JP2992075B2 - Light beam scanning device - Google Patents
Light beam scanning deviceInfo
- Publication number
- JP2992075B2 JP2992075B2 JP2329960A JP32996090A JP2992075B2 JP 2992075 B2 JP2992075 B2 JP 2992075B2 JP 2329960 A JP2329960 A JP 2329960A JP 32996090 A JP32996090 A JP 32996090A JP 2992075 B2 JP2992075 B2 JP 2992075B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- scanning
- scanning direction
- conversion element
- light beam
- direction conversion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ光を走査させて形状、寸法等の精密計
測を行なう際に用いる光ビームの走査装置に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light beam scanning device used for performing precise measurement of a shape, dimensions, and the like by scanning a laser beam.
〔従来の技術〕 近年の精密加工技術の進歩により、ミクロンメートル
オーダの微細なパターンが形成されるようになり、形
状、寸法等の精密計測の必要性が高まってきている。こ
の種の計測においては、測定の空間分解能を高めるため
に、微小なスポット径に集光したレーザ光を微小な走査
ステップ(例えば0.01μm)で一定範囲を走査する光ビ
ーム(レーザ光)の走査装置が必要である。走査装置を
構成するには光ビームの走査を制御する走査素子が必要
であるが、従来最も良く用いられる走査素子は、音響光
学偏向素子、ガルバノミラー、ポリゴンミラー等であ
る。光ビームを1次元的に走査する場合は、1個の走査
素子と各種のレンズと組み合せた構成の走査装置が用い
られている。更に、光ビームを2次元的に走査する場合
は、2個の走査素子と各種のレンズを組み合せた構成の
走査装置が用いられている。例えば、2個の音響光学偏
向素子を組み合せた走査装置は「レーザ研究」第15巻第
8号P636に報告され、1個の音響光学偏向素子と1個の
ガルバノミラーを組み合せた走査装置はレーザテック社
の製品1LM11型として実用化されている。[Prior Art] With the recent advance in precision processing technology, fine patterns on the order of microns have been formed, and the need for precise measurement of shapes, dimensions, and the like has increased. In this type of measurement, in order to increase the spatial resolution of the measurement, scanning of a light beam (laser light) that scans a predetermined range with a laser beam condensed to a minute spot diameter in a minute scanning step (for example, 0.01 μm). Equipment is required. A scanning device for controlling the scanning of a light beam is required to constitute a scanning device. Conventionally, the most commonly used scanning devices include an acousto-optic deflecting device, a galvanometer mirror, and a polygon mirror. When scanning a light beam one-dimensionally, a scanning device having a configuration in which one scanning element and various lenses are combined is used. Further, when scanning a light beam two-dimensionally, a scanning device having a configuration in which two scanning elements and various lenses are combined is used. For example, a scanning device combining two acousto-optic deflecting elements is reported in “Laser Research” Vol. 15, No. 8, page P636. A scanning device combining one acousto-optic deflecting element and one galvanomirror is a laser. It has been put into practical use as a Tech 1LM11 model.
従来の2次元的、1次元的な光ビーム走査装置では、
走査の方向及び走査の範囲は予め設定されている。例え
ば2次元走査においては、2つの走査素子の走査方向は
互いに直交(X、Y軸)するように配置し、一般にはラ
スター走査を行なわせている。また、1次元走査におい
ても、走査素子の走査方向(X軸)は、初期の設定され
た方向だけしか行なえず、走査方向を変換することがで
きない。2次元走査においては、X軸、Y軸の走査方向
を変換するには、X軸、Y軸を同時に駆動すれば可能で
あるが、このとき同時に駆動するための駆動信号が複雑
になり、実際には任意の方向への走査方向の変換は困難
である。更には、走査すべき範囲についても、走査特性
が一様な範囲しか走査できない。本発明は上述の課題を
解消して、簡単な機構で走査方向が自由に変換できる光
ビームの走査装置を提供するものである。In a conventional two-dimensional or one-dimensional light beam scanning device,
The scanning direction and the scanning range are set in advance. For example, in two-dimensional scanning, the scanning directions of two scanning elements are arranged so as to be orthogonal to each other (X and Y axes), and raster scanning is generally performed. Also, in one-dimensional scanning, the scanning direction (X-axis) of the scanning element can be performed only in the initially set direction, and the scanning direction cannot be changed. In the two-dimensional scanning, it is possible to change the X-axis and Y-axis scanning directions by simultaneously driving the X-axis and the Y-axis. Therefore, it is difficult to convert the scanning direction to an arbitrary direction. Furthermore, also in the range to be scanned, only the range in which the scanning characteristics are uniform can be scanned. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a light beam scanning device capable of freely changing the scanning direction with a simple mechanism.
上記の目的を達するために本発明は以下に示す手段か
ら成る。To achieve the above object, the present invention comprises the following means.
レーザ光源から対物レンズに至るまでの光路中に、走
査範囲、走査分解能の異なる第1および第2の少なくと
も2種類の走査素子を含む走査光学系と、入射面と出射
面の間に反射面を有する構成の走査方向変換素子を設け
ると共に、前記第1と第2の走査素子を駆動する走査制
御部と、前記走査方向変換素子を回転する回転制御部を
設け、前記走査制御部により、前記第1の走査素子は走
査方向変換素子の入射面内の第1の領域を走査せしめ、
前記第2の走査素子は走査方向変換素子の入射面内で、
前記第1の領域の内部にあり、走査範囲の狭い第2の領
域を走査せしめ、前記第1の領域あるいは第2の領域を
走査される光ビームを前記走査方向変換素子に入射せし
め、前記回転制御部により、前記走査方向変換素子の入
射面、出射面を光軸に垂直に保った状態で、前記回転制
御部により、前記走査方向変換素子を光軸に平行な軸を
回転軸にして回転せしめ、出射面から出射する光ビーム
の走査方向を変換するものである。A scanning optical system including first and second at least two types of scanning elements having different scanning ranges and different scanning resolutions in an optical path from a laser light source to an objective lens, and a reflecting surface between an incident surface and an emitting surface. A scanning control unit for driving the first and second scanning elements, and a rotation control unit for rotating the scanning direction conversion element are provided. The first scanning element scans a first area in the incident surface of the scanning direction conversion element,
The second scanning element is located within the plane of incidence of the scanning direction conversion element,
Scanning a second area within the first area and having a narrow scanning range, and causing a light beam scanned in the first area or the second area to enter the scanning direction conversion element; The control unit rotates the scanning direction conversion element with the axis parallel to the optical axis as the rotation axis while the incident surface and the emission surface of the scanning direction conversion element are kept perpendicular to the optical axis. In other words, the scanning direction of the light beam emitted from the emission surface is changed.
このとき走査方向変換素子は、頂角が60゜の正三角形
プリズムと頂角が30゜及び60゜の直角プリズムを互いに
重ね合せた構成となし、正三角形プリズムの一方の面を
光軸に対して垂直に設定して入射面となし、直角プリズ
ムの一方の面を光軸に対して垂直に設定して出射面とな
すと共に、他方の面を光軸に対して平行に設定して反射
面とするものである。At this time, the scanning direction conversion element has a configuration in which an equilateral triangular prism having an apex angle of 60 ° and a right angle prism having an apex angle of 30 ° and 60 ° are overlapped with each other, and one surface of the equilateral triangular prism is positioned with respect to the optical axis. The vertical surface is set to be the entrance surface, one surface of the right-angle prism is set to be perpendicular to the optical axis to be the exit surface, and the other surface is set to be parallel to the optical axis to be the reflective surface. It is assumed that.
レーザ光源から対物レンズに至るまでの光路中に走査
範囲、走査分解能の異なる2種類の光ビーム走査素子を
設ける。第1の走査素子は走査角度が大きく、走査分解
能が比較的に粗い走査特性を有し、比較的広い範囲を粗
いステップで2次元又は1次元的に走査する。この走査
はプリスキャン的動作であり、被測定物の大まかな形状
等を測定するもので、精密に測定すべき部分の測定位置
を決定するものである。第2の走査素子は走査角度が小
さく、走査分解能の高い走査特性を有し、上記の第1の
走査素子による走査範囲よりも狭い範囲を2次元又は1
次元的に走査する。この走査は精密な走査であり、粗い
走査により決定された測定位置において、精密な走査を
行ない、寸法、形状等を測定する。このとき、第1と第
2の走査素子は互いに一方だけを動作させるもので、ど
ちらか一方の走査素子が走査動作を行なっているとき
は、他方の走査素子の走査動作を停止させておく。この
とき、第1と第2の走査素子によって走査される光ビー
ムの方向は予め設定された方向(X軸又はY軸)である
ため、走査方向変換素子により走査方向を自由に変換す
る。走査方向変換素子は、1個の正三角形プリズムと1
個の直角プリズムを重ね合せた構造で、正三角形プリズ
ムの一つの面に入射した光ビームを直角プリズムの底面
で反射させ、プリズム内部でV字型の反射経路をとら
せ、同じく直角プリズムの他の面から出射させる。この
とき前記の直角プリズム底面を光軸に垂直な面内で回転
させると、回転角の2倍の角度だけ走査方向を変換する
ことができ、X軸、Y軸以外の任意の軸方向へ光ビーム
を走査することが可能で、一般にX、Y軸以外の軸方向
へも形成されている部材上で直交した方向への光ビーム
の走査が可能となる。Two types of light beam scanning elements having different scanning ranges and different scanning resolutions are provided in the optical path from the laser light source to the objective lens. The first scanning element has a large scanning angle and relatively low scanning resolution, and scans a relatively wide range two-dimensionally or one-dimensionally in coarse steps. This scan is a prescan-like operation for measuring a rough shape or the like of an object to be measured, and for determining a measurement position of a portion to be precisely measured. The second scanning element has a small scanning angle and high scanning resolution, and has a two-dimensional or one-dimensional range smaller than the scanning range of the first scanning element.
Scans dimensionally. This scan is a precise scan, and a precise scan is performed at the measurement position determined by the coarse scan to measure the size, shape, and the like. At this time, only one of the first and second scanning elements is operated, and when one of the scanning elements is performing the scanning operation, the scanning operation of the other scanning element is stopped. At this time, since the direction of the light beam scanned by the first and second scanning elements is a preset direction (X axis or Y axis), the scanning direction can be freely changed by the scanning direction conversion element. The scanning direction conversion element includes one regular triangular prism and one
A light beam incident on one surface of an equilateral triangular prism is reflected by the bottom surface of the right angle prism, and a V-shaped reflection path is taken inside the prism. Out of the surface. At this time, if the bottom surface of the right-angle prism is rotated in a plane perpendicular to the optical axis, the scanning direction can be changed by an angle twice as large as the rotation angle. The beam can be scanned, and the light beam can be scanned in a direction orthogonal to a member generally formed also in an axial direction other than the X and Y axes.
以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。第1
図は本発明の動作を説明するためのブロック図である。
10はレーザ光源で、例えばHe−Neレーザ管、あるいは半
導体レーザから成り、レーザ光100を放射する。11及び1
2は第1の走査素子で、例えばガルバノミラーから成
り、走査角度が大きく、走査分解能があまり高くない走
査特性を有する。第1の走査素子の一方の11はX軸方
向、第1の走査素子の他方の12はY軸方向へ走査を行な
い、合わせてX−Y面を2次元的にラスター走査を行な
う。13は第2の走査素子で、例えば音響光学偏向素子か
ら成り、走査角度は小さく、走査分解能が高い走査特性
を有し、例えば、X軸方向に走査を行なう。この第2の
走査素子13による走査は、第1の走査素子11、12による
走査領域の内側にあり、狭い範囲を走査する。なお走査
素子の並び方は第1図以外の並び方でもよく、走査素子
の数についても第1の走査素子が1個、第2の走査素子
が2個でもよい。105はビームスプリッターで、第1と
第2の走査素子によって走査される光ビームの大部分を
透過させる。110は走査光学系で、第1と第2の走査素
子11、12、13とビームスプリッター105及び図示してい
ないが他の多くのレンズ類から構成され、レーザ光100
のビーム形状の変換及び走査の幅を設定する。14は走査
制御部で、第1の走査素子11、12を駆動する第1の走査
制御部120及び第2の走査素子13を駆動する第2の走査
制御部130から構成される。このとき、第1の走査制御
部120からは2チャンネルの駆動信号122、124を出力す
る。信号122は電圧が連続的に変化するランプ波信号で
第1の走査素子11の走査角度を連続的に変化させる。信
号124は電圧がステップ状に変化するステップ電圧信号
で、信号122の周期に同期させて電圧を変化させ、第1
の走査素子12の走査角度をステップ的に変化させる。第
2の走査制御部130からは1チャンネルの駆動信号132が
出力される。信号132は信号122と同じくランプ波電圧信
号で、第2の走査素子13の走査角度を連続的に変化させ
る。以上の走査駆動信号において、第1の走査制御部12
0が走査動作を行なっているときは第2の走査制御部130
は走査動作を停止させておくというように、互いにいず
れか一方のみを走査状態にする。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First
The figure is a block diagram for explaining the operation of the present invention.
Reference numeral 10 denotes a laser light source, which is composed of, for example, a He-Ne laser tube or a semiconductor laser, and emits laser light 100. 11 and 1
Reference numeral 2 denotes a first scanning element, which is formed of, for example, a galvanometer mirror, has a large scanning angle, and has a scanning characteristic that the scanning resolution is not so high. One 11 of the first scanning elements scans in the X-axis direction, and the other 12 of the first scanning elements scans in the Y-axis direction, and performs two-dimensional raster scanning on the XY plane. Reference numeral 13 denotes a second scanning element, which comprises, for example, an acousto-optic deflecting element, has a small scanning angle and high scanning resolution, and performs scanning in the X-axis direction, for example. The scanning by the second scanning element 13 is inside the scanning area by the first scanning elements 11 and 12, and scans a narrow range. The arrangement of the scanning elements may be other than that shown in FIG. 1, and the number of the scanning elements may be one for the first scanning element and two for the second scanning element. A beam splitter 105 transmits most of the light beam scanned by the first and second scanning elements. A scanning optical system 110 includes first and second scanning elements 11, 12, and 13, a beam splitter 105, and many other lenses (not shown).
Of the beam shape conversion and the scanning width are set. Reference numeral 14 denotes a scanning controller, which includes a first scanning controller 120 for driving the first scanning elements 11 and 12 and a second scanning controller 130 for driving the second scanning element 13. At this time, the first scanning control unit 120 outputs drive signals 122 and 124 of two channels. The signal 122 is a ramp signal whose voltage continuously changes, and continuously changes the scanning angle of the first scanning element 11. The signal 124 is a step voltage signal in which the voltage changes stepwise, and changes the voltage in synchronization with the cycle of the signal 122.
The scanning angle of the scanning element 12 is changed stepwise. The second scan control unit 130 outputs a drive signal 132 for one channel. The signal 132 is a ramp voltage signal like the signal 122, and continuously changes the scanning angle of the second scanning element 13. In the above scanning drive signal, the first scanning control unit 12
When 0 is performing the scanning operation, the second scanning control unit 130
Causes only one of them to be in a scanning state, such that the scanning operation is stopped.
15は走査方向変換素子で、その形状、動作については
後で詳しく述べるが、回転制御部16から発せられる制御
信号162により、走査方向変換素子15を光軸107を中心と
してその回りに一定角度だけ回転させる。走査光学系11
0により2次元又は1次元的に走査される光ビームが走
査方向変換素子15の入射面150に入射すると、出射面152
から出射する光ビームの走査方向は、走査方向変換素子
15の回転する角度の2倍の角度だけ回転させられる。こ
の走査方向が変換された光ビームは対物レンズ17に入射
し、微少なスポット径に集光されて、被測定物18の面上
で任意の方向に走査される。被測定物18で反射された光
ビームは対物レンズ17、走査方向変換素子15を透過し、
ビームスプリッター105で反射されて受光器170で検出さ
れる。受光器170で検出された反射光の光強度は光電変
換され、データ処理部180にて形状、寸法等の各種の計
測のための演算処理が行なわれる。Reference numeral 15 denotes a scanning direction conversion element, the shape and operation of which will be described later in detail, but the control signal 162 emitted from the rotation control unit 16 causes the scanning direction conversion element 15 to move around the optical axis 107 by a predetermined angle. Rotate. Scanning optical system 11
When a light beam scanned two-dimensionally or one-dimensionally by 0 enters the incident surface 150 of the scanning direction conversion element 15, the light exiting surface 152
The scanning direction of the light beam emitted from the scanning direction conversion element
It is rotated by twice the angle of 15 rotations. The light beam whose scanning direction has been changed enters the objective lens 17, is condensed to a minute spot diameter, and is scanned in an arbitrary direction on the surface of the device under test 18. The light beam reflected by the DUT 18 passes through the objective lens 17 and the scanning direction conversion element 15,
The light is reflected by the beam splitter 105 and detected by the light receiver 170. The light intensity of the reflected light detected by the light receiver 170 is photoelectrically converted, and the data processing unit 180 performs arithmetic processing for various measurements such as shape and size.
第2図に走査方向変換素子15の具体的な構成例を示
す。FIG. 2 shows a specific configuration example of the scanning direction conversion element 15.
20は頂角60゜の正三角形プリズム、21は頂角30゜、60
゜の直角プリズムで、以上の2つのプリズム20、21を図
のように重ね合せて走査方向変換素子15を構成する。正
三角形プリズム20の面200は光ビームの入射面で、光ビ
ームの進行方向Z(光軸)に対して垂直面に設定する。
直角三角形21の面210は光ビームの出射面で、入射面200
と同じく、光軸に対して垂直面に設定する。入射面200
と出射面210を光軸に対してし垂直に設定するのは、入
射する光ビームが発散光あるいは収束光の場合に、非点
収差によるビーム形状の変形を防止するためである。直
角プリズム21の底面220は反射面で、光軸に平行な面で
ある。入射面200に入射した光ビーム230は入射面を透過
し、正三角形プリズム20の他方の面240で反射し、反射
面220で反射され、再び直角プリズム21の他方の面250で
反射されて、出射面210から入射光230と平行な光路で出
射光260として出射する。このとき入射から出射までは
図示の如きV形の経路となる。入射光230に対する出射
光260のY軸方向への光軸高さは、入射光230の反射面22
0からの光軸高さ方向の位置によって定まり、入射光の
Y軸方向への光軸高さ位置の変化の2倍の変化で、出射
光260の光軸高さ位置が変化する。このとき、X軸方向
に入射光230の入射位置が変化しても、出射光260のX軸
方向及びY軸方向への出射位置は変化しない。20 is a regular triangular prism with a vertical angle of 60 °, 21 is a vertical angle of 30 °, 60
The scanning direction conversion element 15 is formed by superposing the two prisms 20 and 21 as shown in FIG. The surface 200 of the equilateral triangular prism 20 is a light beam incident surface, and is set to be a surface perpendicular to the traveling direction Z (optical axis) of the light beam.
The surface 210 of the right triangle 21 is the exit surface of the light beam and the entrance surface 200
Similarly to the above, it is set on a plane perpendicular to the optical axis. Incident surface 200
Is set perpendicular to the optical axis in order to prevent deformation of the beam shape due to astigmatism when the incident light beam is divergent light or convergent light. The bottom surface 220 of the right-angle prism 21 is a reflection surface, which is a surface parallel to the optical axis. The light beam 230 incident on the incident surface 200 is transmitted through the incident surface, reflected on the other surface 240 of the equilateral triangular prism 20, reflected on the reflecting surface 220, and reflected again on the other surface 250 of the right-angle prism 21. The light exits from the exit surface 210 as an exit light 260 on an optical path parallel to the incident light 230. At this time, the path from the incidence to the emission is a V-shaped path as shown. The optical axis height of the outgoing light 260 in the Y-axis direction with respect to the incident light 230 is equal to the reflection surface 22 of the incident light 230.
It is determined by the position in the optical axis height direction from 0, and the optical axis height position of the outgoing light 260 changes with twice the change in the optical axis height position of the incident light in the Y axis direction. At this time, even if the incident position of the incident light 230 changes in the X-axis direction, the output positions of the output light 260 in the X-axis direction and the Y-axis direction do not change.
第3図(イ)、(ロ)に走査方向変換素子15の入射面
内での走査ビームの走査領域を示す。30は正三角形プリ
ズム20の入射面200を入射方向から見たときの図で正方
形の断面形状を有する。第3図(イ)の領域31は第1の
走査素子11、12によって走査される2次元領域で第1の
領域と呼ぶ。この第1の領域31は前述の如く、広い範囲
で、粗い走査である。第3図(ロ)の領域32は第2の走
査素子13によって走査される1次元領域で、第2の領域
と呼ぶ。第2の領域32は第1の領域31の内部にあり、よ
り狭い範囲を精密に走査する。FIGS. 3A and 3B show the scanning area of the scanning beam on the incident surface of the scanning direction conversion element 15. FIG. Reference numeral 30 denotes a diagram when the incident surface 200 of the regular triangular prism 20 is viewed from the incident direction, and has a square cross-sectional shape. An area 31 in FIG. 3A is a two-dimensional area scanned by the first scanning elements 11 and 12, and is called a first area. As described above, this first area 31 is a rough scan in a wide range. The area 32 in FIG. 3B is a one-dimensional area scanned by the second scanning element 13 and is called a second area. The second area 32 is inside the first area 31 and precisely scans a smaller area.
以上示したように、第1及び第2の領域31、32では走
査ビームはX軸あるいはY軸方向のみに走査され、それ
以外の軸方向への走査は行なわれない。As described above, in the first and second regions 31 and 32, the scanning beam is scanned only in the X-axis or Y-axis direction, and scanning in the other axis directions is not performed.
次に、走査方向変換素子15による走査方向変換動作に
ついて説明する。Next, the scanning direction conversion operation by the scanning direction conversion element 15 will be described.
第4図(イ)は入射面200の面上での走査方向を説明
する図で、αは入射面上で右向きにX軸方向への走査、
βは入射面上で下向きにY軸方向への走査を表わすもの
である。第4図(ロ)の(a)〜(h)は直角プリズム
21の反射面220を回転させたときの反射面220の位置及び
出射する光ビームの走査方向を示す図で、入射面側から
見たときの図である。第2図に示した走査方向変換素子
15において、反射面220はX軸方向の面内にあり、この
走査方向変換素子15の全体を光軸のまわりの垂直な面内
で回転させることによって、反射面220を回転させる。
このとき反射面200は常に光軸に対して平行に保つ。FIG. 4 (a) is a view for explaining the scanning direction on the plane of the incident surface 200, where α is scanning rightward on the incident surface in the X-axis direction,
β represents the downward scanning in the Y-axis direction on the incident surface. (A) to (h) of FIG.
FIG. 14 is a diagram showing the position of the reflecting surface 220 when the reflecting surface 220 of FIG. 21 is rotated and the scanning direction of the emitted light beam when viewed from the incident surface side. Scanning direction conversion element shown in FIG.
In 15, the reflecting surface 220 is in a plane in the X-axis direction, and by rotating the entire scanning direction conversion element 15 in a plane perpendicular to the optical axis, the reflecting surface 220 is rotated.
At this time, the reflection surface 200 is always kept parallel to the optical axis.
第4図(ロ)の(a)は回転角度θが0゜で基準状
態、(b)はθ=45゜、(c)はθ=90゜、(d)はθ
=135゜、(e)はθ=180゜、(f)はθ=225゜、
(g)はθ=270゜、(h)はθ=315゜の状態で、次の
(a)状態で1回転となる。(A) of FIG. 4 (b) is a reference state where the rotation angle θ is 0 °, (b) is θ = 45 °, (c) is θ = 90 °, and (d) is θ.
= 135 °, (e) is θ = 180 °, (f) is θ = 225 °,
(G) shows a state in which θ = 270 °, and (h) shows a state in which θ = 315 °. One rotation is performed in the next state (a).
(a)の状態ではX軸方向に走査される走査ビームα
はその状態で出射し、Y軸方向に走査される走査ビーム
βは同じY軸方向であるが走査の方向が反転して出射す
る。この走査方向をで表わすことにする。In the state (a), the scanning beam α scanned in the X-axis direction
Is emitted in that state, and the scanning beam β scanned in the Y-axis direction is emitted in the same Y-axis direction but with the scanning direction reversed. This scanning direction is represented by.
(b)の状態では入射する走査ビームαは走査方向が
90゜回転させられてY軸方向に走査される。この走査方
向をβで表わしている。また入射する走査ビームβも走
査方向が90゜回転させられてX軸方向に走査されるが、
このときはX軸の方向が反転させられている。この走査
方向をで表わす。他の角度状態でも図に示した走査方
向に変換される。以上のことから反射面220の回転角の
2倍の角度で走査方向が変換されることが分る。In the state of (b), the scanning direction of the incident scanning beam α is
It is rotated 90 ° and scanned in the Y-axis direction. This scanning direction is represented by β. The incident scanning beam β is also rotated in the scanning direction by 90 ° and scanned in the X-axis direction.
At this time, the direction of the X axis is reversed. This scanning direction is represented by. Even in other angle states, the scanning direction is converted to the scanning direction shown in the figure. From the above, it is understood that the scanning direction is converted at twice the rotation angle of the reflection surface 220.
本発明による走査方向の変換は、例えばαとという
ような同じ方向に対する向きの変換ではなく、α方向か
らβ方向へというような方位の変化を生じる変換であ
る。The conversion of the scanning direction according to the present invention is not the conversion of the direction in the same direction, for example, α, but the conversion that causes the change in the azimuth, such as from the α direction to the β direction.
以上説明した走査方向の変換動作は、従来知られてい
る像回転プリズム(ダブプリズム)でも実現可能であ
る。ダブプリズムは入射面及び出射面が垂直面から45゜
傾いた斜面であるため、発散光あるいは収束光が入射し
た場合は、非点収差によってビーム形状が楕円になると
いう欠点を有しているが、走査光学系の構成によって
は、平行光を入射させる場合も考えられ、この場合には
ダブプリズムを用いてもよいことになる。The scanning direction conversion operation described above can also be realized by a conventionally known image rotating prism (Dove prism). The Dove prism has a defect that the beam shape becomes elliptical due to astigmatism when divergent light or convergent light is incident because the entrance surface and the exit surface are inclined surfaces inclined 45 ° from the vertical surface. Depending on the configuration of the scanning optical system, parallel light may be incident. In this case, a Dove prism may be used.
第5図(イ)、(ロ)、(ハ)に走査方向が変換され
たときの走査ビームの例を示す。第4図の説明で明らか
な如く、走査方向の向き(例えばαとの関係)を考慮
しなければ±90゜の方向の回転を起こさせるには、反射
面220を±45゜だけ回転させればよいことになる。FIGS. 5A, 5B, and 5C show examples of the scanning beam when the scanning direction is changed. As is apparent from the description of FIG. 4, in order to cause rotation in the direction of ± 90 ° unless the direction of the scanning direction (for example, the relationship with α) is taken into consideration, the reflecting surface 220 must be rotated by ± 45 °. It will be good.
第5図(イ)において、線50はX軸方向に走査される
基準となる走査ビームを示す。線51はX軸に対して45゜
の傾きを有する走査ビームで、反射面220を22.5゜だけ
正方向(順方向)に回転させたときに得られる。線52は
X軸に対して−45゜の傾きを有する走査ビームで、反射
面220を22.5゜だけ負方向(逆方向)に回転させたとき
に得られる。このようにして、走査したい方向に対し
て、その半分の角度だけ反射面220を順方向、あるいは
逆方向に回転すればよい。In FIG. 5A, a line 50 indicates a reference scanning beam scanned in the X-axis direction. Line 51 is a scanning beam having an inclination of 45 ° with respect to the X axis, and is obtained when the reflecting surface 220 is rotated in the positive direction (forward direction) by 22.5 °. Line 52 is a scanning beam having an inclination of -45 ° with respect to the X axis, and is obtained when the reflecting surface 220 is rotated in the negative direction (reverse direction) by 22.5 °. In this way, the reflecting surface 220 may be rotated in the forward or reverse direction by half the angle with respect to the scanning direction.
第5図(ロ)は第1の走査素子11、12によって走査さ
れる走査ビームの走査方向を変換する場合の例である。FIG. 5B shows an example in which the scanning direction of the scanning beam scanned by the first scanning elements 11 and 12 is changed.
2次元領域500は前述の第1の領域に対応する走査範
囲で、反射面220の角度が0゜の場合に入射面200に入射
した第1の走査領域が出射面210を透過して得られる。
領域500内部の線53はX軸方向に、線54は同じくX軸方
向にラスター走査される走査ビームで、反射面220の回
転角度が0゜の場合である。The two-dimensional area 500 is a scanning range corresponding to the above-described first area. When the angle of the reflecting surface 220 is 0 °, the first scanning area incident on the incident surface 200 is obtained by transmitting through the emitting surface 210. .
A line 53 inside the region 500 is a scanning beam that is raster-scanned in the X-axis direction, and a line 54 is a scanning beam that is also raster-scanned in the X-axis direction.
線55は線53に示した走査方向が変換された場合、線56
は線54に示した走査方向が変換された場合である。いず
れの場合も領域500のX軸の中央位置を中心として方向
が変換される。The line 55 is a line 56 when the scanning direction indicated by the line 53 is changed.
Is a case where the scanning direction indicated by the line 54 is converted. In any case, the direction is converted around the center position of the area 500 on the X axis.
第5図(ハ)は第1の走査素子11、12による走査動作
を停止させて第2の走査素子13を動作させる場合で、線
57はX軸方向への走査ビームで、反射面220の回転角が
0゜の場合である。線50は反射面を回転させて、走査方
向が変換された走査ビームである。このようにして、反
射面220を回転することにより、任意の方向への走査ビ
ームの走査が可能になる。FIG. 5C shows a case where the scanning operation by the first scanning elements 11 and 12 is stopped and the second scanning element 13 is operated.
Reference numeral 57 denotes a scanning beam in the X-axis direction when the rotation angle of the reflection surface 220 is 0 °. Line 50 is the scanning beam whose scanning direction has been changed by rotating the reflecting surface. Thus, by rotating the reflection surface 220, scanning of the scanning beam in an arbitrary direction becomes possible.
第6図に本発明の光ビームの走査装置を用いたとき
の、測定への応用の実施例を示す。FIG. 6 shows an embodiment of application to measurement when the light beam scanning device of the present invention is used.
第6図に示した図は磁気ヘッドの概観図で、上方から
見た図である。61はスライダーと呼ばれる部分、62はト
ラック部と呼ばれる部分、63はノーズと呼ばれる部分
で、コイルを巻き付ける。トラック部62にはギャップ64
が形成されている。以上の磁気ヘッドにおいて、ギャッ
プ64の幅(X方向へ約0.5μm)及びトラック部62の幅
(Y方向へ約15μm)の寸法計測が重要である。FIG. 6 is a schematic view of the magnetic head as viewed from above. 61 is a portion called a slider, 62 is a portion called a track portion, and 63 is a portion called a nose, around which a coil is wound. The track section 62 has a gap 64
Are formed. In the above magnetic head, it is important to measure the width of the gap 64 (about 0.5 μm in the X direction) and the width of the track section 62 (about 15 μm in the Y direction).
ここで点線600で囲まれた2次元領域は第1の走査素
子11、12による走査範囲で、例えば1mm四方の広い領域
を粗く走査し、ギャップ64の位置を決定する。測定すべ
き位置が決定されると、第2の走査素子13を駆動して線
65に示す走査範囲(X方向)を精密に走査してギャップ
64の寸法を測定する。次にトラック部62の幅を測定する
ときは、X軸方向へ若干走査位置をシフトさせ、次に走
査方向変換素子15を45゜だけ回転させて線66に示すY軸
方向の走査を行なわせる。この走査はX軸方向の走査65
と同一の走査精度を有する。Here, a two-dimensional area surrounded by a dotted line 600 is a scanning range of the first scanning elements 11 and 12, and a wide area of, for example, 1 mm square is roughly scanned to determine the position of the gap 64. When the position to be measured is determined, the second scanning element 13 is driven to
Precise scanning of the scanning range (X direction) shown in 65
Measure 64 dimensions. Next, when measuring the width of the track portion 62, the scanning position is slightly shifted in the X-axis direction, and then the scanning direction conversion element 15 is rotated by 45 ° to perform scanning in the Y-axis direction indicated by the line 66. . This scan is a scan 65 in the X-axis direction.
Has the same scanning accuracy as.
第7図に本発明の光ビームの走査装置を構成する走査
光学系の一実施例を示す。FIG. 7 shows an embodiment of the scanning optical system constituting the light beam scanning device of the present invention.
71及び74は焦点距離がf1のシリンドリカルレンズ、72
及び73は焦点距離がf2の凸レンズ、75は焦点距離がf3、
76は焦点距離がf4、77は焦点距離がf5の凸レンズ、78は
焦点距離がf0の対物レンズである。第2の走査素子13は
音響光学素子(以下にAOと略記する)から成り、X軸方
向へ第2の領域の走査を行なう。第1の走査素子11及び
12はガルバノミラーから成り、12のGMYはY軸方向へ、1
1のGMXはX軸方向へ第1の領域の走査を行なう。71 and 74 are cylindrical lenses of focal length f 1, 72
And 73 is the focal length of f 2 convex lens 75 focal length f 3,
76 is a convex lens having a focal length of f 4 , 77 is a convex lens having a focal length of f 5 , and 78 is an objective lens having a focal length of f 0 . The second scanning element 13 includes an acousto-optic element (hereinafter abbreviated as AO), and scans the second area in the X-axis direction. The first scanning element 11 and
12 is composed of a galvanometer mirror, GMY of 12 is in the Y-axis direction, 1
One GMX scans the first area in the X-axis direction.
レーザ光源10から放射された断面が円形状を有するレ
ーザ光線100はシリンドリカルレンズ71と凸レンズ72に
より、紙面に平行な面内で扇形状を持つシート状ビーム
に変換される。このシート状ビームは凸レンズ72を出射
すると、紙面に平行な面内での平行光としてAO13に入射
される。このとき紙面に垂直な面内では、凸レンズ72を
出射後は収束光であり、AO13の中央部で焦点を結ぶ。AO
13を出射したビームは、紙面に平行な面内では凸レンズ
73で収束光に変換され、GMY12で反射された後に、シリ
ンドリカルレンズ74を透過し、その焦点位置700で集光
される。このとき紙面に垂直な面については、AO13を出
射した発散光は、凸レンズ73で平行光に変換され、GMY1
2で反射した後に、シリンドリカルレンズ74で屈折さ
れ、その焦点位置700で集光される。シリンドリカルレ
ンズ74の後方焦点位置700の後の光路では、光ビームは
再び円形状の断面を有する。なお、GMY12はシリンドリ
カルレンズ74の前方焦点位置に配し、凸レンズ73の焦点
位置とシリンドリカルレンズ74の焦点位置は同じ点700
になる如く配置する。また、シリンドリカルレンズ71と
74は屈折面が互いに90゜異なるように配置する。AO13に
対してシート状ビームを用いるのは、AO13の内部で超音
波と光波の相互作用を十分に行なわせ、AO13による回折
効率を高めるためである。The laser beam 100 having a circular cross section emitted from the laser light source 10 is converted by the cylindrical lens 71 and the convex lens 72 into a sheet-like beam having a fan shape in a plane parallel to the paper surface. When this sheet-like beam exits the convex lens 72, it enters the AO 13 as parallel light in a plane parallel to the paper. At this time, in a plane perpendicular to the paper surface, the light is convergent light after exiting the convex lens 72, and is focused at the center of the AO13. AO
The beam emitted from 13 is a convex lens in a plane parallel to the paper.
After being converted into convergent light at 73 and reflected by GMY12, it is transmitted through a cylindrical lens 74 and condensed at its focal position 700. At this time, on the surface perpendicular to the paper, the divergent light emitted from the AO13 is converted into parallel light by the convex lens 73, and GMY1
After being reflected at 2, it is refracted by the cylindrical lens 74 and condensed at its focal position 700. In the optical path after the rear focal position 700 of the cylindrical lens 74, the light beam again has a circular cross section. Note that GMY12 is disposed at the front focal position of the cylindrical lens 74, and the focal position of the convex lens 73 and the focal position of the cylindrical lens 74 are the same point 700.
Arrange so that Also, with the cylindrical lens 71
74 is disposed so that the refraction surfaces are different from each other by 90 °. The reason why the sheet beam is used for the AO13 is to allow the interaction between the ultrasonic wave and the light wave to be sufficiently performed inside the AO13 and to increase the diffraction efficiency by the AO13.
点700において断面が円形状のビームに変換されたレ
ーザ光は凸レンズ75により平行光に変換され、GMX11で
反射され、凸レンズ76で再び収束光に変換され、ビーム
スプリッター105を透過し、発散光として走査方向変換
素子15の入射面150に入射する。このとき、走査方向変
換素子15は前述の如く反射面220が回転される。走査方
向変換素子15の出射面152を透過したレーザ光は凸レン
ズ77に入射し、凸レンズ77により再び平行光に変換さ
れ、凸レンズ78に入射する。そして対物レンズ78により
微小なスポット径に集光されて被測定物180に照射さ
れ、物体面上を走査する。被測定物180からの反射光は
対物レンズ78、凸レンズ77、走査方向変換素子15を透過
し、ビームスプリッター105で反射されて受光器170で検
出される。The laser light whose cross section is converted into a circular beam at the point 700 is converted into parallel light by the convex lens 75, reflected by the GMX11, converted into convergent light again by the convex lens 76, transmitted through the beam splitter 105, and diverged as The light enters the entrance surface 150 of the scanning direction conversion element 15. At this time, the reflection surface 220 of the scanning direction conversion element 15 is rotated as described above. The laser beam transmitted through the emission surface 152 of the scanning direction conversion element 15 enters the convex lens 77, is converted into parallel light again by the convex lens 77, and enters the convex lens 78. Then, the light is condensed to a minute spot diameter by the objective lens 78, is irradiated on the object to be measured 180, and scans the object plane. The reflected light from the device under test 180 passes through the objective lens 78, the convex lens 77, and the scanning direction conversion element 15, is reflected by the beam splitter 105, and detected by the light receiver 170.
このとき走査される範囲は、各走査素子の走査角度及
び使用しているレンズの焦点距離によって決定される。
AO13によって走査される角度をθaとしたとき、被測定
物面上で走査される走査範囲DA0は、 DA0=f2・f4・f0・θa/(f3・f5) となる。また、GMX11によって走査される角度をθxと
すれば、被測定物面上で走査される走査範囲Dgxは、 Dgx=f4・f0・θgx/f5となる。The range scanned at this time is determined by the scanning angle of each scanning element and the focal length of the lens used.
When the angle to be scanned was theta a by AO13, scan range D A0 which is scanned over the DUT surface, D A0 = f 2 · f 4 · f 0 · θ a / (f 3 · f 5) Becomes Further, if the angle of theta x scanned by GMX11, scan range D gx scanned over the DUT surface becomes D gx = f 4 · f 0 · θ gx / f 5.
さらに、GMY12によって走査される角度をθyとすれ
ば、被測定物面上で走査される走査範囲Dgyは Dgy=2f1・f4・f0・θgy/(f3・f5) となる。Further, assuming that the angle scanned by the GMY12 is θ y , the scanning range D gy scanned on the object surface is D gy = 2f 1 · f 4 · f 0 · θ gy / (f 3 · f 5 ).
本発明によれば、走査角度、走査ステップ分解能の異
なる2種類の走査素子を組み合せてハイブリッド型の構
成とし、広い範囲と狭い範囲の走査を同一の光路中に設
けた光学系を用いて、電気信号の切り替えだけで自由に
切り替えることが可能である。このとき、広い範囲の走
査では物体の概略の形状を測定し、精密に測定すべき部
分の位置を決定する。狭い範囲の走査では精密な走査を
行なわせて、測定すべき部分の形状、寸法を精密に測定
する。According to the present invention, two types of scanning elements having different scanning angles and different scanning step resolutions are combined to form a hybrid type, and an electric system using a wide range and a narrow range scanning in the same optical path is used. It is possible to switch freely just by switching the signal. At this time, in scanning over a wide range, the approximate shape of the object is measured, and the position of the portion to be measured precisely is determined. In scanning in a narrow range, precise scanning is performed to precisely measure the shape and dimensions of a portion to be measured.
更には、走査ビームの走査方向を自由に変換すること
が可能で、互いに直交しているX軸、Y軸以外の任意の
軸方向にも光ビームの走査が行なわれ、任意の軸方向へ
形成されている物体形状の計測が簡素な装置で可能にな
る。Further, the scanning direction of the scanning beam can be freely changed, and the scanning of the light beam is performed in any direction other than the X-axis and the Y-axis which are orthogonal to each other, and the light beam is formed in any direction. It is possible to measure the shape of the object being performed with a simple device.
第1図は本発明の動作を説明するブロック図、第2図は
本発明による走査方向変換素子の具体的な構成を示す
図、第3図は走査方向変換素子の入射面での走査範囲を
説明する図、第4図は走査方向変換素子の回転によって
生じる走査方向の変換を説明する図、第5図は走査方向
の変換例を示す図、第6図は走査方向の変換を実際の測
定に応用するときの応用例を示す図、第7図は走査光学
系の具体的な構成を示す図である。 10……レーザ光源、 11、12……第1の光ビーム走査素子、 13……第2の光ビーム走査素子、 14……走査制御部、 15……走査方向変換素子、 16……回転制御部、 17……対物レンズ、 20……正三角形プリズム、 21……直角プリズム。FIG. 1 is a block diagram for explaining the operation of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of the scanning direction conversion element according to the present invention, and FIG. FIG. 4, FIG. 4 is a diagram for explaining the conversion of the scanning direction caused by the rotation of the scanning direction conversion element, FIG. 5 is a diagram showing an example of the conversion of the scanning direction, and FIG. FIG. 7 is a diagram showing an application example when the present invention is applied to FIG. 7, and FIG. 7 is a diagram showing a specific configuration of a scanning optical system. 10 laser light source 11, 12 first light beam scanning element, 13 second light beam scanning element, 14 scanning control unit, 15 scanning direction conversion element, 16 rotation control Part, 17 ... objective lens, 20 ... equilateral triangle prism, 21 ... right angle prism.
Claims (2)
路中に、光軸を共通にして、走査範囲、走査分解能の異
なる第1および第2の走査素子と、光ビームの入射面と
出射面の間に反射面を有する構成の走査方向変換素子を
設けると共に、前記第1と第2の走査素子を駆動する走
査制御部と前記走査方向変換素子を回転する回転制御部
を設け、前記走査制御部により前記第1の走査素子は前
記走査方向変換素子の入射面内の第1の領域を走査せし
め、前記第2の走査素子は前記走査方向変換素子の入射
面内で前記第1の領域の一部または一部を共有する第2
の領域を走査せしめ、前記走査方向変換素子の入射面、
出射面を光軸に垂直に保った状態で、前記回転制御部に
より、前記走査方向変換素子を光軸に平行な軸を回転軸
にして回転せしめ、前記第1および第2の走査素子を通
り、走査方向変換素子の入射面に入射した光ビームの走
査方向を変換して走査方向変換素子の出射面から出射せ
しめることを特徴とする光ビームの走査装置。An optical path extending from a laser light source to an objective lens has a common optical axis, and has first and second scanning elements having different scanning ranges and different scanning resolutions; A scanning control unit configured to drive the first and second scanning elements and a rotation control unit configured to rotate the scanning direction converting element. The first scanning element scans a first area in the incident surface of the scanning direction conversion element, and the second scanning element scans the first area in the incident plane of the scanning direction conversion element. Partial or partial sharing second
Scan the area of, the incident surface of the scanning direction conversion element,
With the emission surface kept perpendicular to the optical axis, the rotation control unit rotates the scanning direction conversion element about an axis parallel to the optical axis as a rotation axis, and passes through the first and second scanning elements. A light beam scanning device for converting a scanning direction of a light beam incident on an incident surface of a scanning direction conversion element and emitting the light beam from an emission surface of the scanning direction conversion element.
を、一つの頂角が30゜の直角プリズムの90゜の頂角の対
面に重ね合わせて成り、前記直角プリズムの60゜の頂角
の対面を反射面、30゜の頂角の対面を出射面、該出射面
と平行となる正三角形プリズムの面を入射面とし、該入
射面を光軸に直交して設置されていることを特徴とする
請求項1記載の光ビームの走査装置。2. A scanning direction conversion element comprising an equilateral triangular prism superposed on a 90 ° apex angle of a right angle prism having a vertex angle of 30 °. The opposite surface is a reflection surface, the opposite surface with a vertical angle of 30 ° is an emission surface, the surface of an equilateral triangular prism parallel to the emission surface is an incidence surface, and the incidence surface is installed orthogonal to the optical axis. 2. The light beam scanning device according to claim 1, wherein:
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2329960A JP2992075B2 (en) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | Light beam scanning device |
US07/668,824 US5166820A (en) | 1990-03-13 | 1991-03-13 | Light beam scanning apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2329960A JP2992075B2 (en) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | Light beam scanning device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04204514A JPH04204514A (en) | 1992-07-24 |
JP2992075B2 true JP2992075B2 (en) | 1999-12-20 |
Family
ID=18227194
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2329960A Expired - Lifetime JP2992075B2 (en) | 1990-03-13 | 1990-11-30 | Light beam scanning device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2992075B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6829992B2 (en) * | 2016-12-28 | 2021-02-17 | 株式会社キーエンス | Optical scanning height measuring device |
JP6917727B2 (en) * | 2017-02-15 | 2021-08-11 | 株式会社ディスコ | Laser processing equipment |
-
1990
- 1990-11-30 JP JP2329960A patent/JP2992075B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04204514A (en) | 1992-07-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3520586A (en) | Entrant beam optical scanner | |
US3866038A (en) | Apparatus for measuring surface flatness | |
JPH08505952A (en) | Inspection interferometer with scanning function | |
EP0288970A2 (en) | Optical system for flyingspot scanning system | |
JP3081278B2 (en) | Device for optically determining the position and orientation of an object | |
JP3509088B2 (en) | Optical device for three-dimensional shape measurement | |
JP2992075B2 (en) | Light beam scanning device | |
JPH0914935A (en) | Measuring device for three-dimensional object | |
US4973152A (en) | Method and device for the noncontact optical measurement of paths, especially in the triangulation method | |
JPH01321422A (en) | Scanning apparatus and method | |
JPH063616A (en) | Polygon scanner | |
JP2950004B2 (en) | Confocal laser microscope | |
JPH08261734A (en) | Shape measuring apparatus | |
JPS59225320A (en) | Scanning beam diameter measuring apparatus | |
JPH04255819A (en) | Light beam scanning device | |
JPH10148514A (en) | Electronic component inspection apparatus | |
US11815346B2 (en) | Device for the chromatic confocal measurement of a local height and/or orientation of a surface of a sample and corresponding methods for measuring a height or a roughness of a sample | |
JPH0540225A (en) | Scanning type microscope | |
JP2690111B2 (en) | Two-dimensional laser scanning optical device | |
JPH04184412A (en) | Light beam scanning device | |
JP2583920B2 (en) | Optical scanning device | |
JPS61282818A (en) | Multiple light source device | |
JPS62503049A (en) | Methods and apparatus for orienting, inspecting and/or measuring two-dimensional objects | |
JP2636017B2 (en) | Tilt detection head | |
JPH08219733A (en) | Three-dimensional scanner |