(57)【要約】【課題】レーザー出射部から出射されたレーザビームの利用効率の低下を抑制すると共に、被露光面を所望のスポット径及びスポット形状のビームスポットにより露光する。【解決手段】露光ヘッド１６６では、マイクロレンズアレイ７２がＬＣＤ５０の光出射面５２に密接するように取り付けられている。マイクロレンズアレイ７２における各マイクロレンズ７４がＬＣＤ５０における画素部６２から出射されたレーザビームを集光し、マイクロレンズ７４の後側焦点位置付近に形成されるレーザー出射部６８の光源像を微小化して被露光面５６へ投影し、この光源像をビームスポットＢＳとして被露光面５６を露光する。これにより、ＬＣＤ５０の各画素部６２を透過したレーザビームのビーム径に対して被露光面５６にビームスポットとして投影される光源像のサイズを縮小できる。【選択図】　図４
2004009594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被露光面を複数本のレーザビームにより２次元的に露光するための露光ヘッドであって、
レーザー出射部からレーザビームを出射する照明手段と、
制御信号に応じて光変調状態がそれぞれ変化する複数個の画素部が２次元的に配列され、前記レーザー出射部から入射したレーザビームを前記画素部により露光状態及び非露光状態の何れかに変調する空間光変調素子と、
前記複数の画素部の光出射側における該画素部から所定距離Ｌ（Ｌは０以上の実数）離れた位置に配置されると共に、前記複数の画素部間のピッチと同一ピッチで２次元的に配列されて、前記複数の画素部により前記露光状態に変調されたレーザビームを集光する複数のマイクロレンズとを有し、
前記距離Ｌとして下記（１）式を充足する値を設定すると共に、前記マイクロレンズの後側焦点位置付近に形成される前記レーザー出射部の光源像を前記被露光面へ投影し、該光源像をビームスポットとして前記被露光面を露光することを特徴とする露光ヘッド。
Ｌ≦（Ｄ−ｄ）／（２×αｓ）・・・（１）
上記（１）式において、
Ｄはマイクロレンズの開口径
ｄは空間光変調素子における各画素部の開口径（但し、ｄ＜Ｄ）
αｓは空間光変調素子に入射するレーザビームの広がり角
【請求項２】
前記複数のマイクロレンズの光出射側に、マイクロレンズにより形成された光源像を結像する結像光学系を配置し、該結像光学系を介して結像された前記光源像を前記被露光面上へビームスポットとして投影することを特徴とする請求項１記載の露光ヘッド。
【請求項３】
前記レーザー出射部における光軸直角方向に沿った輪郭形状を、前記被露光面におけるビームスポットの形状に対応する形状としたことを特徴とする請求項１又は２記載の露光ヘッド。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載の露光ヘッドと、
前記露光ヘッドを前記複数個の画素部の配列方向が前記被露光面に対する走査方向に対して傾くように支持すると共に、前記露光ヘッドを前記被露光面に対する露光時に前記走査方向へ相対移動させる移動手段と、
を有することを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像データに応じて空間光変調素子により空間変調されたレーザビームにより感光材料等における被露光面を露光するための露光ヘッド及び、この露光ヘッドを備えた露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶素子（ＬＣＤ）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露光装置が種々提案されている。
【０００３】
例えば、ＬＣＤには、制御信号に応じて光に対して透過状態又は非透過状態にオンオフ制御される多数の画素部が２次元的に配列されたものである。このＬＣＤを用いた露光装置は、図１６（Ａ）に示すように、レーザビームを出射する光源１、光源１から出射されたレーザビームをコリメートするレンズ系２、レンズ系２の略焦点位置に配置されたＬＣＤ３、ＬＣＤ３の画素部７を透過したレーザビームを被露光面５上に結像するレンズ系４、６から構成されている。この露光装置では、画像データ等に応じて生成した制御信号によって、ＬＣＤ３の画素部の各々を図示しない制御装置でオンオフ制御してレーザビームを変調（偏向）し、変調されたレーザビームにより被露光面を２露光している。ここで、レンズ系４、６は拡大光学系として構成されており、ＬＣＤ３の面積に対して被露光面５での露光エリアの面積を拡大している。
【０００４】
また、上記のような露光装置では、通常、ＬＣＤにおける各画素部と被露光面５６とが互いに共役とされ、レンズ系４、６によりＬＣＤの画素部の実像が被露光面５へ結像され、この実像をビームスポットとして被露光面５を露光する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レンズ系４、６によりＬＣＤ３の表面部の面積に対して被露光面５に対する露光エリアの面積を拡大すると、図１６（Ｂ）に示すように、その拡大率に応じて被露光面５におけるビームスポットＢＳの面積（スポット径）も拡大するため、被露光面５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してしまう。また、露光ヘッドを、必要な画素密度を得るため露光ヘッドを走査方向に対して所定角度傾けた状態に支持し、この露光ヘッドを走査方向へ相対移動させて被露光面を走査した場合には、図１６（Ｃ）に示すように、被露光面５上でビームスポットＢＳ同士の重なり合う量が多くなり、画素密度に応じた解像度が得られないという問題が生じる。
【０００６】
そこで、上記のような露光装置には、ＬＣＤ３とレンズ系６との間に所要のスポット径に対応する開口率を有する複数のアパーチャを設け、このアパーチャによりＬＣＤ３の画素部７により変調されたレーザビーム（光線束）の一部を遮蔽することにより、被露光面５におけるスポット径を所望のサイズに調整すると共に、ビームスポットＢＳの形状（スポット形状）を所望の形状に整形するものがある。しかし、上記のような露光装置では、被露光面５におけるスポット径をアパーチャにより調整した場合には、スポット径に対する縮小率が増加するに従って、光源１から出射されたレーザビームの光利用効率が低下し、またアパーチャによりスポット形状を画素部の実像とは大きく異なるものに整形した場合にも、光源１から出射されたレーザビームの光利用効率が大幅に低下する。
【０００７】
本発明の目的は、上記事実を考慮して、照明手段のレーザー出射部から出射されたレーザビームの利用効率の低下を抑制すると共に、被露光面を所望のスポット径及びスポット形状のビームスポットにより露光できる露光ヘッド及び露光装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る露光ヘッドは、被露光面を複数本のレーザビームにより２次元的に露光するための露光ヘッドであって、レーザー出射部からレーザビームを出射する照明手段と、制御信号に応じて光変調状態がそれぞれ変化する複数個の画素部が２次元的に配列され、前記レーザー出射部から入射したレーザビームを前記画素部により露光状態及び非露光状態の何れかに変調する空間光変調素子と、前記複数の画素部の後側における該画素部から所定距離Ｌ離れた位置に配置されると共に、前記複数の画素部間のピッチと同一ピッチで２次元的に配列されて、前記複数の画素部により前記露光状態に変調されたレーザビームを集光する複数のマイクロレンズとを有し、前記距離Ｌとして、Ｌ≦（Ｄ−ｄ）／（２×αｓ）（ここで、Ｄはマイクロレンズの開口径、ｄは空間光変調素子における各画素部の開口径（但し、ｄ＜Ｄ）、αｓは空間光変調素子に入射するレーザビームの広がり角）を充足する値を設定すると共に、前記マイクロレンズの後側焦点位置付近に形成される前記レーザー出射部の光源像を前記被露光面へ投影し、該光源像をビームスポットとして前記被露光面を露光することを特徴とする。
【０００９】
上記本発明に係る露光ヘッドでは、マイクロレンズが、複数の画素部の光出射側における画素部から所定距離Ｌ離れた位置に配置される共に、複数の画素部間のピッチと同一ピッチで２次元的に配列されて、空間光変調素子における複数の画素部により露光状態に変調されたレーザビームを集光し、マイクロレンズの後側焦点位置付近に形成されるレーザー出射部の光源像を被露光面へ投影し、この光源像をビームスポットとして被露光面を露光することにより、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レーザビームのビーム径に対して被露光面にビームスポットとして投影される光源像のサイズを縮小できるので、例えば、拡大光学系により被露光面に対する露光エリアの面積が空間光変調素子の表面部に対して拡大された場合でも、被露光面に投影されるビームスポットのビーム径を所定のサイズに調整（縮径）することが可能になり、露光エリアにおけるＭＴＦ特性の低下を防止できる。
【００１０】
また上記露光ヘッドでは、空間光変調素子の画素部とマイクロレンズとの距離Ｌとして、Ｌ≦（Ｄ−ｄ）／（２×αｓ）（ここで、Ｄはマイクロレンズの開口径、ｄは空間光変調素子における各画素部の開口径（但し、ｄ＜Ｄ）、αｓは空間光変調素子に入射するレーザビームの広がり角）を充足する値を設定することにより、理論的には、露光状態に変調されたレーザビームがレーザー出射部の面積に対応する広がり角を有する場合でも、所定の画素部により露光状態に変調されたレーザビームの一部が所定の画素部に対応する第２マイクロレンズ以外の第２マイクロレンズへ迷光として入射することを防止できる。
【００１１】
本発明に係る請求項４記載の露光装置は、請求項１、２又は３記載の露光ヘッドと、前記露光ヘッドを前記複数個の画素部の配列方向が前記被露光面に対する走査方向に対して傾くように支持すると共に、前記露光ヘッドを前記被露光面に対する露光時に前記走査方向へ相対移動させる移動手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
上記請求項４記載の露光装置によれば、走査方向に直交する方向に略対応する方向（行方向）に沿ってｊ個の画素部が空間光変調素子に配列され、走査方向に略対応する方向（列方向）に沿ってｋ個の画素部が空間光変調素子に配列されている場合、空間光変調素子の画素部の配列方向が走査方向に対して傾くように露光ヘッドを支持しつつ、露光ヘッドを走査方向へ相対移動させることにより、走査方向に対する画素部の配列方向の傾き角に応じて（ｊ×Ｎ）本のレーザビームにより被露光面における同一走査線上のそれぞれ異なる位置を露光できるようになるので、画素部の配列方向の傾き角を適宜調整することで、被露光面に形成される露光パターンの画素密度を所要の密度へ増加でき、また同一走査線上の略同一の位置（ドット）を空間光変調素子の同一列に配置されたｋ／Ｎ個の画素部により変調されたレーザビームによりｋ／Ｎ回の露光（多重露光）できるので、被露光面に形成される露光パターンの解像度も向上できる。
【００１３】
【発明の実施形態】
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。
【００１４】
（第１の実施形態）
［露光装置の構成］
本発明の第１の実施形態に係る露光装置１４２は、図１に示すように、シート状の感光材料１５０を表面に吸着して保持する平板状のステージ１５２を備えている。４本の脚部１５４に支持された肉厚板状の設置台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が設置されている。ステージ１５２は、その長手方向がステージ移動方向を向くように配置されると共に、ガイド１５８によって往復移動可能に支持されている。なお、この露光装置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。
【００１５】
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スキャナ１６２が設けられ、他方の側には感光材料１５０の先端及び後端を検知する複数（例えば、２個）の検知センサ１６４が設けられている。スキャナ１６２及び検知センサ１６４はゲート１６０に各々取り付けられて、ステージ１５２の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ１６２及び検知センサ１６４は、これらを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【００１６】
スキャナ１６２は、図２及び図３（Ｂ）に示すように、ｍ行ｎ列（例えば、３行５列）の略マトリックス状に配列された複数（例えば、１４個）の露光ヘッド１６６を備えている。この例では、感光材料１５０の幅との関係で、３行目には４個の露光ヘッド１６６を配置した。なお、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の露光ヘッドを示す場合は、露光ヘッド１６６ｍｎと表記する。
【００１７】
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。
【００１８】
また、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、帯状の露光済み領域１７０が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。
【００１９】
露光ヘッド１６６１１〜１６６ｍｎ各々は、図４（Ａ）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、液晶シャッターとして機能する液晶素子（ＬＣＤ）５０を備えている。このＬＣＤ５０は、データ処理部とＬＣＤ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ＬＣＤ５０の制御すべき領域内の各画素部６２を駆動制御する制御信号を生成する。また、ＬＣＤ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ＬＣＤ５０における各画素部６２の光透過状態を制御する。
【００２０】
図４（Ａ）に示すように、露光ヘッド１６６には、ＬＣＤ５０の光入射側にファイバアレイ光源６６が設けられ、ファイバアレイ光源６６から出射されるレーザビームの光路上にはレーザビームをＬＣＤ５０の光入射面５２上に光量分布が均一になるように集光する照明光学系５２が配置されている。なお、図４（Ａ）では、照明光学系５２が１枚のレンズとして示されているが、この照明光学系５２は、ファイバアレイ光源６６〜ＬＣＤ５０間の距離、レイアウト等に応じて、必要に応じて複数枚のレンズ、偏向ミラー等の複数の光学部品により構成される。
【００２１】
ＬＣＤ５０は、その辺方向が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ＬＣＤ５０を傾斜させない場合の各画素部６２の実像（ビームスポットＢＳ）の走査軌跡を示し、図８（Ｂ）はＬＣＤ５０を傾斜させた場合のビームスポットＢＳの走査軌跡を示している。
【００２２】
ＬＣＤ５０には、長手方向（行方向）に沿って画素部６２が多数個（例えば、８００個）配列された画素列が、短手方向に多数組（例えば、６００組）配列されているが、図８（Ｂ）に示すように、ＬＣＤ５０を傾斜させることにより、各画素部６２から出射されたビームスポットＢＳの走査軌跡（走査線）のピッチＰ１が、ＬＣＤ５０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、ＬＣＤ５０の傾斜角は微小であるので、ＬＣＤ５０を傾斜させた場合の走査幅Ｗ２と、ＬＣＤ５０を傾斜させない場合の走査幅Ｗ１とは略同一である。
【００２３】
また、異なる画素列により同じ走査線上における略同一の位置（ドット）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、走査方向に直交する方向へ配列された複数の露光ヘッド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。なお、ＬＣＤ５０を傾斜させる代わりに、各画素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。
【００２４】
ファイバアレイ光源６６は、例えば、図９（Ａ）に示すように、複数（例えば、６個）のレーザモジュール６４を備えており、各レーザモジュール６４には、マルチモード光ファイバ３０の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ３０の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ３０と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ３０より小さい光ファイバ３１が結合され、図９（Ｃ）に示すように、光ファイバ３１の出射端部（発光点）が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ー出射部６８が構成されている。なお、図９（Ｄ）に示すように、発光点を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。このような光ファイバ３１の出射端部の配列は、後述するように、被露光面５６に投影するビームスポットのスポット形状に基づいて決められる。
【００２５】
光ファイバ３１の出射端部は、図９（Ｂ）に示すように、表面が平坦な２枚の支持板（図示省略）に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ３１の光出射側には、光ファイバ３１の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板６３が配置されている。保護板６３は、光ファイバ３１の端面と密着させて配置してもよく、光ファイバ３１の端面が密封されるように配置してもよい。光ファイバ３１の出射端部は、光密度が高く集塵し易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。
【００２６】
図９（Ｂ）の例では、クラッド径が小さい光ファイバ３１の出射端を隙間無く１列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０の間にマルチモード光ファイバ３０を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の出射端の間に挟まれるように配列されている。
【００２７】
このような光ファイバは、例えば、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のクラッド径が小さい光ファイバ３１を同軸的に結合することにより得ることができる。２本の光ファイバ３０、３１は、光ファイバ３１の入射端面が、マルチモード光ファイバ３０の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致するように融着されて結合されている。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。
【００２８】
また、長さが短くクラッド径が大きい光ファイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマルチモード光ファイバ３０の出射端に結合してもよい。コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の交換が容易になり、露光ヘッドのメンテナンスに要するコストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ３１を、マルチモード光ファイバ３０の出射端部と称する場合がある。
【００２９】
マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本実施形態では、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。
【００３０】
一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、ＧａＮ系半導体レーザから出射された波長４０５ｎｍのレーザ光では、クラッドの厚み｛（クラッド径−コア径）／２｝を８００ｎｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の１／２程度、通信用の１．５μｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約１／４にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、クラッド径を６０μｍと小さくすることができる。
【００３１】
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。
【００３２】
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、これら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。
【００３３】
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。
【００３４】
上記の合波レーザ光源は、図１２及び図１３に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、パッケージ４０とパッケージ蓋４１とにより形成される密閉空間内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【００３５】
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。
【００３６】
また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダー４４が取り付けられており、コリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。
【００３７】
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。
【００３８】
図１４は、上記コリメータレンズ１１〜１７及びその取付部を正面から見たものである。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。
【００３９】
一方、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザビームＢ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【００４０】
従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００４１】
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。
【００４２】
次に、露光ヘッド１６６におけるＬＣＤ５０の光反射側に設けられた光学系について説明する。図４（Ａ）に示すように、ＬＣＤ５０の光出射面５２には、マイクロレンズアレイ７２が密接するように取り付けられている。マイクロレンズアレイ７２には、ＬＣＤ５０の各画素部６２に１対１で対応する複数のマイクロレンズ７４が一体的に成形されている。これらのマイクロレンズ７４は、それぞれＬＣＤ５０における対応する画素部６２と正対するように２次元的に配列されており、各マイクロレンズ７４の光軸は、対応する画素部６２の開口中心と一致している。ここで、マイクロレンズ７４の焦点距離はｆ１（ｆ１＞０）とされており、この焦点距離ｆ１は、ＬＣＤ５０から被露光面５６までの距離、ＬＣＤ５０における各画素部６２の開口径、被露光面５６に投影されるビームスポットＢＳのスポット径等に応じて設定される。
【００４３】
図４（Ａ）を参照して、露光ヘッド１６６におけるマイクロレンズ７４の作用を説明する。ＬＣＤ５０の画素部６２を透過したレーザビームは、そのビーム径が画素部６２の開口径と略一致するものになる。このとき、画素部６２の開口径は、光利用効率の低下を抑制するため可能な限り大きいことが望ましい。しかし、露光ヘッド１６６にマイクロレンズ７４が配置されていない場合には、画素部６２の開口径を大きくすると、被露光面５６上に投影されるビームスポットＢＳのスポット径も大きなものになるため、露光エリア１６８のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ
Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）特性が低下する。
【００４４】
上記のようなＭＴＦ特性の低下を防止するため、露光ヘッド１６６には、ＬＣＤ５０の光出射面５２に正のレンズパワーを有するマイクロレンズ７４が配置されている。このマイクロレンズ７４は、画素部６２から出射されたレーザビームを集光する。これにより、画素部６２の開口径が要求されるビームスポットＢＳのスポット径よりも大きい場合でも、図４（Ｂ）に示すように、被露光面５６上に投影されるビームスポットＢＳのスポット径を要求されるサイズに縮小できると共に、被露光面５６におけるＭＴＦ特性の低下を防止できる。また、露光ヘッド１６６を走査方向に対して僅かに傾けつつ、露光ヘッド１６６を走査方向へ相対移動させて被露光面を走査した場合にも、図４（Ｃ）に示すように、被露光面５６上でビームスポットＢＳ同士の重なり合う量を十分に小さくでき、画素密度に応じた高い解像度が得られる。
【００４５】
次に、被露光面５６上に投影されるビームスポットＢＳのスポット形状の制御について説明する。露光ヘッド１６６では、ＬＣＤ５０の光出射面５２に密接しており、かつ被露光面５６がマイクロレンズ７４の後方焦点面に位置調整される。これにより、露光ヘッド１６６では、ファイバアレイ光源６６のレーザー出射部６８の光源像を被露光面５６上に投影し、この光源像をビームスポットＢＳとして被露光面５６を露光する。
【００４６】
上記のようにレーザー出射部６８の光源像をビームスポットＢＳとして被露光面５６に投影した場合には、ビームスポットＢＳの輪郭形状とレーザー出射部６８の光軸直角方向に沿った輪郭形状とは概略的に近似したものとになる。従って、レーザー出射部６８の光軸直角方向に沿った輪郭形状を適宜調整すれば、ビームスポットＢＳのスポット形状を制御できる。
【００４７】
図１５（Ａ）〜（Ｃ）には、それぞれビームスポットＢＳのスポット形状を考慮して、複数本の光ファイバ３１を束ねて構成されたレーザー出射部の構成例が示されている。例えば、図４（Ｂ）に示すように、ビームスポットＢＳのスポット形状を略円形にしたい場合には、図１５（Ａ）に示されるように、複数本（６本）の光ファイバ３１の出射端部を六方細密充填状に束ねて構成されたレーザー出射部６８が適している。
【００４８】
また、ファイバアレイ光源６６が多数本の光ファイバ３１により構成されている場合には、これらの光ファイバ３１の出射端部を図１５（Ｂ）に示すように略六角形や、図１５（Ｃ）に示すように略矩形等の任意の形状に束ねることが可能になる。このように多数本の光ファイバ３１を用いることにより、ビームスポットＢＳのスポット形状を更に高精度に制御できるようになる。
［露光装置の動作］
次に、上記露光装置１４２の動作について説明する。
【００４９】
スキャナ１６２の各露光ヘッド１６６において、ファイバアレイ光源６６の合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，及びＢ７の各々は、図１１に示すように、コリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光化されたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面に収束する。
【００５０】
本実施形態では、コリメータレンズ１１〜１７及び集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０の出射端部に結合された光ファイバ３１から出射する。
【００５１】
各レーザモジュール６４において、レーザビームＢ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．８５で、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が３０ｍＷの場合には、図９に示すように、アレイ状に配列された光ファイバ３１の各々について、出力１８０ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．８５×７）の合波レーザビームＢを得ることができる。従って、６本の光ファイバ３１がアレイ状に配列されたレーザー出射部６８での出力は約１Ｗ（＝１８０ｍＷ×６）である。
【００５２】
例えば、半導体レーザと光ファイバを１対１で結合させた従来のファイバ光源では、通常、半導体レーザとしては出力３０ｍＷ（ミリワット）程度のレーザが使用され、光ファイバとしてはコア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ（開口数）０．２のマルチモード光ファイバが使用されているので、約１Ｗ（ワット）の出力を得ようとすれば、マルチモード光ファイバを４８本（８×６）束ねなければならず、発光領域の面積は０．６２ｍｍ２（０．６７５ｍｍ×０．９２５ｍｍ）であるから、レーザー出射部６８での輝度は１．６×１０６（Ｗ／ｍ２）、光ファイバ１本当りの輝度は３．２×１０６（Ｗ／ｍ２）である。
【００５３】
これに対し、本実施形態では、上述した通り、マルチモード光ファイバ６本で約１Ｗの出力を得ることができ、レーザー出射部６８での発光領域の面積は０．００８１ｍｍ２（０．３２５ｍｍ×０．０２５ｍｍ）であるから、レーザー出射部６８での輝度は１２３×１０６（Ｗ／ｍ２）となり、従来に比べ約８０倍の高輝度化を図ることができる。また、光ファイバ１本当りの輝度は９０×１０６（Ｗ／ｍ２）であり、従来に比べ約２８倍の高輝度化を図ることができる。これにより、ＬＣＤ５０へ入射する光束の角度が小さくなり、結果として被露光面５６へ入射する光束の角度も小さくなるので、ビームスポットの焦点深度を深くできる。
【００５４】
露光パターンに応じた画像データが、ＬＣＤ５０に接続された図示しないコントローラに入力され、コントローラ内のフレームメモリに一旦記憶される。この画像データは、画像を構成する各画素の濃度を２値（ドットの記録の有無）で表したデータである。
【００５５】
感光材料１５０を表面に吸着したステージ１５２は、図示しない駆動装置により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。ステージ１５２がゲート１６０下を通過する際に、ゲート１６０に取り付けられた検知センサ１６４により感光材料１５０の先端が検出されると、フレームメモリに記憶された画像データが複数ライン分ずつ順次読み出され、データ処理部で読み出された画像データに基づいて各露光ヘッド１６６毎に制御信号が生成される。そして、ＬＣＤ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ＬＣＤ５０の画素部６２の各々がオンオフ制御される。
【００５６】
ファイバアレイ光源６６からＬＣＤ５０にレーザ光が照射されると、ＬＣＤ５０の画素部６２がオン状態のときに、この画素部６２から出射されたレーザ光は、マイクロレンズ７４により集光されて被露光面５６上に投影される。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ＬＣＤ５０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。
【００５７】
スキャナ１６２による感光材料１５０の走査が終了し、検知センサ１６４で感光材料１５０の後端が検出されると、ステージ１５２は、図示しない駆動装置により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。
【００５８】
以上説明した露光装置１４２では、マイクロレンズアレイ７２がＬＣＤ５０の光出射面５２に密接するように取り付けられ、マイクロレンズアレイ７２における各マイクロレンズ７４がＬＣＤ５０における画素部６２から出射されたレーザビームを集光し、マイクロレンズ７４の後側焦点位置付近に形成されるレーザー出射部６８の光源像を被露光面５６へ投影し、この光源像をビームスポットＢＳとして被露光面５６を露光することにより、ＬＣＤ５０の各画素部６２を透過したレーザビームのビーム径に対して被露光面５６にビームスポットとして投影される光源像のサイズを縮小できるので、被露光面５６に投影されるビームスポットＢＳのビーム径を所定のサイズに調整（縮径）することが可能になり、露光エリア１６８におけるＭＴＦ特性の低下を防止でき、また走査時における被露光面５６上でビームスポットＢＳ同士の重なり合う量を十分に小さくできるので、画素密度に応じた高い解像度が得られる。
【００５９】
（第２の実施形態）
次に、図５及び図６を参照して、本発明の第２の実施形態に係る露光ヘッド８０について説明する。この第２の実施形態に係る露光ヘッド８０は、第１の実施形態に係る露光装置１４２（図１参照）に露光ヘッド１６６に代えて搭載されるものである。なお、露光ヘッド８０において、第１の実施形態に係る露光ヘッド１６６と構成及び作用が共通な部材については同一符合を付して説明を省略する。
【００６０】
本実施形態に係る露光ヘッド８０は、図５に示すように、マイクロレンズアレイ７２がＬＣＤ５０の光出射面５２から離間して配置される点が、第１の実施形態に係る露光ヘッド１６６との相違している。具体的には、本実施形態に係る露光ヘッド８０は、例えば、マイクロレンズアレイ７２がスペーサ等の取付部材を介してＬＣＤ５０に取り付けられる場合を前提とするものである。
【００６１】
図６を参照して、上記のような露光ヘッド８０において、画素部６２を透過したレーザビーム（光線束）の全てマイクロレンズ７４に入射する条件を考える。ここで、ＬＣＤ５０の光出射面５２からマイクロレンズ７４までの距離をＬとすると、距離Ｌを下記（１）式を充足する値を設定すれば、理論的に、所定の画素部６２から出射された全ての光線束は、前記所定の画素部６２に対応するマイクロレンズ７４に入射する。
【００６２】
Ｌ≦（Ｄ−ｄ）／（２×αｓ）・・・（１）
上記（１）式において、ｆはマイクロレンズ７４の焦点距離、Ｄはマイクロレンズ７４の開口径、ｄはＬＣＤ５０における各画素部６２の開口径（但し、ｄ＜Ｄ）、αｓはＬＣＤ５０に入射するレーザビームの広がり角である。なお、距離Ｌは、本実施形態では０よりも実数である必要がある。なお、本実施形態では、マイクロレンズ７４の開口径ＤがＬＣＤ５０における互いに隣接する画素部６２間のピッチと等しくなっている。
【００６３】
上記の露光ヘッド８０では、ＬＣＤ５０の光出射面５２からマイクロレンズ７４までの距離Ｌを上記（１）式を充足する値に設定することにより、ＬＣＤ５０における所定の画素部６２から出射された全てのレーザビームが所定の画素部６２に対応するマイクロレンズ７４に確実に入射する。従って、所定の画素部６２から出射されたレーザビームの一部が遮蔽されて光量損失が生じることを防止できるので、マイクロレンズ７４による光利用効率の低下を防止でき、かつ所定の画素部６２に対応するマイクロレンズ７４以外のマイクロレンズ７４に迷光として入射することを防止できるので、ノイズ成分となる迷光の被露光面５６への投影を防止できる。
【００６４】
（第３の実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第３の実施形態に係る露光ヘッド８０について説明する。この第３の実施形態に係る露光ヘッド９０は、第１の実施形態に係る露光装置１４２に露光ヘッド１６６に代えて搭載されるものである。なお、露光ヘッド９０において、第１の実施形態に係る露光ヘッド１６６と構成及び作用が共通な部材については同一符合を付して説明を省略する。
【００６５】
本実施形態に係る露光ヘッド９０は、図７に示すように、第１の実施形態に係る露光ヘッド１６６に結像光学系９２を追加配置したものである。露光ヘッド９０には、マイクロレンズアレイ７２の光出射側に結像光学系９２が配置されており、この結像光学系９２は、互いに光軸が一致するように支持された２個のレンズ９４，９６により構成されている。
【００６６】
露光ヘッド９０では、ＬＣＤ５０における画素部６２から出射されたレーザビームがマイクロレンズ７４により縮小されて結像光学系９２に入射する。露光ヘッド９０では、被露光面５６がマイクロレンズ７４の後方焦点面と共役となるように位置調整される。これにより、露光ヘッド９０は、第１の実施形態に係る露光ヘッド１６６の場合と同様に、レーザー出射部６８の光源像を被露光面５６上へ投影し、この光源像をビームスポットＢＳとして被露光面５６を露光する。
【００６７】
また露光ヘッド９０では、結像光学系９２が拡大光学系として構成されている。これにより、露光ヘッド９０による露光エリア１６８の面積が結像光学系９２の拡大率に応じて拡大される。このとき、マイクロレンズ７４により形成された光源像のサイズも結像光学系９２の拡大率に応じて拡大されるが、マイクロレンズ７４のレンズパワーを、結像光学系９２による影響を打ち消すように設定することにより、被露光面５６上におけるビームスポットＢＳを所要のスポット径に調整できるので、結像光学系９２により露光エリア１６８を拡大した場合でも、必要なＭＴＦ特性を得ることができる。
【００６８】
また露光ヘッド９０では、ＬＣＤ５０と被露光面５６との間に結像光学系９２が配置されていることから、第１の実施形態に係る露光ヘッド１６６と比較して、ＬＣＤ５０からビームスポットＢＳの形成位置までの距離調整を広い範囲で行えるようになり、また被露光面５６の平坦性が低い場合でも、レンズ９６を被露光面５６から十分離せるので、走査時に被露光面５６との接触すること効果的に防止できる。
【００６９】
なお、上記の露光ヘッド９０では、結像光学系９２を拡大光学系として説明したが、このような結像光学系９０を等倍光学系又は縮小光学系として構成して露光エリア１６８の面積を調整するようにして良い。また結像光学系９０を２個以上のレンズや、レンズ及びレンズ以外の光学部品により構成するようにしても、またズームレンズ等の可変倍率を有する光学系としても良い。
【００７０】
また、以上説明した本発明の各実施形態に係る露光装置１６６，８０，９０では、空間変調素子としてＬＣＤ５０を用いたが、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）タイプの空間変調素子（ＳＬＭ；Ｓｐａｃｉａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）や、電気光学効果により透過光を変調する光学素子（ＰＬＺＴ素子）等を用いた場合にも、空間光変調素子の各画素部の光出射点からマイクロレンズまでの距離Ｌを前述した（１）式を充足する値に設定すれば、マイクロレンズ７４による光量損失や迷光の発生を防止できる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の露光ヘッド及び露光装置によれば、照明手段のレーザー出射部から出射されたレーザビームの利用効率の低下を抑制すると共に、被露光面を所望のスポット径及びスポット形状のビームスポットにより露光できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る露光装置の外観を示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る露光装置のスキャナの構成を示す斜視図である。
【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。
【図４】（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る露光ヘッドの構成を示す側面図、（Ｂ）及び（Ｃ）は露光ヘッドにより露光エリア上に形成されたビームスポットの平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る露光ヘッドの構成を示す側面図である。
【図６】図５に示す露光ヘッドにおけるＬＣＤ及びマイクロレンズを拡大して示した側面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る露光ヘッドの構成を示す側面図である。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＬＣＤ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。
【図９】（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）はレーザー出射部における発光点の配列を示す平面図である。
【図１０】マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図１１】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図１２】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図１３】図１２に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図１４】図１２に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図１５】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ第１の実施形態に係る露光装置におけるレーザー出射部の構成例を示す正面図である。
【図１６】従来の露光ヘッドの構成を示す光軸に沿った側面図である。
【符号の説明】
３０　　　マルチモード光ファイバ
５０　　　ＬＣＤ（空間光変調素子）
５６　　　被露光面
６２　　　画素部（画素部）
６６　　　ファイバアレイ光源（照明手段）
６８　　　レーザー出射部
７２　　　マイクロレンズアレイ
７４　　　マイクロレンズ
８０　　　露光ヘッド
９０　　　露光ヘッド
９２　　　結像光学系
１４２　　露光装置
１６６　　露光ヘッド
【図１】
2004009594.tif 000003
【図２】
2004009594.tif 000004
【図３】
2004009594.tif 000005
【図４】
2004009594.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2004009594.tif 000009
【図８】
2004009594.tif 000010
【図９】
2004009594.tif 000011
【図１０】
2004009594.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004009594.tif 000014
【図１３】
2004009594.tif 000015
【図１４】
2004009594.tif 000016
【図１５】
2004009594.tif 000017
【図１６】
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