.18 mm. ing. マイクロレンズアレイのマイクロレンズとしてトーリックレンズを用いた場合の集光位置近傍におけるビーム径のシミュレーション結果を示すグラフであり、マイクロレンズのビーム出射面から評価位置までの距離が0.2mmの場合を示している。It is a graph which shows the simulation result of the beam diameter in the vicinity of a condensing position at the time of using a toric lens as a micro lens of a micro lens array, and shows the case where the distance from the beam emission surface of a micro lens to the evaluation position is 0.2 mm. ing. マイクロレンズアレイのマイクロレンズとしてトーリックレンズを用いた場合の集光位置近傍におけるビーム径のシミュレーション結果を示すグラフであり、マイクロレンズのビーム出射面から評価位置までの距離が0.22mmの場合を示している。It is a graph which shows the simulation result of the beam diameter near the condensing position at the time of using a toric lens as a micro lens of a micro lens array, and shows the case where the distance from the beam emission surface of a micro lens to the evaluation position is 0.22 mm. ing. マイクロレンズアレイのマイクロレンズとしてトーリックレンズを用いた場合の集光位置近傍におけるビーム径のシミュレーション結果を示すグラフであり、マイクロレンズのビーム出射面から評価位置までの距離が0.24mmの場合を示している。It is a graph which shows the simulation result of the beam diameter in the vicinity of a condensing position at the time of using a toric lens as a micro lens of a micro lens array, and shows the case where the distance from the beam emission surface of a micro lens to an evaluation position is 0.24 mm. ing. マイクロレンズアレイのマイクロレンズとして球面レンズを用いた場合の集光位置近傍におけるビーム径のシミュレーション結果を示すグラフであり、マイクロレンズのビーム出射面から評価位置までの距離が0.18mmの場合を示している。It is a graph which shows the simulation result of the beam diameter near the condensing position at the time of using a spherical lens as a micro lens of a micro lens array, and shows the case where the distance from the beam emission surface of a micro lens to an evaluation position is 0.18 mm. ing. マイクロレンズアレイのマイクロレンズとして球面レンズを用いた場合の集光位置近傍におけるビーム径のシミュレーション結果を示すグラフであり、マイクロレンズのビーム出射面から評価位置までの距離が0.2mmの場合を示している。It is a graph which shows the simulation result of the beam diameter in the vicinity of a condensing position at the time of using a spherical lens as a micro lens of a micro lens array, and shows the case where the distance from the beam emission surface of a micro lens to the evaluation position is 0.2 mm. ing. マイクロレンズアレイのマイクロレンズとして球面レンズを用いた場合の集光位置近傍におけるビーム径のシミュレーション結果を示すグラフであり、マイクロレンズのビーム出射面から評価位置までの距離が0.22mmの場合を示している。It is a graph which shows the simulation result of the beam diameter in the vicinity of a condensing position at the time of using a spherical lens as a micro lens of a micro lens array, and shows the case where the distance from the beam emission surface of a micro lens to an evaluation position is 0.22 mm. ing. マイクロレンズアレイのマイクロレンズとして球面レンズを用いた場合の集光位置近傍におけるビーム径のシミュレーション結果を示すグラフであり、マイクロレンズのビーム出射面から評価位置までの距離が0.24mmの場合を示している。It is a graph which shows the simulation result of the beam diameter in the vicinity of a condensing position at the time of using a spherical lens as a micro lens of a micro lens array, and shows the case where the distance from the beam emission surface of a micro lens to an evaluation position is 0.24 mm. ing. マイクロレンズアレイのマイクロレンズにして屈折率分布を持たせた場合のマイクロレンズの構成を示す正面図及び側面図である。It is the front view and side view which show the structure of the micro lens at the time of giving refractive index distribution to the micro lens of a micro lens array. 図21に示されるマイクロレンズによる画素ビームの集光状態を示す側面図である。It is a side view which shows the condensing state of the pixel beam by the micro lens shown by FIG. 図17に示されるトーリックレンズとは等高線の分布が異なるトーリックレンズの正面図及び側面図である。It is the front view and side view of a toric lens from which the distribution of a contour line differs from the toric lens shown by FIG.

符号の説明Explanation of symbols

50 DMD(空間光変調素子)
53 ビームスポット
56 露光面
62 マイクロミラー
66 光ファイバ光源
166 露光ヘッド
200 結像レンズ系
206 第1マイクロレンズアレイ(第1のマイクロ収束素子アレイ)
208 マイクロレンズ(第1のマイクロ収束素子)
210 アパーチャアレイ
212 アパーチャ
214 第2マイクロレンズアレイ(第2のマイクロ収束素子アレイ)
216 マイクロレンズ(第2のマイクロ収束素子)
250 露光ヘッド
260 マイクロレンズアレイ
262 マイクロレンズ(トーリックレンズ)
264 マイクロレンズ(非球面レンズ)
50 DMD (Spatial Light Modulator)
53 Beam spot 56 Exposure surface 62 Micro mirror 66 Optical fiber light source 166 Exposure head 200 Imaging lens system 206 First micro lens array (first micro focusing element array)
208 micro lens (first micro focusing element)
210 Aperture array 212 Aperture 214 Second microlens array (second microfocusing element array)
216 micro lens (second micro convergence element)
250 exposure head 260 micro lens array 262 micro lens (toric lens)
H.264 Micro Lens (Aspherical Lens)

Claims (8)

露光面に対して走査方向に沿って相対移動しつつ、該露光面を前記走査方向と交差する行方向に沿って配列された光ビームの束により露光面を2次元的に露光するための露光ヘッドであって、
制御信号に応じて光変調状態がそれぞれ変化する複数の画素部が一次元的又は2次元的に配列され、光源部から入射した光ビームを前記複数の画素部により複数本の画素ビームに分割すると共に、複数本の画素ビームをそれぞれ露光状態及び非露光状態の何れかに選択的に変調する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子における複数の画素部に対応するように複数の第1のマイクロ収束素子が配列された第1のマイクロ収束素子アレイと、
前記露光状態に変調された画素ビームのフラウンホーファー回折像が前記第1のマイクロ収束素子により形成される該第1のマイクロ収束素子の後側焦点面付近に配置されると共に、前記複数の第1のマイクロ収束素子にそれぞれ対応するように複数のアパーチャが配列され、該アパーチャにより前記フラウンホーファー回折像の主要部分のみを透過させるアパーチャアレイと、
前記複数のアパーチャに対応するように複数の第2のマイクロ収束素子が配列され、前記複数のアパーチャをそれぞれ透過した画素ビームの実像を前記複数の第2のマイクロ収束素子により前記露光面上に形成する第2のマイクロ収束素子アレイと、
を有することを特徴とする露光ヘッド。
Exposure for two-dimensional exposure of an exposure surface by a bundle of light beams arranged along a row direction intersecting the scanning direction while moving relative to the exposure surface along the scanning direction. Head,
A plurality of pixel portions whose light modulation states change according to a control signal are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and a light beam incident from a light source portion is divided into a plurality of pixel beams by the plurality of pixel portions. And a spatial light modulation element that selectively modulates the plurality of pixel beams to either the exposure state or the non-exposure state,
A first micro-focusing element array in which a plurality of first micro-focusing elements are arranged so as to correspond to a plurality of pixel portions in the spatial light modulation element;
A Fraunhofer diffraction image of the pixel beam modulated into the exposure state is disposed in the vicinity of a rear focal plane of the first microfocusing element formed by the first microfocusing element, and the plurality of first A plurality of apertures are arranged so as to correspond to the microfocusing elements of the aperture array, and the aperture array that transmits only the main part of the Fraunhofer diffraction image by the apertures,
A plurality of second micro-focusing elements are arranged so as to correspond to the plurality of apertures, and a real image of a pixel beam respectively transmitted through the plurality of apertures is formed on the exposure surface by the plurality of second micro-focusing elements. A second micro-focusing element array that
An exposure head comprising:
前記空間光変調素子と前記マイクロ収束素子アレイとの間に結像レンズ系を設けると共に、
前記画素部における画素ビームの出射面と前記第1のマイクロ収束素子における画素ビームの入射面とが前記結像レンズ系に対して互いに共役な位置関係となるように、前記空間光変調素子及び前記第1のマイクロ収束素子アレイを配設したことを特徴とする請求項1記載の露光ヘッド。
An imaging lens system is provided between the spatial light modulation element and the micro focusing element array,
The spatial light modulation element and the spatial light modulation element and the pixel beam exit surface of the pixel unit and the incident surface of the pixel beam of the first micro focussing element are in a conjugate relationship with respect to the imaging lens system. 2. The exposure head according to claim 1, further comprising a first micro-focusing element array.
前記アパーチャが、前記第1のマイクロ収束素子により形成されたフラウンホーファー回折像の0次回折像のみを実質的に透過させるサイズ及び形状を有することを特徴とする請求項1又は2記載の露光ヘッド。   3. The exposure head according to claim 1, wherein the aperture has a size and a shape that substantially transmits only the 0th-order diffraction image of the Fraunhofer diffraction image formed by the first microfocusing element. . 前記アパーチャが、前記第1のマイクロ収束素子により形成されたフラウンホーファー回折像の0次回折像のみを実質的に透過させるサイズ及び形状を有し、
前記空間光変調素子における複数の画素部の画素周期をP1、画素サイズをW1、前記走査方向に対して略直交する行方向に沿って配列された画素部の画素数をn、
前記第1のマイクロ収束素子の焦点距離をf3、
前記第2のマイクロ収束素子が前記アパーチャを透過した画素ビームの実像を露光面上に形成する光学倍率をb、
前記光源部から出射される光ビームの波長をλとした場合に、
前記行方向と前記走査方向とがなす角度をtan-1(1/n)とし、下記(1)式〜(3)式の何れか一の条件式を満たすことを特徴とする請求項1記載の露光ヘッド。
2b・λ・f3≦W12 ・・・ (1)
P1・W1/n≦2b・λ・f3 ・・・ (2)
P1・W1/n≦2b・λ・f3≦W12 ・・・ (3)
The aperture has a size and shape that substantially transmits only the 0th-order diffraction image of the Fraunhofer diffraction image formed by the first micro-focusing element;
The pixel period of the plurality of pixel portions in the spatial light modulator is P1, the pixel size is W1, the number of pixels of the pixel portions arranged along the row direction substantially orthogonal to the scanning direction is n,
The focal length of the first microfocusing element is f3,
An optical magnification at which the second micro-focusing element forms an actual image of the pixel beam transmitted through the aperture on the exposure surface; b,
When the wavelength of the light beam emitted from the light source unit is λ,
The angle formed by the row direction and the scanning direction is tan -1 (1 / n), and any one of the following formulas (1) to (3) is satisfied. Exposure head.
2b ・ λ ・ f3 ≦ W12 (1)
P1 · W1 / n ≦ 2b · λ · f3 (2)
P1 · W1 / n ≦ 2b · λ · f3 ≦ W12 (3)
前記アパーチャが、前記マイクロ収束素子から出射されたフラウンホーファー回折像の0次回折像のみを実質的に透過させるサイズ及び形状を有し、
前記空間光変調素子における複数の画素部の画素周期をP1、画素サイズをW1、前記走査方向に対して略直交する行方向に沿って配列された画素部の画素数をn、
前記第1のマイクロ収束素子の焦点距離をf3、
前記第2のマイクロ収束素子が前記アパーチャを透過した画素ビームの実像を露光面上に形成する光学倍率をb、
前記結像レンズ系が前記画素部における画素ビームの出射面上の実像を前記第1のマイクロ収束素子アレイにおける画素ビームの入射面上に結像する倍率をa、
前記光源部から出射される光ビームの波長をλとした場合に、
前記行方向と前記走査方向とがなす角度をtan-1(1/n)とし、下記(4)式〜(6)式の何れか一の条件式を満たすことを特徴とする請求項2記載の露光ヘッド。
2b・λ・f3≦a・W12 ・・・ (4)
a2・P1・W1/n≦2b・λ・f3 ・・・ (5)
a2・P1・W1/n≦2b・λ・f3≦a2・W12 ・・・ (6)
The aperture has a size and a shape that substantially transmits only the 0th-order diffraction image of the Fraunhofer diffraction image emitted from the micro-focusing element;
The pixel period of the plurality of pixel portions in the spatial light modulator is P1, the pixel size is W1, the number of pixels of the pixel portions arranged along the row direction substantially orthogonal to the scanning direction is n,
The focal length of the first microfocusing element is f3,
An optical magnification at which the second micro-focusing element forms an actual image of the pixel beam transmitted through the aperture on the exposure surface; b,
A magnification at which the imaging lens system forms a real image on an emission surface of the pixel beam in the pixel unit on an incident surface of the pixel beam in the first micro-converging element array;
When the wavelength of the light beam emitted from the light source unit is λ,
The angle formed by the row direction and the scanning direction is tan -1 (1 / n), and satisfies any one of the following expressions (4) to (6): Exposure head.
2b · λ · f3 ≦ a · W12 (4)
a 2 · P 1 · W 1 / n ≦ 2b · λ · f 3 (5)
a 2 · P 1 · W 1 / n ≦ 2b · λ · f 3 ≦ a 2 · W 12 (6)
前記第1のマイクロ収束素子及び前記第2のマイクロ収束素子の少なくとも一方が非球面レンズであることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項記載の露光ヘッド。   6. The exposure head according to claim 1, wherein at least one of the first micro focus element and the second micro focus element is an aspheric lens. 前記第1のマイクロ収束素子が非球面レンズであることを特徴とする請求項6記載の露光ヘッド。   7. The exposure head according to claim 6, wherein the first micro focusing element is an aspheric lens. 前記非球面レンズがトーリックレンズであることを特徴とする請求項7項記載の露光ヘッド。   8. The exposure head according to claim 7, wherein the aspheric lens is a toric lens.
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