DE3933062A1 - Laser-rasterabtastvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laser-Rasterabtast­ vorrichtung, bei der gleichzeitig entlang jeweiligen Abtastlinien mit einem Referenzstrahl über einer Refe­ renzmaske mit im Abstand angeordneten transparenten Bereichen sowie mit einem Belichtungsstrahl über einem Substrat abgetastet wird, wobei eine Vorrichtung die die Abtastrate der Strahlen anzeigenden Signale er­ zeugt, sowie auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Zeit­ abtast-Signals bei einer Laser-Rasterabtastvorrichtung. Somit bezieht sich die Erfindung auf ein System zum Erzeugen von Referenz-Abtastsignalen bei Laser-Raster­ abtastvorrichtungen, und insbesondere auf eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zum wirtschaftlichen Erzeugen eines Zeitsignals bei einer Laser-Rasterabtastvor­ richtung.

Optische Hochgeschwindigkeits-Abtastsysteme, wie z.B. Präzisionsplotter, -drucker u. dgl. sind in der Technik wohlbekannt. Diese Vorrichtungen sind direkte Abbil­ dungssysteme und werden zur Herstellung von Leiterplat­ ten bzw. Druckplatten durch Rasterabtastung mit einem Belichtungsstrahl über einem Film benutzt, der dann zu einer Maske weiterverarbeitet wird. Ein typisches derartiges System, wie es von The Gerber Scientific Instrument Company, der Anmelderin der vorliegenden Erfindung, vertrieben wird, besteht aus einem Magnet­ bandgerät, einem Bildprozessor, einem optischen Tisch mit einer beweglichen Schreibtrommel zur Positionierung des Substrats und einer Präzisions-Laserabtastvorrich­ tung. Das System enthält weiterhin eine Optik, Träger­ schlitten und eine Elektronik, die erforderlich ist, um direkt Daten von einem rechnergestützten Konstruktions­ system (CAD) auf die Leiterplatte bzw. Schriften, Grafik und Halbtonbilder auf die Druckplatte zu über­ tragen.

Im Betrieb wird ein Direktabbildungssystem so konfigu­ iert, daß auf der Schreibtrommel ein planares Substrat aus Aluminium (bei der Grafikanwendung) bzw. ein Kup­ fer-Kaschierungselektrikum (bei der Leiterplattenanwen­ dung) aufgebracht wird, welche an der oberen Oberfläche mit einem optisch empfindlichen Fotopolymer versehen ist. Der Rechner moduliert die Intensität des Licht­ strahls, der normalerweise von einem Laser geliefert wird, um ausgewählte Teile des Substrats zu belichten. Typischerweise gibt es noch einen zweiten Strahl, einen Referenzstrahl, der gleichzeitig mit dem Belichtungs­ strahl zur Erzeugung eines Zeitrastersignals abtastet und die Position des Belichtungs- bzw. Schreibstrahls auf dem Substrat steuert. Ein Flachbett-Abtastsystem wird manchmal zum Fokussieren der Strahlen in kleinen Punkten und zum Erreichen eines gleichzeitigen Abta­ stens des Strahls über einer Referenzmaske bzw. dem Substrat eingesetzt. Präzisionsluftlagerungen werden oftmals zur Führung der Schreibtrommel beim Belichten des Substrats eingesetzt.

Der Referenzstrahl tastet eine Präzisionsfläche ab, die typischerweise aus einer linearen Anordnung von licht­ durchlässigen (transparenten) und lichtundurchlässigen (opaken) Streifen auf einem Substrat besteht (z.B. 1/1000 Zoll transparent/1/1000 Zoll opak). Nach Modulation durch diese Fläche wird das Licht typischer­ weise von einer linearen Anordnung von optischen Fasern hinter der Referenzmaske erfaßt und an der Abtastlinie aufgezeichnet. Wenn der Referenzstrahl die Abtastlinie passiert und von der Präzisionsfläche festgelegt wird, tritt Licht in die optischen Fasern ein und wird von einem oder mehreren Fotoempfängern erfaßt. Eine Steue­ rung verarbeitet das Ausgangssignal der Fotoempfänger zu einem Taktsignal.

Um sich über eine typische Länge der Abtastlinie von zwanzig Zoll zu erstrecken muß die lineare Anordnung der optischen Fasern eine große Anzahl davon enthalten. Weiterhin kann eine ungleichmäßige Dämpfung durch unterschiedliche Fasern zu Zeitfehlern führen. Bekannte Vorrichtungen zum Erzeugen von Zeitrastersignalen sind somit aufwendig und neigen zu Fehlern.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Zeitsignals durch Zerstreuung eines modulierten Referenzstrahls zwecks Verbesserung des Fotoempfangs zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laser-Rasterabtastvorrichtung zu schaffen, bei der ein Zeitsignal in einfacher und kostengünstiger Weise er­ zeugt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Laser-Rasterabtastvorrichtung vorgesehen, bei der gleichzeitig entlang jeweiligen Abtastlinien mit einem Referenzstrahl über einer Referenzmaske mit im Abstand angeordneten transparenten Bereichen sowie mit einem Belichtungsstrahl über einem Substrat abgetastet wird, wobei eine Vorrichtung die die Position der Strahlen anzeigenden Signale erzeugt, mit einer optischen Zer­ streuungseinrichtung, die nachfolgend zur Referenzmaske zum Erfassen des Refrenzstrahls entlang der Referenz­ linie angeordnet ist, sowie mit einem transparenten Lichtleiter zum Begrenzen der zerstreuten Energie. Eine Empfängeranordnung ist nachfolgend zum Lichtleiter angeordnet und umfaßt eine Vielzahl von im Abstand ent­ lang der Abtastlinie des Referenzstrahls angebrachten Fotoempfängern, wobei diese Empfänger den modulierten Referenzstrahl erfassen und ein äquivalentes elektri­ sches Signal liefern.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Laser-Ra­ sterabtastvorrichtung mit einer Vorrichtung zum Erzeu­ gen eines Zeitsignals gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils der Laser-Rasterabtastvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ist eine seitliche Ansicht der Empfängeranord­ nung nach Fig. 2 mit Darstellung eines repräsentativen Lichtwegs, und

Fig. 4 ist eine teilweise Draufsicht der Empfänger­ anordnung nach Fig. 3 mit Darstellung des Zerstreuungs­ winkels des Referenzstrahls.

In Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht einer Laser-Rasterabtastvorrichtung 10 gezeigt. Die Abtast­ einrichtung ist im Gehäuse 12 untergebracht. Eine Lichtquelle 14, vorzugsweise ein 3 mW-Argon-Laser (Cyo­ nics), liefert einen Strahl 16, der auf einen ersten Umlenkspiegel 18 auffällt und der Strahlformungsoptik 20 zugeführt wird. Die Strahlformungsoptik 20 ist von konventioneller Art und enthält ein Bandbreitenobjek­ tiv, ein negatives Objektiv, eine Anordnung von Blenden und Entzerrungsobjektiv, wie es für die vorliegende Anwendung benötigt wird.

Der geformte Strahl wird von einem ersten Strahlteiler 22 empfangen, der den Strahl in den Referenzstrahl 24 und den Belichtungsstrahl 26 aufteilt. Der Belichtungs­ strahl 26 wird einem konventionellen akusto-optischen Modulator 28 zugeführt, der den Strahl entsprechend den auf der Leitung 30 von der Steuerung 32 empfangenen Signalen moduliert. In ähnlicher Weise wird der Refe­ renzstrahl 24 von einem zweiten Umlenkspiegel 34 umge­ lenkt und einer Strahlformungsoptik 36 zugeführt, welche typischerweise Objektive und andere optische Komponenten ähnlich zu der obengenannten Strahlfor­ mungsoptik enthält.

Der Referenzstrahl durchläuft eine Öffnung der Zwi­ schenwandung 38, während der Belichtungsstrahl die Öff­ nung 40 durchläuft. Der Referenzstrahl fällt auf einen Umlenkspiegel 42 und wird dem Strahlkombinierer 44 zugeführt. Der Strahlkombinierer 44 empfängt auch den Belichtungsstrahl und führt den kombinierten Strahl dem Sammelobjektiv 46 in der Prismaanordnung 48 zu.

In konventioneller Weise wird der kombinierte Strahl von einem optischen Polygon 50 empfangen, das auf der Spindelanordnung 52 angebracht ist. Das Polygon wird um eine Achse 54 in konventioneller Weise entsprechend den auf den Leitungen 56 von der Steuerung 32 empfangenen Signalen gedreht. Die Strahlen treten von der Poly­ gon-Oberfläche aus und werden einem konventionellen F-Theta-Objektiv 58 zugeführt. Der Belichtungsstrahl wird auf einen Klappspiegel 60 geworfen und einer Schreibtrommel zugeführt, die sich nicht in der Ebene der Abtastvorrichtung befindet, nicht gezeigt ist und kein Teil der vorliegenden Erfindung ist. Der Referenz­ strahl wird gleichzeitig der Referenzmaske 62 zugeführt und wird schließlich von der Fotoempfängeranordnung 64 empfangen. Die Fotoempfängeranordnung 64 liefert Sig­ nale entsprechend dem empfangenen Referenzstrahl über die Leitung 66 an die Steuerung 32 zwecks Steuerung des Zeitverhaltens und somit der Modulation der Abtast­ strahlen. Als Ergebnis der Polygondrehung tasten der Belichtungs- bzw. der Referenzstrahl die Schreibtrommel bzw. die Referenzmaske ab.

Die Steuerung in der bevorzugten Ausführungsform ist derart mit Prozessor- und Speichereinrichtungen ausge­ rüstet, wie dies zur Ausführung der hier aufgeführten Funktionen notwendig ist. Wie oben erwähnt, überwacht die Steuerung die Drehung des Polygon-Abtasters und liefert Signale an den akusto-optischen Modulator 28.

Die optische Konfiguration der Referenzmaske umfaßt ab­ wechselnde durchlässige und reflektierende Bereiche. Wenn somit der Referenzstrahl durch das drehende Poly­ gon über die Maske abgelenkt wird, empfängt die Foto­ empfängeranordnung einen modulierten optischen Strahl. Das Modulationssignal des Strahls zeigt die Strahlposi­ tion an. Das Ausgangssignal des Fotoempfänger-Systems wird von der Steuerung dazu benutzt, ein Takt- oder Zeitsignal zu erzeugen. Da die Abmessungen der Bearbei­ tungsbereiche in der Abtastrichtung eine Funktion der vom Modulator gelieferten Modulationsrate (und letzt­ lich der Frequenz des Taktsignals) sind, resultiert eine Zunahme der Periode des Taktsignals in einer pro­ portionalen Erweiterung des Bearbeitungsbereichs ent­ lang der Abtastlinie.

Bekannte Laser-Abtastvorrichtungen empfangen den Refe­ renzstrahl in einem Empfängermechanismus, der eine Referenzmaske mit einer darauffolgenden linearen Anord­ nung von optischen Fasern aufweist, die die lineare Verteilung in einen Kreis umwandeln, an dem sich einer oder mehrere Fotoempfänger befinden. Wie bekannt, um­ faßt die Referenzmaske eine Anordnung von lichtundurch­ lässigen Streifen, die abwechselnd reflektierende und durchlässige Bereiche bilden. Das modulierte Referenz­ signal wird von den Fotoempfängern erfaßt, und wird schließlich zur Bildung eines Zeitabtast-Signals verwendet. Der modulierte Referenzstrahl beinhaltet ein optisches Signal, das einem sehr großen Länge/Höhe-As­ spektverhältnis entspricht, da der Referenzstrahl einen relativ kleinen Durchmesser hat im Vergleich zur Ab­ tastlänge von ca. zwanzig Zoll. Die Qualität und die Ausrichtung des optischen Faserbündels sind kritisch, da Änderungen in der Fasertransmission fehlerhafte Zeitabtast-Informationen bewirken können.

Wenn der modulierte Referenzstrahl die Referenzmaske verläßt, sind die Informationen im Referenzstrahl co­ diert enthalten. Die Funktion der optischen Fasern ist es einfach, einen bequemen Mechanismus zum Führen des optischen Signals zu den Fotoempfängern hin zu ermögli­ chen. Die räumliche Anordnung des Strahls relativ zur Referenzmaske braucht nicht aufrechterhalten zu werden, da die Information über die Strahlposition als Inten­ sitätsänderung codiert enthalten ist.

In Fig. 2 ist ein Teil der Fotoempfängeranordnung 64 von Fig. 1 dargestellt. Die Referenzmaske 62 weist ein Element 68 auf, auf dem die Streifen im Abstand ange­ ordnet sind, die die optische Modulation liefern. Sie können sich auf der Vorder- oder der Rückseite des Ele­ ments 68 befinden. Der Referenzstrahl läuft durch das Glaselement, das den Strahl moduliert, wenn er längs entlang dem Empfänger abgelenkt wird. Der modulierte Referenzstrahl wird von einer Zerstreuungseinrichtung 70 empfangen, welche den Strahl aufweitet. Vorzugsweise besteht die Zerstreuungseinrichtung aus konventionellem Mattglas, es können aber auch andere geeignete Arten von Zerstreuungseinrichtungen eingesetzt werden. Der zerstreute, modulierte Referenzstrahl wird in der bevorzugten Ausführungsform von einer optischen Sammel­ einrichtung oder einem optischen Lichtleiter 72 empfan­ gen, der den Strahl direkt der Fotoempfängeranordnung 74 zuführt.

Die Fotoempfängeranordnung 74 besteht aus einer Anord­ nung von auf einer Leiterplatte im Abstand von ca. einem Zoll angebrachten Fotoempfängern. Der Abstand der Fotoempfänger ist relativ groß, verglichen mit dem Ab­ stand der transparenten Bereiche auf der Referenzmaske. Typischerweise ist der Abstand der Fotoempfänger ca. tausendmal größer als der Abstand der transparenten Bereiche auf der Referenzmaske. In der bevorzugten Ausführungsform zerstreut die Zerstreuungseinrichtung den Referenzstrahl in ausreichendem Maß über die Länge der optischen Sammeleinrichtung, so daß der zerstreute, modulierte Referenzstrahl an jeder Position mindestens auf zwei Fotoempfänger gleichzeitig auftrifft, wenn der Strahl entlang der Fotoempfängeranordnung läuft. Wie in Fig. 3 im Detail gezeigt, begrenzt der Lichtleiter 72 durch interne Totalreflexion die Divergenz des Strahls 75 in der senkrechten Ebene, so daß sämtliche Strahlung in der senkrechten Richtung gesammelt wird.

Fig. 4 ist eine Draufsicht des Teils der Empfänger­ anordnung nach Fig. 3, in der der Zerstreuungswinkel 76 dargestellt ist, um den der Referenzstrahl beim Durch­ laufen des Lichtleiters aufgeweitet wird. Das von der Fotoempfängeranordnung gelieferte elektrische Signal ist dann die elektrische Summe der Signale aller ein­ zelnen Fotoempfänger, die eine zeitabhängige Sinusform darstellt, welche durch geeignete Schaltkreise in der Steuerung in ein Zeitsignal zurückverwandelt wird, das von der Steuerung zum Abtasten des Substrats in der obenbeschriebenen Weise benutzt wird.

Der Fachmann wird feststellen, daß die Komponenten der Empfängeranordnung kostengünstig sind und die für eine lineare Anordnung optischer Fasern benötigte Präzision nicht aufzuweisen brauchen. Da keine Informationen beim Zerstreuen des modulierten Lichtstrahls verlorengehen können, erlaubt die Verwendung der Zerstreuungseinrich­ tung das Weglassen des optischen Faserbündels und von großflächigen Hochgeschwindigkeits-Fotoempfängern, die ansonsten zum Empfangen des modulierten Referenzstrahls nötig wären. Dies kennzeichnet einen Punkt, an dem die vorliegende Erfindung vom Stand der Technik abweicht.

Obwohl die Erfindung hier unter Bezug auf eine bevor­ zugte Ausführungsform beschrieben worden ist, sollte in ähnlicher Weise für den Fachmann klar sein, daß diverse Änderungen, Weglassungen und Hinzufügungen hieran durchgeführt werden können, ohne den Anwendungsbereich und den Geist der Erfindung zu verlassen.

Eine neuartige Vorrichtung zur Verwendung beim Erzeugen eines Zeitabtastsignals in einer Laser-Rasterabtastvor­ richtung umfaßt eine optische Zerstreuungseinrichtung, die so positioniert ist, daß sie einen abgelenkten Referenzstrahl durch eine Referenzmaske empfängt. Der zerstreute, modulierte Referenzstrahl wird einer Foto­ empfängeranordnung zugeführt. Die Anzahl der Foto­ empfänger in der Anordnung wird so gewählt, daß wenigstens zwei Fotoempfänger den zerstreuten, modulier­ ten Referenzstrahl gleichzeitig erfassen, wenn der Refenzstrahl entlang der Referenzmaske abgelenkt wird.

Claims (8)

1. Laser-Rasterabtastvorrichtung, bei der gleichzeitig entlang jeweiligen Abtastlinien mit einem Referenz­ strahl über einer Referenzmaske mit im Abstand ange­ ordneten transparenten Bereichen sowie mit einem Belichtungsstrahl über einem Substrat abgetastet wird, wobei eine Vorrichtung die die Abtastrate der Strahlen anzeigenden Signale erzeugt, gekennzeichnet durch eine der Referenzmaske (62) nach­ geschaltete und auf diese abgestimmte Einrichtung (70) zur optischen Zerstreuung des Referenzstrahls (24), so daß der Referenzstrahl (24) im wesentlichen auf einen Bereich entlang der Referenz-Abtastlinie beschränkt wird; sowie durch eine auf die Zerstreuungseinrichtung (70) abgestimmte und dieser nachgeschaltete Empfänger­ anordnung (74) mit einer Vielzahl von Lichtempfängern entlang der Abtastlinie des Referenzstrahls (24), wobei diese Empfängeranordnung (74) den Referenzstrahl (24) erfaßt und entsprechende elektrische Signale liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoempfänger (74) einen Abstand aufweisen, der etwa tausendmal größer ist als der Abstand der optisch durchlässigen Bereiche der Referenzmaske (62).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zerstreute Referenz­ strahl (24) gleichzeitig von wenigstens zwei Fotoemp­ fängern erfaßt wird.

4. Laser-Rasterabtastvorrichtung, bei der gleichzeitig entlang jeweiligen Abtastlinien mit einem Referenz­ strahl über einer Referenzmaske mit im Abstand ange­ ordneten transparenten Bereichen sowie mit einem Belichtungsstrahl über einem Substrat abgetastet wird, wobei eine Steuerung die Signale der Fotoempfänger er­ faßt und daraus ein Zeitabtastsignal liefert, entspre­ chend dem mit dem Referenzstrahl und dem Belichtungs­ strahl abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erfassungseinrichtung (64) mit einer auf die Referenzmaske (62) folgenden Einrichtung (70) zur optischen Zerstreuung des Refe­ renzstrahls (24) versehen ist, so daß der Referenzstrahl (24) im wesentlichen auf einen Bereich entlang der Referenz-Abtastlinie beschränkt wird, sowie mit einer auf die Zerstreuungseinrichtung abgestimmten und dieser nachgeschalteten Empfängeranordnung (74) mit einer Vielzahl von im Abstand auf der Referenz-Abtastlinie angeordneten Fotoempfängern, deren Ausgangssignale elektronisch aufsummiert werden, zum Empfangen des Referenzsignals und Liefern eines elektrischen Signals äquivalent zur Position des Referenzstrahls entlang der Abtastlinie.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoempfänger (74) einen Abstand aufweisen, der etwa tausendmal größer ist als der Abstand der optisch durchlässigen Bereiche der Referenzmaske (62).

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zerstreute Referenz­ strahl (24) gleichzeitig von wenigstens zwei Fotoemp­ fängern erfaßt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Fotoempfän­ gers ein zeitabhängiges Sinus-Signal aufweist, wobei die Steuerung (32) das Signal des Fotoempfängers in ein digitales Taktsignal umwandelt.

8. Verfahren zum Erzeugen eines Zeitabtast-Signals bei einer Laser-Rasterabtastvorrichtung, bei der gleichzei­ tig entlang jeweiligen Abtastlinien mit einem Referenz­ strahl über einer Referenzmaske mit im Abstand ange­ ordneten transparenten Bereichen sowie mit einem Belichtungsstrahl über einem Substrat abgetastet wird, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, daß der Referenzstrahl nachfolgend zur Referenzmaske zerstreut wird und im wesentlichen auf einen Bereich entlang der Referenz-Abtastlinie begrenzt wird, daß der zerstreute Referenzstrahl an im Abstand entlang der Abtastlinie angeordneten Intervallen erfaßt wird und ein äquivalen­ tes elektrisches Signal hierzu geliefert wird, und daß ein Zeitabtastsignal entsprechend dem äquivalenten elektrischen Signal zur Steuerung der Abtastung mittels des Referenz- und Belichtungsstrahls erzeugt wird.