專利名稱：圖像曝光裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像曝光裝置。尤其是，本發(fā)明涉及這樣一種圖像曝光裝置在其中光敏材料通過在其上聚焦光圖像而被曝光，所述光圖像由經(jīng)空間光調(diào)制器件所調(diào)制的光線表示。
本發(fā)明還涉及使用這種圖像曝光裝置的圖像曝光方法。
背景技術(shù)：
圖像曝光系統(tǒng)是已知的，其中經(jīng)空間光調(diào)制器件所調(diào)制的光線通過圖像聚焦光系統(tǒng)，將由上述光線所表示的圖像聚焦在預(yù)定光敏材料上，以使用上述圖像對上述光敏材料曝光。這種圖像曝光系統(tǒng)主要包括空間光調(diào)制器件、光源和圖像聚焦光系統(tǒng)，空間光調(diào)制器件具有二維布置的多個像素部分，各個像素部分用于依據(jù)控制信號調(diào)制照射光線；光源用于將光線照射在空間光調(diào)制器件上；圖像聚焦光系統(tǒng)用于將由經(jīng)空間光調(diào)制器件調(diào)制的光線所表示的光圖像聚焦在光敏材料上。
在這種圖像曝光系統(tǒng)中，例如LCD(液晶顯示器)、DMD(數(shù)字微鏡器件)或類似的器件可以優(yōu)選被用作空間光調(diào)制器件。上述的DMD為鏡器件，在其中依據(jù)控制信號改變反射面角度的多個矩形微鏡被二維布置在半導(dǎo)體基底上，上述半導(dǎo)體基底例如由硅或類似物制造。
在上述圖像曝光系統(tǒng)中，情況經(jīng)常是圖像需要在被投射在光敏材料上之前被放大。如果是這種情況，則圖像放大和聚焦光系統(tǒng)被用作圖像聚焦光系統(tǒng)。經(jīng)由空間光調(diào)制器件通過圖像放大和聚焦光系統(tǒng)傳播的光的簡單通過可能導(dǎo)致來自空間光調(diào)制器件中每個像素部分的光束較寬。因此，投影圖像中的像素尺寸變大，進(jìn)而圖像的清晰度變差。
因此，已經(jīng)考慮使用第一和第二圖像聚焦光系統(tǒng)來增大和投影圖像。在這種結(jié)構(gòu)中，第一圖像聚焦光系統(tǒng)被設(shè)置在通過由微透鏡構(gòu)成的微透鏡陣列、由空間光調(diào)制器件所調(diào)制的光線的光路中，各個微透鏡對應(yīng)于空間光調(diào)制器件的各個像素部分、且被布置成設(shè)置在第一圖像聚焦光系統(tǒng)的圖像聚焦平面處的陣列，以及第二圖像聚焦光系統(tǒng)被設(shè)置在穿過微透鏡陣列的光線的光路上，第二圖像聚焦光系統(tǒng)用于將由被調(diào)制的光線所表示的圖像聚焦在光敏材料或屏幕上。在上述結(jié)構(gòu)中，被投影在光敏材料或屏幕上的圖像大小可被增大，并且圖像清晰度可以被保持在高水平，因?yàn)閬碜钥臻g光調(diào)制器件中各個像素部分的光線通過微透鏡陣列中的各個微透鏡被聚焦，從而投影圖像中的像素大小(點(diǎn)大小)被變窄且保持在小的尺寸。
結(jié)合微透鏡陣列的使用DMD作為空間光調(diào)制器件的這種圖像曝光系統(tǒng)之一被描述在日本未審查專利公開No.2001-305663中。類似類型的圖像曝光系統(tǒng)被描述在日本未審查專利公開No.2004-122470中。在上述系統(tǒng)中，帶有多個孔徑的孔徑陣列(孔徑板)被設(shè)置在微透鏡陣列后面、以僅允許經(jīng)由相應(yīng)微透鏡傳播的光線通過孔徑，其中各個孔徑對應(yīng)于微透鏡陣列的各個微透鏡。這種結(jié)構(gòu)防止來自相鄰微透鏡的光線進(jìn)入該孔徑，其中相鄰微透鏡沒有對應(yīng)于孔徑板中的孔徑，使得雜散光線可以被阻止進(jìn)入相鄰像素。進(jìn)一步，即使在DMD中的像素(微鏡)被關(guān)閉(turn off)以遮住光線時，有時也會有少量光線可能入射在曝光面上。還有，在這種情況中，在DMD的像素關(guān)閉(turn off)時，上述結(jié)構(gòu)可能減少出現(xiàn)在曝光面上的光量。
將空間光調(diào)制器件與微透鏡陣列結(jié)合的常規(guī)圖像曝光系統(tǒng)具有的問題在于通過微透鏡陣列中的各個微透鏡被聚焦在光敏材料上的光束有少量波動。這導(dǎo)致就好像用具有較大斑點(diǎn)直徑的光束實(shí)施曝光一樣，進(jìn)而曝光圖像的分辨率變差。
具體地，在將DMD用作空間光調(diào)制器件時，這個問題更明顯。此后，將詳細(xì)描述在將DMD用作空間光調(diào)制器件時的問題。圖17示出了DMD中的微鏡的響應(yīng)特性。這里，假定微鏡在其關(guān)閉時占用遠(yuǎn)離參考位置(基底表面)-12度的位置，以及在打開(turn on)時占用遠(yuǎn)離參考位置+12度的位置。在圖17中，假定“on(打開)”信號在時刻0被輸入，微鏡應(yīng)當(dāng)理想地立即占用+12度位置，并且在那里變得靜止不動。然而，實(shí)際上，由于波動微鏡的慣性和反彈，顫動發(fā)生在以+12度為中心的某種角度范圍內(nèi)。因此，微鏡僅僅在顫動被會聚之后變得靜止不動。
在常規(guī)系統(tǒng)中，微透鏡陣列被設(shè)置，以使微透鏡被定位在如先前所述的第一圖像聚焦光系統(tǒng)中的圖像聚焦平面上，如果微鏡的響應(yīng)具有上述的瞬時響應(yīng)特性，則進(jìn)入微透鏡的光束角度在小范圍內(nèi)波動。這導(dǎo)致光束在光敏材料上的位置波動。
迄今為止，已經(jīng)描述了將DMD用作空間光調(diào)制器件時的問題。即使在不同種空間光調(diào)制器件被采用的情況中，如果進(jìn)入微透鏡的光束角度因這種或那種原因波動，同樣會出現(xiàn)曝光圖像分辨率變差的問題。
考慮上述的境況，本發(fā)明的目的為提供一種圖像曝光裝置，其組合空間光調(diào)制器件和微透鏡陣列，以及提供一種能夠確保曝光圖像具有高質(zhì)量的圖像曝光方法。

發(fā)明內(nèi)容
盡管在常規(guī)圖像曝光裝置中，空間光調(diào)制器件中像素部分的像素圖像被聚焦在微透鏡陣列的位置處，但是它們被聚焦在孔徑陣列的各自孔徑平面處，然后它們通過微透鏡陣列、或者依據(jù)本發(fā)明的圖像曝光裝置中的微透鏡陣列和另外的投射光系統(tǒng)而被聚焦為光敏材料上的圖像。
尤其是，依據(jù)本發(fā)明的第一圖像曝光裝置為在其中光敏材料由經(jīng)由空間光調(diào)制器件傳播的光線曝光以表示圖像的圖像曝光裝置，該裝置包括空間光調(diào)制器件，其包括設(shè)置在陣列中的多個像素部分，每個像素部分用于調(diào)制照射在其上的光線；光源，其用于將光線照射在空間光調(diào)制器件上；圖像聚焦光系統(tǒng)，其用于會聚經(jīng)由空間光調(diào)制器件傳播的光線，并且聚焦像素部分中的每個像素圖像；孔徑陣列，其由不透明材料制造，具有設(shè)置在陣列中的多個孔徑，所述孔徑被放置在通過圖像聚焦光系統(tǒng)聚焦的圖象位置處，以使像素部分中的各個像素圖像被定位在各個孔徑平面處；微透鏡陣列，其包括設(shè)置在陣列中的多個微透鏡，每個微透鏡用于聚焦處于預(yù)定位置處被定位在各個孔徑平面處的各個像素圖像；和光系統(tǒng)，其用于將通過微透鏡陣列聚焦的圖像聚焦和投射在光敏材料上。
這里，上述的多個像素部分、孔徑和微透鏡可以被設(shè)置在二維陣列或一維陣列中。
上述的這種孔徑陣列還在例如日本未審查專利公開No.2004-122470中被公開。但是這里公開的孔徑陣列被設(shè)置在微透鏡陣列之前或之后、以遮擋在微鏡陣列中的微透鏡的周圍和外部區(qū)域中傳播的光線。它明確地為微透鏡陣列，而不是與本發(fā)明中一樣的孔徑陣列，本發(fā)明中的孔徑陣列被設(shè)置在空間光調(diào)制器件的像素部分的圖像位置處。從而，在這里所公開的圖像曝光裝置在這方面不同于本發(fā)明中的圖像曝光裝置。
依據(jù)本發(fā)明的第二圖像曝光裝置為包括空間光調(diào)制器件、光源、圖像聚焦光系統(tǒng)和孔徑陣列的圖像曝光裝置，這些與上述的第一圖像曝光裝置相同。它進(jìn)一步包括微透鏡陣列，該微透鏡陣列包括設(shè)置在陣列中的多個微透鏡，每個微透鏡用于將被定位在各個孔徑平面處的各個像素圖像聚焦在光敏材料上。
優(yōu)選地，在依據(jù)本發(fā)明的各個裝置中，在其中用作像素部分的微鏡被二維地設(shè)置的DMD被用作空間調(diào)制器件。
依據(jù)本發(fā)明的圖像曝光方法是使用本發(fā)明的上述任一圖像曝光裝置將預(yù)定圖案曝光在光敏材料上的方法。
在依據(jù)本發(fā)明的圖像曝光裝置中，空間光調(diào)制器件的像素部分的像素圖象被聚焦在孔徑陣列的各自孔徑平面處，其然后通過微透鏡陣列被聚焦。這種布置使得通過微透鏡陣列聚焦的圖像位置將被保持不變，因?yàn)閬碜钥臻g光調(diào)制器件的像素部分的光線以任意入射角度進(jìn)入各自孔徑平面內(nèi)。在第一圖像曝光裝置中，通過微透鏡陣列所聚焦的圖像使用另一光系統(tǒng)被投射在光敏材料上，或者在第二圖像曝光裝置中，通過微透鏡陣列所聚焦的圖像被直接聚焦在光敏材料上，可以防止由于光束位置在光敏材料上因上述入射角改變而出現(xiàn)波動引起曝光圖像的分辨率變差。
另外，如上所述，被定位在孔徑陣列中各自孔徑平面處的像素圖像通過微透鏡陣列被聚焦，使得即使在進(jìn)入孔徑陣列59的光束的光束直徑由于被設(shè)置在孔徑陣列前的圖像聚焦光系統(tǒng)的場曲率、象散差等等而波動時，也能使光敏材料上的光束直徑保持不變。這還使得將被曝光的圖像具有高分辨率。
優(yōu)選地，依據(jù)本發(fā)明的圖像曝光裝置被構(gòu)造，以采用包括二維設(shè)置為空間光調(diào)制器件的微透鏡的DMD，因?yàn)榭梢苑乐褂捎谖㈢R的瞬時響應(yīng)特性而導(dǎo)致的更可能出現(xiàn)在DMD中的上面所提及問題。
依據(jù)本發(fā)明的圖像曝光方法是使用本發(fā)明中的任一圖像曝光裝置、將預(yù)定圖案曝光在光敏材料上的方法。因此，該方法可以容易地防止上面所提及問題。


圖1是依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的圖像曝光裝置的透視圖，示出其整體。
圖2是圖1中所示圖像曝光裝置中掃描儀的透視圖，示出其結(jié)構(gòu)。
圖3A是光敏材料的平面圖，示出其被曝光區(qū)域。
圖3B是示出各個曝光頭中曝光區(qū)域的布置的視圖。
圖4是圖1中所示的圖像曝光裝置中的曝光頭的透視圖，示出其簡要構(gòu)造。
圖5是上述曝光頭的示意性橫截面圖。
圖6是數(shù)字微鏡器件(DMD)的局部放大圖，示出其結(jié)構(gòu)。
圖7A是用于解釋DMD操作的圖。
圖7B是用于解釋DMD操作的圖。
圖8A是DMD的平面圖，示出在DMD沒有相對于副掃描方向傾斜時曝光光束和掃描線的布置。
圖8B是DMD的平面圖，示出在DMD相對于副掃描方向傾斜時曝光光束和掃描線的布置。
圖9A是光纖陣列光源的透視圖，示出其結(jié)構(gòu)。
圖9B是前正視圖，示出在光纖陣列光源的激光輸出部分處發(fā)光點(diǎn)的設(shè)置。
圖10是示出多模光纖的結(jié)構(gòu)圖。
圖11是光束組合激光光源的平面圖，示出其結(jié)構(gòu)。
圖12是激光器模塊的平面圖，示出其結(jié)構(gòu)。
圖13是在圖12中所示激光器模塊的側(cè)視圖，示出其結(jié)構(gòu)。
圖14是圖12中所示激光器模塊的局部前視圖，示出其結(jié)構(gòu)。
圖15是示出上述圖像曝光裝置的電氣結(jié)構(gòu)的框圖。
圖16A是示出在DMD中使用的示例區(qū)域的圖。
圖16B是示出在DMD中使用的示例區(qū)域的圖。
圖17是示出包括DMD的微鏡的瞬時響應(yīng)的圖。
圖18是用在依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的圖像曝光裝置中的曝光頭的示意性橫截面圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施方式此后，將參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。依據(jù)第一實(shí)施例的圖像曝光裝置將被首先描述。
如圖1中所示，本實(shí)施例中的圖像曝光裝置包括板狀移動臺150，用于通過吸附在其上保持片狀感光材料12。沿上述臺的移動方向延伸的兩條導(dǎo)軌158被設(shè)置在厚板狀安裝平臺156的上表面上，該厚板狀安裝平臺156由四條腿154支撐。所述臺152被布置成其縱向被定向至所述臺的移動方向，并且可移動地由導(dǎo)軌158支撐，以允許前后移動。本實(shí)施例中的圖像曝光裝置進(jìn)一步包括將在后面描述的臺驅(qū)動單元304(圖15)，用于沿導(dǎo)軌158驅(qū)動用作副掃描裝置的臺152。
跨過臺152的移動路徑的倒U狀門160被設(shè)置在安裝平臺156的中央部分。倒U狀門160的各個末端被固定連接到安裝平臺156的各側(cè)面處。掃描儀162被設(shè)置在門160的一側(cè)，以及用于檢測光敏材料150的前后沿的多個傳感器164(例如，兩個)被設(shè)置在另一側(cè)。掃描儀162和傳感器164在臺152的移動路徑上方被固定連接到門160。掃描儀162和傳感器164被連接至控制它們的控制器(未顯示)。
如圖2和3B中所示，掃描儀162包括多個曝光頭166(例如，十四個)，其被設(shè)置為“m”行、“n列”的矩陣形式。在這個例子中，四個曝光頭166相對于光敏材料150的寬度被設(shè)置在第三行中。此后，被設(shè)置在第m行中第n列處的曝光頭將被標(biāo)示為曝光頭166mn。
每個曝光頭166的曝光區(qū)域具有矩形形狀，短邊被定位在副掃描方向中。因此，在臺152移動時通過各個曝光頭166，帶狀曝光區(qū)域170被形成在光敏材料150上。此后，設(shè)置在第m行中第n列處的曝光頭的曝光區(qū)域?qū)⒈粯?biāo)示為曝光區(qū)域168mn。
如圖3A和3B中所示，成線性被安置在行中的每個曝光頭166在安裝方向中被移位預(yù)定距離(例如，曝光區(qū)域中長邊的自然數(shù)倍，在這個例子為長邊的兩倍)，以使每個條狀曝光區(qū)域170被設(shè)置，而在至副掃描方向的正交方向中與相鄰曝光區(qū)域170沒有任何間隙。結(jié)果，在第一行中與曝光區(qū)域16811和16812之間的空間相對應(yīng)的光敏材料的未曝光區(qū)域，可以通過第二行中的曝光區(qū)域16821和第三行中的曝光區(qū)域16831被曝光。
曝光頭16611至166mn中的每個具有數(shù)字微鏡器件(DMD)50，其可以從U.S.Texas Instruments Inc.(美國德克薩斯州儀器有限公司)得到，作為根據(jù)圖像數(shù)據(jù)通過像素偏置來調(diào)制入射在像素上的入射光束的空間光調(diào)制器件。DMD 50被連接到在后面被描述的控制器302(圖15)?？刂破?02包括數(shù)據(jù)處理部分和鏡驅(qū)動控制部分?？刂破?02的數(shù)據(jù)處理部分產(chǎn)生控制信號，用于基于輸入的圖像數(shù)據(jù)、在DMD 50的將被控制用于各個曝光頭166的區(qū)域內(nèi)驅(qū)動控制各個微鏡?！皩⒈豢刂频膮^(qū)域”的含義將在此后被提出。鏡驅(qū)動控制部分基于由圖像數(shù)據(jù)處理部分所產(chǎn)生的控制信號，控制用于各個曝光頭166的DMD50中各個微鏡的反射表面的角度。用于控制各個微鏡的反射面角度的方法將在后面被描述。
具有激光輸出部分的光纖陣列光源66、透鏡系統(tǒng)67和鏡子69以這種順序被布置在DMD50的光進(jìn)入側(cè)上；在激光輸出部分中沿與曝光區(qū)域168的長邊的方向相對應(yīng)的方向線性布置光纖的輸出面(發(fā)光點(diǎn))；透鏡系統(tǒng)67用于將從光纖陣列光源66輸出的激光束校正和聚焦在DMD上；鏡子69用于將通過透鏡系統(tǒng)67傳輸?shù)募す馐瓷湎駾MD 50。在圖4中，示意性示出透鏡系統(tǒng)67。
如在圖5中所詳細(xì)示出的，透鏡系統(tǒng)67包括聚光透鏡71，用于將激光束B會聚為從光纖陣列光源66發(fā)射的照亮光線；被設(shè)置在通過聚光透鏡71傳輸?shù)墓獾墓饴分械陌魻罟鈱W(xué)積分器72(此后稱為“棒積分器”)，以及被布置在棒積分器72前頭的圖像聚焦透鏡74，也就是在鏡69側(cè)面。從光纖陣列光源66發(fā)射的激光束穿過聚光透鏡71、棒積分器72和圖像聚焦透鏡74被照射在DMD 50上，作為在橫截面中具有均勻發(fā)光強(qiáng)度的大致準(zhǔn)直光束。棒積分器72的形狀和功能將在后面被詳細(xì)描述。
從透鏡系統(tǒng)67輸出的激光束B由鏡69反射，進(jìn)而通過TIR(全內(nèi)反射)棱鏡70被照射在DMD 50上。圖4中，TIR棱鏡70被省略。
用于聚焦由DMD 50反射在光敏材料150上的激光束B的圖像聚焦光系統(tǒng)51被設(shè)置在DMD 50的光反射側(cè)面。圖像聚焦光系統(tǒng)51示意性被示出在圖4中。如在圖5中被詳細(xì)示出的，圖像聚焦光系統(tǒng)51包括由透鏡系統(tǒng)52、54構(gòu)成的第一圖像聚焦光系統(tǒng)、由透鏡系統(tǒng)57、58構(gòu)成的第二圖像聚焦光系統(tǒng)。它另外包括微透鏡陣列55和孔徑陣列59，它們被設(shè)置在兩個圖像聚焦光系統(tǒng)之間。
如圖6中所示，DMD 50為由多個微鏡62(例如，1024×768)構(gòu)造的鏡器件，每個微鏡構(gòu)成像素，多個微鏡62被設(shè)置在SRAM單元(存儲器單元)60上的格點(diǎn)圖案中。在各個像素中，矩形微鏡被設(shè)置在頂部，其由支撐桿支撐。諸如鋁等之類的高反射材料被沉積在微鏡的表面。微鏡的反射系數(shù)不小于90％。微鏡的尺寸在縱向和橫向中例如為13μm，以及布置節(jié)距在兩個方向中例如為13.7μm。硅柵極CMOS SRAM單元60被設(shè)置在各個微鏡62下面，通過具有鉸鏈和軛的支撐桿，所述硅柵極CMOSSRAM單元60可以在普通制造線上被生產(chǎn)用于制造半導(dǎo)體存儲器。完整DMD在單片電路上被構(gòu)造。
在數(shù)字信號被寫入DMD 50的SRAM單元60中時，相對于在其上設(shè)置DMD 50的基底在以對角線為中心的±α度(例如，±12度)范圍內(nèi)傾斜由支撐桿支撐的微鏡。圖7A顯示傾斜α度的微鏡62，這意味著它處于打開狀態(tài)，以及圖7B顯示傾斜-α度的微鏡62，這意味著它處于關(guān)閉狀態(tài)。因此，通過依據(jù)如圖6中所示的圖像信號控制微鏡62在DMD 50中各個像素中的傾斜，入射在DMD 50的激光束B被反射至各個微鏡62的傾斜方向。
圖6是DMD 50的局部放大圖，示出示例情形，在其中一部分DMD 50中的一些微鏡被控制以傾斜+α或-α度。各個微鏡62的關(guān)閉-打開控制通過連接至DMD 50的控制器302來實(shí)施。吸光材料(未顯示)被設(shè)置在激光束B的傳播方向中，該激光束B由處于“關(guān)閉”狀態(tài)的微鏡反射。
孔徑陣列59由不透明部件59b制造，多個圓孔徑(開口)59a被二維地設(shè)置?？讖疥嚵?9被放置在通過第一圖像聚焦光系統(tǒng)聚焦的在DMD 50中微鏡62的圖像位置，以使微透鏡62中的各個圖像被定位在各個孔徑59a的平面處。在本實(shí)施例中，孔徑59a的直徑為9μm。
同時，微透鏡陣列55由二維設(shè)置的多個微透鏡55a構(gòu)造，每個與孔徑陣列59中的每個孔徑(即，DMD 50中的每個微鏡)相對應(yīng)。定為在每個孔徑59a的平面處的圖像通過各個對應(yīng)微透鏡55a被聚焦在圖像聚焦平面Q上。盡管DMD總共具有1024塊×768列微鏡，但是在本實(shí)施例中僅僅1024塊×256列微鏡被驅(qū)動，如在后面將被描述的。從而，微透鏡55a中的1024塊×256列的對應(yīng)數(shù)量被布置。
DMD 50中微鏡62中的圖像被放大1.5倍，也就是達(dá)到近似20μm×20μm的尺寸，以及通過第一圖像聚焦光系統(tǒng)被聚焦在孔徑陣列59上。從而，通過如上所述的具有較小直徑9μm的孔徑59a僅僅觀察到處于中央?yún)^(qū)域處微鏡62的很少扭曲圖像。作為例子，微透鏡陣列55由光學(xué)玻璃BK7制造，并且每個微透鏡具有75μm焦距，以及通過對它放大1/3將圖像聚焦在各個對應(yīng)孔徑59a的平面處。然后，通過由透鏡系統(tǒng)57、58所構(gòu)成的第二圖像聚焦光系統(tǒng)，以相同放大率將圖像聚焦在光敏材料150上。也就是，處于孔徑59a平面處的圖像被聚焦和投射在光敏材料上，在這里成為直徑3μm的圖像。
在本實(shí)施例中，棱鏡對73被設(shè)置在第二圖像聚焦光系統(tǒng)和光敏材料150之間，以及通過在圖5中上下方向中移動棱鏡對73，而調(diào)整在光敏材料150上的圖像的焦點(diǎn)。在圖5中，沿由箭頭F指示的副掃描方向進(jìn)給光敏材料150。
優(yōu)選地，以略微傾斜方式設(shè)置DMD 50，以使其短邊與副掃描方向形成預(yù)定角度θ(例如，0.1至5度)。圖8A顯示在DMD 50沒有傾斜時由各個微鏡所產(chǎn)生的反射光線圖像(曝光光束)53的掃描軌跡，以及圖8B顯示在DMD 50傾斜時來自各個微鏡的曝光光束53的掃描軌跡。
DMD 50包括設(shè)置在橫向中的多個微鏡列(例如，756)，各列具有沿縱向設(shè)置的多個微鏡(例如，1024)。如圖8B所示，在沒有傾斜時，由微鏡所產(chǎn)生的曝光光束53的掃描軌跡(掃描線)之間的節(jié)距P2通過傾斜DMD 50變得比節(jié)距P1窄，并且圖象分辨率被明顯提高。同時，DMD50相對于副掃描方向的傾斜角非常小，以致于DMD被傾斜時的掃描寬度W2與它沒有傾斜時的掃描寬度W1近似相同。
另外，通過不同微鏡列對相同掃描線多次曝光(多級曝光)。多級曝光允許對曝光位置的精細(xì)控制，進(jìn)而確保可以實(shí)現(xiàn)分辨率高的曝光。另外，可以通過精細(xì)曝光位置控制使在沿主掃描方向設(shè)置的多個曝光頭之間的接縫平滑。
取代傾斜DMD 50，通過在與副掃描方向正交的方向中將各個微鏡列偏移預(yù)定距離來以Z字形圖案布置微鏡列，可以獲得相類似的效果。
如圖9A中所示，光纖陣列光源66包括多個激光器模塊64(例如，14個)，以及多模光纖30長度的一端連接至各個激光器模塊64。芯直徑與多模光纖30的同樣、包層直徑比多模光纖30的小的光纖31的長度被疊接至各個多模光纖30的另一端。如在圖9B中詳細(xì)所述的，在與多模光纖30相對的側(cè)面上，七根光纖31中的各個端面沿與副掃描方向正交的主掃描方向被排列，以及兩個端面陣列被設(shè)置以形成激光輸出部分68。
由光纖31的端面形成的激光輸出部分68由具有平板表面的兩個支撐板65所固定夾持，優(yōu)選地，由玻璃或類似物制成的透明保護(hù)板被設(shè)置在光纖31的各個光輸出面上，用于保護(hù)。各個光纖31的光輸出面由于其具有高光學(xué)密度而可能聚集灰塵和趨于變壞。上述保護(hù)板的供應(yīng)可能防止灰塵粘結(jié)并延遲變壞。
在本實(shí)施例中，如圖10中所示，具有較小包層直徑、長度大約為1至30cm的光纖31被共軸疊接至具有較大包層直徑的多模光纖30的激光束輸出側(cè)的末梢。通過將光纖31的輸入面熔融疊接至光纖30的輸出面，而將光纖30、31疊接在一起，其中芯軸是對準(zhǔn)的。如之前所述的，光纖31具有與多模光纖30相同的芯直徑。
至于多模光纖30和光纖31，可以使用階梯指數(shù)型光纖、分級指數(shù)型光纖或混合型光纖。例如，可以使用可從Mitsubishi Cable Industries，Ltd.(三菱實(shí)業(yè)有限公司)得到的階梯指數(shù)型光纖。在本實(shí)施例中，多模光纖30和光纖31是階梯指數(shù)型。多模光纖30具有125μm的包層直徑、50μm的芯直徑、0.2的NA和對應(yīng)輸入面涂層的99.5％的透射率。光纖31具有60μm的包層直徑、50μm的芯直徑和0.2的NA。
然而，光纖31的包層直徑不限于60μm。用于常規(guī)光纖光源的許多光纖的包層直徑為125μm。優(yōu)選地，多模光纖的包層直徑不大于80μm，以及更優(yōu)選地不大于60μm，因?yàn)檩^小包層直徑產(chǎn)生較深的焦深(focaldepth)。優(yōu)選地，光纖31的包層直徑不小于10μm，因?yàn)閱文９饫w需要至少3至4μm的芯直徑。優(yōu)選地，從耦合效率的角度來看，光纖30、31具有相同芯直徑。
在本實(shí)施例中，不必要求使用包層直徑彼此不同的、通過熔融疊接(所謂的錐形疊接)在一起的兩種不同類型的光纖30、31?？梢酝ㄟ^捆扎具有相同包層直徑的多個光纖(例如，圖9A中的光纖30)形成光纖陣列光源，每個光纖沒有被疊接在那里的不同類型的光纖。
激光器模塊64由光束組合激光光源(光纖光源)被構(gòu)造。光束組合激光光源包括多個橫向的多?；騿文aN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器芯片LD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6和LD7，它們被固定設(shè)置在加熱塊10上；準(zhǔn)直器透鏡11、12、13、14、15、16和17，每個被提供用于對應(yīng)的各個GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7；聚光透鏡20；以及多模光纖30。半導(dǎo)體激光器的數(shù)量不限于7個，并且不同數(shù)量的半導(dǎo)體激光器可以被采用。另外，取代七個分離的準(zhǔn)直器透鏡11至17，這些準(zhǔn)直器透鏡被集成的準(zhǔn)直器透鏡陣列可以被使用。
各個GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7具有大致相同的振蕩波長(例如，405nm)和最大輸出(例如，用于多模激光器的大約100mW以及用于單模激光器的大約50mW)。各個GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7的輸出在最大輸出功率之下可以互不相同。至于GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7，以除了405nm以外、從350至450nm波長范圍的波長振蕩的激光器還可以被使用。
光束組合激光光源與其它光學(xué)元件一起被包含在具有頂部開口的盒型封裝40中。封裝40包括被形成以密封封裝40開口的封裝蓋。密封氣體在除去空氣之后被導(dǎo)入封裝40中，以及使用封裝蓋41封裝40的開口，以將光束組合激光光源氣密密封在因此被產(chǎn)生的閉合空間(密封空間)內(nèi)。
基板42被固定連接在封裝40的底表面上，加熱塊10、用于保持準(zhǔn)直器透鏡20的準(zhǔn)直器透鏡保持器45和用于保持多模光纖30的輸入端的光纖保持器46被附連在基板42的上表面。多模光纖30的輸出端向外被拉出，穿過被設(shè)置在封裝40的壁上。
準(zhǔn)直器透鏡保持器44被附連至加熱塊10的側(cè)面，準(zhǔn)直器透鏡11至17被保持在那里?？讖奖辉O(shè)置在橫向側(cè)壁上，用于將驅(qū)動電流供給GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7的導(dǎo)線通過橫向側(cè)壁被向外拉出。
在圖13中，為了簡明，七個半導(dǎo)體激光器LD1至LD7中只有GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1，以及七個準(zhǔn)直器透鏡11至17中的準(zhǔn)直器透鏡17被顯示。
圖14為準(zhǔn)直器透鏡11至17的安裝部分的前視圖，示出其前幾何輪廓。每個準(zhǔn)直器透鏡11至17被形成使得通過平行平面以加長形式使包括具有非球面的圓透鏡光軸的區(qū)域被切片。例如，通過模制樹脂或光學(xué)玻璃可以形成加長的準(zhǔn)直器透鏡。準(zhǔn)直器透鏡11至17互相被緊密設(shè)置在GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7的發(fā)光點(diǎn)的排列方向(圖14中從左至右的方向)上，以使準(zhǔn)直器透鏡11至17的長度方向被定向在與GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7的發(fā)光點(diǎn)的排列方向正交的方向上。
同時，至于GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7，使用這樣的激光器其包括帶有2μm發(fā)光寬度的有源層，并且沿平行于或者正交于有源層的方向分別發(fā)射光束發(fā)散角例如為10度和30度的各個激光光束。GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7被設(shè)置使得其中的發(fā)光點(diǎn)線性排列在平行于有源層的方向上。
因此，從各自發(fā)光點(diǎn)發(fā)射的激光光束B1至B7進(jìn)入各自的加長準(zhǔn)直器透鏡11至17，其中具有較大光束發(fā)散角的方向?qū)?yīng)于準(zhǔn)直器透鏡的長度方向，以及具有較小光束發(fā)散角的方向?qū)?yīng)于準(zhǔn)直器透鏡的寬度方向(正交于長度方向的方向)。也就是，各個準(zhǔn)直器透鏡11至17的寬度為1.1mm，其長度為4.6mm，以及沿水平和垂直方向進(jìn)入準(zhǔn)直器透鏡11至17的激光束B1至B7的光束直徑分別為0.9mm和2.6mm。各個準(zhǔn)直器透鏡11至17具有3mm的焦距f1和0.6的NA，它被布置具有1.25mm的節(jié)距。
聚光透鏡20被形成為通過平行平面以加長形式對包括具有非球面的圓透鏡光軸的區(qū)域進(jìn)行切片。它被設(shè)置為其長邊對應(yīng)準(zhǔn)直器透鏡11至17的排列方向，即水平方向，其短邊對應(yīng)于正交水平方向的方向。聚光透鏡20具有23mm的焦距f2和0.2的NA。聚光透鏡20還通過模制樹脂或光學(xué)玻璃被形成。
參考圖15，將描述依據(jù)本發(fā)明的圖像曝光裝置的電結(jié)構(gòu)。如圖15中所示，全部控制部分300連接至調(diào)制電路301，其順序連接至用于控制DMD 50的控制器302。全部控制部分300還連接至LD驅(qū)動電路303，用于驅(qū)動激光器模塊64。另外，它連接至臺驅(qū)動單元304，用于驅(qū)動臺152。
此后，將描述前述圖像曝光裝置的操作。在掃描儀162的各個曝光頭中，從各個GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7以發(fā)散方式發(fā)射的各個激光束B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7(圖11)由各個對應(yīng)準(zhǔn)直器透鏡11至17準(zhǔn)直，所述GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7構(gòu)成光纖陣列光源66的光束組合光源。準(zhǔn)直的激光束B1至B7由聚光透鏡20會聚，并且聚焦在多模光纖30的芯30a的輸入端面上。
在本實(shí)施例中，準(zhǔn)直器透鏡11至17及聚光透鏡20構(gòu)成會聚光系統(tǒng)，以及會聚光系統(tǒng)和多模光纖30構(gòu)成光束組合光系統(tǒng)。也就是，由聚光透鏡20以上述方式會聚的激光束B1至B7進(jìn)入多模光纖30的芯30a，貫通其中傳播，以及從光纖31中出去，光纖31被疊接至多模光纖30的輸出端面，如單組合激光束B一樣。
在各個激光器模塊64中，在激光束B1至B7對多模光纖30的耦合效率為0.9且各個GaN系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD1至LD7的輸出功率為50mW時，組合激光束B具有來自布置成陣列的各個光纖31的輸出功率315mW(50mW×0.9×7)。因此，根據(jù)14根光纖的總數(shù)，可以獲得具有輸出功率4.4W(0.315×14)的激光束B。
在實(shí)施圖像曝光時，依據(jù)將被曝光的圖像的圖像數(shù)據(jù)從圖15中所示的調(diào)制電路301中被輸入給DMD50的控制器302，并且被暫時存儲在其幀存儲器。圖像數(shù)據(jù)為在其中形成圖像的各個像素的灰度值由二進(jìn)制數(shù)值表示(點(diǎn)存在/沒有)的數(shù)據(jù)。
具有吸附在其上的光敏材料150的臺152沿導(dǎo)軌158以恒定速度從門160的上游被移動至下游。在臺152在門160下通過且光敏材料150的前沿由附連到門160的傳感器164所探測時，存儲在幀存儲器中的圖像數(shù)據(jù)一次對應(yīng)多條線被順序讀出。然后，基于讀出圖像數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理部分在頭-頭的基礎(chǔ)上生成用于各個曝光頭166的控制信號，并且基于生成的控制信號由鏡驅(qū)動控制部分在頭-頭的基礎(chǔ)上對各個曝光頭166中的DMD50的各個微鏡進(jìn)行開-關(guān)控制。
盡管來自光纖陣列光源66的激光束B被照射在DMD 50上，通過透鏡系統(tǒng)51，由驅(qū)動至DMD 50“開”的微鏡所反射的激光束被聚焦在光敏材料150上。這樣，在像素-像素的基礎(chǔ)上對從光纖陣列光源66發(fā)射的激光束進(jìn)行開關(guān)控制，以及使用多個像素(曝光區(qū)域168)對光敏材料150曝光，所述像素基本上等于所使用的DMD中的像素數(shù)。光敏材料150通過臺152以恒定速度被移動，使得沿與臺移動方向相對的方向通過掃描儀162輔助掃描光敏材料150，通過各個曝光頭166形成條帶狀曝光區(qū)域170。
在本實(shí)施例中如圖16A和16B中，盡管DMD 50包括沿副掃描方向設(shè)置的768個微鏡陣列，各陣列具有沿主掃描方向設(shè)置的1024片微鏡，但僅僅一部分微鏡陣列(例如，1024片×256陣列)被控制器302驅(qū)動控制。
在這種情況中，可以使用設(shè)置在DMD 50的中央?yún)^(qū)域(圖16A)或頂部(或底部)末端區(qū)域(圖16B)的微鏡陣列。此外，如果某些微鏡成為有缺陷的，則可以使用具有無缺陷微鏡的一個或多個微鏡陣列，取代具有缺陷微鏡的所述或所述多個微鏡陣列。這樣，微鏡陣列從而可以根據(jù)情形而改變。
DMD 50具有特定的有限數(shù)據(jù)處理速度。每行調(diào)制速度與所使用的像素數(shù)成反比例。因此，通過僅僅使用整個微鏡陣列中的一部分，可以增加每行調(diào)制速度。同時，對于在其中相對于曝光表面連續(xù)移動曝光頭的曝光方法，不必使用定位在副掃描方向上的全部像素。
在使用掃描儀162完成對光敏材料150的輔助掃描，且通過傳感器164探測到光敏材料150的后沿時，臺152沿導(dǎo)軌158通過臺驅(qū)動單元304被返回到門160的最上游處的原始位置。此后，它再次沿導(dǎo)軌158從門160的上游以恒定速度移動至下游。
下面將描述照明光學(xué)系統(tǒng)，其由圖5中所示的光纖陣列光源66、聚光透鏡71、棒積分器72、圖像形成透鏡74、鏡69和TIR棱鏡70構(gòu)成，用于將作為照亮光線的激光束B照射在DMD 50上。棒積分器72例如是形成為方桿的透明棒。盡管激光束B通過全反射在棒積分器72中傳播，但在激光束B橫截面內(nèi)的強(qiáng)度分布是均勻的。棒積分器72的輸入和輸出面設(shè)有抗反射涂層，以提高透射率。提供作為照亮光線的、以上面所述方式在橫截面內(nèi)具有高度均勻的強(qiáng)度分布的激光束B可以產(chǎn)生具有均勻光線強(qiáng)度的照亮光線，允許將高分辨率圖像曝光在光敏材料150上。
在依據(jù)本實(shí)施例的裝置中，DMD 50的各個微鏡62的圖像被聚焦在孔徑陣列59的各個孔徑59a的平面處，然后，所述圖像通過微透鏡陣列55被聚焦。這種布置確保即使在由微鏡62反射至孔徑59a的激光束B的入射角由于如先前所述的微鏡62的瞬時響應(yīng)特性而波動時，由微透鏡陣列55聚焦的圖像位置也保持不變。因此，這種布置可以防止由于上述的入射角的波動而導(dǎo)致的光束在光敏材料150上的位置波動，并且曝光圖像的分辨率被滿意地保持。
另外，如上所述，定位在孔徑陣列59的各個孔徑59a的平面處的圖像通過微透鏡陣列55被聚焦，使得即使在進(jìn)入孔徑陣列59中的光束B的光束直徑因第一圖像聚焦光系統(tǒng)的場曲率、象散差等而波動時，光敏材料150上的光束直徑也保持不變，其中所述第一圖像聚焦光系統(tǒng)由透鏡系統(tǒng)52、54構(gòu)成。這還實(shí)現(xiàn)將被曝光的具有高分辨率的圖像。
此后，將描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。圖18是依據(jù)第二實(shí)施例的圖像曝光裝置的曝光頭的示意橫截面圖。第二實(shí)施例的曝光頭與第一實(shí)施例的曝光頭的主要不同之處在于它沒有包括由透鏡系統(tǒng)57、58構(gòu)成的第二圖像聚焦光系統(tǒng)。也就是，在依據(jù)第二實(shí)施例的圖像曝光裝置中，光敏材料150被放置在由微透鏡陣列55中的各個微透鏡55聚焦的圖像位置處，并且由微透鏡陣列55聚焦的圖像被直接曝光在光敏材料150上。
還有，與在第一實(shí)施例中一樣，在本實(shí)施例中，即使在由微鏡62反射至孔徑59a的激光束B的入射角波動時，由微透鏡陣列55聚焦的圖像位置也保持不變。因此，第二實(shí)施例可以基本上提供與第一實(shí)施例中相同的有益效果。根據(jù)布置光系統(tǒng)的便易性、對屈曲光敏材料的適應(yīng)性等等的觀點(diǎn)來看，其中可以在光系統(tǒng)元件和光敏材料之間提供較大距離的第一實(shí)施例可能是優(yōu)選的。
依據(jù)上述的第一和第二實(shí)施例的圖像曝光裝置采用DMD 50作為空間光調(diào)制器件，并且防止由于DMD 50中微鏡60的瞬時響應(yīng)特性而導(dǎo)致曝光圖像分辨率變差。在采用不同于DMD的空間光調(diào)制器件的圖像曝光裝置中，將空間光調(diào)制器件的像素部分的圖像聚焦的光線的傳輸方向可能因一種或其他原因而波動。本發(fā)明還可以應(yīng)用至這種例子中，以防止由于光線入射角度的波動而導(dǎo)致曝光圖像分辨率變差。
權(quán)利要求
1.一種圖像曝光裝置，其中光敏材料由經(jīng)由空間光調(diào)制器件傳播的光線曝光以表示圖像，該裝置包括空間光調(diào)制器件，其包括設(shè)置成陣列的多個像素部分，每個像素部分用于調(diào)制照射在其上的光線；光源，其用于將光線照射在空間光調(diào)制器件上；圖像聚焦光系統(tǒng)，其用于會聚經(jīng)由空間光調(diào)制器件傳播的光線，并且聚焦像素部分的每個像素圖像；孔徑陣列，其由不透明材料制成，且具有設(shè)置成陣列的多個孔徑，所述陣列被放置在通過圖像聚焦光系統(tǒng)聚焦的圖象位置處，使得像素部分的各個像素圖像被定位在各個對應(yīng)孔徑平面處；微透鏡陣列，其包括設(shè)置成陣列的多個微透鏡，各個微透鏡用于聚焦在預(yù)定位置處被定位在各個孔徑平面處的各個像素圖像；和光系統(tǒng)，其用于將通過微透鏡陣列聚焦的圖像聚焦和投射在光敏材料上。
2.一種圖像曝光裝置，其中光敏材料由經(jīng)由空間光調(diào)制器件傳播的光線曝光以表示圖像，該裝置包括空間光調(diào)制器件，其包括設(shè)置成陣列的多個像素部分，各個像素用于調(diào)制照射在其上的光線；光源，其用于將光線照射在空間光調(diào)制器件上；圖像聚焦光系統(tǒng)，其用于會聚經(jīng)由空間光調(diào)制器件傳播的光線，并且聚焦像素部分中的各個像素圖像；孔徑陣列，其由不透明材料制造，且具有設(shè)置成陣列的多個孔徑，所述陣列被放置在通過圖像聚焦光系統(tǒng)聚焦的圖象位置處，使得像素部分中的各個像素圖像被定位在各個對應(yīng)孔徑平面處；和微透鏡陣列，其包括設(shè)置成陣列的多個微透鏡，各個微透鏡用于將被定位在各個孔徑平面處的各個像素圖像聚焦在光敏材料上。
3.依據(jù)權(quán)利要求1或2的圖像曝光裝置，其中，空間光調(diào)制器件包括DMD(數(shù)字微鏡器件)，在所述DMD中用作像素部分的多個微鏡被二維地設(shè)置。
4.一種圖像曝光方法，其使用依據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的圖像曝光裝置將預(yù)定圖案曝光在光敏材料上。
全文摘要
一種圖像曝光裝置，其能夠避免由于光線行進(jìn)方向上的波動而導(dǎo)致所曝光的圖像分辨率變差，所述光線聚焦空間光調(diào)制器件的像素部分的像素圖像。該裝置包括空間光調(diào)制器件(50)，例如具有被二維地設(shè)置的多個像素部分的DMD；光源(66)；和圖像聚焦光系統(tǒng)(52、54)。它另外包括孔徑陣列(59)，其被設(shè)置在通過圖像聚焦光系統(tǒng)(52、54)被聚焦的圖像位置，以使像素部分的各個像素圖像被定位在各個孔徑(59a)的平面處。被定位在孔徑陣列(59)的孔徑平面處的像素圖像通過微透鏡陣列(55)被聚焦為圖像，其然后由光系統(tǒng)(57、58)被投影在光敏材料(150)上。
文檔編號G03B27/32GK101080675SQ200580041938
公開日2007年11月28日 申請日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者石川弘美 申請人:富士膠片株式會社