(57)【要約】  レーザ露光システムは、入射光が回折されない第１の状態、ならびに入射光がゼロ次光と、第１の回折光ビームおよび第２の回折光ビームとを含む複数の光ビームへと回折される第２の状態となるように制御できる電気制御回折格子を含む。絞り構造は、第１の回折光ビームおよび第２の回折光ビームを通過させ、その一方でゼロ次光ビームをブロックする。偏光回転子は第２の回折光の偏光状態を回転し、偏光ビーム合成器は、第１の回折光ビームと偏光回転した第２の回折光ビームを共通経路上へと合成して、合成光ビームを形成する。光学要素は、合成光ビームを結像媒体上に合焦させる。コントローラは、画素データに従って、電気制御回折格子の状態を制御して印刷画像を形成する。
2021531512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能な状態を有する電気制御回折格子を含む電気光学基板と、
前記電気光学基板の中に入射光ビームを向けるレーザ発生源であって、前記電気制御回折格子が第１の状態となるように制御されると、回折なしに前記入射光ビームが前記電気光学基板を通過して、回折されない光ビームをもたらし、前記電気制御回折格子が第２の状態となるように制御されると、異なる回折次数に対応する複数の光ビームへと前記入射光ビームが回折され、前記複数の光ビームが、ゼロ回折次に対応するゼロ次光ビーム、ならびに−ｎおよび＋ｎの回折次数に対応する第１および第２の回折光ビームを含む、レーザ発生源と、
前記第１の回折光ビームが第１の絞りを通過し前記第２の回折光ビームが第２の絞りを通過するように位置決めされる前記第１の絞りおよび前記第２の絞りを含む絞り構造であって、前記絞り板が、前記電気制御回折格子が前記第１の状態であるとき前記回折されない光ビームをブロックし、前記電気制御回折格子が前記第２の状態であるとき前記ゼロ次光ビームをブロックする、絞り構造と、
偏光回転した第２の回折光ビームを提供するため、前記第２の回折光ビームの偏光状態を回転する偏光回転子と、
前記第１の回折光ビームと前記偏光回転した第２の回折光ビームを共通経路上へと合成して、合成光ビームを形成する、偏光ビーム合成器と、
前記合成光ビームを結像媒体上に合焦させるプリントレンズと、
画素データに従って、前記電気制御回折格子の状態を制御するコントローラと、
を備える、レーザ露光システム。
【請求項２】
前記複数の光ビームが、前記ゼロ回折次に対応する前記ゼロ次光ビーム、ならびに−１および＋１の回折次数に対応する第１の回折光ビームおよび第２の回折光ビームだけを含むように、前記電気制御回折格子の周期が選択される、請求項１に記載のレーザ露光システム。
【請求項３】
前記複数の光ビームが、前記ゼロ回折次に対応する前記ゼロ次光ビーム、ならびに−１および＋１の回折次数に対応する第１の回折光ビームおよび第２の回折光ビームだけを含むように、前記電気制御回折格子上への前記入射光ビームの入射角が選択される、請求項１に記載のレーザ露光システム。
【請求項４】
前記第１の絞りおよび前記第２の絞りの幅が、前記絞り構造の平面中の、前記第１の回折光ビームと前記第２の回折光ビームとの間の間隔の半分にほぼ等しい、請求項３に記載のレーザ露光システム。
【請求項５】
前記電気光学基板が、異なる画像画素についての画素データに従って独立して制御可能な、複数の電気制御回折格子を含む、請求項１に記載のレーザ露光システム。
【請求項６】
前記電気制御回折格子の各々からの前記第１の回折光ビームが前記第１の絞りをすべて通過し、前記電気制御回折格子の各々からの前記第２の回折光ビームが前記第２の絞りをすべて通過し、前記電気制御回折格子の各々からの前記ゼロ次光ビームが前記絞り構造によってすべてブロックされる、請求項５に記載のレーザ露光システム。
【請求項７】
前記偏光回転子が半波板である、請求項１に記載のレーザ露光システム。
【請求項８】
前記偏光ビーム合成器が、２つの直角プリズムを使用して構築される立方体ビームスプリッタである、請求項１に記載のレーザ露光システム。
【請求項９】
前記第１の回折光ビームおよび前記第２の回折光ビームについて、前記電気制御回折格子と前記偏光ビーム合成器の間の光学経路長が、２ｄ２／λ以下だけ異なり、ここでｄが前記電気制御回折格子の格子周期であり、λが前記レーザ発生源からの前記光ビームの波長である、請求項１に記載のレーザ露光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザプリンタの分野に関し、より詳細には、電気光学空間光変調器を使用するレーザ露光ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザプリンタ、特にフライングスポットプリンタは、オフィスでの印刷から、医療用の印刷、バーコード印刷まで、種々多様な用途で使用される。これらのシステムは、典型的には、かなり敏感な媒体上へ、単一の低パワービームで印刷する。グラフィックアート産業で使用されるものなどといった他のシステムは、十分な生産性を実現するために、マルチスポットプリンタとして構成されることが多い。多くのタイプのグラフィックアート媒体は、光の露光に対してやや感度が低いために、これらの入射ビームの各々は、印刷平面における小さいスポットに高い光レベルを提供しなければならない。そのようなプリンタは、典型的には、「旋盤」のように構成され、ページスキャンは、媒体を保持するドラムを回転することによって得られ、ラインスキャンは、ドラムの回転軸に平行な方向に複数のレーザビームを平行移動させることによって得られる。
【０００３】
グラフィックアートプリンタの設計上の問題を解決するのにいくつかの手法がある。１つの手法では、レーザ発生源のセットが光ファイバに別個に結合され、その後、光ファイバは、発生源の直線状配列を形成するように取り付けられる。これらのチャネルの各々を、次いで、独立して変調することができる。そのようなシステムの例は、同一出願人による特許文献１および特許文献２に記載される。別の手法は、レーザ発生源のモノリシック配列を利用し、次いで、複数のスポットを作り出すために、感光性媒体上に直接レーザ配列の要素を結像することである。レーザ配列の各要素へのパワーは、画素濃度を得るために個々に変調される。同一出願人による特許文献３に記載されるそのようなシステムは、レーザを光ファイバに結合するシステムと比較して、潜在的に、より低コストでより高効率のものである。しかし、これらのシステムは、レーザダイオード配列発生源の１つのレーザ要素またはエミッタの故障でさえ、印刷した画像中のアーティファクトとして現れることになり、レーザ配列発生源全体の交換を必要とするために、著しく不利となる。
【０００４】
モノリシックダイオード配列発生源を使用する印刷システムを改善する１つの手法は、同一出願人による特許文献４に記載されるような、各レーザ要素またはエミッタをサブ配列発生源の配列へと分割することである。各書込要素は、所与のサブ配列の全レーザ要素またはエミッタの合成光から組み立てられ、サブ配列の各々は、画像データ出力を提供するように、直接個々に変調される。この手法は、サブ配列内のレーザ要素またはエミッタの故障に対して、システムの感受性を鈍らせる。
【０００５】
モノリシックダイオード配列発生源を有するシステムを改善する別の手法は、各レーザ要素またはエミッタからの光を合成して、直線状空間光変調器配列を投光照明することである。変調器の画素要素は、光を画像要素へと分解し、変調器の各画素は、その後、媒体平面上に結像され、印刷スポットの所望の配列を形成する。この手法を採用する印刷システムは、特許文献５、同一出願人による特許文献６、および、同一出願人による特許文献７に記載される。これらのシステムは、レーザダイオード配列がフルパワーで動作し、光源としてのみ働くように、間接光変調手段を提供することによって、従来技術の設計を改善する。また、エミッタからの光が変調器を照らすことにおいて重複するために、結果として得られる冗長性によって、配列内のレーザ要素またはエミッタのいずれかの故障または動作不良に対してシステムの感受性を鈍らせる。
【０００６】
直線状空間光変調器配列が投光照明されるそのようなシステムの性能は、照明系の設計と変調器配列の設計および動作の両方に、高度に依存する。好ましくは、照明系は、最小の輝度損失を有する、高度に均一な照明を提供するべきである。特許文献５では、多くの単一モードレーザからのガウスビームが、遠距離場で合成されて、広くて一般的にゆっくり変化する照明プロファイルであるが、依然として一般的にガウス分布状に減少するものを作り出す。単一モードレーザの配列は、個々のレーザ発生源からのビームが相互に非干渉性であり、したがってそれらを干渉なしに重ね合わせることができるように、注意深く構成される。そのような構成によって、空間光変調器と組み合わせて使用できる、比較的非干渉性の発生源を必要とする効果を実現することができる。しかし、発生源が何らかの位相ロックまたは干渉効果を呈さないことを保証するため、非常に注意を払う必要がある。加えて、変調器は、画像中のストリーキング縞を回避するために、極めて均一な照明を必要とすることになる。このことは、特許文献５に示される制約内で達成可能な場合があるが、製造環境中で維持するために、必要な注意、詳細、および努力によって、システムを高価で困難にする場合がある。
【０００７】
特許文献６は、その各々が典型的にはむしろ不均一な近接場プロファイルを有するマルチモードエミッタからなるレーザダイオード配列を有する印刷システムを提供する。照明光学系中に含まれるミラー系は、光プロファイル中のマクロ不均一性を大幅に取り除くことによって、光均一性を部分的に改善する。同一出願人による特許文献８に記載されるような別の方法は、マルチモードエミッタを含むレーザダイオード配列を使用するが、フライアイ積算器を利用する照明系を有している。フライアイ積算器を用いて、ミクロおよびマクロの光不均一性を大幅に改善することができる。
【０００８】
照明光学系が直線状空間光変調器の均一な照明を効率的に提供するとすれば、全体のシステム性能は、空間光変調器配列の設計および動作に高度に依存する。一般的に、グラフィックアートのためのレーザプリンタで使用される空間光変調器のための候補となる技術は、高い光学的フィルファクタで高い透過性を有し、高い光学エネルギー密度で露光された際の、光学的ダメージおよび変容挙動についての高い閾値を有し、高いデータ速度で十分に高い変調コントラストを提供するべきである。レーザ熱プリンタで使用するためのこれらの様々な基準を満たす、電気機械変調器技術および電気光学変調器技術の両方がある。
【０００９】
特許文献９、および、特許文献１０に記載されるような、全反射（ＴＩＲ）変調器は、電気光学の種類のものであるが、レーザ熱プリンタでの使用に向いている多くの特性を有する。そのようなデバイスは、高い光学的フィルファクタのために設計することができる強誘電性結晶から生成される、シュリーレン光学系とともに使用される透過型変調器である。有用な材料は、好ましくは、近赤外線で高度に透過性であり、光学的ダメージに対して高い閾値を有する。さらに、特許文献１０により記載されるようなＴＩＲ変調器は、電場が印可されるときに、その上に格子構造を課すことによって光を変調するデバイスである。結果として、光が回折され、変調された光は、後の光学系中で、フーリエ面で空間フィルタ処理することによって変調されなかった光から分離される。光を直接吸収またはブロックするのとは反対に、ＴＩＲ変調器は、シュリーレン位相変調を使用するために、変調器上の熱負荷は大きく減少する。これらのＴＩＲ変調器は、高度に干渉性の発生源からの光に照射されると見事に機能する。しかし、レーザ熱印刷用途で必要な高パワーレーザ発生源は、よくても部分的に干渉性なだけである。
【００１０】
特許文献１１は、部分的に干渉性なレーザ発生源で動作するように最適化されるＴＩＲ空間光変調器を利用するレーザプリンタを記載する。レーザ発生源は、複数のマルチモードエミッタを有するレーザダイオード配列である。空間光変調器は、印可される電場に従ってレーザ発生源からの光を回折する、電気制御位相格子を使用する。スリットを有する空間フィルタは、結像レンズによって最終的に像面上に結像される、回折されない光を通す。画素が「オン」状態であるとき、空間光変調器に電圧は供給されず、その結果、光ビームは回折されずに通過し、像面上に結像される。画素が「オフ」状態であるとき、光バルブチャネルに電圧が印加され、光ビームを回折する格子を形成し、その結果、光ビームがスリットを通過しない。しかし、ビームエネルギーの小部分は、回折することなく（すなわち、ゼロ回折次で）光バルブを依然として通過し、したがって、像面上に結像される。そのような光は、通常「リーク」と呼ばれる。リークは、「オン」状態のものと比較した、「オフ」状態において像面に到達する光学的パワーの百分率として測定される。リークの大きさは、位相格子の周期に依存し、より小さい格子周期でより強くなることが見いだされている。格子周期を小さくすることによって、同じサイズの結晶を使用しながら、解像度の改善し、画素数を増加させることが可能になる。しかし、経験によれば、ＴＩＲ変調器で格子周期を小さくすると、５％より大きいレベルにリークが増加することになる。そのようなリークレベルは、多くの用途で容認できないアーティファクトをもたらすことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第４，９００，１３０号
【特許文献２】米国特許第５，３５１，６１７号
【特許文献３】米国特許第４，８０４，９７５号
【特許文献４】米国特許第５，６１９，２４５号
【特許文献５】米国特許第４，７８６，９１８号
【特許文献６】米国特許第５，５１７，３５９号
【特許文献７】米国特許第５，５２１，７４８号
【特許文献８】米国特許第５，９２３，４７５号
【特許文献９】米国特許第４，２８１，９０４号
【特許文献１０】米国特許第４，３７６，５６８号
【特許文献１１】米国特許第６，１６９，５６５号
【特許文献１２】米国特許第６，２１１，９９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
リークレベルを改善した、ＴＩＲ空間光変調器を使用するレーザ露光ヘッドの必要が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、
制御可能な状態を有する電気制御回折格子を含む電気光学基板と、
電気光学基板の中に入射光ビームを向けるレーザ発生源であって、電気制御回折格子が第１の状態となるように制御されると、回折なしに入射光ビームが電気光学基板を通過して回折されない光ビームをもたらし、電気制御回折格子が第２の状態となるように制御されると、異なる回折次数に対応する複数の光ビームへと入射光ビームが回折され、複数の光ビームが、ゼロ回折次に対応するゼロ次光ビーム、ならびに−ｎおよび＋ｎの回折次数に対応する第１および第２の回折光ビームを含む、レーザ発生源と、
第１の回折光ビームが第１の絞りを通過し第２の回折光ビームが第２の絞りを通過するように位置決めされる第１の絞りおよび第２の絞りを含む絞り構造であって、絞り板が、電気制御回折格子が第１の状態であるとき回折されない光ビームをブロックし、電気制御回折格子が第２の状態であるときゼロ次光ビームをブロックする、絞り構造と、
偏光回転した第２の回折光ビームを提供するため、第２の回折光ビームの偏光状態を回転する偏光回転子と、
第１の回折光ビームと偏光回転した第２の回折光ビームを共通経路上へと合成して、合成光ビームを形成する、偏光ビーム合成器と、
合成光ビームを結像媒体上に合焦させる光学要素と、
画素データに従って、電気制御回折格子の状態を制御するコントローラと
を含む、レーザ露光システムを表す。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、結像光として回折されない光ビームを利用する従来技術の構成と比較して、リークレベルを減らした出力光ビームを提供するという利点を有する。
【００１５】
本発明は、結像光を提供するために単一の回折次数を利用する従来技術のシステムと比較してパワーレベルを増加させた出力光ビームを提供するというさらなる利点を有する。
【００１６】
本発明は、結像光を提供するために複数の回折次数を合成する従来技術のシステムと比較して焦点深度を増加させた出力光ビームを提供するというさらなる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術のレーザプリンタの透視図である。
【図２】例示的なＴＩＲ空間光変調器の透視図である。
【図３Ａ】光ビームが回折されない第１の状態の電気制御回折格子を有するＴＩＲ空間光変調器を図示する図である。
【図３Ｂ】光ビームが複数の出力光ビームへと回折される第２の状態の電気制御回折格子を有するＴＩＲ空間光変調器を図示する図である。
【図４】例示的な実施形態による、改善したレーザ露光システムの構成要素を図示する図である。
【図５】代替実施形態による、改善したレーザ露光システムの構成要素を図示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付図面は本発明の概念を説明するためのものであり、原寸に比例しない場合があることを理解されたい。可能な場合は、図に共通な同じ特徴を指定するために、同じ参照番号が使用されている。
【００１９】
本発明は、本明細書に記載される実施形態の組合せを含む。「特定の実施形態」などへの言及は、本発明の少なくとも１つの実施形態に存在する特徴のことをいう。「一実施形態」または「特定の実施形態」などへの別個の言及は、必ずしも同じ１つまたは複数の実施形態のことをいってはおらず、そのような実施形態は、そのように明示されるまたは当業者に容易に明らかとなるのでない限り、相互に排他的ではない。「方法（“ｍｅｔｈｏｄ”  ｏｒ  “ｍｅｔｈｏｄｓ”）」などへの言及で単数形または複数形を使用するのは、限定ではない。別段の指示がないまたは文脈上必要でない限り、「または、もしくは（ｏｒ）」という言葉は、本開示では非排他的意味で使用されることに留意されたい。
【００２０】
図１は、参照によって本明細書に組み込まれる、同一出願人による特許文献１１号に記載されるような、例示的なレーザ露光システム１０（すなわち、レーザプリンタ）を図示する。レーザ露光システム１０は、レーザダイオード配列１１、光軸１３を有する照明光学系２０、変調器画素４１を有する全反射（ＴＩＲ）変調器配列４０、プリントレンズ８０、および（媒体面とも呼ばれる）像面１００に置かれる（結像媒体とも呼ばれる）受像媒体１０５を含む。
【００２１】
レーザダイオード配列１１は、出口小面にわたり公称で直線状に配向される、マルチモードレーザダイオードエミッタ１２の行を含む、レーザ発生源の高パワー配列を含む。レーザダイオード配列１１のレーザダイオードエミッタ１２は、各々が、連続波（ＣＷ）の様態で、共通の電源（図示せず）を同時に使用して活性化される。個別に変調しないＣＷレーザを使用することによって、レーザ電源および熱放散システムが簡略化される。
【００２２】
レーザダイオード配列１１のすべてのレーザダイオードエミッタ１２は、照明光学系２０と組み合わせて、ＴＩＲ変調器配列４０で、指定されたサイズの線または面積を照明する。特に、各レーザダイオードエミッタ１２からの光は、ＴＩＲ変調器配列４０の全幅をカバーするように照明光学系２０によってマッピングされ、それによって、発生源の冗長性を実現し、任意の１つのレーザダイオードエミッタ１２の故障に対してのシステムの感受性を低下させる。
【００２３】
照明光学系２０は、配列方向および配列と交差する方向に設計された別個のアナモルフィック光学要素とともに示される。これは、レーザダイオードエミッタ１２によって出力された光が２つの方向に非常に異なる特性を有するために好都合である。他の実施形態では、両方の方向に倍率を有する、いくつかの軸対称な構成要素を使用することもできることを理解されたい。照明光学系２０の配列交差要素は、ファイバレンズ２１および配列交差レンズ２７を備え、これらは、変調領域内に入射する光が作動中の変調器画素４１の垂直幅内に閉じ込められるような様態で、レーザダイオード配列１１からの光をＴＩＲ変調器配列４０に伝達するように設計される。典型的には、配列交差光学系は、レーザダイオードエミッタ１２をＴＩＲ変調器配列４０に結像する。ＴＩＲ変調器配列４０でのビームの結像幅および開口数（ＮＡ）を制御するために、配列交差光学系は、レーザダイオード配列１１の配列交差スマイルエラーを補正するための手段（図示せず）を含むことができる。スマイルエラーの効果は、ＴＩＲ変調器配列４０上に、レーザダイオードエミッタ１２よりもむしろファイバレンズ２１またはその後側焦点面を結像することによって緩和することもできる。ファイバレンズ２１は、たとえば、ケベック州Ａｎｃｉｅｎｎｅ−ＬｏｒｅｔｔｅのＤｏｒｉｃ  Ｌｅｎｓｅｓ  Ｉｎｃ．からの屈折率分布型円筒形マイクロレンズ、またはカリフォルニア州Ｓａｎ  ＪｏｓｅのＢｌｕｅ  Ｓｋｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈからの双曲線円筒形マイクロレンズであってよい。ＴＩＲ変調器配列４０を照明するために使用される配列交差光学系は、単に図１に示されるもの以外のさらなるレンズ要素を含むことができることを理解されたい。
【００２４】
照明光学系２０は、配列方向光学系をやはり備え、図１の構成では、レーザレンズレット配列２４、合成視野レンズ２５、および視野レンズ２８である。適切に位置合わせすると、レーザレンズレット配列２４の任意の所与のレンズレットは、合成視野レンズ２５と協働して働いて、ＴＩＲ変調器配列４０上に、そのレンズレットに対応するレーザダイオードエミッタ１２を結像することになる。同様の様態で、各レーザダイオードエミッタ１２は、ＴＩＲ変調器配列４０上に結像され、これらの多数の画像は、合成視野レンズ２５によって互いの上に重ね合わされる。レーザレンズレット配列２４および合成視野レンズ２５は、図１に示される２つの別個の要素ではなく、むしろ１つの統合されたレンズ要素として製造することができる。配列方向照明光学系は、ＴＩＲ変調器配列４０上の配列方向照明の均一性を改善するように、フライアイ積算器、積算バー、またはミラー再合成器を含む種々の他の要素（図示せず）をやはり含むことができる。
【００２５】
配列光学系と配列交差光学系は、一緒に機能して、レーザダイオード配列１１の輝度を大部分は維持して（透過損失および他の損失が少ない）、レーザダイオードエミッタ１２に対する冗長性を実現しながら、十分に均一な放射輝度の光の長くて細い線でＴＩＲ変調器配列４０を投光照明する。特に、照明のこのアナモルフィック線は、配列方向にＴＩＲ変調器配列４０の全長に延び、一方で、変調器画素４１の作動幅（電場深度）にほぼ等しい、配列交差方向の狭い幅を照明する。
【００２６】
ＴＩＲ変調器配列４０は、次いで、プリントレンズ８０によって像面１００に結像され、受像媒体１０５上に密に詰め込まれた書込スポットの線を作り出す。プリントレンズ８０は、典型的には多要素組立体であり、軸対称またはアナモルフィックのいずれかであってよい。簡略化のため、図１のプリントレンズ８０は、３つのプリントレンズ要素８１、８２、８３で示される。プリントレンズ要素８２は、プリントレンズ要素８３の開口部内に光を集めるための視野レンズとして働く。プリントレンズ要素８２は、開口絞りでフーリエ平面８５も作り出す。開口絞りに空間フィルタ９０が配置される。空間フィルタ９０は、図１に示されるような、回折されない光を通過する簡単なスリット９１を含むことができる。印刷を達成するのに必要な光レベル閾値が非常に高いように、受像媒体１０５が比較的光に感度が低い環境では、光の伝送が最大化されるように中心開口が好ましい。空間フィルタ９０は、示されるように平面であってよいか、または開口絞りの非近軸形状と一致するように、円弧または球形に沿って作ることができ、それによってコントラストを最適化する。プリントレンズ要素８３は、次いで、像面１００にＴＩＲ変調器配列４０を結像するプロセスを完成させる。プリントレンズ要素８１は、任意選択の円筒形レンズ要素であって、使用される場合、プリントレンズ８０の倍率を変え、その結果、配列方向および配列交差方向がもはや同一に拡大されない。プリントレンズ８０は、こうして、機能においてアナモルフィックまたは非対称性である。画素４１における光ビームのアスペクト比（幅対高さ）が、像面１００で結像した画素の所望のアスペクト比と同一でない場合に、こうした改良を採用する場合がある。円筒形プリントレンズ要素８１が、実際には１つまたは複数のレンズ要素であってよいことを理解されたい。同様に、プリントレンズ要素８２、８３はそれぞれ、簡略化のために、両方とも１つの要素としてやはり示されるが、各々が複数のレンズ要素を備えることができる。
【００２７】
これらのダイオードレーザ配列から放出される光が、典型的には、約３〜４ｎｍの帯域幅（Δλ）を有するとき、コヒーレンス長は、Ｌ＝λ２／Δλ≒０．２ｍｍである。配列方向のコヒーレンス長（コヒーレンス間隔としても知られる）は、Ｄ＝（２×０．１６×λ／ＮＡ）≒２μｍであると推定することができ、これは、レーザダイオード配列１１の任意の１つのレーザダイオードエミッタ１２の配列方向幅１５０μｍと比較して小さい。したがって、レーザダイオードエミッタ１２から配列方向に放出される光は、レーザ構造がマルチモードであるという条件で、レーザダイオードエミッタ１２にわたって、最小限に空間的に干渉性である。結果として、レーザダイオードエミッタからの光の全体的な配列方向プロファイルは、エミッタ間干渉からのリップルが最小となる。
【００２８】
隣接するレーザダイオードエミッタ１２間の、マルチモードの非干渉性の関係を維持することによって、レーザダイオード配列１１は、大面積デバイスまたは純粋なゲインガイドデバイスに特有なフィラメンテーション効果が比較的ない照明を提供することができる。選択したレーザダイオード配列中に個別のレーザダイオードエミッタが存在することによって、生じる可能性がある何らかの空間的サブ構造の周期性が減少する。フィラメンテーションは、個別のレーザダイオードエミッタのサブ構造内でだけ実際に発生するが、最小であり、隣接するレーザダイオードエミッタと何らかの様式で相関する必要はない。レーザダイオード配列１１は多要素であり、必要とされる動作電流でフィラメンテーション効果を生じる傾向が少ないので、そのようなレーザダイオード配列は、空間的時間的に安定なビームを維持しならが、はるかに高い出力パワーレベルを生成することができる。さらに、個別のレーザダイオードエミッタ１２は、何らかの位相結合挙動を示す可能性がないように十分に離間される。したがって、モード構造を作り出しては破壊し、不均一なビームをもたらす干渉効果が回避される。
【００２９】
隣接するマルチモードレーザダイオードエミッタ１２が比較的非干渉性である別の利点は、レーザダイオード配列１１の時間的安定性である。非結合した非干渉性のレーザダイオードエミッタ１２は、一般的に、多くの他の大パワーレーザダイオード配列で観察される、周期的時間的挙動および擬似周期的時間的挙動を呈さない。
【００３０】
さらに、選択したレーザダイオード配列１１は、印刷システムの残りの光学設計を大きく簡略化する。各々が配列方向に平坦で非干渉性である光を提供する、一連の同一直線上に位置決めされるレーザダイオードエミッタ１２を有するレーザダイオード配列１１を使用することによって、変調器配列４０上に光を重ね合わせて位置決めするための光学系は比較的簡単になる。それと比較して、特許文献５の配置構成により要求されるレーザ構造は、エミッタがデバイスの前面に沿った２つの平行な行に配置されるような２次元である。この構造は、配列交差発生源ラグランジュを効果的に増加させ、したがって、変調器でのＮＡが同様に増加される。代わりに、この問題は、偏光光学系またはビームシフト光学系を使用して補正することができるが、光学系は、図１のものよりも複雑で位置合わせが困難となる。最終的に、図１のシステムでは、空間光変調器配列４０内の相互作用距離は、変調器配列４０によって決定され、照明の幅および干渉性によって決定されない。この理由で、変調器製造の困難さが減少する。また、変調器配列４０での単一画素変調深度は、厳密に制御する必要はなく、変調均一性は、単一画素ベースとは逆に、画素のグループ化によって達成することができる。
【００３１】
配列交差方向を再び参照すると、配列交差方向干渉幅は、レーザダイオードエミッタ１２の配列交差方向１／ｅ２放出幅より大きく、これは、Ｈ＝２×λ／（π×ＮＡ）＝０．８５μｍと推定することができる。したがって、レーザダイオード配列１１の任意のレーザダイオードエミッタ１２からの光は、配列交差方向に空間的に干渉性である。また、レーザダイオード配列１１にわたる多数のレーザダイオードエミッタ１２は、互いに位相結合されない。したがって、多数のレーザダイオードエミッタ１２からの光は干渉し、その結果、照射プロファイルにリップルがもたらされることなくＴＩＲ変調器配列４０で合成することができる。本用途でＴＩＲ変調器配列４０の使用を可能にするのは、配列交差方向の干渉性と結合される、配列方向における最小干渉性である。非常に特定のＴＩＲ空間光変調器設計と組み合わせて使用される光学設計の独自性なしでは、十分なコントラストを有する数十ワットの強度での必要な光の伝送は、達成不可能となろう。
【００３２】
任意の１つのエミッタからの配列方向の光が、フィラメンテーションが有意にはっきり現れないのに十分なだけ非干渉性であり、任意の１つのエミッタからの光が有意な干渉効果なしにそれ自体に（フライアイ積算器などによって）重ね合わせることができるのに十分なだけ非干渉性であるが、光は、ＴＩＲ変調器配列４０により有益な様式でもたらされるのに十分なだけ干渉性である。特に、２μｍの干渉幅が変調器面に拡大されると、干渉性領域は、約４１０μｍまたは３．４画素をカバーする。こうして、光は、任意の１つの画素にわたって、その画素によって位相変調されるのに十分なだけ干渉性である。
【００３３】
ＴＩＲ変調器配列４０についての例示的な構成（ＴＩＲ空間光変調器または光バルブ配列と呼ばれることが多い）が図２に示されており、参照によって本明細書に組み込まれる、同一出願人による特許文献１２に議論される。わかりやすくするために、単に６つの変調器画素４１が図２に示されているが、例示的な構成では、ＴＩＲ変調器配列４０は直線状に配置される２５６個の変調器画素４１を含み、各画素が１２０μｍの規定された幅を有する。その結果、ＴＩＲ変調器配列４０は、配列方向に３０．７２ｍｍの合計作動長を有する。したがって、レーザダイオード配列１１（図１）からの光が、ＴＩＲ変調器配列４０上に結像され、合計作動長を投光照明すると、ＴＩＲ変調器配列４０における結果として得られる配列方向ＮＡは、約０．０１２２である。各画素４１は、隣接する電極４３間に電場を確立する複数の電極４３を含む。各画素４１内の電場は、独立した有限位相格子として働く。変調器画素４１の幅をカバーする入射光ビーム４６は、結果として得られる出力光ビーム５０がアドレス指定された変調器画素４１の幅内で変調されるように、活性化した変調器画素４１の相互作用長内で位相変化を経験する屈折光ビーム４８を電気光学基板４４中に形成するように屈折される。出力光ビーム５０は配列方向には最小限に干渉性であるので、１つの画素についての出力光ビーム５０の局部変調は、他の重ね合わせた画素フーリエ平面とフーリエ平面８５中で強く干渉をしない。事実上、フーリエ平面中の何らかのフィルタ処理が、各独立した画素に適用される。これは、このＴＩＲ変調器ベースの印刷システムの設計においてキーとなる要素である。さらに、レーザダイオード配列１１中の最初のレーザダイオードエミッタ１２は配列方向に沿って同一直線上にあるために、相互作用距離の制約および光学的クロストークを減らすことができる。この議論で提示される配列方向でほぼ非干渉性であることを利用する特定の方法なしでは、有効な相互作用距離が減少することになり、変調深度がひどく損なわれることになる。図１および図２では、各変調器画素４１は、本発明をより明瞭に記載するために、誇張した方式で互いから離間されて示される。変調器画素４１は近接して離間され、公称で約２０μｍの画素間電気ピッチだけ互いから分離されることが認識される。
【００３４】
ＴＩＲ変調器配列４０の変調器画素４１は、２つの状態を有する電気制御回折格子である。図３Ａは、第１の状態を図示しており、変調器画素の電極４３の両端間に電圧は印加されない。この場合、入射光ビーム４６は回折なしで電気光学基板４４を通過し、回折されない出力光ビーム５０をもたらす。図３Ｂは、第２の状態を図示しており、ここでは、変調器画素の電極４３の両端間に電圧が印加されて、入射光ビーム４６を異なる回折次数に対応する複数の出力光ビーム５１へと回折する位相格子を形成し、複数の出力光ビーム５１は、ゼロ回折次に対応するゼロ次光ビーム５２、および様々な回折次数を有する複数の回折光ビーム５４を含む。形成される回折光ビーム５４の数および出力光ビーム５１の各々の中のエネルギーの量は、位相格子の特性（たとえば、格子周期および位相プロファイル）、ならびに入射光ビーム４６の入射角および波長、および電気光学基板４４の特性（たとえば、屈折率）に依存することになる。
【００３５】
図１〜図２に記載される構成での弱点は、比較的高レベルの光のリークがあることである。これは、画素が「オフ」状態であるとき、光バルブチャネルに電圧が印加されるとき形成される格子が光ビーム大部分を回折し、その結果、光ビームの大部分はスリットを通過しないが、光ビームの小部分は、回折されず、その結果、回折なしで（すなわち、ゼロ回折次で）光バルブを依然として通過し、したがって、像面上に結像されるということからもたらされる。この不要な光は「リーク」と呼ばれ、このタイプの設計では、典型的には、１〜４％の範囲であるが、解像度を改善するためまたは画素数を増やすために格子周期が短くなると、かなり高くなる場合がある。たとえば、２０μｍの格子周期で、約８％のリーク値が観察されている。リークによって、レーザ露光システム１０によって作られる画像のコントラストが制限され、結像アーティファクトがもたらされる可能性がある。
【００３６】
特許文献１１に提案される代替手法は、回折されない光ではなく回折された光を通過する、修正した空間フィルタを使用することである。この場合に、「オン」状態は、変調器画素４１中の格子が活性化される状態に対応する。これは、レーザ露光システム１０のリーク性能を著しく改善できるが、いくつかの欠点を有する。修正した空間フィルタが単一の回折次数（たとえば、＋１の回折次数）だけを通過する場合、回折されない光が結像光として使用される場合と比較して、著しいパワー損失が生じることになる。修正した空間フィルタが複数の回折次数（たとえば、＋１および−１の回折次数）を通過する複数の絞りを含む場合、パワーレベルを改善することができるが、他のトレードオフなしではない。特に、空間フィルタ９０から下流の光学要素（たとえば、プリントレンズ要素８３）は、異なる回折次数を合成し、それらを像面１００上に合焦させなければならない。これは、光学要素が複数の回折次数からの光を捕捉するのに十分大きいことを必要とすることになり、このことによって、回折されない光ビームを結像するのに必要なだけのシステムと比較して、費用が高くなることになる。さらに、合成した光ビーム間の大きい角度のために、焦点深度が大幅に低下することになる。それが、結像が意図された光のスポットを歪ませる干渉パターンをもたらすことにもなる。
【００３７】
本発明は、高いパワーレベルおよび大きい焦点深度を維持しながら著しく低いリークレベルを有する、改善したレーザ露光システムを表す。改善したレーザ露光システムは、ここで、図４を参照して記載されることになる。図４に示される要素は、図１に示される従来技術の配置構成中の空間フィルタ９０およびプリントレンズ要素８３を交換するように構成される。特に、回折されない光（すなわち、ゼロ回折次）を通過するスリット９１を有する空間フィルタ９０は、ゼロ次光ビーム１５０をブロックする光ブロック部１１６ならびに第１の回折光ビーム１５２および第２の回折光ビーム１５４をそれぞれ通過する第１の絞り１１２および第２の絞り１１４を有する絞り構造１１０によって置き換えられる。例示的な実施形態では、絞り１１２、１１４は、絞り構造１１０の平面中の、第１次回折光ビーム１５２の面積中心と第２次回折光ビーム１５４の面積中心との間の間隔Ｓの半分にほぼ等しい幅Ｗを有する。この場合、光ブロック部１１６の幅Ｗｂは、（第１次回折光ビーム１５２および第２次回折光ビーム１５４が絞り１１２、１１４の中心を通過すると仮定すると）やはりＷにほぼ等しいことになる。本発明の文脈内で、「ほぼ等しい」とは、±１０％内で等しいことを意味すると解釈されるべきである。他の実施形態では、絞り１１２、１１４が第１の回折光ビーム１５２および第２の回折光ビーム１５４を通過し、ゼロ次光ビーム１５０をブロックする限り、絞り１１２、１１４の幅Ｗは、光ブロック部１１６の幅Ｗｂと等しい必要はなく、等しくなければならないわけではない。
【００３８】
図４の絞り構造１１０は、２つの絞り１１２、１１４および中心光ブロック部１１６を有する絞り板の形で示されているが、この配置構成に限定されないことに留意されたい。たとえば、絞り１１２、１１４が、絞り板内で完全に囲まれる開口部である必要はない。唯一の要件は、絞り構造が、第１の回折光ビーム１５２および第２の回折光ビーム１５４を通過させ、その一方でゼロ次光ビーム１５０をブロックすることである。この要件を満足する任意の絞り構造１１０は、本発明の範囲に入ると考えるべきである。たとえば、絞り構造１１０は、ゼロ次光ビーム１５０をブロックするため光軸上に位置決めされる簡単な光ブロック構造からなってよい。この場合、「絞り」１１２、１１３は、光ブロック構造の左右の、ブロックされない領域に対応することになる。
【００３９】
ゼロ次光ビーム１５０ならびに第１の回折光ビーム１５２および第２の回折光ビーム１５４は、１つまたは複数の変調器画素４１を含むＴＩＲ変調器配列４０によって提供される（図２）。前に議論したように、ＴＩＲ変調器配列４０は、制御可能な状態を有する各変調器画素４１のための電気制御回折格子を有する電気光学基板４４を含む。電気制御回折格子が第１の状態となるように制御される（すなわち、電極４３に電圧が供給されない）と、入射光ビーム４６は、回折なしで電気光学基板４４を通過し、回折されない出力光ビーム５０を提供する。これが、図４のゼロ次光ビーム１５０に対応することになる。電気制御回折格子が第２の状態となるように制御される（すなわち、電極４３に好適な電圧が供給される）と、入射光ビーム４６は、異なる回折次数に対応する複数の光ビームへと回折される。複数の光ビームは、図４のゼロ次光ビーム１５０ならびに第１の回折光ビーム１５２および第２の回折光ビーム１５４を含む。
【００４０】
ゼロ次光ビーム１５０ならびに第１の回折光ビーム１５２および第２の回折光ビーム１５４の形状および伝播方向は、ＴＩＲ変調器配列４０と絞り構造１１０の間の光学要素（たとえば、プリントレンズ要素８１、８２）によって調整されることに留意されたい。変調器画素４１の各々からの第１の回折光ビーム１５２が第１の絞り１１２をすべて通過し、変調器画素４１の各々からの第２の回折光ビーム１５４が第２の絞り１１４をすべて通過し、変調器画素４１の各々からのゼロ次光ビーム１５０が光ブロック部１１６によってすべてブロックされるように、ＴＩＲ変調器配列４０と絞り構造１１０の間の光学要素が配置されることにも留意されたい。一般的に、異なる変調器画素４１からの所与の回折次数での光ビームは、絞り構造の平面上にほぼ同じ場所で収束するが、異なる伝播角度を有することになる。
【００４１】
好ましい実施形態では、第１の回折光ビーム１５２が＋１回折次に対応し、第２の回折光ビーム１５４が−１回折次に対応する。代替実施形態では、第１の回折光ビーム１５２および第２の回折光ビーム１５４は、他の回折次数（たとえば、±ｎの回折次数）に対応することができる。しかし、レーザ露光システム１０によって提供されるパワーレベルを最大化するために、±１の回折次数を使用することが一般的に好ましいことになる。第１の回折光ビーム１５２および第２の回折光ビーム１５４におけるパワーレベルをさらに最大化するために、自由に伝播する唯一の回折次数は、ゼロ回折次および±１回折次であるように、変調器画素４１の格子を設計するのが好ましい。当業者なら、これは、ｎ＞１を有する±ｎの回折次数が表面エバネセント波に対応するように、格子周期および格子上への屈折光ビーム４８（図２）の入射角を選択することによって行うことができると認識されよう。
【００４２】
偏光回転子１２０が第２の回折光ビーム１５４の経路中に置かれて、偏光回転した第２の回折光ビーム１５６を生成する。例示的な実施形態では、偏光回転子１２０は、半波板であるが、光ビームの偏光を回転させる当技術分野で知られている任意の他の要素を本発明に従って使うことができる。
【００４３】
次いで、一連のミラー１２５が使用されて、第１の回折光ビーム１５２および偏光回転した第２の回折光ビーム１５６を偏光ビーム合成器１３０へと向ける。偏光ビーム合成器１３０は、第１の回折光ビーム１５２と偏光回転した第２の回折光ビーム１５６を共通の経路上へと合成し、合成光ビーム１６０を形成する。好ましい実施形態では、偏光ビーム合成器１３０は、２つの直角プリズムから構築されるよく知られている立方体ビームスプリッタである。他の実施形態では、偏光ビーム合成器１３０は、板状ビームスプリッタなどといった、異なる偏光の２つのビームを共通の経路上へと合成するために使用できる、従来技術で知られている任意の他のタイプのビーム合成器構成要素を使用することができる。
【００４４】
好ましい実施形態では、ミラー１２５および他の光学構成要素は、第１の回折光ビーム１５２と第２の回折光ビーム１５４／偏光回転した第２の回折光ビーム１５６の光学経路長がおよそ等しいように位置決めされる。この方法では、２つのビームのビーム特性は、それらが合成される点でほぼ同じとなる。好ましくは、光学経路長は、ＴＩＲ変調器配列４０の単一画素からのビーム束の被写界深度以内で等しいべきである。より好ましくは、光学経路長は、被写界深度の半分以内、またはさらにより好ましくは１／４以内で等しいべきである。被写界深度は、ＤＯＦ≒２ｄ２／λによって近似できることを示すことができ、ここで、ｄは位相格子の格子周期であり、λはレーザ波長である。プリントレンズ要素８３（実際には、複数の個別のレンズを含む場合がある）は、合成光ビーム１６０を像面１００で受像媒体１０５上に合焦するために使用される。合焦した光ビームは、変調器画素４１の各々に対応する個別の露光スポットを含むことになる。露光スポットは、レーザ露光システム１０によって印刷される画像中の対応する画像画素についての画素データに従って、電気制御回折格子の電極４３を制御するために、コントローラ（図示せず）を使用することによってオフおよびオンにすることができる。
【００４５】
本発明の改善したレーザ露光システムには、合成光ビーム１６０が、個別の光ビームのビームサイズおよび伝播角度範囲を維持しながら、第１の回折光ビーム１５２と第２の回折光ビーム１５４中の光学的パワーを合成するという利点がある。これは、結像光を提供するために単一の回折次数を利用する従来技術システムと比較して改善したパワーを提供し、結像光を提供するために複数の回折次数を合成する従来技術システムと比較して改善した焦点深度を提供する。加えて、結像光として回折されない光ビームを使用する図１の構成と比較して、著しく改善したリーク率を提供する。実際には、図１の従来構成で観察される８％の値と比較して、２０μｍの格子周期の場合に、改善したレーザ露光システムについてのリーク率が、１．５％という低さにできることが見いだされた。
【００４６】
図４に示される構成は本発明のほんの１つの例示的な実施形態であって、本発明に関連する特徴を含む多種多様な異なる構成を使用できることは、当業者には理解されよう。たとえば、図５は、同じ設計原理に基づくが、光ビームの光学経路を向けるために異なる構成要素を使用する代替実施形態を図示する。特に、図５の代替構成は、ゼロ次光ビームをブロックする光ブロック部１１６ならびに第１の回折光ビーム１５２および第２の回折光ビーム１５４を通過する絞り１１２、１１４を含む絞り構造１１０を含む。偏光回転子１２０は、偏光回転した第２の回折光ビーム１５６を提供するために、第２の回折光ビーム１５４の経路中に位置決めされる。第１の回折光ビーム１５２の偏光には影響を与えないが、光学経路長に偏光回転子１２０と同様の影響を与える、透過窓１２１が、第１の回折光ビーム１５２の経路中に位置決めされる。ミラー１２５、ならびに反射面を有するプリズム１２６およびプリントレンズ要素８４（複数の個別のレンズ要素を含む場合がある）は、第１の回折光ビーム１５２および偏光回転した第２の回折光ビーム１５６を共通経路上に合成して合成光ビーム１６０を提供するために使用される偏光ビーム合成器１３０へと光ビームを向けるために使用される。プリントレンズ要素８３は（複数の個別のレンズ要素を含む場合があるが）、次いで、受像媒体１０５上に合成光ビーム１６０を合焦させるために使用される（図１）。
【符号の説明】
【００４７】
１０  レーザ露光システム
１１  レーザダイオード配列
１２  レーザダイオードエミッタ
１３  光軸
２０  照明光学系
２１  ファイバレンズ
２４  レーザレンズレット配列
２５  合成視野レンズ
２７  配列交差レンズ
２８  視野レンズ
４０  ＴＩＲ変調器配列
４１  変調器画素
４３  電極
４４  電気光学基板
４６  入射光ビーム
４８  屈折光ビーム
５０  出力光ビーム
５１  出力光ビーム
５２  ゼロ次光ビーム
５４  回折光ビーム
８０  プリントレンズ
８１  プリントレンズ要素
８２  プリントレンズ要素
８３  プリントレンズ要素
８４  プリントレンズ要素
８５  フーリエ平面
９０  空間フィルタ
９１  スリット
１００  像面
１０５  受像媒体
１１０  絞り構造
１１２  絞り
１１４  絞り
１１６  光ブロック部
１２０  偏光回転子
１２１  窓
１２５  ミラー
１２６  プリズム
１３０  偏光ビーム合成器
１５０  ゼロ次光ビーム
１５２  第１の回折光ビーム
１５４  第２の回折光ビーム
１５６  偏光回転した第２の回折光ビーム
１６０  合成光ビーム
【図１】
2021531512.tif 000003
【図２】
2021531512.tif 000004
【図３Ａ】
2021531512.tif 000005
【図３Ｂ】
2021531512.tif 000006
【図４】
2021531512.tif 000007
【図５】
2021531512.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和3年3月29日(2021.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能な状態を有する電気制御回折格子を含む電気光学基板と、
前記電気光学基板の中に入射光ビームを向けるレーザ発生源であって、前記電気制御回折格子が第１の状態となるように制御されると、回折なしに前記入射光ビームが前記電気光学基板を通過して、回折されない光ビームをもたらし、前記電気制御回折格子が第２の状態となるように制御されると、異なる回折次数に対応する複数の光ビームへと前記入射光ビームが回折され、前記複数の光ビームが、ゼロ回折次に対応するゼロ次光ビーム、ならびに−ｎおよび＋ｎの回折次数に対応する第１および第２の回折光ビームを含む、レーザ発生源と、
前記第１の回折光ビームが第１の絞りを通過し前記第２の回折光ビームが第２の絞りを通過するように位置決めされる前記第１の絞りおよび前記第２の絞りを含む絞り構造であって、前記絞り板が、前記電気制御回折格子が前記第１の状態であるとき前記回折されない光ビームをブロックし、前記電気制御回折格子が前記第２の状態であるとき前記ゼロ次光ビームをブロックする、絞り構造と、
偏光回転した第２の回折光ビームを提供するため、前記第２の回折光ビームの偏光状態を回転する偏光回転子と、
前記第１の回折光ビームと前記偏光回転した第２の回折光ビームを共通経路上へと合成して、合成光ビームを形成する、偏光ビーム合成器と、
前記合成光ビームを結像媒体上に合焦させるプリントレンズと、
画素データに従って、前記電気制御回折格子の状態を制御するコントローラと、
を備える、レーザ露光システム。
【請求項２】
前記複数の光ビームが、前記ゼロ回折次に対応する前記ゼロ次光ビーム、ならびに−１および＋１の回折次数に対応する第１の回折光ビームおよび第２の回折光ビームだけを含むように、前記電気制御回折格子の周期が選択される、請求項１に記載のレーザ露光システム。
【請求項３】
前記複数の光ビームが、前記ゼロ回折次に対応する前記ゼロ次光ビーム、ならびに−１および＋１の回折次数に対応する第１の回折光ビームおよび第２の回折光ビームだけを含むように、前記電気制御回折格子上への前記入射光ビームの入射角が選択される、請求項１に記載のレーザ露光システム。
【国際調査報告】
2021531512.tif 000009
2021531512.tif 000010