CN105324722B - 扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种扫描装置，其包括光源(1)、具有多面镜(2.1)的扫描单元(2)、前置扫描光学件(3)和后置扫描光学件(4)，其中，前置扫描光学件(3)前置于多面镜(2.1)，使得来自光源(1)的射线束(1.1)在交叉扫描平面中以入射角(α)照射到多面镜(2.1)上，并且后置扫描光学件的光学轴线(4.0)沿多面镜(2.1)的反射方向布置。通过如下方式使在光源(1)成像到扫描线(5)上时出现的失真，即梯形失真和扫描弧最小化，即，后置扫描光学件(4)的柱镜(4.2)在交叉扫描平面中相对于多面镜(2.1)的面法线以第一倾斜角(β)倾斜，并且扫描光学件(4)的两个修正透镜中的一个(4.1.1、4.1.2)相对于后置扫描光学件的光学轴线(4.0)以第二倾斜角(γ)倾斜并且错开了间距(a)地布置。

Description

扫描装置
技术领域
本发明涉及一种具有变形的折反射的后置扫描光学件的扫描装置，该扫描装置例如按类属地由WO 99/03012 A1所公知。
背景技术
扫描装置例如用于电路板直接曝光，在那里，这些扫描装置利用沿着扫描线的光束沿扫描方向对平面的目标表面进行扫描，在此期间，目标表面沿与扫描方向垂直延伸的进给方向运动。如在WO 99/03012 A1中公开的那样，按类属的扫描装置包括光源、扫描单元、前置于扫描单元的用于由光源形成射线束和引导到扫描单元上的光学件(前置扫描光学件)以及后置于扫描单元的用于通过扫描单元成形出偏向的射线束和引导到目标表面上的光学件(后置扫描光学件)。
根据前面提到的WO 99/03012 A1的实施例，前置扫描光学件由柱镜和双柱面的折射元件组成，并且以如下方式将光源成像到后置扫描光学件中，即，提供了射线束的如后置扫描光学件所需那样的变形特性。此外布置在扫描装置之前的转向镜和耦入镜仅用于射线束的射线转向，或用于射线束在交叉扫描平面中以入射角进入到扫描装置(其由多面镜形成)中的射线转向和射线耦入，射线束的射线轴线与多面镜的多面镜小平面的面法线围成该交叉扫描平面。
在反射角等于进入到后置扫描光学件中的入射角的情况下，多面镜小平面反射交叉扫描平面中的射线束。
后置扫描光学件是F-theta物镜，在其中，可能出现不同类型的失真，重要的是使这些失真最小化。扫描弧(Scanbogen)和梯形失真属于这些失真。
扫描弧是扫描线相对于扫描平面拱曲，该拱曲存在于每个F-theta物镜中并且随着图像地点与后置扫描光学件的光学轴线不断远离而增大。
当图像应投影在投影面上的不同高度中时，已知在投影机设施中有梯形失真。于是典型地，图像在靠上的图像边缘上比在靠下的图像边缘上更宽。当目标物和/或图像未与投影物镜的光学轴线垂直地布置时，出现这种类型的失真。为此，在F-theta物镜中确定了耦入角以及必要时后置扫描光学件的与之对中心的布置方案。
因此，针对根据前面提到的WO 99/03012 A1的扫描装置的两个实施方案提出的是，与多面镜对中心地布置后置于多面镜的后置扫描光学件，也就是说，后置扫描光学件的光学轴线与多面镜的转动轴线处于垂直，由此，被多面镜反射的射线束以与入射角相等的相对于后置扫描光学件的光学轴线的夹角进入到后置扫描光学件中，并且该射线束以像点的方式成像在目标对象上，该像点位于包含光学轴线的平面中。后置扫描光学件与多边形件对中心的布置是具有最小失真的布置。然而，这同时导致了在到达的射线束有较大入射角的情况下相当笨重的构造。
根据一种实施方案，后置扫描光学件以沿射线方向布置的方式包括球面的弯月形件、平柱透镜和球面柱透镜，该弯月形件和该平柱透镜共同形成双透镜(Doublet)。与根据本发明的扫描装置的修正物镜类似的前面提到的三个光学元件具有如下任务：消除由于后续的用于产生远心光路的镜设施而不能被抵消的图像误差或使该图像误差最小化。后续的镜设施由第一球面镜和第二球面镜组成，并且经由球面的柱镜将射线束反射到后置扫描光学件的焦平面中，后置扫描光学件包括所有前面提到的元件。
根据前面提到的WO 99/03012 A1的扫描装置特别不适合于大扫描长度(亦即，通常是后置扫描光学件沿扫描方向的长焦距)。缺点尤其在于，镜设施由于有第一球面镜而导致的大结构尺寸，该第一球面镜大约具有要产生的扫描线的两倍的长度。
发明内容
本发明的任务在于，提出一种用于大扫描长度的扫描装置，该扫描装置包括尽可能少的且具有尽可能小的结构尺寸的光学结构部件，这导致空间、重量和成本的节省。此外，这些光学结构部件应能够简单地制造。
针对如下用于使射线束沿着扫描线成像的扫描装置来说，该任务得以解决，该扫描装置包括光源、具有多面镜的扫描单元、以及前置于多面镜的前置扫描光学件、和后置于多面镜的后置扫描光学件。前置扫描光学件前置于多面镜，使得射线束在交叉扫描平面中以入射角照射到多面镜上。
对于本发明而言重要的是，后置扫描光学件的光学轴线沿多面镜的反射方向布置。后置扫描光学件以沿轴线射线方向依次布置的方式包括具有至少一个第一修正透镜和第二修正透镜的修正物镜、以及仅一个柱镜和柱透镜。
柱镜在交叉扫描平面中相对于多面镜的面法线以第一倾斜角倾斜，其中，第一倾斜角β通过入射角α来确定。两个修正透镜中的一个相对于后置扫描光学件的光学轴线以第二倾斜角γ倾斜并且错开了间距a地布置。
有利地，第一倾斜角β在0.97α<β<1.03α的范围内。
对于后置扫描光学件来说，为了以仅一个柱透镜4.3来满足远心条件，柱镜的物镜侧的焦点布置在多面镜内部靠近反射的多面镜小平面；并且柱镜在扫描平面中，即在与交叉扫描方向垂直布置的平面中具有聚焦作用。
有利的是，射线束通过两个修正透镜中的一个以轻微汇聚或发散的方式成形，由此部分地补偿了柱镜本身的像场拱曲，并且使柱镜与扫描线的距离保持得很小。
附图说明
下面结合附图详细阐述扫描装置。其中：
图1以朝着多面镜的转动平面的垂直俯视图示出扫描装置的光学示意图；
图2以侧视图示出图1中所示的光学示意图。
具体实施方式
与现有技术中所描述的扫描装置相同，根据本发明的扫描装置由如下组成：光源1，其射出具有轴线射线1.1.1的射线束1.1；具有多面镜2.1的扫描单元2；以及在轴线射线1.1.1的方向上前置于多面镜2.1的前置扫描光学件3；和在轴线射线1.1.1的方向上后置于多面镜2.1的后置扫描光学件4。
多面镜2.1能绕转动轴线2.1.2旋转并且具有多个多面镜小平面2.1.1，这些多面镜小平面的面法线以垂直于转动轴线2.1.2的方式扩展出多面镜的转动平面2.1.3。
包括前置扫描光学件的光学轴线3.0和多面镜的转动轴线2.1.2的平面被理解为交叉扫描平面。因此，在图2中所示的光学示意图中，交叉扫描平面在转动平面2.1.3上方位于附图平面之中并且在转动平面2.1.3下方位于附图平面之下。
未偏转的多面镜位置是多面镜2.1的如下位置，即，在该位置中，从前置扫描光学件3反射到后置扫描光学件4中的轴线射线继续位于交叉扫描平面中。
扫描平面(其位置随着射线束1.1分别在旋转的多面镜2.1上和柱镜4.2上的转向而改变)相应垂直于交叉扫描平面地放置并且在未偏转的多面镜位置中包含轴线射线。
后置扫描光学件4的成像特性在交叉扫描平面中和在与之垂直的平面中非常不同，由此出现射线束1.1的极其不同的几何形状。
在交叉扫描平面中，射线束1.1以入射角α照射到多面镜2.1的多面镜小平面2.1.1上，以相同大小的反射角沿后置扫描光学件4.0的光学轴线并且因此是沿后置的修正物镜4.1的光学轴线被反射，并且经由沿该方向没有折射能力的柱镜4.2利用柱透镜4.3以聚焦点的方式成像到后置扫描光学件4的图像侧的焦平面中。扫描线5包含具有未偏转的多边形位置的那个聚焦点并且与交叉扫描平面垂直地取向。
通过将后置扫描光学件4如此地相对于多面镜2.1来布置，即，使得射线束1.1耦入到后置扫描光学件的光学轴线4.0中，如在前面提到的WO 99/03012 A1中作为缺点所描述的那样，出现了两种失真类型：梯形失真和扫描弧。
如仍将更准确阐述地，根据本发明，这两种失真类型通过柱镜4.2以及修正透镜4.1.1、4.1.2中的一个相对于后置扫描光学件的光学轴线4.0的特殊布置而保持得非常小。
来自光源1的射线束1.1以与交叉扫描平面垂直的方式通过前置扫描光学件3基本上以如下方式扩展并且以轻微汇聚的射线束1.1的形式来成形和引导，即，在照射到多面镜2.1上时，相应在中间照亮了多面镜小平面2.1.1。该射线束由多面镜2.1斜地反射到后置扫描光学件4上，并且通过修正物镜4.1和柱镜4.2聚焦到后置扫描光学件4的图像侧的焦平面中。
后置扫描光学件4以沿轴线射线1.1.1方向依次布置的方式包括具有至少一个第一和第二修正透镜4.1.1、4.1.2的修正物镜4.1以及柱镜4.2和柱透镜4.3。
与前面提到的WO 99/03012 A1的后置扫描光学件相比，根据本发明的后置扫描光学件4如此地设计和考虑，即，其仅具有一个柱镜4.2就足够，并且修正透镜4.1.1、4.1.2和特别是柱镜4.2能比较小且比较简单地制造。特别是针对大扫描长度，例如大于300mm并且具有后置扫描光学件的与之相关的大焦距来说，原则上有利的是，实施现有的呈条状的修正透镜。
根据本发明，通过后置扫描光学件4与被多面镜2.1反射的射线束1.1对中心且因此与射线束1.1进入到后置扫描光学件4中的耦入方向同轴地布置，当假设为了实现高品质，呈条状的修正透镜原则上如此地制造，即，呈条状的修正透镜在物质上包括围绕它们的光学轴线的区域时，出现了针对修正透镜4.1.1、4.1.2来说比较小的条高度。
在交叉扫描平面中的图像侧的远心和由于该布置而出现的扫描弧通过如下方式而最小化，即，柱镜4.2在交叉扫描平面中以第一倾斜角β进行与入射角α相协调地倾斜。在0.97α<β<1.03α的范围内调整第一倾斜角β足够使扫描弧和远心偏差最小化。
通过第一或第二修正透镜4.1.1、4.1.2在交叉扫描平面中相对于后置扫描光学件的光学轴线以间距a偏移并以第二倾斜角γ倾斜来减小余下的梯形失真。最适用于此的是两个修正透镜4.1.1、4.1.2中具有更大折射能力的那个。以间距a的偏移和以第二倾斜角γ的倾斜以如下方式彼此协调，即，使梯形失真足够小并且对成像的所有其他参数，例如成像品质的影响仅为最小。
因此，在交叉扫描平面中来看，前置扫描光学件3可以在仅是小耦入角α的情况下布置在后置扫描光学件4之上，从而通过第一和第二修正透镜4.1.1、4.1.2的较小的条高度同样简化了射线束1.1越过修正物镜4.1的耦入。由此，取消了多面镜2.1附近的转向元件，这促成设施稳定性的明显改善。
前置扫描光学件3的任务是，以如下方式使光源1成像到后置扫描光学件4中，即，提供了射线束1.1的如后置扫描光学件4所需那样的变形特性。与现有技术相对应地，前置扫描光学件3在交叉扫描平面中具有尽可能靠近多面镜2.1的聚焦点，由此使出现的晃动误差(Wobbelfehler)保持得最小。
轻微汇聚的射线束1.1在与之垂直的平面中以与后置扫描光学件4的本身像场拱曲相匹配的方式来提供。在此，光源1以如下方式成像，即，在扫描线5上产生针对所述任务来说所需的图像侧的孔径。
后置扫描光学件4的主要功能通过在扫描平面中起作用的柱镜4.2和在交叉扫描平面中起作用的柱透镜4.3来实现。为了符合远心条件，柱镜4.2的物镜侧的焦点布置在多面镜2.1之中，在反射的多面镜小平面2.1.1附近。同时，柱镜4.2在扫描平面中具有聚焦的作用，由此，对准的射线束1.1在后置扫描光学件4的图像侧的焦点中聚焦地成像。通过成形(轻微)汇聚或发散的射线束1.1，可以部分地补偿柱镜4.2本身的像场拱曲。
然而，这仅够用于图像侧的小数值孔径。对于具有约600mm的扫描长度和带15个多面镜小平面2.1.1的多面镜2.1的扫描装置来说，像场拱曲在这种情况下从图像侧的数值孔径0.012起就是过大的，这通过两个修正透镜4.1.1、4.1.2中的具有比柱镜4.2明显更小的折射能力的一个来抵消。
对于具有图像侧的数值孔径大于0.015的同样的扫描装置来说，彗形像差向着扫描边缘显著增加，这通过两个修正透镜4.1.1、4.1.2中的另一个(即，几乎同中心的弯月形透镜)来抵消。
两个修正透镜4.1.1、4.1.2布置在多面镜2.1附近，这有利于扫描装置的小结构尺寸。
对于利用宽波段光源1.1的应用来说，必要时必须通过对两个修正透镜4.1.1、4.1.2进行合适的选择材料而使修正物镜4.1的光谱作用保持得很小，或者必须使用附加的第三修正透镜4.1.3，用以消色差。
由于修正物镜4.1和柱镜4.2，在交叉扫描平面中的成像仅受到小影响。借助球面柱透镜4.3实现了对光源1的在多面镜2.1的附近由前置扫描光学件3产生的图像进行聚焦。在足够大的图像侧的数值孔径的情况下，该柱透镜4.3产生孔径像差和纵向色差。二者在扫描线5的长度上几乎恒定，并且因此可以利用前置扫描光学件3来消除。
附图标记列表
1 光源
1.1 射线束
1.1.1 轴线射线
2 扫描单元
2.1 多面镜
2.1.1 多面镜小平面
2.1.2 多面镜的转动轴线
2.1.3 多面镜的转动平面
3 前置扫描光学件
3.0 前置扫描光学件的光学轴线
4 后置扫描光学件
4.0 后置扫描光学件的光学轴线
4.1 修正物镜
4.1.1 第一修正透镜
4.1.2 第二修正透镜
4.2 柱镜
4.3 柱透镜
5 扫描线
α 入射角
β 第一倾斜角
γ 第二倾斜角
a 间距

Claims (4)

1.一种用于使射线束沿着扫描线成像的扫描装置，所述扫描装置包括：光源，所述光源射出具有轴线射线的射线束；扫描单元，所述扫描单元具有多面镜；以及沿所述轴线射线的方向前置于所述多面镜的前置扫描光学件；和沿所述轴线射线的方向后置于所述多面镜的后置扫描光学件，所述后置扫描光学件具有光学轴线，其中，所述前置扫描光学件前置于所述多面镜，使得所述射线束在交叉扫描平面中以入射角α照射到所述多面镜上，其特征在于，
所述后置扫描光学件的光学轴线沿所述多面镜的反射方向布置，
所述后置扫描光学件以沿所述轴线射线的方向依次布置的方式包括具有至少一个第一修正透镜和第二修正透镜的修正物镜、仅一个柱镜和柱透镜，
所述柱镜在交叉扫描平面中相对于所述多面镜的面法线以第一倾斜角β倾斜，所述第一倾斜角β通过所述入射角α来确定，并且
两个修正透镜中的一个修正透镜相对于所述后置扫描光学件的光学轴线以第二倾斜角γ倾斜并且错开了间距地布置。
2.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述第一倾斜角β在0.97α<β<1.03α的范围内。
3.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，
所述柱镜的物镜侧的焦点布置在所述多面镜内部靠近反射的多面镜小平面，并且所述柱镜在扫描平面中，即与交叉扫描方向垂直布置的平面中具有聚焦作用，从而以仅一个柱透镜满足了远心条件。
4.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，
所述射线束通过两个修正透镜中的一个修正透镜以轻微汇聚或发散的方式成形，由此部分地补偿了所述柱镜的固有的像场拱曲，并且使所述柱镜与所述扫描线的距离保持得很小。
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