(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが干渉膜を備え変調する光に対して透明な第一平面基板と可動薄膜とを空隙を隔てて平行に対向配置し、前記第一平面基板及び前記可動薄膜のそれぞれに設けた平面電極への電圧印加により発生する静電気力によって、前記可動薄膜を前記第一平面基板に対して変位させ、前記可動薄膜を透過又は反射する光量を変化させる光変調素子であって、
前記可動薄膜を挟んで前記第一平面基板の反対側に、干渉膜を備え変調する光に対して透明な第二平面基板を、空隙を隔てて平行に対向配置し、
前記可撓薄膜の干渉膜を単層の干渉膜とし、前記第一平面基板および前記第二平面基板の干渉膜をそれぞれ多層の干渉膜としたことを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記可動薄膜が、前記平面電極の形成されない可動薄膜側非電極部を有し、
前記第一平面基板が、前記可動薄膜側非電極部と対面する位置に前記平面電極の形成されない基板側非電極部を有していることを特徴とする請求項１記載の光変調素子。
【請求項３】
前記可動薄膜を矩形状に形成し且つ前記可動薄膜の長手方向両端を支持した請求項１又は請求項２記載の光変調素子を、同一平面上で、前記可動薄膜の長手方向に直交する方向に複数近接させて並設したことを特徴とする光変調素子アレイ。
【請求項４】
請求項３記載の光変調素子アレイと、
前記光変調素子アレイに光ビームを照射するレーザ光源と、
前記光ビームに感光する感光材料に対して、前記光変調素子アレイからの出射光を主走査方向及びこれと直交する副走査方向に相対移動させる移動手段とを備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項５】
請求項３記載の光変調素子アレイと、
前記光変調素子アレイに光ビームを照射する高出力レーザ光源と、
前記光変調素子アレイからの出射光を集光する集光レンズと、
前記光ビームに感光する感光材料に対して、前記集光レンズにより集光された出射光を主走査方向及びこれと直交する副走査方向に相対移動させる移動手段とを備えた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、静電気力で可動薄膜を変位させることにより、可動薄膜を透過又は反射する光の量を変化させて、光を変調する光変調素子及び光変調素子アレイ並びにそれを用いた露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光の振幅、位相、周波数を時間的に変化させる制御素子に光変調素子がある。光変調素子は、光を透過させる物質の屈折率を、物質に印加する外場によって変化させ、屈折、回折、吸収、散乱等等の光学現象を介して、最終的にこの物質を透過又は反射する光の強度を制御する。この一つに、マイクロマシニングにより作製された可動薄膜を、静電気力により機械的動作させることで光変調する電気機械的な光変調素子が知られている。この光変調素子としては、例えば図１４（ａ）に示すように、透明な可動電極１と干渉膜を有するダイヤフラム３からなる可動薄膜５を、固定電極９を有する平面基板１１上に支持部７を介して架設したものがある。
【０００３】
この光変調素子では、図１４（ｂ）に示すように、両電極１，９間に所定の駆動電圧ＶONを印加することで電極１，９間に静電気力を発生させ、可動薄膜５を固定電極９に向かって撓ませる。これに伴って素子自体の光学的特性が変化し、光変調素子は光が透過する透過状態となる。これは、例えばファブリペロー干渉を利用して光変調部から出射される光の強度を制御することで変化させる。一方、印加電圧をゼロとする等の非駆動電圧を印加することで可動薄膜５が弾性復帰し、光変調素子は光を反射する反射状態となる。このようにして、例えば光変調素子の入射光導入側においては、駆動電圧の印加により明となり、非駆動電圧の印加により暗となる光変調が実現される。この種の光変調素子によれば、静電誘導により可動薄膜５を駆動するので、従来の液晶型光変調器に比べて高速な応答が可能になる。
【０００４】
ここで、上記のようなファブリペロー干渉を利用した基本的な光変調作用について説明する。ファブリペロー干渉では、入射光線が、反射と透過を繰り返して多数の光線に分割され、これらは互いに平行となる。透過光線は、無限遠において重なり合い干渉する。面の垂線と入射光線のなす角をθとすれば、隣り合う二光線間の光路差はｘ＝ｎｔ・cosθで与えられる。但し、ｎは二面間の屈折率、ｔは間隔である。光路差ｘが波長λの整数倍であれば透過線は互いに強め合い、半波長の奇数倍であれば互いに打ち消し合う。即ち、反射の際の位相変化がなければ、
２ｎｔ・cosθ＝ｍλ  …（１）                で透過光最大となり、
２ｎｔ・cosθ＝（２ｍ＋１）λ／２  …（２）  で透過光最小となる。
但し、ｍは整数である。
即ち、平行ミラー間で反射と透過が繰り返されるファブリペロー干渉においては、空隙の略整数倍の波長のみが光変調素子を透過する。
【０００５】
ここで、図１４に示す構成の光変調素子を用い、例えばブラックライト用紫外線ランプ（低圧水銀ランプ）からの出射光を光変調する場合を考える。低圧水銀ランプの内壁にブラックライト用の蛍光体を塗布した場合、その発光紫外線の分光特性は、例えば図１５に示すように、３６０ｎｍ付近に中心波長λ0を持つようになる。
【０００６】
ここで、光変調素子に非駆動電圧ＶOFFを印加したときの空隙１０の間隔をｔoff とする（図１４（ａ）の状態）。また、駆動電圧ＶONを印加したときの空隙１０の間隔をｔonとする（図１４（ｂ）の状態）。
更に、ｔon、ｔoff を下記のように設定する。
ｔon  ＝１／２×λ0＝１８０ｎｍ
ｔoff ＝３／４×λ0＝２７０ｎｍ
但し、
ｍ＝１
λ0：紫外線の中心波長
とする。
【０００７】
また、可動薄膜５及び干渉膜３は、その光強度反射率をＲ＝０．８５とする。空隙１０は空気又は希ガスとし、その屈折率はｎ＝１とする。紫外線はコリメートされているので、光変調素子に入射する入射角θは略ゼロとする。このときの光変調素子の波長に対する光透過率は図１６に示すようになる。即ち、光変調素子２１は、可動電極１と固定電極９との間に非駆動電圧ＶOFFを印加したとき、ｔoff ＝２７０ｎｍとなり、図１５に示す３６０ｎｍ付近に中心波長λ0を持つ紫外線をほとんど透過させない。一方、駆動電圧を印加してｔon＝１８０ｎｍとなると、３６０ｎｍ付近に中心波長λ0を持つ紫外線を透過させるようになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の光変調素子では、干渉モードで光変調を行う場合に、光透過を可能とする波長域（波長マージン）が非常に狭くなる傾向がある。上記の光変調素子の場合、図１６に示す波長３６０ｎｍ付近の波長スペクトル、即ち、光透過状態となり得る波長域は、非常にシャープな分布となり透過帯が狭小となる。
従って、この狭小な透過帯によって光変調素子を正しく動作させるには、光変調素子製造時の膜厚精度、光学系組み込み精度、入射光の波長精度等を高精度に維持しなければならず、仮に、この狭小な透過帯を超えるような誤差が生じたときには、光変調素子が光のオン／オフ制御が行えなくなる。このため、光変調素子の製造コストが増大するといった問題があった。
【０００９】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、光のオン／オフ変調が可能となる波長マージンを広くすることができ、それにより、膜厚精度、光学系組み込み精度、入射光の波長精度等を緩めることができる光変調素子及び光変調素子アレイ並びにそれを用いた露光装置を提供し、もって、光変調素子の製造コスト低減を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る請求項１記載の光変調素子は、それぞれが干渉膜を備え変調する光に対して透明な第一平面基板と可動薄膜とを空隙を隔てて平行に対向配置し、前記第一平面基板及び前記可動薄膜のそれぞれに設けた平面電極への電圧印加により発生する静電気力によって、前記可動薄膜を前記第一平面基板に対して変位させ、前記可動薄膜を透過又は反射する光量を変化させる光変調素子であって、
前記可動薄膜を挟んで前記第一平面基板の反対側に、干渉膜を備え変調する光に対して透明な第二平面基板を、空隙を隔てて平行に対向配置し、
前記可撓薄膜の干渉膜を単層の干渉膜とし、前記第一平面基板および前記第二平面基板の干渉膜をそれぞれ多層の干渉膜としたことを特徴とする。
【００１１】
この光変調素子では、単層の干渉膜を備えた可動薄膜と多層の干渉膜を備えた第一平面基板とからなる干渉フィルター（ファブリーペローフィルター）に、多層の干渉膜を有する第二平面基板を空隙を隔てて直列に結合することで、比較的広い波長域の透過帯が得られるようになる。つまり、従来、可動薄膜と第一平面基板とを透過させた場合では狭かった、光透過を可能にする波長マージンを広くすることができ、これにより、膜厚精度、光学系組み込み精度、入射光の波長精度等を緩めることができ、その結果、光変調素子の製造コストを低く抑えることができるようになる。
【００１２】
請求項２記載の光変調素子は、前記可動薄膜が、前記平面電極の形成されない可動薄膜側非電極部を有し、前記第一平面基板が、前記可動薄膜側非電極部と対面する位置に前記平面電極の形成されない基板側非電極部を有していることを特徴とする。
【００１３】
この光変調素子では、可動薄膜及び第一平面基板の光透過部位に透明電極を設ける必要がないので、透明電極による光の吸収を皆無にできる。また、光強度が強い場合に生じる透明電極の発熱による変形・破壊等が防止でき、光変調素子の高速駆動と長寿命化が実現する。さらに、光の吸収がなくなるので、透過光の強度も増大させることができる。なお、前記干渉膜を、屈折率の高い誘電体材料と、屈折率の低い誘電体材料とを交互に積層した多層干渉膜とすれば、各層間の境界面での反射光や透過光による干渉を強め合い、高反射率、高透過率が得られるようになる。さらに、前記第一平面基板の多層干渉膜と、前記第二平面基板の多層干渉膜とが、前記可動薄膜を対称に同一の積層構造を有したものとすれば、可撓薄膜の移動による透過光量の変化を大きくできる。
【００１４】
請求項３記載の光変調素子アレイは、前記可動薄膜を矩形状に形成し且つ前記可動薄膜の長手方向両端を支持した請求項１又は請求項２記載の光変調素子を、同一平面上で、前記可動薄膜の長手方向に直交する方向に複数近接させて並設したことを特徴とする。
【００１５】
この光変調素子アレイでは、光変調素子を、同一平面上で、可動薄膜の長手方向に直交する方向に複数近接させて並設することで、光変調素子の並設数と同数の画素数で、１ライン分を同時に光変調することができる。
【００１６】
請求項４記載の露光装置は、請求項３記載の光変調素子アレイと、前記光変調素子アレイに光ビームを照射するレーザ光源と、前記光ビームに感光する感光材料に対して、前記光変調素子アレイからの出射光を主走査方向及びこれと直交する副走査方向に相対移動させる移動手段とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
この露光装置では、請求項３記載の光変調素子アレイを用い、この光変調素子アレイにレーザ光源からの光を照射し、光変調素子から出射される光を移動手段によって感光材料に対して相対移動させつつ感光材料に照射することで、感光材料を直接走査露光することができる。
【００１８】
請求項５記載の露光装置は、請求項３記載の光変調素子アレイと、前記光変調素子アレイに光ビームを照射する高出力レーザ光源と、前記光変調素子アレイからの出射光を集光する集光レンズと、前記光ビームに感光する感光材料に対して、前記集光レンズにより集光された出射光を主走査方向及びこれと直交する副走査方向に相対移動させる移動手段とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
この露光装置では、請求項３記載の光変調素子アレイを用い、この光変調素子アレイにレーザ光源からの光を照射し、光変調素子から出射される光を集光レンズにより集光させて、この出射光を移動手段によって感光材料に対して相対移動させつつ感光材料へ照射することで、感光材料を直接走査露光することができ、ほぼ密着露光に近い光学系を構成できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光変調素子及び光変調素子アレイ並びにそれを用いた露光装置の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る光変調素子の構成を示す断面図、図２は図１に示した光変調素子の平面図、図３は光変調素子の層構造例を示す説明図である。
【００２１】
図１に示すように、光変調素子２１は、上面に干渉膜２２及び平面電極３７を有し変調する光に対して透明な第一平面基板２３と、この第一平面基板２３の上面に犠牲層の形成・除去等の方法によって形成した空隙２５を隔てて、干渉膜及び平面電極（可動電極）３１を有する可動薄膜２７と、さらに同様の空隙２６を隔てて、下面に干渉膜４５を有し変調する光に対して透明な第二平面基板４７とを基本構成として備えている。これら第一平面基板２３、可動薄膜２７、第二平面基板４７は互いに平行に対向配置されている。なお、可動薄膜２７は、可動薄膜２７自体を干渉膜により形成する他にも、干渉膜を別途に形成してもよい。なお、本実施の形態においては可動薄膜２７自身が干渉膜からなる場合を例に説明する。
【００２２】
第１平面基板２３は、ガラス基板３５、干渉膜２２、平面電極（固定電極）３７を順次積層した構造であり、固定電極３７上には支持部２８が立設されている。第一平面基板２３の固定電極３７上に立設された支持部２８は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物、セラミック、樹脂等からなり、その上面を可動薄膜２７と接合させている。可動薄膜２７は、弾性を有し、矩形状に形成され、支持部２８に長手方向両端部を接合されて、平面電極（可動電極）３１を、干渉膜であるダイヤフラム３３上に積層した構造となっている。
【００２３】
可動電極３１及び固定電極３７は、アルミニウムからなるが、この他にも、金属或いは導電性を有する金属化合物が利用できる。この金属としては、金、銀、パラジウム、亜鉛、銅等の金属薄膜を用いることができ、金属化合物としては、これら金属の化合物等を用いることができる。また、ダイヤフラム３３は、ＴｉＯ2からなるが、シリコン窒化物、各種酸化物、窒化物等を用いることができる。可動薄膜２７に干渉膜を別途に設ける場合には、この他にも、セラミック、樹脂等の他、ポリシリコン等の半導体、絶縁性のシリコン酸化物等を用いることができる。
【００２４】
第二平面基板４７は、可動薄膜２７に対面する面（図１の下面）に干渉膜４５を有し、可動薄膜２７の長手方向両端の可動電極３１上に立設した支持部２９を介して干渉膜４５側の下面が支持されることで、第一平面基板２３及び可動薄膜２７に対して平行に対向配置されている。この第二平面基板４７は、ガラス基板３６に干渉膜４５を積層した構造となっている。ここで、上記したガラス基板３５，３６は、ガラス以外にも、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート等の樹脂等を用いることができる。
【００２５】
また、光変調素子２１は、図２に示すように、複数の可動薄膜２７が例えば同一平面上で、可動薄膜２７の長手方向に直交する方向に近接して、１次元のアレイ状に形成される。なお、図２中の各部位における寸法は、例えばａ＝１５０μｍ、ｂ＝２０μｍ、ｃ＝５０μｍ程度で形成することができる。
【００２６】
また、可動薄膜２７の長手方向中央部には、この可動薄膜２７に形成した可動電極３１を長手方向両端に分断する薄膜側非電極部４１を設けており、また、第一平面基板２３にも、この薄膜側非電極部４１に対面する基板側非電極部４３を設けている。つまり、可動薄膜２７の長手方向中央部とこれに対応する第一平面基板２３の領域は電極部が存在せず、これら薄膜側非電極部４１及び基板側非電極部４３には、図１及び図２に示すように、可動電極３１及び固定電極３７を積極的に除去している。光変調素子２１は、この薄膜側非電極部４１及び基板側非電極部４３が光透過部となって光変調を行うため、光透過部位に透明電極を設ける必要がなくなり、導電率や光透過率を向上させることができる。
【００２７】
上記のように、本実施形態の光変調素子２１は、第一平面基板２３のガラス基板３５と、第二平面基板４７のガラス基板３６との間に、干渉膜２２と干渉膜４５とを有し、その干渉膜２２と干渉膜４５との間に、空隙２５，２６を挟んで干渉膜を有する可動薄膜２７を配置した構成となっている。このように、可動薄膜２７は、第一平面基板２３側及び第二平面基板４７側に空隙２５，２６を有して干渉膜２２、干渉膜４５に対面している。
【００２８】
これら干渉膜２２，４５は、多層干渉膜からなり、例えば蒸着やスパッタにより形成したＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 の多層膜とすることができる。これらの干渉膜２２，４５の層構成の例を図３に示した。本実施形態では、可動薄膜２７にＴｉＯ2 を用い、干渉膜２２と、干渉膜４５と、可動薄膜２７との全体でＴｉＯ2 とＳｉＯ2の層を合計７層設けた多層干渉膜としている。即ち、その積層構造は、図３（ｂ）に示すように、第一平面基板側から順に、ガラス／ＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2／空隙／ＴｉＯ2／空隙／ＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2／ガラスとなっている。これら干渉膜２２，４５は、屈折率の高い誘電体材料と屈折率の低い誘電体材料とを交互に積層されることで、各層間の境界面での反射光や透過光による干渉を強め合い、高反射率、高透過率が得られる多層膜干渉効果によって、所謂ハーフミラーとしての機能を奏する。
【００２９】
また、第一平面基板２３の干渉膜２２と、第二平面基板４７の干渉膜４５とは、可動薄膜２７を対称に同一の積層構成を有している。これにより、透過光量の可動薄膜の移動による変化を大きくできる。
【００３０】
次に、上記構成の光変調素子２１の光変調動作を説明する。
図４に光変調素子の動作を説明する断面図を示した。
光変調素子２１では、図４（ａ）に示す状態から、可動薄膜２７の可動電極３１と第一平面基板２３の固定電極３７との間に駆動電圧ＶONを印加すると、可動薄膜２７に電荷が静電誘導される。この電荷と第一平面基板２３の固定電極３７との間に作用する静電気力によって、可動薄膜２７は、図４（ｂ）に示すように、第一平面基板２３側へ吸着力が働くことによって弾性変形され、第一平面基板２３上面に近接するように変位する。一方、非駆動電圧ＶOFFが印加されて静電気力による吸着力がなくなると、図４（ａ）に示すように、弾性復帰力によって再び可動薄膜２７の中央部が空隙２５を隔てた位置に浮上して配置される。光変調素子２１では、この可動薄膜２７の変位動作又は弾性復帰動作により、特定の波長域の光が選択的に透過又は反射される。
【００３１】
つまり、光変調素子２１は、可動薄膜２７の変位により、可動薄膜２７、干渉膜２２，４５からなる平行ミラー間の距離をそれぞれ異ならせ、平行ミラー間で繰り返し反射させた合成波の強度を変化させることによって、導入された光を透過又は反射させている。即ち、ファブリペロー干渉を利用した光変調を行っている。
【００３２】
この光変調素子２１では、可動薄膜２７を変位させることで、干渉モードにて光変調を行っている。これにより、低い駆動電圧（数Ｖ〜致十Ｖ）で、数十〔ｎｓｅｃ〕の高速動作が可能になる。なお、干渉の条件を満たせば、空隙２５，２６の間隔、屈折率、可動薄膜２７及び干渉膜２２，４５の光強度反射率等はいずれの組合せでも良い。また、印加電圧の値により空隙２５，２６の間隔を連続的に変化させると、透過スペクトルの中心波長を任意に変化させることが可能である。これにより透過光量を連続的に制御することも可能である。即ち、印加電圧による階調制御が可能となる。
また、本実施形態の光変調素子２１は、入射した光を入射光導入側に反射して戻す反射型の光変調素子としても、また、第二平面基板４７側から可動薄膜２７を通して第一平面基板２３側へ透過させる透過型の光変調素子としても構成できる。
【００３３】
本実施の形態による光変調素子２１は、可動薄膜２７と第一平面基板２３とからなる従来構成の光変調素子による光変調作用に加えて、干渉膜４５を有する第二平面基板４７を空隙２６を隔てて上下直列に結合することで、従来構成の場合よりも広い透過帯を得ることができるようになっている。従って、従来、可動薄膜２７と第一平面基板２３とを配置して透過させるのみでは狭かった光透過を可能とする波長マージンを、広く設定することができる。これにより、膜厚精度、光学系組み込み精度、入射光の波長精度等を緩めることができ、その結果、光変調素子の製造コストを低く抑えることができる。
【００３４】
また、上記構成の光変調素子２１によれば、光変調部において、電極部による光の吸収を皆無にでき、光強度が強い場合に生じる電極部の発熱による変形・破壊等が防止でき、光変調素子２１の高速駆動が可能になり、かつ長寿命化が実現できる。さらに、光透過部位における光の吸収がなくなるので、透過光の強度も増大させることができる。また、可動薄膜を矩形状に形成し、その中央部の全てを薄膜側非電極部４１として電極を除去したので、複数の光変調素子を一次元に配列した場合、隣接する光変調素子の光透過部同士の間に電極が介在せず、露光装置、表示装置に用いた場合の画素密度を高精細にできる。
【００３５】
ここで、第二平面基板４７を設けることにより、光透過が可能となる波長マージンが広くなる様子を、シミュレーションによって求めた結果について、図５〜図９を参照して順次説明する。
図５は図１に示す合計７層の干渉膜を備えた光変調素子に対する光の透過率特性を示すグラフである。図中、○印は電極へ駆動電圧を印加した場合の特性で、●印は非駆動電圧を印加した場合の特性を示している。
この場合、波長λ＝４０５ｎｍ近傍を透過帯としており、干渉膜の構造は図３（ｂ）にも示したように、電極への非駆動電圧の印加時では、第２平面基板４７側から、
【００３６】
ＳｉＯ2  （１４５ｎｍ）
ＴｉＯ2    （２１ｎｍ）
ＳｉＯ2    （３３ｎｍ）
空隙     （１０１ｎｍ）
ＴｉＯ2    （４２ｎｍ）
空隙     （１０１ｎｍ）
ＳｉＯ2    （１７ｎｍ）
ＴｉＯ2    （２５ｎｍ）
ＳｉＯ2  （１４８ｎｍ）
となる。そして、駆動電圧の印加時では、可動薄膜２７下側の空隙２５がなくなることになる。また、ここでの光変調素子は、入射光の波長が４０５ｎｍであることを想定して、全ての波長域でλ＝４０５ｎｍとして計算した。
【００３７】
但し、屈折率ｎは、
ガラス        ｎ＝１．５１５１
ＳｉＯ2       ｎ＝１．４７０３
ＴｉＯ2       ｎ＝２．３４９３
空隙          ｎ＝１
としている。
【００３８】
また、図６は、図５に示す透過率特性の計算において、各膜厚の組み合わせを決める際の収束計算を、標準とした２回から１回に変更した結果を示すグラフである。この透過率特性においては、光透過が可能となる波長マージンが格段に広くなり、幅広い波長域に対して光変調が可能となる。
【００３９】
図７は、光変調素子の干渉膜の構成を、図３（ｃ）に示す９層構成とした場合の光の透過率特性を示すグラフであり、図８は、図３（ｄ）に示す１５層構成とした場合の光の透過率特性を示すグラフである。いずれの透過率特性においても、光透過が可能となる波長マージンが広がっている。
【００４０】
一方、図９は、比較のため従来の多層干渉膜を備えた光変調素子における波長特性をシミュレーションにより求めたグラフであって、光変調素子を合計７層の干渉膜で構成した場合の波長特性を示している。この場合の層構成及び各層の厚みは以下の通りである。
ＴｉＯ2    （４３．１ｎｍ）
ＳｉＯ2    （６８．９ｎｍ）
ＴｉＯ2    （４３．１ｎｍ）
空隙     （１０１．３ｎｍ）
ＳｉＯ2  （１３７．８ｎｍ）
ＴｉＯ2    （４３．１ｎｍ）
ＳｉＯ2    （６８．９ｎｍ）
ＴｉＯ2    （４３．１ｎｍ）
【００４１】
図９に示すλ＝４０５ｎｍ近傍を透過帯とする従来の光変調素子の場合には、その多層膜構造は、非駆動電圧の印加時（電圧ＯＦＦ状態）では、光透過状態となり得る波長マージンが、非常にシャープな分布となり透過帯が狭小となる。
【００４２】
これらのシミュレーションの結果から、第二平面基板を有した光変調素子による光透過性が得られる波長マージンは、従来の第二平面基板を有しない光変調素子の波長マージンと比較すると、第二平面基板を有した光変調素子の方が、波長マージンが格段に広くなることを確認できる。
【００４３】
以上説明したように、第二平面基板を有する光変調素子の光の透過率特性によれば、光透過が可能となる波長マージンが、波長約４０５ｎｍを中心にして広く設定されているため、光変調素子製作時や使用時に、各干渉層の膜厚精度、光学系組み込み精度、入射光の波長精度等の各種誤差要因により透過率特性が多少変化しても、透過率特性の変化が直ちに光変調素子の光変調機能に大きく影響することがなく、実使用に影響のない許容範囲内に収められる。従って、光変調素子製作時や組み付け時の要求精度を緩和でき、製造コストの低減が図られる。
【００４４】
なお、上記した光変調素子は、可動薄膜２７を矩形状で形成し、長手方向の任意の位置における幅が等しい場合を説明したが、光変調素子２１は、図１０に示すように、可動薄膜２７の長手方向両端近傍に、中央部の幅より狭い狭小部５９を形成するものであってもよい。なお、図１０中の各部位における寸法は、例えば、ａ＝１５０μｍ、ｂ＝２０μｍ、ｃ＝５０μｍ、ｄ＝１０μｍ、ｅ＝１００μｍ程度で形成することができる。
【００４５】
このような狭小部５９を設けることで、光を透過又は反射させる可動薄膜２７の長手方向中央部の変形を小さくした状態で、可動薄膜２７全体を第一平面基板２３に対して平行に変位させることができるようになる。また、この狭小部５９が変形することにより、均一幅の可動薄膜２７を変形させる場合に比べ、可動薄膜２７の駆動力が低減し、駆動速度の高速化が可能になる。
【００４６】
次に、上記した光変調素子２１を、光変調素子アレイとして利用した露光装置について説明する。
図１１は本発明に係る露光装置の要部構成の概略を表した斜視図、図１２は図１１に示した光変調素子アレイの拡大斜視図、図１３は上記の光変調素子を用いて構成した他の露光部の拡大斜視図である。
この実施の形態では、光変調素子２１により構成した光変調素子アレイを、液晶カラーフィルタ製造工程に使用するフォトレジスト用の露光装置６１に適用した例を説明する。
【００４７】
この露光装置６１は、図１１に示すように、露光対象物６３を側面に吸着して保持する縦型のフラットステージ６５と、画像データ６７に応じて変調された光ビーム（紫外レーザ光）６９で露光対象物６３を走査露光する露光ヘッド７１とを備えている。フラットステージ６５は、図示しないガイドによってＸ軸方向に移動可能に支持されており、露光ヘッド７１は、図示しないガイトによってＹ軸方向に移動可能に支持されている。
【００４８】
フラットステージ６５の裏面角部には一対のナット７３が固定されており、ナット７３の雌ねじ部７５にはリードスクリュー７７が螺合されている。リードスクリュー７７の一方の端部にはリードスクリュー７７を回転させる駆動モータ７９が取り付けられており、駆動モータ７９はモータコントローラ８１に接続されている。そして、この駆動モータ７９によるリードスクリュー７７の回転に伴い、フラットステージ６５がＸ軸方向にステップ状に移動される。
【００４９】
露光ヘッド７１の下部には一対のナット８３が固定されており、ナット８３の雌ねじ部８５にはリードスクリュー８７が螺合されている。リードスクリュー８７の一方の端部にはリードスクリュー８７を回転させる駆動モータ８９がベルトを介して連結されており、駆動モータ８９はモータコントローラ８１に接続されている。そして、この駆動モータ８９によるリードスクリュー８７の回転に伴い、露光ヘッド７１がＹ軸方向に往復移動される。ナット８３、リードスクリュー８７、駆動モータ８９は、移動手段９０を構成する。
【００５０】
この場合の露光対象物６３は、ブラックマトリックスが形成されたガラス基板上に、例えばＲ色の顔料を紫外線硬化樹脂に分散させたカラーレジスト膜を形成したものである。この露光対象物６３に紫外レーザ光６９を照射すると、カラーレジスト膜の紫外レーザ光６９が照射された部分だけが硬化してＲ色のカラーフィルタ部が形成される。
【００５１】
露光ヘッド７１は、図１２に示すように、高出力な紫外レーザ光源９１、紫外レーザ光源９１から入射されたレーザ光をＸ軸方向に平行光化すると共にＸＹ平面と直交する方向に収束させるレンズ９３、入射されたレーザ光を画像データ６７に応じて各画素毎に変調する光変調素子アレイ９５、及び光変調素子アレイ９５で変調されたレーザ光を露光対象物６３の表面に倍率を変えて結像させるズームレンズ９７で構成された露光ユニットを備えている。
【００５２】
この露光ユニットを構成する各部材はケーシング９９内に収納されており、ズームレンズ９７から出射された紫外レーザ光６９は、ケーシング９９に設けられた図示しない開口を通過して露光対象物６３の表面に照射される。ズームレンズ９７は、図示しない駆動モータによって、光軸に沿って移動され結像倍率の調整を行う。なお、通常、ズームレンズは組合せレンズで構成されるが、図示を簡単にするため１枚のレンズのみ示した。
【００５３】
紫外レーザ光源９１、レンズ９３、光変調素子アレイ９５、及びズームレンズ９７は、図示しない固定部材によってケーシング９９に固定されており、ズームレンズ９７は、図示しないガイドによって光軸方向に移動可能に支持されている。また、紫外レーザ光源９１及び光変調素子アレイ９５は、各々図示しないドライバを介して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。
【００５４】
紫外レーザ光源９１は、例えば窒化ガリウム系半導体レーザを用いる。なお、ブロードエリアの発光領域を有する窒化ガリウム系半導体レーザを用いると、波長約４０５ｎｍの紫外領域の光が高出力で得られ、高速での走査に有利になる。
【００５５】
感光材料としては、液晶カラーフィルタ形成用感光材料、プリント配線基板製造用のフォトレジスト、印刷用感光性シリンダー、印刷用感光性材料を塗布したシリンダー、及び印刷用刷版を挙げることができる。これら感光材料は、縦型の平板ステージに保持することができる。感光材料を縦型の平板ステージに保持することにより、感光材料のたわみを最小限に抑えられるため高精度な露光が図られる。
【００５６】
光変調素子アレイ９５は、上記の光変調素子２１を、同一平面上で、可動薄膜２７の長手方向に直交する方向に複数近接させて並設している。この実施の形態では、並設方向が図１２の上下方向（Ｘ方向）となる。従って、この並設方向に直交する方向（Ｙ方向）で露光対象物６３と露光ヘッド７１とを相対移動させると、光変調素子２１の並設数と同数の画素数で、１ライン分を露光対象物６３に露光することができ、この場合においても、光変調素子２１の有する特性により、高速の露光が可能になり、かつ長寿命化が実現できる。なお、図１２中の各部位における寸法は、例えば、ｆ＝２ｍｍ（１０００ｃｈ）、ｇ＝２０μｍ程度で形成することができる。
【００５７】
次に、本実施の形態の露光装置の動作を説明する。露光対象物６３に紫外レーザ光６９を照射して露光するために、画像データ６７が、光変調素子アレイ９５のコントローラ（図示せず）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６７は、画像を構成する各画素の濃度を２値（即ちドットの記録の有無）で表したデータである。
【００５８】
露光ヘッド７１の紫外レーザ光源９１から出射されたレーザ光は、レンズ９３によりＸ軸方向に平行光化されると共にＸＹ平面と直交する方向に収束されて、光変調素子アレイ９５に入射される。入射されたレーザ光は、光変調素子アレイ９５によって同時に変調される。変調されたレーザ光がズームレンズ９７により露光対象物６３の表面に結像される。
【００５９】
露光開始時には、露光ヘッド７１が露光開始位置（Ｘ軸方向及びＹ軸方向の原点）に移動される。モータコントローラ８１が駆動モータ８９を一定速度で回転させると、リードスクリュー８７も一定速度で回転し、リードスクリュー８７の回転に伴い、露光ヘッド７１がＹ軸方向に一定速度で移動される。
【００６０】
露光ヘッド７１のＹ軸方向への移動と共に、フレームメモリに記憶されている画像データ６７が、１ライン分、光変調素子アレイ９５の光変調素子２１の数と略同数の画素単位で順に読み出され、読み出された画像データ６７に応じて光変調素子２１の各々がオン／オフ制御される。これにより露光ヘッド７１から出射される紫外レーザ光６９がオン／オフされて、露光対象物６３が、Ｘ軸方向に光変調素子２１の数と略同数の画素単位で露光されると共に、Ｙ軸方向に１ライン分走査露光される。
【００６１】
露光ヘッド７１が露光対象物６３の端部に達すると、露光ヘッド７１はＹ軸方向の原点に復帰する。そして、モータコントローラ８１が駆動モータ７９を一定速度で回転させると、リードスクリュー７７も一定速度で回転し、リードスクリュー７７の回転に伴い、フラットステージ６５がＸ軸方向に１ステップ移動される。以上の主走査及び副走査を繰り返し、露光対象物６３が画像様に露光される。なお、上記では露光ヘッド７１を原点に復帰させて往路でのみ露光する例について説明したが、復路においても露光するようにしてもよい。これにより更に露光時間を短縮できる。
【００６２】
この露光装置６１によれば、光変調素子アレイ９５における光変調素子の並設方向に直交する方向で、光変調素子アレイ９５を移動手段によって感光材料に対し相対移動させることで、紫外線領域に感度を有する感光材料をデジタルデータに基づいて直接走査露光することができ、この場合においても、高速の露光を可能にし、かつ長寿命化を実現できる。
【００６３】
また、高出力の紫外レーザ光源を用いているので、紫外領域に感度を有する露光対象物を，デジタルデータに基づいて直接走査露光することができる。これにより、プロキシミティ方式の露光装置と比べると、（１）マスクが不要でコストが削減できる。これにより生産性が向上する他、少量多品種の生産にも好適である、（２）デジタルデータに基づいて直接走査露光するので適宜データを補正することができ、高精度な保持機構、アライメント機構、及び温度安定化機構が不要になり、装置のコストダウンを図ることができる、（３）紫外レーザ光源は超高圧水銀ランプに比べ安価で耐久性に優れており、ランニングコストを低減することができる、（４）紫外レーザ光源は駆動電圧が低く消費電力を低減できる、という利点がある。
【００６４】
更に、薄膜側非電極部４１及び基板側非電極部４３を有する光変調素子２１を用いているため、従来の透過光を変調する光学素子（ＰＬＺＴ素子）や液晶光シャッタ（ＦＬＣ）を用いる構成に比べて、入射光の吸収性を格段に少なくすることができ、紫外レーザ光に対する耐久性を高めることができる。この結果、高出力紫外レーザを光源に用い露光を行う場合であっても、露光装置の信頼性を大幅に向上させることができる。また、光変調素子アレイ９５は、静電気力を利用した電気機械動作により駆動されるため、低い駆動電圧（数Ｖ〜数十Ｖ）で、動作速度が数十〔ｎｓｅｃ〕程度まで得られ、上述の耐久性が向上するという効果に加え、高速露光も可能になる。
【００６５】
なお、この実施の形態では、高出力レーザ光源を、ＧａＮ系半導体レーザと合波光学系とで構成した紫外レーザ光源とする例について説明したが、高出力レーザ光源を、以下の（１）〜（４）のいずれかで構成してもよい。（１）窒化ガリウム系半導体レーザ。好ましくは、ブロードエリアの発光領域を有する窒化ガリウム系半導体レーザ。（２）半導体レーザで固体レーザ結晶を励起して得られたレーザビームを光波長変換素子で波長変換して出射する半導体レーザ励起固体レーザ。（３）半導体レーザでファイバを励起して得られたレーザビームを光波長変換素子で波長変換して出射するファイバレーザ。（４）上記（１）〜（３）のいずれかのレーザ光源又はランプ光源と合波光学系とで構成された高出力レーザ光源。また、本実施形態では、光源を紫外光としたが、赤外、可視、紫外のいずれの波長であってもよい。
【００６６】
また、上記の実施の形態では、光変調素子アレイ９５を通過させた変調光を、ズームレンズ９７によって焦点調整して露光対象物６３に照射する構成を説明したが、露光装置６１は、例えば図１３に示すように、光変調素子アレイ９５と感光ドラム１１１との間に、ロッドレンズ等の集光レンズ１１３を配設し、光変調素子アレイ９５からの変調光をこの集光レンズ１１３で集光させて、露光対象物に露光するものであってもよい。
【００６７】
このような構成によれば、光変調素子アレイ９５からの変調光を集光レンズ１１３で集光して感光材料に直接露光するので、略密着露光に近い光学系を構成できる利点がある。なお、ここでは、移動手段としてアウタードラムである感光ドラムを用いる例について説明したが、これに限らず、インナードラム、フラットベット等の他の移動手段を用いる構成としてもよい。
【００６８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る光変調素子によれば、単層の干渉膜を備えた可動薄膜を挟む、多層の干渉膜を備えた第一平面基板の反対側に、多層の干渉膜を備え光の透過する第二平面基板を、空隙を隔てて平行に対向配置したので、従来、可動薄膜と第一平面基板とを透過させた場合では狭かった波長マージンを広くすることができ、膜厚精度、光学系組み込み精度、入射光の波長精度等を緩めることができ、その結果、光変調素子の製造コストを低く抑えることができるようになる。そして、本発明に係る光変調素子アレイによれば、光変調素子を、同一平面上で、可動薄膜の長手方向に直交する方向に複数近接させて並設したので、光変調素子の並設数と同数の画素数で、１ライン分を同時に光変調することができる。また、本発明に係る露光装置によれば、光変調素子アレイと、光ビームを出射する高出力レーザ光源と、光変調素子アレイからの出射光を感光材料に対して相対移動させる移動手段とを設けたので、感光材料を直接走査露光することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光変調素子の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示した光変調素子の平面図である。
【図３】干渉膜の層構成の例を示す図である。
【図４】光変調素子の動作を説明する断面図である。
【図５】図１に示す合計７層の干渉膜を備えた光変調素子に対する光の透過率特性を示すグラフである。
【図６】図５に示す透過率特性の計算において、各膜厚の組み合わせを決める際の収束計算を、標準とした２回から１回に変更した結果を示すグラフである。
【図７】光変調素子の干渉膜の構成を、図３（ｃ）に示す９層構成とした場合の光の透過率特性を示すグラフである。
【図８】光変調素子の干渉膜の構成を、図３（ｄ）に示す１５層構成とした場合の光の透過率特性を示すグラフである。
【図９】光変調素子を合計７層の干渉膜で構成した場合の波長特性を示すグラフである。
【図１０】可動薄膜の長手方向両端近傍に中央部の幅より狭い狭小部を形成した光変調素子の平面図である。
【図１１】本発明に係る露光装置の要部構成の概略を表した斜視図である。
【図１２】図１１に示した光変調素子アレイの拡大斜視図である。
【図１３】図１１に示した光変調素子を用いて構成した他の露光部の拡大斜視図である。
【図１４】従来の光変調素子の構成と動作を説明する図である。
【図１５】ブラックライト用低圧水銀ランプの分光特性を示すグラフである。
【図１６】光変調素子の光の透過率を示すグラフである。
【符号の説明】
２１…光変調素子
２２，４５…干渉膜
２３…第一平面基板
２５，２６…空隙
２７…可動薄膜
３１，３７…平面電極
４１…可動薄膜側非電極部
４３…基板側非電極部
４７…第二平面基板
９５…光変調素子アレイ
６１…露光装置
６３…露光対象物（感光材料）
９０…移動手段
９１…紫外レーザ光源（高出力レーザ光源）
１１３…集光レンズ
【図１】
0003893421.tif 000002
【図２】
0003893421.tif 000003
【図３】
0003893421.tif 000004
【図４】
0003893421.tif 000005
【図５】
0003893421.tif 000006
【図６】
0003893421.tif 000007
【図７】
0003893421.tif 000008
【図８】
0003893421.tif 000009
【図９】
0003893421.tif 000010
【図１０】
0003893421.tif 000011
【図１１】
0003893421.tif 000012
【図１２】
0003893421.tif 000013
【図１３】
0003893421.tif 000014
【図１４】
0003893421.tif 000015
【図１５】
0003893421.tif 000016
【図１６】
0003893421.tif 000017