JP3694177B2 - 走査式描画装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、描画光の走査位置をモニターするためのモニター光学系を備えた走査式描画装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザーフォトプロッター等の比較的大型で、かつ、厳密な描画精度が要求される走査式描画装置には、描画面上での描画光の走査位置をリアルタイムで検出してレーザー光の変調を制御するため、モニター光学系が設けられている。
【０００３】
図４は、従来の走査式描画装置の光学系を展開して模式的に示す主走査方向の説明図である。図中左側となる図示せぬ光源から発したレーザー光は、ハーフミラーＭ1により描画光Ｌ1とモニター光Ｌ2とに分離される。ハーフミラーＭ1で反射された描画光Ｌ1は、ミラーＭ2で反射され、第１の縮小光学系１、音響光学変調素子(ＡＯＭ)２、第２の縮小光学系３を介し、ミラーＭ3で反射されてハーフミラーＭ4に入射する。一方、ハーフミラーＭ1を透過したモニター光Ｌ2は、第３の縮小光学系４を介してハーフミラーＭ4に入射する。
【０００４】
ハーフミラーＭ4で合成された描画光Ｌ1およびモニター光Ｌ2は、コリメートレンズ５を介してポリゴンミラー６に入射し、これにより反射、偏向され、ｆθレンズ７により収束光となる。描画光Ｌ1は、図示せぬ描画面上を走査し、モニター光Ｌ2は、描画面と等価な位置に配置された図示せぬモニタースケール上を走査する。
【０００５】
モニタースケールは、表面に不透明なラインが等ピッチで多数形成された透明板であり、この上をモニター光が走査することにより、透過光を検出する受光素子からパルス状の信号が出力される。描画装置の制御回路は、受光素子から出力されたパルス信号を所定の描画開始位置からカウントすることにより、描画光が現在描画面上のいずれの位置を走査しているかを検出でき、これに基づいてレーザー光を変調する。
【０００６】
なお、図４では、説明を簡単にするため描画光が単一であることを前提としているが、この種の描画装置では、描画速度を高くするため、複数の描画光を描画面上で同時に走査させるマルチビームの構成を採用する場合が多い。マルチビームの場合には、ハーフミラーＭ1と第１の縮小光学系１との間にレーザー光を複数の描画光に分割するためのビームセパレータが配置される。
【０００７】
そして、マルチビームの走査式描画装置においては、モニター光専用光路(ハーフミラーＭ1，Ｍ4間のモニター光のみが通過する光路)と描画光専用光路(同様に描画光のみが通過する光路)とを比較したとき、前者の方が光路長が短く、利用されるレンズ等の光学素子の径が小さい。これは、描画光専用光路には、ＡＯＭ２の前後に縮小光学系１，３等が配置され、かつ、ビームセパレータが配置されるため、一定以上の光路長が必要となるのに対してモニター光専用光路ではそれらが必要ないこと、そして、描画光専用光路では複数のレーザー光が並列して進むため、一定以上のレンズ有効径が必要になるのに対してモニター光専用光路では単一のレーザー光のみが進むため必要な有効径が小さいことによる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の走査式描画装置では、上述のようにモニター光専用光路と描画光専用光路との光路長や光学系のレンズ径等が異なるため、通常各光路の光学的な倍率、介在するミラーの枚数等が異なり、光源の光軸がずれた場合に、描画面上での描画光の位置の変化とモニタースケール上でのモニター光の位置の変化とが、その方向、量において互いに異なり、モニター信号と描画位置との対応関係が崩れ、正確な描画光の制御ができなくなる。
【０００９】
このような描画光とモニター光とのズレを図４により説明する。光源の光軸が図中一点鎖線で示した光学系の光軸に一致するときには、描画光Ｌ1もモニター光Ｌ2もこの光軸上を進み、ズレは生じない。しかし、光源の光軸が例えば図中上側にδ0だけ平行にずれた場合、描画光Ｌ1は実線で示した光路を通過して描画面上では図中光軸より下側にδ1だけずれる。これに対して、モニター光Ｌ2は、破線で示した光路を通過して描画面(実際にはこれと等価なモニタースケール)上では光軸より上側にδ2だけずれる。
【００１０】
光源としてガスレーザーを用いる場合、電源投入直後と投入後十分に時間が経過した後とでは光軸がずれることがあり、あるいは、寿命により光源を交換した場合にも光軸のずれは発生し得る。
【００１１】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、光源の光軸がずれた場合にも、モニター信号と描画位置との対応関係を保つことができ、描画光の正確な制御が可能な走査式描画装置の提供を課題
(目的)とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる走査式描画装置は、上記の目的を達成させるため、光源から発するレーザー光を光分岐素子により描画光とモニター光とに分離し、それぞれ描画光専用の光路、モニター光専用の光路を介して光合成素子により合成して偏向器に入射させ、該偏向器により偏向された描画光を走査レンズにより描画面上に結像させ、偏向されたモニター光を描画面と等価な位置に配置されたモニタースケール上に結像させる構成を前提として、描画光専用光路とモニター光専用光路との光路長が異なり、あるいは、描画光専用光路に配置された光学系のレンズ径がモニター光専用光路に配置された光学系のレンズ径より大きく、各専用光路に配置された光学系は、光源の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとの方向が等しく、ズレ量がほぼ同一であるよう設定されていることを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、光源の光軸がずれた場合にも、このズレによる影響がモニター光と描画光とに等しく現れるため、モニター信号と描画光との対応を保つことができる。
【００１４】
ズレの方向、量をほぼ同一にするためには、モニター光の反射回数と描画光の反射回数との差が偶数である場合には、光源を物点としたときに、モニター光専用光路を経由してモニタースケールに至る光学系の倍率と、描画光専用光路を経由して描画面に至る光学系の倍率とをほぼ等しく設定する。一方、モニター光の反射回数と描画光の反射回数との差が奇数である場合には、光源を物点としたときに、モニター光専用光路を経由してモニタースケールに至る光学系の倍率と、描画光専用光路を経由して描画面に至る光学系の倍率との絶対値をほぼ等しく、符号を逆に設定する。
【００１５】
また、モニター光専用光路を経由した際に光源とモニタースケールとが幾何光学的に共役であり、描画光専用光路を経由した際に光源と描画面とが幾何光学的に共役であることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる走査式描画装置の実施形態を説明する。図１は実施形態の走査光学装置の光学素子の配置を示す斜視図、図２はその光路を展開して示す説明図である。
【００１７】
実施形態の走査式描画装置は、固定的に設けられた光源１０及び光学台１１と、これに対して図中Ｘ方向にスライド可能に設けられた描画テーブル１２とから構成される。アルゴンレーザー等の光源１０から発したレーザー光は、光学台１１に配置された走査光学系を介して描画テーブル１２上に載置された描画面１３上に前記のＸ方向に対して直交するＹ方向の走査線Ｓを形成する。
【００１８】
光学台１１の下側に配置された光源１０から発したレーザー光は、ミラー２０，２１により反射されて光学台１１に形成された光路穴１１ａを通り、ミラー２２で反射されて変倍レンズ系２３を通してビーム径が調整される。変倍レンズ系２３を透過したレーザー光は、光分岐素子であるハーフミラー２４により反射される描画光Ｌ1(図中実線で示す)と透過するモニター光Ｌ2(図中一点鎖線で示す)とに分離される。
【００１９】
描画光Ｌ1は、ハーフミラー２５により二分され、反射された描画光はビームセパレータ２６ａに入射し、透過した描画光はミラー２７を介してビームセパレータ２６ｂに入射する。ビームセパレータ２６ａ，２６ｂは、それぞれの描画光をさらに複数本、ここでは３本に分離する機能を有している。
【００２０】
分離された描画光は、それぞれミラー２８ａ，２８ｂを挟んで設けられた一対のレンズ群から成る第１縮小光学系２９ａ，２９ｂによりビーム間隔が狭められ、マルチチャンネルの音響光学変調素子(ＡＯＭ)３０ａ，３０ｂに入射する。各ＡＯＭは、独立して変調可能な複数の変調部を備え、各描画光を独立して変調する。一方のＡＯＭ３０ｂにより変調された各描画光は、ミラー３１で反射されてビームスプリッター３２に入射し、他方のＡＯＭ３０ａにより変調された各描画光は、直接ビームスプリッター３２に入射し、合成されて同一光路を進む。
【００２１】
合成された６本の描画光は、ミラー３３で反射された後、ミラー３４を挟んで配置された一対のレンズ群から成る第２縮小光学系３５によりビーム間隔が縮小され、イメージローテータ３６に入射する。イメージローテータ３６は、６本の描画光が描画面上で適正に配列するよう方向を調整する。
【００２２】
なお、ハーフミラー２４を透過したモニター光Ｌ2は、ミラー５０で反射された後、モニター光用縮小光学系５１、モニター光倍率調整光学系５２を経てミラー５３で反射され、第２縮小光学系３５の後群レンズとイメージローテータ３６との間で描画光の光路外に配置されたミラー(光合成素子)５４により反射されて描画光に合流する。
【００２３】
イメージローテータ３６を射出した描画光およびモニター光は、ミラー３７，３８で反射された後、コリメートレンズ３９を透過し、ミラー４０により反射されて偏向器であるポリゴンミラー４１に入射する。ポリゴンミラー４１は図中反時計回り方向に回転しており、描画光およびモニター光を同時に反射、偏向する。
【００２４】
ポリゴンミラー４１により偏向された描画光およびモニター光は、走査レンズであるｆθレンズ４２により収束され、ミラー４３、コンデンサレンズ４４を介して描画面１３に向かう。描画光は、直進して描画面１３に達してその上を走査し、モニター光は、描画光の光路外に配置されたミラー４５により描画光から分離され、ミラー４６により反射されてモニタースケール４７上を走査する。モニタースケール４７は、表面に不透明なラインが等ピッチで多数形成された透明板であり、この上をモニター光が走査することにより、透過光を検出する図示せぬ受光素子からパルス状の信号が出力される。
【００２５】
なお、変倍レンズ群２３は、光源１０の個体差によるビーム径のバラツキを補正するために設けられている。光源１０としてガスレーザーを用いる場合、個体差や経時変化によりビーム径が変化する場合が多い。そして、光源１０から発するレーザー光のビーム径が変化すると、描画面１３上でのスポット径も変化して描画特性が変化する。これを避けるため、光源１０から発するレーザー光のビーム径に応じてスポット径を一定に保つように変倍レンズ群２３を調整する。変倍によるスポット径の調整に伴い、描画光路の倍率とモニター光路の倍率とに差が生じるのを防ぐため、変倍レンズ群２３は描画光とモニター光とを分離するハーフミラー２４より光源１０側に配置されている。
【００２６】
ここで、描画面上でビームが走査する主走査方向と平行で各レンズ(例えばｆθレンズ、コンデンサレンズ４４等)の光軸を含む面を主走査断面、主走査方向に垂直で描くレンズの光軸を含む面を副走査断面と定義する。
また、ハーフミラー２４を透過したモニター光がミラー５４により描画光に合流するまでのモニター光のみが通過する光路をモニター光専用光路、ハーフミラー２４で反射された描画光がモニター光と合流するまでの描画光のみが通過する光路を描画光専用光路とする。両光路を比較すると、第１に、モニター光専用光路の光路長が描画光専用光路の光路長より短く、第２に、モニター光専用光路に配置されたレンズのレンズ径が描画光専用光路に配置されたレンズのレンズ径より小さい。
【００２７】
上記の違いは、第１に、描画光専用光路には、セパレータ２６ａ，２６ｂ、第１縮小光学系２９ａ，２９ｂ、ＡＯＭ３０ａ，３０ｂ等を配置する必要があるため、一定以上の光路長が必要となるのに対してモニター光専用光路ではそれらが必要ないこと、第２に、描画光専用光路では複数のレーザー光が並列して進むため、一定以上のレンズ有効径が必要になるのに対してモニター光専用光路では単一のレーザー光のみが進むため必要な有効径が小さいことによる。
【００２８】
実施形態の走査式描画装置では、各専用光路に配置された光学系は、光源１０の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる描画面１３上での描画光のズレと、モニタースケール４７上でのモニター光のズレとの方向が等しく、ズレ量がほぼ同一であるよう設定されている。
【００２９】
この例では、光源から描画面に至るまでの光路中、一方の描画光は主走査断面内で１０回、副走査断面内で３回反射され、他方の描画光は、主走査断面内で１２回、副走査断面内で３回反射されている。モニター光は、主走査断面内で８回、副走査断面内で５回反射されている。なお、断面内での反射とは、断面に含まれる軸上入射光線が反射後も当該断面に含まれるような反射をいうものとする。したがって、主走査断面、副走査断面共に、描画光とモニター光との反射回数の差は偶数となる。そこで、この例では、モニター光専用光路の倍率と、描画光専用光路の倍率とが符号を含めて等しくなるよう設定されている。これにより、光源１０の光軸が平行移動した場合にも、描画面１３上での描画光のズレと、モニタースケール４７上でのモニター光のズレとを、その量および方向において等しくすることができる。
【００３０】
また、モニター光専用光路を経由した際に光源１０とモニタースケール４７とが幾何光学的に共役であり、描画光専用光路を経由した際に光源１０と描画面１３とが幾何光学的に共役となるよう設定している。これにより、光源１０の光軸が傾いた場合にも、描画面１３上での描画光のズレを抑えると共に、モニタースケール４７上でのモニター光のズレを抑えることができる。
【００３１】
次に、図２を参照して倍率の設定について説明する。図２は、２つある描画光専用光路の一方を省き、光路を展開して示した説明図である。
描画光専用光路に配置された第１縮小光学系２９ａの前群レンズの焦点距離をｆ1、後群レンズの焦点距離をｆ2、第２縮小光学系３５の前群レンズの焦点距離をｆ3、後群レンズの焦点距離をｆ4とすると、第１縮小光学系２９ａの倍率ｍ1＝−ｆ2／ｆ1、第２縮小光学系３５の倍率ｍ2＝−ｆ4／ｆ3となる。実施形態では、例えばｍ1＝−０．２、ｍ2＝−０．１であり、描画光専用光路の倍率は０．０２となる。
【００３２】
これに対し、モニター光専用光路に配置されたモニター光用縮小光学系５１の前群レンズの焦点距離をｆ5、後群レンズの焦点距離をｆ6、モニター光倍率調整光学系５２の前群レンズの焦点距離をｆ7、後群レンズの焦点距離をｆ8とすると、モニター光用縮小光学系５１の倍率ｍ3＝−ｆ6／ｆ5、モニター光倍率調整光学系５２の倍率ｍ4＝−ｆ8／ｆ7となる。実施形態では、例えばｍ3＝−０．０２、ｍ4＝−１．０であり、モニター光専用光路の倍率も０．０２となる。
【００３３】
このように、ミラー枚数の差が偶数枚の場合には、描画光専用光路の倍率とモニター光専用光路の倍率とを等しく設定することにより、描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとの量、方向を等しくすることができる。
【００３４】
次に、上述した実施形態の構成を単純化した図３に基づいて光源の光軸が平行移動した場合の描画光とモニター光との光路のズレについて説明する。図３(Ａ)は、上記の実施形態と同様に描画光が反射されるミラーの枚数とモニター光が反射されるミラーの枚数との差が偶数枚の光学系、図３(Ｂ)は、ミラー枚数の差が奇数枚の光学系をそれぞれ示す。なお、図中の各光学部材の符号は、図４で用いたものを流用する。
【００３５】
まず、図３(Ａ)の場合には、描画光専用光路に第１縮小光学系１、ＡＯＭ２、第２縮小光学系３が配置され、モニター光専用光路にはモニター光用縮小光学系４ａ、モニター光倍率調整光学系４ｂが配置されており、各専用光路の倍率が互いに等しくなるよう設定されている。例えば、描画光専用光路の倍率が０．０２、モニター光専用光路の倍率も０．０２である。描画光Ｌ1は、ミラーＭ1，Ｍ2，Ｍ3，Ｍ4の４枚のミラーで反射され、モニター光Ｌ2は反射されない。したがって、ミラー枚数の差は４枚である。
【００３６】
図３(Ａ)の光学系において、光源の光軸が図中一点鎖線で示した光学系の光軸に一致するときには、描画光Ｌ1もモニター光Ｌ2もこの光軸上を進み、ズレは生じない。一方、光源の光軸が例えば図中上側にδ0だけ平行にずれた場合には、描画光Ｌ1は実線で示した光路を通過し、コリメートレンズ５、ポリゴンミラー６、ｆθレンズ７を介して描画面上では図中光軸より下側にδ1だけずれる。一方、モニター光Ｌ2は、破線で示した光路を通過し、描画面上では図中光軸より下側にδ2だけずれる。ここでは、δ1＝δ2となり、描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとの量、方向を等しくすることができる。
【００３７】
次に、図３(Ｂ)の場合には、描画光専用光路に第１、第２の縮小光学系１，３が配置され、モニター光専用光路にはモニター光用縮小光学系４が配置されており、各専用光路の倍率の絶対値が等しく、符号が逆になるように設定されている。例えば、描画光専用光路の倍率が０．０２、モニター光専用光路の倍率が−０．０２である。描画光Ｌ1は、ミラーＭ1，Ｍ2，Ｍ3，Ｍ4，Ｍ5の５枚のミラーで反射され、モニター光Ｌ2は反射されない。したがって、ミラー枚数の差は５枚である。
【００３８】
図３(Ｂ)の光学系において、光源の光軸が図中一点鎖線で示した光学系の光軸に一致するときには、描画光Ｌ1もモニター光Ｌ2もこの光軸上を進み、ズレは生じない。一方、光源の光軸が例えば図中上側にδ0だけ平行にずれた場合には、描画光Ｌ1は実線で示した光路を通過し、描画面上では図中光軸より上側にδ1だけずれる。一方、モニター光Ｌ2は、破線で示した光路を通過し、描画面上では図中光軸より上側にδ2だけずれる。ここでは、δ1＝δ2となり、描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとの量、方向を等しくすることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の請求項１の構成によれば、描画光専用光路とモニター光専用光路との光路長が異なる場合にも、光源の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとを一致させることができ、モニター信号と描画位置との対応関係を保ち、描画光の正確な制御が可能となる。
【００４０】
また、請求項２の構成によれば、描画光専用光路とモニター光専用光路とに配置された光学系のレンズ径が異なる場合にも、光源の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとを一致させることができ、モニター信号と描画位置との対応関係を保ち、描画光の正確な制御が可能となる。
【００４１】
反射回数の差が偶数の場合には、請求項３のように各光路の倍率を互いに等しくなるように設定し、奇数の場合には請求項４のように各光路の倍率を絶対値が等しく符号が逆になるように設定することにより、光源の平行移動による描画光とモニター光とのズレを一致させることができる。
【００４２】
なお、請求項５のように共役関係を保つよう設定した場合には、光源の傾きによる描画光とモニター光とのズレを小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施形態にかかる走査光学装置の光学素子の配置を示す斜視図。
【図２】 図１の装置の光路を展開して示す説明図。
【図３】 図２の構成を単純化したミラー枚数の差が偶数である光学系を展開して模式的に示す説明図(Ａ)、ミラー枚数の差が奇数である光学系を展開して模式的に示す説明図(Ｂ)。
【図４】 従来の走査式描画装置の光学系を展開して模式的に示す説明図。
【符号の説明】
１０ 光源
１１ 光学台
１２ 描画テーブル
１３ 描画面
２９ａ，２９ｂ 第１縮小光学系
３０ａ，３０ｂ ＡＯＭ
３５ 第２縮小光学系
４１ ポリゴンミラー
４２ ｆθレンズ
４７ モニタースケール
５１ モニター光縮小光学系
１ モニター光倍率調整光学系
【発明の属する技術分野】
この発明は、描画光の走査位置をモニターするためのモニター光学系を備えた走査式描画装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザーフォトプロッター等の比較的大型で、かつ、厳密な描画精度が要求される走査式描画装置には、描画面上での描画光の走査位置をリアルタイムで検出してレーザー光の変調を制御するため、モニター光学系が設けられている。
【０００３】
図４は、従来の走査式描画装置の光学系を展開して模式的に示す主走査方向の説明図である。図中左側となる図示せぬ光源から発したレーザー光は、ハーフミラーＭ1により描画光Ｌ1とモニター光Ｌ2とに分離される。ハーフミラーＭ1で反射された描画光Ｌ1は、ミラーＭ2で反射され、第１の縮小光学系１、音響光学変調素子(ＡＯＭ)２、第２の縮小光学系３を介し、ミラーＭ3で反射されてハーフミラーＭ4に入射する。一方、ハーフミラーＭ1を透過したモニター光Ｌ2は、第３の縮小光学系４を介してハーフミラーＭ4に入射する。
【０００４】
ハーフミラーＭ4で合成された描画光Ｌ1およびモニター光Ｌ2は、コリメートレンズ５を介してポリゴンミラー６に入射し、これにより反射、偏向され、ｆθレンズ７により収束光となる。描画光Ｌ1は、図示せぬ描画面上を走査し、モニター光Ｌ2は、描画面と等価な位置に配置された図示せぬモニタースケール上を走査する。
【０００５】
モニタースケールは、表面に不透明なラインが等ピッチで多数形成された透明板であり、この上をモニター光が走査することにより、透過光を検出する受光素子からパルス状の信号が出力される。描画装置の制御回路は、受光素子から出力されたパルス信号を所定の描画開始位置からカウントすることにより、描画光が現在描画面上のいずれの位置を走査しているかを検出でき、これに基づいてレーザー光を変調する。
【０００６】
なお、図４では、説明を簡単にするため描画光が単一であることを前提としているが、この種の描画装置では、描画速度を高くするため、複数の描画光を描画面上で同時に走査させるマルチビームの構成を採用する場合が多い。マルチビームの場合には、ハーフミラーＭ1と第１の縮小光学系１との間にレーザー光を複数の描画光に分割するためのビームセパレータが配置される。
【０００７】
そして、マルチビームの走査式描画装置においては、モニター光専用光路(ハーフミラーＭ1，Ｍ4間のモニター光のみが通過する光路)と描画光専用光路(同様に描画光のみが通過する光路)とを比較したとき、前者の方が光路長が短く、利用されるレンズ等の光学素子の径が小さい。これは、描画光専用光路には、ＡＯＭ２の前後に縮小光学系１，３等が配置され、かつ、ビームセパレータが配置されるため、一定以上の光路長が必要となるのに対してモニター光専用光路ではそれらが必要ないこと、そして、描画光専用光路では複数のレーザー光が並列して進むため、一定以上のレンズ有効径が必要になるのに対してモニター光専用光路では単一のレーザー光のみが進むため必要な有効径が小さいことによる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の走査式描画装置では、上述のようにモニター光専用光路と描画光専用光路との光路長や光学系のレンズ径等が異なるため、通常各光路の光学的な倍率、介在するミラーの枚数等が異なり、光源の光軸がずれた場合に、描画面上での描画光の位置の変化とモニタースケール上でのモニター光の位置の変化とが、その方向、量において互いに異なり、モニター信号と描画位置との対応関係が崩れ、正確な描画光の制御ができなくなる。
【０００９】
このような描画光とモニター光とのズレを図４により説明する。光源の光軸が図中一点鎖線で示した光学系の光軸に一致するときには、描画光Ｌ1もモニター光Ｌ2もこの光軸上を進み、ズレは生じない。しかし、光源の光軸が例えば図中上側にδ0だけ平行にずれた場合、描画光Ｌ1は実線で示した光路を通過して描画面上では図中光軸より下側にδ1だけずれる。これに対して、モニター光Ｌ2は、破線で示した光路を通過して描画面(実際にはこれと等価なモニタースケール)上では光軸より上側にδ2だけずれる。
【００１０】
光源としてガスレーザーを用いる場合、電源投入直後と投入後十分に時間が経過した後とでは光軸がずれることがあり、あるいは、寿命により光源を交換した場合にも光軸のずれは発生し得る。
【００１１】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、光源の光軸がずれた場合にも、モニター信号と描画位置との対応関係を保つことができ、描画光の正確な制御が可能な走査式描画装置の提供を課題
(目的)とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる走査式描画装置は、上記の目的を達成させるため、光源から発するレーザー光を光分岐素子により描画光とモニター光とに分離し、それぞれ描画光専用の光路、モニター光専用の光路を介して光合成素子により合成して偏向器に入射させ、該偏向器により偏向された描画光を走査レンズにより描画面上に結像させ、偏向されたモニター光を描画面と等価な位置に配置されたモニタースケール上に結像させる構成を前提として、描画光専用光路とモニター光専用光路との光路長が異なり、あるいは、描画光専用光路に配置された光学系のレンズ径がモニター光専用光路に配置された光学系のレンズ径より大きく、各専用光路に配置された光学系は、光源の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとの方向が等しく、ズレ量がほぼ同一であるよう設定されていることを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、光源の光軸がずれた場合にも、このズレによる影響がモニター光と描画光とに等しく現れるため、モニター信号と描画光との対応を保つことができる。
【００１４】
ズレの方向、量をほぼ同一にするためには、モニター光の反射回数と描画光の反射回数との差が偶数である場合には、光源を物点としたときに、モニター光専用光路を経由してモニタースケールに至る光学系の倍率と、描画光専用光路を経由して描画面に至る光学系の倍率とをほぼ等しく設定する。一方、モニター光の反射回数と描画光の反射回数との差が奇数である場合には、光源を物点としたときに、モニター光専用光路を経由してモニタースケールに至る光学系の倍率と、描画光専用光路を経由して描画面に至る光学系の倍率との絶対値をほぼ等しく、符号を逆に設定する。
【００１５】
また、モニター光専用光路を経由した際に光源とモニタースケールとが幾何光学的に共役であり、描画光専用光路を経由した際に光源と描画面とが幾何光学的に共役であることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる走査式描画装置の実施形態を説明する。図１は実施形態の走査光学装置の光学素子の配置を示す斜視図、図２はその光路を展開して示す説明図である。
【００１７】
実施形態の走査式描画装置は、固定的に設けられた光源１０及び光学台１１と、これに対して図中Ｘ方向にスライド可能に設けられた描画テーブル１２とから構成される。アルゴンレーザー等の光源１０から発したレーザー光は、光学台１１に配置された走査光学系を介して描画テーブル１２上に載置された描画面１３上に前記のＸ方向に対して直交するＹ方向の走査線Ｓを形成する。
【００１８】
光学台１１の下側に配置された光源１０から発したレーザー光は、ミラー２０，２１により反射されて光学台１１に形成された光路穴１１ａを通り、ミラー２２で反射されて変倍レンズ系２３を通してビーム径が調整される。変倍レンズ系２３を透過したレーザー光は、光分岐素子であるハーフミラー２４により反射される描画光Ｌ1(図中実線で示す)と透過するモニター光Ｌ2(図中一点鎖線で示す)とに分離される。
【００１９】
描画光Ｌ1は、ハーフミラー２５により二分され、反射された描画光はビームセパレータ２６ａに入射し、透過した描画光はミラー２７を介してビームセパレータ２６ｂに入射する。ビームセパレータ２６ａ，２６ｂは、それぞれの描画光をさらに複数本、ここでは３本に分離する機能を有している。
【００２０】
分離された描画光は、それぞれミラー２８ａ，２８ｂを挟んで設けられた一対のレンズ群から成る第１縮小光学系２９ａ，２９ｂによりビーム間隔が狭められ、マルチチャンネルの音響光学変調素子(ＡＯＭ)３０ａ，３０ｂに入射する。各ＡＯＭは、独立して変調可能な複数の変調部を備え、各描画光を独立して変調する。一方のＡＯＭ３０ｂにより変調された各描画光は、ミラー３１で反射されてビームスプリッター３２に入射し、他方のＡＯＭ３０ａにより変調された各描画光は、直接ビームスプリッター３２に入射し、合成されて同一光路を進む。
【００２１】
合成された６本の描画光は、ミラー３３で反射された後、ミラー３４を挟んで配置された一対のレンズ群から成る第２縮小光学系３５によりビーム間隔が縮小され、イメージローテータ３６に入射する。イメージローテータ３６は、６本の描画光が描画面上で適正に配列するよう方向を調整する。
【００２２】
なお、ハーフミラー２４を透過したモニター光Ｌ2は、ミラー５０で反射された後、モニター光用縮小光学系５１、モニター光倍率調整光学系５２を経てミラー５３で反射され、第２縮小光学系３５の後群レンズとイメージローテータ３６との間で描画光の光路外に配置されたミラー(光合成素子)５４により反射されて描画光に合流する。
【００２３】
イメージローテータ３６を射出した描画光およびモニター光は、ミラー３７，３８で反射された後、コリメートレンズ３９を透過し、ミラー４０により反射されて偏向器であるポリゴンミラー４１に入射する。ポリゴンミラー４１は図中反時計回り方向に回転しており、描画光およびモニター光を同時に反射、偏向する。
【００２４】
ポリゴンミラー４１により偏向された描画光およびモニター光は、走査レンズであるｆθレンズ４２により収束され、ミラー４３、コンデンサレンズ４４を介して描画面１３に向かう。描画光は、直進して描画面１３に達してその上を走査し、モニター光は、描画光の光路外に配置されたミラー４５により描画光から分離され、ミラー４６により反射されてモニタースケール４７上を走査する。モニタースケール４７は、表面に不透明なラインが等ピッチで多数形成された透明板であり、この上をモニター光が走査することにより、透過光を検出する図示せぬ受光素子からパルス状の信号が出力される。
【００２５】
なお、変倍レンズ群２３は、光源１０の個体差によるビーム径のバラツキを補正するために設けられている。光源１０としてガスレーザーを用いる場合、個体差や経時変化によりビーム径が変化する場合が多い。そして、光源１０から発するレーザー光のビーム径が変化すると、描画面１３上でのスポット径も変化して描画特性が変化する。これを避けるため、光源１０から発するレーザー光のビーム径に応じてスポット径を一定に保つように変倍レンズ群２３を調整する。変倍によるスポット径の調整に伴い、描画光路の倍率とモニター光路の倍率とに差が生じるのを防ぐため、変倍レンズ群２３は描画光とモニター光とを分離するハーフミラー２４より光源１０側に配置されている。
【００２６】
ここで、描画面上でビームが走査する主走査方向と平行で各レンズ(例えばｆθレンズ、コンデンサレンズ４４等)の光軸を含む面を主走査断面、主走査方向に垂直で描くレンズの光軸を含む面を副走査断面と定義する。
また、ハーフミラー２４を透過したモニター光がミラー５４により描画光に合流するまでのモニター光のみが通過する光路をモニター光専用光路、ハーフミラー２４で反射された描画光がモニター光と合流するまでの描画光のみが通過する光路を描画光専用光路とする。両光路を比較すると、第１に、モニター光専用光路の光路長が描画光専用光路の光路長より短く、第２に、モニター光専用光路に配置されたレンズのレンズ径が描画光専用光路に配置されたレンズのレンズ径より小さい。
【００２７】
上記の違いは、第１に、描画光専用光路には、セパレータ２６ａ，２６ｂ、第１縮小光学系２９ａ，２９ｂ、ＡＯＭ３０ａ，３０ｂ等を配置する必要があるため、一定以上の光路長が必要となるのに対してモニター光専用光路ではそれらが必要ないこと、第２に、描画光専用光路では複数のレーザー光が並列して進むため、一定以上のレンズ有効径が必要になるのに対してモニター光専用光路では単一のレーザー光のみが進むため必要な有効径が小さいことによる。
【００２８】
実施形態の走査式描画装置では、各専用光路に配置された光学系は、光源１０の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる描画面１３上での描画光のズレと、モニタースケール４７上でのモニター光のズレとの方向が等しく、ズレ量がほぼ同一であるよう設定されている。
【００２９】
この例では、光源から描画面に至るまでの光路中、一方の描画光は主走査断面内で１０回、副走査断面内で３回反射され、他方の描画光は、主走査断面内で１２回、副走査断面内で３回反射されている。モニター光は、主走査断面内で８回、副走査断面内で５回反射されている。なお、断面内での反射とは、断面に含まれる軸上入射光線が反射後も当該断面に含まれるような反射をいうものとする。したがって、主走査断面、副走査断面共に、描画光とモニター光との反射回数の差は偶数となる。そこで、この例では、モニター光専用光路の倍率と、描画光専用光路の倍率とが符号を含めて等しくなるよう設定されている。これにより、光源１０の光軸が平行移動した場合にも、描画面１３上での描画光のズレと、モニタースケール４７上でのモニター光のズレとを、その量および方向において等しくすることができる。
【００３０】
また、モニター光専用光路を経由した際に光源１０とモニタースケール４７とが幾何光学的に共役であり、描画光専用光路を経由した際に光源１０と描画面１３とが幾何光学的に共役となるよう設定している。これにより、光源１０の光軸が傾いた場合にも、描画面１３上での描画光のズレを抑えると共に、モニタースケール４７上でのモニター光のズレを抑えることができる。
【００３１】
次に、図２を参照して倍率の設定について説明する。図２は、２つある描画光専用光路の一方を省き、光路を展開して示した説明図である。
描画光専用光路に配置された第１縮小光学系２９ａの前群レンズの焦点距離をｆ1、後群レンズの焦点距離をｆ2、第２縮小光学系３５の前群レンズの焦点距離をｆ3、後群レンズの焦点距離をｆ4とすると、第１縮小光学系２９ａの倍率ｍ1＝−ｆ2／ｆ1、第２縮小光学系３５の倍率ｍ2＝−ｆ4／ｆ3となる。実施形態では、例えばｍ1＝−０．２、ｍ2＝−０．１であり、描画光専用光路の倍率は０．０２となる。
【００３２】
これに対し、モニター光専用光路に配置されたモニター光用縮小光学系５１の前群レンズの焦点距離をｆ5、後群レンズの焦点距離をｆ6、モニター光倍率調整光学系５２の前群レンズの焦点距離をｆ7、後群レンズの焦点距離をｆ8とすると、モニター光用縮小光学系５１の倍率ｍ3＝−ｆ6／ｆ5、モニター光倍率調整光学系５２の倍率ｍ4＝−ｆ8／ｆ7となる。実施形態では、例えばｍ3＝−０．０２、ｍ4＝−１．０であり、モニター光専用光路の倍率も０．０２となる。
【００３３】
このように、ミラー枚数の差が偶数枚の場合には、描画光専用光路の倍率とモニター光専用光路の倍率とを等しく設定することにより、描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとの量、方向を等しくすることができる。
【００３４】
次に、上述した実施形態の構成を単純化した図３に基づいて光源の光軸が平行移動した場合の描画光とモニター光との光路のズレについて説明する。図３(Ａ)は、上記の実施形態と同様に描画光が反射されるミラーの枚数とモニター光が反射されるミラーの枚数との差が偶数枚の光学系、図３(Ｂ)は、ミラー枚数の差が奇数枚の光学系をそれぞれ示す。なお、図中の各光学部材の符号は、図４で用いたものを流用する。
【００３５】
まず、図３(Ａ)の場合には、描画光専用光路に第１縮小光学系１、ＡＯＭ２、第２縮小光学系３が配置され、モニター光専用光路にはモニター光用縮小光学系４ａ、モニター光倍率調整光学系４ｂが配置されており、各専用光路の倍率が互いに等しくなるよう設定されている。例えば、描画光専用光路の倍率が０．０２、モニター光専用光路の倍率も０．０２である。描画光Ｌ1は、ミラーＭ1，Ｍ2，Ｍ3，Ｍ4の４枚のミラーで反射され、モニター光Ｌ2は反射されない。したがって、ミラー枚数の差は４枚である。
【００３６】
図３(Ａ)の光学系において、光源の光軸が図中一点鎖線で示した光学系の光軸に一致するときには、描画光Ｌ1もモニター光Ｌ2もこの光軸上を進み、ズレは生じない。一方、光源の光軸が例えば図中上側にδ0だけ平行にずれた場合には、描画光Ｌ1は実線で示した光路を通過し、コリメートレンズ５、ポリゴンミラー６、ｆθレンズ７を介して描画面上では図中光軸より下側にδ1だけずれる。一方、モニター光Ｌ2は、破線で示した光路を通過し、描画面上では図中光軸より下側にδ2だけずれる。ここでは、δ1＝δ2となり、描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとの量、方向を等しくすることができる。
【００３７】
次に、図３(Ｂ)の場合には、描画光専用光路に第１、第２の縮小光学系１，３が配置され、モニター光専用光路にはモニター光用縮小光学系４が配置されており、各専用光路の倍率の絶対値が等しく、符号が逆になるように設定されている。例えば、描画光専用光路の倍率が０．０２、モニター光専用光路の倍率が−０．０２である。描画光Ｌ1は、ミラーＭ1，Ｍ2，Ｍ3，Ｍ4，Ｍ5の５枚のミラーで反射され、モニター光Ｌ2は反射されない。したがって、ミラー枚数の差は５枚である。
【００３８】
図３(Ｂ)の光学系において、光源の光軸が図中一点鎖線で示した光学系の光軸に一致するときには、描画光Ｌ1もモニター光Ｌ2もこの光軸上を進み、ズレは生じない。一方、光源の光軸が例えば図中上側にδ0だけ平行にずれた場合には、描画光Ｌ1は実線で示した光路を通過し、描画面上では図中光軸より上側にδ1だけずれる。一方、モニター光Ｌ2は、破線で示した光路を通過し、描画面上では図中光軸より上側にδ2だけずれる。ここでは、δ1＝δ2となり、描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとの量、方向を等しくすることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の請求項１の構成によれば、描画光専用光路とモニター光専用光路との光路長が異なる場合にも、光源の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとを一致させることができ、モニター信号と描画位置との対応関係を保ち、描画光の正確な制御が可能となる。
【００４０】
また、請求項２の構成によれば、描画光専用光路とモニター光専用光路とに配置された光学系のレンズ径が異なる場合にも、光源の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる描画面上での描画光のズレと、モニタースケール上でのモニター光のズレとを一致させることができ、モニター信号と描画位置との対応関係を保ち、描画光の正確な制御が可能となる。
【００４１】
反射回数の差が偶数の場合には、請求項３のように各光路の倍率を互いに等しくなるように設定し、奇数の場合には請求項４のように各光路の倍率を絶対値が等しく符号が逆になるように設定することにより、光源の平行移動による描画光とモニター光とのズレを一致させることができる。
【００４２】
なお、請求項５のように共役関係を保つよう設定した場合には、光源の傾きによる描画光とモニター光とのズレを小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施形態にかかる走査光学装置の光学素子の配置を示す斜視図。
【図２】 図１の装置の光路を展開して示す説明図。
【図３】 図２の構成を単純化したミラー枚数の差が偶数である光学系を展開して模式的に示す説明図(Ａ)、ミラー枚数の差が奇数である光学系を展開して模式的に示す説明図(Ｂ)。
【図４】 従来の走査式描画装置の光学系を展開して模式的に示す説明図。
【符号の説明】
１０ 光源
１１ 光学台
１２ 描画テーブル
１３ 描画面
２９ａ，２９ｂ 第１縮小光学系
３０ａ，３０ｂ ＡＯＭ
３５ 第２縮小光学系
４１ ポリゴンミラー
４２ ｆθレンズ
４７ モニタースケール
５１ モニター光縮小光学系
１ モニター光倍率調整光学系
Claims (6)
- 光源から発するレーザー光を光分岐素子により描画光とモニター光とに分離し、それぞれ描画光専用の光路、モニター光専用の光路を介して光合成素子により合成して偏向器に入射させ、該偏向器により偏向された描画光を走査レンズにより描画面上に結像させ、偏向されたモニター光を前記描画面と等価な位置に配置されたモニタースケール上に結像させる走査式描画装置において、
前記描画光専用光路と前記モニター光専用光路との光路長が異なり、前記光源を物点としたときに、前記モニター光専用光路を経由して前記モニタースケールに至る光学系の倍率と、前記描画光専用光路を経由して前記描画面に至る光学系の倍率とがほぼ等しく、少なくとも主走査断面内での前記モニター光の反射回数と前記描画光の反射回数との差が偶数であり、これにより、前記各専用光路に配置された光学系は、前記光源の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる前記描画面上での描画光のズレと、前記モニタースケール上でのモニター光のズレとの方向が等しく、ズレ量がほぼ同一であるよう設定されていることを特徴とする走査式描画装置。 - 光源から発するレーザー光を光分岐素子により描画光とモニター光とに分離し、それぞれ描画光専用の光路、モニター光専用の光路を介して光合成素子により合成して偏向器に入射させ、該偏向器により偏向された描画光を走査レンズにより描画面上に結像させ、偏向されたモニター光を前記描画面と等価な位置に配置されたモニタースケール上に結像させる走査式描画装置において、
前記描画光専用光路と前記モニター光専用光路との光路長が異なり、前記光源を物点としたときに、前記モニター光専用光路を経由して前記モニタースケールに至る光学系の倍率と、前記描画光専用光路を経由して前記描画面に至る光学系の倍率との絶対値がほぼ等しく符号が逆であり、少なくとも主走査断面内での前記モニター光の反射回数と前記描画光の反射回数との差が奇数であり、これにより、前記各専用光路に配置された光学系は、前記光源の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる前記描画面上での描画光のズレと、前記モニタースケール上でのモニター光のズレとの方向が等しく、ズレ量がほぼ同一であるよう設定されていることを特徴とする走査式描画装置。 - 光源から発するレーザー光を光分岐素子により複数本の描画光と単数のモニター光とに分離し、それぞれ描画光専用の光路、モニター光専用の光路を介して光合成素子により合成して偏向器に入射させ、該偏向器により偏向された描画光を走査レンズにより描画面上に結像させ、偏向されたモニター光を前記描画面と等価な位置に配置されたモニタースケール上に結像させる走査式描画装置において、
前記描画光専用光路に配置された光学系のレンズ径は、前記モニター光専用光路に配置された光学系のレンズ径より大きく、前記光源を物点としたときに、前記モニター光専用光路を経由して前記モニタースケールに至る光学系の倍率と、前記描画光専用光路を経由して前記描画面に至る光学系の倍率とがほぼ等しく、少なくとも主走査断面内での前記モニター光の反射回数と前記描画光の反射回数との差が偶数であり、これにより、前記各専用光路に配置された光学系は、前記光源の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる前記描画面上での描画光のズレと、前記モニタースケール上でのモニター光のズレとの方向が等しく、ズレ量がほぼ同一であるよう設定されていることを特徴とする走査式描画装置。 - 光源から発するレーザー光を光分岐素子により描画光とモニター光とに分離し、それぞれ描画光専用の光路、モニター光専用の光路を介して光合成素子により合成して偏向器に入射させ、該偏向器により偏向された描画光を走査レンズにより描画面上に結像させ、偏向されたモニター光を前記描画面と等価な位置に配置されたモニタースケール上に結像させる走査式描画装置において、
前記描画光専用光路に配置された光学系のレンズ径は、前記モニター光専用光路に配置された光学系のレンズ径より大きく、前記光源を物点としたときに、前記モニター光専用光路を経由して前記モニタースケールに至る光学系の倍率と、前記描画光専用光路を経由して前記描画面に至る光学系の倍率との絶対値がほぼ等しく符号が逆であり、少なくとも主走査断面内での前記モニター光の反射回数と前記描画光の反射回数との差が奇数であり、これにより、前記各専用光路に配置された光学系は、前記光源の光軸の傾き、あるいは位置ズレによる前記描画面上での描画光のズレと、前記モニタースケール上でのモニター光のズレとの方向が等しく、ズレ量がほぼ同一であるよう設定されていることを特徴とする走査式描画装置。 - 前記モニター光専用光路を経由した際に前記光源と前記モニタースケールとが幾何光学的に共役であり、前記描画光専用光路を経由した際に前記光源と前記描画面とが幾何光学的に共役であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の走査式描画装置。
- 前記光源と前記光分岐素子との間の光路中に、前記光源から発するレーザー光のビーム径を調整するための変倍光学系が配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の走査式描画装置。
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