JP3463798B2 - 光学スキャナ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステージに載置し
た対象に光を照射し、ステージを移動させつつ光を走査
する光学スキャナ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工装置などでは、対象をステー
ジに載置してＸ軸方向に移動させ、その状態でレーザビ
ームを対象に照射して、照射位置を、Ｘ軸方向に直交す
るＹ軸方向の特定範囲内で繰り返し移動させるといった
ことがしばしば行われ、そのために、光学スキャナ装置
が用いられている。図１０は従来の光学スキャナ装置の
一例を示すブロック図である。この光学スキャナ装置１
０２では、ステージ１の上に不図示の光照射対象が配置
され、その対象に対して、不図示のレーザ発振器からの
レーザビームが照射される。レーザ発振器と対象との間
にはスキャナ駆動機構９が介在している。ステージ１は
ＣＰＵ３による制御のもとで駆動され、Ｘ軸方向に移動
する。Ｘ位置検出器１１は、移動するステージ１の位置
を検出し、検出結果を表す信号を出力する。スキャン間
隔検出回路１２は、Ｘ位置検出器１１からの信号と、Ｃ
ＰＵ３から与えられた移動ピッチΔＸのデータとにもと
づき、ステージ１がΔＸだけ移動するごとにスキャンタ
イミング信号を出力する。

【０００３】スキャナ位置設定回路６は、Ｙ軸方向にお
けるレーザビームの照射位置に関するデータをＣＰＵ３
から受け取り、スキャン間隔検出回路１２がスキャンタ
イミング信号を出力するごとに、Ｙ軸方向における照射
位置を表す電気信号を出力する。スキャナドライブ回路
８は、この電気信号を電力増幅してスキャナ駆動機構９
に供給する。スキャナ駆動機構９はたとえば、上記レー
ザ発振器からのレーザビームを反射するミラーと、この
ミラーを揺動駆動するガルバノメータとを含み、スキャ
ナドライブ回路８によってガルバノメータが駆動されて
ミラーが揺動し、その結果、レーザビームが偏向走査さ
れる。

【０００４】図４はレーザビームの照射対象上における
ビームスポットの走査を説明する平面図である。照射対
象上は、ステージ１に載置されてＸ軸方向に移動してお
り、スキャン間隔検出回路１２がスキャンタイミング信
号を出力するごとに、Ｙ軸方向の走査が繰り返される。
その結果、照射対象上の矩形領域１０１では、間隔がΔ
Ｘの各位置Ｘ０、Ｘ１、Ｘ２、……においてレーザビー
ムが照射され、それぞれの位置でレーザビームがＹ軸方
向に走査される。図中、各直線１０４がレーザビームス
ポットの走査軌跡を示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来の光学スキャナ装置１０２では、ステージ１に対し
て外部から振動が加わったり、ステージ１の位置制御に
伴いサーボモータが駆動されてステージ１が微動して、
ステージ１がＹ軸方向に若干変位する場合がある。ま
た、ステージ１を上述のようにＸ軸方向に移動させる際
にステージ１がＹ軸方向に若干変位することもある。

【０００６】ステージ１がこのようにＹ軸方向に変位す
ると、照射対象も同様に変位し、たとえば図４の例で
は、照射対象の矩形領域１０１が、Ｙ軸方向のレーザビ
ームの走査に対して相対的にずれてしまい、矩形領域１
０１内に正しくレーザビームが照射されないことにな
る。したがって、レーザ加工装置の場合には、加工すべ
き領域を高精度に加工することができず、また検査装置
でこのような光学スキャナ装置１０２を用いた場合に
は、本来の領域を正確に検査できない。さらに光学スキ
ャナ装置１０２によって照射対象の画像を取得すような
場合には、目的の領域の画像を精密に取得することが困
難になる。

【０００７】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、その目的は、振動などによりステージ
がＹ軸方向に変位しても高い位置精度で光を対象に照射
できる光学スキャナ装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、光照射対象を載置するステージと、前記ス
テージをＸ軸方向に移動させるステージ駆動手段と、前
記ステージ上の前記対象に光を照射し、与えられた電気
信号にもとづいて光照射位置を、前記Ｘ軸にほぼ直交す
るＹ軸の方向に移動させる光走査手段とを備え、前記ス
テージ駆動手段により前記ステージをＸ軸方向に移動さ
せつつ、前記光走査手段により前記対象に光を照射して
前記光照射位置をＹ軸方向の特定範囲内で繰り返し移動
させる光学スキャナ装置であって、Ｙ軸方向における前
記ステージの位置を検出する位置検出手段と、Ｘ軸方向
における前記ステージの位置を検出する第２の位置検出
手段と、前記第２の位置検出手段によるステージ位置の
検出結果にもとづき、前記ステージがＸ軸方向にほぼ一
定の距離を移動するごとに、スキャンタイミング信号を
出力するスキャン間隔検出手段と、前記スキャン間隔検
出手段が前記スキャンタイミング信号を出力するごと
に、前記光走査手段に前記電気信号を出力してＹ軸方向
における走査位置を設定する走査位置設定手段と、Ｙ軸
方向における前記ステージの本来の位置を表す信号を受
け取り、同信号が表すＹ軸方向における前記ステージの
位置と、前記位置検出手段が検出したＹ軸方向における
前記ステージの位置との差が解消されるように、前記走
査位置設定手段から前記走査位置設定手段に出力される
前記電気信号を補正する走査位置補正手段とを備えたこ
とを特徴とする。

【０００９】本発明の光学スキャナ装置では、位置検出
手段がＹ軸方向におけるステージの位置を検出し、走査
位置補正手段は、位置検出手段の検出結果にもとづい
て、光照射位置がＹ軸方向における特定範囲内を移動す
るように、光走査手段に与える前記電気信号を補正す
る。そして、光走査手段は、この補正された電気信号に
もとづいて光照射位置を移動させる。そのため、ステー
ジが、外部から加わった振動や、位置制御に伴うサーボ
モータの駆動によってＹ軸方向に変位したり、ステージ
自身のＸ軸方向の移動にともなってＹ軸方向に変位して
も、その変位に応じてＹ軸方向における光の光照射位置
が補正されるので、光照射対象上ではＹ軸方向における
常に一定の範囲に光が照射される。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態例につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明による光学ス
キャナ装置の一例を示すブロック図である。図中、図１
０と同一の要素には同一の符号が付されており、それら
に関する説明はここでは省略する。図１に示した光学ス
キャナ装置１４が図１０の光学スキャナ装置１０２と異
なるのは、Ｙ位置検出器２、ステージ位置設定回路４、
比較器５、ゲイン調整回路１０、ならびに加算器７が新
たに設けられている点である。

【００１１】Ｙ位置検出器２（本発明にかかわる位置検
出手段）は本実施の形態例では光干渉計による測長シス
テムにより構成され、ステージ１側部にレーザ光を照射
し、その反射光を受光してステージ１までの距離を精密
に測定することで、ステージ１のＹ軸方向の位置を検出
する。ＣＰＵ３は、ステージ１がＹ軸方向に変位してい
ない場合の、Ｙ軸方向におけるＹ位置検出器２とステー
ジ１との間の距離のデータをあらかじめ保持しており、
そのデータをステージ位置設定回路４に供給する。ステ
ージ位置設定回路４は、ＣＰＵ３から供給されたデータ
により、Ｙ位置検出器２とステージ１との間の距離を表
す信号を出力する。

【００１２】比較器５は、Ｙ位置検出器２が出力する、
ステージ１とＹ位置検出器２との間の距離を表す信号
と、ステージ位置設定回路４が出力するステージ１とＹ
位置検出器２との間の距離を表す信号との差を算出し
て、結果をゲイン調整回路１０に出力する。ゲイン調整
回路１０は、比較器５の出力信号を適切なレベルとなる
ように増幅するかまたは減衰させ、加算器７に供給す
る。具体的には、ゲイン調整回路１０は、比較器５の出
力信号における距離の分解能と、スキャナ駆動機構９に
おける位置設定分解能とが同程度になるように、比較器
５の出力信号の振幅を調整する。加算器７は、スキャナ
位置設定回路６（本発明に係わる走査位置設定手段）か
らの電気信号に、ゲイン調整回路１０の出力信号を加算
して、スキャナ位置設定回路６からの電気信号を補正
し、スキャナドライブ回路８に供給する。

【００１３】図２はステージ１周辺を示す側面図、図３
はステージ１周辺を示す平面図である。図２、図３に示
したように、ステージ１上に光照射対象である対象物１
９が配置され、その上方にスキャナ駆動機構９が配設さ
れている（図２）。スキャナ駆動機構９は、不図示のレ
ーザ発振器からのレーザビーム１３を反射するミラー１
８と、そのミラー１８を揺動駆動する不図示のガルバノ
メータを含んで構成されている。このガルバノメータは
スキャナドライブ回路１８から供給される電力により駆
動され、ミラー１８を揺動させる。そして、ここではス
キャナ駆動機構９は、補正すべきステージ１の変位の１
周期の間に１００回以上、レーザビーム１３を走査でき
るものとする。ただし、要求される補正の精度によっ
て、この走査回数は増減すべきものである。

【００１４】Ｙ位置検出器２を成す干渉計測長システム
１７は、ステージ１の側方に配置され、ステージ１の側
面に向け、Ｙ軸方向と平行にレーザ光を放射する。測長
システム１７はそのレーザ光のステージ側面からの反射
光を受光して、ステージ１までの距離を検出する。ステ
ージ１の側部にはまた、Ｘ駆動部１６（図３）が配設さ
れ、ステージ１をＸ軸方向に移動させる構成となってい
る。測長システムと反対側のステージ１側部に設置され
たＹ駆動部１５は、ＣＰＵ３による制御のもとでステー
ジ１をＹ軸方向に駆動して、ステージ１のＹ軸方向にお
ける位置決めを行う。なお、上記比較器５、ゲイン調整
回路１０、ならびに加算器７が本発明に係わる走査位置
補正手段を構成している。

【００１５】次に、このように構成された光学スキャナ
装置１４の動作について説明する。ＣＰＵ３の制御のも
とでステージ１は、図３に示したように、Ｘ駆動部１６
により駆動されてＸ軸方向に移動する。Ｘ位置検出器１
１（本発明に係わる第２の位置検出手段）は、このよう
に移動するステージ１のＸ軸方向における位置を検出
し、スキャン間隔検出回路１２は、ステージ１がΔＸ移
動するごとに、スキャンタイミング信号を出力する。そ
して、スキャナ位置設定回路６は、Ｙ軸方向におけるレ
ーザビーム１３の照射位置に関するデータをＣＰＵ３か
ら受け取り、スキャン間隔検出回路１２がスキャンタイ
ミング信号を出力するごとに、Ｙ軸方向における照射位
置を表す電気信号を出力する。

【００１６】加算回路はこの電気信号を、ゲイン調整回
路１０の出力信号によって補正し、スキャナドライブ回
路８は、補正後の電気信号を電力増幅してスキャナ駆動
機構９に供給する。スキャナ駆動機構９では、ガルバノ
メータが図２に示したミラー１８を揺動駆動し、その結
果、レーザビーム１３が偏向走査される。

【００１７】図３において、点線で表したステージ１は
１回目のレーザビーム走査時のものであり、実線で表し
たステージ１は２回目の走査時のものである。そして、
細線矩形２０は１回目のレーザビーム走査時の対象物１
９の位置を示し、太線矩形２１は２回目のレーザビーム
走査時の対象物１９の位置を示している。また、直線２
２は１回目の走査時の走査位置を示し、直線２３は２回
目の走査時の走査位置を示している。直線２２、２３の
間隔はΔＸである。

【００１８】ここで、ステージ１に外部から振動などが
加わっていたとすると、図３に示したように、実線で示
した２回目の走査時のステージ１の位置は、点線で示し
た１回目の走査時のステージ１の位置に対して、Ｙ軸の
たとえばマイナス方向に若干変位したものとなる。そし
て、Ｙ位置検出器２を構成する測長システム１７は、図
２、図３に示したように、１回目の走査時にはステージ
１までの距離としてＬ２を検出するが、２回目の走査時
には距離Ｌ２よりやや長い距離Ｌ１を検出し、検出した
距離を表す信号を出力する。

【００１９】ＣＰＵ３は、ステージ１がＹ軸方向に変位
していない場合の、Ｙ軸方向におけるＹ位置検出器２と
ステージ１との間の距離、すなわち距離Ｌ２のデータを
あらかじめ保持しており、そのデータをステージ位置設
定回路４に供給する。ステージ位置設定回路４は、ＣＰ
Ｕ３から供給されたこのデータにより、Ｙ位置検出器２
とステージ１との間の距離を表す信号を出力する。

【００２０】比較器５は、Ｙ位置検出器２が出力する、
ステージ１とＹ位置検出器２との間の距離Ｌ１を表す信
号と、ステージ位置設定回路４が出力するステージ１と
Ｙ位置検出器２との間の距離Ｌ２を表す信号との差ΔＬ
を算出して、ΔＬを表す信号をゲイン調整回路１０に出
力する。比較器５による演算は次式により表すことがで
きる。

【００２１】

【数１】ΔＬ ＝ Ｌ１ − Ｌ２ ゲイン調整回路１０は、比較器５の出力信号における距
離の分解能と、光学スキャナ駆動機構における位置設定
分解能とが同程度になるように、ΔＬを表す比較器５の
出力信号の振幅を調整し、調整後の距離の差ΔＰを表す
信号を出力する。ここで、ゲイン調整回路１０における
ゲイン定数をαとすると、ΔＰは次式により表される。

【００２２】

【数２】ΔＰ ＝ α × ΔＬ 加算器７は、スキャナ位置設定回路６からの電気信号
に、ゲイン調整回路１０の出力信号を加算して、スキャ
ナ位置設定回路６からの電気信号を補正し、スキャナド
ライブ回路８に供給する。その結果、２回目の走査位置
は、ステージ１がΔＬだけＹ軸方向に変位しているにも
係わらず、図３に直線２３で示したように、正確に対象
物１９の範囲内で行われる。

【００２３】図５はステージ１の移動に伴ってステージ
１のＹ軸方向における変位の変化を示す波形図、図６は
ステージ１が図５のように変位した際の補正後のレーザ
ビーム１３の走査位置の変化を示す説明図である。ま
た、図８はステージ１の移動に伴ってステージ１がＹ軸
方向に変位した場合のゲイン調整回路１０の出力信号の
変化を示す波形図、図９は、ゲイン調整回路１０の出力
信号が図８のように変化した場合の加算器７の出力信号
を表す波形図である。そして、図７はスキャナ位置設定
回路６の出力信号を補正しなかった場合にスキャナドラ
イブ回路８に供給される信号を表す波形図である。

【００２４】ステージ１がＸ軸方向にさらに移動する
と、ステージ１は外部からの振動などにより、Ｙ軸のプ
ラスあるいはマイナスの方向に変位する。したがって、
このとき比較器５が算出する上記ΔＬは、図５に示した
曲線２００のように変化する。そして、このように変化
するΔＬはゲイン調整回路１０により調整されΔＰとし
て出力され、そのため、ΔＰも、図８の曲線２４により
示したように、ΔＬと同様に変化する。

【００２５】その後、このように変化するΔＰにもとづ
いて、スキャナ位置設定回路６の出力信号が補正される
ので、加算器７の出力信号Ｐは図９の波形２６のように
変化する。波形２６の極大点、および極小点どうしをそ
れぞれ結んだ曲線２８は図８に示した曲線２４と同様に
変化する。なお、波形２６の実線部分がレーザビーム１
３の各走査期間に対応している。

【００２６】スキャナドライブ回路８はこのような加算
器７の出力信号にもとづいてスキャナ駆動機構９を駆動
するので、各走査ごとに走査の軌跡を表す直線３０は、
図６に示したように、Ｙ軸方向に変位したものとなる。
これらの直線３０の始点どうし、および終点どうしをそ
れぞれ結ぶ曲線３２は図５の上記曲線２０と同様の波形
となる。そして、２本の曲線３２の間の領域が、対象物
１９上の走査領域に対応している。

【００２７】スキャナ位置設定回路６の出力信号を補正
しなかった場合には、図７に示したように、スキャナド
ライブ回路８には、各走査において常に極小点および極
大点の位置が一定の信号が供給されるので、ステージ１
が図５のΔＬで表されるようにＹ軸方向に変位した場合
には、対象物１９に対して走査位置はずれてしまうこと
になる。これに対して、本実施の形態例では、ステージ
１の変位に応じて、レーザビーム１３の走査位置が補正
されるので、レーザビーム１３は対象物１９上で本来照
射すべき位置に正確に照射される。

【００２８】なお、本実施の形態例では、スキャナ駆動
機構９は、ガルバノメータおよびミラー１８により構成
されているとしたが、スキャナ駆動機構９を、音響光学
素子により構成して、音響的に音響光学素子の光学的な
特性を変化させ、レーザビーム１３を偏向させることも
可能である。また、測長システムは、干渉計により構成
する以外にも、リニアスケールなどによる、ステージ位
置を相対的に測定する構成としてもよい。そして、Ｘ位
置検出器１１は、上述したＹ位置検出器２と同様の構成
とすることができる。また、スキャナ位置設定回路６
は、たとえば、スキャナドライブ回路８に供給する信号
の波形データをメモリに保持して、そのデータにもとづ
いて信号を生成する構成とすることができる。さらに、
Ｙ位置検出器２、ステージ位置設定回路４、比較器５、
ゲイン調整回路１０、ならびに加算器７などは、アナロ
グ回路およびデジタル回路のいずれか一方、または両方
により形成することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の光学スキャ
ナ装置では、位置検出手段がＹ軸方向におけるステージ
の位置を検出し、走査位置補正手段は、位置検出手段の
検出結果にもとづいて、光照射位置がＹ軸方向における
特定範囲内を移動するように、光走査手段に与える前記
電気信号を補正する。そして、光走査手段は、この補正
された電気信号にもとづき光照射位置を移動させる。そ
のため、ステージが、外部から加わった振動や、位置制
御に伴うサーボモータの駆動によってＹ軸方向に変位し
たり、ステージ自身のＸ軸方向の移動にともなってＹ軸
方向に変位しても、その変位に応じてＹ軸方向における
光の光照射位置が補正されるので、光照射対象上ではＹ
軸方向における常に一定の範囲に光が正確に照射され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学スキャナ装置の一例を示すブ
ロック図である。

【図２】ステージ周辺を示す側面図である。

【図３】ステージ周辺を示す平面図である。

【図４】レーザビームの照射対象上におけるビームスポ
ットの走査を説明する平面図である。

【図５】ステージの移動に伴ってステージのＹ軸方向に
おける変位の変化を示す波形図である。

【図６】ステージが変位した際の補正後のレーザビーム
の走査位置の変化を示す説明図である。

【図７】スキャナ位置設定回路の出力信号を補正しなか
った場合にスキャナドライブ回路に供給される信号を表
す波形図である。

【図８】ステージの移動に伴ってステージがＹ軸方向に
変位した場合のゲイン調整回路の出力信号の変化を示す
波形図である。

【図９】ゲイン調整回路の出力信号が図８のように変化
した場合の加算器の出力信号を表す波形図である。

【図１０】従来の光学スキャナ装置の一例を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１……ステージ、２……Ｙ位置検出器、３……ＣＰＵ、
４……ステージ位置設定回路、５……比較器、６……ス
キャナ位置設定回路、７……加算器、８……スキャナド
ライブ回路、９……スキャナ駆動機構、１０……ゲイン
調整回路、１１……Ｘ位置検出器、１２……スキャン間
隔検出回路、１３……レーザビーム、１４……光学スキ
ャナ装置、１５……Ｙ駆動部、１６……Ｘ駆動部、１７
……干渉計測長システム、１８……ミラー、１９……対
象物、２０……曲線、２２……直線、２３……直線、２
４……曲線、２６……波形、２８……曲線、３０……直
線、３２……曲線、１０１……矩形領域、１０２……光
学スキャナ装置、１０４……直線。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光照射対象を載置するステージと、 前記ステージをＸ軸方向に移動させるステージ駆動手段
   と、 前記ステージ上の前記対象に光を照射し、与えられた電
   気信号にもとづいて光照射位置を、前記Ｘ軸にほぼ直交
   するＹ軸の方向に移動させる光走査手段とを備え、 前記ステージ駆動手段により前記ステージをＸ軸方向に
   移動させつつ、前記光走査手段により前記対象に光を照
   射して前記光照射位置をＹ軸方向の特定範囲内で繰り返
   し移動させる光学スキャナ装置であって、 Ｙ軸方向における前記ステージの位置を検出する位置検
   出手段と、Ｘ軸方向における前記ステージの位置を検出する第２の
   位置検出手段と、 前記第２の位置検出手段によるステージ位置の検出結果
   にもとづき、前記ステージがＸ軸方向にほぼ一定の距離
   を移動するごとに、スキャンタイミング信号を出力する
   スキャン間隔検出手段と、 前記スキャン間隔検出手段が前記スキャンタイミング信
   号を出力するごとに、前記光走査手段に前記電気信号を
   出力してＹ軸方向における走査位置を設定する走査位置
   設定手段と、 Ｙ軸方向における前記ステージの本来の位置を表す信号
   を受け取り、同信号が表すＹ軸方向における前記ステー
   ジの位置と、前記位置検出手段が検出したＹ軸方向にお
   ける前記ステージの位置との差が解消されるように、前
   記走査位置設定手段から前記走査位置設定手段に出力さ
   れる前記電気信号を補正する走査位置補正手段とを備え
   た、 ことを特徴とする光学スキャナ装置。
2. 【請求項２】 前記位置検出手段は光干渉計により構成
   されていることを特徴とする請求項１記載の光学スキャ
   ナ装置。
3. 【請求項３】 前記光走査手段は、光源からの光を反射
   するミラーと、同ミラーを駆動するガルバノメータとに
   より構成されていることを特徴とする請求項１記載の光
   学スキャナ装置。
4. 【請求項４】 前記光走査手段は音響光学素子を含み、
   音響的に前記音響光学素子の光学的な特性を変化させ
   て、光源からの光を偏向させることを特徴とする請求項
   １記載の光学スキャナ装置。