JP2690120B2 - Optical scanning device - Google Patents

Optical scanning device

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JP2690120B2
JP2690120B2 JP63265690A JP26569088A JP2690120B2 JP 2690120 B2 JP2690120 B2 JP 2690120B2 JP 63265690 A JP63265690 A JP 63265690A JP 26569088 A JP26569088 A JP 26569088A JP 2690120 B2 JP2690120 B2 JP 2690120B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光学式図形読み取り装置、光学式印字装置、
光学式描画装置等に用いる光学的走査装置に関するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention relates to an optical figure reading device, an optical printing device,
The present invention relates to an optical scanning device used in an optical drawing device or the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来用いられている光学的走査装置は大別して2種に
分けられる。その第1は光学系と被走査物を相対的に移
動せしめるものであって、例えば第2図に示す様に固定
された光学系1と移動載物台2による構成である。移動
載物台2上の物体3の表面に結ばれた光学系1の焦点4
は載物台2の移動にともない物体3の表面上で焦点位置
が変化する。例えば、光学系1が光源5、コリメータレ
ンズ6、対物レンズ7、ビーム・スプリッター8、集光
レンズ9、光検出器10より構成される図形の読み取り器
の場合には、対物レンズ7の焦点4は物体3の表面を逐
次移動しその微少部分の反射率を連続的に検出すること
が出来る。
Conventionally used optical scanning devices are roughly classified into two types. The first is to move the optical system and the object to be scanned relative to each other. For example, as shown in FIG. 2, the optical system 1 and the movable stage 2 are fixed. The focal point 4 of the optical system 1 which is formed on the surface of the object 3 on the moving stage 2.
The focus position changes on the surface of the object 3 as the stage 2 moves. For example, when the optical system 1 is a figure reader including a light source 5, a collimator lens 6, an objective lens 7, a beam splitter 8, a condenser lens 9 and a photodetector 10, the focus 4 of the objective lens 7 is used. Can sequentially move on the surface of the object 3 and continuously detect the reflectance of a minute portion thereof.

第2の走査装置は光学系への入射光束の入射角を変化
せしめることにより光学系の焦点位置を焦点面上で変位
させるものであって、例えば第3図に示す如くf−θレ
ンズである対物レンズ16と同レンズへの入射角を変化す
るための音響光学素子15による構成である。第3図にお
いて光源11より発した光はフィルター12、コリメータレ
ンズ13、ビーム・スプリッター14、音響光学素子15、対
物レンズ16を透過し物体17を照明する。物体17よりの反
射光は対物レンズ16、音響光学素子15を透過しビーム・
スプリッター14で反射し集光レンズ18によって光検出器
19に導かれる。光源側より音響光学素子15に入射する光
は該素子に超音波を印加することによって例えば破線20
に示す方向の偏向を受け物体17上の焦点位置21から22に
変位する。音響光学素子15に印加する超音波の周波数を
連続的に変化させる事によって焦点は物体17上を移動す
る。物体17よりの反射光は一部が照明光と逆の経路にて
ビーム・スプリッター14に入射し、一部が反射されて光
検出器19に達する。光検出器19には空間的フィルターが
内蔵されており、有害反射光等を除去する。
The second scanning device displaces the focal position of the optical system on the focal plane by changing the incident angle of the incident light beam to the optical system. For example, it is an f-θ lens as shown in FIG. The configuration includes an objective lens 16 and an acousto-optic element 15 for changing the angle of incidence on the lens. In FIG. 3, the light emitted from the light source 11 passes through the filter 12, the collimator lens 13, the beam splitter 14, the acousto-optic element 15, and the objective lens 16 to illuminate the object 17. The reflected light from the object 17 is transmitted through the objective lens 16 and the acousto-optic element 15 to form a beam.
Light is reflected by the splitter 14 and is detected by the condenser lens 18.
Guided to 19. Light incident on the acousto-optic element 15 from the light source side is, for example, broken line 20 by applying ultrasonic waves to the element.
When the object 17 is deflected in the direction indicated by, the focal point 21 on the object 17 is displaced to 22. The focal point moves on the object 17 by continuously changing the frequency of the ultrasonic wave applied to the acousto-optic element 15. A part of the reflected light from the object 17 is incident on the beam splitter 14 in a path opposite to the illumination light, and a part of the reflected light reaches the photodetector 19. The photodetector 19 has a spatial filter built therein and removes harmful reflected light and the like.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

第2図に示した装置においては走査に必要とする可動
物、即ち光学系、載物台の質量が大きくなる欠点が有り
走査機構は大型化する。そのため走査速度の遅い装置に
適するが、高速度走査機構、特に往復の繰り返し走査を
必要とする場合は駆動エネルギーの増大と振動の発生と
を伴う。しかしながら既存の機械技術が利用できるた
め、走査位置精度と走査範囲の大きさ、走査範囲内にお
けるスポット数は多大である。例えば移動載物による走
査の場合走査範囲は100mmが可能であるから、スポット
径1μmとすると走査範囲内におけるスポット数は100,
000個以上に及ぶ。また走査位置の絶対精度は0.1μmが
可能であろう。しかしながら載物台には摺動部があり、
直進の安定性は1μm程度で余り良好な性能は望めず、
高い精度を得るためには直進性の補正機構を必要とす
る。例えばX方向に走査する場合においてはY方向にも
移動する機構を有する装置を用い、レーザ干渉計などに
よって載物台のX、Y軸座標を求め各々の軸に対し位置
制御を行う機構が用いられる。しかしながら移動載物台
を用いる機構においては、光学系の焦点は光軸上または
その近傍でのみ用いられるため、第2の方式に比して有
効面径が小さくて、その大きさは光学顕微鏡程度でよい
ので設計、製作は容易である。
The apparatus shown in FIG. 2 has a drawback that the mass of the movable object required for scanning, that is, the optical system and the stage is large, and the scanning mechanism becomes large. Therefore, it is suitable for a device having a low scanning speed, but when a high-speed scanning mechanism is required, particularly when reciprocating repetitive scanning is required, driving energy is increased and vibration is generated. However, since existing mechanical technology can be used, the scanning position accuracy, the size of the scanning range, and the number of spots in the scanning range are large. For example, in the case of scanning by a moving object, the scanning range can be 100 mm, so if the spot diameter is 1 μm, the number of spots in the scanning range is 100,
Over 000 pieces. The absolute accuracy of the scanning position may be 0.1 μm. However, there is a sliding part on the stage,
The stability of going straight is about 1 μm and I can not expect very good performance,
In order to obtain high accuracy, a straightness correction mechanism is required. For example, in the case of scanning in the X direction, a device having a mechanism that moves also in the Y direction is used, and a mechanism for determining the X and Y axis coordinates of the stage using a laser interferometer and performing position control for each axis is used. To be However, in the mechanism using the movable stage, the focus of the optical system is used only on or near the optical axis, so the effective surface diameter is smaller than that of the second method, and its size is about the same as that of an optical microscope. It is easy to design and manufacture.

第3図に示した装置においては、走査はf−θレンズ
への光束の入射角を変えて焦点面上の焦点位置を変える
ことによって、行われるが、走査の範囲とスポットの径
は偏向手段の光束の偏角幅と光束の直径、f−θレンズ
の有効像面径と開口数によって定まる。広範囲、微少ス
ポット・サイズの走査機構を実現するには大口径大偏角
の偏向手段とその制御手段及び大有効像面、大開口数の
f−θレンズが必要で有り高度の設計、製造、検査技術
を必要とする。
In the apparatus shown in FIG. 3, scanning is performed by changing the incident angle of the light beam on the f-θ lens to change the focal position on the focal plane, but the scanning range and spot diameter are determined by the deflection means. Is determined by the declination width of the luminous flux, the diameter of the luminous flux, the effective image surface diameter of the f-θ lens, and the numerical aperture. In order to realize a scanning mechanism with a wide range and a small spot size, a deflection means with a large aperture and a large deflection angle and its control means, a large effective image surface, and an f-θ lens with a large numerical aperture are required. Requires inspection technology.

偏向素子としては音響光学素子、回転多面鏡、回転振
動平面鏡等が有る。音響光学素子は機械的可動部が無く
高速走査に適するが素子中の超音波伝搬時間に関係して
波面収差が発生する欠点と、得られる結晶の大きさの限
界に起因する音響光学素子の直径/最大偏向角比、即ち
スポット数/走査範囲値の上限がある。この値は大まか
に5,000程度である。音響光学素子を偏向素子として用
いた走査装置は最大100,000回/秒程度の高い繰り返し
走査が可能である。
Examples of the deflecting element include an acousto-optic element, a rotary polygon mirror, and a rotary vibration plane mirror. The acousto-optic element has no mechanically movable parts and is suitable for high-speed scanning, but the defect that wavefront aberration occurs in relation to the ultrasonic wave propagation time in the element and the diameter of the acousto-optic element due to the limit of the size of the obtained crystal / Maximum deflection angle ratio, that is, the upper limit of the number of spots / scanning range value. This value is roughly 5,000. A scanning device using an acousto-optic element as a deflection element can perform high repetitive scanning at a maximum of 100,000 times / sec.

回転多面鏡、回転振動平面鏡を偏向手段とする時には
その回転機構としてモータまたはガルバーを用いるので
必然的に回転部に軸受を有する。この軸受部の誤差によ
ってf−θレンズへの入射光は走査方向への偏角だけで
なく、これと直行する成分の偏向、即ちサジタルを生ず
る。ためにこの方式を用いて高精度の走査を実現する場
合においては、サジタル検出手段例えば検出光学系と、
サジタル補正の手段例えば電気光学素子を必要とする。
回転多面鏡、回転振動多面鏡を用いた走査機構における
スポット数/走査範囲値は約5,000である。回転多面鏡
とモータ、回転振動平面鏡とガルバーを偏向素子として
用いた走査装置では最大200回/秒程度の繰り返し走査
が得られる。
When a rotary polygon mirror or a rotary oscillating plane mirror is used as the deflecting means, a motor or a gull bar is used as its rotating mechanism, so that the rotating portion necessarily has a bearing. Due to the error of the bearing portion, the incident light on the f-θ lens causes not only the deflection angle in the scanning direction but also the deflection of a component orthogonal to this, that is, sagittal. In order to realize high-precision scanning using this method, a sagittal detection unit, for example, a detection optical system,
Sagittal correction means such as electro-optical elements are required.
The number of spots / scan range value in a scanning mechanism using a rotary polygon mirror and a rotary vibration polygon mirror is about 5,000. A scanning device using a rotary polygon mirror and a motor, a rotary vibration plane mirror and a galver as a deflection element can obtain repetitive scanning at a maximum of about 200 times / sec.

この様に第2図に示した装置では光学系が簡素であ
り、低速度広範囲高精度走査に適するが、高速度走査に
は適さない。これに対して、第3図に示した装置では高
速度少範囲走査に適し、広範囲高精度走査には適さな
い。
As described above, the apparatus shown in FIG. 2 has a simple optical system and is suitable for low-speed wide-range and high-precision scanning, but is not suitable for high-speed scanning. On the other hand, the apparatus shown in FIG. 3 is suitable for high speed small range scanning, but is not suitable for wide range high precision scanning.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明においては、高速度かつ広範囲の走査機能を有
する装置を提案する。本発明においては光学系を音叉又
はカンチレバー等の振動体の先端部に配置し、該振動体
を励振することによって光学系の焦点を移動せしめるこ
とによって走査を行う。該光学系は振動体から離れた位
置に固定された光学系と平行光線にて結合されている。
結合は例えば両光学系が同軸であって音叉先端の光学系
は光軸に沿って移動する構成、または固定光学系の入射
又は射出光束系が充分大きく、音叉先端部の光学系の射
出又は入射瞳が小さくて音叉先端部の光学系は光軸と直
行方向に移動する構成などで行われる。
In the present invention, an apparatus having a high speed and a wide range scanning function is proposed. In the present invention, an optical system is arranged at the tip of a vibrating body such as a tuning fork or a cantilever, and the focus of the optical system is moved by exciting the vibrating body to perform scanning. The optical system is coupled by parallel rays to an optical system fixed at a position apart from the vibrating body.
The coupling is, for example, a configuration in which both optical systems are coaxial and the optical system at the tip of the tuning fork moves along the optical axis, or the incident or outgoing light beam system of the fixed optical system is sufficiently large so that the optical system at the tip of the tuning fork exits or enters. The optical system at the tip of the tuning fork with a small pupil moves in a direction orthogonal to the optical axis.

〔実施例〕〔Example〕

以下図面に基づいて説明する。第1図は本発明の実施
例における光走査装置を示す。この装置は物体の光学的
濃度又は反射率分布を測定するための物であり、第1図
(a)は上面図、同図(b)は正面図である。
This will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an optical scanning device according to an embodiment of the present invention. This device is for measuring the optical density or reflectance distribution of an object. FIG. 1 (a) is a top view and FIG. 1 (b) is a front view.

第1図において音叉23の先端部24には結像のための対
物レンズ25と反射プリズム26、変位測定のためのレトロ
プリズム27が取り付けてある。反射プリズム26は音叉の
先端部24の振動方向と測定光学系32の光軸34を一致させ
るための物である。音叉近傍には光源270、コンデンサ
レンズ28、ビーム・スプリッター29、集光レンズ30、光
検出器31等から構成される測定光学系32が配置されてお
り、測定光学系32の開口部と音叉先端の反射プリズム26
は相対しており、測定光学系32よりの光は反射プリズム
26、対物レンズ25によって物体33の表面に集光する。物
体33よりの反射光は前述の光路を逆に辿り、測定光学系
32に再入射し、ビーム・スプリッター29、集光レンズ30
によって光検出器31に導かれる。測定光学系32と音叉先
端の対物レンズ25との間の光束は平行光線であってその
光軸34に沿った光路長が変化しても結像に影響しない。
In FIG. 1, an objective lens 25 for image formation, a reflection prism 26, and a retro prism 27 for displacement measurement are attached to the tip 24 of the tuning fork 23. The reflection prism 26 is for matching the vibration direction of the tip portion 24 of the tuning fork with the optical axis 34 of the measurement optical system 32. A measurement optical system 32 including a light source 270, a condenser lens 28, a beam splitter 29, a condenser lens 30, and a photodetector 31 is arranged near the tuning fork. The opening of the measurement optical system 32 and the tip of the tuning fork are arranged. The reflection prism 26
Are facing each other, and the light from the measurement optical system 32 is a reflection prism.
26, The light is focused on the surface of the object 33 by the objective lens 25. The reflected light from the object 33 follows the above-mentioned optical path in reverse, and the measurement optical system
Re-incident on 32, beam splitter 29, condenser lens 30
Is guided to the photodetector 31 by. The light beam between the measurement optical system 32 and the objective lens 25 at the tip of the tuning fork is a parallel light beam and does not affect the image formation even if the optical path length along the optical axis 34 changes.

音叉23が駆動コイル35によって励振されると、音叉先
端の対物レンズ25及び反射プリズム26は光束の光軸34に
沿って往復動し、物体33はその表面が音叉24先端の振動
方向と平行になるように置かれている結果、対物レンズ
25の焦点36は物体33の表面を走査する。ヨーク38は音叉
23の一部と閉磁気回路を形成するための物であって音叉
23の基部とともに定盤に固定されている。
When the tuning fork 23 is excited by the drive coil 35, the objective lens 25 and the reflection prism 26 at the tip of the tuning fork reciprocate along the optical axis 34 of the light flux, and the surface of the object 33 becomes parallel to the vibration direction of the tip of the tuning fork 24. As a result, the objective lens
The focus 36 of 25 scans the surface of the object 33. York 38 is a tuning fork
A part of 23 and a tuning fork to form a closed magnetic circuit.
It is fixed to the surface plate with 23 bases.

レトロプリズム27は音叉23の先端部の側面に備えられ
ており、マイケルソン干渉計37によって音叉23の先端振
幅を測定するための物である。
The retro prism 27 is provided on the side surface of the tip of the tuning fork 23, and is for measuring the tip amplitude of the tuning fork 23 by the Michelson interferometer 37.

第4図は第1図に示した装置を制御する回路のブロッ
ク図である。第4図において音叉は発振器39の信号に基
づいて増幅器40、駆動コイル41にて励振される。音叉の
振動変位は干渉計42にて光学的に測定され測定波長の1/
4変位量毎にパルス43を出力する。計数回路44は該パル
ス43を加算又は減算計数するが、計数値はある位置を原
点とし干渉計42の波長で定まる単位変位量にて測定した
値に相当する。該計数値はD/A変換回路45によってアナ
ログ量に変換されてオシロスコープ46の水平軸入力端子
に接続される。又物体の反射光量を測定する光検出器47
の出力はオシロスコープ46の垂直軸入力端子に接続され
る結果、オシロスコープ46上には水平軸に走査位置、垂
直軸には反射光量を表わす図表が表示できる。本装置で
は水平位置の分解能は干渉計に用いる光の波長の1/4程
度、0.3μが達成できる。
FIG. 4 is a block diagram of a circuit for controlling the device shown in FIG. In FIG. 4, the tuning fork is excited by the amplifier 40 and the drive coil 41 based on the signal of the oscillator 39. The vibration displacement of the tuning fork is optically measured by the interferometer 42 and is 1/1 of the measurement wavelength.
A pulse 43 is output every 4 displacements. The counting circuit 44 adds or subtracts the pulse 43, and the counted value corresponds to a value measured with a unit displacement amount determined by the wavelength of the interferometer 42 with a certain position as the origin. The count value is converted into an analog quantity by the D / A conversion circuit 45 and connected to the horizontal axis input terminal of the oscilloscope 46. A photodetector 47 that measures the amount of light reflected from the object
The output of is connected to the vertical axis input terminal of the oscilloscope 46, and as a result, a chart showing the scanning position on the horizontal axis and the reflected light amount on the vertical axis can be displayed on the oscilloscope 46. In this device, the resolution of the horizontal position can reach 0.3μ, which is about 1/4 of the wavelength of the light used for the interferometer.

第5図は本発明の実施例を示し、半導体製造工程に使
用するウエーハ又はレチクル等に変調された光線を走査
し潜像等を直接に描画する装置に関するものである。第
5図において、光源470を発した光は音響光学素子48に
よって変調され、第1の対物レンズ49、ピンホール50、
コリメータレンズ51、ビーム・スプリッター52、反射プ
リズム53、を経て第2の対物レンズ54によって物体55上
に集光される。物体55は例えばウエーハ、レチクル等で
ある。反射プリズム53と第2の対物レンズ54は音叉56の
先端部に固定されている。第5図において、便宜上物体
55の表面について紙面と平行な軸をX軸、紙面と垂直な
方向をY軸と呼ぶことにする。本実施例においては音叉
56の2つの先端は矢印57、58に示す如くX軸方向に振動
する結果、第2の対物レンズ54の焦点は物体55の表面を
矢印57のX軸方向に走査する。物体55は移動載物台59に
載せられて、物体55はY軸方向に移動される。音叉56と
移動載物台59は定盤62に固定されているので第2の対物
レンズ54の焦点は物体55表面においてラスター軌跡を描
く。
FIG. 5 shows an embodiment of the present invention, and relates to an apparatus for scanning a modulated light beam on a wafer or reticle used in a semiconductor manufacturing process to directly draw a latent image or the like. In FIG. 5, the light emitted from the light source 470 is modulated by the acousto-optic device 48, and the first objective lens 49, the pinhole 50,
The light is focused on the object 55 by the second objective lens 54 via the collimator lens 51, the beam splitter 52, and the reflecting prism 53. The object 55 is, for example, a wafer, a reticle, or the like. The reflecting prism 53 and the second objective lens 54 are fixed to the tip of the tuning fork 56. In FIG. 5, for convenience, the object
An axis parallel to the paper surface of the surface of 55 is called an X axis, and a direction perpendicular to the paper surface is called a Y axis. In this embodiment, the tuning fork
The two tips of 56 vibrate in the X-axis direction as shown by arrows 57 and 58, so that the focus of the second objective lens 54 scans the surface of the object 55 in the X-axis direction of arrow 57. The object 55 is placed on the movable stage 59, and the object 55 is moved in the Y-axis direction. Since the tuning fork 56 and the movable stage 59 are fixed to the surface plate 62, the focus of the second objective lens 54 draws a raster locus on the surface of the object 55.

音響光学素子48は制御回路の出力によって光源470の
光の透過光量を制御する機能を有する。制御回路は音叉
56の振動、Yステージ60の送りを制御する機能を有す
る。
The acousto-optic element 48 has a function of controlling the amount of transmitted light of the light source 470 according to the output of the control circuit. The control circuit is a tuning fork
It has a function of controlling the vibration of 56 and the feed of the Y stage 60.

光学干渉式位置検出器63は音叉56の先端部に取り付け
られた第1のレトロプリズム64、定盤62に取り付けられ
た第2のレトロプリズム65、載物台67の物体55近傍に取
り付けられた第3のレトロリズム66を経由した光路によ
って、載物台67と第2の対物レンズ54の取り付けられた
音叉56の先端部のX軸に沿った相対位置を検出するため
の物で有って、該相対位置は物体55上における第2の対
物レンズ焦点のX座標に等しい。第5図において61はX
軸ステージ、68は音叉上の反射プリズム53及び第2の対
物レンズ54に対して音叉の他の枝の先端部に取り付けら
れた平衡用重り、69は音叉駆動のための磁路を形成する
ヨーク、及びコイルであり、70は物体55の観察及び焦点
合わせのためのテレビカメラ、71は露光量を測定するた
めの光検出器である。
The optical interference type position detector 63 is attached to a first retro prism 64 attached to the tip of the tuning fork 56, a second retro prism 65 attached to the surface plate 62, and an object 55 near a stage 67. It is an object for detecting the relative position along the X-axis of the tip of the tuning fork 56 to which the stage 67 and the second objective lens 54 are attached by the optical path passing through the third retrorhythm 66. , The relative position is equal to the X coordinate of the second objective lens focus on the object 55. In FIG. 5, 61 is X
An axis stage, 68 is a balance weight attached to the reflection prism 53 on the tuning fork and the other end of the tuning fork with respect to the second objective lens 54, and 69 is a yoke forming a magnetic path for driving the tuning fork. , And a coil, 70 is a television camera for observing and focusing the object 55, and 71 is a photodetector for measuring the exposure amount.

第6図は第5図に示した装置の制御回路を示すブロッ
ク図である。第6図において先ず水晶発信器700より発
せられた基準信号は可変分周器710にて計数される。コ
ンパレータ72は該計数値をコンピュータ(CPU)75の出
力と比較し該計数値がコンピュータ(CPU)75の出力よ
り例えば小なる期間正のパルスを発生する。増幅器73は
該パルスを増幅し駆動コイル74に電流を流して音叉を吸
引し駆動する。
FIG. 6 is a block diagram showing a control circuit of the device shown in FIG. In FIG. 6, the reference signal emitted from the crystal oscillator 700 is counted by the variable frequency divider 710. The comparator 72 compares the count value with the output of the computer (CPU) 75 and generates a positive pulse for a period in which the count value is smaller than the output of the computer (CPU) 75, for example. The amplifier 73 amplifies the pulse and supplies a current to the drive coil 74 to attract and drive the tuning fork.

CPU75は音叉の振幅を測定する干渉計81、干渉縞の計
数を行い音叉の瞬時座標値を発生するアップダウン・カ
ウンタ82の出力によって音叉の振幅を測定し、コンパレ
ータ72への出力値を変える事によって駆動コイル74の音
叉吸引時間幅を変えて音叉振幅を制御する。CPU75は又
可変分周器710を制御し音叉の駆動周波数を変えること
が出来る。CPU75はアップダウン・カウンタ82と可変分
周器710の位相を比較する位相比較器76の出力によって
音叉の駆動力と音叉の振幅との位相差を知ることが出
来、音叉の駆動周波数を音叉の共振周波数に自動的に調
整する機能を有する。
The CPU 75 measures the amplitude of the tuning fork by the output of the interferometer 81 that measures the amplitude of the tuning fork, the up-down counter 82 that counts the interference fringes and generates the instantaneous coordinate value of the tuning fork, and changes the output value to the comparator 72. The tuning fork amplitude is controlled by changing the tuning fork suction time width of the drive coil 74. The CPU 75 can also control the variable frequency divider 710 to change the drive frequency of the tuning fork. The CPU 75 can know the phase difference between the driving force of the tuning fork and the amplitude of the tuning fork by the output of the phase comparator 76 that compares the phases of the up / down counter 82 and the variable frequency divider 710, and the driving frequency of the tuning fork It has the function of automatically adjusting to the resonance frequency.

CPU75はまた音叉の振動と同期してYステージ80を駆
動するPMドライバ79の送り速度を制御し第5図における
第2の対物レンズ54の焦点の物体55上の軌跡がラスター
となるように制御する。描画図形はメモリー83に電子的
手段によって記憶されており、干渉計81の発する一定変
位量毎の信号とそれをX座標値に変えるアップダウン・
カウンタ82の出力、CPU75によって発せられるY座標値
によって逐次読み出される。この画像信号と光検出器87
の信号によって制御回路88と振幅変調器85は高周波発振
器84の出力を制御し以て音響光学素子(AO素子)86の透
過光量を制御する。以上のようにして音叉はその共振周
波数近傍にて一定振幅で振動し、音叉の振動と同期して
送られるYステージによって物体上を光がラスター走査
し、光は画像メモリーの内容によって光量は制御される
結果、物体状に潜像等が描かれる。尚、Xステージ78は
PMドライバ77により駆動される。
The CPU 75 also controls the feed speed of the PM driver 79 that drives the Y stage 80 in synchronization with the vibration of the tuning fork so that the locus of the focus of the second objective lens 54 in FIG. 5 on the object 55 becomes a raster. To do. The drawing figure is stored in the memory 83 by an electronic means, and the signal generated by the interferometer 81 for each constant displacement amount and the up / down-direction for converting it into the X coordinate value.
The output of the counter 82 and the Y coordinate value issued by the CPU 75 are sequentially read. This image signal and photodetector 87
The control circuit 88 and the amplitude modulator 85 control the output of the high-frequency oscillator 84 by the signal of the above signal to control the amount of transmitted light of the acousto-optic element (AO element) 86. As described above, the tuning fork vibrates with a constant amplitude in the vicinity of its resonance frequency, and light is raster-scanned on the object by the Y stage that is sent in synchronization with the vibration of the tuning fork, and the amount of light is controlled by the contents of the image memory. As a result, a latent image or the like is drawn as an object. The X stage 78
It is driven by the PM driver 77.

第7図は第5図に示した実施例において、音叉の振幅
測定手段として光学的干渉手段に代えて、光学格子を位
置の基準として用いた場合の構成を示す。第7図におい
ては音叉とその振幅測定手段のみを図示するが、他の部
分は第5図と同様である。第7図において音叉89の先端
には光学格子90が添付されている。91は位置検出光学系
であって例えば光源92、コリメータレンズ93、ビーム・
スプリッター94、対物レンズ95、集光レンズ96、光検出
器97等より構成し、光学格子90上の微小な点の反射光を
測定する。位置検出光学系91と音叉89の基部は定盤に取
り付けられており互いに固定されている。音叉89が駆動
コイル98によって励振され音叉89の先端が振動を開始す
る光学格子90は位置検出光学系91の焦点面上を移動し、
位置検出光学系91はパルスを発生する。該パルスは音叉
89が光学格子90の間隔幅変位する毎に発生されるので、
該パルスを計数することに依って音叉先端の瞬時位置座
標が得られる。
FIG. 7 shows a configuration in which an optical grating is used as a position reference in place of the optical interference means as the tuning fork amplitude measuring means in the embodiment shown in FIG. In FIG. 7, only the tuning fork and its amplitude measuring means are shown, but other parts are the same as in FIG. In FIG. 7, an optical grating 90 is attached to the tip of the tuning fork 89. 91 is a position detection optical system, for example, a light source 92, a collimator lens 93, a beam
It is composed of a splitter 94, an objective lens 95, a condenser lens 96, a photodetector 97, etc., and measures reflected light at a minute point on the optical grating 90. The position detection optical system 91 and the base of the tuning fork 89 are attached to a surface plate and fixed to each other. The tuning fork 89 is excited by the drive coil 98, and the tip of the tuning fork 89 starts to vibrate, and the optical grating 90 moves on the focal plane of the position detecting optical system 91.
The position detection optical system 91 generates a pulse. The pulse is a tuning fork
Since 89 is generated each time the interval width of the optical grating 90 is displaced,
The instantaneous position coordinates of the tip of the tuning fork are obtained by counting the pulses.

第8図は光学格子の平面図と位置検出光学系の出力パ
ルスを示したものであり、第8図(a)の99は光学格子
の平面図、第8図(b)の100は光学格子の部分拡大
図、第8図(c)の101は位置検出光学系の出力パルス
例の波形図であって横軸は変位量、縦軸は反射光量であ
る。
FIG. 8 shows a plan view of the optical grating and output pulses of the position detecting optical system. 99 in FIG. 8 (a) is a plan view of the optical grating, and 100 in FIG. 8 (b) is the optical grating. 8C is a waveform diagram of an output pulse example of the position detecting optical system, in which the horizontal axis represents the displacement amount and the vertical axis represents the reflected light amount.

本発明の走査機構に用いる音叉又はカンチレバーは、
安定した振動体であってそのQ値は大きい。このことは
振動体を駆動する力の変動があってもその感度を著しく
小さいことを意味する。例えばQ値が1,000の振動子に
おいて、ある周期にて駆動力が変化した場合その周期に
おける振幅の変化は駆動力の変動の約0.05%である。ま
た音叉の振動は純粋な正弦波と言っても良い。正弦波に
おいて、変極点である位相が90度及び270度近傍を除い
て、微小区間では直線と見なし得て音叉振幅の位置検出
に補完を行って精度を向上させることが出来る。
The tuning fork or cantilever used in the scanning mechanism of the present invention is
It is a stable vibrating body and its Q value is large. This means that even if there is a change in the force that drives the vibrator, its sensitivity is extremely small. For example, in a vibrator having a Q value of 1,000, when the driving force changes in a certain cycle, the change in the amplitude in that cycle is about 0.05% of the fluctuation in the driving force. The vibration of the tuning fork may be called a pure sine wave. In the sine wave, the phase can be regarded as a straight line in a minute section except for the phases near the inflection points of 90 degrees and 270 degrees, and the accuracy can be improved by complementing the position detection of the tuning fork amplitude.

第9図にて本発明における補完法の実施例を説明する
と、第9図(a)の曲線102は音叉振幅と時間の関係を
表わしたものである。103は位置検出用光学格子であっ
て音叉振幅との関係を示すものである。第9図(b)は
第9図(a)の一部を拡大したものに位置検出光学系の
出力106を付加したものである。音叉振幅104は位置検出
光学系の隣合う格子間隔程度の微小区間では105に示す
如く直線、即ち等速運動と見なし107に示す様にi番目
のパルス周期T(i)とi+1番目のパルス周期T(i
+1)を等しいと仮定する。107において波線部T′
(i+1)は仮定されたパルスを表わす。補完は例えば
格子間隔をM倍にする場合、先ずパルス周期T(i)を
測定して、i+1番目のパルスの立ち上がりから数えて
T(i)/M時間経過後の音叉位置を以て格子間隔の1/M
量変位したものと見なす。2/M、3/M等はこれに準ずる。
108はT(i)を1/M分割した時点毎に発生する補完パル
ス例を示したものでM=4である(M−1個の補完パル
スが発生される)。
Explaining an embodiment of the complementing method in the present invention with reference to FIG. 9, a curve 102 in FIG. 9 (a) represents the relationship between the tuning fork amplitude and time. 103 is an optical grating for position detection, which shows the relationship with the tuning fork amplitude. FIG. 9 (b) is an enlarged view of a part of FIG. 9 (a) to which the output 106 of the position detection optical system is added. The tuning fork amplitude 104 is assumed to be a straight line as shown by 105 in a minute interval of the adjacent grating intervals of the position detection optical system, that is, it is regarded as a constant velocity motion, and as shown by 107, the i-th pulse period T (i) and the i + 1-th pulse period. T (i
+1) is assumed to be equal. The wavy line portion T'at 107
(I + 1) represents the assumed pulse. For example, when the lattice spacing is increased by M times, first, the pulse period T (i) is measured, and the number of the lattice spacing is 1 after the tuning fork position after the elapse of T (i) / M time from the rising edge of the (i + 1) th pulse. / M
Considered to have been displaced by an amount. 2 / M, 3 / M, etc. are based on this.
Reference numeral 108 shows an example of a complementary pulse generated at each time point when T (i) is divided into 1 / M, and M = 4 (M-1 complementary pulses are generated).

第10図は補完パルスの発生回路の実施例を示したブロ
ック図である。位置検出光学系の出力パルスは入力端子
109に印加される。該パルスは増幅器110によって整形さ
れ、フリップ・フロップ111、112、ゲート113、114に依
って微分される。該微分波形は第1及び第2の計数回路
115、118の初期化すると同時に初期化寸前の第1の計数
回路115の計数値をラッチ116に保持する。117は割り算
回路であってラッチ116の出力を1/Mし、第2の計数回路
118の初期値を与える。第2の計数回路118は割り算回路
117に依って与えられた値より基準パルスを減数計数
し、計数値が零の時パルスを出力すると同時に次の基準
パルスの入力に依って自らを初期化する機能を有する。
該零パルスはゲート119を介して端子120に補完パルスと
して出力される。122は基準パルス発信回路であって該
基準パルスの周期は位置検出光学系の出力パルス周期よ
りも十分小さい。
FIG. 10 is a block diagram showing an embodiment of a complementary pulse generating circuit. Output pulse of position detection optical system is input terminal
Applied to 109. The pulse is shaped by amplifier 110 and differentiated by flip-flops 111, 112 and gates 113, 114. The differential waveform has first and second counting circuits.
Simultaneously with the initialization of 115 and 118, the count value of the first counting circuit 115, which is about to be initialized, is held in the latch 116. Reference numeral 117 is a division circuit, which outputs 1 / M of the output of the latch 116 and outputs the second counting circuit.
Give an initial value of 118. The second counting circuit 118 is a division circuit
It has a function of counting down the reference pulse from the value given by 117, outputting a pulse when the count value is zero, and at the same time initializing itself by inputting the next reference pulse.
The zero pulse is output as a complementary pulse to the terminal 120 via the gate 119. Reference numeral 122 is a reference pulse transmission circuit, and the cycle of the reference pulse is sufficiently smaller than the output pulse cycle of the position detection optical system.

第11図は第10図に示した回路の各出力を示した波形図
であって、123は基準パルス、124は位置検出光学系の出
力、125、126はフリップ・フロップ110、111の出力パル
ス、127は微分波形である。128は補完パルスである。T
(i+1)がT(i)より大きいとM個目以上のパルス
129が発生されるが、これらは第2の計数回路118内で除
去される。
FIG. 11 is a waveform diagram showing each output of the circuit shown in FIG. 10, where 123 is the reference pulse, 124 is the output of the position detection optical system, and 125 and 126 are the output pulses of the flip-flops 110 and 111. , 127 are differential waveforms. 128 is a complementary pulse. T
If (i + 1) is larger than T (i), M or more pulses
129 are generated, but these are removed in the second counting circuit 118.

第5図の光学干渉計における干渉縞間隔と第7図に於
ける光学格子は補完の信号処理に関しては等価であるか
ら、どちらの場合においても本発明の補完法は有効であ
る。
Since the interference fringe spacing in the optical interferometer of FIG. 5 and the optical grating in FIG. 7 are equivalent in terms of complementary signal processing, the complementary method of the present invention is effective in both cases.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

音叉及びカンチレバーによって光学系の一部を変位さ
せる本発明の走査機構は、変位のための機構が往復運動
を行う振動体であるため以下に示す特徴を有する。
The scanning mechanism of the present invention, which displaces a part of the optical system by the tuning fork and the cantilever, has the following characteristics because the mechanism for displacement is a vibrating body that reciprocates.

(1) 往復動において軸受等の摩耗部を有せず、 (2) その先端軌跡は安定である。(1) The reciprocating motion has no wear parts such as bearings, and (2) its tip locus is stable.

(3) 往復動における運動方向逆転に際しては、減速
時に運動エネルギーは位置エネルギーとして蓄えられ、
加速時には位置エネルギーが放出されて運動エネルギー
に変わるために、加速及び減速時における外部からの供
給エネルギーは極めて小さくてよい。
(3) Kinetic energy is stored as potential energy during deceleration when reversing the movement direction in reciprocating motion.
Since potential energy is released during acceleration and converted into kinetic energy, the energy supplied from outside during acceleration and deceleration may be extremely small.

(4) 往復運動を持続するために外部から供給するエ
ネルギーは極めて小さいので、駆動機構も小型である。
(4) Since the energy supplied from the outside to sustain the reciprocating motion is extremely small, the drive mechanism is also small.

(5) 振動体が特に音叉の場合には、その2個の枝は
音叉の中心線に対して対照の変位を行うため支持部にお
けるモーメントを互いに打ち消し合うため音叉支持部か
ら、外部に漏洩する振動が極めて小さい。
(5) When the vibrating body is a tuning fork in particular, the two branches of the tuning fork perform symmetrical displacement with respect to the center line of the tuning fork, so that the moments in the supporting portion cancel each other out, so that the tuning fork supporting portion leaks to the outside. Vibration is extremely small.

(6) 振動体先端の変位はほぼ直線であるために、変
位量測定手段として光学的な干渉法が利用できるため高
い位置分解能が得られる。
(6) Since the displacement of the tip of the vibrating body is almost linear, an optical interferometry can be used as the displacement amount measuring means, so that high position resolution can be obtained.

(7) 振動のQ値が大きく、振動の安定性が良いため
に予測制御法を用いた場合にも高い予測精度が得られ
る。
(7) Since the Q value of vibration is large and the stability of vibration is good, high prediction accuracy can be obtained even when the predictive control method is used.

などの特徴がある。There are such features.

【図面の簡単な説明】 第1図(a)、(b)は本発明の光走査装置を説明する
ための上面図および正面図、第2図は従来用いられてい
る固定光学系と移動載物台による光走査装置の正面図、
第3図は従来用いられているf−θレンズと音響光学素
子による走査光学系の正面図、 第4図は第3図に示した装置の制御回路のブロック図、
第5図は本発明の光走査装置の正面図、第6図は第5図
に示した装置の制御ブロック図、第7図は本発明の装置
に用いる振幅測定手段の正面図、第8図は光学素子の平
面図及び出力パルス波形を示し、第8図(a)は光学格
子の平面図、第8図(b)は第8図(a)の部分拡大
図、第8図(c)は位置検出光学系の出力パルス波形図
であり、第9図は本発明に用いる補完法を説明するため
の光格子および波形を示し、第9図(a)は位置検出用
光学格子と音叉振幅との位置関係図、第9図(b)は第
9図(a)に位置検出光学系の出力を付加した状態の部
分拡大位置関係図であり、第10図は補完パルスの発生回
路のブロック図、第11図は補完パルス発生回路の出力波
形図である。 23……音叉、 25……対物レンズ、 37……マイケルソン干渉計。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIGS. 1 (a) and 1 (b) are a top view and a front view for explaining an optical scanning device of the present invention, and FIG. 2 is a conventional fixed optical system and a movable mount. Front view of the optical scanning device with a gantry,
FIG. 3 is a front view of a scanning optical system using an f-θ lens and an acousto-optic device that have been conventionally used, and FIG. 4 is a block diagram of a control circuit of the device shown in FIG.
FIG. 5 is a front view of the optical scanning device of the present invention, FIG. 6 is a control block diagram of the device shown in FIG. 5, and FIG. 7 is a front view of an amplitude measuring means used in the device of the present invention. Shows a plan view of an optical element and an output pulse waveform, FIG. 8 (a) is a plan view of an optical grating, FIG. 8 (b) is a partially enlarged view of FIG. 8 (a), and FIG. 8 (c). FIG. 9 is an output pulse waveform diagram of the position detection optical system, FIG. 9 shows an optical grating and waveforms for explaining the complementary method used in the present invention, and FIG. 9 (a) is an optical grating for position detection and tuning fork amplitude. FIG. 9 (b) is a partially enlarged positional relationship diagram in which the output of the position detection optical system is added to FIG. 9 (a), and FIG. 10 is a block of a complementary pulse generation circuit. FIG. 11 and FIG. 11 are output waveform diagrams of the complementary pulse generating circuit. 23 …… Tuning fork, 25 …… Objective lens, 37 …… Michelson interferometer.

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】音叉又はカンチレバー等の機械的振動子の
先端に対物レンズからなる結像手段を固定し、該結像手
段の焦点が物体若しくは光学的像面を走査するように構
成されており、その走査位置の検出は前記振動子の先端
部に固定した鏡とマイケルソン干渉計によって光学的に
行われることを特徴とする光走査装置。
1. An image forming means composed of an objective lens is fixed to the tip of a mechanical oscillator such as a tuning fork or a cantilever, and the focus of the image forming means scans an object or an optical image plane. The optical scanning device is characterized in that the scanning position is optically detected by a mirror fixed to the tip of the vibrator and a Michelson interferometer.
【請求項2】マイケルソン干渉計の光路は振動子の先端
の反射鏡及び載物台に搭載した反射鏡を含み、振動子先
端と載物台の相対位置を測定する機能を有することを特
徴とする請求項1記載の光走査装置。
2. The optical path of the Michelson interferometer includes a reflector at the tip of the oscillator and a reflector mounted on the stage, and has a function of measuring the relative position between the oscillator tip and the stage. The optical scanning device according to claim 1.
【請求項3】音叉又はカンチレバー等の機械的振動子の
先端に対物レンズからなる結像手段を固定し、該結像手
段の焦点が物体若しくは光学的像面を走査するように構
成されており、その走査位置の検出は前記振動子の先端
部に固定した光学格子から反射光又は透過光を測定する
ことにより行われることを特徴とする光走査装置。
3. An image forming means comprising an objective lens is fixed to the tip of a mechanical oscillator such as a tuning fork or a cantilever, and the focal point of the image forming means scans an object or an optical image plane. The optical scanning device is characterized in that the scanning position is detected by measuring reflected light or transmitted light from an optical grating fixed to the tip of the vibrator.
【請求項4】音叉又はカンチレバー等の機械的振動子の
先端に対物レンズからなる結像手段を固定し、該結像手
段の焦点が物体若しくは光学的像面を走査する光走査装
置において、走査位置検出手段から単位変位量毎に出力
する信号の1つの時間幅を測定し、次の信号の開始点よ
り該測定時間幅に基づいて更にその次の信号までの変位
量を予測し位置の補完制御を行う補完方式を用いたこと
を特徴とする光走査装置。
4. An optical scanning device in which an image forming means composed of an objective lens is fixed to the tip of a mechanical oscillator such as a tuning fork or a cantilever, and the focus of the image forming means scans an object or an optical image plane. One time width of the signal output from the position detecting means for each unit displacement amount is measured, and the displacement amount from the start point of the next signal to the next signal is predicted based on the measurement time width and the position is complemented. An optical scanning device characterized by using a complementary system for controlling.
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