JP3132419B2 - Beam deflector - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、音響光学素子を利
用したビーム偏向装置に関し、特に偏向ビームの質を劣
化させることなく、極めて高速な走査を実現できるよう
にしたビーム偏向装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a beam deflecting device using an acousto-optic element, and more particularly to a beam deflecting device capable of realizing extremely high-speed scanning without deteriorating the quality of a deflecting beam.
【０００２】[0002]
【従来の技術】レーザスポットを走査して画像を取得す
るような例えばレーザ顕微鏡やパターン外観検査装置な
どにおいては、その主走査方向の偏向には高速性が必要
とされるため、他の機械的な偏向手段に比べて高速走査
が可能な音響光学素子を利用した音響光学偏向器が広く
用いられている。しかし、音響光学偏向器は得られる偏
向角が高々±１度程度と小さいため、分解点数が他の偏
向手段に比べて少ないという欠点がある。2. Description of the Related Art In a laser microscope, a pattern appearance inspection apparatus, or the like, which obtains an image by scanning a laser spot, a high-speed deflection in the main scanning direction is required. An acousto-optic deflector using an acousto-optic element capable of scanning at a higher speed than a simple deflecting unit is widely used. However, the acousto-optic deflector has a disadvantage that the obtained deflection angle is as small as ± 1 degree at most, so that the number of decomposition points is smaller than that of other deflection means.
【０００３】ここで分解点数とは、ビーム偏向装置の性
能の一つを示すもので、ビームを偏向して走査線を得る
ときに、走査した範囲内でどれだけのスポットが分解可
能かにより定義される。この分解点数は偏向角度とビー
ム径の積に比例するため、偏向角度の小さい音響光学偏
向器においては、ビーム径を大きくすることにより、分
解点数を１０００点程度とすることができる。ところが
ビーム径を大きくすると、超音波がビームを横切るアク
セス時間が増え、その結果、応答速度が遅くなり、利点
である高速性を犠牲にすることになる。Here, the number of resolution points indicates one of the performances of a beam deflecting device, and is defined by how many spots within a scanned area can be resolved when a beam is deflected to obtain a scanning line. Is done. Since the number of decomposition points is proportional to the product of the deflection angle and the beam diameter, in an acousto-optic deflector having a small deflection angle, the number of decomposition points can be reduced to about 1000 by increasing the beam diameter. However, increasing the beam diameter increases the access time for the ultrasonic waves to cross the beam, resulting in a slow response speed and sacrificing the advantage of high speed.
【０００４】そこで、米国特許第３８５１９５１号公報
には、２台の音響光学偏向器を使用して、それぞれに偏
向と収束という役割を持たせる方式の技術が提案されて
いる。この方式によれば、分解点数が２０００点以上
で、走査周波数が２０kHz以上という高速走査が実現さ
れている。Therefore, US Pat. No. 3,851,951 proposes a technique in which two acousto-optic deflectors are used, each having a role of deflection and convergence. According to this method, high-speed scanning with a resolution of 2000 points or more and a scanning frequency of 20 kHz or more is realized.
【０００５】この方式の一例を図５に示して説明する。
この方式は、レーザビームを出射するレーザ光源１と、
レーザビームを微小角度偏向させる第１の音響光学偏向
器２と、２個のシリンドリカルレンズにより構成される
ビームエキスパンダ３と、１個のシリンドリカルレンズ
により構成される第２の音響光学偏向器４と、レーザビ
ームを走査面１０に収束させるシリンドリカルレンズ５
とから構成される。An example of this method will be described with reference to FIG.
This method includes a laser light source 1 for emitting a laser beam,
A first acousto-optic deflector 2 for deflecting the laser beam by a small angle, a beam expander 3 composed of two cylindrical lenses, and a second acousto-optic deflector 4 composed of one cylindrical lens , A cylindrical lens 5 for converging a laser beam on a scanning surface 10
It is composed of
【０００６】上記の構成において、レーザ光源１から出
射されたレーザビームは、第１の音響光学偏向器２によ
って微小角度偏向された後、ビームエキスパンダ３によ
って偏向方向に拡大される。拡大されたレーザビームは
第２の音響光学偏向器４によるシリンドリカルレンズ効
果によって偏向方向に収束される。In the above configuration, the laser beam emitted from the laser light source 1 is deflected by a small angle by the first acousto-optic deflector 2 and then expanded in the deflection direction by the beam expander 3. The expanded laser beam is converged in the deflection direction by the cylindrical lens effect of the second acousto-optic deflector 4.
【０００７】シリンドリカルレンズ効果とは、音響光学
偏向器を用いてレーザビームを高速で連続的に偏向する
ときに生じる現象であり、レーザビームを横切る超音波
の周波数が場所によって異なるため、回折角がレーザビ
ーム断面の場所によって異なり、等価的に偏向方向にレ
ンズの効果を生じるものである。一般的にはシリンドリ
カルレンズ効果は偏向ビームに歪みをもたらすことにな
るので、この歪みをシリンドリカルレンズにより補正し
て使用するが、ここでは積極的にシリンドリカルレンズ
効果を利用している。[0007] The cylindrical lens effect is a phenomenon that occurs when a laser beam is continuously deflected at a high speed using an acousto-optic deflector. It differs depending on the location of the cross section of the laser beam, and equivalently produces the effect of the lens in the deflection direction. Generally, since the cylindrical lens effect causes distortion in the deflected beam, the distortion is corrected by a cylindrical lens for use. Here, the cylindrical lens effect is positively used.
【０００８】第２の音響光学偏向器４のシリンドリカル
レンズ効果によって収束されたレーザビームは、シリン
ドリカルレンズ５によって、その収束方向と直交した方
向に収束される。ここで、第１の音響光学偏向器２の偏
向ビームは、第２の音響光学偏向器４の超音波回折格子
の動き、つまり超音波伝搬速度に追従するように制御さ
れている。その結果、走査面１０において円形のビーム
スポットが第２の音響光学偏向器４の超音波伝搬速度で
走査される。The laser beam converged by the cylindrical lens effect of the second acousto-optic deflector 4 is converged by the cylindrical lens 5 in a direction orthogonal to the converging direction. Here, the deflection beam of the first acousto-optical deflector 2 is controlled so as to follow the movement of the ultrasonic diffraction grating of the second acousto-optical deflector 4, that is, the ultrasonic wave propagation speed. As a result, a circular beam spot is scanned on the scanning surface 10 at the ultrasonic wave propagation speed of the second acousto-optic deflector 4.
【０００９】この方式は、第２の音響光学偏向器４に、
シリンドリカルレンズを超音波伝搬速度で移動させるこ
とと等価の作用をもたせているため、極めて高速な走査
を実現することができ、この高速性を利用したビーム偏
向装置が特開平８−７６３５９号公報に開示されてい
る。In this system, the second acousto-optic deflector 4
Since an operation equivalent to moving the cylindrical lens at the ultrasonic wave propagation speed is provided, extremely high-speed scanning can be realized. A beam deflecting device utilizing this high speed is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-76359. It has been disclosed.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】上記の方式によるビー
ム偏向装置にあっては、シリンドリカルレンズ効果によ
って、レーザビームを収束させる目的の第２の音響光学
偏向器４が、理想的なレンズ作用を有するようにするた
めには、その駆動超音波の掃引周波数に厳密な直線性や
安定性が必要であり、さらに音響光学素子自体にも歪み
がないことが求められる。In the beam deflecting device according to the above method, the second acousto-optic deflector 4 for converging the laser beam by the cylindrical lens effect has an ideal lens function. In order to achieve this, it is necessary that the sweep frequency of the driving ultrasonic wave has strict linearity and stability, and that the acousto-optic element itself has no distortion.
【００１１】ところが、これらを満足させることは現実
には難しい。理想的なレンズ作用が得られないと、偏向
ビームは元のレーザビームに比べて空間ノイズ成分の増
加が生じ、その結果、レーザビームの質を劣化させるこ
とになる。このようなレーザビームの質の劣化は、レー
ザ顕微鏡やパターン外観検査装置などの偏向ビームを最
終的に回折限界まで絞り込んで利用する必要のある用途
においては、ビームスポットが理想値よりも大きくなる
など画像の質を劣化させるという問題を生じる。[0011] However, it is actually difficult to satisfy these requirements. If an ideal lens function is not obtained, the deflection beam will have an increased spatial noise component compared to the original laser beam, and as a result, the quality of the laser beam will be degraded. Such deterioration in the quality of the laser beam may be caused by the fact that the beam spot becomes larger than an ideal value in an application such as a laser microscope or a pattern visual inspection device that needs to finally use the deflected beam to the diffraction limit. This causes a problem of deteriorating the quality of the image.
【００１２】さらに、駆動超音波の掃引周波数が厳密な
直線性や安定性を満足し、さらに音響光学素子自体にも
歪みがないようにするためには、超音波周波数の制御系
が複雑になる。すると、装置が大変、高価なものとなっ
てしまう。Further, in order to ensure that the sweep frequency of the driving ultrasonic wave satisfies strict linearity and stability and that the acousto-optic element itself does not have distortion, a control system of the ultrasonic frequency becomes complicated. . Then, the device becomes very expensive.
【００１３】また、一般にレーザビームに含まれる空間
ノイズ成分を取り除くには、レーザビームを集光して、
その焦点位置にピンホールやスリットなどの空間フィル
タが配置されている。偏向ビームにおいては、その焦点
位置において、偏向方向にビームスポットが走査される
ため、走査方向に平行にスリットを配置することによっ
て、走査方向に直交する方向の空間ノイズ成分を取り除
くことができる。In order to remove a spatial noise component generally contained in a laser beam, the laser beam is focused and
A spatial filter such as a pinhole or a slit is arranged at the focal position. In the deflected beam, the beam spot is scanned in the deflection direction at the focal position. By arranging the slit in parallel with the scanning direction, it is possible to remove a spatial noise component in a direction orthogonal to the scanning direction.
【００１４】しかし、走査方向の空間ノイズ成分を取り
除くためには、ビームスポットの走査に同期させてピン
ホールあるいはスリットを移動する必要がある。走査速
度が遅い場合には、ピンホールなどをビームスポットに
同期させて機械的に移動することも可能であるが、ビー
ムスポットが超音波伝搬速度で走査されるビーム偏向装
置においては実現することが困難である。However, in order to remove the spatial noise component in the scanning direction, it is necessary to move the pinhole or the slit in synchronization with the scanning of the beam spot. When the scanning speed is low, it is possible to mechanically move the pinhole etc. in synchronization with the beam spot, but this can be realized in a beam deflection device where the beam spot is scanned at the ultrasonic wave propagation speed. Have difficulty.
【００１５】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、偏向ビームの質を劣化させることな
く、極めて高速な走査を実現できるビーム偏向装置を提
供し、パターン外観検査装置などにおいて良質な画像を
極めて高速に取得することができるようにすることを目
的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and provides a beam deflecting device capable of realizing extremely high-speed scanning without deteriorating the quality of a deflecting beam. It is an object of the present invention to obtain a high-quality image at a very high speed.
【００１６】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明のビーム偏向装置
は、レーザ光源から出射されたレーザビームを偏向させ
る第１の音響光学偏向器と、その第１の音響光学偏向器
によって偏向されたレーザビームを偏向方向に拡大する
ためのビームエキスパンダと、拡大された前記レーザビ
ームを偏向方向に収束させる第２の音響光学偏向器と、
その第２の音響光学偏向器の収束方向に直交する方向に
レーザビームを収束させるシリンドリカルレンズと、上
記第２の音響光学偏向器によって収束したレーザビーム
の焦点位置に配置され、第２の音響光学偏向器と同一の
素子媒体で作られる音響光学変調器と、を有し、上記音
響光学変調器の内部での超音波回折格子は、入射収束ビ
ームの集光ビームスポット径に近い適度な間隔が空くよ
うに生成されることを特徴とするものである。A beam deflecting device according to the present invention comprises a first acousto-optic deflector for deflecting a laser beam emitted from a laser light source, and a laser deflected by the first acousto-optic deflector. A beam expander for expanding the beam in the deflection direction, a second acousto-optic deflector for converging the expanded laser beam in the deflection direction,
A cylindrical lens for converging the laser beam in a direction orthogonal to the convergence direction of the second acousto-optic deflector; and a second acousto-optic disposed at the focal position of the laser beam converged by the second acousto-optic deflector. An acousto-optic modulator made of the same element medium as the deflector, and the ultrasonic diffraction grating inside the acousto-optic modulator has an appropriate interval close to the focused beam spot diameter of the incident convergent beam. It is characterized by being generated so as to be empty.
【００１７】本発明によれば、第２の音響光学偏向器と
同一の素子媒体で作られる音響光学変調器が、第２の音
響光学偏向器による収束レーザビームの焦点位置に配置
されたことにより、音響光学変調器の超音波回折格子に
スリットと同等の作用をさせ、ビームスポットとスリッ
トの同期走査を実現することができる。つまり、音響光
変調器の超音波回折格子によって、偏向ビームの空間ノ
イズ成分のみを１次回折光として回折させ、実質的に空
間ノイズ成分が除去された偏向ビームが音響光学変調器
を通過する。この時、音響光学変調器の素子媒体とし
て、第２の音響光学偏向器と同一のものを用いること
で、それぞれの超音波伝搬速度が一致するため、ビーム
スポットと超音波回折格子の完全な同期走査を実現する
ことができる。According to the present invention, the acousto-optic modulator made of the same element medium as the second acousto-optic deflector is arranged at the focal position of the converged laser beam by the second acousto-optic deflector. By making the ultrasonic diffraction grating of the acousto-optic modulator have the same function as a slit, synchronous scanning of the beam spot and the slit can be realized. That is, only the spatial noise component of the deflected beam is diffracted by the ultrasonic diffraction grating of the acousto-optic modulator as first-order diffracted light, and the deflected beam from which the spatial noise component has been substantially removed passes through the acousto-optic modulator. At this time, by using the same element medium as that of the second acousto-optic deflector as the element medium of the acousto-optic modulator, the respective ultrasonic wave propagation velocities coincide with each other. Scanning can be realized.
【００１８】上記ビームエキスパンダは、複数のシリン
ドリカルレンズによって構成されてもよく、楔型プリズ
ムによって構成されてもよい。The beam expander may be constituted by a plurality of cylindrical lenses or a wedge prism.
【００１９】上記シリンドリカルレンズの焦点距離は、
そのＦナンバーが第２の音響光学偏向器のシリンドリカ
ル効果によるＦナンバーと略等しいのが好ましい。The focal length of the cylindrical lens is
It is preferable that the F-number is substantially equal to the F-number due to the cylindrical effect of the second acousto-optic deflector.
【００２０】[0020]
【００２１】上記音響光学変調器と走査面との間にはリ
レーレンズを配置することが好ましい。It is preferable to arrange a relay lens between the acousto-optic modulator and the scanning plane.
【００２２】[0022]
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るビーム偏向装
置を図１から図３を参照しながら説明する。従来と同一
部分は同一符号を付して、その説明を省略する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A beam deflecting device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. The same parts as those in the related art are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【００２３】本発明にかかるビーム偏向装置は、第２の
音響光学偏向器４のシリンドリカルレンズ効果による焦
点とシリンドリカルレンズ５の焦点に一致する位置に、
空間フィルタの作用を有する音響光学変調器６が備えら
れたことを特徴とするものである。音響光学変調器６が
空間フィルタの作用を有することにより、偏向ビームに
生じる空間ノイズ成分が除去される。The beam deflecting device according to the present invention is arranged such that the focal point of the second acousto-optic deflector 4 due to the cylindrical lens effect coincides with the focal point of the cylindrical lens 5.
An acousto-optic modulator 6 having a function of a spatial filter is provided. Since the acousto-optic modulator 6 has a function of a spatial filter, a spatial noise component generated in the deflected beam is removed.
【００２４】ここで、一般に音響光学偏向器のシリンド
リカルレンズ効果による焦点距離Ｆは、Ｆ＝（Ｖ2×
Ｔ）／（λ×Δｆ）で示される。Ｖは音響光学素子の超
音波速度、Ｔは超音波周波数の掃引時間、λはレーザビ
ームの波長、Δｆは超音波周波数の掃引帯域である。超
音波速度Ｖとレーザビームの波長λは一定であるから、
第２の音響光学偏向器４の超音波周波数掃引時間Ｔと掃
引帯域Δｆを制御することによって、シリンドリカルレ
ンズ効果の焦点距離を音響光学変調器６の位置に一致さ
せることが可能となる。Here, generally, the focal length F due to the cylindrical lens effect of the acousto-optic deflector is F = (V 2 ×
T) / (λ × Δf). V is the ultrasonic velocity of the acousto-optic element, T is the ultrasonic frequency sweep time, λ is the wavelength of the laser beam, and Δf is the ultrasonic frequency sweep band. Since the ultrasonic velocity V and the wavelength λ of the laser beam are constant,
By controlling the ultrasonic frequency sweep time T and the sweep band Δf of the second acousto-optic deflector 4, the focal length of the cylindrical lens effect can be matched with the position of the acousto-optic modulator 6.
【００２５】また、シリンドリカルレンズ５の焦点距離
は、そのＦナンバーが第２の音響光学偏向器４のシリン
ドリカルレンズ効果によるＦナンバーと等しくなるよう
に選ばれている。The focal length of the cylindrical lens 5 is selected so that the F-number becomes equal to the F-number of the second acousto-optic deflector 4 due to the cylindrical lens effect.
【００２６】さらに、音響光学変調器６は第２の音響光
学変調器４と同一の素子媒体で作られる。そうすること
により、それぞれの超音波伝搬速度が一致することにな
り、ビームスポットと超音波回折格子の完全な同期走査
を実現することができる。Furthermore, the acousto-optic modulator 6 is made of the same element medium as the second acousto-optic modulator 4. By doing so, the respective ultrasonic wave propagation velocities coincide, and perfect synchronous scanning of the beam spot and the ultrasonic diffraction grating can be realized.
【００２７】音響光学変調器６と走査面１０との間に
は、リレーレンズ８と対物レンズ９とが配置される。ま
た、リレーレンズの８側方にはレーザビームの空間ノイ
ズ成分が照射されるストッパ７が配置される。Between the acousto-optic modulator 6 and the scanning plane 10, a relay lens 8 and an objective lens 9 are arranged. Further, a stopper 7 for irradiating a spatial noise component of the laser beam is disposed on the side of the relay lens 8.
【００２８】本発明に係るビーム偏向装置は以上のよう
に構成し、つぎに動作について説明する。The beam deflecting device according to the present invention is configured as described above, and the operation will be described next.
【００２９】レーザ光源１から出射されたレーザビーム
は、第１の音響光学偏向器２によって、紙面に水平方向
に微小角度偏向された後、ビームエキスパンダ３によっ
て偏向方向に拡大される。拡大されたレーザビームは、
第２の音響光学偏向器４によってシリンドリカルレンズ
効果による偏向方向に収束される。第１の音響光学偏向
器２の偏向ビームは、第２の音響光学偏向器４の超音波
回折格子の動きに追従するように制御されているため、
第２の音響光学偏向器４のシリンドリカルレンズ効果に
よる収束ビームが、その超音波回折格子の移動速度、つ
まり超音波伝搬速度で走査される。The laser beam emitted from the laser light source 1 is deflected by a first acousto-optic deflector 2 in the horizontal direction by a small angle, and then expanded by a beam expander 3 in the deflection direction. The expanded laser beam
The light is converged by the second acousto-optic deflector 4 in the direction of deflection due to the cylindrical lens effect. Since the deflection beam of the first acousto-optic deflector 2 is controlled to follow the movement of the ultrasonic diffraction grating of the second acousto-optic deflector 4,
The convergent beam due to the cylindrical lens effect of the second acousto-optic deflector 4 is scanned at the moving speed of the ultrasonic diffraction grating, that is, at the ultrasonic wave propagation speed.
【００３０】第２の音響光学偏向器４によってシリンド
リカルレンズ効果による偏向方向に収束されたレーザビ
ームは、シリンドリカルレンズ５によって偏向方向に直
交した方向に収束されて音響光学変調器６に入射する。
音響光学変調器６に入射したレーザビームは、音響光学
変調器６の超音波回折格子の作用によって、空間ノイズ
成分が１次回折光としてストッパ７の方向に偏向され、
空間ノイズが除去されたレーザビームがリレーレンズ８
に入射する。The laser beam converged by the second acousto-optic deflector 4 in the direction of deflection due to the cylindrical lens effect is converged by the cylindrical lens 5 in a direction orthogonal to the direction of deflection and enters the acousto-optic modulator 6.
The laser beam incident on the acousto-optic modulator 6 is deflected by the action of the ultrasonic diffraction grating of the acousto-optic modulator 6 as a first-order diffracted light toward the stopper 7 as a spatial noise component.
The laser beam from which the spatial noise has been removed is a relay lens 8
Incident on.
【００３１】第２の音響光学偏向器４と音響光学変調器
６の内部では図２に示すように、各超音波回折格子１０
１，１０２がそれぞれ素子媒体によって決まる超音波伝
搬速度Ｖ１，Ｖ２で媒体中を進行する。第２の音響光学
偏向器４と音響光学変調器６の素子媒体が同一とするこ
とにより、超音波伝搬速度Ｖ１，Ｖ２は等しくなり、各
超音波回折格子１０１，１０２の相対位置関係が常に保
たれる。つまり、超音波を生成するタイミングを制御す
るだけで、第２の音響光学偏向器のシリンドリカルレン
ズ効果によるビームスポットと、音響光学変調器６の超
音波回折格子の完全な同期走査を実現することができ
る。その結果、走査全域にわたって、空間ノイズ成分が
１次回折光１０４として０次回折光１０３から分離、除
去される。In the second acousto-optic deflector 4 and the acousto-optic modulator 6, as shown in FIG.
Numerals 1 and 102 travel in the medium at ultrasonic propagation speeds V1 and V2 determined by the element medium. By making the element media of the second acousto-optic deflector 4 and the acousto-optic modulator 6 the same, the ultrasonic wave propagation velocities V1 and V2 become equal, and the relative positional relationship between the ultrasonic diffraction gratings 101 and 102 is always maintained. Dripping. That is, it is possible to realize perfect synchronous scanning of the beam spot due to the cylindrical lens effect of the second acousto-optic deflector and the ultrasound diffraction grating of the acousto-optic modulator 6 simply by controlling the timing of generating the ultrasound. it can. As a result, the spatial noise component is separated and removed as the first-order diffracted light 104 from the zero-order diffracted light 103 over the entire scanning area.
【００３２】音響光学変調器６内部では図３に示すよう
に、空間ノイズ成分が回折される。超音波回折格子１０
５は入射収束ビーム１０６の集光ビームスポット径に近
い適度な間隔Ｌが空くように生成され、この超音波回折
格子１０５によって間隔Ｌより外側のビームスポットの
空間ノイズ成分１０８のみが１次回折光１０９として回
折され、空間ノイズ成分が除去されたレーザビームが０
次回折光（透過光）１０７として光軸方向に直進する。In the acousto-optic modulator 6, as shown in FIG. 3, a spatial noise component is diffracted. Ultrasonic diffraction grating 10
5 is generated such that an appropriate interval L close to the converging beam spot diameter of the incident converging beam 106 is left, and only the spatial noise component 108 of the beam spot outside the interval L by the ultrasonic diffraction grating 105 is the first-order diffracted light 109. And the laser beam from which the spatial noise component has been removed
The light goes straight as the next diffracted light (transmitted light) 107 in the optical axis direction.
【００３３】つまり、超音波回折格子１０５は走査方向
に直交するスリットと同等に作用する。ここで図２の説
明により明らかなように、超音波回折格子１０５とビー
ムスポット１０６，１０８は走査中も常に位置が一致し
ているため、スリットをビームスポットと同期して走査
することと同等の効果が得られる。That is, the ultrasonic diffraction grating 105 operates in the same manner as a slit orthogonal to the scanning direction. As is clear from the description of FIG. 2, since the positions of the ultrasonic diffraction grating 105 and the beam spots 106 and 108 always coincide with each other even during scanning, it is equivalent to scanning the slit in synchronization with the beam spot. The effect is obtained.
【００３４】音響光学変調器６によって空間ノイズ成分
が除去されたレーザビームは、リレーレンズ８によって
対物レンズ９の入射瞳に投影される。そのレーザビーム
は、対物レンズ９によって走査面１０上に集光され、微
小なスポットが走査される。The laser beam from which the spatial noise component has been removed by the acousto-optic modulator 6 is projected by the relay lens 8 onto the entrance pupil of the objective lens 9. The laser beam is condensed on the scanning surface 10 by the objective lens 9, and a minute spot is scanned.
【００３５】次に、本発明のビーム偏向装置を用いた２
次元レーザ走査光学系の構成を図４を参照しながら説明
する。Next, 2 using the beam deflecting device of the present invention will be described.
The configuration of the two-dimensional laser scanning optical system will be described with reference to FIG.
【００３６】この２次元レーザ走査光学系は、レーザ光
源１と第１の音響光学偏向器２との間にビームエキスパ
ンダ１１が配置される。ビームエキスパンダ１１はレー
ザビームを所定のビーム径に拡大するもので、ケプラー
型のものを用いて内部にピンホールを設けることによ
り、空間フィルターの作用をさせ、元のレーザビームに
含まれる空間ノイズを除去することもできる。In this two-dimensional laser scanning optical system, a beam expander 11 is arranged between the laser light source 1 and the first acousto-optic deflector 2. The beam expander 11 expands the laser beam to a predetermined beam diameter. A Kepler-type beam expander 11 is provided with a pinhole therein to act as a spatial filter, thereby causing a spatial noise included in the original laser beam to be increased. Can also be removed.
【００３７】第１の音響光学偏向器２は、レーザビーム
を微小角度で高速に偏向させることを目的とするもので
あるため、アクセス時間の短い、つまり超音波伝搬速度
の速い素子、例えば石英（約５９６０ｍ／ｓ）などがそ
の媒体として適している。ビームエキスパンダ３の倍率
は第２の音響光学偏向器４の超音波回折格子のサイズを
充分に満たすように選択される。また、ビームエキスパ
ンダ３はシリンドリカルレンズではなく楔型プリズム
（アナモルフィック・プリズム）によって構成されたも
のを使用することもできる。Since the first acousto-optic deflector 2 is intended to deflect the laser beam at a small angle and at a high speed, an element having a short access time, that is, an element having a high ultrasonic wave propagation speed, for example, quartz ( About 5960 m / s) is suitable as the medium. The magnification of the beam expander 3 is selected so as to sufficiently satisfy the size of the ultrasonic diffraction grating of the second acousto-optic deflector 4. Further, the beam expander 3 may be a wedge-shaped prism (anamorphic prism) instead of a cylindrical lens.
【００３８】第２の音響光学偏向器４はシリンドリカル
レンズ効果を利用するため、超音波速度の遅い、例えば
ＴｅＯ2（二酸化テルル）の横波超音波（約６２０ｍ／
ｓ）を使った素子などを用いると、シリンドリカルレン
ズ効果による焦点距離を１５０ｍｍ以下と短くできるた
め、全体の光路長を短くできる利点があり、この場合に
も１００ｋＨ以上の高速な走査を実現することができ
る。しかし、より高速な走査を求める場合には、全体の
光路長は長くなるが、超音波伝搬速度の速い石英などを
用いることで、さらに高速な走査を実現することができ
る。Since the second acousto-optic deflector 4 utilizes the cylindrical lens effect, the transverse ultrasonic waves (about 620 m / sec.) Of, for example, TeO 2 (tellurium dioxide) having a low ultrasonic velocity.
If an element using s) is used, the focal length due to the cylindrical lens effect can be shortened to 150 mm or less, so that there is an advantage that the entire optical path length can be shortened. In this case, high-speed scanning of 100 kHz or more can be realized. Can be. However, when higher speed scanning is required, the overall optical path length becomes longer, but even higher speed scanning can be realized by using quartz or the like having a high ultrasonic wave propagation speed.
【００３９】シリンドリカルレンズ５の焦点距離は、そ
のＦナンバーが第２の音響光学偏向器４のシリンドリカ
ルレンズ効果によるＦナンバーと等しくなるように選
ぶ。また、シリンドリカルレンズ５は、その焦点位置が
第２の音響光学偏向器４のシリンドリカルレンズ効果に
よる焦点位置と一致するような位置に配置されているの
で、焦点位置では円形なスポット形状となる。The focal length of the cylindrical lens 5 is selected so that its F-number becomes equal to the F-number of the second acousto-optic deflector 4 due to the cylindrical lens effect. In addition, since the cylindrical lens 5 is arranged at a position where the focal position coincides with the focal position of the second acousto-optic deflector 4 due to the cylindrical lens effect, the focal position has a circular spot shape.
【００４０】第２の音響光学偏向器４と同一の素子媒体
で作られた音響光学変調器６が、第２の音響光学偏向器
４のシリンドリカルレンズ効果による焦点とシリンドリ
カルレンズ５の焦点に一致する位置に配置される。The acousto-optic modulator 6 made of the same element medium as the second acousto-optic deflector 4 coincides with the focal point of the second acousto-optic deflector 4 due to the cylindrical lens effect and the focal point of the cylindrical lens 5. Placed in the position.
【００４１】音響光学変調器６と対物レンズ９との間に
は、第１の固定ミラー１２、リレーレンズ８、振動ミラ
ー１３、２個のレンズ１４，１５、及び第２の固定ミラ
ー１６が配置される。振動ミラー１３はガルバノメータ
などの回転アクチュエータ（図示せず）によって振動さ
れ、２次元走査の副走査方向（紙面に水平方向）の偏向
を行うものである。２個のレンズ１４，１５は対物レン
ズ９への入射レーザビームを所定の径に変換する目的
と、振動ミラー１３と対物レンズ９の入射瞳を共役な位
置関係に保つ目的で設けられている。A first fixed mirror 12, a relay lens 8, a vibrating mirror 13, two lenses 14, 15 and a second fixed mirror 16 are arranged between the acousto-optic modulator 6 and the objective lens 9. Is done. The vibrating mirror 13 is vibrated by a rotation actuator (not shown) such as a galvanometer, and deflects in the sub-scanning direction (horizontal direction on the paper) of two-dimensional scanning. The two lenses 14 and 15 are provided for the purpose of converting the laser beam incident on the objective lens 9 into a predetermined diameter, and for maintaining the conjugate pupil of the vibration mirror 13 and the entrance pupil of the objective lens 9.
【００４２】この２次元レーザ走査光学系は以上のよう
に構成され、つぎに動作について説明する。The two-dimensional laser scanning optical system is configured as described above, and the operation will be described below.
【００４３】レーザ光源１から出射されたレーザビーム
は、ビームエキスパンダ１１によって所定のビーム径に
拡大される。所定のビーム径に拡大されたレーザビーム
は、第１の音響光学偏向器２に入射して、紙面に垂直な
方向に微小角度偏向された後、ビームエキスパンダ３に
よって偏向方向（紙面に垂直方向）に拡大される。ビー
ムエキスパンダ３によって拡大されたレーザビームは、
第２の音響光学偏向器４の超音波回折格子のシリンドリ
カルレンズ効果によって偏向方向に収束される。The laser beam emitted from the laser light source 1 is expanded by a beam expander 11 to a predetermined beam diameter. The laser beam expanded to a predetermined beam diameter enters the first acousto-optic deflector 2, is deflected by a small angle in a direction perpendicular to the plane of the drawing, and then deflected by the beam expander 3 (in a direction perpendicular to the plane of the drawing). ). The laser beam expanded by the beam expander 3 is
The beam is converged in the deflection direction by the cylindrical lens effect of the ultrasonic diffraction grating of the second acousto-optic deflector 4.
【００４４】第１の音響光学偏向器２の偏向ビームは、
第２の音響光学偏向器４の超音波回折格子の動きに追従
するように制御されているため、第２の音響光学偏向器
４のシリンドリカルレンズ効果による収束ビームがその
超音波回折格子の移動速度、つまり超音波伝搬速度で走
査されることになる。The deflection beam of the first acousto-optic deflector 2 is
Since the movement is controlled so as to follow the movement of the ultrasonic diffraction grating of the second acousto-optic deflector 4, the convergent beam due to the cylindrical lens effect of the second acousto-optic deflector 4 moves at a moving speed of the ultrasonic diffraction grating. That is, scanning is performed at the ultrasonic wave propagation speed.
【００４５】第２の音響光学偏向器４のシリンドリカル
レンズ効果によって収束されたレーザビームは、シリン
ドリカルレンズ５によって第２の音響光学偏向器４のシ
リンドリカルレンズ効果による収束方向と直交した方向
に収束されて音響光学変調器６に入射する。その音響光
学変調器６に入射したレーザビームは、超音波回折格子
の作用によって、空間ノイズ成分のみが１次回折として
偏向され、空間ノイズ成分が除去されたレーザビームが
光軸方向に沿って音響光学変調器６を通過する。The laser beam converged by the cylindrical lens effect of the second acousto-optical deflector 4 is converged by the cylindrical lens 5 in a direction orthogonal to the convergent direction of the second acousto-optical deflector 4 by the cylindrical lens effect. The light enters the acousto-optic modulator 6. The laser beam incident on the acousto-optic modulator 6 is deflected by the action of the ultrasonic diffraction grating only as spatial diffraction components as first-order diffraction, and the laser beam from which the spatial noise components have been removed is acoustically converted along the optical axis direction. The light passes through the optical modulator 6.
【００４６】音響光学変調器６によって空間ノイズ成分
が除去されたレーザビームは、つぎに第１の固定ミラー
１２を経てリレーレンズ８に入射して、リレーレンズ８
によって振動ミラー１３に投影される。振動ミラー１３
によって偏向されたレーザビームは、２個のレンズ１
４，１５を通過した後、第２の固定ミラー１６を経て、
対物レンズ９の入射瞳に投影される。対物レンズ９の入
射瞳に投影されたレーザビームは、対物レンズ９によっ
て試料１７上に集光され、微小スポットが２次元走査さ
れる。ここでは、第２の音響光学偏向器４によって主走
査方向の高速ラスタ走査がなされ、振動ミラー１３の副
走査によって２次元走査がなされる。The laser beam from which the spatial noise component has been removed by the acousto-optic modulator 6 then enters the relay lens 8 via the first fixed mirror 12, where the laser beam
Is projected on the vibration mirror 13. Vibrating mirror 13
The laser beam deflected by the two lenses 1
After passing through 4 and 15, through the second fixed mirror 16,
It is projected on the entrance pupil of the objective lens 9. The laser beam projected on the entrance pupil of the objective lens 9 is condensed on the sample 17 by the objective lens 9, and the minute spot is two-dimensionally scanned. Here, high-speed raster scanning in the main scanning direction is performed by the second acousto-optic deflector 4, and two-dimensional scanning is performed by the sub-scanning of the vibration mirror 13.
【００４７】本発明は、上記実施の形態に限定されるこ
とはなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範
囲内において、種々の変更が可能である。例えば、本発
明のビーム偏向装置をパターン外観検出装置などに用い
る場合には、試料の透過光や反射光を検出して画像を取
得する。この場合は図４において、副走査方向の走査
は、振動ミラー１３を用いずに、移動ステージ（図示せ
ず）によって試料１８を走査することにより、振動ミラ
ー１３はアライメント、検査確認時など２次元画像を表
示装置に表示するときのみに使用する。The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical matters described in the claims. For example, when the beam deflecting device of the present invention is used in a pattern appearance detecting device or the like, an image is acquired by detecting transmitted light or reflected light of a sample. In this case, in FIG. 4, the scanning in the sub-scanning direction is performed by scanning the sample 18 with a moving stage (not shown) without using the vibration mirror 13, and the vibration mirror 13 is two-dimensionally used for alignment, inspection confirmation, and the like. Used only when displaying images on a display device.
【００４８】[0048]
【発明の効果】本発明によれば、音響光学変調器の超音
波回折格子に空間フィルターの作用をもたせることによ
って、高速で走査されるビームスポットと空間フィルタ
ーとの同期走査を実現し、走査全域にわたって変更ビー
ムの空間ノイズ成分を取り除くことができる。したがっ
て、変更ビームの質を劣化させずに、極めて高速な走査
を実現することができるため、本ビーム偏向装置をパタ
ーン外観検出装置などに適用することにより、良質な画
像を極めて高速に得ることが可能になる。According to the present invention, the ultrasonic diffraction grating of the acousto-optic modulator has a function of a spatial filter, thereby realizing synchronous scanning of the beam spot scanned at a high speed and the spatial filter, and the entire scanning area. Over time, the spatial noise component of the modified beam can be removed. Therefore, extremely high-speed scanning can be realized without deteriorating the quality of the changed beam. By applying the beam deflecting device to a pattern appearance detecting device or the like, a high-quality image can be obtained at an extremely high speed. Will be possible.
【図１】本発明によるビーム偏向装置の実施の形態を示
す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a beam deflection device according to the present invention.
【図２】音響光学偏向器と音響光学変調器の内部での超
音波回折格子の様子を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the state of an ultrasonic diffraction grating inside an acousto-optic deflector and an acousto-optic modulator.
【図３】音響光学変調器の内部での空間ノイズ成分が回
折される様子を示した概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing how a spatial noise component inside an acousto-optic modulator is diffracted.
【図４】本発明によるビーム偏向装置を用いた２次元レ
ーザ走査光学系の構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of a two-dimensional laser scanning optical system using the beam deflecting device according to the present invention.
【図５】従来のビーム偏向装置の基本構成図である。FIG. 5 is a basic configuration diagram of a conventional beam deflection device.
１：レーザ光源 ２：第１の音響光学偏向器 ３：ビームエキスパンダ ４：第２の音響光学偏向器 ５：シリンドリカルレンズ ６：音響光学変調器 ８：リレーレンズ ９：対物レンズ １０：走査面 １１：ビームエキスパンダ １３：振動ミラー １７：試料 1: laser light source 2: first acousto-optic deflector 3: beam expander 4: second acousto-optic deflector 5: cylindrical lens 6: acousto-optic modulator 8: relay lens 9: objective lens 10: scanning surface 11 ： Beam expander 13 ： Vibrating mirror 17 ： Sample
Claims (5)
偏向させる第１の音響光学偏向器と、 その第１の音響光学偏向器によって偏向されたレーザビ
ームを偏向方向に拡大するためのビームエキスパンダ
と、 拡大された前記レーザビームを偏向方向に収束させる第
２の音響光学偏向器と、 その第２の音響光学偏向器の収束方向に直交する方向に
レーザビームを収束させるシリンドリカルレンズと、 前記第２の音響光学偏向器によって収束したレーザビー
ムの焦点位置に配置され、第２の音響光学偏向器と同一
の素子媒体で作られる音響光学変調器と、を有し、 前記音響光学変調器の内部での超音波回折格子は、入射
収束ビームの集光ビームスポット径に近い適度な間隔が
空くように生成されることを特徴とするビーム偏向装
置。1. A first acousto-optic deflector for deflecting a laser beam emitted from a laser light source, and a beam expander for expanding the laser beam deflected by the first acousto-optic deflector in a deflection direction. A second acousto-optic deflector for converging the expanded laser beam in a deflecting direction; a cylindrical lens for converging the laser beam in a direction orthogonal to the convergence direction of the second acousto-optic deflector; An acousto-optic modulator disposed at a focal position of a laser beam converged by the second acousto-optic deflector and made of the same element medium as the second acousto-optic deflector; Wherein the ultrasonic diffraction grating is generated such that an appropriate interval close to the focused beam spot diameter of the incident convergent beam is left.
ドリカルレンズによって構成されることを特徴とする請
求項１に記載のビーム偏向装置。2. The beam deflecting device according to claim 1, wherein said beam expander includes a plurality of cylindrical lenses.
によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の
ビーム偏向装置。3. The beam deflecting device according to claim 1, wherein said beam expander is constituted by a wedge-shaped prism.
そのＦナンバーが第２の音響光学偏向器のシリンドリカ
ル効果によるＦナンバーと略等しいことを特徴とする請
求項１乃至３のいずれか１つの項に記載のビーム偏向装
置。4. The focal length of said cylindrical lens is
The beam deflecting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the F number is substantially equal to the F number due to a cylindrical effect of the second acousto-optic deflector.
ーレンズを配置したことを特徴とする請求項１乃至４の
いずれか１つの項に記載のビーム偏向装置。5. The beam deflecting device according to claim 1, wherein a relay lens is arranged between the acousto-optic modulator and a scanning surface.
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