专利名称：图像曝光装置及方法
技术领域：
本发明涉及图像曝光装置。尤其是，本发明涉及这样一种图像曝光装置在其中光敏材料通过在其上聚焦光图像而被曝光，所述光图像由经空间光调制器件所调制的光线表示。
本发明还涉及使用这种图像曝光装置的图像曝光方法。
背景技术：
图像曝光系统是已知的，其中经空间光调制器件所调制的光线通过图像聚焦光系统，将由上述光线所表示的图像聚焦在预定光敏材料上，以使用上述图像对上述光敏材料曝光。这种图像曝光系统主要包括空间光调制器件、光源和图像聚焦光系统，空间光调制器件具有二维布置的多个像素部分，各个像素部分用于依据控制信号调制照射光线；光源用于将光线照射在空间光调制器件上；图像聚焦光系统用于将由经空间光调制器件调制的光线所表示的光图像聚焦在光敏材料上。
在这种图像曝光系统中，例如LCD(液晶显示器)、DMD(数字微镜器件)或类似的器件可以优选被用作空间光调制器件。上述的DMD为镜器件，在其中依据控制信号改变反射面角度的多个矩形微镜被二维布置在半导体基底上，上述半导体基底例如由硅或类似物制造。
在上述图像曝光系统中，情况经常是图像需要在被投射在光敏材料上之前被放大。如果是这种情况，则图像放大和聚焦光系统被用作图像聚焦光系统。经由空间光调制器件通过图像放大和聚焦光系统传播的光的简单通过可能导致来自空间光调制器件中每个像素部分的光束较宽。因此，投影图像中的像素尺寸变大，进而图像的清晰度变差。
因此，已经考虑使用第一和第二图像聚焦光系统来增大和投影图像。在这种结构中，第一图像聚焦光系统被设置在通过由微透镜构成的微透镜阵列、由空间光调制器件所调制的光线的光路中，各个微透镜对应于空间光调制器件的各个像素部分、且被布置成设置在第一图像聚焦光系统的图像聚焦平面处的阵列，以及第二图像聚焦光系统被设置在穿过微透镜阵列的光线的光路上，第二图像聚焦光系统用于将由被调制的光线所表示的图像聚焦在光敏材料或屏幕上。在上述结构中，被投影在光敏材料或屏幕上的图像大小可被增大，并且图像清晰度可以被保持在高水平，因为来自空间光调制器件中各个像素部分的光线通过微透镜阵列中的各个微透镜被聚焦，从而投影图像中的像素大小(点大小)被变窄且保持在小的尺寸。
结合微透镜阵列的使用DMD作为空间光调制器件的这种图像曝光系统之一被描述在日本未审查专利公开No.2001-305663中。类似类型的图像曝光系统被描述在日本未审查专利公开No.2004-122470中。在上述系统中，带有多个孔径的孔径阵列(孔径板)被设置在微透镜阵列后面、以仅允许经由相应微透镜传播的光线通过孔径，其中各个孔径对应于微透镜阵列的各个微透镜。这种结构防止来自相邻微透镜的光线进入该孔径，其中相邻微透镜没有对应于孔径板中的孔径，使得杂散光线可以被阻止进入相邻像素。进一步，即使在DMD中的像素(微镜)被关闭(turn off)以遮住光线时，有时也会有少量光线可能入射在曝光面上。还有，在这种情况中，在DMD的像素关闭(turn off)时，上述结构可能减少出现在曝光面上的光量。
将空间光调制器件与微透镜阵列结合的常规图像曝光系统具有的问题在于通过微透镜阵列中的各个微透镜被聚焦在光敏材料上的光束有少量波动。这导致就好像用具有较大斑点直径的光束实施曝光一样，进而曝光图像的分辨率变差。
具体地，在将DMD用作空间光调制器件时，这个问题更明显。此后，将详细描述在将DMD用作空间光调制器件时的问题。图17示出了DMD中的微镜的响应特性。这里，假定微镜在其关闭时占用远离参考位置(基底表面)-12度的位置，以及在打开(turn on)时占用远离参考位置+12度的位置。在图17中，假定“on(打开)”信号在时刻0被输入，微镜应当理想地立即占用+12度位置，并且在那里变得静止不动。然而，实际上，由于波动微镜的惯性和反弹，颤动发生在以+12度为中心的某种角度范围内。因此，微镜仅仅在颤动被会聚之后变得静止不动。
在常规系统中，微透镜阵列被设置，以使微透镜被定位在如先前所述的第一图像聚焦光系统中的图像聚焦平面上，如果微镜的响应具有上述的瞬时响应特性，则进入微透镜的光束角度在小范围内波动。这导致光束在光敏材料上的位置波动。
迄今为止，已经描述了将DMD用作空间光调制器件时的问题。即使在不同种空间光调制器件被采用的情况中，如果进入微透镜的光束角度因这种或那种原因波动，同样会出现曝光图像分辨率变差的问题。
考虑上述的境况，本发明的目的为提供一种图像曝光装置，其组合空间光调制器件和微透镜阵列，以及提供一种能够确保曝光图像具有高质量的图像曝光方法。
发明内容
尽管在常规图像曝光装置中，空间光调制器件中像素部分的像素图像被聚焦在微透镜阵列的位置处，但是它们被聚焦在孔径阵列的各自孔径平面处，然后它们通过微透镜阵列、或者依据本发明的图像曝光装置中的微透镜阵列和另外的投射光系统而被聚焦为光敏材料上的图像。
尤其是，依据本发明的第一图像曝光装置为在其中光敏材料由经由空间光调制器件传播的光线曝光以表示图像的图像曝光装置，该装置包括空间光调制器件，其包括设置在阵列中的多个像素部分，每个像素部分用于调制照射在其上的光线；光源，其用于将光线照射在空间光调制器件上；图像聚焦光系统，其用于会聚经由空间光调制器件传播的光线，并且聚焦像素部分中的每个像素图像；孔径阵列，其由不透明材料制造，具有设置在阵列中的多个孔径，所述孔径被放置在通过图像聚焦光系统聚焦的图象位置处，以使像素部分中的各个像素图像被定位在各个孔径平面处；微透镜阵列，其包括设置在阵列中的多个微透镜，每个微透镜用于聚焦处于预定位置处被定位在各个孔径平面处的各个像素图像；和光系统，其用于将通过微透镜阵列聚焦的图像聚焦和投射在光敏材料上。
这里，上述的多个像素部分、孔径和微透镜可以被设置在二维阵列或一维阵列中。
上述的这种孔径阵列还在例如日本未审查专利公开No.2004-122470中被公开。但是这里公开的孔径阵列被设置在微透镜阵列之前或之后、以遮挡在微镜阵列中的微透镜的周围和外部区域中传播的光线。它明确地为微透镜阵列，而不是与本发明中一样的孔径阵列，本发明中的孔径阵列被设置在空间光调制器件的像素部分的图像位置处。从而，在这里所公开的图像曝光装置在这方面不同于本发明中的图像曝光装置。
依据本发明的第二图像曝光装置为包括空间光调制器件、光源、图像聚焦光系统和孔径阵列的图像曝光装置，这些与上述的第一图像曝光装置相同。它进一步包括微透镜阵列，该微透镜阵列包括设置在阵列中的多个微透镜，每个微透镜用于将被定位在各个孔径平面处的各个像素图像聚焦在光敏材料上。
优选地，在依据本发明的各个装置中，在其中用作像素部分的微镜被二维地设置的DMD被用作空间调制器件。
依据本发明的图像曝光方法是使用本发明的上述任一图像曝光装置将预定图案曝光在光敏材料上的方法。
在依据本发明的图像曝光装置中，空间光调制器件的像素部分的像素图象被聚焦在孔径阵列的各自孔径平面处，其然后通过微透镜阵列被聚焦。这种布置使得通过微透镜阵列聚焦的图像位置将被保持不变，因为来自空间光调制器件的像素部分的光线以任意入射角度进入各自孔径平面内。在第一图像曝光装置中，通过微透镜阵列所聚焦的图像使用另一光系统被投射在光敏材料上，或者在第二图像曝光装置中，通过微透镜阵列所聚焦的图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变而出现波动引起曝光图像的分辨率变差。
另外，如上所述，被定位在孔径阵列中各自孔径平面处的像素图像通过微透镜阵列被聚焦，使得即使在进入孔径阵列59的光束的光束直径由于被设置在孔径阵列前的图像聚焦光系统的场曲率、象散差等等而波动时，也能使光敏材料上的光束直径保持不变。这还使得将被曝光的图像具有高分辨率。
优选地，依据本发明的图像曝光装置被构造，以采用包括二维设置为空间光调制器件的微透镜的DMD，因为可以防止由于微镜的瞬时响应特性而导致的更可能出现在DMD中的上面所提及问题。
依据本发明的图像曝光方法是使用本发明中的任一图像曝光装置、将预定图案曝光在光敏材料上的方法。因此，该方法可以容易地防止上面所提及问题。
图1是依据本发明第一实施例的图像曝光装置的透视图，示出其整体。
图2是图1中所示图像曝光装置中扫描仪的透视图，示出其结构。
图3A是光敏材料的平面图，示出其被曝光区域。
图3B是示出各个曝光头中曝光区域的布置的视图。
图4是图1中所示的图像曝光装置中的曝光头的透视图，示出其简要构造。
图5是上述曝光头的示意性横截面图。
图6是数字微镜器件(DMD)的局部放大图，示出其结构。
图7A是用于解释DMD操作的图。
图7B是用于解释DMD操作的图。
图8A是DMD的平面图，示出在DMD没有相对于副扫描方向倾斜时曝光光束和扫描线的布置。
图8B是DMD的平面图，示出在DMD相对于副扫描方向倾斜时曝光光束和扫描线的布置。
图9A是光纤阵列光源的透视图，示出其结构。
图9B是前正视图，示出在光纤阵列光源的激光输出部分处发光点的设置。
图10是示出多模光纤的结构图。
图11是光束组合激光光源的平面图，示出其结构。
图12是激光器模块的平面图，示出其结构。
图13是在图12中所示激光器模块的侧视图，示出其结构。
图14是图12中所示激光器模块的局部前视图，示出其结构。
图15是示出上述图像曝光装置的电气结构的框图。
图16A是示出在DMD中使用的示例区域的图。
图16B是示出在DMD中使用的示例区域的图。
图17是示出包括DMD的微镜的瞬时响应的图。
图18是用在依据本发明第二实施例的图像曝光装置中的曝光头的示意性横截面图。
实施本发明的最佳实施方式此后，将参考附图详细地描述本发明的优选实施例。依据第一实施例的图像曝光装置将被首先描述。
如图1中所示，本实施例中的图像曝光装置包括板状移动台150，用于通过吸附在其上保持片状感光材料12。沿上述台的移动方向延伸的两条导轨158被设置在厚板状安装平台156的上表面上，该厚板状安装平台156由四条腿154支撑。所述台152被布置成其纵向被定向至所述台的移动方向，并且可移动地由导轨158支撑，以允许前后移动。本实施例中的图像曝光装置进一步包括将在后面描述的台驱动单元304(图15)，用于沿导轨158驱动用作副扫描装置的台152。
跨过台152的移动路径的倒U状门160被设置在安装平台156的中央部分。倒U状门160的各个末端被固定连接到安装平台156的各侧面处。扫描仪162被设置在门160的一侧，以及用于检测光敏材料150的前后沿的多个传感器164(例如，两个)被设置在另一侧。扫描仪162和传感器164在台152的移动路径上方被固定连接到门160。扫描仪162和传感器164被连接至控制它们的控制器(未显示)。
如图2和3B中所示，扫描仪162包括多个曝光头166(例如，十四个)，其被设置为“m”行、“n列”的矩阵形式。在这个例子中，四个曝光头166相对于光敏材料150的宽度被设置在第三行中。此后，被设置在第m行中第n列处的曝光头将被标示为曝光头166mn。
每个曝光头166的曝光区域具有矩形形状，短边被定位在副扫描方向中。因此，在台152移动时通过各个曝光头166，带状曝光区域170被形成在光敏材料150上。此后，设置在第m行中第n列处的曝光头的曝光区域将被标示为曝光区域168mn。
如图3A和3B中所示，成线性被安置在行中的每个曝光头166在安装方向中被移位预定距离(例如，曝光区域中长边的自然数倍，在这个例子为长边的两倍)，以使每个条状曝光区域170被设置，而在至副扫描方向的正交方向中与相邻曝光区域170没有任何间隙。结果，在第一行中与曝光区域16811和16812之间的空间相对应的光敏材料的未曝光区域，可以通过第二行中的曝光区域16821和第三行中的曝光区域16831被曝光。
曝光头16611至166mn中的每个具有数字微镜器件(DMD)50，其可以从U.S.Texas Instruments Inc.(美国德克萨斯州仪器有限公司)得到，作为根据图像数据通过像素偏置来调制入射在像素上的入射光束的空间光调制器件。DMD 50被连接到在后面被描述的控制器302(图15)。控制器302包括数据处理部分和镜驱动控制部分。控制器302的数据处理部分产生控制信号，用于基于输入的图像数据、在DMD 50的将被控制用于各个曝光头166的区域内驱动控制各个微镜。“将被控制的区域”的含义将在此后被提出。镜驱动控制部分基于由图像数据处理部分所产生的控制信号，控制用于各个曝光头166的DMD50中各个微镜的反射表面的角度。用于控制各个微镜的反射面角度的方法将在后面被描述。
具有激光输出部分的光纤阵列光源66、透镜系统67和镜子69以这种顺序被布置在DMD50的光进入侧上；在激光输出部分中沿与曝光区域168的长边的方向相对应的方向线性布置光纤的输出面(发光点)；透镜系统67用于将从光纤阵列光源66输出的激光束校正和聚焦在DMD上；镜子69用于将通过透镜系统67传输的激光束反射向DMD 50。在图4中，示意性示出透镜系统67。
如在图5中所详细示出的，透镜系统67包括聚光透镜71，用于将激光束B会聚为从光纤阵列光源66发射的照亮光线；被设置在通过聚光透镜71传输的光的光路中的棒状光学积分器72(此后称为“棒积分器”)，以及被布置在棒积分器72前头的图像聚焦透镜74，也就是在镜69侧面。从光纤阵列光源66发射的激光束穿过聚光透镜71、棒积分器72和图像聚焦透镜74被照射在DMD 50上，作为在横截面中具有均匀发光强度的大致准直光束。棒积分器72的形状和功能将在后面被详细描述。
从透镜系统67输出的激光束B由镜69反射，进而通过TIR(全内反射)棱镜70被照射在DMD 50上。图4中，TIR棱镜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的图像聚焦光系统51被设置在DMD 50的光反射侧面。图像聚焦光系统51示意性被示出在图4中。如在图5中被详细示出的，图像聚焦光系统51包括由透镜系统52、54构成的第一图像聚焦光系统、由透镜系统57、58构成的第二图像聚焦光系统。它另外包括微透镜阵列55和孔径阵列59，它们被设置在两个图像聚焦光系统之间。
如图6中所示，DMD 50为由多个微镜62(例如，1024×768)构造的镜器件，每个微镜构成像素，多个微镜62被设置在SRAM单元(存储器单元)60上的格点图案中。在各个像素中，矩形微镜被设置在顶部，其由支撑杆支撑。诸如铝等之类的高反射材料被沉积在微镜的表面。微镜的反射系数不小于90％。微镜的尺寸在纵向和横向中例如为13μm，以及布置节距在两个方向中例如为13.7μm。硅栅极CMOS SRAM单元60被设置在各个微镜62下面，通过具有铰链和轭的支撑杆，所述硅栅极CMOSSRAM单元60可以在普通制造线上被生产用于制造半导体存储器。完整DMD在单片电路上被构造。
在数字信号被写入DMD 50的SRAM单元60中时，相对于在其上设置DMD 50的基底在以对角线为中心的±α度(例如，±12度)范围内倾斜由支撑杆支撑的微镜。图7A显示倾斜α度的微镜62，这意味着它处于打开状态，以及图7B显示倾斜-α度的微镜62，这意味着它处于关闭状态。因此，通过依据如图6中所示的图像信号控制微镜62在DMD 50中各个像素中的倾斜，入射在DMD 50的激光束B被反射至各个微镜62的倾斜方向。
图6是DMD 50的局部放大图，示出示例情形，在其中一部分DMD 50中的一些微镜被控制以倾斜+α或-α度。各个微镜62的关闭-打开控制通过连接至DMD 50的控制器302来实施。吸光材料(未显示)被设置在激光束B的传播方向中，该激光束B由处于“关闭”状态的微镜反射。
孔径阵列59由不透明部件59b制造，多个圆孔径(开口)59a被二维地设置。孔径阵列59被放置在通过第一图像聚焦光系统聚焦的在DMD 50中微镜62的图像位置，以使微透镜62中的各个图像被定位在各个孔径59a的平面处。在本实施例中，孔径59a的直径为9μm。
同时，微透镜阵列55由二维设置的多个微透镜55a构造，每个与孔径阵列59中的每个孔径(即，DMD 50中的每个微镜)相对应。定为在每个孔径59a的平面处的图像通过各个对应微透镜55a被聚焦在图像聚焦平面Q上。尽管DMD总共具有1024块×768列微镜，但是在本实施例中仅仅1024块×256列微镜被驱动，如在后面将被描述的。从而，微透镜55a中的1024块×256列的对应数量被布置。
DMD 50中微镜62中的图像被放大1.5倍，也就是达到近似20μm×20μm的尺寸，以及通过第一图像聚焦光系统被聚焦在孔径阵列59上。从而，通过如上所述的具有较小直径9μm的孔径59a仅仅观察到处于中央区域处微镜62的很少扭曲图像。作为例子，微透镜阵列55由光学玻璃BK7制造，并且每个微透镜具有75μm焦距，以及通过对它放大1/3将图像聚焦在各个对应孔径59a的平面处。然后，通过由透镜系统57、58所构成的第二图像聚焦光系统，以相同放大率将图像聚焦在光敏材料150上。也就是，处于孔径59a平面处的图像被聚焦和投射在光敏材料上，在这里成为直径3μm的图像。
在本实施例中，棱镜对73被设置在第二图像聚焦光系统和光敏材料150之间，以及通过在图5中上下方向中移动棱镜对73，而调整在光敏材料150上的图像的焦点。在图5中，沿由箭头F指示的副扫描方向进给光敏材料150。
优选地，以略微倾斜方式设置DMD 50，以使其短边与副扫描方向形成预定角度θ(例如，0.1至5度)。图8A显示在DMD 50没有倾斜时由各个微镜所产生的反射光线图像(曝光光束)53的扫描轨迹，以及图8B显示在DMD 50倾斜时来自各个微镜的曝光光束53的扫描轨迹。
DMD 50包括设置在横向中的多个微镜列(例如，756)，各列具有沿纵向设置的多个微镜(例如，1024)。如图8B所示，在没有倾斜时，由微镜所产生的曝光光束53的扫描轨迹(扫描线)之间的节距P2通过倾斜DMD 50变得比节距P1窄，并且图象分辨率被明显提高。同时，DMD50相对于副扫描方向的倾斜角非常小，以致于DMD被倾斜时的扫描宽度W2与它没有倾斜时的扫描宽度W1近似相同。
另外，通过不同微镜列对相同扫描线多次曝光(多级曝光)。多级曝光允许对曝光位置的精细控制，进而确保可以实现分辨率高的曝光。另外，可以通过精细曝光位置控制使在沿主扫描方向设置的多个曝光头之间的接缝平滑。
取代倾斜DMD 50，通过在与副扫描方向正交的方向中将各个微镜列偏移预定距离来以Z字形图案布置微镜列，可以获得相类似的效果。
如图9A中所示，光纤阵列光源66包括多个激光器模块64(例如，14个)，以及多模光纤30长度的一端连接至各个激光器模块64。芯直径与多模光纤30的同样、包层直径比多模光纤30的小的光纤31的长度被叠接至各个多模光纤30的另一端。如在图9B中详细所述的，在与多模光纤30相对的侧面上，七根光纤31中的各个端面沿与副扫描方向正交的主扫描方向被排列，以及两个端面阵列被设置以形成激光输出部分68。
由光纤31的端面形成的激光输出部分68由具有平板表面的两个支撑板65所固定夹持，优选地，由玻璃或类似物制成的透明保护板被设置在光纤31的各个光输出面上，用于保护。各个光纤31的光输出面由于其具有高光学密度而可能聚集灰尘和趋于变坏。上述保护板的供应可能防止灰尘粘结并延迟变坏。
在本实施例中，如图10中所示，具有较小包层直径、长度大约为1至30cm的光纤31被共轴叠接至具有较大包层直径的多模光纤30的激光束输出侧的末梢。通过将光纤31的输入面熔融叠接至光纤30的输出面，而将光纤30、31叠接在一起，其中芯轴是对准的。如之前所述的，光纤31具有与多模光纤30相同的芯直径。
至于多模光纤30和光纤31，可以使用阶梯指数型光纤、分级指数型光纤或混合型光纤。例如，可以使用可从Mitsubishi Cable Industries，Ltd.(三菱实业有限公司)得到的阶梯指数型光纤。在本实施例中，多模光纤30和光纤31是阶梯指数型。多模光纤30具有125μm的包层直径、50μm的芯直径、0.2的NA和对应输入面涂层的99.5％的透射率。光纤31具有60μm的包层直径、50μm的芯直径和0.2的NA。
然而，光纤31的包层直径不限于60μm。用于常规光纤光源的许多光纤的包层直径为125μm。优选地，多模光纤的包层直径不大于80μm，以及更优选地不大于60μm，因为较小包层直径产生较深的焦深(focaldepth)。优选地，光纤31的包层直径不小于10μm，因为单模光纤需要至少3至4μm的芯直径。优选地，从耦合效率的角度来看，光纤30、31具有相同芯直径。
在本实施例中，不必要求使用包层直径彼此不同的、通过熔融叠接(所谓的锥形叠接)在一起的两种不同类型的光纤30、31。可以通过捆扎具有相同包层直径的多个光纤(例如，图9A中的光纤30)形成光纤阵列光源，每个光纤没有被叠接在那里的不同类型的光纤。
激光器模块64由光束组合激光光源(光纤光源)被构造。光束组合激光光源包括多个横向的多模或单模GaN系统半导体激光器芯片LD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6和LD7，它们被固定设置在加热块10上；准直器透镜11、12、13、14、15、16和17，每个被提供用于对应的各个GaN系统半导体激光器LD1至LD7；聚光透镜20；以及多模光纤30。半导体激光器的数量不限于7个，并且不同数量的半导体激光器可以被采用。另外，取代七个分离的准直器透镜11至17，这些准直器透镜被集成的准直器透镜阵列可以被使用。
各个GaN系统半导体激光器LD1至LD7具有大致相同的振荡波长(例如，405nm)和最大输出(例如，用于多模激光器的大约100mW以及用于单模激光器的大约50mW)。各个GaN系统半导体激光器LD1至LD7的输出在最大输出功率之下可以互不相同。至于GaN系统半导体激光器LD1至LD7，以除了405nm以外、从350至450nm波长范围的波长振荡的激光器还可以被使用。
光束组合激光光源与其它光学元件一起被包含在具有顶部开口的盒型封装40中。封装40包括被形成以密封封装40开口的封装盖。密封气体在除去空气之后被导入封装40中，以及使用封装盖41封装40的开口，以将光束组合激光光源气密密封在因此被产生的闭合空间(密封空间)内。
基板42被固定连接在封装40的底表面上，加热块10、用于保持准直器透镜20的准直器透镜保持器45和用于保持多模光纤30的输入端的光纤保持器46被附连在基板42的上表面。多模光纤30的输出端向外被拉出，穿过被设置在封装40的壁上。
准直器透镜保持器44被附连至加热块10的侧面，准直器透镜11至17被保持在那里。孔径被设置在横向侧壁上，用于将驱动电流供给GaN系统半导体激光器LD1至LD7的导线通过横向侧壁被向外拉出。
在图13中，为了简明，七个半导体激光器LD1至LD7中只有GaN系统半导体激光器LD1，以及七个准直器透镜11至17中的准直器透镜17被显示。
图14为准直器透镜11至17的安装部分的前视图，示出其前几何轮廓。每个准直器透镜11至17被形成使得通过平行平面以加长形式使包括具有非球面的圆透镜光轴的区域被切片。例如，通过模制树脂或光学玻璃可以形成加长的准直器透镜。准直器透镜11至17互相被紧密设置在GaN系统半导体激光器LD1至LD7的发光点的排列方向(图14中从左至右的方向)上，以使准直器透镜11至17的长度方向被定向在与GaN系统半导体激光器LD1至LD7的发光点的排列方向正交的方向上。
同时，至于GaN系统半导体激光器LD1至LD7，使用这样的激光器其包括带有2μm发光宽度的有源层，并且沿平行于或者正交于有源层的方向分别发射光束发散角例如为10度和30度的各个激光光束。GaN系统半导体激光器LD1至LD7被设置使得其中的发光点线性排列在平行于有源层的方向上。
因此，从各自发光点发射的激光光束B1至B7进入各自的加长准直器透镜11至17，其中具有较大光束发散角的方向对应于准直器透镜的长度方向，以及具有较小光束发散角的方向对应于准直器透镜的宽度方向(正交于长度方向的方向)。也就是，各个准直器透镜11至17的宽度为1.1mm，其长度为4.6mm，以及沿水平和垂直方向进入准直器透镜11至17的激光束B1至B7的光束直径分别为0.9mm和2.6mm。各个准直器透镜11至17具有3mm的焦距f1和0.6的NA，它被布置具有1.25mm的节距。
聚光透镜20被形成为通过平行平面以加长形式对包括具有非球面的圆透镜光轴的区域进行切片。它被设置为其长边对应准直器透镜11至17的排列方向，即水平方向，其短边对应于正交水平方向的方向。聚光透镜20具有23mm的焦距f2和0.2的NA。聚光透镜20还通过模制树脂或光学玻璃被形成。
参考图15，将描述依据本发明的图像曝光装置的电结构。如图15中所示，全部控制部分300连接至调制电路301，其顺序连接至用于控制DMD 50的控制器302。全部控制部分300还连接至LD驱动电路303，用于驱动激光器模块64。另外，它连接至台驱动单元304，用于驱动台152。
此后，将描述前述图像曝光装置的操作。在扫描仪162的各个曝光头中，从各个GaN系统半导体激光器LD1至LD7以发散方式发射的各个激光束B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7(图11)由各个对应准直器透镜11至17准直，所述GaN系统半导体激光器LD1至LD7构成光纤阵列光源66的光束组合光源。准直的激光束B1至B7由聚光透镜20会聚，并且聚焦在多模光纤30的芯30a的输入端面上。
在本实施例中，准直器透镜11至17及聚光透镜20构成会聚光系统，以及会聚光系统和多模光纤30构成光束组合光系统。也就是，由聚光透镜20以上述方式会聚的激光束B1至B7进入多模光纤30的芯30a，贯通其中传播，以及从光纤31中出去，光纤31被叠接至多模光纤30的输出端面，如单组合激光束B一样。
在各个激光器模块64中，在激光束B1至B7对多模光纤30的耦合效率为0.9且各个GaN系统半导体激光器LD1至LD7的输出功率为50mW时，组合激光束B具有来自布置成阵列的各个光纤31的输出功率315mW(50mW×0.9×7)。因此，根据14根光纤的总数，可以获得具有输出功率4.4W(0.315×14)的激光束B。
在实施图像曝光时，依据将被曝光的图像的图像数据从图15中所示的调制电路301中被输入给DMD50的控制器302，并且被暂时存储在其帧存储器。图像数据为在其中形成图像的各个像素的灰度值由二进制数值表示(点存在/没有)的数据。
具有吸附在其上的光敏材料150的台152沿导轨158以恒定速度从门160的上游被移动至下游。在台152在门160下通过且光敏材料150的前沿由附连到门160的传感器164所探测时，存储在帧存储器中的图像数据一次对应多条线被顺序读出。然后，基于读出图像数据由数据处理部分在头-头的基础上生成用于各个曝光头166的控制信号，并且基于生成的控制信号由镜驱动控制部分在头-头的基础上对各个曝光头166中的DMD50的各个微镜进行开-关控制。
尽管来自光纤阵列光源66的激光束B被照射在DMD 50上，通过透镜系统51，由驱动至DMD 50“开”的微镜所反射的激光束被聚焦在光敏材料150上。这样，在像素-像素的基础上对从光纤阵列光源66发射的激光束进行开关控制，以及使用多个像素(曝光区域168)对光敏材料150曝光，所述像素基本上等于所使用的DMD中的像素数。光敏材料150通过台152以恒定速度被移动，使得沿与台移动方向相对的方向通过扫描仪162辅助扫描光敏材料150，通过各个曝光头166形成条带状曝光区域170。
在本实施例中如图16A和16B中，尽管DMD 50包括沿副扫描方向设置的768个微镜阵列，各阵列具有沿主扫描方向设置的1024片微镜，但仅仅一部分微镜阵列(例如，1024片×256阵列)被控制器302驱动控制。
在这种情况中，可以使用设置在DMD 50的中央区域(图16A)或顶部(或底部)末端区域(图16B)的微镜阵列。此外，如果某些微镜成为有缺陷的，则可以使用具有无缺陷微镜的一个或多个微镜阵列，取代具有缺陷微镜的所述或所述多个微镜阵列。这样，微镜阵列从而可以根据情形而改变。
DMD 50具有特定的有限数据处理速度。每行调制速度与所使用的像素数成反比例。因此，通过仅仅使用整个微镜阵列中的一部分，可以增加每行调制速度。同时，对于在其中相对于曝光表面连续移动曝光头的曝光方法，不必使用定位在副扫描方向上的全部像素。
在使用扫描仪162完成对光敏材料150的辅助扫描，且通过传感器164探测到光敏材料150的后沿时，台152沿导轨158通过台驱动单元304被返回到门160的最上游处的原始位置。此后，它再次沿导轨158从门160的上游以恒定速度移动至下游。
下面将描述照明光学系统，其由图5中所示的光纤阵列光源66、聚光透镜71、棒积分器72、图像形成透镜74、镜69和TIR棱镜70构成，用于将作为照亮光线的激光束B照射在DMD 50上。棒积分器72例如是形成为方杆的透明棒。尽管激光束B通过全反射在棒积分器72中传播，但在激光束B横截面内的强度分布是均匀的。棒积分器72的输入和输出面设有抗反射涂层，以提高透射率。提供作为照亮光线的、以上面所述方式在横截面内具有高度均匀的强度分布的激光束B可以产生具有均匀光线强度的照亮光线，允许将高分辨率图像曝光在光敏材料150上。
在依据本实施例的装置中，DMD 50的各个微镜62的图像被聚焦在孔径阵列59的各个孔径59a的平面处，然后，所述图像通过微透镜阵列55被聚焦。这种布置确保即使在由微镜62反射至孔径59a的激光束B的入射角由于如先前所述的微镜62的瞬时响应特性而波动时，由微透镜阵列55聚焦的图像位置也保持不变。因此，这种布置可以防止由于上述的入射角的波动而导致的光束在光敏材料150上的位置波动，并且曝光图像的分辨率被满意地保持。
另外，如上所述，定位在孔径阵列59的各个孔径59a的平面处的图像通过微透镜阵列55被聚焦，使得即使在进入孔径阵列59中的光束B的光束直径因第一图像聚焦光系统的场曲率、象散差等而波动时，光敏材料150上的光束直径也保持不变，其中所述第一图像聚焦光系统由透镜系统52、54构成。这还实现将被曝光的具有高分辨率的图像。
此后，将描述本发明的第二实施例。图18是依据第二实施例的图像曝光装置的曝光头的示意横截面图。第二实施例的曝光头与第一实施例的曝光头的主要不同之处在于它没有包括由透镜系统57、58构成的第二图像聚焦光系统。也就是，在依据第二实施例的图像曝光装置中，光敏材料150被放置在由微透镜阵列55中的各个微透镜55聚焦的图像位置处，并且由微透镜阵列55聚焦的图像被直接曝光在光敏材料150上。
还有，与在第一实施例中一样，在本实施例中，即使在由微镜62反射至孔径59a的激光束B的入射角波动时，由微透镜阵列55聚焦的图像位置也保持不变。因此，第二实施例可以基本上提供与第一实施例中相同的有益效果。根据布置光系统的便易性、对屈曲光敏材料的适应性等等的观点来看，其中可以在光系统元件和光敏材料之间提供较大距离的第一实施例可能是优选的。
依据上述的第一和第二实施例的图像曝光装置采用DMD 50作为空间光调制器件，并且防止由于DMD 50中微镜60的瞬时响应特性而导致曝光图像分辨率变差。在采用不同于DMD的空间光调制器件的图像曝光装置中，将空间光调制器件的像素部分的图像聚焦的光线的传输方向可能因一种或其他原因而波动。本发明还可以应用至这种例子中，以防止由于光线入射角度的波动而导致曝光图像分辨率变差。
权利要求
1.一种图像曝光装置，其中光敏材料由经由空间光调制器件传播的光线曝光以表示图像，该装置包括空间光调制器件，其包括设置成阵列的多个像素部分，每个像素部分用于调制照射在其上的光线；光源，其用于将光线照射在空间光调制器件上；图像聚焦光系统，其用于会聚经由空间光调制器件传播的光线，并且聚焦像素部分的每个像素图像；孔径阵列，其由不透明材料制成，且具有设置成阵列的多个孔径，所述阵列被放置在通过图像聚焦光系统聚焦的图象位置处，使得像素部分的各个像素图像被定位在各个对应孔径平面处；微透镜阵列，其包括设置成阵列的多个微透镜，各个微透镜用于聚焦在预定位置处被定位在各个孔径平面处的各个像素图像；和光系统，其用于将通过微透镜阵列聚焦的图像聚焦和投射在光敏材料上。
2.一种图像曝光装置，其中光敏材料由经由空间光调制器件传播的光线曝光以表示图像，该装置包括空间光调制器件，其包括设置成阵列的多个像素部分，各个像素用于调制照射在其上的光线；光源，其用于将光线照射在空间光调制器件上；图像聚焦光系统，其用于会聚经由空间光调制器件传播的光线，并且聚焦像素部分中的各个像素图像；孔径阵列，其由不透明材料制造，且具有设置成阵列的多个孔径，所述阵列被放置在通过图像聚焦光系统聚焦的图象位置处，使得像素部分中的各个像素图像被定位在各个对应孔径平面处；和微透镜阵列，其包括设置成阵列的多个微透镜，各个微透镜用于将被定位在各个孔径平面处的各个像素图像聚焦在光敏材料上。
3.依据权利要求1或2的图像曝光装置，其中，空间光调制器件包括DMD(数字微镜器件)，在所述DMD中用作像素部分的多个微镜被二维地设置。
4.一种图像曝光方法，其使用依据权利要求1至3中任一项所述的图像曝光装置将预定图案曝光在光敏材料上。
全文摘要
一种图像曝光装置，其能够避免由于光线行进方向上的波动而导致所曝光的图像分辨率变差，所述光线聚焦空间光调制器件的像素部分的像素图像。该装置包括空间光调制器件(50)，例如具有被二维地设置的多个像素部分的DMD；光源(66)；和图像聚焦光系统(52、54)。它另外包括孔径阵列(59)，其被设置在通过图像聚焦光系统(52、54)被聚焦的图像位置，以使像素部分的各个像素图像被定位在各个孔径(59a)的平面处。被定位在孔径阵列(59)的孔径平面处的像素图像通过微透镜阵列(55)被聚焦为图像，其然后由光系统(57、58)被投影在光敏材料(150)上。
文档编号G03B27/32GK101080675SQ200580041938
公开日2007年11月28日 申请日期2005年12月1日 优先权日2004年12月9日
发明者石川弘美 申请人:富士胶片株式会社