JP2005032909A - 照明光学系およびそれを用いた露光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】作製の容易なロッドタイプのオプティカルインテグレータを用いて、照明光強度を高度に均一化できる照明光学系を得る。
【解決手段】光源６６から発せられた照明光Ｂをロッドタイプのオプティカルインテグレータにより強度を均一化して空間光変調素子５０に照射するように構成された照明光学系において、照明光Ｂの通過方向に直列に配して複数のオプティカルインテグレータ７２Ａ〜Ｃを用いる。
【選択図】 図５
【解決手段】光源６６から発せられた照明光Ｂをロッドタイプのオプティカルインテグレータにより強度を均一化して空間光変調素子５０に照射するように構成された照明光学系において、照明光Ｂの通過方向に直列に配して複数のオプティカルインテグレータ７２Ａ〜Ｃを用いる。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は照明光学系に関し、特に詳細には、空間光変調素子に照射する照明光をオプティカルインテグレータに通して、その強度分布を均一化するようにした照明光学系に関するものである。
【０００２】
また本発明は、上述のような照明光学系から発せられた後に変調された照明光を感光材料に照射して、該感光材料を露光させる露光装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、ＬＣＤ（液晶表示素子）やＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）等の２次元空間光変調素子を光源からの光で照明し、この空間光変調素子で変調された光で感光材料を露光させるようにした露光装置が知られている。この種の装置においては、空間光変調素子を均一に照明する必要があり、そのため照明光学系にはオプティカルインテグレータが組み込まれている。このように照明光の強度分布を均一化するオプティカルインテグレータは、露光装置以外にもプロジェクタ等で一般に使用されている。
【０００４】
オプティカルインテグレータとは、光束を分割し、異なる経路を通した後再合成することにより、強度と位置の相関関係（強度分布）を解消して均一化するものであるが、光束の分割方式の違いにより、大別して２つの方式がある。一つは、複数のレンズを２次元的に配置してなるレンズアレイ（フライアイレンズ）を使用して空間的に光束を分割するフライアイタイプであり、もう一つは、ガラスのロッドや内面をミラーにした中空のロッドを使用して、光束を多重反射により角度的に分割するロッドタイプである。なお、フライアイタイプのオプティカルインテグレータにおけるレンズ形状や、ロッドタイプのオプティカルインテグレータにおける断面形状を、照明する空間光変調素子と相似形状にすることにより、光源と空間光変調素子の形状が互いに異なっても効率良く照明することが可能である。
【０００５】
特許文献１には、上述のようなオプティカルインテグレータを用いた照明光学系の一例が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３３１７２９８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記オプティカルインテグレータのうちロッドタイプのものは、全長をより大きくするほど、照明光の強度分布を均一化する効果が高くなる。
【０００８】
また、前述したような露光装置においては、露光画像のピントずれを防止する観点から、全長がより大きいオプティカルインテグレータの使用が望まれる。以下、この点について詳しく説明する。上記のピントずれを防止する上では、空間光変調素子の後段に配される光学系の焦点深度を大きく設定することが効果的であり、そのためには、被照明体側の開口数ＮＡ（以下、照明ＮＡという）を小さくすることが望まれる。ここで、この照明ＮＡに関して、光源のＥｔｅｎｄｅｕ（エタンデュー）の概念から検討する。
【０００９】
まず、エタンデューの詳細について、図１７を参照して説明する。空間光変調素子を照明するということは、大まかに言えば（工夫して均一分布にするにしても）、ある光源の像を空間光変調素子に結像するということである。ここで、光源の面積をＳ１、光学倍率をβとすると、図１７に示すように、像の面積Ｓ２はβ２に比例し（Ｓ２＝β２Ｓ１）、光線と光軸のなす角θは倍率βに逆比例する（θ２＝θ１／β）。つまり、Ｓ１θ１ ２＝Ｓ２θ２ ２となる。ここで、立体角Ωはθ２にほぼ比例するので、Ω１・Ｓ１≒Ω２・Ｓ２ すなわち、光源面積と立体角の積は一定となる。
【００１０】
厳密に考えると、理想レンズによる光束の伝達は、
光束：ｅ＝∫Ｓ∫Ωｃｏｓθ・ｄＳ・ｄΩ
で表される。θが十分小さい（Ｆ値２．５以上）ときには、ｃｏｓθ≒１であるので、
光束：ｅ＝Ω１・Ｓ１≒Ω２・Ｓ２
とみなせる。このΩ・Ｓがエタンデューである。理想的な無収差・透過率１００％の光学系を想定すると、エタンデューは保存される。なお、理想レンズを挟んだ両側の光学系が共役な関係になくても、エタンデューは保存されることが知られている。つまり、光源側のエタンデューとは、光源から発せられる光束の空間的拡がりを表し、照明される側（空間光変調素子側）のエタンデューとは、受け入れることのできる光束の空間的拡がりを表している。
【００１１】
ここで、計算例を示す。
【００１２】
＜光源側のエタンデューＥｓ＞
（１） アーク長４ｍｍの放電ランプの場合
光源を直径１ｍｍ、長さ４ｍｍの円柱とし、側面から等方的に光が放出されるものとすると、
Ｅｓ＝π・１・４・２π≒８０ｍｍ２・ｓｔｒ（ステラジアン）
（２） ファイバ光源の場合
一例として、レーザ光を伝搬させる光ファイバが複数、バンドル状に配設されてなる光源を考える。バンドルの出射部サイズが０．７×０．７ｍｍ、光ファイバの開口数ＮＡが０．２（≒１１．５ｄｅｇ）とすると、
Ｅｓ＝２π・（１−ｃｏｓ１１．５）・０．７・０．７≒０．０６ｍｍ２・ｓｔｒ
となり、この場合はエタンデューが非常に小さいものとなる。
【００１３】
＜空間光変調素子側のエタンデューＥｃおよび上記光源側エタンデューＥｓから求められる空間光変調素子側の光入射角度（照明ＮＡ）＞
一例として空間光変調素子の画素数を１０２４×７６８、画素ピッチを１３．６８μｍとし、損失が無いとした場合について計算する。
【００１４】
（１） 上記放電ランプの場合
Ｅｓ＝Ｅｃ＝２π・（１−ｃｏｓθ）・１０２４・７６８・１３．６８２／１０００２＝８０
照明ＮＡ＝ｓｉｎθ≒０．４
（２） 上記ファイバ光源の場合
Ｅｓ＝Ｅｃ＝２π・（１−ｃｏｓθ）・１０２４・７６８・１３．６８２／１０００２＝０．０６
照明ＮＡ＝ｓｉｎθ≒０．０１
以上から明らかな通り、光源側のエタンデューＥｓが小さいほど照明ＮＡを小さくすることができる。
【００１５】
また、エタンデューから考えると、光源側のエタンデューＥｓと照明される空間光変調素子側のエタンデューＥｃがＥｓ＜Ｅｃの関係にあるとき、途中の光学系の損失が無ければ、光源からの光を全て利用できることになる。しかし、光源に上記のようなランプを使用した場合、ランプのエタンデューが大きいため、効率良く照明するためには、照明ＮＡを非常に大きくしなければならない。
【００１６】
例えば、上述した通りアーク長４ｍｍの放電ランプで、画素数１０２４×７６８、画素ピッチ１３．６８μｍの空間光変調素子を照明する場合、放電ランプのエタンデューは約８０ｍｍ２・ｓｔｒであり、空間光変調素子のエタンデューを同じにして効率良く照明するためには、照明ＮＡを０．４にしなければならない。空間光変調素子の像を結像レンズで感光材料に結像して露光し、空間光変調素子からの光を効率良く使用するためには、当然結像レンズのＮＡも０．４以上（Ｆ値では１．２５）とする必要があり、そうであると結像レンズの焦点深度は非常に小さくなってしまう。
【００１７】
図１８は、光源側エタンデューＥｓが比較的大きくて照明ＮＡも大きい場合（ａ）と、光源側エタンデューＥｓが比較的小さくて照明ＮＡも小さい場合（ｂ）とについて、結像レンズの焦点深度を比較して示すものである。ここに示される通り、一般に幾何光学的に考えれば、レンズのＮＡが小さいほど焦点深度は大きくなる。
【００１８】
光源側エタンデューＥｓが大きい場合は、温度変動や機械的な変動が装置に生じたり、感光材料の厚さバラツキや反りなどがあると、焦点深度が非常に小さいことから、露光画像のピントがずれてしまうという問題が発生する。
【００１９】
それに対して、例えば上記ファイバ光源を用いる場合、光源側のエタンデューＥｓは０．０６ｍｍ２・ｓｔｒで、照明ＮＡは約０．０１と極めて小さくなり、結像レンズの焦点深度が大きくなって、上記ピントずれの問題を防止可能となる。
【００２０】
以上説明の通り、光源のエタンデューが小さいほど照明ＮＡが小さくなって、露光画像のピントずれを防止できることになるが、照明ＮＡが小さい場合は、照明光の強度分布をより高度に均一化する必要があり、そこで、全長のより大きなオプティカルインテグレータが必要となる。
【００２１】
以上述べたように、ロッドタイプのオプティカルインテグレータにあっては、より全長の大きいものが望まれているが、全長の大きいものは加工が難しくなるという問題がある。その点について、以下、具体的に説明する。
【００２２】
例えば照明ＮＡが０．０２の場合に、断面が約４ｍｍ×１ｍｍの長方形で全長が１４０ｍｍのオプティカルインテグレータを使用して、照明光の強度均一度を約９０％にできるが、全長が１００ｍｍ以上のオプティカルインテグレータは研磨等の加工が困難であり、全長が１４０ｍｍのものは非常に加工困難である。全長がそれ以上になると、現実的に加工は不可能に近い。前述の露光装置においては、露光画像の高精細化のために照明ＮＡをさらに小さくしたいという要求もあり、例えば該照明ＮＡを上記値の半分の０．０１として、照明光の強度均一度は同等に確保しようとすると、単純計算では全長が２８０ｍｍのオプティカルインテグレータが必要となる。そのようなオプティカルインテグレータを作製するのは、現実的には不可能である。
【００２３】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、作製の容易なロッドタイプのオプティカルインテグレータを用いて、照明光強度を高度に均一化できる照明光学系を提供することを目的とする。
【００２４】
また本発明は、上述のような照明光学系を適用して、高精細な画像を感光材料に露光することができる露光装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明による照明光学系は、
前述したようにＤＭＤ等の空間光変調素子に照明光を照射する光源と、
この光源と前記空間光変調素子との間に配され、該空間光変調素子に照射される前記照明光の強度分布を一様化するロッドタイプのオプティカルインテグレータとを備えてなる照明光学系において、
オプティカルインテグレータが、照明光の通過方向に直列に配して複数設けられていることを特徴とするものである。
【００２６】
なおこの本発明の照明光学系は、光源のエタンデューが１ｍｍ２・ｓｔｒ以下であることを前提として構成されることが特に好ましい。
【００２７】
また本発明の照明光学系において、光源は、複数のレーザ光を１本の光ファイバに入射させて合波し、さらにこの光ファイバを複数並べてバンドル状とした構成のものを好適に用いることができる。
【００２８】
一方、本発明による露光装置は、上述の本発明による照明光学系から発せられた照明光を前記空間光変調素子により所定の画像信号に基づいて変調し、この変調された照明光による光像で感光材料を露光させる構成を有するものである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の照明光学系においては、ロッドタイプのオプティカルインテグレータが、照明光の通過方向に直列に配して複数設けられているので、照明光強度を均一化する上では基本的に、それらを合計した長さを有する１個のオプティカルインテグレータを用いた場合と同等の効果が得られる。したがってこの照明光学系は、各オプティカルインテグレータとして全長が比較的短くて作製容易なものを用いても、全長の長いオプティカルインテグレータを１個用いた場合と同様に、照明光強度を高度に均一化できるものとなる。
【００３０】
特に光源のエタンデューが１ｍｍ２・ｓｔｒ以下と小さい（つまり照明ＮＡが小さい）場合は、前述した通り照明光の強度分布をより高度に均一化する必要があるが、本発明の照明光学系は上述のように複数のオプティカルインテグレータを用いているので、この要求に応えられるものとなる。例えば前述の計算例と同じ条件では、光源のエタンデューが１ｍｍ２・ｓｔｒの場合、照明ＮＡ≒ｓｉｎθ≒０．０４であり、単純計算ではオプティカルインテグレータの全長は７０ｍｍ以上必要となる。前述のようにオプティカルインテグレータは、全長が１００ｍｍ以上では加工が困難となるため、エタンデューが１ｍｍ２・ｓｔｒ以下で全長が７０ｍｍ以上必要となる光源を使用する場合、本発明の適用が可能となる。また、このように光源のエタンデューが小さくて照明ＮＡが小さい場合は、オプティカルインテグレータ内を全反射しながら伝搬する光の全反射角がより小さくなるので、複数のオプティカルインテグレータどうしの間に隙間が存在していても、光の伝搬損失がより少なく抑えられるようになる。
【００３１】
ただし一般的には、光の伝搬損失を少なく抑えるために、複数のオプティカルインテグレータどうしの間の隙間は無い方が好ましく、隙間が有る場合でも、それは１ｍｍ以下程度とするのが望ましい。
【００３２】
一方、本発明による露光装置は、上述のように複数のオプティカルインテグレータを用いて照明光強度を高度に均一化できる照明光学系が用いられたものであるから、照明光強度の不均一を無くして、高精細な画像を感光材料に露光可能となる。
【００３３】
【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。
【００３４】
なおここでは、本発明の一実施形態による照明光学系および画像露光装置を説明するが、まず画像露光装置について詳しく説明する。
【００３５】
［画像露光装置の構成］
この画像露光装置は、図１に示すように、シート状の感光材料１５０を表面に吸着して保持する平板状の移動ステージ１５２を備えている。４本の脚部１５４に支持された厚い板状の設置台１５６の上面には、ステージ移動方向に沿って延びた２本のガイド１５８が設置されている。ステージ１５２は、その長手方向がステージ移動方向を向くように配置されると共に、ガイド１５８によって往復移動可能に支持されている。なお、この画像露光装置には、副走査手段としてのステージ１５２をガイド１５８に沿って駆動する後述のステージ駆動装置３０４（図１５参照）が設けられている。
【００３６】
設置台１５６の中央部には、ステージ１５２の移動経路を跨ぐようにコ字状のゲート１６０が設けられている。コ字状のゲート１６０の端部の各々は、設置台１５６の両側面に固定されている。このゲート１６０を挟んで一方の側にはスキャナ１６２が設けられ、他方の側には感光材料１５０の先端および後端を検知する複数（例えば２個）のセンサ１６４が設けられている。スキャナ１６２およびセンサ１６４はゲート１６０に各々取り付けられて、ステージ１５２の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ１６２およびセンサ１６４は、これらを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【００３７】
スキャナ１６２は、図２および図３（Ｂ）に示すように、ｍ行ｎ列（例えば３行５列）の略マトリックス状に配列された複数（例えば１４個）の露光ヘッド１６６を備えている。この例では、感光材料１５０の幅との関係で、３行目には４個の露光ヘッド１６６を配置してある。なお、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の露光ヘッドを示す場合は、露光ヘッド１６６ｍｎと表記する。
【００３８】
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。
【００３９】
また、図３（Ａ）および（Ｂ）に示すように、帯状の露光済み領域１７０が副走査方向と直交する方向に隙間無く並ぶように、ライン状に配列された各行の露光ヘッドの各々は、配列方向に所定間隔（露光エリアの長辺の自然数倍、本例では２倍）ずらして配置されている。このため、１行目の露光エリア１６８１１と露光エリア１６８１２との間の露光できない部分は、２行目の露光エリア１６８２１と３行目の露光エリア１６８３１とにより露光することができる。
【００４０】
露光ヘッド１６６１１〜１６６ｍｎ各々は、図４および図５に示すように、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）５０を備えている。このＤＭＤ５０は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた後述のコントローラ３０２（図１５参照）に接続されている。このコントローラ３０２のデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０の制御すべき領域内の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。なお、制御すべき領域については後述する。また、ミラー駆動制御部では、画像データ処理部で生成した制御信号に基づいて、各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０の各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、反射面の角度の制御については後述する。
【００４１】
ＤＭＤ５０の光入射側には、光ファイバの出射端部（発光点）が露光エリア１６８の長辺方向と対応する方向に沿って一列に配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源６６、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光を補正してＤＭＤ上に集光させるレンズ系６７、このレンズ系６７を透過したレーザ光をＤＭＤ５０に向けて反射するミラー６９がこの順に配置されている。なお図４では、レンズ系６７を概略的に示してある。
【００４２】
上記レンズ系６７は、図５に詳しく示すように、ファイバアレイ光源６６から出射した照明光としてのレーザ光Ｂを集光する集光レンズ７１、この集光レンズ７１を通過した光の光路に挿入された一例として３個のロッド状オプティカルインテグレータ（以下、ロッドインテグレータという）７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ、およびこれらのロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの前方つまりミラー６９側に配置された結像レンズ７４から構成されている。ロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃはそれぞれ、ファイバアレイ光源６６から出射したレーザ光を、平行光に近くかつビーム断面内強度が均一化された光束としてＤＭＤ５０に入射させる。これらのロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの形状や作用については、後に詳しく説明する。
【００４３】
上記レンズ系６７から出射したレーザ光Ｂはミラー６９で反射し、ＴＩＲ（全反射）プリズム７０を介してＤＭＤ５０に照射される。なお図４では、このＴＩＲプリズム７０は省略してある。
【００４４】
またＤＭＤ５０の光反射側には、ＤＭＤ５０で反射されたレーザ光Ｂを、記録媒体としての感光材料１５０上に結像する結像光学系５１が配置されている。この結像光学系５１は図４では概略的に示してあるが、図５に詳細を示すように、レンズ系５２，５４からなる第１結像光学系と、レンズ系５７，５８からなる第２結像光学系と、これらの結像光学系の間に挿入されたマイクロレンズアレイ５５と、アパーチャアレイ５９とから構成されている。上記のマイクロレンズアレイ５５は、ＤＭＤ５０の各画素に対応する多数のマイクロレンズ５５ａが配置されてなるものである。このマイクロレンズ５５ａは、一例として焦点距離が０．１９ｍｍ、ＮＡ（開口数）が０．１１のものである。またアパーチャアレイ５９は、マイクロレンズアレイ５５の各マイクロレンズ５５ａに対応する多数のアパーチャ５９ａが形成されてなるものである。
【００４５】
上記第１結像光学系は、ＤＭＤ５０による像を３倍に拡大してマイクロレンズアレイ５５上に結像する。そして第２結像光学系は、マイクロレンズアレイ５５を経た像を１．６７倍に拡大して感光材料１５０上に結像、投影する。したがって全体では、ＤＭＤ５０による像が５倍に拡大して感光材料１５０上に結像、投影されることになる。
【００４６】
なお本例では、第２結像光学系と感光材料１５０との間にプリズムペア７３が配設され、このプリズムペア７３を図５中で上下方向に移動させることにより、感光材料１５０上における像のピントを調節可能となっている。なお同図中において、感光材料１５０は矢印Ｙ方向に副走査送りされる。
【００４７】
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１０２４個×７６８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、ヒンジおよびヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラインで製造されるシリコンゲートのＣＭＯＳのＳＲＡＭセル６０が配置されており、全体はモノリシックに構成されている。
【００４８】
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。したがって、画像信号に応じて、ＤＭＤ５０の各ピクセルにおけるマイクロミラー６２の傾きを、図６に示すように制御することによって、ＤＭＤ５０に入射したレーザ光Ｂはそれぞれのマイクロミラー６２の傾き方向へ反射される。
【００４９】
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に接続された上記コントローラ３０２によって行われる。また、オフ状態のマイクロミラー６２で反射したレーザ光Ｂが進行する方向には、光吸収体（図示せず）が配置されている。
【００５０】
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。
【００５１】
ＤＭＤ５０には、長手方向にマイクロミラーが多数個（例えば１０２４個）配列されたマイクロミラー列が、短手方向に多数組（例えば７５６組）配列されているが、図８（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ５０を傾斜させることにより、各マイクロミラーによる露光ビーム５３の走査軌跡（走査線）のピッチＰ１が、ＤＭＤ５０を傾斜させない場合の走査線のピッチＰ２より狭くなり、解像度を大幅に向上させることができる。一方、ＤＭＤ５０の傾斜角は微小であるので、ＤＭＤ５０を傾斜させた場合の走査幅Ｗ２と、ＤＭＤ５０を傾斜させない場合の走査幅Ｗ１とは略同一である。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
ファイバアレイ光源６６は図９ａに示すように、複数（例えば１４個）のレーザモジュール６４を備えており、各レーザモジュール６４には、マルチモード光ファイバ３０の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ３０の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ３０と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ３０より小さい光ファイバ３１が結合されている。図９ｂに詳しく示すように、マルチモード光ファイバ３１の光ファイバ３０と反対側の端部は副走査方向と直交する主走査方向に沿って７個並べられ、それが２列に配列されてレーザ出射部６８が構成されている。
【００５５】
マルチモード光ファイバ３１の端部で構成されるレーザ出射部６８は、図９ｂに示すように、表面が平坦な２枚の支持板６５に挟み込まれて固定されている。また、マルチモード光ファイバ３１の光出射端面には、その保護のために、ガラス等の透明な保護板が配置されるのが望ましい。マルチモード光ファイバ３１の光出射端面は、光密度が高いため集塵し易く劣化し易いが、上述のような保護板を配置することにより、端面への塵埃の付着を防止し、また劣化を遅らせることができる。
【００５６】
本例では図１０に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファイバ３０のレーザ光出射側の先端部分に、長さ１〜３０ｃｍ程度のクラッド径が小さい光ファイバ３１が同軸的に結合されている。それらの光ファイバ３０，３１は、それぞれのコア軸が一致する状態で光ファイバ３１の入射端面を光ファイバ３０の出射端面に融着することにより結合されている。上述した通り、光ファイバ３１のコア３１ａの径は、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの径と同じ大きさである。
【００５７】
マルチモード光ファイバ３０および光ファイバ３１としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、および複合型光ファイバの何れでもよい。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および光ファイバ３１は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ３０は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２、入射端面コートの透過率＝９９．５％以上であり、光ファイバ３１は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２である。
【００５８】
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。
【００５９】
レーザモジュール６４は、図１１に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば７個）のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，およびＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６および１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０とから構成されている。なお、半導体レーザの個数は７個に限定されるものではなく、その他の個数が採用されてもよい。また、上述のような７個のコリメータレンズ１１〜１７に代えて、それらのレンズが一体化されてなるコリメータレンズアレイを用いることもできる。
【００６０】
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。
【００６１】
上記の合波レーザ光源は、図１２および図１３に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、それらによって形成される閉空間（封止空間）内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【００６２】
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。
【００６３】
また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダー４４が取り付けられており、そこにコリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
一方ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザ光Ｂ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【００６７】
したがって、各発光点から発せられたレーザ光Ｂ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザ光Ｂ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００６８】
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。
【００６９】
次に図１５を参照して、本例の画像露光装置における電気的な構成について説明する。ここに示されるように全体制御部３００には変調回路３０１が接続され、該変調回路３０１にはＤＭＤ５０を制御するコントローラ３０２が接続されている。また全体制御部３００には、レーザモジュール６４を駆動するパルス駆動回路３０３が接続されている。さらにこの全体制御部３００には、前記ステージ１５２を駆動するステージ駆動装置３０４が接続されている。
【００７０】
［画像露光装置の動作］
次に、上記画像露光装置の動作について説明する。スキャナ１６２の各露光ヘッド１６６において、ファイバアレイ光源６６の合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７（図１１参照）の各々から発散光状態で出射したレーザ光Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，およびＢ７の各々は、対応するコリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光化されたレーザ光Ｂ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面上で収束する。
【００７１】
本例では、コリメータレンズ１１〜１７および集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザ光Ｂ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザ光Ｂに合波されてマルチモード光ファイバ３０の出射端部に結合された光ファイバ３１から出射する。
【００７２】
各レーザモジュールにおいて、レーザ光Ｂ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．８５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）の合波レーザ光Ｂを得ることができる。したがって、１４本のマルチモード光ファイバ３１全体では、２．５２Ｗ（＝０．１８Ｗ×１７）の出力のレーザ光Ｂが得られる。
【００７３】
画像露光に際しては、図１５に示す変調回路３０１から露光パターンに応じた画像データがＤＭＤ５０のコントローラ３０２に入力され、そのフレームメモリに一旦記憶される。この画像データは、画像を構成する各画素の濃度を２値（ドットの記録の有無）で表したデータである。
【００７４】
感光材料１５０を表面に吸着したステージ１５２は、図１５に示すステージ駆動装置３０４により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。ステージ１５２がゲート１６０下を通過する際に、ゲート１６０に取り付けられたセンサ１６４により感光材料１５０の先端が検出されると、フレームメモリに記憶された画像データが複数ライン分ずつ順次読み出され、データ処理部で読み出された画像データに基づいて各露光ヘッド１６６毎に制御信号が生成される。そして、ミラー駆動制御部により、生成された制御信号に基づいて各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０のマイクロミラーの各々がオンオフ制御される。なお本例の場合、１画素部となる上記マイクロミラーのサイズは１４μｍ×１４μｍである。
【００７５】
ファイバアレイ光源６６からＤＭＤ５０にレーザ光Ｂが照射されると、ＤＭＤ５０のマイクロミラーがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系５４、５８により感光材料１５０上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、感光材料１５０がＤＭＤ５０の使用画素数と略同数の画素単位（露光エリア１６８）で露光される。また、感光材料１５０がステージ１５２と共に一定速度で移動されることにより、感光材料１５０がスキャナ１６２によりステージ移動方向と反対の方向に副走査され、各露光ヘッド１６６毎に帯状の露光済み領域１７０が形成される。
【００７６】
なお本例では、図１６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ５０には、主走査方向にマイクロミラーが１０２４個配列されたマイクロミラー列が副走査方向に７６８組配列されているが、本例では、コントローラ３０２により一部のマイクロミラー列（例えば、１０２４個×２５６列）だけが駆動するように制御がなされる。
【００７７】
この場合、図１６（Ａ）に示すようにＤＭＤ５０の中央部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよく、図１６（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ５０の端部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよい。また、一部のマイクロミラーに欠陥が発生した場合は、欠陥が発生していないマイクロミラー列を使用するなど、状況に応じて使用するマイクロミラー列を適宜変更してもよい。
【００７８】
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。
【００７９】
スキャナ１６２による感光材料１５０の副走査が終了し、センサ１６４で感光材料１５０の後端が検出されると、ステージ１５２は、ステージ駆動装置３０４により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。
【００８０】
次に、図５に示したファイバアレイ光源６６、集光レンズ７１、ロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃ、結像レンズ７４、ミラー６９およびＴＩＲプリズム７０から構成されてＤＭＤ５０に照明光としてのレーザ光Ｂを照射する照明光学系について説明する。ロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃは各々、例えば四角柱状に形成された透光性ロッドであり、その内部をレーザ光Ｂが全反射しながら進行するうちに、該レーザ光Ｂのビーム断面内強度分布が均一化される。なお、ロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの入射端面、出射端面には反射防止膜をコートして、透過率を向上させている。
【００８１】
ロッドインテグレータによる光強度分布均一化の効果は、その全長がより長いほど大となるが、本実施形態においては合計３個のロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃが用いられており、この場合は基本的に、それらのロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの全長を足し合わせた長さのロッドインテグレータを用いるのと同等の効果が得られる。
【００８２】
そしてロッドインテグレータは全長が長いほど割れ、カケ等が生じやすくなって作製が困難になるが、全体で高度の光強度分布均一化の効果を得る場合でも、３個のロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの各々は比較的短いもので済み、そのようなロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃは容易に作製可能である。例えば、ロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの各々として全長１００ｍｍのものを用いる場合、それらは比較的容易に作製可能であるが、全体として、現実的に作製不可能な全長３００ｍｍのロッドインテグレータを１個用いる場合と同等の光強度分布均一化効果を得ることができる。
【００８３】
また本実施形態の画像露光装置は、上述のように複数のロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃを用いて、照明光であるレーザ光Ｂのビーム断面内強度分布を高度に均一化できる照明光学系が適用されたものであるから、照明光強度の不均一を無くして、高精細な画像を感光材料に露光可能となる。
【００８４】
なお、本発明において用いるオプティカルインテグレータの個数は、上に示した実施形態における３個に限られるものではなく、２個以上であれば何個のオプティカルインテグレータが用いられてもよい。
【００８５】
また上記実施形態では、３個のロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃは互いに微少な隙間を置いて配置されているが、光の伝搬損失を少なく抑える上ではロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃどうしの間の隙間は無い方が好ましく、隙間が有る場合でも、それは１ｍｍ以下程度とするのが望ましい。
【００８６】
また、以上説明した実施の形態においては、光源としてファイバ光源１２が用いられているが、本発明ではそのような光源に限らず、その他例えば通常の１個の半導体レーザや、あるいは複数の発光点を有するマルチキャビティ半導体レーザや、さらには複数の半導体レーザがアレイ状に配設されてなるアレイレーザ等も好適に使用することができる。
【００８７】
さらに、上記のファイバ光源を用いる場合も、複数の半導体レーザから発せられたレーザ光を１本の光ファイバにおいて合波させることは必ずしも必要ではなく、１個の半導体レーザから発せられたレーザ光を１本の光ファイバにおいて導波させ、そのような光ファイバの複数あるいは１本から光源を構成することもできる。図１９は、そのように１個の半導体レーザから発せられたレーザ光を１本の光ファイバにおいて導波させるファイバ光源の一例を示すものである。以下、この図１９の構成について詳しく説明する。
【００８８】
同図の（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本ファイバ光源の側面形状と平面形状を示すものである。なおこの場合、上記側面形状および平面形状は各々、半導体レーザＬＤ４００の活性層に垂直な面内、平行な面内の形状となっている。図示の通りこのファイバ光源は、半導体レーザＬＤ４００と、該半導体レーザＬＤ４００から射出された発散光状態のレーザ光Ｂを上記活性層に垂直な面内のみで集光するシリンドリカルレンズ４０１と、このシリンドリカルレンズ４０１を通過したレーザ光Ｂを上記活性層に平行な面内のみで集光するシリンドリカルレンズ４０２と、このシリンドリカルレンズ４０２を通過したレーザ光Ｂを上記活性層に垂直な面内のみで集光するシリンドリカルレンズ４０３と、このシリンドリカルレンズ４０３を通過したレーザ光Ｂを上記活性層に平行な面内のみで集光するシリンドリカルレンズ４０４と、このシリンドリカルレンズ４０４を通過して収束光となったレーザ光Ｂが一端から入射するように配置された光ファイバ４０５とから構成されている。
【００８９】
上記半導体レーザＬＤ４００としては、例えば活性層に垂直な方向、平行な方向の発光層幅が各々０．５μｍ、３０μｍ、発振波長が４００〜４２０ｎｍ、出力が１００〜２００ｍＷのブロードストライプタイプ半導体レーザが用いられている。一方光ファイバ４０５としては、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２のシングルモードあるいはマルチモード光ファイバが用いられている。
【００９０】
また上記活性層に垂直な面内におけるシリンドリカルレンズ４０１、４０３のＮＡはそれぞれ０．６、０．２であり、これらのシリンドリカルレンズ４０１、４０３により、上記活性層に垂直な面内におけるレーザ光ＢのＮＡを、光ファイバ４０５のＮＡ以下に変換している。そして、上記活性層に平行な面内におけるシリンドリカルレンズ４０２、４０４のＮＡは共に０．２であり、これらのシリンドリカルレンズ４０２および４０４により、上記活性層に平行な面内については等倍結像光学系が構成されている。すなわち、半導体レーザＬＤ４００の活性層と平行な方向の発光層幅３０μｍが、そのまま光ファイバ４０５のコア端面に結像される。
【００９１】
本発明では、上記の構成を１つだけ用いて光源としてもよいが、該構成を複数用い、それぞれの光ファイバ４０５をバンドル化して、高精度のファイバアレイ光源を形成することも可能である。
【００９２】
なお上記の構成においては、４つのシリンドリカルレンズ４０１〜４０４によってビーム整形光学系を形成しているが、シリンドリカルレンズ以外の要素を用いてビーム整形光学系を形成することも勿論可能である。また半導体レーザも、ブロードストライプタイプのものに限らず、その他のタイプの半導体レーザを適宜選択して使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である照明光学系が適用された画像露光装置の外観を示す斜視図
【図２】図１の画像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の画像露光装置の露光ヘッドの概略構成を示す斜視図
【図５】本発明の一実施形態である照明光学系を含む露光ヘッドの、光軸に沿った副走査方向の断面図
【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）および（Ｂ）はＤＭＤの動作を説明するための説明図
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は、ＤＭＤを傾斜配置しない場合と傾斜配置する場合とで、露光ビームの配置および走査線を比較して示す平面図
【図９ａ】ファイバアレイ光源の構成を示す斜視図
【図９ｂ】ファイバアレイ光源のレーザ出射部における発光点の配列を示す正面図
【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正面図
【図１５】上記画像露光装置の電気的構成を示すブロック図
【図１６】（Ａ）および（Ｂ）は、ＤＭＤの使用領域の例を示す図
【図１７】エタンデューの概念を説明する図
【図１８】照明光学系における照明ＮＡと焦点深度との関係を説明する図
【図１９】本発明に用いられるファイバ光源の別の例を示す側面図（ａ）と平面図（ｂ）
【符号の説明】
ＬＤ１〜ＬＤ７ ＧａＮ系半導体レーザ
ＬＤ４００ 半導体レーザ
３０、３１ 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）
５０Ｍ ＤＭＤ上における照明光の照射領域
５１ 拡大結像光学系
５３、５４ 第１結像光学系のレンズ
５５ マイクロレンズアレイ
５７、５８ 第２結像光学系のレンズ
５９ アパーチャアレイ
６６ 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
７２Ａ〜Ｃ ロッドインテグレータ
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
４０１〜４０４ シリンドリカルレンズ
４０５ 光ファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は照明光学系に関し、特に詳細には、空間光変調素子に照射する照明光をオプティカルインテグレータに通して、その強度分布を均一化するようにした照明光学系に関するものである。
【０００２】
また本発明は、上述のような照明光学系から発せられた後に変調された照明光を感光材料に照射して、該感光材料を露光させる露光装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、ＬＣＤ（液晶表示素子）やＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）等の２次元空間光変調素子を光源からの光で照明し、この空間光変調素子で変調された光で感光材料を露光させるようにした露光装置が知られている。この種の装置においては、空間光変調素子を均一に照明する必要があり、そのため照明光学系にはオプティカルインテグレータが組み込まれている。このように照明光の強度分布を均一化するオプティカルインテグレータは、露光装置以外にもプロジェクタ等で一般に使用されている。
【０００４】
オプティカルインテグレータとは、光束を分割し、異なる経路を通した後再合成することにより、強度と位置の相関関係（強度分布）を解消して均一化するものであるが、光束の分割方式の違いにより、大別して２つの方式がある。一つは、複数のレンズを２次元的に配置してなるレンズアレイ（フライアイレンズ）を使用して空間的に光束を分割するフライアイタイプであり、もう一つは、ガラスのロッドや内面をミラーにした中空のロッドを使用して、光束を多重反射により角度的に分割するロッドタイプである。なお、フライアイタイプのオプティカルインテグレータにおけるレンズ形状や、ロッドタイプのオプティカルインテグレータにおける断面形状を、照明する空間光変調素子と相似形状にすることにより、光源と空間光変調素子の形状が互いに異なっても効率良く照明することが可能である。
【０００５】
特許文献１には、上述のようなオプティカルインテグレータを用いた照明光学系の一例が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３３１７２９８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記オプティカルインテグレータのうちロッドタイプのものは、全長をより大きくするほど、照明光の強度分布を均一化する効果が高くなる。
【０００８】
また、前述したような露光装置においては、露光画像のピントずれを防止する観点から、全長がより大きいオプティカルインテグレータの使用が望まれる。以下、この点について詳しく説明する。上記のピントずれを防止する上では、空間光変調素子の後段に配される光学系の焦点深度を大きく設定することが効果的であり、そのためには、被照明体側の開口数ＮＡ（以下、照明ＮＡという）を小さくすることが望まれる。ここで、この照明ＮＡに関して、光源のＥｔｅｎｄｅｕ（エタンデュー）の概念から検討する。
【０００９】
まず、エタンデューの詳細について、図１７を参照して説明する。空間光変調素子を照明するということは、大まかに言えば（工夫して均一分布にするにしても）、ある光源の像を空間光変調素子に結像するということである。ここで、光源の面積をＳ１、光学倍率をβとすると、図１７に示すように、像の面積Ｓ２はβ２に比例し（Ｓ２＝β２Ｓ１）、光線と光軸のなす角θは倍率βに逆比例する（θ２＝θ１／β）。つまり、Ｓ１θ１ ２＝Ｓ２θ２ ２となる。ここで、立体角Ωはθ２にほぼ比例するので、Ω１・Ｓ１≒Ω２・Ｓ２ すなわち、光源面積と立体角の積は一定となる。
【００１０】
厳密に考えると、理想レンズによる光束の伝達は、
光束：ｅ＝∫Ｓ∫Ωｃｏｓθ・ｄＳ・ｄΩ
で表される。θが十分小さい（Ｆ値２．５以上）ときには、ｃｏｓθ≒１であるので、
光束：ｅ＝Ω１・Ｓ１≒Ω２・Ｓ２
とみなせる。このΩ・Ｓがエタンデューである。理想的な無収差・透過率１００％の光学系を想定すると、エタンデューは保存される。なお、理想レンズを挟んだ両側の光学系が共役な関係になくても、エタンデューは保存されることが知られている。つまり、光源側のエタンデューとは、光源から発せられる光束の空間的拡がりを表し、照明される側（空間光変調素子側）のエタンデューとは、受け入れることのできる光束の空間的拡がりを表している。
【００１１】
ここで、計算例を示す。
【００１２】
＜光源側のエタンデューＥｓ＞
（１） アーク長４ｍｍの放電ランプの場合
光源を直径１ｍｍ、長さ４ｍｍの円柱とし、側面から等方的に光が放出されるものとすると、
Ｅｓ＝π・１・４・２π≒８０ｍｍ２・ｓｔｒ（ステラジアン）
（２） ファイバ光源の場合
一例として、レーザ光を伝搬させる光ファイバが複数、バンドル状に配設されてなる光源を考える。バンドルの出射部サイズが０．７×０．７ｍｍ、光ファイバの開口数ＮＡが０．２（≒１１．５ｄｅｇ）とすると、
Ｅｓ＝２π・（１−ｃｏｓ１１．５）・０．７・０．７≒０．０６ｍｍ２・ｓｔｒ
となり、この場合はエタンデューが非常に小さいものとなる。
【００１３】
＜空間光変調素子側のエタンデューＥｃおよび上記光源側エタンデューＥｓから求められる空間光変調素子側の光入射角度（照明ＮＡ）＞
一例として空間光変調素子の画素数を１０２４×７６８、画素ピッチを１３．６８μｍとし、損失が無いとした場合について計算する。
【００１４】
（１） 上記放電ランプの場合
Ｅｓ＝Ｅｃ＝２π・（１−ｃｏｓθ）・１０２４・７６８・１３．６８２／１０００２＝８０
照明ＮＡ＝ｓｉｎθ≒０．４
（２） 上記ファイバ光源の場合
Ｅｓ＝Ｅｃ＝２π・（１−ｃｏｓθ）・１０２４・７６８・１３．６８２／１０００２＝０．０６
照明ＮＡ＝ｓｉｎθ≒０．０１
以上から明らかな通り、光源側のエタンデューＥｓが小さいほど照明ＮＡを小さくすることができる。
【００１５】
また、エタンデューから考えると、光源側のエタンデューＥｓと照明される空間光変調素子側のエタンデューＥｃがＥｓ＜Ｅｃの関係にあるとき、途中の光学系の損失が無ければ、光源からの光を全て利用できることになる。しかし、光源に上記のようなランプを使用した場合、ランプのエタンデューが大きいため、効率良く照明するためには、照明ＮＡを非常に大きくしなければならない。
【００１６】
例えば、上述した通りアーク長４ｍｍの放電ランプで、画素数１０２４×７６８、画素ピッチ１３．６８μｍの空間光変調素子を照明する場合、放電ランプのエタンデューは約８０ｍｍ２・ｓｔｒであり、空間光変調素子のエタンデューを同じにして効率良く照明するためには、照明ＮＡを０．４にしなければならない。空間光変調素子の像を結像レンズで感光材料に結像して露光し、空間光変調素子からの光を効率良く使用するためには、当然結像レンズのＮＡも０．４以上（Ｆ値では１．２５）とする必要があり、そうであると結像レンズの焦点深度は非常に小さくなってしまう。
【００１７】
図１８は、光源側エタンデューＥｓが比較的大きくて照明ＮＡも大きい場合（ａ）と、光源側エタンデューＥｓが比較的小さくて照明ＮＡも小さい場合（ｂ）とについて、結像レンズの焦点深度を比較して示すものである。ここに示される通り、一般に幾何光学的に考えれば、レンズのＮＡが小さいほど焦点深度は大きくなる。
【００１８】
光源側エタンデューＥｓが大きい場合は、温度変動や機械的な変動が装置に生じたり、感光材料の厚さバラツキや反りなどがあると、焦点深度が非常に小さいことから、露光画像のピントがずれてしまうという問題が発生する。
【００１９】
それに対して、例えば上記ファイバ光源を用いる場合、光源側のエタンデューＥｓは０．０６ｍｍ２・ｓｔｒで、照明ＮＡは約０．０１と極めて小さくなり、結像レンズの焦点深度が大きくなって、上記ピントずれの問題を防止可能となる。
【００２０】
以上説明の通り、光源のエタンデューが小さいほど照明ＮＡが小さくなって、露光画像のピントずれを防止できることになるが、照明ＮＡが小さい場合は、照明光の強度分布をより高度に均一化する必要があり、そこで、全長のより大きなオプティカルインテグレータが必要となる。
【００２１】
以上述べたように、ロッドタイプのオプティカルインテグレータにあっては、より全長の大きいものが望まれているが、全長の大きいものは加工が難しくなるという問題がある。その点について、以下、具体的に説明する。
【００２２】
例えば照明ＮＡが０．０２の場合に、断面が約４ｍｍ×１ｍｍの長方形で全長が１４０ｍｍのオプティカルインテグレータを使用して、照明光の強度均一度を約９０％にできるが、全長が１００ｍｍ以上のオプティカルインテグレータは研磨等の加工が困難であり、全長が１４０ｍｍのものは非常に加工困難である。全長がそれ以上になると、現実的に加工は不可能に近い。前述の露光装置においては、露光画像の高精細化のために照明ＮＡをさらに小さくしたいという要求もあり、例えば該照明ＮＡを上記値の半分の０．０１として、照明光の強度均一度は同等に確保しようとすると、単純計算では全長が２８０ｍｍのオプティカルインテグレータが必要となる。そのようなオプティカルインテグレータを作製するのは、現実的には不可能である。
【００２３】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、作製の容易なロッドタイプのオプティカルインテグレータを用いて、照明光強度を高度に均一化できる照明光学系を提供することを目的とする。
【００２４】
また本発明は、上述のような照明光学系を適用して、高精細な画像を感光材料に露光することができる露光装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明による照明光学系は、
前述したようにＤＭＤ等の空間光変調素子に照明光を照射する光源と、
この光源と前記空間光変調素子との間に配され、該空間光変調素子に照射される前記照明光の強度分布を一様化するロッドタイプのオプティカルインテグレータとを備えてなる照明光学系において、
オプティカルインテグレータが、照明光の通過方向に直列に配して複数設けられていることを特徴とするものである。
【００２６】
なおこの本発明の照明光学系は、光源のエタンデューが１ｍｍ２・ｓｔｒ以下であることを前提として構成されることが特に好ましい。
【００２７】
また本発明の照明光学系において、光源は、複数のレーザ光を１本の光ファイバに入射させて合波し、さらにこの光ファイバを複数並べてバンドル状とした構成のものを好適に用いることができる。
【００２８】
一方、本発明による露光装置は、上述の本発明による照明光学系から発せられた照明光を前記空間光変調素子により所定の画像信号に基づいて変調し、この変調された照明光による光像で感光材料を露光させる構成を有するものである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の照明光学系においては、ロッドタイプのオプティカルインテグレータが、照明光の通過方向に直列に配して複数設けられているので、照明光強度を均一化する上では基本的に、それらを合計した長さを有する１個のオプティカルインテグレータを用いた場合と同等の効果が得られる。したがってこの照明光学系は、各オプティカルインテグレータとして全長が比較的短くて作製容易なものを用いても、全長の長いオプティカルインテグレータを１個用いた場合と同様に、照明光強度を高度に均一化できるものとなる。
【００３０】
特に光源のエタンデューが１ｍｍ２・ｓｔｒ以下と小さい（つまり照明ＮＡが小さい）場合は、前述した通り照明光の強度分布をより高度に均一化する必要があるが、本発明の照明光学系は上述のように複数のオプティカルインテグレータを用いているので、この要求に応えられるものとなる。例えば前述の計算例と同じ条件では、光源のエタンデューが１ｍｍ２・ｓｔｒの場合、照明ＮＡ≒ｓｉｎθ≒０．０４であり、単純計算ではオプティカルインテグレータの全長は７０ｍｍ以上必要となる。前述のようにオプティカルインテグレータは、全長が１００ｍｍ以上では加工が困難となるため、エタンデューが１ｍｍ２・ｓｔｒ以下で全長が７０ｍｍ以上必要となる光源を使用する場合、本発明の適用が可能となる。また、このように光源のエタンデューが小さくて照明ＮＡが小さい場合は、オプティカルインテグレータ内を全反射しながら伝搬する光の全反射角がより小さくなるので、複数のオプティカルインテグレータどうしの間に隙間が存在していても、光の伝搬損失がより少なく抑えられるようになる。
【００３１】
ただし一般的には、光の伝搬損失を少なく抑えるために、複数のオプティカルインテグレータどうしの間の隙間は無い方が好ましく、隙間が有る場合でも、それは１ｍｍ以下程度とするのが望ましい。
【００３２】
一方、本発明による露光装置は、上述のように複数のオプティカルインテグレータを用いて照明光強度を高度に均一化できる照明光学系が用いられたものであるから、照明光強度の不均一を無くして、高精細な画像を感光材料に露光可能となる。
【００３３】
【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。
【００３４】
なおここでは、本発明の一実施形態による照明光学系および画像露光装置を説明するが、まず画像露光装置について詳しく説明する。
【００３５】
［画像露光装置の構成］
この画像露光装置は、図１に示すように、シート状の感光材料１５０を表面に吸着して保持する平板状の移動ステージ１５２を備えている。４本の脚部１５４に支持された厚い板状の設置台１５６の上面には、ステージ移動方向に沿って延びた２本のガイド１５８が設置されている。ステージ１５２は、その長手方向がステージ移動方向を向くように配置されると共に、ガイド１５８によって往復移動可能に支持されている。なお、この画像露光装置には、副走査手段としてのステージ１５２をガイド１５８に沿って駆動する後述のステージ駆動装置３０４（図１５参照）が設けられている。
【００３６】
設置台１５６の中央部には、ステージ１５２の移動経路を跨ぐようにコ字状のゲート１６０が設けられている。コ字状のゲート１６０の端部の各々は、設置台１５６の両側面に固定されている。このゲート１６０を挟んで一方の側にはスキャナ１６２が設けられ、他方の側には感光材料１５０の先端および後端を検知する複数（例えば２個）のセンサ１６４が設けられている。スキャナ１６２およびセンサ１６４はゲート１６０に各々取り付けられて、ステージ１５２の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ１６２およびセンサ１６４は、これらを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【００３７】
スキャナ１６２は、図２および図３（Ｂ）に示すように、ｍ行ｎ列（例えば３行５列）の略マトリックス状に配列された複数（例えば１４個）の露光ヘッド１６６を備えている。この例では、感光材料１５０の幅との関係で、３行目には４個の露光ヘッド１６６を配置してある。なお、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の露光ヘッドを示す場合は、露光ヘッド１６６ｍｎと表記する。
【００３８】
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。
【００３９】
また、図３（Ａ）および（Ｂ）に示すように、帯状の露光済み領域１７０が副走査方向と直交する方向に隙間無く並ぶように、ライン状に配列された各行の露光ヘッドの各々は、配列方向に所定間隔（露光エリアの長辺の自然数倍、本例では２倍）ずらして配置されている。このため、１行目の露光エリア１６８１１と露光エリア１６８１２との間の露光できない部分は、２行目の露光エリア１６８２１と３行目の露光エリア１６８３１とにより露光することができる。
【００４０】
露光ヘッド１６６１１〜１６６ｍｎ各々は、図４および図５に示すように、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）５０を備えている。このＤＭＤ５０は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた後述のコントローラ３０２（図１５参照）に接続されている。このコントローラ３０２のデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０の制御すべき領域内の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。なお、制御すべき領域については後述する。また、ミラー駆動制御部では、画像データ処理部で生成した制御信号に基づいて、各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０の各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、反射面の角度の制御については後述する。
【００４１】
ＤＭＤ５０の光入射側には、光ファイバの出射端部（発光点）が露光エリア１６８の長辺方向と対応する方向に沿って一列に配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源６６、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光を補正してＤＭＤ上に集光させるレンズ系６７、このレンズ系６７を透過したレーザ光をＤＭＤ５０に向けて反射するミラー６９がこの順に配置されている。なお図４では、レンズ系６７を概略的に示してある。
【００４２】
上記レンズ系６７は、図５に詳しく示すように、ファイバアレイ光源６６から出射した照明光としてのレーザ光Ｂを集光する集光レンズ７１、この集光レンズ７１を通過した光の光路に挿入された一例として３個のロッド状オプティカルインテグレータ（以下、ロッドインテグレータという）７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ、およびこれらのロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの前方つまりミラー６９側に配置された結像レンズ７４から構成されている。ロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃはそれぞれ、ファイバアレイ光源６６から出射したレーザ光を、平行光に近くかつビーム断面内強度が均一化された光束としてＤＭＤ５０に入射させる。これらのロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの形状や作用については、後に詳しく説明する。
【００４３】
上記レンズ系６７から出射したレーザ光Ｂはミラー６９で反射し、ＴＩＲ（全反射）プリズム７０を介してＤＭＤ５０に照射される。なお図４では、このＴＩＲプリズム７０は省略してある。
【００４４】
またＤＭＤ５０の光反射側には、ＤＭＤ５０で反射されたレーザ光Ｂを、記録媒体としての感光材料１５０上に結像する結像光学系５１が配置されている。この結像光学系５１は図４では概略的に示してあるが、図５に詳細を示すように、レンズ系５２，５４からなる第１結像光学系と、レンズ系５７，５８からなる第２結像光学系と、これらの結像光学系の間に挿入されたマイクロレンズアレイ５５と、アパーチャアレイ５９とから構成されている。上記のマイクロレンズアレイ５５は、ＤＭＤ５０の各画素に対応する多数のマイクロレンズ５５ａが配置されてなるものである。このマイクロレンズ５５ａは、一例として焦点距離が０．１９ｍｍ、ＮＡ（開口数）が０．１１のものである。またアパーチャアレイ５９は、マイクロレンズアレイ５５の各マイクロレンズ５５ａに対応する多数のアパーチャ５９ａが形成されてなるものである。
【００４５】
上記第１結像光学系は、ＤＭＤ５０による像を３倍に拡大してマイクロレンズアレイ５５上に結像する。そして第２結像光学系は、マイクロレンズアレイ５５を経た像を１．６７倍に拡大して感光材料１５０上に結像、投影する。したがって全体では、ＤＭＤ５０による像が５倍に拡大して感光材料１５０上に結像、投影されることになる。
【００４６】
なお本例では、第２結像光学系と感光材料１５０との間にプリズムペア７３が配設され、このプリズムペア７３を図５中で上下方向に移動させることにより、感光材料１５０上における像のピントを調節可能となっている。なお同図中において、感光材料１５０は矢印Ｙ方向に副走査送りされる。
【００４７】
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１０２４個×７６８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、ヒンジおよびヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラインで製造されるシリコンゲートのＣＭＯＳのＳＲＡＭセル６０が配置されており、全体はモノリシックに構成されている。
【００４８】
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。したがって、画像信号に応じて、ＤＭＤ５０の各ピクセルにおけるマイクロミラー６２の傾きを、図６に示すように制御することによって、ＤＭＤ５０に入射したレーザ光Ｂはそれぞれのマイクロミラー６２の傾き方向へ反射される。
【００４９】
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に接続された上記コントローラ３０２によって行われる。また、オフ状態のマイクロミラー６２で反射したレーザ光Ｂが進行する方向には、光吸収体（図示せず）が配置されている。
【００５０】
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。
【００５１】
ＤＭＤ５０には、長手方向にマイクロミラーが多数個（例えば１０２４個）配列されたマイクロミラー列が、短手方向に多数組（例えば７５６組）配列されているが、図８（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ５０を傾斜させることにより、各マイクロミラーによる露光ビーム５３の走査軌跡（走査線）のピッチＰ１が、ＤＭＤ５０を傾斜させない場合の走査線のピッチＰ２より狭くなり、解像度を大幅に向上させることができる。一方、ＤＭＤ５０の傾斜角は微小であるので、ＤＭＤ５０を傾斜させた場合の走査幅Ｗ２と、ＤＭＤ５０を傾斜させない場合の走査幅Ｗ１とは略同一である。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
ファイバアレイ光源６６は図９ａに示すように、複数（例えば１４個）のレーザモジュール６４を備えており、各レーザモジュール６４には、マルチモード光ファイバ３０の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ３０の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ３０と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ３０より小さい光ファイバ３１が結合されている。図９ｂに詳しく示すように、マルチモード光ファイバ３１の光ファイバ３０と反対側の端部は副走査方向と直交する主走査方向に沿って７個並べられ、それが２列に配列されてレーザ出射部６８が構成されている。
【００５５】
マルチモード光ファイバ３１の端部で構成されるレーザ出射部６８は、図９ｂに示すように、表面が平坦な２枚の支持板６５に挟み込まれて固定されている。また、マルチモード光ファイバ３１の光出射端面には、その保護のために、ガラス等の透明な保護板が配置されるのが望ましい。マルチモード光ファイバ３１の光出射端面は、光密度が高いため集塵し易く劣化し易いが、上述のような保護板を配置することにより、端面への塵埃の付着を防止し、また劣化を遅らせることができる。
【００５６】
本例では図１０に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファイバ３０のレーザ光出射側の先端部分に、長さ１〜３０ｃｍ程度のクラッド径が小さい光ファイバ３１が同軸的に結合されている。それらの光ファイバ３０，３１は、それぞれのコア軸が一致する状態で光ファイバ３１の入射端面を光ファイバ３０の出射端面に融着することにより結合されている。上述した通り、光ファイバ３１のコア３１ａの径は、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの径と同じ大きさである。
【００５７】
マルチモード光ファイバ３０および光ファイバ３１としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、および複合型光ファイバの何れでもよい。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および光ファイバ３１は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ３０は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２、入射端面コートの透過率＝９９．５％以上であり、光ファイバ３１は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２である。
【００５８】
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。
【００５９】
レーザモジュール６４は、図１１に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば７個）のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，およびＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６および１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０とから構成されている。なお、半導体レーザの個数は７個に限定されるものではなく、その他の個数が採用されてもよい。また、上述のような７個のコリメータレンズ１１〜１７に代えて、それらのレンズが一体化されてなるコリメータレンズアレイを用いることもできる。
【００６０】
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。
【００６１】
上記の合波レーザ光源は、図１２および図１３に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、それらによって形成される閉空間（封止空間）内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【００６２】
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。
【００６３】
また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダー４４が取り付けられており、そこにコリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
一方ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザ光Ｂ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【００６７】
したがって、各発光点から発せられたレーザ光Ｂ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザ光Ｂ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００６８】
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。
【００６９】
次に図１５を参照して、本例の画像露光装置における電気的な構成について説明する。ここに示されるように全体制御部３００には変調回路３０１が接続され、該変調回路３０１にはＤＭＤ５０を制御するコントローラ３０２が接続されている。また全体制御部３００には、レーザモジュール６４を駆動するパルス駆動回路３０３が接続されている。さらにこの全体制御部３００には、前記ステージ１５２を駆動するステージ駆動装置３０４が接続されている。
【００７０】
［画像露光装置の動作］
次に、上記画像露光装置の動作について説明する。スキャナ１６２の各露光ヘッド１６６において、ファイバアレイ光源６６の合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７（図１１参照）の各々から発散光状態で出射したレーザ光Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，およびＢ７の各々は、対応するコリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光化されたレーザ光Ｂ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面上で収束する。
【００７１】
本例では、コリメータレンズ１１〜１７および集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザ光Ｂ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザ光Ｂに合波されてマルチモード光ファイバ３０の出射端部に結合された光ファイバ３１から出射する。
【００７２】
各レーザモジュールにおいて、レーザ光Ｂ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．８５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）の合波レーザ光Ｂを得ることができる。したがって、１４本のマルチモード光ファイバ３１全体では、２．５２Ｗ（＝０．１８Ｗ×１７）の出力のレーザ光Ｂが得られる。
【００７３】
画像露光に際しては、図１５に示す変調回路３０１から露光パターンに応じた画像データがＤＭＤ５０のコントローラ３０２に入力され、そのフレームメモリに一旦記憶される。この画像データは、画像を構成する各画素の濃度を２値（ドットの記録の有無）で表したデータである。
【００７４】
感光材料１５０を表面に吸着したステージ１５２は、図１５に示すステージ駆動装置３０４により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。ステージ１５２がゲート１６０下を通過する際に、ゲート１６０に取り付けられたセンサ１６４により感光材料１５０の先端が検出されると、フレームメモリに記憶された画像データが複数ライン分ずつ順次読み出され、データ処理部で読み出された画像データに基づいて各露光ヘッド１６６毎に制御信号が生成される。そして、ミラー駆動制御部により、生成された制御信号に基づいて各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０のマイクロミラーの各々がオンオフ制御される。なお本例の場合、１画素部となる上記マイクロミラーのサイズは１４μｍ×１４μｍである。
【００７５】
ファイバアレイ光源６６からＤＭＤ５０にレーザ光Ｂが照射されると、ＤＭＤ５０のマイクロミラーがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系５４、５８により感光材料１５０上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、感光材料１５０がＤＭＤ５０の使用画素数と略同数の画素単位（露光エリア１６８）で露光される。また、感光材料１５０がステージ１５２と共に一定速度で移動されることにより、感光材料１５０がスキャナ１６２によりステージ移動方向と反対の方向に副走査され、各露光ヘッド１６６毎に帯状の露光済み領域１７０が形成される。
【００７６】
なお本例では、図１６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ５０には、主走査方向にマイクロミラーが１０２４個配列されたマイクロミラー列が副走査方向に７６８組配列されているが、本例では、コントローラ３０２により一部のマイクロミラー列（例えば、１０２４個×２５６列）だけが駆動するように制御がなされる。
【００７７】
この場合、図１６（Ａ）に示すようにＤＭＤ５０の中央部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよく、図１６（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ５０の端部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよい。また、一部のマイクロミラーに欠陥が発生した場合は、欠陥が発生していないマイクロミラー列を使用するなど、状況に応じて使用するマイクロミラー列を適宜変更してもよい。
【００７８】
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。
【００７９】
スキャナ１６２による感光材料１５０の副走査が終了し、センサ１６４で感光材料１５０の後端が検出されると、ステージ１５２は、ステージ駆動装置３０４により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。
【００８０】
次に、図５に示したファイバアレイ光源６６、集光レンズ７１、ロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃ、結像レンズ７４、ミラー６９およびＴＩＲプリズム７０から構成されてＤＭＤ５０に照明光としてのレーザ光Ｂを照射する照明光学系について説明する。ロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃは各々、例えば四角柱状に形成された透光性ロッドであり、その内部をレーザ光Ｂが全反射しながら進行するうちに、該レーザ光Ｂのビーム断面内強度分布が均一化される。なお、ロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの入射端面、出射端面には反射防止膜をコートして、透過率を向上させている。
【００８１】
ロッドインテグレータによる光強度分布均一化の効果は、その全長がより長いほど大となるが、本実施形態においては合計３個のロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃが用いられており、この場合は基本的に、それらのロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの全長を足し合わせた長さのロッドインテグレータを用いるのと同等の効果が得られる。
【００８２】
そしてロッドインテグレータは全長が長いほど割れ、カケ等が生じやすくなって作製が困難になるが、全体で高度の光強度分布均一化の効果を得る場合でも、３個のロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの各々は比較的短いもので済み、そのようなロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃは容易に作製可能である。例えば、ロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃの各々として全長１００ｍｍのものを用いる場合、それらは比較的容易に作製可能であるが、全体として、現実的に作製不可能な全長３００ｍｍのロッドインテグレータを１個用いる場合と同等の光強度分布均一化効果を得ることができる。
【００８３】
また本実施形態の画像露光装置は、上述のように複数のロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃを用いて、照明光であるレーザ光Ｂのビーム断面内強度分布を高度に均一化できる照明光学系が適用されたものであるから、照明光強度の不均一を無くして、高精細な画像を感光材料に露光可能となる。
【００８４】
なお、本発明において用いるオプティカルインテグレータの個数は、上に示した実施形態における３個に限られるものではなく、２個以上であれば何個のオプティカルインテグレータが用いられてもよい。
【００８５】
また上記実施形態では、３個のロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃは互いに微少な隙間を置いて配置されているが、光の伝搬損失を少なく抑える上ではロッドインテグレータ７２Ａ〜Ｃどうしの間の隙間は無い方が好ましく、隙間が有る場合でも、それは１ｍｍ以下程度とするのが望ましい。
【００８６】
また、以上説明した実施の形態においては、光源としてファイバ光源１２が用いられているが、本発明ではそのような光源に限らず、その他例えば通常の１個の半導体レーザや、あるいは複数の発光点を有するマルチキャビティ半導体レーザや、さらには複数の半導体レーザがアレイ状に配設されてなるアレイレーザ等も好適に使用することができる。
【００８７】
さらに、上記のファイバ光源を用いる場合も、複数の半導体レーザから発せられたレーザ光を１本の光ファイバにおいて合波させることは必ずしも必要ではなく、１個の半導体レーザから発せられたレーザ光を１本の光ファイバにおいて導波させ、そのような光ファイバの複数あるいは１本から光源を構成することもできる。図１９は、そのように１個の半導体レーザから発せられたレーザ光を１本の光ファイバにおいて導波させるファイバ光源の一例を示すものである。以下、この図１９の構成について詳しく説明する。
【００８８】
同図の（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本ファイバ光源の側面形状と平面形状を示すものである。なおこの場合、上記側面形状および平面形状は各々、半導体レーザＬＤ４００の活性層に垂直な面内、平行な面内の形状となっている。図示の通りこのファイバ光源は、半導体レーザＬＤ４００と、該半導体レーザＬＤ４００から射出された発散光状態のレーザ光Ｂを上記活性層に垂直な面内のみで集光するシリンドリカルレンズ４０１と、このシリンドリカルレンズ４０１を通過したレーザ光Ｂを上記活性層に平行な面内のみで集光するシリンドリカルレンズ４０２と、このシリンドリカルレンズ４０２を通過したレーザ光Ｂを上記活性層に垂直な面内のみで集光するシリンドリカルレンズ４０３と、このシリンドリカルレンズ４０３を通過したレーザ光Ｂを上記活性層に平行な面内のみで集光するシリンドリカルレンズ４０４と、このシリンドリカルレンズ４０４を通過して収束光となったレーザ光Ｂが一端から入射するように配置された光ファイバ４０５とから構成されている。
【００８９】
上記半導体レーザＬＤ４００としては、例えば活性層に垂直な方向、平行な方向の発光層幅が各々０．５μｍ、３０μｍ、発振波長が４００〜４２０ｎｍ、出力が１００〜２００ｍＷのブロードストライプタイプ半導体レーザが用いられている。一方光ファイバ４０５としては、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２のシングルモードあるいはマルチモード光ファイバが用いられている。
【００９０】
また上記活性層に垂直な面内におけるシリンドリカルレンズ４０１、４０３のＮＡはそれぞれ０．６、０．２であり、これらのシリンドリカルレンズ４０１、４０３により、上記活性層に垂直な面内におけるレーザ光ＢのＮＡを、光ファイバ４０５のＮＡ以下に変換している。そして、上記活性層に平行な面内におけるシリンドリカルレンズ４０２、４０４のＮＡは共に０．２であり、これらのシリンドリカルレンズ４０２および４０４により、上記活性層に平行な面内については等倍結像光学系が構成されている。すなわち、半導体レーザＬＤ４００の活性層と平行な方向の発光層幅３０μｍが、そのまま光ファイバ４０５のコア端面に結像される。
【００９１】
本発明では、上記の構成を１つだけ用いて光源としてもよいが、該構成を複数用い、それぞれの光ファイバ４０５をバンドル化して、高精度のファイバアレイ光源を形成することも可能である。
【００９２】
なお上記の構成においては、４つのシリンドリカルレンズ４０１〜４０４によってビーム整形光学系を形成しているが、シリンドリカルレンズ以外の要素を用いてビーム整形光学系を形成することも勿論可能である。また半導体レーザも、ブロードストライプタイプのものに限らず、その他のタイプの半導体レーザを適宜選択して使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である照明光学系が適用された画像露光装置の外観を示す斜視図
【図２】図１の画像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の画像露光装置の露光ヘッドの概略構成を示す斜視図
【図５】本発明の一実施形態である照明光学系を含む露光ヘッドの、光軸に沿った副走査方向の断面図
【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）および（Ｂ）はＤＭＤの動作を説明するための説明図
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は、ＤＭＤを傾斜配置しない場合と傾斜配置する場合とで、露光ビームの配置および走査線を比較して示す平面図
【図９ａ】ファイバアレイ光源の構成を示す斜視図
【図９ｂ】ファイバアレイ光源のレーザ出射部における発光点の配列を示す正面図
【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正面図
【図１５】上記画像露光装置の電気的構成を示すブロック図
【図１６】（Ａ）および（Ｂ）は、ＤＭＤの使用領域の例を示す図
【図１７】エタンデューの概念を説明する図
【図１８】照明光学系における照明ＮＡと焦点深度との関係を説明する図
【図１９】本発明に用いられるファイバ光源の別の例を示す側面図（ａ）と平面図（ｂ）
【符号の説明】
ＬＤ１〜ＬＤ７ ＧａＮ系半導体レーザ
ＬＤ４００ 半導体レーザ
３０、３１ 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）
５０Ｍ ＤＭＤ上における照明光の照射領域
５１ 拡大結像光学系
５３、５４ 第１結像光学系のレンズ
５５ マイクロレンズアレイ
５７、５８ 第２結像光学系のレンズ
５９ アパーチャアレイ
６６ 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
７２Ａ〜Ｃ ロッドインテグレータ
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
４０１〜４０４ シリンドリカルレンズ
４０５ 光ファイバ
Claims (7)
- 空間光変調素子に照明光を照射する光源と、
この光源と前記空間光変調素子との間に配され、該空間光変調素子に照射される前記照明光の強度分布を一様化するロッドタイプのオプティカルインテグレータとを備えてなる照明光学系において、
前記オプティカルインテグレータが、前記照明光の通過方向に直列に配して複数設けられていることを特徴とする照明光学系。 - 前記光源のエタンデューが１ｍｍ２・ｓｔｒ以下であることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
- 前記光源が、複数のレーザ光を１本の光ファイバに入射させて、該光ファイバから合波されたレーザ光を出射させ、
さらにこの光ファイバを複数並べてバンドル状とした構成を有するものであることを特徴とする請求項１または２記載の照明光学系。 - 前記光源が、１つのレーザ光を１本の光ファイバに入射させて該光ファイバから出射させ、
さらにこの光ファイバを複数並べてバンドル状とした構成を有するものであることを特徴とする請求項１または２記載の照明光学系。 - 前記光ファイバのクラッド径が１０μｍ以上８０μｍ以下であることを特徴とする請求項３または４記載の照明光学系。
- 前記空間光変調素子がＤＭＤであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の照明光学系。
- 請求項１から６いずれか１項記載の照明光学系から発せられた照明光を前記空間光変調素子により所定の画像信号に基づいて変調し、この変調された照明光による光像で感光材料を露光させる構成を有することを特徴とする露光装置。
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