JP2000118192A - 走査式描画装置 - Google Patents

走査式描画装置

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JP2000118192A JP10289843A JP28984398A JP2000118192A JP 2000118192 A JP2000118192 A JP 2000118192A JP 10289843 A JP10289843 A JP 10289843A JP 28984398 A JP28984398 A JP 28984398A JP 2000118192 A JP2000118192 A JP 2000118192A
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    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 光源10から発するレーザー光をハーフ
ミラー24により描画光L1とモニター光L2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
を介してミラー54により合成してポリゴンミラー41
に入射させ、偏向された描画光をfθレンズ42により
描画面13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47上に
結像させる。縮小光学系29a,35を含む描画光専用
光路の倍率と、縮小光学系51,52を含むモニター光
専用光路の倍率とが等しく設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【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、AOM
2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光器に入
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ことが望ましい。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
ことが望ましい。
【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28
a,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)3
0a,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4
2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4
7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2
3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29
a,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=−f
4/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0.0
2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L
1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δ
0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δ
2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,M
4,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δ
0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】反射回数の差が奇数の場合には、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、偶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)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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
    により合成して偏光器に入射させ、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。
  2. 【請求項2】 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
    により合成して偏光器に入射させ、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。
  3. 【請求項3】 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ることを特徴とする請求項
    1または2のいずれかに記載の走査式描画装置。
  4. 【請求項4】 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る
    ことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の
    走査式描画装置。
  5. 【請求項5】 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。
  6. 【請求項6】 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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