JP2616990B2 - 光ビーム位置誤差補正方法と装置 - Google Patents

光ビーム位置誤差補正方法と装置

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Description

【発明の詳細な説明】 （技術の分野） この発明は光ビーム位置決め方法と装置に係り、特に
光ビーム位置誤差補正能力のある方法と装置に関するも
のである。
（発明の背景） 通常の自動化された光ビーム位置決め装置は、典型的
には光ビーム ポジショナ（light beam positioner）
とシステム制御コンピュータを含んでいる。可動光方向
付け面を有する光学素子を典型的に含む光ビーム ポジ
ショナはシステム制御コンピュータにより処理されるビ
ーム位置と速度コマンド データ（“コマンド デー
タ”）を受信する。光学素子は反射か屈折かの光方向付
け特性を有する。光ビーム ポジショナはコマンド デ
ータ（command data）に応じて、ワークピース（workpi
ece）上予定の位置に方向づけられる入射光ビームの伝
播通路を決定する。
光ビームがワークピースに沿って走行するその通路を
変えるには、光ビーム ポジショナは異なったコマンド
データに応じて、光学素子の可動光方向付け面の方位
を変化させる。かゝる素子の１例はガルバノメータ ビ
ーム ポジショナ（galvanometer beam positioner）
で、それは標的面上の所望の位置に入射光ビームを方向
付けるコマンド データに応じて共働する選択的に旋回
可能なミラー（mirror）の対を使用する。
第1A図および第1B図は従来技術の光ビーム位置決め装
置の線図で、それは平面標的面（planar target surfac
e）18上の所望の位置へレーザ源16から放射する入射光
ビーム14を方向付けるためガルバノメータ ビーム ポ
ジショナ12を使用している。第1A図はガルバノメータ
ビーム ポジショナ12制御用のデータ処理モジュール
（data processing module）のブロック線図で、第1B図
は光ビーム位置決め装置10の光学素子の絵画線図であ
る。
第1A図と第1B図を参照すると、磁気ディスクのような
周辺記憶媒体20はシステム制御コンピュータ22にコマン
ド データを提供する。システム制御コンピュータ22は
典型的には多くの仕事を実行し、それらの少なくとも一
部は光ビーム位置決め演算に関係する。コマンド デー
タは可能な通路の始めと終りの位置の“表（tables）”
とワークピースに沿っての光ビーム走行のそれら関連速
度を表わす。システム制御コンピュータ22は電気的測定
データを獲得し、そのデータに応じて光ビームの可能な
通路と速度の各々の１つを選択する。例えば、レーザに
基づく抵抗トリマ（trimmer）用のコマンド データ
は、公知のパターンを設えた特定の抵抗ネットワーク上
でトリミング演算を実行するべく、レーザ ビーム14を
それからおよびそれへ移動させるそれぞれ始めと終りの
位置の一組を表わしている。
システム制御コンピュータ22はコマンド データを位
置データ発生器24へ伝達し、発生器24はＸ位置座標ディ
ジタル ワード信号（“Ｘ信号”）とＹ位置座標ディジ
タル ワード信号（“Ｙ信号”）を求める。ＸおよびＹ
信号は２つのガルバノ メータ モータ（図示せず）の
異なったモータに伝達される直流電圧に変換されるディ
ジタル ワードを表わす。ガルバノメータ モータは直
流モータでその軸は旋回軸のまわりを運動するミラーに
作用的に接続される。ガルバノメータ ビーム ポジシ
ョナ12は直交して整列された旋回軸のまわりで旋回運動
をするガルバノメータ モータに作用的に接続されるブ
ラケット（bracket）に搭載された別々のミラー26と28
の対を使用する。ミラー26と28は入射レーザ ビーム14
を受取りそして標的面18上の所望の位置へビーム14を方
向付けるため、ＸおよびＹ信号に応じてそれらそれぞれ
の旋回軸のまわりに旋回的に運動する。ガルバノメータ
ビーム ポジショナ12はまたフォーカス ビーム14用
Ｆ−θ型のレンズ30と標的面18へビーム14を方向付ける
ミラー32とを含んでいる。ミラー26と28の旋回運動は一
般に標的面18上で円形のアドレス可能な画像領域33を描
く。
光ビーム位置決め装置10に関連した問題の１つは、装
置の光学素子でガルバノメータ ミラーの単位の旋回運
動が標的面18上のレーザ ビーム14の単位の線形運動を
結果として生じさせないこともあることである。このよ
うな非線形ビーム運動の第１の原因は、装置の光学素子
が旋回運動を線形運動へ不正確に変換する時に常に結果
として生じる非線形歪にある。例えば、それが光学軸か
らはずれて位置する時は常に、ガルバノメータ ミラー
26はビーム14がガルバノメータ ミラー28やレンズ30の
方へ伝播する時そのビームを誤って方向付ける。ガルバ
ノメータ位置決め誤差は結果として“ピンクッション”
歪となり、その歪はビーム14がガルバノメータ ミラー
26と28の単位の角度変位に対応して移動するとき、標的
面18の周辺近傍の隣接間のそれらの位置間間隔が不等間
隔を表わすものとなる。
第２図は、コマンド データ位置の値の単位の変化に
応じてガルバノメータ ミラー26と28の単位の角度変位
により標的面18上に描かれる光ビーム格子パターンを示
す実例のアドレス可能な区域34のマップを示している。
以下にガルバノメータ ミラー26と28のＸおよびＹ軸の
まわりそれぞれの旋回運動について説明する。第２図は
標的面18のアドレス可能な区域34が標的面の中心36の近
傍では隣接位置間が2.5mmの等しい間隔で、Ｘ方向の周
辺部分40では“キーストーン（keystone）”形で外方向
に向く輪郭で、Ｙ方向の周辺部分38では内方向に向く輪
郭でピンクッション形であるのを示している。結果とし
てのビーム位置決め非線形性は標的面の周辺近傍では典
型的には数％である。
ガルバノメータ ビーム ポジショナ光学素子により
導入される非線形ビーム位置決めを取扱う試みとしては
いくつかの技術がある。その１つの技術は単純にその問
題を無視し、結果としてのピンクッション歪も許容する
ことである。第２の技術は作業者が所望の始まり位置で
レーザ ビームを位置付けるべくジョイステイック（jo
ystick）を手動で使用する目に見える饋還を必要とす
る。この技術は明らかにひどい労力がいるという不利益
さがあり、レーザ ビームが標的面の周辺近傍の始まり
位置から移動する時に生じる位置決め非線形の問題は補
正されない。補正された始まり位置でレーザ ビームを
方向付ける目に見える饋還の使用は、それ故、結果とし
て標的面に沿った真直なビーム位置決めとはならない。
ビーム位置決め誤差を補正する第３の技術は、システ
ム制御コンピュータ22により処理されるコマンド デー
タの補正を必要とする。これはコマンド データに対す
る所望の標的面位置に対応する補正データを有するルッ
ク アップ テーブル（look-up table）の形で較正マ
ップをシステム制御コンピュータ内に設けることにより
達成される。システム制御コンピュータ22はビーム位置
誤差を排除するためコマンド データを修正する補正デ
ータを使用する。この誤差補正技術はシステム制御コン
ピュータ22に置かれたソフトウェア ファイルが、シス
テム制御コンピュータ22に関連して異なったビーム ポ
ジショナが使用されるごとに変えられねばならぬから不
便である。さらにシステム制御コンピュータ22は割当て
られた優先のための多くの他の余分の仕事を実行するた
め、コマンド データの変化に対するシステム制御コン
ピュータの応答時間が本質的に長くなるという別の不利
益がある。それ故、ビーム位置の所望の変化はコマンド
データの受信後かなりの時間が経過されて生じる。
（発明の要約） 本発明の目的は、それ故、光ビーム位置決め装置にビ
ーム位置誤差補正を提供するにある。
本発明の他の目的は、ビーム位置誤差補正を実時間で
実行するような装置を提供するにある。
さらに本発明の他の目的は、異なった光ビーム ポジ
ショナの使用に際してもシステム制御コンピュータ ソ
フトウェアを変える必要のないような装置を提供するに
ある。
さらにまた本発明の他の目的は、標的面のアドレス可
能な全結像領域にわたり、よいビーム位置決め線形特性
を有するコンピュータ制御された光ビーム位置決め装置
を提供するにある。
また本発明の他の目的は、ガルバノメータ光ビーム
ポジショナを使用するような装置を提供するにある。
この発明ではガルバノメータ レーザ ビーム ポジ
ショナを使用するレーザに基づく抵抗トリマ装置を参照
した実施例で説明される。この発明はまたガルバノメー
タ レーザ ビーム ポジショナの位置決め誤差を実時
間で補正し、それ故に、標的面上任意の２点間でプログ
ラムされた速度で正確に位置決めされた真直な線を発生
する能力を有する。
この発明は、通常の位置データ発生器により発生する
Ｘ信号とＹ信号を受信し、補償されたＸディジタル ワ
ード信号（“Xc信号”）と補償されたＹディジタル ワ
ード信号（“Yc信号”）それぞれをガルバノメータ ビ
ーム ポジショナへ伝達するためにそれらを求める誤差
補正プロセッサを使用する。位置データ発生器とガルバ
ノメータ ビーム ポジショナに関連する誤差補正プロ
セッサの使用は、異なった光ビーム ポジショナ使用の
可能な装置のシステム制御コンピュータで、共通のトリ
マ位置データ ファイルの使用を許す。本発明により履
行される多くのコンピュータ制御されたビーム位置決め
装置の利点は、それ故、システム制御コンピュータで同
じコマンド データを有する異なったビーム位置決め装
置で同じ抵抗ネットワーク ワークピースを処理できる
能力があることである。
誤差補正プロセッサは実時間で補正ステップを実行
し、それにより光ビーム ポジショナの旋回運動の可能
なガルバノメータ ミラーの応答時間より短かい時間で
XcおよびYc信号を供給する。誤差補正プロセッサは、使
用に際し特定の光ビーム ポジショナにとり適切な補正
因子を持った誤差補正プロセッサを搭載することで、簡
単に同じモデルの異なったレーザ トリミング装置に使
用のため適応させることができる。かゝる柔軟性はシス
テム制御コンピュータのソフトウェア ファイルに変化
を与えないですむ。
この発明のさらに別の目的とか利点は添付図面を参照
してなされる以下にのべる好適な実施例の詳細な説明か
ら明らかにされるであろう。
（実施例） 以下添付図面を参照し実施例により本発明を詳細に説
明する。
第３図は本発明に係るビーム位置誤差補正を備えるコ
ンピュータで制御された光ビーム位置決め装置50のブロ
ック線図である。ビーム位置決め装置50が、抵抗トリミ
ング システムで典型的に使用される型のガルバノメー
タ レーザ ビーム ポジショナ12を有する例でこゝで
は説明される。ビーム位置決め装置50は同じモデル型の
別のガルバノメータ レーザ ビーム ポジショナによ
り導入されるレーザ ビーム位置決め誤差を補正するこ
とが可能である。これは誤差補正プロセッサ52に、ビー
ム位置決め装置で使用される特定のガルバノメータ ビ
ーム ポジショナの光方向づけ特性を特徴づける補正係
数の組を提供することにより完成される。ビーム位置決
め装置50は、ミラー（mirror）旋回運動やレンズ特性
に起因する非線形歪、X-Y座標軸の直交関係からの偏
倚に起因するアライメント誤差（alignment error）、
Ｘ軸とＹ軸のスケール（scale）因子と原点偏倚誤差
および標的（target）面18に対する結像区域（imagin
g field）の回転ミスアライメント（misalignment）、
から結果する誤差を補正することが可能である。好適な
実施例では、標的面18は平面でレーザに基づくマイクロ
機械加工した素子（micromachining device）の作用面
である。
第３図を参照するに、ビーム位置決め装置50は従来技
術のビーム位置決め装置10とは部分的に相異し、位置デ
ータ発生器24とガルバノメータ ビーム ポジショナ12
間に位置する誤差補正プロセッサ52を有している。誤差
補正プロセッサ52はある補正形式を実施し、その結果が
ガルバノメータ ビーム ポジショナ12への伝達用Xcお
よびYc信号を計算すべくメモリ（memory）に記録され
る。誤差補正プロセッサ52はレーザ トリミング作業中
実時間で補正を実行する。誤差補正処理は駆動されるガ
ルバノメータ ミラーの応答時間と少なくとも同じ速さ
で実行される。
コマンド データ（command data）に対する補正はソ
フトウェア（software）で履行され、その処理ステップ
（step）はXcおよびYc信号を表わす予定の複数方程式の
複数項を操作する。これらの方程式は各コマンド デー
タ点のＸおよびＹ軸の位置誤差について補正する。これ
ら方程式はまた複数方程式の複数項の区域補正係数
（“係数”）の特定の組を発生する較正処理によりある
特定のビーム ポジショナ12に整合させられる。
係数を発生する較正処理は、調整または修復の結果長
時間のシステム ドリフト（drift）または変化を補償
するに必要なものとして実施される。それら係数はシス
テム制御コンピュータ22とデータ通信をする較正データ
ファイル54に記憶され、データ バス56を介して誤差
補正プロセッサ52に電力がビーム位置決め装置に印加さ
れる時に常に伝達される。較正データ ファイル54の内
容は特定のビーム位置決め装置50の一連の番号により区
別され、それで係数のその補正の組がこの装置で使用さ
れるガルバノメータ ビーム ポジショナ12と関連する
のを確実にする。それら係数が誤差補正プロセッサ52と
直接のデータ通信で不揮発性メモリに記憶され得ること
が認められよう。
誤差補正プロセッサ52はコマンド データ点を表わす
ＸおよびＹ信号を受信し、次の変換方程式に係るXcおよ
びYc信号を計算するため適切な数学的演算を実行する。
Xc＝A1＋B1X＋C1X2＋D1X3＋E1Y＋F1Y2＋G1XY＋H1XY2 Yc＝A2＋B2Y＋C2Y2＋D2Y3＋E2X＋F2X2＋G2YX＋H2YX2 こゝでA1,B1,C1,D1,E1,F1,G1,H1およびA2,B2,C2,D2,E2,
F2,G2,H2は各係数を表わす。これら係数は矩形で境界づ
けられるアドレス可能な区域中の13の予定の特定位置で
のワークピース（workpiece）の走査から得られる測定
データの組から導出される。
第４図はXcおよびYc信号用係数を導出するための較正
処理ステップの流れ線図を示す。較正処理は６つの主な
処理ステップを必要とし、それらはアドレス可能な区
域に中心を有する13の較正点の正規のアレイを選択する
こと、レーザ ビームを13の選択された較正点の各々
に正確に位置させるために要求されるコマンド データ
を決定すること、それぞれの変換方程式XcおよびYcの
ために要求される16の係数A1からH1とA2からH2を導出す
ること、誤差補正プロセッサ52により実行される16ビ
ット整数数学演算で数値的オーバーフロー（overflow）
を防ぐために導出された係数を正規化したりスケーリン
グ（scaling）したりすること、乗算演算が実行され
る時に常におこる固有の２で割る演算を補償するためあ
る係数を調整すること、分数の２進形式へ係数を変換
することである。上述の６つのステップの各々の詳細な
説明は第４図を参照して以下に与えられる。
処理ブロック60は13の較正点の選択を示す。較正点の
各々はその境界がアドレス可能な区域の限界の内側約５
％にある矩形内にあり、それでピンクッション（pincus
hion）歪に起因する中心誤差や収差はアドレス可能な区
域の外側にいかなる較正点も置かない。較正点はXcおよ
びYc方程式へ代入用の“独立変数”としてこゝでは参照
され、13の順次の対として命令された（IX1,IY1）から
（IX13,IY13）まで配列される。例えば、IX1とIY1は較
正点１のそれぞれＸ座標とＹ座標を表わす。
第５図は上述の表示法により区別された13の区域較正
点の特定位置を示す図式である。ガルバノメータ ミラ
ー26と28用のガルバノメータ モータの各増分は、例え
ば、標的面のＸ軸かＹ軸のいずれかに沿ったレーザ ビ
ームの0.0025mmの移動を表わす。増加移動の大きさはガ
ルバノメータ ビーム ポジショナ12の特定な手段に依
存する。ガルバノメータ モータ カウントはアドレス
可能区域の中心点（IX7,IY7）を基準に計算される。
13の較正点は水平軸（Ｙ＝０）に沿い、ｘ＝０を中心
とし、ほゞ比例−10,−6,0,6,10に従った間隔で位置す
る５つの点；垂直軸（Ｘ＝０）に沿い、Ｙ＝０を中心と
し、ほゞ比例−10,−6,0,6,10に従った間隔で位置する
５つの点；と矩形（好適な実施例では正方形である）の
４つのコーナ点を含んでいる。特に、水平軸に沿って位
置する５つの点は、順次の対（IX5,IY5），（IX6,I
Y6），（IX7,IY7），（IX8,IY8）と（IX9,IY9）を含ん
でいる。垂直軸に沿って位置する５つの点は順次の対
（IX2,IY2），（IX4,IY4），（IX7,IY7），（IX10,I
Y10）と（IX12,IY12）を含んでいる。また正方形の４つ
のコーナ点は順次の対（IX1,IY1），（IX3,IY3），（IX
11,IY11），（IX13,IY13）を含んでいる。中心点（IX7,
IY7）が水平および垂直軸に沿って位置する５つの点の
２つの組に共通であることが認められよう。
処理ブロック62は処理ブロック60を参照して説明して
きた方法で確立された13の較正点の各々で、正確にレー
ザ ビームを位置させるのに要求されるＸおよびＹ信号
の決定を示している。方法は、例えば、13の較正点のど
れか１つを表わす標的を見出す走査ルーチンによって完
成される。標的は固定された較正板上の13の標的特定位
置か、ステップ・アンド・リピート（step-and-repea
t）機構により13の異なった位置に移動可能な板上の唯
１つの標的特定位置かであることが可能である。それら
13の測定された位置はこゝではXcおよびYc変換方程式へ
置換用の“従属変数”として参照され、（DX1,DY1）か
ら（DX13,DY13）と命名される。例えば、DX1とDY1は、
（IX1,IY1）に位置される区域１の中心にビームを位置
付けるため誤差補正プロセッサ52に伝達されねばならぬ
ＸおよびＹ信号をそれぞれを表わす。
処理ブロック64は独立変数IXとIYおよび従属変数DXと
DYからの係数の導出を示す。独立および従属変数から係
数すべてを導出する処理は６つのサブステップを必要と
し、そのあるものは通常の最小自乗曲線フイット アル
ゴリズム（fitting algorithm）の使用を必要とする。
アルゴリズムは次のことが必要とされ、１×10-12ほ
ど小さな浮動少数点数の解がすくなくとも６桁の有効数
字を維持するよう十分に正確であること、５つの較正
点に対し２次か３次の曲線を選択的にフイットさせる能
力があり、所望の係数と得られるフイットの質を表わす
フィギュア オブ メリット（figure of merit）が求
まること。このフィギュア オブ メリットは誤差チエ
ック用には有用である。
サブステップ64aはA1,B1,C1とD1係数の導出を示す。
この導出はXc変換方程式をＸの関数として解くことによ
り完成される。A1,B1,C1とD1係数は水平またはＹ＝０軸
に沿っておかれる５つの較正点から導出され、変数IX5
とDX5,IX6とDX6,IX7とDX7,IX8とDX8,IX9とDX9への３次
多項式最小自乗曲線のフイット（fit）を実行して完成
される。最小自乗曲線フイットから導出される係数は、
零次の係数がA1となりそれはＸ軸オフセットに等しく;1
次の係数がB1となりそれはＸ軸スケール因子に等しく;2
次の係数がC1となり;3次の係数がD1となる。Ｘ軸オフセ
ットを表わす零次の係数が従属変数DX7に等しくあるべ
きことが認められよう。ガルバノメータ モータのほゞ
５つの増分より大きなA1とDX7の差は疑わしいデータと
して示される。
サブステップ64bはE1とF1係数の導出を示す。この導
出はXc変換方程式をＹの関数として解くことにより完成
される。E1とF1係数は垂直またはＸ＝０軸に沿っておか
れた５つの較正点から変数IY12とDY12,IY10とDY10,IY7
とDY7,IY4とDY4,IY2とDY2へ２次多項式最小自乗フイッ
トを実行して導出される。２次多項式最小自乗曲線フイ
ットから導出される係数は、零次の係数が誤差チエック
の目的以外に使用されず、１次の係数がE1となり、２次
の係数がF1となる。零次の係数がDX7とA1係数にほゞ等
しくあるべきことが認められるだろう。ガルバノメータ
モータのほゞ５つの増分より大きな別の使用されない
零次の係数とA1（またはDX7）との差は疑わしいデータ
として示される。
サブステップ64cはG1とH1係数の計算を示す。G1とH1
係数は以下の方程式に従って求められる６つの値から直
接導出される。
Px＝DX3−DX1 Qx＝DX13−DX11 Rx＝DX9−DX5 こゝでPx,QxとRxはデータ区域の水平幅にほゞ等しい公
称的には正数である。G1とH1係数はPx,QxとRxに関する
上述の式から以下のようにして計算される。
G1＝（Px−Qx）／（４×IX3×IY3） H1＝（Px＋Qx−２×Rx）／（４×IX3×IY3×IY3） G1係数は正または負の値であることができ、G1の大きさ
は典型的には１×10-8より小さいだろう。H1係数は常に
正でH1の大きさは典型的にはほゞ５×10-11であろう。
G1とH1係数に関する方程式はピンクッション歪を有す
るアドレス可能な区域パターンから経験的に導出され
る。第6A図は第２図示マップの不正確なアドレス可能な
区域パターンの部分拡大を示す。第6A図はｘ方向にのみ
のピンクッション歪を示す。誤差補正変換方程式の形式
化として本発明に係る発明者の一人は第6A図のパターン
は第6B図示のくさび形成分と第6C図示の放物線成分との
重ね合わせで表わされるとした。第6B図はそのくさびが
Ｙ軸からの距離の関数としての角度変位で増加すること
を示し、第6C図は放物線曲線がＹ軸からの距離の関数と
して増加することを示している。
Xc変換方程式の項G1XYは第6B図示くさび形の補正であ
る。G1係数の項（Px−Qx）はＸ軸から点（DX1,DY1），
（DX3,DY3），（DX11,DY11）および（DX13,DY13）へ延
在するライン（line）の平均Ｘ軸成分の４倍を表わす。
G1方程式の４での除算は、それ故、G1を計算するのに要
求される。G1係数はそれがアドレス可能な区域の第１象
限にあるから点（IX3,IY3）で計算されるが、点（IX1,I
Y1）もまた使用される。
Xc変換方程式の項H1XY2は放物線の形を補正し、H1係
数の項（Px＋Qx−２×Rx）は点（DX1,DY1），（DX3,D
Y3），（DX11,DY11）と（DX13,DY13）での放物線Ｘ軸成
分の４倍を表わす。放物線の１つは点（DX1,DY1），（D
X5,DY5）と（DX11,DY11）を通過し；他の放物線は点（D
X3,DY3），（DX9,DY9）と（DX13,DY13）の組を通過す
る。
H1方程式での４による除算は、それ故、H1を計算する
のに必要である。H1係数はそれが第１象限にあるから、
点（IX3,IY3）で計算されるが、点（IX1,IY1），（I
X11,IY11）と（IX13,IY13）もまた使用される。項G1XY
とH1XY2はビーム位置がＹ軸からはなれて移動するにつ
れ非線形に増加するのが認められよう。
サブステップ64dはA2,B2,C2とD2係数の導出を示す。
この導出はYc変換方程式をそのなかのＹ項の関数として
解くことで完成される。A2,B2,C2とD2係数は垂直または
Ｘ＝０軸におかれた５つの較正点から導出され、変数IY
12とDY12,IY10とDY10,IY7とDY7,IY4とDY4,IY2とDY2への
３次の多項式最小自乗曲線フイットを実行することで完
成される。最小自乗曲線フイットから導出される係数
は、零次の係数がＹ軸オフセットに等しいA2となり、１
次の係数がＹ軸スケール因子に等しいB2となり、２次の
係数がC2となり、３次の係数がD2になる。Ｙ軸オフセッ
トを表わす零次の係数は従属変数DX7に等しくあるべき
ことが認められるだろう。ガルバノメータ モータのほ
ゞ５つの増分より大きなA2とDY7の差は疑わしいデータ
として示される。
サブステップ64eはE2とF2係数の導出を示す。この導
出はYc変換方程式をそのなかのＸ項の関数として解くこ
とにより完成される。E2とF2係数は水平またはＹ＝０軸
に沿っておかれた５つの較正点から、変数IX5とDY5,IX6
とDY6,IX7とDY7,IX8とDY8,IX9とDY9への２次多項式最小
自乗フイットを実行することにより導出される。２次多
項式最小自乗曲線フイットから導出される係数は、零次
係数が誤差チエックの目的以外には使用されないような
ものである。１次の係数がE2となり、２次の係数がF2に
なる。零次の係数がDY7とA2係数にほゞ等しくあるべき
ことが認められよう。ガルバノメータ モータのほゞ５
つの増分より大きな別の使用されない零次の係数とA
2（またはDY7）との差は再び疑わしいデータとして示さ
れる。
サブステップ64fはG2とH2係数の計算を示す。G2とH2
係数は次の方程式により求まる６つの値から直接導出さ
れる。
Py＝DY3−DY13 Qy＝DY1−DY11 Ry＝DY2−DY12 こゝでPy,QyとRyはデータ区域の垂直幅にほゞ等しく公
称的には正数である。G2とH2係数はPy,QyとRyに関する
上述の式から以下のようにして計算される。
G2＝（Py−Qy）／（４×IX3×IY3） H2＝（Py＋Qy−２×Ry）／（４×IX3×IX3×IY3） G2係数は正値でも負値でもあり得て、G2の大きさは典型
的に１×10-8より小さい。H2係数は常に負で、H2の大き
さは典型的に約５×10-11であろう。G2とH2係数に関す
る方程式はピンクッション歪を有するアドレス可能な区
域パターンから、第6A図から第6C図を参照して上に詳述
したと類似の方法で経験的に導出される。サブステップ
64aから64cとサブステップ64dから64fは第４図の流れ線
図で示されているように平行して実行され得ることが認
められよう。
処理ブロック66はA1からH1およびA2からH2係数の規格
化およびプリスケールを示している。これら演算は係数
が１よりずっと小さいかずっと大きいか故に実行され
る。可能な係数値の広い範囲は好適な誤差補正プロセッ
サ52が16ビット整数数字で演算するから高次の項のオー
バーフロー状態をひきおこす。このようなオーバーフロ
ー状態を妨げるためには、導出係数はXcおよびYc変換方
程式の各項に(32768)n/(32768)nの乗算をする必要のあ
るプリスケール プロセスをうけ、こゝでｎは項の次数
−１を表わす。このプリスケール処理は、より高次の項
が16ビットを越えて大きくなるのを妨げたり、より小さ
な係数を16ビットでの零より大きな大きさまでスケール
アップしたり、中間の積を16ビットの２に対する補数方
式で有効数字の最大数を生じる大きさに保持するなどの
点で有利である。
表Ｉは係数計算用のプリスケール因子を概括したもの
である。
表Ｉの最右端の欄にリストされた典型的結果は、プリス
ケール因子によって乗算された後、係数の各々は小数の
２進表記法で扱い易い大きさであることを示している。
処理ブロック68は乗算が実行された後固有の２で割る
演算を補償するためのある係数の調整を示している。こ
のステップはTRW社製モデルTMC2010乗算／累算集積回路
の構成に問題がある故に必要で、好適な実施例では使用
される。この集積回路は乗算／累算演算の結果を２つの
別の16ビットのワード（word）として提供する。この集
積回路は小数の２に対する補数丸めのモード（fraction
al two's complement round mode）で演算すべく選択さ
れるから、２つの15ビットと加うる１符号ビットの数は
30ビットの積と１符号ビットを提供する。より下位の16
ビット出力は結果のより下位の16ビットを表わし、より
上位の16ビット出力は結果のより上位の14ビットを表わ
す。符号ビットは別の３ビット ワードの部分として提
供される。このビット配列の効果は、より上位の16ビッ
ト出力が使用される時は常に、２つの15ビットと加うる
１符号ビットの数は14ビットと加うる１符号ビットの出
力を提供するように乗算されるということである。この
配列の結果、解の１有効ビットは積が入力に提供される
か饋還される時は常に失なわれる。このデータの消失は
確度には致命的である。この問題はより上位の16ビット
からの14ビットとともにより下位の16ビットの最上位ビ
ット（MSB）を使用できさえすれば回避することができ
る。不幸にして、このことは“丸め”演算が乗算用に選
択される時は、“丸め”演算がより下位の16ビットのMS
Bに論理１を常に加えるためになすことができない。
この問題の解はより上位の15ビット（14ビットと１符
号ビット）を使用し、それによって出力に暗に２で割る
演算を生じさせることである。これは項の展開に必要と
される各乗算演算に際し、一時に因子の１つに２を前乗
算することで補償される。好適な実施例では、それらが
前乗算後も１より小さいまゝであればこの前乗算がそれ
ら係数に実行される。A1,A2,B1とB2係数は典型的に１よ
り大きい。A1とA2係数は整数として使用され、それ故
に、それらが１より小さいという問題には該当しない。
B1とB2係数は約１という典型的な大きさを有する。B1と
B2係数に関する前乗算因子は２であり、それ故に、B1と
B2係数の大きさは約２となる。確実に１より小さい値に
するには前乗算されたB1とB2係数を３で割りB1×ＸとB2
×Ｙ演算を各３回実行することでなされる。このような
方法でのB1とB2係数の操作は1.5までのかゝる係数のス
ケールされない値に適応される。
暗に２で割る演算が実行される他の例が、誤差補正プ
ロセッサ52が“スクラッチ パッド メモリ（scratch
pad memory）”から前の結果を呼び戻し、それを累算器
に伝達するためその結果に１を乗ずる時に常に生じる。
２で割る影響を補償するため、スクラッチ パッド メ
モリから２度結果を呼び戻し、その結果にその都度１を
乗じそしてその結果を累算器内容に加えることが必要で
ある。
表IIはA1からH1とA2からH2係数の各々用に計算される
前乗算因子を示す。処理ブロック66と68を参照して説明
される前乗算処理と正規化およびプリスケール処理は組
合わされ１つの演算で実行されてもよい。
処理ブロック70は小数の２進方式から２進整数方式へ
の係数の変換を示す。処理ブロック66と68を参照して説
明される処理に従って作られる係数は、乗算／累算によ
り小数の２進数として説明されるが、誤差補正プロセッ
サ メモリで記憶用２進整数として提供される必要のあ
る数であろう。しかしながら、このことはA1とA2係数に
ついては、それらが２に対する補数整数として直接記憶
されるが故に成立しない。B1からH1とB2からH2係数の２
進整数方式への変換は、選択された係数に32768を乗じ
その結果を最も近い整数に丸めそして２に対する補数整
数として16ビットでその数を記憶することを必要とす
る。
第７図は誤差補正プロセッサ52の簡単化したブロック
線図を示している。第７図を参照するに、誤差補正プロ
セッサ52はＸ入力ラッチ（input latch）82とＹ入力ラ
ッチ84それぞれにより送信されてきたＸおよびＹ信号を
16並列ビット ディジタル ワードの形で受信する。Ｘ
信号データとＹ信号データは、それぞれの入力ラッチ82
と84に順次制御器88の出力導線86に供給されるラッチお
よび出力制御信号により適切な時間記憶される。順次制
御器88はXcおよびYc変換方程式の項を計算および累算す
るためプロセッサ52の種々の関数を調整および制御すべ
く適当な順次でクロックおよびタイミング信号を求め
る。
ランダム アクセス メモリ（RAM）90は較正データ
ファイル54からシステム制御コンピュータ22を介して
データ バス56により運ばれた係数を記憶する（第３図
参照）。係数は順次制御器88の出力92に生ずる読取り／
書込み制御信号およびアドレス バス93により順次制御
器88から運び出される８並列ビット アドレス ワード
に応じてRAM 90に読取られたりから読出されたりする。
RAM 90の較正データ読出しはその出力導線に現われ、内
部プロセッサ バス94で乗算器／累算器98の“R"入力に
伝達される。乗算器／累算器98はその“S"入力にそれぞ
れの入力ラッチ82および84の出力で異なる時間に供給さ
れるＸおよびＹ信号データを受信する。乗算器／累算器
98は順次制御器88の出力100に供給された算術関数制御
信号に応答して、“R"および“S"入力に印加されるデー
タを乗算しその積を内部の“スクラッチ パッド”メモ
リに記憶するよう動作する。乗算器／累算器98の算術演
算の結果はプロセッサ バス94に接続されるその“P"出
力に現われる。乗算器／累算器98の“P"出力と“R"入力
は累算器饋還通路を形成すべく接続される。
プロセッサ バス94と入力ラッチ82および84の出力は
３状態双方向スイッチ102の異なった入力に接続され
る。３状態スイッチ102は制御器88の出力104に生じる双
方向スイッチ制御信号に応答して、較正の間に粗いＸお
よびＹ位置信号データを入力ラッチ82および84から出力
ラッチ106および108それぞれに伝達すべく機能する。
順次制御器88はその出力86,92,100と104上にＸおよび
Ｙ信号データと係数を乗算器／累算器98に伝達し、その
数学演算を制御するため適当な時間順次に制御信号を供
給し、それでXcおよびYc変換方程式を合成するに必要な
乗算と加算作用を実行することができる。例えば、順次
制御器88はRAM 90からのB1係数と入力ラッチ82からのＸ
信号情報とをそれらを乗算し、その積を保持する乗算器
／累算器98のそれぞれの“R"および“S"入力に伝達する
ために必要な制御信号を現わす。順次制御器88は次にRA
M 90からのA1係数をA1を前に計算した積B1×Ｘに加える
乗算器／累算器98の“R"入力に伝達するために必要な制
御信号を現わす。誤差補正プロセッサ52はRAM 90の一部
を形成するスクラッチ パッド メモリを有する。変換
方程式の項を展開する方法が実行され、誤差補正プロセ
ッサ52の機能はスクラッチ パッド メモリがその展開
の間計算される１つの中間値のみを記憶することを要求
する。しかしながら、誤差補正プロセッサ52は必要とあ
らば１中間値以上を記憶するよう構成される。すべての
他の値は累算器に記憶される。
Xc変換方程式の合成は類似の方法で多項式の各項で、
A1からH1の係数の各々がRAM 90から読出され、要求され
る代数演算のすべてがXc変換方程式に従って実行されて
しまうまで継続される。かゝる合成での項の処理順序は
乗算器／累算器98の限界値をオーバーフローさせずに最
も効率的であるものである。Yc変換方程式の合成は類似
の方法で同様に実行される。
乗算器／累算器98の“P"出力に現われる計算された結
果は、それぞれのXc出力ラッチ108とYc出力ラッチ106の
入力に伝達され、そこに順次制御器88の出力110に供給
される記憶信号に応答してXcおよびYc信号を記憶する。
それぞれの出力ラッチ106と108の出力に現われるXcおよ
びYc信号はガルバノメータ ビーム ポジショナ12（第
３図参照）に印加され、そこでレーザ ビーム14を標的
面18上のコマンドされた位置に方向づける。
第８図はコマンド データ（command data）位置の値
での単位の変化に応答してガルバノメータ ミラー26と
28の単位の角度変位により標的面18上に記載された光ビ
ーム格子パターンを示す実例のアドレス可能な区域120
のマップである。第８図によれば、標的面18のアドレス
可能な区域120は実質的に全アドレス可能な区域にわた
り隣接位置間が2.5mmの等距離間隔であることを示して
いる。これは従来技術により生じたアドレス可能な区域
34と対照的である（第２図参照）。誤差補正プロセッサ
52の演算は、それ故、ピンクッション歪を排除し、それ
によって従来技術の光ビーム位置決め装置の特徴であっ
たビーム位置決めの非線形を排除することになる。
この発明の好適な実施例の前述の詳細な説明でその基
本原理からはずれることなく多くの変形が可能であるこ
とは当業者に自明であろう。この発明のはんちゅうは、
それ故、特許請求の範囲を参照して決定されるべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1A図および第1B図は、それぞれ従来技術のコンピュー
タ制御ビーム位置決め装置のブロック線図と絵画線図で
あり、 第２図は、第1A図および第1B図に図示された型の誤差補
正のない従来技術のガルバノメータ ビーム位置決め装
置に、固有のビーム位置ピンクッション歪を有する実例
のアドレス可能な区域のマップであり、 第３図は、本発明に係るビーム位置誤差補正を備えるコ
ンピュータ制御光ビーム位置決め装置のブロック線図で
あり、 第４図は、XcおよびYc信号を表わす多項式の項の区域補
正係数を導出するために実行される較正処理ステップの
流れ線図であり、 第５図は、第４図の流れ線図による区域補正係数を導出
するに使用される13の較正点の特定位置を示す線図であ
り、 第6A図は、第２図示の特徴を有するアドレス可能な区域
パターンのＸ方向のみのピンクッション歪を示し、第6B
図と第6C図とは、第6A図のアドレス可能な区域パターン
を形成するのに重ね合わすことのできるくさび形成分と
放物線形成分とをそれぞれ示し、 第７図は、第３図の装置で履行される誤差補正プロセッ
サの簡単化されたブロック線図であり、 第８図は、ビーム位置ピンクッション歪を排除する本発
明の位置誤差補正技術の効果を示す実例のアドレス可能
な区域のマップである。 10……光ビーム位置決め装置 12……ガルバノメータ ビーム ポジショナ 14……入射光ビーム 16……レーザ源 18……平面標的面 20……周辺記憶媒体 22……システム制御コンピュータ 24……位置データ発生器 26,28,32……ミラー 30……レンズ 33……アドレス可能な結像領域 34……アドレス可能な区域 36……ターゲット面の中心 38……Ｙ方向の周辺部分 40……Ｘ方向の周辺部分 50……光ビーム位置決め装置 52……誤差補正プロセッサ 54……較正データ ファイル 82,84……入力ラッチ 88……順次制御器 90……ランダム アクセス メモリ（RAM） 98……乗算器／累算器 102……３状態双方向性スイッチ 106,108……出力ラッチ
フロントページの続き (72)発明者 マーク・エイ・ボトネム アメリカ合衆国オレゴン州 97132 ニ ューベルグ エヌイー サニークレスト ロード 21650 (72)発明者 ブルース・イー・エドソン アメリカ合衆国オレゴン州 97005 ビ ーバートン エスダブリュー マーベリ ック コート 14105 (56)参考文献 特開 昭63−229419（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−141019（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ビーム位置決めコマンド データに応じて
    光ビームの伝播通路を方向付ける複数の光学素子を使用
    する光ビーム位置リアルタイム誤差補正装置において、 ビーム通路に沿って伝播する光ビームを発生する光源手
    段と、 標的面上のある位置へその伝播の通路を方向付けるため
    ビームを受取るビーム位置決め手段と、 ビーム位置コマンド データを提供する装置制御コンピ
    ュータ手段と、 標的面上の前選択された位置に対応して位置座標信号を
    発生するビーム位置コマンド データを受信する位置デ
    ータ発生手段と、 位置座標信号の既知の組に結果する標的面上の現在のビ
    ーム位置の組を測定することにより決まる較正係数の組
    であって、かつ、標的面上のアドレス可能なビーム位置
    の可能な組より少ない光ビーム位置決め誤差を補正する
    のに必要な較正係数の組を得る較正係数発生手段と、 装置に導入された光ビーム位置決め誤差をリアルタイム
    に補正する較正係数の組を記憶し提供する較正ビーム源
    手段と、 位置座標信号と較正係数の組を受信し、装置に導入され
    た光ビーム位置決め誤差を補正するため、位置座標信号
    を補償された位置座標信号にリアルタイムに変換すべく
    較正係数の組を適用し、ビーム位置決め手段が標的面上
    の前選択された位置に光ビームを方向付けるよう補償さ
    れた位置座標信号をビーム位置決め手段に提供する誤差
    補正処理手段とを具え、 前記補償された位置座標信号がXc信号とYc信号とを具
    え、前記ビーム位置決め手段が光ビームを受取る第１の
    および第２の独立に可動な光反射面を具え、その第１の
    および第２の光反射面が前選択された位置での光ビーム
    を位置決めするため、標的面に沿ってそれぞれ第１のお
    よび第２の互いに直角方向に光ビームを移動させるべく
    XcおよびYc信号を受信し、 そのXcとYc信号がくさび角度歪の結果の位置誤差を補正
    するためのそれぞれの項G1XYとG2YXおよび放物線曲線歪
    の結果の位置誤差を補正するためのそれぞれの項H1XY2
    とH2X2Yを含む変換方程式を使用して発生され、ここでG
    1,G2,H1およびH2は較正係数の組の要素であることを特
    徴とする光ビーム位置誤差補正装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の装置において、前記ビーム
    位置決め手段がさらにレンズを具えることを特徴とする
    光ビーム位置誤差補正装置。
  3. 【請求項３】請求項２記載の装置において、そのレンズ
    がＦ−θ型であることを特徴とする光ビーム位置誤差補
    正装置。
  4. 【請求項４】請求項１記載の装置において、前記光源手
    段がレーザを具えることを特徴とする光ビーム位置誤差
    補正装置。
  5. 【請求項５】請求項１記載の装置において、較正係数の
    組が標的面上の13の実際のビーム位置のあらかじめ定め
    られた組から決定されることを特徴とする光ビーム位置
    誤差補正装置。
  6. 【請求項６】請求項１記載の装置において、前記位置デ
    ータ発生手段が不揮発性メモリを具えることを特徴とす
    る光ビーム位置誤差補正装置。
  7. 【請求項７】光ビーム位置をリアルタイムに補正する方
    法において、 較正データの取得が、標的面上のアドレス可能な区域で
    較正点のアレイを選択し、光ビームがそれら較正点のそ
    れぞれをたたくまでアドレス可能な該区域を走査し、そ
    の較正点の数がアドレス可能な区域の点の数より少な
    く、それら較正点に光ビームを位置付けるに必要な位置
    座標信号を決定することを含むよう、光ビーム位置決め
    装置の光学的特性の特徴である較正データを取得し記憶
    する過程と、 光ビームが標的面上で方向付けられるべき意図した位置
    に対応するビーム位置コマンドデータを装置コンピュー
    タより提供する過程と、 そのビーム位置コマンドデータを、位置信号がビームポ
    ジショナにより使用され得るよう標的面上の意図した位
    置に対応する位置座標信号に変換する過程と、 ビーム位置コマンドデータを補償された位置座標信号に
    リアルタイムに変換するため記憶された較正データを使
    用する過程と、 標的面上の意図した位置に光ビームを方向付けるためビ
    ームポジショナに補償された位置座標信号を提供する過
    程とを有し、 前記補償された位置座標信号がXc信号とYc信号とを含
    み、前記ビームポジショナが光ビームを受取る第１のお
    よび第２の独立に可動な光反射面の対を具え、その第１
    のおよび第２の光反射面が意図した位置での光ビームを
    位置決めするため、標的面に沿ったそれぞれ第１のおよ
    び第２の互いに直角方向に光ビームを移動させるべくXc
    およびYc信号を受信し、 そのXcとYc信号がくさび角度歪の結果の位置誤差を補正
    するためのそれぞれの項G1XYとG2YXおよび放物線曲線歪
    の結果の位置誤差を補正するためのそれぞれの項H1XY2
    とH2X2Yを含む変換方程式を使用して発生され、ここでG
    1,G2,H1およびH2は記憶された較正データに含まれるこ
    とを特徴とする光ビーム位置誤差補正装置。
  8. 【請求項８】請求項７記載の方法において、光ビームが
    レーザ源から発生され、ビーム位置コマンドデータが不
    揮発性メモリから得られることを特徴とする光ビーム位
    置誤差補正方法。
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