JP2004046146A

JP2004046146A - Exposure head

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Publication number: JP2004046146A
Application number: JP2003146743A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Ishikawa; 石川　弘美; Yoji Okazaki; 岡崎　洋二; Kazuhiko Nagano; 永野　和彦
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2004-02-12

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exposure head with which a deep depth of focus can be obtained without provision of an autofocusing mechanism. SOLUTION: The exposure head is so designed that the ratio D/W of an exit beam width D and a beam width W in a position arranged with a DMD (Digital Micrometer Device) satisfies the relation (A) in order to obtain the desired depth of focus (t) in a permitted range of the amount α of beam fattening. The respective parameters in the relation (A) are defined as follows: λ: the wavelength of a laser beam, θ: the beam exit angle from a light source for illumination derived in accordance with the equation θ=sin<SP>-1</SP>(NA) from the numerical aperture (NA) of an optical fiber, D: the exit beam width from the light source for illumination, W: the beam width in the position arranged with the DMD (irradiation surface), a: the size of one pixel on the DMD, K: the coefficient determined by beam characteristics, K=1, and M: the magnification of an imaging optical system. COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光ヘッドに関し、特に、画像データに応じてデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）により変調された光ビームで感光材料を露光する露光ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
制御信号に応じて反射面の角度が変化する多数のマイクロミラーが、シリコン等の半導体基板上に２次元状に配列されたミラーデバイスであるＤＭＤを用いた露光装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、このＤＭＤを用いた露光装置として、図１５に示すような露光装置も考えられている。図１５に示す露光装置は、レーザ光を照射する光源１、光源１から照射されたレーザ光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ＤＭＤ３、ＤＭＤ３で反射されたレーザ光を走査面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、ＤＭＤ３のマイクロミラー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光を変調し、変調されたレーザ光で画像露光を行っている。
【０００４】
上記光源１は、図１６に示すように、単一の半導体レーザ７、単一のマルチモード光ファイバ８、及び半導体レーザ７から照射されたレーザ光をコリメートしてマルチモード光ファイバ８の端面に結合させる１対のコリメートレンズ９を備えた構成単位を複数個配置し、このマルチモード光ファイバ８を複数本バンドル（束ねる）したバンドル状のファイバ光源で構成されている。
【０００５】
通常、半導体レーザ７としては、出力３０ｍＷ（ミリワット）程度のレーザが使用され、マルチモード光ファイバ８としては、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ（開口数）０．２の光ファイバが使用されている。従って、約１Ｗ（ワット）の出力を得ようとすれば、上記構成単位のマルチモード光ファイバ８を、８本×６本の合計４８本、束ねなければならず、発光点の径は約１ｍｍとなる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３０５６６３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光源では、バンドル化した際の発光点の径が大きくなり、その結果、高解像度の露光ヘッドを構成する場合に、充分な焦点深度が得られない、という問題がある。特に、ＤＭＤの一部の領域だけを使用する場合には、狭い領域にレーザ光を照射するために集光させなければならず、充分な焦点深度が得られない。
【０００８】
また、結像レンズを移動させてオートフォーカスを実施することにより、焦点深度を調節する方法もあるが、オートフォーカス機構を設けると、コストアップ、耐振動特性が悪化する等のデメリットが生じる。
【０００９】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、オートフォーカス機構を設けることなく、深い焦点深度を得ることができる露光ヘッドを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、露光面に対して所定方向と交差する方向に相対移動される露光ヘッドであって、光ファイバの入射端から入射されたレーザ光をその出射端から出射するファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々が配列されたレーザ装置と、２次元状に配列された画素毎に制御信号に応じてレーザ光の変調状態を変更可能な変調手段と、前記レーザ装置から出射され前記変調手段の各画素部で変調されたレーザ光を露光面上に結像させる光学系と、を備え、以下に定義される各パラメータが、下記式を満たすことを特徴とする。
【００１１】
【数６】

【００１２】
λ：レーザ光の波長
θ：光ファイバの開口数（ＮＡ）から下記式に従い導出される光ファイバからのビーム出射角度
θ＝ｓｉｎ^−１（ＮＡ）
Ｄ：レーザ装置からの出射ビーム幅
Ｗ：変調手段の配置位置（照射面）でのビーム幅
ａ：変調手段上の１画素のサイズ
Ｋ：ビーム特性で決まる係数。Ｋ＝１
Ｍ：結像光学系の倍率
ｔ：必要な焦点深度
α：許容されるビーム径の太り量
本発明の露光ヘッドでは、出射ビーム幅Ｄと変調手段の配置位置でのビーム幅Ｗとの比Ｄ／Ｗが、必要とされる焦点深度ｔ、許容されるビーム径太り量α、ビーム出射角度θ、結像光学系の結像倍率Ｍ、レーザ光の波長λ、特性係数Ｋ、及び変調手段（空間光変調素子）の１画素サイズａの各パラメータとの関係で所定の関係式を満たすように露光ヘッドを設計することにより、許容されるビーム径太り量αの範囲において、所望の焦点深度ｔを有する露光ヘッドを実現することができる。即ち、オートフォーカス機構を設けることなく、深い焦点深度を得ることができる。
【００１３】
上記の露光ヘッドにおいて、変調手段としてＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いることができる。また、上記の露光ヘッドにおいて、レーザ装置の高輝度化を図るために、ファイバ光源に使用される光ファイバを、コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバとすることが好ましい。また、複数のレーザ光を合波して前記光ファイバの各々に入射させるファイバ光源（合波レーザ光源）を用いることが好ましい。合波レーザ光源を用いることで、レーザ装置を構成する各ファイバ光源の高出力化を図ることができ、少ないファイバ本数で高出力を得ることができる。これにより一層の高輝度化と低コスト化とが図られる。
【００１４】
また、上記の露光ヘッドにおいて、前記所定方向と前記所定方向と交差する方向とで下記式で表される値が略等しくなるように構成することが好ましい。
【００１５】
【数７】

【００１６】
上記の式は、例えば、変調手段がＤＭＤの場合、ＤＭＤによる反射光の拡がり角を表しているが、この値がＤＭＤの長辺方向と短辺方向とで略等しくなるようにすることで、ＤＭＤの長辺方向と短辺方向とで略等しい焦点深度を得ることができる。これにより高精細な露光が可能となる。
【００１７】
また、複数の発光点が所定間隔で配列されたレーザ装置を備えていてもよい。即ち、本発明の露光ヘッドは、露光面に対して所定方向と交差する方向に相対移動される露光ヘッドであって、複数の発光点が所定方向に所定間隔で配列されたレーザ装置と、２次元状に配列された画素毎に制御信号に応じてレーザ光の変調状態を変更可能な変調手段と、前記レーザ装置から出射され前記変調手段の各画素部で変調されたレーザ光を露光面上に結像させる光学系と、を備え、以下に定義される各パラメータが、下記式を満たすことを特徴とする。
【００１８】
【数８】

【００１９】
λ：レーザ光の波長
θ_Ａ：発光点からビーム出射角度
Ｄ_Ａ：全発光点からの全出射ビーム幅
Ｗ：変調手段位置（照射面）でのビーム幅
ａ：変調手段上の１画素のサイズ
Ｋ：ビーム特性で決まる係数。Ｋ＝１
Ｍ：結像光学系の倍率
ｔ：必要な焦点深度
α：許容されるビーム径の太り量
なお、上記の露光ヘッドにおいて、変調手段としてＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の露光ヘッドの実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
［露光ヘッドの構成］
本実施の形態に係る露光ヘッドは、図１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変調手段（空間光変調素子）として、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）５０を備えている。このＤＭＤ５０は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。このコントローラのデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、露光ヘッドに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。
【００２１】
ＤＭＤ５０の光入射側には、光ファイバの出射端部（発光点）がＤＭＤ５０の長辺方向と対応する方向に沿って２列で配列されたレーザ出射部を備えた照明光源６６、照明光源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、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。
【００２２】
レンズ系６７は、照明光源６６から出射されたレーザ光を平行光化するレンズ系、平行光化されたレーザ光の光量分布が均一になるように補正するレンズ系、及び光量分布が補正されたレーザ光をＤＭＤ上に集光する集光レンズ系等で構成されている。また、ＤＭＤ５０の光反射側には、ＤＭＤ５０で反射されたレーザ光を走査面（被露光面）５６上に結像するレンズ系５４、５８が配置されている。レンズ系５４及び５８は、ＤＭＤ５０と走査面５６とが共役な関係となるように配置されている。
【００２３】
ＤＭＤ５０は、図２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、６００個×８００個）の微小ミラーを格子状に配列して構成されたミラーデバイスである。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。各マイクロミラー６２のオンオフ制御は、ＤＭＤ５０に接続された図示しないコントローラによって行われる。
【００２４】
図３（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３（Ｂ）は、マイクロミラー６２がオフ状態である−α度に傾いた状態を示す。従って、画像信号に応じて、ＤＭＤ５０の各ピクセルにおけるマイクロミラー６２の傾きを、図２に示すように制御することによって、ＤＭＤ５０に入射された光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。
【００２５】
照明光源６６は、図４に示すように、複数（この例では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の他端はレーザモジュール６４のパッケージから引き出され、６個の発光点がＤＭＤ５０の長辺方向に３個、短辺方向に２個並ぶように配列されたレーザ出射部６８が構成されている。照明光源６６の各発光点での出力を１８０ｍＷ（ミリワット）とすると、６個の発光点が配列されたレーザ出射部６８での出力は約１Ｗ（＝１８０ｍＷ×６）である。
［露光ヘッドの動作］
次に、上記露光ヘッドの動作について説明する。
【００２６】
照明光源６６からＤＭＤ５０にレーザ光が照射されると、ＤＭＤ５０のマイクロミラーの各々は図示しないコントローラによりオンオフ制御され、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により感光材料の走査面５６上に結像される。このようにして、照明光源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、感光材料が図示しない移動手段により一定速度で移動されることにより、露光ヘッドによって移動方向と反対の方向に副走査され帯状の露光済み領域１７０が形成される。
【００２７】
ＤＭＤ５０には、主走査方向にマイクロミラーが８００個配列されたマイクロミラー列が、副走査方向に６００組配列されているが、コントローラにより一部のマイクロミラー列（例えば、８００個×５０列）だけが駆動されるように制御することができる。図５（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５（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。
【００２８】
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。
【００２９】
例えば、６００組のマイクロミラー列の内、３００組だけ使用する場合には、６００組全部使用する場合と比較すると１ライン当り２倍速く変調することができる。また、６００組のマイクロミラー列の内、２００組だけ使用する場合には、６００組全部使用する場合と比較すると１ライン当り３倍速く変調することができる。即ち、副走査方向に５００ｍｍの領域を１７秒で露光できる。更に、１００組だけ使用する場合には、１ライン当り６倍速く変調することができる。即ち、副走査方向に５００ｍｍの領域を９秒で露光できる。
【００３０】
使用するマイクロミラー列の数、即ち、副走査方向に配列されたマイクロミラーの個数は、１０以上で且つ２００以下が好ましく、１０以上で且つ１００以下がより好ましい。１画素に相当するマイクロミラー１個当りの面積は１５μｍ×１５μｍであるから、ＤＭＤ５０の使用領域に換算すると、１２ｍｍ×１５０μｍ以上で且つ１２ｍｍ×３ｍｍ以下の領域が好ましく、１２ｍｍ×１５０μｍ以上で且つ１２ｍｍ×１．５ｍｍ以下の領域がより好ましい。
【００３１】
使用するマイクロミラー列の数が上記範囲にあれば、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、照明光源６６から出射されたレーザ光をレンズ系６７で略平行光化して、ＤＭＤ５０に照射することができる。ＤＭＤ５０によりレーザ光を照射する照射領域は、ＤＭＤ５０の使用領域と一致することが好ましい。照射領域が使用領域よりも広いとレーザ光の利用効率が低下する。一方、ＤＭＤ５０上に集光させる光ビームの副走査方向の径を、レンズ系６７により副走査方向に配列されたマイクロミラーの個数に応じて小さくする必要があるが、使用するマイクロミラー列の数が１０未満であると、ＤＭＤ５０に入射する光束の角度が大きくなり、走査面５６における光ビームの焦点深度が浅くなるので好ましくない。また、使用するマイクロミラー列の数が２００以下が変調速度の観点から好ましい。なお、ＤＭＤは反射型の空間変調素子（変調手段）であるが、図６（Ａ）及び（Ｂ）は、光学的な関係を説明するために展開図とした。
［関係式の導出］
本実施の形態に係る露光ヘッドでは、図７に示す通りパラメータθ、Ｄ、φ、ψ、Ｗ、Δｙ及びΔｚが定義される。即ち、θは照明光源６６のビーム出射部に配列された各々の光ファイバからのビーム出射角度を表し、Ｄは照明光源６６からの出射ビーム幅を表す。また、φは照明光源６６の所定方向に配列された複数の発光点のうち中央に配置された発光点から出射された光線と末端に配置された発光点から出射された光線とが成す角度であり、ψはＤＭＤ５０で反射された光の回折による拡がり角である。また、ＷはＤＭＤ５０の配置位置（照射面）でのビーム幅を表す。Δｚは焦点深度方向の誤差を表し、Δｙは焦点深度方向の誤差がΔｚとなる場合のビーム径の太り量（片側）を表す。
【００３２】
本実施の形態では、許容されるビーム径太り量αの範囲において所望の焦点深度ｔを得るために、出射ビーム幅ＤとＤＭＤ配置位置でのビーム幅Ｗとの比Ｄ／Ｗが、下記の関係式（Ａ）を満たすように露光ヘッドを設計する。
【００３３】
【数９】

【００３４】
上記の式において各パラメータは以下のように定義される。
λ：レーザ光の波長
θ：光ファイバの開口数（ＮＡ）から下記式に従い導出される照明光源からのビーム出射角度
θ＝ｓｉｎ^−１（ＮＡ）
Ｄ：照明光源からの出射ビーム幅
Ｗ：ＤＭＤ配置位置（照射面）でのビーム幅
ａ：ＤＭＤ上での１画素のサイズ
Ｋ：ビーム特性で決まる係数。Ｋ＝１
Ｍ：結像光学系の倍率
以下、図７を参照して上記関係式の導出方法を説明する。レンズ系６７は、照明光源６６からの光を略平行な光にすると共に、照明光源６６の発光点の各々がＤＭＤ５０の使用領域全体をほぼ等しく照明するように配置されている。この通り、各発光点から出射された光束がＤＭＤ５０の使用領域全体を照明するので、照明光源６６を構成する一部のレーザモジュールが故障しても、ＤＭＤ５０に照射されるレーザ光の光量分布が不均一になることはない。この条件下では、所定方向に配列された複数の発光点のうち中央に配置された発光点から出射された光線と末端に配置された発光点から出射された光線との成す角度φ（ｒａｄ）は、ビーム出射角度θ（ｒａｄ）、出射ビーム幅Ｄ（ｍｍ）、及びＤＭＤ配置位置でのビーム幅Ｗ（ｍｍ）を用いて下記式で表される。
【００３５】
【数１０】

【００３６】
即ち、ＤＭＤ５０へ照射されるビームは略平行なビームであるが、±φ（ｒａｄ）だけ角度を持っていることになる。ＤＭＤ５０で反射した光は、さらにＤＭＤ５０の画素サイズの影響による回折効果で拡がり角ψ（ｒａｄ）だけ拡がる。従って、ＤＭＤ５０による反射光の拡がり角は、下記式で与えられる。
【００３７】
【数１１】

【００３８】
回折格子のピッチ（ＤＭＤ５０の１画素サイズ）がａ（μｍ）、入射するレーザ光の波長がλ（μｍ）である場合の回折拡がり角ψ（ｒａｄ）は、下記式で与えられる。なお、Ｋはビーム特性で決まる係数であり、一般的にＫ＝１である。
【００３９】
【数１２】

【００４０】
レンズ系５４、５８の結像倍率をＭとすると、走査面５６を照明するビームの拡がり角度は、下記式で与えられる。
【００４１】
【数１３】

【００４２】
焦点深度方向の誤差をΔｚとすると、その場合のビーム径の太り量（片側）Δｙと誤差Δｚとの関係は、走査面５６を照明するビームの拡がり角度を用いて下記式で与えられる。
【００４３】
【数１４】

【００４４】
ここで、必要とされる焦点深度をｔ（μｍ）、許容されるビーム径太り量をα（μｍ）とすると、下記式を満たす場合に、許容されるビーム径太り量αの範囲において、必要とされる焦点深度ｔを得ることができる。なお、α＝２×Δｙである。
【００４５】
【数１５】

【００４６】
上記の式を変形すると、上記の関係式（Ａ）を得ることができる。
【００４７】
即ち、出射ビーム幅ＤとＤＭＤ配置位置でのビーム幅Ｗとの比Ｄ／Ｗが、必要とされる焦点深度ｔ、許容されるビーム径太り量α、ビーム出射角度θ、結像光学系の結像倍率Ｍ、レーザ光の波長λ、特性係数Ｋ、及びＤＭＤの１画素サイズａの各パラメータとの関係で上記関係式（Ａ）を満たすように露光ヘッドを設計することにより、許容されるビーム径太り量αの範囲において、所望の焦点深度ｔを有する露光ヘッドを実現することができる。
【００４８】
上記で説明した露光ヘッドにおいて、レーザ光の波長λを０．４μｍ、ＤＭＤ５０の１画素のサイズａを２０μｍ、結像光学系の倍率Ｍを１、特性係数Ｋを１、及び許容されるビーム径太り量αを２μｍとする。また、ＤＭＤ５０の駆動領域を１６ｍｍ×１ｍｍ（８００画素×５０画素）の範囲とする。即ち、ＤＭＤ長辺方向には８００画素のマイクロミラーを使用し、ＤＭＤ短辺方向には５０画素のマイクロミラーを使用する。これに応じてＤＭＤ５０の配置位置でのＤＭＤ長辺方向のビーム幅Ｗを１７．６ｍｍ、ＤＭＤ短辺方向のビーム幅Ｗを１．１ｍｍとする。
【００４９】
この条件下では、上記の関係式を満たすように、マルチモード光ファイバ３０のクラッド径を６０μｍ、コア径を２５μｍ、ＮＡを０．２とし、図８（Ａ）に示すように、発光点がＤＭＤ長辺方向に３個、ＤＭＤ短辺方向に２個並ぶように配列された照明光源６６のＤＭＤ長辺方向の出射ビーム幅Ｄを０．１４５ｍｍ、ＤＭＤ短辺方向の出射ビーム幅Ｄを０．０８５ｍｍ、ビーム出射角度θを０．２ｒａｄとすることにより、下記表１に示す通り、ＤＭＤ長辺方向で４７μｍ、ＤＭＤ短辺方向で３０μｍの長焦点深度を実現できる。
【００５０】
【表１】

【００５１】
一方、出力３０ｍＷ程度の半導体レーザの出射光を、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ０．２のマルチモード光ファイバに結合したファイバ光源を使用する場合は、約１Ｗ（ワット）の出力を得ようとすれば、図８（Ｂ）に示すように、マルチモード光ファイバを８本×６本の合計４８本、束ねなければならず、ＤＭＤ長辺方向の出射ビーム幅Ｄは０．９２５ｍｍ、ＤＭＤ短辺方向の出射ビーム幅Ｄは０．６７５ｍｍとなる。ＤＭＤ５０の配置位置でのＤＭＤ長辺方向のビーム幅Ｗを１７．６ｍｍ、ＤＭＤ短辺方向のビーム幅Ｗを１．１ｍｍにしようとすると、下記表２に示す通り、ＤＭＤ長辺方向での焦点深度は３２μｍであるが、ＤＭＤ短辺方向では上記の関係式を満たさず、焦点深度が７μｍとなり、オートフォーカス機構が必要となる。
【００５２】
【表２】

【００５３】
以上説明した通り、本実施の形態では、出射ビーム幅ＤとＤＭＤ配置位置でのビーム幅Ｗとの比Ｄ／Ｗが、必要とされる焦点深度ｔ、許容されるビーム径太り量α、ビーム出射角度θ、結像光学系の結像倍率Ｍ、レーザ光の波長λ、特性係数Ｋ、及びＤＭＤの１画素サイズａの各パラメータとの関係で所定の関係式を満たすように露光ヘッドを設計することにより、許容されるビーム径太り量αの範囲において、所望の焦点深度ｔを有する露光ヘッドを実現することができる。即ち、オートフォーカス機構を設けることなく、深い焦点深度を得ることができる。
【００５４】
また、本実施の形態では、ＤＭＤを照明する光源に、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部における発光点をバンドル状に配列した高輝度の照明光源を用いているので、高出力で且つ深い焦点深度を備えた露光ヘッドを実現することができる。更に、各発光点での出力が大きくなることで、所望の出力を得るために必要なファイバ本数が少なくなり、露光ヘッド低コスト化が図られる。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る露光ヘッドでは、下記式で表されるＤＭＤによる反射光の拡がり角がＤＭＤの長辺方向と短辺方向とで略等しくなるように、照明光源の発光点の配列を変更した。この点以外は第１の実施の形態と同じ構成であるため説明を省略する。
【００５５】
【数１６】

【００５６】
ＤＭＤ５０の駆動領域は１６ｍｍ×１ｍｍ（８００画素×５０画素）である。第１の実施の形態と同様に、ＤＭＤ５０の駆動領域の長辺方向と短辺方向の比１６：１に応じて、ＤＭＤ５０の配置位置でのＤＭＤ長辺方向のビーム幅Ｗを１７．６ｍｍ、ＤＭＤ短辺方向のビーム幅Ｗを１．１ｍｍとした場合に、照明光源６６の出射ビーム幅Ｄの長辺方向と短辺方向との比を１６：１とすることにより、レンズ系６７による集光比率が長辺方向と短辺方向とで略等しくなり、ＤＭＤによる反射光の拡がり角がＤＭＤの長辺方向と短辺方向とで略等しくなる。
【００５７】
例えば、照明光源６６を各発光点での出力が３０ｍＷの低輝度ファイバ光源で構成した場合には、約１Ｗの出力を得るために４８本のマルチモード光ファイバ３０を束ねなければならない。バンドルする本数を４８本とすると、照明光源６６のレーザ出射部における４８個の発光点をＤＭＤ長辺方向に４８個、短辺方向に１個並ぶように配列することにより、或いは、４８個の発光点をＤＭＤ長辺方向に２４個、短辺方向に２個並ぶように配列することにより、出射ビーム幅Ｄの長辺方向と短辺方向との比を１６：１に近付けることができる。
【００５８】
マルチモード光ファイバ３０のクラッド径を１２５μｍ、コア径を５０μｍ、ＮＡを０．２とすると、図９に示すように、４８個の発光点をＤＭＤ長辺方向に２列に配列した照明光源６６のＤＭＤ長辺方向の出射ビーム幅Ｄは２．９ｍｍ、ＤＭＤ短辺方向の出射ビーム幅Ｄは０．１７５ｍｍとなる。ビーム出射角度θを０．２ｒａｄとすると、下記表３に示す通り、ＤＭＤ長辺方向で２０μｍ、ＤＭＤ短辺方向で２０μｍの長焦点深度を実現できる。
【００５９】
【表３】

【００６０】
以上説明した通り、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、オートフォーカス機構を設けることなく、深い焦点深度を得ることができる。加えて、ＤＭＤの長辺方向と短辺方向とで得られる焦点深度が略等しく、高精細な露光を行うことができる。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る露光ヘッドでは、第２の実施の形態と同様にＤＭＤによる反射光の拡がり角がＤＭＤの長辺方向と短辺方向とでなるべく等しくなるように、照明光源の発光点の配列を変更すると共に、照明光源を高輝度ファイバ光源で構成した以外は第１の実施の形態と同じ構成であるため説明を省略する。
【００６１】
例えば、照明光源６６を各発光点での出力が１８０ｍＷの高輝度ファイバ光源で構成した場合には、約１Ｗの出力を得るために６本のマルチモード光ファイバ３０を配列すればよい。配列する本数を６本とすると、図１０に示すように、照明光源６６のレーザ出射部における６個の発光点をＤＭＤ長辺方向に６個、短辺方向に１個並ぶように配列することにより、出射ビーム幅Ｄの長辺方向と短辺方向との比を１６：１に近付けることができる。
【００６２】
マルチモード光ファイバ３０のクラッド径を６０μｍ、コア径を２５μｍ、ＮＡを０．２とすると、６個の発光点をＤＭＤ長辺方向に６個、短辺方向に１個並ぶように配列された照明光源６６のＤＭＤ長辺方向の出射ビーム幅Ｄは０．３２５ｍｍ、ＤＭＤ短辺方向の出射ビーム幅Ｄは０．０２５ｍｍとなる。ビーム出射角度θを０．２ｒａｄとすると、下記表４に示す通り、ＤＭＤ長辺方向で４４μｍ、ＤＭＤ短辺方向で４１μｍの長焦点深度を実現できる。
【００６３】
【表４】

【００６４】
以上説明した通り、第３の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、オートフォーカス機構を設けることなく、深い焦点深度を得ることができる。特に、本実施の形態では、ＤＭＤを照明する光源に、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部における発光点をバンドル状に配列した高輝度の照明光源を用いているので、高出力で且つ深い焦点深度を備えた露光ヘッドを実現することができる。
【００６５】
加えて、ＤＭＤの長辺方向と短辺方向とで得られる焦点深度が略等しく、高精細な露光を行うことができる。
［レーザモジュールの構成］
なお、高輝度ファイバ光源で構成されたレーザモジュール６４は、たとえば図１１に示す合波レーザ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，及びＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，及び１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は７個には限定されない。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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_１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００７４】
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ｆ_２＝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。
【００７５】
このレーザモジュールでは、照明光源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、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。
【００７６】
本例では、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。
【００７７】
各レーザモジュールにおいて、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、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。
【００７８】
なお、ここでは、複数のチップ状の半導体レーザの光をファイバに入射する例について説明したが、ストライプ状の発光領域を持つブロードストライプレーザ１個を用いてファイバに入射することもできる。
【００７９】
以下に、ブロードストライプレーザを用いた例を説明する。
【００８０】
図１９、及び図２０に示すように、本実施形態では、照明光源にブロードストライプレーザ１８０が用いられている。なお、図１９は、装置を側方から見た側面図であり、図２０は装置を上方から見た平面図である。
【００８１】
ブロードストライプレーザ１８０とマルチモード光ファイバ３０の一端との間には、ブロードストライプレーザ１８０側から第１シリンドリカルレンズ１８２、第２シリンドリカルレンズ１８４、第３シリンドリカルレンズ１８６、及び第４シリンドリカルレンズ１８８が順に配置されている。
【００８２】
図１９、及び図２０に示すように、ブロードストライプレーザ１８０は水平方向に長い発光領域（図示せず）を備えている。
【００８３】
本実施形態のブロードストライプレーザ１８０は、発光層の幅（上下方向）が０．５μｍ、発光層の長さ（水平方向）が３０μｍであり、光ビームの波長４００〜４２０ｎｍである。
【００８４】
ここで、第１シリンドリカルレンズ１８２、及び第３シリンドリカルレンズ１８６によって、上下方向のビームのＮＡをマルチモード光ファイバ３０のＮＡ以下に変換している。
【００８５】
また、光ビームを、第２シリンドリカルレンズ１８４、及び第４シリンドリカルレンズ１８８によって、水平方向に対して１倍でマルチモード光ファイバ３０の一端に結像させている（即ち、発光層の水平方向の長さ３０μｍがファイバコア部に結像している。）
本実施形態では、発光点の出力が２００ｍＷのブロードストライプレーザ１８０のビームを集光して１本のマルチモード光ファイバ３０に入射させている。
【００８６】
効率を９０％と仮定すると、１８０ｍＷの光源となる。
【００８７】
ここでは、クラッド径６０μｍのファイバを結合する例について説明したが、ブロードストライプレーザ１８０のビームを直接クラッド径６０μｍ、コア系５０μｍのマルチモード光ファイバ３０に入射させることにより、そのままの径で出射端として使用しても良い。
【００８８】
なお、ブロードストライプレーザ１８０のブロードストライプの幅が５〜２００μｍ、マルチモード光ファイバ３０のＮＡが０．１５〜０．３、ファイバコア径が１０〜８０μｍであれば、ファイバへの結合効率が高くなり好ましい。
【００８９】
また、ここでは、シリンドリカルレンズを用いてビーム整形光学系を構成したが、シリンドリカルレンズ以外の光学部品を用いてビーム整形光学系を構成しても良い。
【００９０】
また、上記実施形態では空間変調素子（変調手段）として、ＤＭＤ５０を用いたが、ＤＭＤ５０の代わりにマトリクス状に複数の画素を有する反射形、または透過型の液晶パネルを用いても良い。透過型の液晶パネルを用いる場合には、レンズ系６７を透過したレーザ光が液晶パネルを透過するように光学系を構成すれば良い。
［複数の発光点を備えた光源］
上記では複数のファイバ光源の光ファイバをバンドルしたファイババンドル光源を照明光源に用いる例について説明したが、例えば、ヒートブロック上に複数のチップ状の半導体レーザを所定方向に所定間隔で配列したレーザアレイや、複数の発光点が所定方向に所定間隔で配列されたチップ状のマルチキャビティレーザを照明光源として用いてもよい。マルチキャビティレーザは、チップ状の半導体レーザを配列する場合と比べ、発光点を位置精度良く配列できる。
【００９１】
次に、図１７（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、このマルチキャビティレーザを照明光源として用いた例について説明する。図１７（Ａ）に示すように、このマルチキャビティレーザ１１０には、多数の発光点１１０ａが所定方向に沿って所定間隔で配列されている。このときの照明光源の全発光点からの全出射ビーム幅をＤ_Ａ（ｍｍ）とする。また、図１７（Ｂ）に示すように、発光点からビーム出射角度をθ_Ａ（ｒａｄ）とする。従って、上記関係式（Ａ）において、光ファイバからのビーム出射角度θの代わりにθ_Ａを代入し、レーザ装置の出射ビーム幅Ｄの代わりに上記の全出射ビーム幅Ｄ_Ａを代入すると、下記の関係式（Ｂ）が導出される。
【００９２】
【数１７】

【００９３】
…（Ｂ）
λ：レーザ光の波長
θ_Ａ：発光点からビーム出射角度
Ｄ_Ａ：全発光点からの全出射ビーム幅
Ｗ：ＤＭＤ位置（照射面）でのビーム幅
ａ：ＤＭＤ上の１画素のサイズ
Ｋ：ビーム特性で決まる係数。Ｋ＝１
Ｍ：結像光学系の倍率
ｔ：必要な焦点深度
α：許容されるビーム径の太り量
なお、発光点の間隔をＰ（ｍｍ）、発光点の個数をｍ個とすると、照明光源の全発光点からの全出射ビーム幅Ｄ_Ａは、下記式で表される。例えば、発光点の定間隔を０．１（ｍｍ）、発光点の個数を２４個とすることができる。
【００９４】
【数１８】

【００９５】
また、図８に示すように、ヒートブロック１００上に、マルチキャビティレーザ１１０を、各チップの発光点１１０ａの配列方向と同じ方向に所定間隔で配列したマルチキャビティレーザアレイを照明装置として用いてもよい。多数の発光点の配列間隔をＰ１（ｍｍ）、相互に隣り合うマルチキャビティレーザ間の発光点の配列間隔をＰ２（ｍｍ）、発光点の個数をｍ個、マルチキャビティレーザの個数をＮ個とすると、照明光源の全発光点からの全出射ビーム幅Ｄ_Ａは下記式で表される。
【００９６】
【数１９】

【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、オートフォーカス機構を設けることなく、深い焦点深度を得ることができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る露光ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図２】デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）の構成を示す部分拡大図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）はＤＭＤの動作を説明するための説明図である。
【図４】照明光源の構成を示す斜視図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＤＭＤの使用領域の例を示す図である。
【図６】（Ａ）はＤＭＤの使用領域が適正である場合の側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った副走査方向の断面図である。
【図７】パラメータを説明するための説明図である。
【図８】（Ａ）は第１の実施の形態で使用される照明光源の出射端における発光点の配列と出射ビーム幅とを示す平面図であり、（Ｂ）は比較例の照明光源の出射端における発光点の配列と出射ビーム幅とを示す平面図である。
【図９】第２の実施の形態で使用される照明光源の出射端における発光点の配列と出射ビーム幅とを示す平面図である。
【図１０】第３の実施の形態で使用される照明光源の出射端における発光点の配列と出射ビーム幅とを示す平面図である。
【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】ＤＭＤを空間光変調素子（変調手段）として用いた露光ヘッドの構成を示す光軸に沿った断面図である。
【図１６】従来のファイバ光源の構成を示す光軸に沿った断面図である。
【図１７】（Ａ）及び（Ｂ）はマルチキャビティレーザを照明光源として用いた場合のパラメータを説明するための説明図である。
【図１８】マルチキャビティレーザアレイを照明光源として用いた場合のパラメータを説明するための説明図である。
【図１９】ブロードストライプレーザを用いた光源の構成を示す側面図である。
【図２０】図１９に示す光源の平面図である。
【符号の説明】
５０　デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ。変調手段）
６６　照明光源
６７　レンズ系
６９　ミラー
５６　走査面（被露光面）
５４、５８　レンズ系[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exposure head, and more particularly to an exposure head that exposes a photosensitive material with a light beam modulated by a digital micromirror device (DMD) according to image data.
[0002]
[Prior art]
Various exposure apparatuses using a DMD, which is a mirror device in which a large number of micromirrors whose reflection surfaces change in response to a control signal are arranged two-dimensionally on a semiconductor substrate such as silicon, have been proposed (for example, , See Patent Document 1).
[0003]
An exposure apparatus as shown in FIG. 15 is also considered as an exposure apparatus using this DMD. The exposure apparatus shown in FIG. 15 includes a light source 1 that emits laser light, a lens system 2 that collimates the laser light emitted from the light source 1, a DMD 3 disposed at a substantially focal position of the lens system 2, and a laser reflected by the DMD 3. It comprises lens systems 4 and 6 that form an image of light on the scanning surface 5. In this exposure apparatus, each of the micromirrors of the DMD 3 is controlled on and off by a control device (not shown) by a control signal generated according to image data or the like to modulate laser light, and image exposure is performed with the modulated laser light. Yes.
[0004]
As shown in FIG. 16, the light source 1 collimates the single semiconductor laser 7, the single multimode optical fiber 8, and the laser light emitted from the semiconductor laser 7 to the end face of the multimode optical fiber 8. A plurality of structural units including a pair of collimating lenses 9 to be coupled are arranged, and the multimode optical fiber 8 is a bundled fiber light source that is bundled (bundled).
[0005]
Usually, a laser having an output of about 30 mW (milliwatt) is used as the semiconductor laser 7, and an optical fiber having a core diameter of 50 μm, a cladding diameter of 125 μm, and an NA (numerical aperture) of 0.2 is used as the multimode optical fiber 8. ing. Therefore, in order to obtain an output of about 1 W (watt), the multi-mode optical fiber 8 of the above-mentioned structural unit must be bundled in a total of 48 of 8 × 6, and the diameter of the light emitting point is about 1 mm. It becomes.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-305663 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional light source has a problem that the diameter of the light emitting point when bundled becomes large, and as a result, a sufficient depth of focus cannot be obtained when a high-resolution exposure head is configured. In particular, when only a partial region of the DMD is used, the light must be condensed to irradiate a narrow region with laser light, and a sufficient depth of focus cannot be obtained.
[0008]
There is also a method of adjusting the depth of focus by moving the imaging lens and performing autofocus. However, providing an autofocus mechanism causes disadvantages such as an increase in cost and deterioration of vibration resistance characteristics.
[0009]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an exposure head capable of obtaining a deep focal depth without providing an autofocus mechanism.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides an exposure head that is relatively moved in a direction crossing a predetermined direction with respect to an exposure surface, and emits laser light incident from an incident end of an optical fiber from the exit end. A plurality of fiber light sources, and a laser device in which each of the light emitting points at the output ends of the optical fibers of the plurality of fiber light sources is arranged, and modulation of the laser light according to a control signal for each pixel arranged in a two-dimensional manner Each of the parameters defined below includes: a modulation unit capable of changing a state; and an optical system that forms an image on the exposure surface of the laser beam emitted from the laser device and modulated by each pixel unit of the modulation unit. Satisfies the following formula.
[0011]
[Formula 6]

[0012]
λ: wavelength of laser light
θ: Beam emission angle derived from the optical fiber derived from the numerical aperture (NA) of the optical fiber according to the following formula
θ = sin ^-1 (NA)
D: Beam width emitted from the laser device
W: Beam width at the position (irradiation surface) of the modulation means
a: Size of one pixel on the modulation means
K: Coefficient determined by beam characteristics. K = 1
M: magnification of the imaging optical system
t: Necessary depth of focus
α: Allowable beam diameter thickening
In the exposure head of the present invention, the ratio D / W between the outgoing beam width D and the beam width W at the position where the modulation means is arranged is determined as follows: required depth of focus t, allowable beam diameter thickening amount α, beam outgoing angle. The predetermined relational expression is satisfied in relation to θ, the imaging magnification M of the imaging optical system, the wavelength λ of the laser beam, the characteristic coefficient K, and the parameters of one pixel size a of the modulation means (spatial light modulation element). In addition, by designing the exposure head, it is possible to realize an exposure head having a desired depth of focus t within a range of an allowable beam diameter thickening amount α. That is, a deep depth of focus can be obtained without providing an autofocus mechanism.
[0013]
In the above exposure head, a DMD (digital micromirror device) can be used as the modulation means. In the above exposure head, in order to increase the brightness of the laser device, the optical fiber used for the fiber light source is an optical fiber having a uniform core diameter and a cladding diameter at the exit end smaller than that at the entrance end. It is preferable to do. In addition, it is preferable to use a fiber light source (combined laser light source) that multiplexes a plurality of laser beams to enter each of the optical fibers. By using the combined laser light source, it is possible to increase the output of each fiber light source constituting the laser device, and it is possible to obtain a high output with a small number of fibers. As a result, higher brightness and lower cost can be achieved.
[0014]
In the exposure head described above, it is preferable that the value represented by the following formula is substantially equal between the predetermined direction and a direction intersecting the predetermined direction.
[0015]
[Expression 7]

[0016]
For example, when the modulation means is a DMD, the above formula represents the divergence angle of the reflected light by the DMD. By making this value approximately equal in the long side direction and the short side direction of the DMD, It is possible to obtain approximately the same depth of focus in the long side direction and the short side direction of the DMD. Thereby, high-definition exposure becomes possible.
[0017]
Further, a laser device in which a plurality of light emitting points are arranged at a predetermined interval may be provided. That is, an exposure head according to the present invention is an exposure head that is relatively moved in a direction crossing a predetermined direction with respect to an exposure surface, and a laser device in which a plurality of light emitting points are arranged at predetermined intervals in a predetermined direction, and 2 Modulating means capable of changing the modulation state of laser light for each pixel arranged in a dimension according to a control signal, and laser light emitted from the laser device and modulated by each pixel portion of the modulating means on the exposure surface And an optical system for forming an image, and each parameter defined below satisfies the following formula.
[0018]
[Equation 8]

[0019]
λ: wavelength of laser light
θ _A : Beam emission angle from emission point
D _A : Total emission beam width from all emission points
W: Beam width at modulation means position (irradiation surface)
a: Size of one pixel on the modulation means
K: Coefficient determined by beam characteristics. K = 1
M: magnification of the imaging optical system
t: Necessary depth of focus
α: Allowable beam diameter thickening
In the above exposure head, a DMD (digital micromirror device) can be used as the modulation means.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the exposure head of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
[Configuration of exposure head]
As shown in FIG. 1, the exposure head according to the present embodiment uses a digital micromirror device as a modulation means (spatial light modulation element) that modulates an incident light beam for each pixel in accordance with image data. (DMD) 50 is provided. The DMD 50 is connected to a controller (not shown) including a data processing unit and a mirror drive control unit. The data processing unit of this controller generates a control signal for controlling the driving of each micromirror in the region to be controlled by the DMD 50 based on the input image data. The area to be controlled will be described later. The mirror drive control unit controls the angle of the reflection surface of each micromirror of the DMD 50 to each exposure head based on the control signal generated by the image data processing unit. The control of the angle of the reflecting surface will be described later.
[0021]
On the light incident side of the DMD 50, an illumination light source 66, an illumination light source 66 including laser emission units in which emission ends (light emitting points) of optical fibers are arranged in two rows along a direction corresponding to the long side direction of the DMD 50. A lens system 67 that corrects the laser beam emitted from the laser beam and condenses it on the DMD, and a mirror 69 that reflects the laser beam transmitted through the lens system 67 toward the DMD 50 are arranged in this order.
[0022]
The lens system 67 includes a lens system that collimates the laser light emitted from the illumination light source 66, a lens system that corrects the light quantity distribution of the collimated laser light, and the light quantity distribution. A condensing lens system for condensing laser light on the DMD is used. Further, on the light reflection side of the DMD 50,

lens systems

54 and 58 for forming an image of the laser light reflected by the DMD 50 on a scanning surface (exposed surface) 56 are arranged. The

lens systems

54 and 58 are arranged so that the DMD 50 and the scanning surface 56 are in a conjugate relationship.
[0023]
As shown in FIG. 2, the DMD 50 is configured such that a micromirror 62 is supported on a SRAM cell (memory cell) 60 by supporting columns, and a large number of (pixels) (pixels) are formed. For example, the mirror device is configured by arranging 600 × 800 micromirrors in a lattice pattern. When a digital signal is written in the SRAM cell 60 of the DMD 50, the micromirror 62 supported by the support is inclined within a range of ± α degrees (for example, ± 10 degrees) with respect to the substrate side on which the DMD 50 is disposed with the diagonal line as the center. It is done. On / off control of each micromirror 62 is performed by a controller (not shown) connected to the DMD 50.
[0024]
3A shows a state in which the micromirror 62 is tilted to + α degrees when the micromirror 62 is in an on state, and FIG. 3B shows a state in which the micromirror 62 is tilted to −α degrees that is in an off state. Therefore, by controlling the tilt of the micromirror 62 in each pixel of the DMD 50 according to the image signal as shown in FIG. 2, the light incident on the DMD 50 is reflected in the tilt direction of each micromirror 62. .
[0025]
As shown in FIG. 4, the illumination light source 66 includes a plurality (six in this example) of laser modules 64, and one end of the multimode optical fiber 30 is coupled to each laser module 64. The other end of the multimode optical fiber 30 is drawn from the package of the laser module 64, and a laser emitting unit 68 is arranged in which six light emitting points are arranged in the long side direction of the DMD 50 and two in the short side direction. It is configured. If the output at each light emitting point of the illumination light source 66 is 180 mW (milliwatt), the output from the laser emitting unit 68 in which six light emitting points are arranged is about 1 W (= 180 mW × 6).
[Exposure head operation]
Next, the operation of the exposure head will be described.
[0026]
When the illumination light source 66 irradiates the DMD 50 with laser light, each of the micromirrors of the DMD 50 is controlled to be turned on / off by a controller (not shown), and the laser light reflected when the micromirrors of the DMD 50 are in the on state, 58 forms an image on the scanning surface 56 of the photosensitive material. In this manner, the laser light emitted from the illumination light source 66 is turned on / off for each pixel, and the photosensitive material is exposed in approximately the same number of pixels (exposure area 168) as the number of used pixels of the DMD 50. Further, when the photosensitive material is moved at a constant speed by a moving means (not shown), the exposed area 170 is sub-scanned in the direction opposite to the moving direction by the exposure head.
[0027]
In the DMD 50, 600 sets of micromirror rows in which 800 micromirrors are arranged in the main scanning direction are arranged in the subscanning direction, but some micromirror rows (for example, 800 × 50 rows) are arranged by the controller. Only can be controlled to be driven. As shown in FIG. 5A, a micromirror array arranged at the center of the DMD 50 may be used. As shown in FIG. 5B, a micromirror array arranged at the end of the DMD 50 is used. May be used. In addition, when a defect occurs in some of the micromirrors, the micromirror array to be used may be appropriately changed depending on the situation, such as using a micromirror array in which no defect has occurred.
[0028]
Since the data processing speed of the DMD 50 is limited and the modulation speed per line is determined in proportion to the number of pixels used, the modulation speed per line can be increased by using only a part of the micromirror rows. Get faster. On the other hand, in the case of an exposure method in which the exposure head is continuously moved relative to the exposure surface, it is not necessary to use all the pixels in the sub-scanning direction.
[0029]
For example, when only 300 sets are used in 600 micromirror rows, modulation can be performed twice as fast per line as compared to the case of using all 600 sets. Further, when only 200 sets of 600 micromirror arrays are used, modulation can be performed three times faster per line than when all 600 sets are used. That is, an area of 500 mm in the sub-scanning direction can be exposed in 17 seconds. Further, when only 100 sets are used, modulation can be performed 6 times faster per line. That is, an area of 500 mm in the sub-scanning direction can be exposed in 9 seconds.
[0030]
The number of micromirror rows to be used, that is, the number of micromirrors arranged in the sub-scanning direction is preferably 10 or more and 200 or less, and more preferably 10 or more and 100 or less. Since the area per micromirror corresponding to one pixel is 15 μm × 15 μm, when converted to the use area of DMD50, an area of 12 mm × 150 μm or more and 12 mm × 3 mm or less is preferable, and 12 mm × 150 μm or more and 12 mm A region of × 1.5 mm or less is more preferable.
[0031]
If the number of micromirror rows to be used is within the above range, as shown in FIGS. 6A and 6B, the laser light emitted from the illumination light source 66 is converted into substantially parallel light by the lens system 67, and the DMD 50 is supplied. Can be irradiated. It is preferable that the irradiation area where the laser beam is irradiated by the DMD 50 coincides with the use area of the DMD 50. When the irradiation area is wider than the use area, the utilization efficiency of the laser light is lowered. On the other hand, the diameter of the light beam condensed on the DMD 50 in the sub-scanning direction needs to be reduced according to the number of micromirrors arranged in the sub-scanning direction by the lens system 67, but the number of micromirror rows to be used. Is less than 10, it is not preferable because the angle of the light beam incident on the DMD 50 increases and the depth of focus of the light beam on the scanning surface 56 becomes shallow. Further, the number of micromirror rows to be used is preferably 200 or less from the viewpoint of modulation speed. DMD is a reflection type spatial modulation element (modulation means), but FIGS. 6A and 6B are developed views for explaining the optical relationship.
[Derivation of relational expressions]
In the exposure head according to the present embodiment, parameters θ, D, φ, ψ, W, Δy, and Δz are defined as shown in FIG. That is, θ represents the beam emission angle from each optical fiber arranged in the beam emission part of the illumination light source 66, and D represents the emission beam width from the illumination light source 66. Φ is an angle formed by a light beam emitted from a light emitting point arranged at the center of a plurality of light emitting points arranged in a predetermined direction of the illumination light source 66 and a light beam emitted from a light emitting point arranged at the end. And ψ is a divergence angle due to diffraction of light reflected by the DMD 50. W represents the beam width at the arrangement position (irradiation surface) of the DMD 50. Δz represents an error in the depth of focus direction, and Δy represents a thickening amount (one side) of the beam diameter when the error in the depth of focus direction is Δz.
[0032]
In the present embodiment, in order to obtain a desired depth of focus t within the range of the allowable beam diameter thickening amount α, the ratio D / W between the outgoing beam width D and the beam width W at the DMD placement position is as follows: The exposure head is designed so as to satisfy the relational expression (A).
[0033]
[Equation 9]

[0034]
In the above formula, each parameter is defined as follows.
λ: wavelength of laser light
θ: Beam emission angle from the illumination source derived from the numerical aperture (NA) of the optical fiber according to the following formula
θ = sin ^-1 (NA)
D: Beam width emitted from the illumination light source
W: Beam width at the DMD placement position (irradiation surface)
a: Size of one pixel on DMD
K: Coefficient determined by beam characteristics. K = 1
M: magnification of the imaging optical system
Hereinafter, the method for deriving the relational expression will be described with reference to FIG. The lens system 67 is arranged so that the light from the illumination light source 66 becomes substantially parallel light, and each of the emission points of the illumination light source 66 illuminates the entire use area of the DMD 50 substantially equally. As described above, since the light beams emitted from the respective light emitting points illuminate the entire use area of the DMD 50, even if a part of the laser modules constituting the illumination light source 66 breaks down, the light quantity distribution of the laser light applied to the DMD 50 is obtained. There will be no unevenness. Under this condition, an angle φ (rad) formed by a light beam emitted from a light emitting point arranged in the center and a light beam emitted from a light emitting point arranged at the end among a plurality of light emitting points arranged in a predetermined direction. Is expressed by the following equation using the beam exit angle θ (rad), the exit beam width D (mm), and the beam width W (mm) at the DMD placement position.
[0035]
[Expression 10]

[0036]
That is, the beam irradiated to the DMD 50 is a substantially parallel beam, but has an angle of ± φ (rad). The light reflected by the DMD 50 further spreads by the spread angle ψ (rad) due to the diffraction effect due to the influence of the pixel size of the DMD 50. Therefore, the divergence angle of the reflected light by the DMD 50 is given by the following equation.
[0037]
## EQU11 ##

[0038]
The diffraction spread angle ψ (rad) when the pitch of the diffraction grating (one pixel size of the DMD 50) is a (μm) and the wavelength of the incident laser light is λ (μm) is given by the following equation. Note that K is a coefficient determined by beam characteristics, and generally K = 1.
[0039]
[Expression 12]

[0040]
When the imaging magnification of the

lens systems

54 and 58 is M, the divergence angle of the beam that illuminates the scanning surface 56 is given by the following equation.
[0041]
[Formula 13]

[0042]
Assuming that the error in the depth of focus direction is Δz, the relationship between the beam diameter thickening amount (one side) Δy and the error Δz in this case is given by the following equation using the divergence angle of the beam that illuminates the scanning surface 56.
[0043]
[Expression 14]

[0044]
Here, if the required depth of focus is t (μm) and the allowable beam diameter thickening amount is α (μm), it is necessary in the range of the allowable beam diameter thickening amount α when the following equation is satisfied. It is possible to obtain a focal depth t. Note that α = 2 × Δy.
[0045]
[Expression 15]

[0046]
When the above formula is modified, the above relational formula (A) can be obtained.
[0047]
That is, the ratio D / W between the exit beam width D and the beam width W at the DMD placement position is determined as follows: the required depth of focus t, the allowable beam diameter thickening amount α, the beam exit angle θ, the imaging optical system It is allowed by designing the exposure head so as to satisfy the above relational expression (A) in relation to the imaging magnification M, the wavelength λ of the laser beam, the characteristic coefficient K, and each parameter of one pixel size a of DMD. An exposure head having a desired depth of focus t can be realized in the range of the beam diameter increasing amount α.
[0048]
In the exposure head described above, the wavelength λ of the laser beam is 0.4 μm, the size a of one pixel of the DMD 50 is 20 μm, the magnification M of the imaging optical system is 1, the characteristic coefficient K is 1, and the allowable beam diameter is The fat amount α is set to 2 μm. The driving area of the DMD 50 is set to a range of 16 mm × 1 mm (800 pixels × 50 pixels). That is, an 800 pixel micromirror is used in the DMD long side direction, and a 50 pixel micromirror is used in the DMD short side direction. Accordingly, the beam width W in the DMD long side direction at the arrangement position of the DMD 50 is 17.6 mm, and the beam width W in the DMD short side direction is 1.1 mm.
[0049]
Under this condition, the clad diameter of the multimode optical fiber 30 is set to 60 μm, the core diameter is set to 25 μm, and the NA is set to 0.2 so that the above relational expression is satisfied. As shown in FIG. The illumination light source 66 arranged so that three in the DMD long side direction and two in the DMD short side direction are arranged to have an outgoing beam width D in the DMD long side direction of 0.145 mm and an outgoing beam width D in the DMD short side direction of 0. By setting the beam exit angle θ to 0.085 mm and 0.2 rad, a long focal depth of 47 μm in the DMD long side direction and 30 μm in the DMD short side direction can be realized as shown in Table 1 below.
[0050]
[Table 1]

[0051]
On the other hand, when using a fiber light source in which the output light of a semiconductor laser having an output of about 30 mW is coupled to a multimode optical fiber having a core diameter of 50 μm, a cladding diameter of 125 μm, and NA of 0.2, an output of about 1 W (watt) will be obtained. Then, as shown in FIG. 8 (B), a total of 48 multimode optical fibers, that is, 8 × 6, must be bundled, and the output beam width D in the long side direction of the DMD is 0.925 mm. The outgoing beam width D in the short side direction is 0.675 mm. When the beam width W in the DMD long side direction at the position where the DMD 50 is arranged is 17.6 mm and the beam width W in the DMD short side direction is 1.1 mm, the focal point in the DMD long side direction is shown in Table 2 below. Although the depth is 32 μm, the above relational expression is not satisfied in the DMD short side direction, the focal depth is 7 μm, and an autofocus mechanism is required.
[0052]
[Table 2]

[0053]
As described above, in the present embodiment, the ratio D / W between the outgoing beam width D and the beam width W at the DMD placement position is determined as follows: the required focal depth t, the allowable beam diameter thickening amount α, the beam The exposure head is designed so as to satisfy a predetermined relational expression in terms of the emission angle θ, the imaging magnification M of the imaging optical system, the wavelength λ of the laser beam, the characteristic coefficient K, and each parameter of one pixel size a of DMD. By doing so, it is possible to realize an exposure head having a desired focal depth t within a range of an allowable beam diameter thickening amount α. That is, a deep depth of focus can be obtained without providing an autofocus mechanism.
[0054]
Further, in the present embodiment, since the light source for illuminating the DMD is a high-intensity illumination light source in which light emitting points at the emission end of the optical fiber of the combined laser light source are arranged in a bundle, An exposure head having a deep depth of focus can be realized. Further, since the output at each light emitting point is increased, the number of fibers required to obtain a desired output is reduced, and the cost of the exposure head can be reduced.
(Second Embodiment)
In the exposure head according to the second embodiment, the arrangement of the light emitting points of the illumination light source is such that the divergence angle of the reflected light by the DMD represented by the following equation is substantially equal in the long side direction and the short side direction of the DMD. Changed. Except for this point, the configuration is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0055]
[Expression 16]

[0056]
The driving area of the DMD 50 is 16 mm × 1 mm (800 pixels × 50 pixels). Similar to the first embodiment, the beam width W in the DMD long side direction at the position where the DMD 50 is arranged is 17.6 mm according to the ratio 16: 1 between the long side direction and the short side direction of the driving region of the DMD 50. When the beam width W in the DMD short side direction is 1.1 mm, the ratio of the long side direction to the short side direction of the outgoing beam width D of the illumination light source 66 is set to 16: 1. The light ratio is substantially equal in the long side direction and the short side direction, and the spread angle of the reflected light by the DMD is substantially equal in the long side direction and the short side direction of the DMD.
[0057]
For example, when the illumination light source 66 is composed of a low-intensity fiber light source with an output at each light emitting point of 30 mW, 48 multimode optical fibers 30 must be bundled to obtain an output of about 1 W. If the number of bundles is 48, 48 light emitting points in the laser emission part of the illumination light source 66 are arranged so that 48 light emitting points are arranged in the DMD long side direction and one in the short side direction. By arranging 24 light emitting points in the DMD long side direction and two light emitting points in the short side direction, the ratio of the long side direction to the short side direction of the outgoing beam width D can be brought close to 16: 1.
[0058]
Assuming that the clad diameter of the multimode optical fiber 30 is 125 μm, the core diameter is 50 μm, and the NA is 0.2, as shown in FIG. 9, an illumination light source 66 in which 48 light emitting points are arranged in two rows in the DMD long side direction. The outgoing beam width D in the DMD long side direction is 2.9 mm, and the outgoing beam width D in the DMD short side direction is 0.175 mm. When the beam emission angle θ is 0.2 rad, as shown in Table 3 below, a long focal depth of 20 μm in the DMD long side direction and 20 μm in the DMD short side direction can be realized.
[0059]
[Table 3]

[0060]
As described above, in the second embodiment, a deep depth of focus can be obtained without providing an autofocus mechanism, as in the first embodiment. In addition, the focal depths obtained in the long side direction and the short side direction of the DMD are substantially equal, and high-definition exposure can be performed.
(Third embodiment)
In the exposure head according to the third embodiment, as in the second embodiment, the illumination light source emits light so that the divergence angles of the reflected light by the DMD are as equal as possible in the long side direction and the short side direction of the DMD. Since the arrangement of the points is changed and the illumination light source is configured by a high-intensity fiber light source, the configuration is the same as that of the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
[0061]
For example, when the illumination light source 66 is composed of a high-intensity fiber light source having an output at each light emitting point of 180 mW, six multimode optical fibers 30 may be arranged to obtain an output of about 1 W. Assuming that the number of arrays is six, as shown in FIG. 10, six light emitting points in the laser emission part of the illumination light source 66 are arranged so that six are arranged in the long side direction of the DMD and one in the short side direction. Thus, the ratio of the long side direction to the short side direction of the outgoing beam width D can be brought close to 16: 1.
[0062]
When the clad diameter of the multimode optical fiber 30 is 60 μm, the core diameter is 25 μm, and the NA is 0.2, six light emitting points are arranged in the DMD long side direction and one in the short side direction. The outgoing light beam width D in the DMD long side direction of the illumination light source 66 is 0.325 mm, and the outgoing beam width D in the DMD short side direction is 0.025 mm. When the beam emission angle θ is 0.2 rad, as shown in Table 4 below, a long focal depth of 44 μm in the DMD long side direction and 41 μm in the DMD short side direction can be realized.
[0063]
[Table 4]

[0064]
As described above, in the third embodiment, a deep depth of focus can be obtained without providing an autofocus mechanism as in the first embodiment. In particular, in the present embodiment, since the light source for illuminating the DMD is a high-intensity illumination light source in which light emitting points at the emission end of the optical fiber of the combined laser light source are arranged in a bundle, An exposure head having a deep depth of focus can be realized.
[0065]
In addition, the focal depths obtained in the long side direction and the short side direction of the DMD are substantially equal, and high-definition exposure can be performed.
[Configuration of laser module]
In addition, the laser module 64 comprised by the high-intensity fiber light source is comprised by the combined laser light source shown, for example in FIG. This combined laser light source includes a plurality of (for example, seven) chip-like lateral multimode or single mode GaN-based semiconductor lasers LD1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6, arrayed and fixed on the heat block 10. And LD7,

collimator lenses

11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17 provided corresponding to each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, one condenser lens 20, and one multi-lens. Mode optical fiber 30. The number of semiconductor lasers is not limited to seven.
[0066]
The GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 all have the same oscillation wavelength (for example, 405 nm), and the maximum output is also all the same (for example, 100 mW for the multimode laser and 30 mW for the single mode laser). As the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, lasers having an oscillation wavelength other than the above 405 nm in a wavelength range of 350 nm to 450 nm may be used.
[0067]
As shown in FIGS. 12 and 13, the above-described combined laser light source is housed in a box-shaped package 40 having an upper opening together with other optical elements. The package 40 includes a package lid 41 created so as to close the opening thereof. After the deaeration process, a sealing gas is introduced, and the package 40 and the package lid 41 are closed by closing the opening of the package 40 with the package lid 41. The combined laser light source is hermetically sealed in a closed space (sealed space) formed by 41.
[0068]
A base plate 42 is fixed to the bottom surface of the package 40, and the heat block 10, a condensing lens holder 45 that holds the condensing lens 20, and the multimode optical fiber 30 are disposed on the top surface of the base plate 42. A fiber holder 46 that holds the incident end is attached. The exit end of the multimode optical fiber 30 is drawn out of the package from an opening formed in the wall surface of the package 40.
[0069]
Further, a collimator lens holder 44 is attached to the side surface of the heat block 10, and the collimator lenses 11 to 17 are held. An opening is formed in the lateral wall surface of the package 40, and wiring 47 for supplying a driving current to the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 is drawn out of the package through the opening.
[0070]
In FIG. 13, in order to avoid complication of the drawing, only the GaN semiconductor laser LD7 among the plurality of GaN semiconductor lasers is numbered, and only the collimator lens 17 among the plurality of collimator lenses is numbered. doing.
[0071]
FIG. 14 shows the front shape of the attachment part of the collimator lenses 11-17. Each of the collimator lenses 11 to 17 is formed in a shape obtained by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspherical surface into a long and narrow plane. This elongated collimator lens can be formed, for example, by molding resin or optical glass. The collimator lenses 11 to 17 are closely arranged in the arrangement direction of the light emitting points so that the length direction is orthogonal to the arrangement direction of the light emitting points of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 (left and right direction in FIG. 14).
[0072]
On the other hand, each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 includes an active layer having a light emission width of 2 μm, and each of the laser beams B1 in a state parallel to the active layer and a divergence angle in a direction perpendicular to the active layer, respectively, for example A laser emitting ~ B7 is used. These GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 are arranged so that the light emitting points are arranged in a line in a direction parallel to the active layer.
[0073]
Accordingly, in the laser beams B1 to B7 emitted from the respective light emitting points, the direction in which the divergence angle is large coincides with the length direction and the divergence angle is small with respect to the elongated collimator lenses 11 to 17 as described above. Incident light is incident in a state where the direction coincides with the width direction (direction perpendicular to the length direction). That is, the collimator lenses 11 to 17 have a width of 1.1 mm and a length of 4.6 mm, and the horizontal and vertical beam diameters of the laser beams B1 to B7 incident thereon are 0.9 mm and 2. 6 mm. Each of the collimator lenses 11 to 17 has a focal length f. ₁ = 3 mm, NA = 0.6, and lens arrangement pitch = 1.25 mm.
[0074]
The condensing lens 20 is formed by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspheric surface into a long and narrow shape in parallel planes, and is long in the arrangement direction of the collimator lenses 11 to 17, that is, in a horizontal direction and short in a direction perpendicular thereto. Is formed. The condenser lens 20 has a focal length f. ₂ = 23 mm, NA = 0.2. This condensing lens 20 is also formed by molding resin or optical glass, for example.
[0075]
In this laser module, each of the laser beams B1, B2, B3, B4, B5, B6, and B7 emitted in a divergent light state from each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 constituting the combined laser light source of the illumination light source 66. Are collimated by the corresponding collimator lenses 11-17. The collimated laser beams B 1 to B 7 are collected by the condenser lens 20 and converge on the incident end face of the core 30 a of the multimode optical fiber 30.
[0076]
In this example, the collimator lenses 11 to 17 and the condenser lens 20 constitute a condensing optical system, and the condensing optical system and the multimode optical fiber 30 constitute a multiplexing optical system. That is, the laser beams B1 to B7 condensed as described above by the condenser lens 20 enter the core 30a of the multimode optical fiber 30 and propagate through the optical fiber to be combined with one laser beam B. The light is emitted from the optical fiber 31 coupled to the output end of the multimode optical fiber 30.
[0077]
In each laser module, when the coupling efficiency of the laser beams B1 to B7 to the multimode optical fiber 30 is 0.85 and each output of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 is 30 mW, the light arranged in an array For each of the fibers 31, a combined laser beam B with an output of 180 mW (= 30 mW × 0.85 × 7) can be obtained.
[0078]
Although an example in which light from a plurality of chip-shaped semiconductor lasers is incident on the fiber has been described here, it is also possible to use one broad stripe laser having a stripe-shaped light emitting region to be incident on the fiber.
[0079]
An example using a broad stripe laser will be described below.
[0080]
As shown in FIGS. 19 and 20, in the present embodiment, a broad stripe laser 180 is used as the illumination light source. FIG. 19 is a side view of the apparatus viewed from the side, and FIG. 20 is a plan view of the apparatus viewed from above.
[0081]
Between the broad stripe laser 180 and one end of the multimode optical fiber 30, the first cylindrical lens 182, the second cylindrical lens 184, the third cylindrical lens 186, and the fourth cylindrical lens 188 are sequentially arranged from the broad stripe laser 180 side. Has been placed.
[0082]
As shown in FIGS. 19 and 20, the broad stripe laser 180 includes a light emitting region (not shown) that is long in the horizontal direction.
[0083]
The broad stripe laser 180 of this embodiment has a light emitting layer width (vertical direction) of 0.5 μm, a light emitting layer length (horizontal direction) of 30 μm, and a light beam wavelength of 400 to 420 nm.
[0084]
Here, the first cylindrical lens 182 and the third cylindrical lens 186 convert the NA of the vertical beam into the NA of the multimode optical fiber 30 or less.
[0085]
Further, the light beam is imaged at one end of the multimode optical fiber 30 by the second cylindrical lens 184 and the fourth cylindrical lens 188 in the horizontal direction (that is, in the horizontal direction of the light emitting layer). (A length of 30 μm is imaged on the fiber core.)
In the present embodiment, the beam of the broad stripe laser 180 having an emission point output of 200 mW is collected and incident on one multimode optical fiber 30.
[0086]
Assuming 90% efficiency, the light source is 180 mW.
[0087]
Here, an example in which a fiber having a clad diameter of 60 μm is coupled has been described. However, the beam of the broad stripe laser 180 is directly incident on the multimode optical fiber 30 having a clad diameter of 60 μm and a core system of 50 μm. May be used as
[0088]
If the width of the broad stripe of the broad stripe laser 180 is 5 to 200 μm, the NA of the multimode optical fiber 30 is 0.15 to 0.3, and the fiber core diameter is 10 to 80 μm, the coupling efficiency to the fiber is high. It is preferable.
[0089]
Here, the beam shaping optical system is configured using a cylindrical lens, but the beam shaping optical system may be configured using an optical component other than the cylindrical lens.
[0090]
In the above embodiment, the DMD 50 is used as the spatial modulation element (modulation means). However, a reflective or transmissive liquid crystal panel having a plurality of pixels in a matrix may be used instead of the DMD 50. In the case of using a transmissive liquid crystal panel, the optical system may be configured so that the laser light transmitted through the lens system 67 is transmitted through the liquid crystal panel.
[Light source with multiple light-emitting points]
In the above description, an example in which a fiber bundle light source in which optical fibers of a plurality of fiber light sources are bundled is used as an illumination light source has been described. Alternatively, a chip-shaped multicavity laser in which a plurality of light emitting points are arranged at predetermined intervals in a predetermined direction may be used as the illumination light source. In the multicavity laser, the light emitting points can be arranged with higher positional accuracy than in the case where the chip-shaped semiconductor lasers are arranged.
[0091]
Next, an example in which this multicavity laser is used as an illumination light source will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 17A, in the multicavity laser 110, a large number of light emitting points 110a are arranged at predetermined intervals along a predetermined direction. The total outgoing beam width from all the light emitting points of the illumination light source at this time is expressed as D _A (Mm). In addition, as shown in FIG. _A (Rad). Therefore, in the relational expression (A), instead of the beam emission angle θ from the optical fiber, θ _A Is substituted for the above-mentioned total output beam width D instead of the output beam width D of the laser device. _A Is substituted, the following relational expression (B) is derived.
[0092]
[Expression 17]

[0093]
... (B)
λ: wavelength of laser light
θ _A : Beam emission angle from emission point
D _A : Total emission beam width from all emission points
W: Beam width at DMD position (irradiation surface)
a: Size of one pixel on DMD
K: Coefficient determined by beam characteristics. K = 1
M: magnification of the imaging optical system
t: Necessary depth of focus
α: Allowable beam diameter thickening
If the interval between the light emitting points is P (mm) and the number of light emitting points is m, the total outgoing beam width D from all the light emitting points of the illumination light source. _A Is represented by the following formula. For example, the regular interval of the light emitting points can be 0.1 (mm), and the number of light emitting points can be 24.
[0094]
[Expression 18]

[0095]
Further, as shown in FIG. 8, a multi-cavity laser array in which multi-cavity lasers 110 are arranged on the heat block 100 in the same direction as the arrangement direction of the light emitting points 110a of each chip at a predetermined interval may be used as an illumination device. Good. The arrangement interval of many emission points is P1 (mm), the arrangement interval of emission points between adjacent multi-cavity lasers is P2 (mm), the number of emission points is m, and the number of multi-cavity lasers is N. Then, the total outgoing beam width D from all the emission points of the illumination light source _A Is represented by the following formula.
[0096]
[Equation 19]

[0097]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is an effect that a deep depth of focus can be obtained without providing an autofocus mechanism.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an exposure head according to a first embodiment.
FIG. 2 is a partially enlarged view showing a configuration of a digital micromirror device (DMD).
3A and 3B are explanatory diagrams for explaining the operation of the DMD. FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of an illumination light source.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing examples of DMD usage areas; FIGS.
6A is a side view when the DMD use area is appropriate, and FIG. 6B is a cross-sectional view in the sub-scanning direction along the optical axis of FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining parameters.
FIG. 8A is a plan view showing an array of emission points and an exit beam width at the exit end of the illumination light source used in the first embodiment, and FIG. It is a top view which shows the arrangement | sequence of the light emission point in an output end, and an output beam width.
FIG. 9 is a plan view showing the arrangement of emission points and the emission beam width at the emission end of the illumination light source used in the second embodiment.
FIG. 10 is a plan view showing the arrangement of emission points and the emission beam width at the emission end of the illumination light source used in the third embodiment.
FIG. 11 is a plan view showing a configuration of a combined laser light source.
FIG. 12 is a plan view showing the configuration of a laser module.
13 is a side view showing the configuration of the laser module shown in FIG. 12. FIG.
14 is a partial side view showing the configuration of the laser module shown in FIG. 12. FIG.
FIG. 15 is a cross-sectional view along the optical axis showing a configuration of an exposure head using DMD as a spatial light modulation element (modulation means).
FIG. 16 is a cross-sectional view along the optical axis showing the configuration of a conventional fiber light source.
FIGS. 17A and 17B are explanatory diagrams for explaining parameters when a multi-cavity laser is used as an illumination light source. FIGS.
FIG. 18 is an explanatory diagram for explaining parameters when a multi-cavity laser array is used as an illumination light source;
FIG. 19 is a side view showing a configuration of a light source using a broad stripe laser.
20 is a plan view of the light source shown in FIG.
[Explanation of symbols]
50 Digital micromirror device (DMD, modulation means)
66 Illumination light source
67 Lens system
69 mirror
56 Scanning surface (exposed surface)
54, 58 Lens system

Claims

An exposure head that is relatively moved in a direction intersecting a predetermined direction with respect to an exposure surface,
A laser device including a plurality of fiber light sources that emit laser light incident from an incident end of an optical fiber from the output end, and each of emission points at the optical fiber exit ends of the plurality of fiber light sources;
Modulation means capable of changing the modulation state of the laser beam in accordance with a control signal for each pixel arranged in a two-dimensional manner;
An optical system that forms an image on an exposure surface of laser light emitted from the laser device and modulated by each pixel unit of the modulation unit;
With
An exposure head characterized in that each parameter defined below satisfies the following formula.

λ: wavelength of laser light θ: beam emission angle from optical fiber derived from numerical aperture (NA) of optical fiber according to the following formula θ = sin ⁻¹ (NA)
D: outgoing beam width W of laser device: beam width at modulation means position (irradiation surface) a: size of one pixel on modulation means K: coefficient determined by beam characteristics. K = 1
M: magnification of imaging optical system t: required depth of focus α: allowable thickness of beam diameter

The modulation means is a micromirror device in which a large number of micromirrors each capable of changing the angle of the reflecting surface according to a control signal are arranged in a two-dimensional manner on a substrate,
2. The exposure head according to claim 1, wherein each parameter defined below satisfies the following formula.

λ: wavelength of laser light θ: beam emission angle from optical fiber derived from numerical aperture (NA) of optical fiber according to the following formula θ = sin ⁻¹ (NA)
D: outgoing beam width W of the laser device W: beam width at the DMD position (irradiation surface) a: size of one pixel on the DMD K: coefficient determined by beam characteristics. K = 1
M: magnification of imaging optical system t: required depth of focus α: allowable thickness of beam diameter

The exposure head according to claim 1, wherein the optical fiber is an optical fiber having a uniform core diameter and a cladding diameter at the output end smaller than that at the incident end.

The exposure head according to any one of claims 1 to 3, wherein the fiber light source multiplexes a plurality of laser beams and enters each of the optical fibers.

5. The exposure head according to claim 1, wherein a value represented by the following expression is substantially equal between the predetermined direction and a direction intersecting the predetermined direction. 6.

An exposure head that is relatively moved in a direction intersecting a predetermined direction with respect to an exposure surface,
A laser device in which a plurality of light emitting points are arranged at predetermined intervals in a predetermined direction;
Modulation means capable of changing the modulation state of the laser beam in accordance with a control signal for each pixel arranged in a two-dimensional manner;
An optical system that forms an image on an exposure surface of laser light emitted from the laser device and modulated by each pixel unit of the modulation unit;
With
An exposure head characterized in that each parameter defined below satisfies the following formula.

λ: wavelength of laser light θ _A : beam emission angle from emission point D _A : total emission beam width from all emission points W: beam width at modulation means position (irradiation surface) a: size of one pixel on modulation means K: Coefficient determined by beam characteristics. K = 1
M: magnification of imaging optical system t: required depth of focus α: allowable thickness of beam diameter

The modulation means is a micromirror device in which a large number of micromirrors each capable of changing the angle of the reflecting surface according to a control signal are arranged in a two-dimensional manner on a substrate,
An optical system that forms an image on the exposure surface of the laser beam emitted from the laser device and modulated by each pixel portion of the micromirror device;
With
The exposure head according to claim 6, wherein each parameter defined below satisfies the following formula.

λ: Wavelength of laser light θ _A : Beam emission angle from emission point D _A : Total emission beam width from all emission points W: Beam width at DMD position (irradiation surface) a: Size of one pixel on DMD K: Coefficient determined by beam characteristics. K = 1
M: magnification of imaging optical system t: required depth of focus α: allowable thickness of beam diameter