DE3933062C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Laser-Rasterabtastvor­ richtung, bei der gleichzeitig entlang jeweiligen Ab­ tastlinien mit einem Referenzstrahl über eine Referenz­ maske mit im Abstand angeordneten transparenten Berei­ chen sowie mit einem Belichtungsstrahl ein Substrat ab­ getastet wird, wobei eine der Referenzmaske nachgeschal­ tete und auf diese abgestimmte Streuungseinrichtung zur optischen Zerstreuung des Referenzstrahls vorhanden ist, sowie eine über totale innere Reflektion wirkende Lichtleitein­ richtung, die den gestreuten Referenzstrahl einer Em­ pfängeranordnung mit einer Vielzahl von Fotoempfängern zuführt, und eine zugeordnete Steuereinrichtung, die aus den Signalen der Fotoempfänger Taktsignale für die Ansteuerung der Laser-Modulation erzeugt.

Optische Hochgeschwindigkeits-Abtastsysteme, wie z. B. Präzisionsplotter, -drucker u. dgl. sind in der Technik wohlbekannt. Diese Vorrichtungen sind direkte Abbildungs­ systeme und werden zur Herstellung von Leiterplatten bzw. Druckplatten durch Rasterabtastung mit einem Be­ lichtungsstrahl über einem Film benutzt, der dann zu einer Maske weiterverarbeitet wird. Ein bekanntes System besteht aus einem Magnetbandgerät, einem Bildprozessor, einem optischen Tisch mit einer beweglichen Schreibtrom­ mel zur Positionierung des Substrats und einer Präzi­ sions-Laserabtastvorrichtung. Das System enthält wei­ terhin eine Optik, Trägerschlitten und eine Elektronik, die erforderlich ist, um direkt Daten von einem rech­ nergestützten Konstruktionssystem (CAD) auf die Lei­ terplatte bzw. Schriften, Grafik und Halbtonbilder auf die Druckplatte zu übertragen.

Im Betrieb wird ein Direktabbildungssystem so gestal­ tet, 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 Abtastens 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 lineare Anordnung von lichtdurchlässigen (transparenten) und lichtundurchlässigen (opaken) Streifen aufweist (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 un­ terschiedliche Fasern zu Zeitfehlern führen. Bekannte Vorrichtungen zum Erzeugen von Zeitrastersignalen sind somit aufwendig und neigen zu Fehlern.

So ist bereits eine Lichtempfängereinrichtung zur Er­ zeugung von Positionierungssignalen in einer Abtast­ optik bekannt, die gekennzeichnet ist durch einen axia­ len Lichtleiter, bestehend aus einem Gitter auf der einen und einem Diffusionsstreifen auf der anderen Seite. Der Empfänger befindet sich an einem Ende des Lichtleiters mit einem Reflexionsspiegel am entgegen­ gesetzten Ende. Der Lichtstrahl, der mit Hilfe eines Drehspiegels durch den axialen Lichtleiter gescannt wird, durchläuft das Gitter und trifft auf den Diffu­ sionsstreifen. Das Licht durchquert dann den axialen Lichtleiter durch totale innere Reflexion und verläßt schließlich den Lichtleiter, wo es dann von einem Foto­ vervielfacher empfangen wird. Aufgrund seiner großen Empfängerfläche und seiner hohen Geschwindigkeit, eine Eigenschaft, die für den Einsatz in einer Abtastoptik erforderlich ist, wird der Fotovervielfacher als Em­ pfänger bevorzugt (US-PS 46 02 154).

Die US-PS 41 27 781 beschreibt ein System zur Bestim­ mung der Abtastspiegelposition, in dem die Vorderseite eines Spiegels zum Abtasten einer Szene verwendet wird, die abzufragen oder darzustellen ist. Der Lichtstrahl einer rechteckigen, gleichmäßig verteilten Lichtquelle wird von der hinteren Fläche des Abtastspiegels reflek­ tiert und über eine Anzahl parallel angeordneter Foto­ element-Reihen geführt, die mit einer Aluminiummaske versehen sind. Die Fotoelement-Reihen werden durch Fenster in der Aluminiummaske hindurch angeregt und können darüber hinaus Signale für Richtungsverstärker und eine Ausgangs­ logik zur Schaffung eines durchgehenden und genauen Spiegelpositionswertes erzeugen.

Die US-PS 45 18 864 beschreibt einen Bildleser mit einem Lichtstreuungskörper. Die abbildungserzeugenden Licht­ strahlen eines zu lesenden Bildes werden unter Streuung auf die Oberfläche der Festkörper-Bildabnahmevorrichtung gerichtet. Die Streuung kann durch Verwendung einer Streu­ lichtquelle, wie einer Leuchtstofflampe, erzeugt werden oder sofort neben der Fläche durch eine Lichtstreuungs­ platte gestreut werden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, bei einer Laser-Rasterabtastvorrichtung eine Vorrich­ tung zur Erzeugung eines Zeitsignals durch Zerstreuung eines modulierten Referenzstrahls zwecks Verbesserung des Fotoempfangs zu schaffen, bei der ein Zeitsignal in einfacher und kostengünstiger Weise erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei der so geschaffenen Laser-Rasterabtastvorrichtung ist vorgesehen, daß gleichzeitig entlang jeweiligen Ab­ tastlinien mit einem Referenzstrahl über einer Referenz­ maske mit im Abstand angeordneten transparenten Berei­ chen sowie mit einem Belichtungsstrahl über einem Sub­ strat abgetastet wird, wobei eine Vorrichtung, die die Position der Strahlen anzeigenden Signale erzeugt, mit einer optischen Zerstreuungseinrichtung, die nachfol­ gend zur Referenzmaske zum Erfassen des Referenzstrahls entlang der Referenzlinie angeordnet ist sowie mit ei­ nem transparenten Lichtleiter zum verlustfreien Führen und Begrenzen der zerstreuten Lichtenergie. Eine Empfänger­ anordnung ist nachfolgend zum Lichtleiter angeordnet und umfaßt eine Viel­ zahl von im Abstand entlang der Abtastlinie des Refe­ renzstrahls angebrachten Fotoempfängern, wobei diese Empfänger den modulierten Referenzstrahl erfassen und ein äquivalentes elektrisches Signal liefern. Dabei ist ein Transmissionsstreuungselement vorgesehen, das mit einer optischen Maske oder einem Gitter verbunden ist. Außerdem sind Lichtempfänger mit dem Transmissions­ streuungselement und dem Gitter oder der Maske verbun­ den.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß das Signal des Fotoempfängers ein zeitabhängiges Sinus-Signal aufweist, wobei die Steuerung das Signal des Fotoempfängers in ein digitales Taktsignal umwandelt.

Der Laser-Rasterabtastvorrichtung liegt dabei ein Ver­ fahren zum Erzeugen eines Zeitabtast-Signals zugrunde, bei dem gleichzeitig entlang jeweiligen Abtastlinien mit einem Referenzstrahl über einer Referenzmaske mit im Abstand angeordneten transparenten Bereichen sowie mit einem Belichtungsstrahl ein Substrat abgetastet wird, wobei der Referenzstrahl nachfolgend zur Refe­ renzmaske zerstreut wird und im wesentlichen auf einen Bereich entlang der Referenz-Abtastlinie begrenzt wird, der zerstreute Referenzstrahl an im Abstand entlang der Abtastlinie angeordneten Intervallen erfaßt wird und ein äquivalentes elektrisches Signal hierzu gelie­ fert wird, und ein Zeitabtastsignal entsprechend dem äquivalenten elektrischen Signal zur Steuerung der Abtastung mittels des Referenz- und Belichtungsstrahls erzeugt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Laser-Raster­ abtastvorrichtung mit einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Zeitsignals gemäß der vorlie­ genden Erfindung,

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

Fig. 3 eine seitliche Ansicht der Empfängeranordnung nach Fig. 2 mit Darstellung eines repräsenta­ tiven Lichtwegs, und

Fig. 4 eine teilweise Draufsicht der Empfängeranordnung nach Fig. 3 mit Darstellung des Zerstreuungs­ winkels des Referenzstrahls.

In Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht einer Laser- Rasterabtastvorrichtung 10 gezeigt. Die Abtasteinrich­ tung ist im Gehäuse 12 untergebracht. Eine Lichtquelle 14, vorzugsweise ein 3 mW-Argon-Laser (Cyonics), lie­ fert einen Strahl 16, der auf einen ersten Umlenkspie­ gel 18 auffällt und der Strahlformungsoptik 20 zuge­ führt wird. Die Strahlformungsoptik 20 entspricht kon­ ventioneller Bauweise und enthält ein Bandbreitenobjek­ tiv, ein negatives Objekt, eine Anordnung von Blenden und ein 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 um­ gelenkt und einer Strahlformungsoptik 36 zugeführt, welche typischerweise Objektive und andere optische Komponenten ähnlich zu der oben genannten Strahlfor­ mungsoptik enthält.

Der Referenzstrahl durchläuft eine Öffnung der Zwischen­ wandung 38, während der Belichtungsstrahl die Öffnung 40 durchläuft. Der Referenzstrahl fällt auf einen Um­ lenkspiegel 42 und wird dem Strahlkombinierer 44 zuge­ führt. Der Strahlkombinierer 44 empfängt auch den Be­ lichtungsstrahl 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 empfan­ genen Signalen gedreht. Die Strahlen treten von der Polygon-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 und in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Der Referenzstrahl wird gleich­ zeitig der Referenzmaske 62 zugeführt und wird schließ­ lich von der Fotoempfängeranordnung 64 empfangen. Die Fotoempfängeranordnung 64 liefert Signale entsprechend dem empfangenen Referenzstrahl über die Leitung 66 an die Steuerung 32 zwecks Steuerung des Zeitverhaltens und somit der Modulation der Abtaststrahlen. Als Er­ gebnis der Polygondrehung tasten der Belichtungs- bzw. der Referenzstrahl die Schreibtrommel bzw. die Refe­ renzmaske ab.

Die Steuerung ist bevorzugterweise derart mit Prozessor- und Speichereinrichtungen ausgerüstet, wie dies zur Aus­ führung 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 entlang der Abtastlinie.

Bekannte Laser-Abtastvorrichtungen empfangen den Refe­ renzstrahl in einem Empfängermechanismus, der eine Referenzmaske mit einer darauffolgenden linearen An­ ordnung 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 ver­ wendet. Der modulierte Referenzstrahl beinhaltet ein optisches Signal, das einem sehr großen Länge/Höhe-As­ pektverhältnis 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 ermög­ lichen. Die räumliche Anordnung des Strahls relativ zur Referenzmaske braucht nicht aufrechterhalten zu wer­ den, da die Informationen über die Strahlposition als Intensitätsänderung 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 Elements 68 befinden. Der Referenzstrahl läuft durch das Glaselement, das den Strahl moduliert, wenn er längs entlang dem Empfänger abgelenkt wird. Der modu­ lierte Referenzstrahl wird von einer Zerstreuungsein­ richtung 70 empfangen, welche den Strahl aufweitet. Vorzugsweise besteht die Zerstreuungseinrichtung aus konventionellem Mattglas, es können aber auch andere geeignete Arten von Zerstreuungseinrichtungen einge­ setzt werden. Der zerstreute, modulierte Referenzstrahl wird in der bevorzugten Ausführungsform von einer op­ tischen Sammeleinrichtung oder einem optischen Licht­ leiter 72 empfangen, der den Strahl direkt der Foto­ empfängeranordnung 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 Abstand der transparenten Bereiche auf der Refe­ renzmaske. Typischerweise ist der Abstand der Fotoem­ pfänger ca. tausendmal größer als der Abstand der trans­ parenten Bereiche auf der Referenzmaske. In der bevor­ zugten Ausführungsform zerstreut die Zerstreuungsein­ richtung 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 auf­ trifft, wenn der Strahl entlang der Fotoempfängeranord­ nung 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 Empfängeran­ ordnung 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 oben beschriebenen 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.

Claims (3)

1. Laser-Rasterabtastvorrichtung (10), bei der gleich­ zeitig entlang jeweiligen Abtastlinien mit einem Referenzstrahl (24) über eine Referenzmaske (62) mit im Abstand angeordneten transparenten Berei­ chen sowie mit einem Belichtungsstrahl (26) ein Substrat abgetastet wird, wobei eine der Referenz­ maske (62) nachgeschaltete und auf diese abgestimmte Streuungseinrichtung zur optischen Zerstreuung des Referenzstrahls (24) vorhanden ist, sowie eine über totale innere Reflektion wirkende Lichtleiteinrichtung (72), die den gestreuten Referenzstrahl einer Em­ pfängeranordnung (74) mit einer Vielzahl von Foto­ empfängern zuführt, und eine zugeordnete Steuerein­ richtung (32), die aus den Signalen der Fotoempfänger Taktsignale für die Ansteuerung der Laser-Modula­ tion erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar auf die Referenzmaske (62) folgend eine in Transmission wirkende Streuscheibe (70) an­ geordnet ist, der ein plattenförmiger Lichtleiter (72) nachgeordnet ist, der im wesentlichen parallel zur Abtastebene des Referenzstrahls (24) ist und das gestreute Licht zu einer Empfängeranordnung (74) von in Abtastrichtung aufeinanderfolgenden Fotoem­ pfängern führt.

2. Laser-Rasterabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoempfänger der Empfängeranordnung (74) einen Abstand aufweisen, der etwa tausendmal größer ist als der Abstand der optisch durchlässigen Be­ reiche der Referenzmaske (62).

3. Laser-Rasterabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimension des transparenten Lichtleiters (72) derart gewählt ist, daß der gestreute Referenz­ strahl (24) gleichzeitig von wenigstens zwei Foto­ empfängern erfaßbar ist.