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発明の名称 マイクロレンズアレイおよび露光ヘッド
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−72026(P2007−72026A)
公開日 平成19年3月22日(2007.3.22)
出願番号 特願2005−257286(P2005−257286)
出願日 平成17年9月6日(2005.9.6)
代理人 【識別番号】100073184
【弁理士】
【氏名又は名称】柳田 征史
発明者 鶴間 功 / 羽鳥 正美
要約 課題
遮光膜を用いることなく、マイクロレンズ以外の光透過領域からの光の影響を軽減可能な安価なマイクロレンズアレイ、および安価で高コントラストの露光が可能な露光ヘッドを得る。

解決手段
照照射された光を各々変調する多数の画素部が2次元状に配列されてなるDMD等の空間光変調素子50と、空間光変調素子50に光を照射する光源66と、空間光変調素子50の各画素部を経た光を受けて画素部の像を結像させる結像光学系51と、空間光変調素子50の各画素部からの光をそれぞれ集光するマイクロレンズ55aがアレイ状に配されたマイクロレンズアレイ本体55からなるマイクロレンズアレイと、を備えた露光ヘッドにおいて、マイクロレンズアレイ本体55のマイクロレンズ55a以外の光透過領域に、回折構造55bが形成されている。
特許請求の範囲
【請求項1】
複数の屈折型のマイクロレンズが並設されてなるマイクロレンズアレイ本体と、
前記マイクロレンズアレイ本体の前記マイクロレンズ以外の光透過領域に形成された回折構造と、を備えたことを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項2】
前記回折構造が、入射光を複数の方向に分割するものであることを特徴とする請求項1に記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項3】
前記マイクロレンズアレイ本体の入射面が平面に形成され、
前記マイクロレンズアレイ本体の出射面に前記マイクロレンズおよび前記回折構造が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項4】
前記マイクロレンズアレイ本体の出射側に配置された透明基板をさらに備え、
前記透明基板により、前記回折構造による回折光の少なくとも一部が反射されるようにしたことを特徴とする請求項3に記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項5】
前記回折光の前記透明基板への入射角が、前記マイクロレンズを通過した光の前記透明基板への最大入射角よりも大きく、
前記透明基板の入射面には、前記最大入射角よりも大きな入射角の入射光を反射させる膜が施されていることを特徴とする請求項4に記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項6】
前記マイクロレンズアレイ本体の入射面に前記マイクロレンズおよび回折構造が形成され、
前記マイクロレンズアレイ本体の出射面が平面に形成され、
前記平面により、前記回折構造による回折光の少なくとも一部が反射されるようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項7】
前記回折光が前記平面で全反射条件が得られる入射角で入射するようにしたことを特徴とする請求項6に記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項8】
前記マイクロレンズアレイ本体がガラスモールドにより成形されたものであることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項9】
照射された光を各々制御信号に応じて変調する画素部が複数並設されてなる空間光変調素子と、
前記空間光変調素子に光を照射する光源と、
前記空間光変調素子の各画素部を経た光を受けて該画素部の像を結像させる光学系と、
請求項1から8のいずれか1項に記載のマイクロレンズアレイとを備えた露光ヘッドにおいて、
前記空間光変調素子の各画素部を経て前記光学系を通過した光が、前記マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズにより個別に集光されることを特徴とする露光ヘッド。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明はマイクロレンズアレイおよび露光ヘッドに関し、特に詳細には、屈折型のマイクロレンズと回折構造とを備えたマイクロレンズアレイ、および該マイクロレンズアレイを備えた露光ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、空間光変調素子で変調された光を結像光学系に通し、この光による像を所定の感光材料上に結像して該感光材料を露光し、画像を形成する露光ヘッドが種々知られている。この種の露光ヘッドは、基本的に、照射された光を各々制御信号に応じて変調する多数の画素部が2次元状に配列されてなる空間光変調素子と、この空間光変調素子に光を照射する光源と、前記空間光変調素子により変調された光による像を感光材料上に結像する結像光学系とを備えてなるものである。
【0003】
この種の露光ヘッドにおいて、上記空間光変調素子としては、例えばLCD(液晶表示素子)やDMD(デジタル・マイクロミラー・デバイス)等が好適に用いられ得る。なお上記のDMDは、制御信号に応じて反射面の角度を変化させ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次元状に配列されてなるミラーデバイスである。
【0004】
特許文献1には、空間光変調素子で変調された光の光路に、空間光変調素子の各画素部にそれぞれ対応して各画素部からの光を集光するマイクロレンズがアレイ状に並設されてなるマイクロレンズアレイを配置した露光ヘッドが記載されている。この露光ヘッドでは、空間光変調素子からの光をマイクロレンズアレイを介して微小ドットに変換して、感光材料を露光し、感光材料上に画像を形成するようにしている。
【0005】
上記のような露光ヘッドに用いられるマイクロレンズアレイは、そのサイズが微小であることから半導体微細加工技術を応用して作製することができる。これは、円形にパターニングされたレジストを加熱溶融により流動化させ、表面張力によりレンズ曲面を形成した後、ドライエッチングによりエッチバックして基板にレンズ曲面の形状を転写してレンズとする方法である。
【0006】
図11に上記方法により作製されたマイクロレンズアレイ5の部分断面図を示す。このマイクロレンズアレイ5は、曲面形状をした各マイクロレンズ5aの間に隙間が存在し、この隙間は基板面からなる平坦な平坦部5bにより構成される。このマイクロレンズアレイ5を露光ヘッドに適用した場合、平坦部5bに入射した光はそのまま透過して感光材料150に到達し、マイクロレンズ5aによる露光位置Aとは異なる領域Bを露光してしまう。ここで、領域Bは、平坦部5bを透過した平行光により露光される領域であり、その位置は感光材料150において平坦部5bと対向し、その寸法は平坦部5bと同じである。その結果、感光材料にカブリが生じ、コントラストが悪化することになる。従来では、マイクロレンズアレイ5の平坦部5bに直接遮光膜を形成してコントラストの悪化を防止していた。
【0007】
一方、マイクロレンズアレイのその他の作製方法としては、ガラスモールド等の成形を用いた方法もある。この方法では、型の形状しだいで隙間の無いマイクロレンズアレイを作製することができ、上記平坦部5bをなくすことができる。しかし、マイクロレンズアレイを露光ヘッドに適用する場合、高コントラストの画像を得るためには、ビーム形状の整形やNA(開口数)の制御が必要であり、その際にはやはり遮光膜が用いられていた。
【0008】
マイクロレンズアレイに遮光膜を形成する方法は、特許文献2に記載された一般的なフォトリソグラフィを用いた遮光膜パターニング手法や、特許文献3に記載されたレンズ形成部以外をメッキすることで遮光膜を形成する方法や、特許文献4に記載されたレンズ間隙を遮光材料で充填する方法など、種々の方法が提案されている。
【特許文献1】特開2003−337425号公報
【特許文献2】特開平8−313706号公報
【特許文献3】特開平10−160905号公報
【特許文献4】特開2001−330709号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、従来のような半導体微細加工を用いた遮光膜付きのマイクロレンズアレイの作製では、作製工数が多く、また微細加工に使用する装置自体も高額であることから、製造のリードタイムが長くかかり、コストも高くなってしまうという問題がある。
【0010】
また、ガラスモールドを用いたマイクロレンズアレイの作製は安価であるが、これに遮光膜を付加するためには、半導体微細加工が必要であり、結局コストが高くなってしまい、コストダウンできないという問題がある。さらに、ガラスモールドでは収縮があるため、遮光膜形成に使用するフォトマスクを収縮に合わせて作製しなければならず、ガラスモールド自体の収縮を安定させるよう管理しなければならず、コストアップにつながるなどの問題がある。
【0011】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、遮光膜を用いることなく、マイクロレンズ以外の光透過領域からの光の影響を軽減可能なマイクロレンズアレイを安価に提供することを目的とする。
【0012】
また、本発明は、安価で高コントラストの露光が可能な露光ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明によるマイクロレンズアレイは、複数の屈折型のマイクロレンズが並設されてなるマイクロレンズアレイ本体と、前記マイクロレンズアレイ本体の前記マイクロレンズ以外の光透過領域に形成された回折構造と、を備えたことを特徴とするものである。
【0014】
前記回折構造が、入射光を複数の方向に分割するものであることが望ましい。
【0015】
また、前記マイクロレンズアレイ本体の入射面が平面に形成され、前記マイクロレンズアレイ本体の出射面に前記マイクロレンズおよび前記回折構造が形成されているようにしてもよい。
【0016】
ここで、前記マイクロレンズアレイ本体の出射側に配置された透明基板をさらに備え、前記透明基板により、前記回折構造による回折光の少なくとも一部が反射されるようにしてもよい。
【0017】
その際に、前記回折光の前記透明基板への入射角が、前記マイクロレンズを通過した光の前記透明基板への最大入射角よりも大きく、前記透明基板の入射面には、前記最大入射角よりも大きな入射角の入射光を反射させる膜が施されていることが望ましい。
【0018】
また、前記マイクロレンズアレイ本体の入射面に前記マイクロレンズおよび回折構造が形成され、前記マイクロレンズアレイ本体の出射面が平面に形成され、前記平面により、前記回折構造による回折光の少なくとも一部が反射されるようにしてもよい。
【0019】
その際に、前記回折光が前記平面で全反射条件が得られる入射角で入射するようにすることが望ましい。
【0020】
前記マイクロレンズアレイ本体がガラスモールドにより成形されることが望ましい。
【0021】
本発明による露光ヘッドは、照射された光を各々制御信号に応じて変調する画素部が複数並設されてなる空間光変調素子と、前記空間光変調素子に光を照射する光源と、前記空間光変調素子の各画素部を経た光を受けて該画素部の像を結像させる光学系と、上記記載のマイクロレンズアレイとを備えた露光ヘッドにおいて、前記空間光変調素子の各画素部を経て前記光学系を通過した光が、前記マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズにより個別に集光されることを特徴とするものである。
【0022】
なお、上記回折構造とは、光を回折する構造であり、例えば、断面形状が階段形状のバイナリー型の回折構造でもよく、あるいは断面形状が鋸歯状のブレーズ型の回折構造でもよい。
【0023】
上記の「マイクロレンズ以外の光透過領域」は、マイクロレンズの形状や透過するビームの断面形状によっては「マイクロレンズの有効径以外の光透過領域」も含むものとする。
【0024】
以下の説明では、感光材料上における領域のうち、マイクロレンズを通過した光が到達する領域、すなわちマイクロレンズにより露光されて画像が形成される領域を「画像形成領域」といい、マイクロレンズ以外の光透過領域に対応する領域を「背景領域」ということにする。すなわち、「背景領域」は、図11に示す領域Bのように、マイクロレンズ以外の光透過領域が平坦面で形成されていたとして、この光透過領域を透過した平行光により露光される領域を示す。本発明は、画像形成領域での露光量と背景領域での露光量との比を、従来のものから改善することにより、コントラストの高い露光を実現するものである。
【発明の効果】
【0025】
本発明によるマイクロレンズアレイによれば、回折構造により、マイクロレンズ以外の光透過領域からの透過光である回折光を制御して、マイクロレンズ以外の光透過領域からの光の影響を軽減できる。具体的には、本発明によるマイクロレンズアレイを露光ヘッドに適用した場合には、回折光を制御することにより、背景領域での露光量を減少させ、背景領域での露光量に対する画像形成領域での露光量の比を大きくして、コントラストを向上させることができる。また、本発明のマイクロレンズアレイでは、遮光膜を用いずに、回折構造により光を制御しているため、安価に作製できる。
【0026】
前記回折構造が、入射光を複数の方向に分割するものとすれば、従来に比べ背景領域での露光量を減少させ、コントラストを向上できる。
【0027】
前記マイクロレンズアレイ本体の出射側に透明基板をさらに配置し、前記透明基板により、前記回折構造による回折光の少なくとも一部が反射されるようにすれば、マイクロレンズ以外の光透過領域からの光の一部を遮断でき、従来に比べ背景領域での露光量を減少させ、コントラストを向上できる。さらに、この透明基板により、レジストとの接触による汚損や、レジスト中の有機物付着による汚染などからマイクロレンズアレイ本体を保護でき、汚損や汚染が発生した際には、透明基板だけを交換すれば良く、アライメントや倍率調整の必要なマイクロレンズアレイ本体を交換しなくても良くなり、メンテナンス性も向上する。
【0028】
その際に、前記回折光の前記透明基板への入射角が、前記レンズの出射光の前記透明基板への最大入射角よりも大きく、前記透明基板の入射面には、前記最大入射角よりも大きな入射角の入射光を反射させる膜が施されているようにすれば、マイクロレンズを通過した光は前記透明基板を透過し、マイクロレンズ以外の光透過領域を通過した光は前記透明基板で遮断されて感光材料に到達できないため、よりコントラストを向上させることができる。
【0029】
前記マイクロレンズアレイ本体の入射面に前記マイクロレンズおよび回折構造が形成され、前記マイクロレンズアレイ本体の出射面が平面に形成され、前記平面により、前記回折構造による回折光の少なくとも一部が反射されるようにすれば、マイクロレンズ以外の光透過領域からの光の一部を遮断でき、背景領域での露光量が従来に比べて減少し、コントラストを向上させることができる。この場合は、上記のような透明基板を用いることなく、マイクロレンズアレイ本体のみで上記の透明基板を用いた場合と同様の効果が得られる。さらに、マイクロレンズアレイ本体の出射面である露出面が平面形状のため、汚染物質等の付着物を拭き取り易く、メンテナンス性も向上する。
【0030】
また、前記回折光が前記平面で全反射条件が得られる入射角で入射するようにすれば、マイクロレンズ以外の光透過領域を通過した光は前記透明基板で遮断されて感光材料に到達できないため、よりコントラストを向上させることができる。
【0031】
また、前記マイクロレンズアレイをガラスモールドにより成形すれば、安価に作製できる。
【0032】
前記マイクロレンズアレイを照射された光を各々制御信号に応じて変調する画素部が複数並設されてなる空間光変調素子を備えた露光ヘッドに適用して、前記空間光変調素子の各画素部を経て前記光学系を通過した光が、上記マイクロレンズアレイの上記マイクロレンズにより個別に集光されるようにすれば、安価で高コントラストの露光が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0033】
以下、図面を参照して、本発明の第1の実施形態によるマイクロレンズアレイについて説明する。図1はこのマイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズアレイ本体55の構成を示す部分断面図である。
【0034】
マイクロレンズアレイ本体55は、2次元状に並設された多数の凸レンズのマイクロレンズ55aと、マイクロレンズ55a以外の光透過領域に隙間無く形成された回折構造55bとを有する。マイクロレンズ55aおよび回折構造55bは、本実施形態では出射面側に形成され、マイクロレンズアレイ本体55の入射面側は平面に形成されている。本実施形態のマイクロレンズアレイ本体55を図11の従来のマイクロレンズアレイ5と比べると、マイクロレンズアレイ5の平坦部5bを回折構造55bで置き換えた構成となっている。なお、図1において、マイクロレンズ55aおよび回折構造55bの形状は概略的に示してある。
【0035】
マイクロレンズアレイ本体55の一例としては、マイクロレンズ55aは1024個×256列に配置され、その配置ピッチは縦方向、横方向とも41μm、焦点距離0.19mm、NA(開口数)が0.11とすることができる。
【0036】
図1は、上記構成のマイクロレンズアレイ本体55の入射面に垂直に平行光を入射させ、マイクロレンズ55aの透過光の合焦位置に感光材料150を配置した状態を示す。このとき、回折構造55bに入射した光は、回折構造55bで回折され、その進行方向は回折の次数に応じて異なり、0次光は入射光と同方向であるが、高次光になるにつれて入射光とのなす角度は大きくなる。つまり、1方向から入射した平行光は、回折構造55bにより複数の方向に進む光として分割される。
【0037】
本実施形態によれば、背景領域での露光量が従来に比べて減少し、背景領域での露光量に対する画像形成領域での露光量の比が大きくなり、感光材料へのカブリが低減され、コントラストを向上させることができる。
【0038】
図2は、感光材料の一例である標準的ポジ型レジストの露光量とレジスト残膜量の関係を示す模式図であり、横軸が露光量、縦軸がレジスト残膜量である。露光量が増加するにつれてレジスト残膜量は減少し、露光量が閾値Eth以上ではレジスト残膜量は0となる。図11に示す従来のマイクロレンズアレイ5を用いた場合の背景領域での露光量Epに対するレジスト残膜量はRpである。本実施形態の背景領域での露光量Ebは、光が複数の方向に分割されて感光材料150上に到達しているため、露光量Epより少ない値となる。よって、本実施形態における露光量Ebによるレジスト残膜量Rbは、レジスト残膜量Rpよりも多くなる。図2に示すレジスト残膜量(Rb−Rp)が、従来生じていた透過光によるカブリと考えられ、本実施形態の回折構造55bを設けることにより、この分が改善されていることになる。なお、図2の露光量Eaは、マイクロレンズ5a、55aの露光位置における露光量であり、この露光量Eaでは、レジスト残膜量は0となる。
【0039】
上記回折構造55bは、凹凸形状の構造のみで構成されているため、マイクロレンズアレイをガラスモールド等の成形により作製するときに同時に作製することが可能であり、工数を増加させることなく、安価に作製できる。
【0040】
また、回折構造55bのピッチ、高さ等の構成を制御することで、よりコントラストを高めることができる。例えば、回折構造55bのピッチを制御することで、高次光の出射角度を制御し、感光材料150に対して反射率が高くなる角度にしたり、回折構造55bの高さを制御して0次光が打ち消し合うようにして0次光の強度を減少させたりして、よりコントラストの向上を図ることができる。
【0041】
以下、上記のようなマイクロレンズアレイの作製方法の一例について図3を参照しながら説明する。始めに、図3(a)に示すように、合成石英ガラス基板(HOYA製、EQZマスクグレード)基板10上に電子線レジスト(日本ゼオン製、ZEP520)12を0.2〜0.5μmの厚さで塗布し、所定ピッチの回折構造のパターンを描画する。このとき、電子線によるチャージアップ防止のため、導電コート剤(昭和電工製、エスペイサー)をレジスト12の表面に予めコーティングしておく。導電コートを水洗除去した後、専用現像液で現像、リンスを行い、回折構造のパターンを形成する。
【0042】
次に高密度プラズマエッチング装置を用いて、作製した回折構造のパターンをエッチングマスクとして、図3(b)に示すように、合成石英ガラス基板10を所定量エッチングする。エッチングガスとしてはCF等のフッ素系ガスを用い、基板を10〜30゜Cに冷却しながら行う。所定量のエッチングが進行した後、酸素系ガスを導入し、連続してアッシングを行い、エッチングマスクを除去する。これまでの工程により、図3(c)に示すように、所定ピッチと高さを持つ回折構造が形成された石英ガラス基板10ができあがる。
【0043】
このときの回折構造は、405nmの半導体レーザを光源に用いる場合、回折構造の高さは、凸と凹部分の通過した光の位相差が2πからずれていれば良い。2πの時のみ位相差が生じないため、回折が起きないがそれ以外では起きるため光を周囲に回折させ、露光面での不要光を低減させる効果がある。位相差Δφ=2π(n1−n2)d/λとすると(n1=1.45:ガラス板の屈折率、n2=1:空気の屈折率、d=凸と凹の段差、λ=405nm:半導体レーザの波長)、Δφ=2πの時、d=0.9μmとなる。この値以外にすれば回折が生じ、不要光の低減ができる。回折構造のピッチは、細かい程、回折角が大きくとれる。
【0044】
次に図3(d)に示すように、回折構造が形成された合成石英ガラス基板10にポジ型レジスト14を塗布し、150〜200゜Cの温度でハードベークして平坦化する。回折構造の凹凸が大きく、平坦にならなかった場合は、この作業を数回繰り返す。そして、図3(e)に示すように、平坦になったレジスト表面にマイクロレンズ55aとなるレンズ形状を形成するためのレジスト16を再度塗布する。このときの膜厚はレンズ曲率に合わせて調整する。図3(f)に示すように、フォトリソグラフィによりレンズ形成領域を決定するレジスト16の円形パターンを形成し、120〜140゜Cの温度で加熱してレジスト16を溶融させ、表面張力によりレンズ面を形成する。マイクロレンズ55aの配列ピッチは20〜50μmであり、円形パターンの直径はこのピッチの70〜90%で形成されている。
【0045】
その後、Oをエッチングガスとし、図3(g)に示すように、回折構造が露出するまで高密度プラズマエッチングを行う。回折構造の露出の判断は時間管理でも可能であるが、より厳密に行うには、プラズマの発光スペクトル強度を検出して判断する。続けて、CHF、CF、Oの混合ガスを用い、レジスト16と合成石英ガラス基板10のエッチングレートがほぼ等しくなる条件でエッチングを行い、レンズ形状を転写して、図3(h)に示すような、マイクロレンズ55aの形状、およびその周辺に回折構造55bの形状が形成された母型18を作製する。
【0046】
次に、この母型18にNi電鋳を行って、図3(i)に示すようにニッケル電鋳型26を作製する。先ず、母型にNiをスパッタにて50〜100nm成膜する。その後、スルファミン酸ニッケルメッキ浴にて、厚さ300〜1000μmのニッケルメッキを行った後、図3(j)に示すように、母型18から剥離して、逆転した形状のニッケル電鋳型20を得る。更に、剥離したニッケル電鋳型20の表面にチタンナイトライドを反応性スパッタにて100nmから3μmの所定厚さ形成し、保護膜とする。
【0047】
作製したニッケル電鋳型20を成形装置に設置し、図3(k)に示すように、ガラス転移点が300゜C〜500゜Cの低融点ガラスのプリフォーム(マイクロレンズアレイ本体)22をガラス転移点以上の温度に加熱し、減圧状態に保持した状態でニッケル電鋳型を押し付け、その状態でガラス転移点以下の温度まで冷却した後、ニッケル電鋳型を引き剥がして、図3(l)に示すようにマイクロレンズ55aの以外の光透過領域に回折構造55bとなる形状が形成されたマイクロレンズアレイ本体22を作製する。
【0048】
以下に、上記マイクロレンズアレイを有する本発明の実施形態による露光ヘッドについて説明する。図4はこの露光ヘッドの概略構成を示す斜視図であり、図5はこの露光ヘッドの断面図である。露光ヘッド166は、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイス(米国テキサス・インスツルメンツ社製、以下DMDという)50を備える。マイクロレンズアレイ本体55からなるマイクロレンズアレイは、DMD50で変調された光の光路に配置され、マイクロレンズ55aはDMD50の各画素部にそれぞれ対応して各画素部からの光を集光する。
【0049】
DMD50の光入射側には、ファイバアレイ光源66、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光を補正してDMD上に集光させるレンズ系67、このレンズ系67を透過したレーザ光をDMD50に向けて反射するミラー69がこの順に配置されている。レンズ系67は、ファイバアレイ光源66から出射した照明光としてのレーザ光Lを集光する集光レンズ71、この集光レンズ71を通過した光の光路に挿入されたロッド状オプティカルインテグレータ(以下、ロッドインテグレータという)72、およびこのロッドインテグレータ72の下流側、つまりミラー69側に配置されたコリメータレンズ74から構成されている。集光レンズ71、ロッドインテグレータ72およびコリメータレンズ74は、ファイバアレイ光源66から出射したレーザ光を、平行光に近くかつビーム断面内強度が均一化された光束としてDMD50に入射させる。上記レンズ系67から出射したレーザ光Lはミラー69で反射し、TIR(全反射)プリズム70を介してDMD50に照射される。
【0050】
DMD50は図6に示すように、SRAMセル(メモリセル)60上に、各々画素(ピクセル)を構成する多数(例えば1024個×768個)の微小ミラー(マイクロミラー)62が格子状に配列されてなるミラーデバイスである。各ピクセルにおいて、最上部には支柱に支えられたマイクロミラー62が設けられており、マイクロミラー62の表面にはアルミニウム等の反射率の高い材料が蒸着されている。なお、マイクロミラー62の反射率は90%以上であり、その配列ピッチは縦方向、横方向とも一例として13.7μmである。また、マイクロミラー62の直下には、ヒンジおよびヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラインで製造されるシリコンゲートのCMOSのSRAMセル60が配置されており、全体はモノリシックに構成されている。
【0051】
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±12度)の範囲で傾けられる。図7(A)は、マイクロミラー62がオン状態である+α度に傾いた状態を示し、図7(B)は、マイクロミラー62がオフ状態である−α度に傾いた状態を示す。したがって、画像信号に応じて、DMD50の各ピクセルにおけるマイクロミラー62の傾きを、図6に示すように制御することによって、DMD50に入射したレーザ光L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。
【0052】
なお図7には、DMD50の一部を拡大し、マイクロミラー62が+α度又は−α度に制御されている状態の一例を示す。それぞれのマイクロミラー62のオンオフ制御は、DMD50に接続された前記コントローラ302によって行われる。また、オフ状態のマイクロミラー62で反射したレーザ光Lが進行する方向には、光吸収体(図示せず)が配置されている。
【0053】
DMD50の光反射側には、DMD50で反射されたレーザ光Lを、感光材料150上に結像する結像光学系51が配置されている。この結像光学系51は、レンズ系52,54からなる第1結像光学系と、レンズ系57,58からなる第2結像光学系と、これらの結像光学系の間に挿入された上述のマイクロレンズアレイ本体55と、アパーチャアレイ59とから構成されている。
【0054】
上記アパーチャアレイ59は、マイクロレンズアレイ本体55の各マイクロレンズ55aに対応する多数のアパーチャ(開口)59aが形成されてなるものでああり、本実施形態では、ビームウエスト位置近傍に配置されている。上記第1結像光学系は、DMD50による像を3倍に拡大してマイクロレンズアレイ本体55上に結像する。そして第2結像光学系は、マイクロレンズアレイ本体55を経た像を1.6倍に拡大して感光材料150上に結像、投影する。したがって全体では、DMD50による像が4.8倍に拡大して感光材料150上に結像、投影されることになる。
【0055】
なお本例では、第2結像光学系と感光材料150との間にプリズムペア73が配設され、このプリズムペア73を図5中で上下方向に移動させることにより、感光材料150上における像のピントを調節可能となっている。なお同図中において、感光材料150は矢印F方向に副走査送りされ、上記構成の露光ヘッドと感光材料150を相対移動させることにより、露光を行う。
【0056】
以下に、本発明の第2の実施形態によるマイクロレンズアレイについて図8を参照しながら説明する。図8はマイクロレンズアレイの構成を示す部分断面図である。本実施形態のマイクロレンズアレイは、マイクロレンズアレイ本体155と、マイクロレンズアレイ本体155の出射側に配置された透明基板56を有する。
【0057】
マイクロレンズアレイ本体155は、2次元状に並設された多数のマイクロレンズ155aと、マイクロレンズ155a以外の光透過領域に隙間無く設けられた回折構造155bとを有する。マイクロレンズ155aおよび回折構造155bは、本実施形態では出射面側に形成され、マイクロレンズアレイ本体155の入射面側は平面に形成されている。なお、図8において、マイクロレンズ55aおよび回折構造55bの形状は概略的に示してあり、マイクロレンズ155aを経由した光の透明基板56での屈折は省略して図示している。
【0058】
本実施形態では、回折構造155bによる回折光の透明基板56への入射角が、マイクロレンズ155aのNA(開口数)で決まる透明基板56への最大入射角より大きくなるように回折構造155bのピッチが設定されている。
【0059】
透明基板56は、ガラス等の透明の光学材料からなる平行平板である。透明基板56のマイクロレンズアレイ本体155側には、上記最大入射角以下の角度で入射する光を透過させ、上記最大入射角より大きな角度で入射する光を反射させるような、透過率が角度依存性を有する膜56aが施されている。よって、マイクロレンズ155aを透過した光は透明基板56を透過して感光材料150に到達し、回折構造155bでの回折光は透明基板56の膜56aで反射されて感光材料150に到達しない。これにより、背景領域での露光量が従来に比べて減少し、背景領域での露光量に対する画像形成領域での露光量の比が大きくなり、コントラストを向上させることができる。
【0060】
なお、上記構成において、必ずしも回折構造155bによる回折光の全てが透明基板56で反射されなくてもよく、回折構造155bによる回折光の一部の透明基板56への入射角が、上記最大入射角より大きくなるようにすれば、回折構造155bに入射した光が反射光と透過光に分割されるため、従来と比べてコントラスト向上の効果を得ることができる。
【0061】
同様に、透明基板56に施す膜56aの入射角依存性も、必ずしも上記のように最大入射角で厳密に透過率が変化しなくてもよく、上記最大入射角前後で透過率の値が変化するようにすれば、従来と比べてコントラスト向上の効果を得ることができる。
【0062】
なお、透明基板56に膜が施されていない場合でも、回折構造55bでの回折光の一部は透明基板56で反射されて、回折構造155bに入射した光が反射光と透過光に分割されるため、従来と比べてコントラスト向上の効果を得ることができる。この場合も、回折構造55bのピッチ、高さ等の構成を制御することで、高次光の透明基板56への入射角度が大きくしたり、0次光の強度を減少させたりすれば、よりコントラストを向上させることができる。
【0063】
透明基板56は、マイクロレンズアレイ本体155の保護部材としても機能する。この透明基板により、レジストとの接触による汚損や、レジスト中の有機物付着による汚染などからマイクロレンズアレイ本体155を保護でき、汚損や汚染した際には、透明基板だけ交換すれば良く、アライメントや倍率調整の必要なマイクロレンズアレイ本体155を交換しなくても良くなり、メンテナンス性向上の効果も得られる。
【0064】
以下に、本発明の第3の実施形態によるマイクロレンズアレイについて図9を参照しながら説明する。図9はこのマイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズアレイ本体255の構成を示す部分断面図である。
【0065】
マイクロレンズアレイ本体255は、2次元状に並設された多数のマイクロレンズ255aと、マイクロレンズ255a以外の光透過領域に隙間無く設けられた回折構造255bとを有する。本実施形態では、マイクロレンズアレイ本体255の入射面側に凸レンズのマイクロレンズ255aおよび回折構造255bが形成され、出射面側は平面に形成されており、この点が第1の実施形態のマイクロレンズアレイ本体55と大きく異なる。
【0066】
また、本実施形態では、回折構造255bによる回折光が出射面側の平面255cで全反射条件を満たす入射角で入射するように、回折構造255bのピッチが設定されている。よって、マイクロレンズ255aを透過した光はマイクロレンズアレイ本体255を透過して感光材料150に到達し、回折構造255bでの回折光はマイクロレンズアレイ本体255の出射面側の平面255cで全反射されて感光材料150に到達しない。これにより、背景領域での露光量が従来に比べて減少し、背景領域での露光量に対する画像形成領域での露光量の比が大きくなり、コントラストを向上させることができる。
【0067】
なお、このとき、回折構造55bのピッチ、高さ等の構成を制御することで、0次光の強度をほぼ0にし、1次以上の回折光が全て全反射されるようにすることが望ましいが、必ずしもこのようにしなくてもよい。回折構造155bによる高次の回折光が前記平面で全反射する、あるいは回折構造155bによる回折光の一部が反射するようにすれば、回折構造255bに入射した光が反射光と透過光に分割されるため、従来と比べてコントラスト向上の効果を得ることができる。
【0068】
本実施形態を第2の実施形態を比較すると、本実施形態はマイクロレンズアレイ本体255単体で、別の部材を追加することなく、第2の実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態においても、出射面である露出面が平面形状のため、汚染物質等の付着物を拭き取り易く、メンテナンス性が向上する。
【0069】
上記第2,第3の実施形態のマイクロレンズアレイ本体は、第1の実施形態のマイクロレンズアレイ本体と同様に作製でき、また、前述の露光ヘッドに適用して、DMD50の各マイクロミラー62を経た光を、マイクロレンズアレイのマイクロレンズにより個別に集光して感光材料上に結像させるのに用いることができる。
【0070】
以下に、上記実施形態の変形例による露光ヘッドについて説明する。図10は、この変形例の露光ヘッドを示す断面図である。この露光ヘッドは、第1の実施形態の結像光学系51に代わり、第1の実施形態の結像光学系51からレンズ系57,58からなる第2結像光学系およびアパーチャアレイ59を省いた結像光学系51’を用いた点が基本的に異なるものである。すなわち本実施形態においては、マイクロレンズアレイ本体55の各マイクロレンズ55aによる集光位置に感光材料150が配置され、該マイクロレンズアレイ本体55が集光した像が直接この感光材料150に露光されるようになっている。その他の構成については前述の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。なお、図10では、第1の実施形態のマイクロレンズアレイを用いた例を示したが、本変形例においても、第1の実施形態のマイクロレンズアレイの代わりに第2,第3の実施形態のマイクロレンズアレイを適用可能である。
【0071】
なお、上記例では、空間光変調素子としてDMDを備えた露光ヘッドについて説明したがこのような反射型空間光変調素子の他に、透過型空間光変調素子(LCD)を使用することもできる。例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)タイプの空間光変調素子(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)や液晶光シャッタ(FLC)等の液晶シャッターアレイなど、MEMSタイプ以外の空間光変調素子を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】本発明の第1の実施形態によるマイクロレンズアレイの部分断面図
【図2】ポジ型レジストの露光量とレジスト残膜量を示す図
【図3】図1のマイクロレンズアレイ本体の製造工程図
【図4】本発明の第1の実施形態による露光ヘッドの概略構成を示す斜視図
【図5】図4の露光ヘッドの断面図
【図6】デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)の構成を示す部分拡大図
【図7】(A)および(B)はDMDの動作を説明するための説明図
【図8】本発明の第2の実施形態によるマイクロレンズアレイの部分断面図
【図9】本発明の第3の実施形態によるマイクロレンズアレイの部分断面図
【図10】本発明の変形例による露光ヘッドの断面図
【図11】従来の露光ヘッドが有するマイクロレンズアレイの部分断面図
【符号の説明】
【0073】
5 マイクロレンズアレイ
5a、55a、155a、255a マイクロレンズ
5b 平坦部
50 デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)
51、51’ 結像光学系
52、54 レンズ系
55、155、255 マイクロレンズアレイ本体
55b、155b、255b 回折構造
56 透明基板
56a 膜
57、58 レンズ系
59 アパーチャアレイ
59a アパーチャ
62 マイクロミラー
66 ファイバアレイ光源
68 レーザ出射部
69 ミラー
72 ロッドインテグレータ
73 プリズムペア
150 感光材料
168 露光エリア
170 露光済み領域
255c 平面




 

 


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