JP3164232B2 - 光ビームを走査するための平らなフィ−ルドの、テレセントリック光学システム - Google Patents
光ビームを走査するための平らなフィ−ルドの、テレセントリック光学システムInfo
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- JP3164232B2 JP3164232B2 JP27279091A JP27279091A JP3164232B2 JP 3164232 B2 JP3164232 B2 JP 3164232B2 JP 27279091 A JP27279091 A JP 27279091A JP 27279091 A JP27279091 A JP 27279091A JP 3164232 B2 JP3164232 B2 JP 3164232B2
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
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- G02B13/22—Telecentric objectives or lens systems
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
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- G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors
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Description
【０００１】
【技術分野】この発明は、光ビームを走査するかまたは
偏向させるための光学システムに関するものであり、よ
り特定的には、振動する鏡のような周期的に動く反射要
素を使用する型式のビームスキャナに関するものであ
る。
偏向させるための光学システムに関するものであり、よ
り特定的には、振動する鏡のような周期的に動く反射要
素を使用する型式のビームスキャナに関するものであ
る。
【０００２】
【背景技術】ウェーハ欠陥スキャナ、レーザプリンタ、
ドキュメントスキャナおよびその種の他のものは、真っ
直ぐな線の経路に沿って平らな表面をわたって走査され
る細いコリメートされたレーザビームを使用する。この
目的のための典型的な光学走査システムは、ビームを偏
向させるために、回転するかまたは振動する平らな鏡を
用いる。コリメートされた入力ビームは、走査鏡の回転
軸に垂直に向けられ、そのため偏向された主光線は、空
間における平面を掃引する。したがって、ビームは、真
っ直ぐな線の経路に沿って走査するスポットにおいて平
らな表面を打つ。ビームコリメーションは、一般的に、
スポットの大きさが平らな表面の中央および端縁の双方
において実質的に同一のままであることを確実にする。
スポットが表面をわたって均一な速度で移動することを
確実にするために、偏向されたビームは、目標物の表面
に達する前に、このｆ・θレンズシステムを介して通過
する。次いで、ビームスポットは、走査鏡の等しい角度
の偏向のために表面上の等しい距離を掃引する。
ドキュメントスキャナおよびその種の他のものは、真っ
直ぐな線の経路に沿って平らな表面をわたって走査され
る細いコリメートされたレーザビームを使用する。この
目的のための典型的な光学走査システムは、ビームを偏
向させるために、回転するかまたは振動する平らな鏡を
用いる。コリメートされた入力ビームは、走査鏡の回転
軸に垂直に向けられ、そのため偏向された主光線は、空
間における平面を掃引する。したがって、ビームは、真
っ直ぐな線の経路に沿って走査するスポットにおいて平
らな表面を打つ。ビームコリメーションは、一般的に、
スポットの大きさが平らな表面の中央および端縁の双方
において実質的に同一のままであることを確実にする。
スポットが表面をわたって均一な速度で移動することを
確実にするために、偏向されたビームは、目標物の表面
に達する前に、このｆ・θレンズシステムを介して通過
する。次いで、ビームスポットは、走査鏡の等しい角度
の偏向のために表面上の等しい距離を掃引する。
【０００３】ｆ・θレンズシステムの設計は、簡単であ
り、かつ多くのコンパクトな比較的費用のかからないシ
ステムが商業的に入手可能である。しかしながら、これ
らのコンパクトｆ・θレンズは、テレセントリックでは
なく、すなわち、走査するビームの主光線は、レンズシ
ステムを介して通過した後で走査される平らな像平面に
垂直ではない。したがって、ビームスポットは、形状を
平らな目標物表面の中心における円形から平らな目標物
表面の端縁および角における楕円形へわずかに変化させ
る。テレセントリックｆ・θレンズシステムは、利用可
能である。２つのそのようなシステムが、米国特許第
４，８６３，２５０号および第４，８８０，２９９号に
開示される。残念なことに、テレセントリックｆ・θレ
ンズシステムは、より複雑であり、多数のレンズ要素を
有して、ずっとより大きく、より嵩ばり、かつより重
く、かつテレセントリックでない種類より高価である。
これは、主に、テレセントリックシステムにおける最終
のレンズ要素は、走査経路の長さよりも大きくなければ
ならないからである。２００ｍｍの経路をわたって走査
するように設計された典型的なテレセントリックレンズ
システムは、約１０ｋｇの重さがあり、かつ数千ドルの
費用がかかる。したがって、大抵のレーザプリンタは、
像の品質の改良の可能性があるにもかかわらず、テレセ
ントリック走査を使用しない。
り、かつ多くのコンパクトな比較的費用のかからないシ
ステムが商業的に入手可能である。しかしながら、これ
らのコンパクトｆ・θレンズは、テレセントリックでは
なく、すなわち、走査するビームの主光線は、レンズシ
ステムを介して通過した後で走査される平らな像平面に
垂直ではない。したがって、ビームスポットは、形状を
平らな目標物表面の中心における円形から平らな目標物
表面の端縁および角における楕円形へわずかに変化させ
る。テレセントリックｆ・θレンズシステムは、利用可
能である。２つのそのようなシステムが、米国特許第
４，８６３，２５０号および第４，８８０，２９９号に
開示される。残念なことに、テレセントリックｆ・θレ
ンズシステムは、より複雑であり、多数のレンズ要素を
有して、ずっとより大きく、より嵩ばり、かつより重
く、かつテレセントリックでない種類より高価である。
これは、主に、テレセントリックシステムにおける最終
のレンズ要素は、走査経路の長さよりも大きくなければ
ならないからである。２００ｍｍの経路をわたって走査
するように設計された典型的なテレセントリックレンズ
システムは、約１０ｋｇの重さがあり、かつ数千ドルの
費用がかかる。したがって、大抵のレーザプリンタは、
像の品質の改良の可能性があるにもかかわらず、テレセ
ントリック走査を使用しない。
【０００４】この発明の目的は、簡単で、低費用で、平
らなフィールドのテレセントリックレーザスポット走査
システムを提供することである。
らなフィールドのテレセントリックレーザスポット走査
システムを提供することである。
【０００５】
【発明の開示】上述の目的は、走査軸の周囲の回転また
は振動のために装着された平面の走査反射器と、テレセ
ントリック走査を与えるために走査反射器から有効焦点
距離を離れた位置に固定された凹面の球状の鏡と、平ら
なフィールドの走査を与えるためにフィールドの曲率を
補正するための球状の光学表面だけを有する付加的な光
学要素とを含む、レーザビームのための走査システムに
より満たされている。付加的な光学要素は、凹面鏡の前
にまたは後にまたは双方に連続して位置決めされた正の
メニスカスレンズであってもよい。凹面鏡およびレンズ
要素は、反射的に被覆されたレンズを形成するように一
体的に組合わせることができる。付加的な光学要素は、
また、第２の球状の鏡であってもよい。
は振動のために装着された平面の走査反射器と、テレセ
ントリック走査を与えるために走査反射器から有効焦点
距離を離れた位置に固定された凹面の球状の鏡と、平ら
なフィールドの走査を与えるためにフィールドの曲率を
補正するための球状の光学表面だけを有する付加的な光
学要素とを含む、レーザビームのための走査システムに
より満たされている。付加的な光学要素は、凹面鏡の前
にまたは後にまたは双方に連続して位置決めされた正の
メニスカスレンズであってもよい。凹面鏡およびレンズ
要素は、反射的に被覆されたレンズを形成するように一
体的に組合わせることができる。付加的な光学要素は、
また、第２の球状の鏡であってもよい。
【０００６】動作においては、光ビームが平面の走査反
射器に入射し、それによって反射され、かつ空間におけ
る表面を掃引する。反射された光ビームは、凹面鏡によ
って、テレセントリック態様で平らな目標物表面を含む
像の平面の方へ反射される。光ビームは、凹面鏡を越え
た点において像を写すように予め合焦され、かつ付加的
な光学要素が、合焦された光スポットが各走査位置のた
めに実質的に像の平面にあるように、光の経路を補正す
る。凹面鏡の場合に関連するぼんやりとする問題を防ぐ
ために、先のレンズシステムの代わりに、凹面鏡および
付加的な光学要素は、好ましくはそれらの湾曲の中心お
よび走査鏡上の主光線の入射点により規定される対称軸
から逸れて位置される。この軸から逸れた形状におい
て、走査鏡は、反射されたビームが空間における浅い円
錐体を描くように、入射光に関して傾けられる。真っ直
ぐな走査の経路も非点収差のない像および最小のコマ収
差も与えるために、最良の走査鏡の傾斜、補正的光学要
素の曲率半径および凹面鏡と補正的光学要素との間隔と
配向を特定するために、よく知られるコンピュータの光
線を追跡するプログラムが用いられてもよい。
射器に入射し、それによって反射され、かつ空間におけ
る表面を掃引する。反射された光ビームは、凹面鏡によ
って、テレセントリック態様で平らな目標物表面を含む
像の平面の方へ反射される。光ビームは、凹面鏡を越え
た点において像を写すように予め合焦され、かつ付加的
な光学要素が、合焦された光スポットが各走査位置のた
めに実質的に像の平面にあるように、光の経路を補正す
る。凹面鏡の場合に関連するぼんやりとする問題を防ぐ
ために、先のレンズシステムの代わりに、凹面鏡および
付加的な光学要素は、好ましくはそれらの湾曲の中心お
よび走査鏡上の主光線の入射点により規定される対称軸
から逸れて位置される。この軸から逸れた形状におい
て、走査鏡は、反射されたビームが空間における浅い円
錐体を描くように、入射光に関して傾けられる。真っ直
ぐな走査の経路も非点収差のない像および最小のコマ収
差も与えるために、最良の走査鏡の傾斜、補正的光学要
素の曲率半径および凹面鏡と補正的光学要素との間隔と
配向を特定するために、よく知られるコンピュータの光
線を追跡するプログラムが用いられてもよい。
【０００７】
【発明を実施するための最良のモード】図１を参照する
と、この発明に従った光学スキャナシステムの実施例
は、平面の走査反射器１１と、固定された凹面鏡１３お
よび付加的な光学要素、この場合には反射器１１および
鏡１３の間のレンズ１５とを含み、それらが走査の動き
におけるビームを目標物表面１９の上に向けるために光
ビーム１７ａないし１７ｃの経路に連続的に配置され
る。「ビーム」は、光線束からなり、それは、ビームが
合焦されるので、幾何学上の点に収束する。図面は、ビ
ームの光線束の中心における主光線のみを示す。平面反
射器１１は、光ビーム１７ａの主光線が反射器１１上の
点２１に入射するように、かつビームが反射器１１によ
って凹面鏡１３の方へ偏向させられるように、配置され
る。反射器１１は、反射された光ビーム１７ｂが空間に
おいて円錐のまたは平面の表面を描くようにさせるよう
に、走査軸２３の周囲を移動することができる。
と、この発明に従った光学スキャナシステムの実施例
は、平面の走査反射器１１と、固定された凹面鏡１３お
よび付加的な光学要素、この場合には反射器１１および
鏡１３の間のレンズ１５とを含み、それらが走査の動き
におけるビームを目標物表面１９の上に向けるために光
ビーム１７ａないし１７ｃの経路に連続的に配置され
る。「ビーム」は、光線束からなり、それは、ビームが
合焦されるので、幾何学上の点に収束する。図面は、ビ
ームの光線束の中心における主光線のみを示す。平面反
射器１１は、光ビーム１７ａの主光線が反射器１１上の
点２１に入射するように、かつビームが反射器１１によ
って凹面鏡１３の方へ偏向させられるように、配置され
る。反射器１１は、反射された光ビーム１７ｂが空間に
おいて円錐のまたは平面の表面を描くようにさせるよう
に、走査軸２３の周囲を移動することができる。
【０００８】凹面鏡１３は、光ビーム１７ｂを遮り、か
つ光をビーム部分１７ｃとして目標物表面１９の方へ再
び向ける位置に固定される。鏡１３は、曲率半径を特徴
とする球状の反射面２１を有する。約１メートルの鏡の
曲率半径が典型的である。目標物１９のテレセントリッ
ク走査を得るために、光ビーム１７ａの主光線と平面走
査鏡１１との交点２１と、システムの主要主面との間隔
は、光学系の有効焦点距離に等しくなければならない。
この光学系は目標物面１９に至る光路１７ａ，１７ｂお
よび１７ｃにおける光学要素１１、１３、１５のすべて
を含む。このシステムにおける凹面鏡１３は比較的強
く、かつ補正要素ビームレンズ１５は比較的弱いので、
システムの主要主面は、凹面鏡１３に近い。したがっ
て、凹面鏡１３は、光ビーム１７ｂの経路における任意
の介在する光学要素１５との組合わせにおいて凹面鏡１
３の有効焦点距離にほぼ等しい走査ビーム１７ｂに沿っ
た距離だけ平面走査反射器１１から間隔をあけられるべ
きである。この焦点距離は、反射面２１の曲率半径の約
半分であるかまたは典型的には約５００ｍｍである。こ
の距離はただおおよそのものであり、それは、（１）凹
面鏡１３の表面２１は、放物線状であるよりは球状であ
り、（２）曲率半径の半分の距離は、凹面鏡１３の端縁
が鏡１３の中心よりも平面の走査された反射器１１上の
光入射点２１からわずかにより遠いことを意味し、かつ
（３）図１における介在する正レンズ１５は、光ビーム
１７ｂの経路をわずかに変え、それによってミラーとレ
ンズの組合わせ１３および１５の有効焦点距離をわずか
に短くするからである。さらに、テレセントリック走査
のために、凹面鏡１３は、少なくとも目標物表面上の走
査経路が長いのと同じぐらい大きくならなければなら
ず、それはすなわち典型的には約２００ｍｍの長さであ
る。典型的に、走査は、数ミリラジアンだけ完全なテレ
セントリシティから外れる。
つ光をビーム部分１７ｃとして目標物表面１９の方へ再
び向ける位置に固定される。鏡１３は、曲率半径を特徴
とする球状の反射面２１を有する。約１メートルの鏡の
曲率半径が典型的である。目標物１９のテレセントリッ
ク走査を得るために、光ビーム１７ａの主光線と平面走
査鏡１１との交点２１と、システムの主要主面との間隔
は、光学系の有効焦点距離に等しくなければならない。
この光学系は目標物面１９に至る光路１７ａ，１７ｂお
よび１７ｃにおける光学要素１１、１３、１５のすべて
を含む。このシステムにおける凹面鏡１３は比較的強
く、かつ補正要素ビームレンズ１５は比較的弱いので、
システムの主要主面は、凹面鏡１３に近い。したがっ
て、凹面鏡１３は、光ビーム１７ｂの経路における任意
の介在する光学要素１５との組合わせにおいて凹面鏡１
３の有効焦点距離にほぼ等しい走査ビーム１７ｂに沿っ
た距離だけ平面走査反射器１１から間隔をあけられるべ
きである。この焦点距離は、反射面２１の曲率半径の約
半分であるかまたは典型的には約５００ｍｍである。こ
の距離はただおおよそのものであり、それは、（１）凹
面鏡１３の表面２１は、放物線状であるよりは球状であ
り、（２）曲率半径の半分の距離は、凹面鏡１３の端縁
が鏡１３の中心よりも平面の走査された反射器１１上の
光入射点２１からわずかにより遠いことを意味し、かつ
（３）図１における介在する正レンズ１５は、光ビーム
１７ｂの経路をわずかに変え、それによってミラーとレ
ンズの組合わせ１３および１５の有効焦点距離をわずか
に短くするからである。さらに、テレセントリック走査
のために、凹面鏡１３は、少なくとも目標物表面上の走
査経路が長いのと同じぐらい大きくならなければなら
ず、それはすなわち典型的には約２００ｍｍの長さであ
る。典型的に、走査は、数ミリラジアンだけ完全なテレ
セントリシティから外れる。
【０００９】付加的な光学要素、すなわちレンズ１５
は、球面を有し、光ビーム１７ｂの経路において平面走
査反射器１１および凹面鏡１３の間に置かれた正のメニ
スカスレンズである。レンズ１５は、凹面鏡１３から反
射されたビーム１７ｃが、ただテレセントリックである
だけではなく、平らなフィールド、すなわち目標物表面
１９と一致する平面における像でもあるように、光の経
路をわずかに調整する補正レンズである。入射光ビーム
１７ａは、好ましくは凹面鏡１３を越えて目標物表面１
９上の小さい直径のスポット２４における像に予め合焦
される。しかしながら、走査反射器１１から目標物表面
１９までの光１７ｂおよび１７ｃによりカバーされる距
離は、走査の位置によりわずかに変化するであろうか
ら、合焦されたスポット２４が走査位置にかかわらず目
標物表面に対応する平面において像を写すように光の経
路の長さを有効に補正するために、レンズ１５が加えら
れる。２０μｍが、約２００ｍｍの走査長さを通して平
らなフィールド走査において維持される典型的な合焦さ
れたスポットの大きさである。凹面鏡１３からレンズ１
５の距離およびレンズ１５の球状の表面の曲率半径は、
互いに関して相互に調整することができ、それはただ合
焦された光スポット２４のために平面の像のフィールド
を得るためにフィールドの湾曲をなくすためだけではな
く、非点収差のないスポットの像を達成しかつある程度
まで第３のオーダのコマ収差を減少させるためでもあ
る。そのような調整をもたらすコンピュータプログラム
の使用は、光学の分野においてよく知られている。
は、球面を有し、光ビーム１７ｂの経路において平面走
査反射器１１および凹面鏡１３の間に置かれた正のメニ
スカスレンズである。レンズ１５は、凹面鏡１３から反
射されたビーム１７ｃが、ただテレセントリックである
だけではなく、平らなフィールド、すなわち目標物表面
１９と一致する平面における像でもあるように、光の経
路をわずかに調整する補正レンズである。入射光ビーム
１７ａは、好ましくは凹面鏡１３を越えて目標物表面１
９上の小さい直径のスポット２４における像に予め合焦
される。しかしながら、走査反射器１１から目標物表面
１９までの光１７ｂおよび１７ｃによりカバーされる距
離は、走査の位置によりわずかに変化するであろうか
ら、合焦されたスポット２４が走査位置にかかわらず目
標物表面に対応する平面において像を写すように光の経
路の長さを有効に補正するために、レンズ１５が加えら
れる。２０μｍが、約２００ｍｍの走査長さを通して平
らなフィールド走査において維持される典型的な合焦さ
れたスポットの大きさである。凹面鏡１３からレンズ１
５の距離およびレンズ１５の球状の表面の曲率半径は、
互いに関して相互に調整することができ、それはただ合
焦された光スポット２４のために平面の像のフィールド
を得るためにフィールドの湾曲をなくすためだけではな
く、非点収差のないスポットの像を達成しかつある程度
まで第３のオーダのコマ収差を減少させるためでもあ
る。そのような調整をもたらすコンピュータプログラム
の使用は、光学の分野においてよく知られている。
【００１０】入射のおよび屈折された光ビームがレンズ
の反対側の上にある先行技術のｆ・θレンズ要素と反対
に、凹面鏡の要素の使用は入射のおよび屈折された光ビ
ームが凹面鏡と同一側上にあることを結果として生ずる
ので、目標物表面による光がぼんやりとなることはもし
かすると問題である。図１において、凹面鏡１３は軸を
逸れて位置されており、それで走査鏡１１から反射され
た光ビーム１７ｂは、目標物表面１９による妨害なしに
凹面鏡１３に達し、それから目標物表面１９へ続く。対
称軸２５は、走査反射器１１上のビーム１７ａの主光線
の入射点２１を介してかつ鏡１３の凹面鏡表面２１がそ
の一部である球２７の中心点を介して通過する線により
規定される。メニスカスレンズ１５の表面を構成する球
２９は、好ましくはそれらの中心をやはり対称軸上に有
する。実際の光学要素１３および１５それら自身は、図
１において示される「軸を逸れた」形状において対称軸
上にはない。平面の走査反射器１１は、入射光ビーム１
７ａの主光線に関して垂直から傾けて離されかつ対称軸
に垂直から傾けて離され、それは反射されたビーム１７
ｂがレンズ１５へ、かつ凹面鏡１３へ、かつ次いで像の
平面１９へ障害なしに軸から逸れて続くようにである。
もし走査反射器１１を去るビーム１７ｂが、それがｆ・
θレンズシステムにおいて行なうように空間において平
面を描けば、次いで図１の軸を逸れた形状において最終
の合焦されたスポット２４が湾曲された走査線に従うで
あろう。しかしながら、目標物表面１９上の走査経路
は、走査反射器１１の適正な傾斜とレンズおよび鏡要素
１３および１５の適正な配向とを組合わせることによ
り、真っ直ぐにすることができ、そのため走査鏡１１か
ら反射された光１７ｂは、入射光ビーム１７ａから典型
的に約１５°の空間における円錐体の表面を描く。次い
で、凹面鏡１３により反射されたビーム１７ｃはほぼ平
面の表面を描き、それは好ましくは対称軸に平行であ
り、それはほとんど真っ直ぐな線の走査の経路において
像の平面または目標物平面１９をただ非常に小さいリッ
プル項（ripple terms）で遮る。典型的には、結果とし
て生ずる走査は、２００ｍｍの走査長さを通してただ１
または２マイクロメータだけ真っ直ぐな線の経路から外
れる。
の反対側の上にある先行技術のｆ・θレンズ要素と反対
に、凹面鏡の要素の使用は入射のおよび屈折された光ビ
ームが凹面鏡と同一側上にあることを結果として生ずる
ので、目標物表面による光がぼんやりとなることはもし
かすると問題である。図１において、凹面鏡１３は軸を
逸れて位置されており、それで走査鏡１１から反射され
た光ビーム１７ｂは、目標物表面１９による妨害なしに
凹面鏡１３に達し、それから目標物表面１９へ続く。対
称軸２５は、走査反射器１１上のビーム１７ａの主光線
の入射点２１を介してかつ鏡１３の凹面鏡表面２１がそ
の一部である球２７の中心点を介して通過する線により
規定される。メニスカスレンズ１５の表面を構成する球
２９は、好ましくはそれらの中心をやはり対称軸上に有
する。実際の光学要素１３および１５それら自身は、図
１において示される「軸を逸れた」形状において対称軸
上にはない。平面の走査反射器１１は、入射光ビーム１
７ａの主光線に関して垂直から傾けて離されかつ対称軸
に垂直から傾けて離され、それは反射されたビーム１７
ｂがレンズ１５へ、かつ凹面鏡１３へ、かつ次いで像の
平面１９へ障害なしに軸から逸れて続くようにである。
もし走査反射器１１を去るビーム１７ｂが、それがｆ・
θレンズシステムにおいて行なうように空間において平
面を描けば、次いで図１の軸を逸れた形状において最終
の合焦されたスポット２４が湾曲された走査線に従うで
あろう。しかしながら、目標物表面１９上の走査経路
は、走査反射器１１の適正な傾斜とレンズおよび鏡要素
１３および１５の適正な配向とを組合わせることによ
り、真っ直ぐにすることができ、そのため走査鏡１１か
ら反射された光１７ｂは、入射光ビーム１７ａから典型
的に約１５°の空間における円錐体の表面を描く。次い
で、凹面鏡１３により反射されたビーム１７ｃはほぼ平
面の表面を描き、それは好ましくは対称軸に平行であ
り、それはほとんど真っ直ぐな線の走査の経路において
像の平面または目標物平面１９をただ非常に小さいリッ
プル項（ripple terms）で遮る。典型的には、結果とし
て生ずる走査は、２００ｍｍの走査長さを通してただ１
または２マイクロメータだけ真っ直ぐな線の経路から外
れる。
【００１１】図２を参照すると、この発明の他の実施例
は、レンズ要素３５を光ビーム３７ｃの経路において凹
面鏡３３からそれが反射された後に置く。図１における
第１の実施例におけるように、図２の実施例は、入射光
３７ａの経路に配置され、かつ反射された光３７ｂが入
射ビーム３７ａから約１５°空間において浅い円錐体表
面を描くようにさせるように軸４３の周囲を移動できる
平面走査反射器３１を含む。この実施例は、また、スキ
ャナ偏向された光ビーム３７ｂを反射するための位置に
固定された球状の反射面４１を有する凹面鏡３３をも含
む。球面４１は、目標物表面３９のテレセントリック走
査を与えるように、走査鏡３１および凹面鏡３３の間の
距離のほぼ２倍である曲率半径を有する。光ビーム３７
ａないし３７ｃは、最終のスポットが目標物表面３９に
おいて平面において合焦するように、予め合焦される。
レンズ要素３５は、光経路３７ｃにおいて凹面鏡３３お
よび目標物表面３９の間に配置されて合焦されたビーム
３７ｃの像の任意のフィールドの湾曲を補正するための
正のメニスカスレンズであり、かつそれによって実質的
に一定のスポットの大きさで平らなフィールドの走査を
与えるためのものである。任意の与えられたレンズの位
置に対して走査フィールドを平らにかつ非点収差のない
ものにしながら、テレセントリシティを保つレンズの形
状を選択するためにコンピュータソフトウェアを使用す
ることは、知られている。図２の鏡の後にレンズの実施
例は、もしレンズ３５が凹面鏡３３および像の平面３９
の間のほぼ中間にあるように位置決めされ、かつレンズ
の形状が平らなフィールドのために選択されれば、コマ
収差もまた完全に消されることができるという注目すべ
き特性を有することが発見される。鏡３３から像３９ま
での距離は、１メーターの半径の凹面鏡に対して典型的
には約８５ｍｍである。
は、レンズ要素３５を光ビーム３７ｃの経路において凹
面鏡３３からそれが反射された後に置く。図１における
第１の実施例におけるように、図２の実施例は、入射光
３７ａの経路に配置され、かつ反射された光３７ｂが入
射ビーム３７ａから約１５°空間において浅い円錐体表
面を描くようにさせるように軸４３の周囲を移動できる
平面走査反射器３１を含む。この実施例は、また、スキ
ャナ偏向された光ビーム３７ｂを反射するための位置に
固定された球状の反射面４１を有する凹面鏡３３をも含
む。球面４１は、目標物表面３９のテレセントリック走
査を与えるように、走査鏡３１および凹面鏡３３の間の
距離のほぼ２倍である曲率半径を有する。光ビーム３７
ａないし３７ｃは、最終のスポットが目標物表面３９に
おいて平面において合焦するように、予め合焦される。
レンズ要素３５は、光経路３７ｃにおいて凹面鏡３３お
よび目標物表面３９の間に配置されて合焦されたビーム
３７ｃの像の任意のフィールドの湾曲を補正するための
正のメニスカスレンズであり、かつそれによって実質的
に一定のスポットの大きさで平らなフィールドの走査を
与えるためのものである。任意の与えられたレンズの位
置に対して走査フィールドを平らにかつ非点収差のない
ものにしながら、テレセントリシティを保つレンズの形
状を選択するためにコンピュータソフトウェアを使用す
ることは、知られている。図２の鏡の後にレンズの実施
例は、もしレンズ３５が凹面鏡３３および像の平面３９
の間のほぼ中間にあるように位置決めされ、かつレンズ
の形状が平らなフィールドのために選択されれば、コマ
収差もまた完全に消されることができるという注目すべ
き特性を有することが発見される。鏡３３から像３９ま
での距離は、１メーターの半径の凹面鏡に対して典型的
には約８５ｍｍである。
【００１２】図３を参照すると、構成するのに最も簡単
な実施例は、図１または図２の凹面鏡１３または３３を
レンズ要素と１個の合成の要素に、すなわちレンズ５５
を反射的被覆５３と１つの表面上で組合わせる。この形
状は、また、整列させるのが最も容易である。平面走査
鏡５１は、入射光ビーム５７ａを経路５７ｂに沿って反
射し、それは、鏡５１が走査軸６０の周囲を回転するか
または振動するにつれて平面または入射光経路５７ａか
ら約１５°空間において円錐体の浅い表面を掃引する。
レンズ５５は、球面および走査鏡５１から最も遠いレン
ズ５５の表面上の反射ミラー被覆５３を有する両凸のレ
ンズである。したがって、ミラー被覆５３は、機能上図
１および図２における鏡１３および３３のような凹面鏡
を形成する。レンズとミラー被覆の組合わせは、光ビー
ム５７ｃによる像の平面５９における目標物表面のテレ
セントリック走査のために走査鏡５１から焦点距離を離
れて間隔をあけられる。レンズ５５は、非点収差のない
システムにおいてはほぼ対称であるが、もしレンズ５５
がより低い製造費用のために完全に対称につくられる
と、残余の非点収差は良好な性能のためになお十分に低
い。この形状においてビームの質は、像の平面５９が図
１および図２の実施例におけるように鏡に接近している
（１００ｍｍより少なく離れている）よりも反射的レン
ズ表面被覆５３から有効焦点距離の約８０％離されてい
るときに、最も良好である。典型的には、鏡から像への
距離は、約４００ｍｍである。この大きな間隔は、この
実施例をベアウェーハの走査システムにおいて有用に
し、そこでは光学装置により散乱させられる光の影響
は、走査光学要素５３および５５がウェーハ表面から遠
くなるほどより有害でなくなる。
な実施例は、図１または図２の凹面鏡１３または３３を
レンズ要素と１個の合成の要素に、すなわちレンズ５５
を反射的被覆５３と１つの表面上で組合わせる。この形
状は、また、整列させるのが最も容易である。平面走査
鏡５１は、入射光ビーム５７ａを経路５７ｂに沿って反
射し、それは、鏡５１が走査軸６０の周囲を回転するか
または振動するにつれて平面または入射光経路５７ａか
ら約１５°空間において円錐体の浅い表面を掃引する。
レンズ５５は、球面および走査鏡５１から最も遠いレン
ズ５５の表面上の反射ミラー被覆５３を有する両凸のレ
ンズである。したがって、ミラー被覆５３は、機能上図
１および図２における鏡１３および３３のような凹面鏡
を形成する。レンズとミラー被覆の組合わせは、光ビー
ム５７ｃによる像の平面５９における目標物表面のテレ
セントリック走査のために走査鏡５１から焦点距離を離
れて間隔をあけられる。レンズ５５は、非点収差のない
システムにおいてはほぼ対称であるが、もしレンズ５５
がより低い製造費用のために完全に対称につくられる
と、残余の非点収差は良好な性能のためになお十分に低
い。この形状においてビームの質は、像の平面５９が図
１および図２の実施例におけるように鏡に接近している
（１００ｍｍより少なく離れている）よりも反射的レン
ズ表面被覆５３から有効焦点距離の約８０％離されてい
るときに、最も良好である。典型的には、鏡から像への
距離は、約４００ｍｍである。この大きな間隔は、この
実施例をベアウェーハの走査システムにおいて有用に
し、そこでは光学装置により散乱させられる光の影響
は、走査光学要素５３および５５がウェーハ表面から遠
くなるほどより有害でなくなる。
【００１３】図４を参照すると、第４の実施例は、図１
および図２におけるように２つの別個のかつ間隔をあけ
られたレンズおよび鏡要素７５および７３を使用する
が、光経路７７ａないし７７ｃは、図３におけるように
レンズ７５を二度横切り、凹面鏡７３へおよび凹面鏡７
３からの双方に進む。レンズ７５は、球状の表面を有す
る両凸のレンズであり、典型的には凹面鏡７３から約１
００ｍｍの距離間隔をあけられる。凹面鏡７３は、典型
的には約２メートルである曲率半径を有する球状の反射
面８１を有する。凹面鏡７３は、組合わせられたレンズ
７５およびミラー７３のシステムの有効焦点距離に等し
い距離だけ平面の走査鏡７１から間隔をあけられる。こ
の距離は、凹面鏡７３の曲率半径の約半分であり、また
は約１メートルであり、レンズの焦点距離により補正さ
れ、それは約６２５ｍｍの距離までである。レンズ７５
は、先の実施例の平らなフィールドおよび非点収差のな
い必要条件に加えて、図２のようにコマ収差のないシス
テムのために選択されてもよい。コマ収差のない場合に
おいては、システムの焦点距離は約６２５ｍｍであり、
鏡から像までの平面距離は約４００ｍｍであり、かつレ
ンズから像までの平面距離は約３００ｍｍである。図４
の実施例の可能性のある不利益は、光ビーム７７ａない
し７７ｃが平面スキャナ７１および像の平面７９の間の
５つの表面を有効に横切り、そこでこのシステムはレン
ズの反射および散乱の傾向があることである。それにも
かかわらず、コマ収差のない解決における最終のレンズ
表面８３および像の平面の間の大きい３００ｍｍの距離
は、それがベアウェーハのスキャナにおいて何も実質的
な問題なしに使用することができることを意味する。
および図２におけるように２つの別個のかつ間隔をあけ
られたレンズおよび鏡要素７５および７３を使用する
が、光経路７７ａないし７７ｃは、図３におけるように
レンズ７５を二度横切り、凹面鏡７３へおよび凹面鏡７
３からの双方に進む。レンズ７５は、球状の表面を有す
る両凸のレンズであり、典型的には凹面鏡７３から約１
００ｍｍの距離間隔をあけられる。凹面鏡７３は、典型
的には約２メートルである曲率半径を有する球状の反射
面８１を有する。凹面鏡７３は、組合わせられたレンズ
７５およびミラー７３のシステムの有効焦点距離に等し
い距離だけ平面の走査鏡７１から間隔をあけられる。こ
の距離は、凹面鏡７３の曲率半径の約半分であり、また
は約１メートルであり、レンズの焦点距離により補正さ
れ、それは約６２５ｍｍの距離までである。レンズ７５
は、先の実施例の平らなフィールドおよび非点収差のな
い必要条件に加えて、図２のようにコマ収差のないシス
テムのために選択されてもよい。コマ収差のない場合に
おいては、システムの焦点距離は約６２５ｍｍであり、
鏡から像までの平面距離は約４００ｍｍであり、かつレ
ンズから像までの平面距離は約３００ｍｍである。図４
の実施例の可能性のある不利益は、光ビーム７７ａない
し７７ｃが平面スキャナ７１および像の平面７９の間の
５つの表面を有効に横切り、そこでこのシステムはレン
ズの反射および散乱の傾向があることである。それにも
かかわらず、コマ収差のない解決における最終のレンズ
表面８３および像の平面の間の大きい３００ｍｍの距離
は、それがベアウェーハのスキャナにおいて何も実質的
な問題なしに使用することができることを意味する。
【００１４】図５を参照すると、この発明に従った走査
システムの第５の実施例は、走査軸９３の周囲を移動す
ることができ、かつ入射光ビーム９５ａの経路に置かれ
た平面の走査反射器９１を含む。走査反射器９１から反
射された走査光ビーム９５ｂの経路における連続した２
つの軸を逸れた鏡９７および９９は、像の平面１０１に
おける目標物表面上に入射する光ビーム９５ｃのテレセ
ントリックな走査を生ずる。テレセントリック走査のた
めに、凹面鏡９９は、平面走査鏡９１から２つの鏡シス
テム９７および９９の有効焦点距離にほぼ等しい量だけ
走査光ビーム９５ｂの光経路に沿った距離間隔をあけら
れるべきである。鏡９７は弱い凹面鏡であるので、この
距離は、凹面鏡９９の球状の表面の曲率半径の約半分で
あるか、または約５００ｍｍである。入射光ビーム９５
ａは、凹面鏡９９を越えたスポットにおいて像を写すよ
うに予め合焦される。凹面鏡９７は、光経路９５ｂにお
ける平面走査鏡９１および凹面鏡９９の間の付加的な光
学要素であり、像の平面１０１における焦点の平らなフ
ィールドを与えるように光経路９５ｂをわずかに補正す
る。したがって、像の平面１０１に置かれた目標物表面
上の光ビーム９５ｃのスポットの大きさは、ビームが目
標物表面を走査するのにつれて実質的に大きさを変えな
い。コマ収差および非点収差の双方は十分に補正されな
いが、鏡から鏡への間隔および凹面鏡９９および像の平
面１０１の間の距離を可能な限り小さくすることにより
かなり低くすることができる。
システムの第５の実施例は、走査軸９３の周囲を移動す
ることができ、かつ入射光ビーム９５ａの経路に置かれ
た平面の走査反射器９１を含む。走査反射器９１から反
射された走査光ビーム９５ｂの経路における連続した２
つの軸を逸れた鏡９７および９９は、像の平面１０１に
おける目標物表面上に入射する光ビーム９５ｃのテレセ
ントリックな走査を生ずる。テレセントリック走査のた
めに、凹面鏡９９は、平面走査鏡９１から２つの鏡シス
テム９７および９９の有効焦点距離にほぼ等しい量だけ
走査光ビーム９５ｂの光経路に沿った距離間隔をあけら
れるべきである。鏡９７は弱い凹面鏡であるので、この
距離は、凹面鏡９９の球状の表面の曲率半径の約半分で
あるか、または約５００ｍｍである。入射光ビーム９５
ａは、凹面鏡９９を越えたスポットにおいて像を写すよ
うに予め合焦される。凹面鏡９７は、光経路９５ｂにお
ける平面走査鏡９１および凹面鏡９９の間の付加的な光
学要素であり、像の平面１０１における焦点の平らなフ
ィールドを与えるように光経路９５ｂをわずかに補正す
る。したがって、像の平面１０１に置かれた目標物表面
上の光ビーム９５ｃのスポットの大きさは、ビームが目
標物表面を走査するのにつれて実質的に大きさを変えな
い。コマ収差および非点収差の双方は十分に補正されな
いが、鏡から鏡への間隔および凹面鏡９９および像の平
面１０１の間の距離を可能な限り小さくすることにより
かなり低くすることができる。
【００１５】約５００ｍｍの有効焦点距離を有するシス
テムにおいては、鏡の間隔および像の平面距離は、好ま
しくは各々５０ｍｍまたはより少ない。しかしながら、
図５における２つの鏡の実施例においては、完全に非点
収差なしでもある平らなフィールドのテレセントリック
スキャナを作るのに十分な自由度がない。コマ収差は、
非常に低く、無視してよいようにされる。
テムにおいては、鏡の間隔および像の平面距離は、好ま
しくは各々５０ｍｍまたはより少ない。しかしながら、
図５における２つの鏡の実施例においては、完全に非点
収差なしでもある平らなフィールドのテレセントリック
スキャナを作るのに十分な自由度がない。コマ収差は、
非常に低く、無視してよいようにされる。
【００１６】上述の実施例は、５００ｍｍのシステムの
有効焦点距離で、２００ｍｍの目標物表面上の走査距離
にわたって、かつ約２０μｍの実質的に一定の１／ｅ2
のスポット直径で、テレセントリックの平らなフィール
ドの走査ができる。他の走査距離をテレセントリックに
かつ平らなフィールドにおける他のスポットの大きさで
走査するために、類似した実施例を考案することができ
る。実施例は、図５において示されるものを除いて、実
質的に非点収差がない。図２および図４の実施例は、コ
マ収差なしに作ることができ、かつ図５の実施例におい
ては、コマ収差は無視してよくされる。すべての湾曲し
た光学表面は、製造の容易さおよび低費用のために球状
にされる。図３および図４の実施例は、それらの最終の
光学要素から像の平面への大きい距離により、裸のウェ
ーハスキャナにおいて特に適している。示されかつ説明
された実施例のすべては、ぼやけの問題を避けるため
に、好ましくは軸を逸れた光学要素で作られるが、対称
軸から対象物表面上の走査線までのオフセット距離は約
１５０ｍｍより大きくないように保たれ、かつ走査の湾
曲は、本質的に無視してもよい真っ直ぐでなさで、すな
わちスポットの大きさの１０％より少ない線からのピー
クからピークの走査のずれで、真っ直ぐに線にされる。
有効焦点距離で、２００ｍｍの目標物表面上の走査距離
にわたって、かつ約２０μｍの実質的に一定の１／ｅ2
のスポット直径で、テレセントリックの平らなフィール
ドの走査ができる。他の走査距離をテレセントリックに
かつ平らなフィールドにおける他のスポットの大きさで
走査するために、類似した実施例を考案することができ
る。実施例は、図５において示されるものを除いて、実
質的に非点収差がない。図２および図４の実施例は、コ
マ収差なしに作ることができ、かつ図５の実施例におい
ては、コマ収差は無視してよくされる。すべての湾曲し
た光学表面は、製造の容易さおよび低費用のために球状
にされる。図３および図４の実施例は、それらの最終の
光学要素から像の平面への大きい距離により、裸のウェ
ーハスキャナにおいて特に適している。示されかつ説明
された実施例のすべては、ぼやけの問題を避けるため
に、好ましくは軸を逸れた光学要素で作られるが、対称
軸から対象物表面上の走査線までのオフセット距離は約
１５０ｍｍより大きくないように保たれ、かつ走査の湾
曲は、本質的に無視してもよい真っ直ぐでなさで、すな
わちスポットの大きさの１０％より少ない線からのピー
クからピークの走査のずれで、真っ直ぐに線にされる。
【図１】 鏡の前にレンズの配置を有するこの発明に従
った第１の平らなフィールドのテレセントリックスキャ
ナの実施例の側面概略図である。
った第１の平らなフィールドのテレセントリックスキャ
ナの実施例の側面概略図である。
【図２】 鏡の後にレンズの配置を有するこの発明に従
った第２の平らなフィールドのテレセントリックスキャ
ナの実施例の側面概略図である。
った第２の平らなフィールドのテレセントリックスキャ
ナの実施例の側面概略図である。
【図３】 反射被覆されたレンズの配置を有するこの発
明に従った第３の平らなフィールドのテレセントリック
スキャナの実施例の側面概略図である。
明に従った第３の平らなフィールドのテレセントリック
スキャナの実施例の側面概略図である。
【図４】 ２通過のレンズの配置を有するこの発明に従
った第４の平らなフィールドのテレセントリックスキャ
ナの実施例の側面概略図である。
った第４の平らなフィールドのテレセントリックスキャ
ナの実施例の側面概略図である。
【図５】 ２つの鏡レンズの配置を有するこの発明に従
った第５の平らなフィールドのテレセントリックスキャ
ナの実施例の側面概略図である。
った第５の平らなフィールドのテレセントリックスキャ
ナの実施例の側面概略図である。
１１ 平面の走査反射器、１３ 鏡、１５ レンズ、１
７ａないし１７ｃ 光ビーム、１９ 目標物表面、２３
スポット、２５ 対称軸。
７ａないし１７ｃ 光ビーム、１９ 目標物表面、２３
スポット、２５ 対称軸。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 26/10
Claims (10)
- 【請求項１】 光ビームを走査するための平らなフィー
ルドの、テレセントリック光学システムであって、 合焦された光ビームの経路に配置されて、その上に入射
する前記光ビームを偏向させるための平面反射器を含
み、前記平面反射器は走査軸の周囲を移動することがで
き、さらに主要主面と有効焦点距離とを有する複合光学
系を含み、前記複合光学系は、 前記偏向された光ビームの経路における位置に固定され
た、曲率半径を特徴とする球状の反射面を有する凹面鏡
と、 少なくとも１つの球状の光学表面を有する光経路におけ
る他の光学要素とを含み、 平面反射器と主要主面との間の間隔は前記光ビームの偏
向の間有効焦点距離にほぼ等しく、 それによって前記他の光学要素は、前記光ビームが焦点
の実質的に平らなフィールドで目標物平面を走査するよ
うに、前記偏向された光ビームの経路を補正する、シス
テム。 - 【請求項２】 前記光学要素はレンズである、請求項１
に記載のシステム。 - 【請求項３】 前記レンズは、前記凹面鏡および前記平
面反射器の間の光経路において位置決めされる、請求項
２に記載のシステム。 - 【請求項４】 前記レンズは、前記凹面鏡によって反射
される光の光経路に位置決めされる、請求項２に記載の
システム。 - 【請求項５】 前記レンズは、前記凹面鏡と、前記反射
器との間の光経路および前記凹面鏡によって反射される
光の光経路の双方に位置決めされる、請求項２に記載の
システム。 - 【請求項６】 前記レンズは前記凹面鏡と一体であり、
前記レンズは前記凹面鏡を形成するように後の表面上に
反射被覆を有する、請求項５に記載のシステム。 - 【請求項７】 前記レンズは、前記凹面鏡から離れて間
隔をあけられる、請求項５に記載のシステム。 - 【請求項８】 前記光学要素は、前記平面反射器および
前記凹面鏡の間の前記光経路に置かれた凸面の球面鏡で
ある、請求項１に記載のシステム。 - 【請求項９】 前記平面反射器上の前記光ビームの主光
線の入射点を介してかつ前記凹面鏡の前記球状の反射面
の湾曲の中心を介して対称軸が規定され、前記凹面鏡は
前記対称軸から逸れて位置決めされ、前記平面反射器
は、前記光ビームを前記軸を逸れた凹面鏡の方へ偏向さ
せるように、前記入射光ビームに関して傾けられ、かつ
前記対称軸に垂直から傾けて離される、請求項１に記載
のシステム。 - 【請求項１０】 前記平面反射器、前記凹面鏡および前
記光学要素のそれぞれの位置および配向は、前記光ビー
ムの実質的に真っ直ぐな線走査を与えるように選択され
る、請求項９に記載のシステム。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US602201 | 1990-10-22 | ||
| US07/602,201 US5168386A (en) | 1990-10-22 | 1990-10-22 | Flat field telecentric scanner |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04260017A JPH04260017A (ja) | 1992-09-16 |
| JP3164232B2 true JP3164232B2 (ja) | 2001-05-08 |
Family
ID=24410391
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27279091A Expired - Lifetime JP3164232B2 (ja) | 1990-10-22 | 1991-10-21 | 光ビームを走査するための平らなフィ−ルドの、テレセントリック光学システム |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5168386A (ja) |
| JP (1) | JP3164232B2 (ja) |
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