JP6255490B2

JP6255490B2 - 走査装置

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Publication number: JP6255490B2
Application number: JP2016520283A
Authority: JP
Inventors: ウルリヒクリューガー; トーマスドレッスラー; シュテファンハイネマン
Original assignee: イエーノプティークオプティカルシステムズゲーエムベーハー
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2034-06-20
Also published as: JP2016529535A; WO2014202057A1; US20160131897A1; DE102013106533A1; KR20160022902A; US9488830B2; CN105324722B; IL243161B; EP3011393A1; CN105324722A; KR101868238B1; EP3011393B1

Description

本発明は、例えば特許文献１から一般的に知られているアナモルフィックな反射屈折のポストスキャン光学系を有する走査装置に向けられている。

走査装置は、例えば、プリント回路基板の直接露光に用いられ、対象表面が走査方向に対して垂直に走る前方送り方向に移動される間、走査方向の走査線に沿った平面対象表面上に光束を走査する。特許文献１に開示されているような一般的な走査装置は、光源と、スキャンユニットと、スキャンユニットの上流に配置され、光源からスキャンユニットへ向かって進むビーム束を形成して導く光学系（プリスキャン光学系）と、スキャンユニットの下流に配置され、スキャンユニットによって屈折されたビーム束を形成して対象表面に導く光学系（ポストスキャン光学系）とを含む。

上記引用した特許文献１の実施形態によれば、プリスキャン光学系は、シリンドリカルミラーと、二重円筒の屈折要素とを備え、ポストスキャン光学系に必要とされるビーム束のアナモルフィック特性をもたらすように、ポストスキャン光学系に光源を写し出す。走査装置の上流に配置されている偏向ミラーと入射ミラーは、ビーム束のビーム軸とポリゴンミラーのポリゴンミラーファセットの表面法線によって形成されるクロス走査平面（引用文献での矢状入射角の下）において、入射角でもって単にビームを偏向したり、又はビームを偏向してポリゴンミラーによって形成された走査装置の中へ結合したりする役目を果たす。

ポリゴンミラーファセットは、クロス走査平面における光束を入射角に等しい反射角でポストスキャン光学系に反射する。

ポストスキャン光学系は、最小化すべき様々なタイプの歪みが発生し得るＦθ対物レンズである。この歪みは、走査曲がり（ｓｃａｎｂｏｗ）と台形歪みを含む。

走査曲がりは、走査平面に対する走査線の湾曲であり、それは全てのＦθ対物レンズで生じ、ポストスキャン光学系の光軸からの結像位置の距離の増加に伴って増加する。

台形歪みは、画像が投影面の様々な高さに投影されるときの投影配置として知られている。そして、その画像は一般に、画像の下縁よりも上縁で広くなっている。このタイプの歪みは、対象及び／又は画像が、投影対物レンズの光軸に垂直に配置されていないときに生じる。Ｆθ対物レンズにおいて、入射角と場合によっては入射角に対するポストスキャン光学系の中心の配置が、この点での要因を決定している。

したがって、上記の特許文献１に係る走査装置の両配置について、ポリゴンミラーの下流にあるポストスキャン光学系は、ポリゴンミラーに関して中心になるように配置されると示唆されている。すなわち、ポリゴンミラーで反射されるビーム束が、入射角に等しいポストスキャン光学系の光軸に対する角度でポストスキャン光学系に入射し、光軸を含む平面にある画像点における対象物に結像されるように、ポストスキャン光学系の光軸はポリゴンミラーの回転軸に直角に交わることが示唆されている。ポリゴンに対するポストスキャン光学系の中心配置は、わずかな歪みを有する配置である。しかしながら、同時にこれは、入射ビーム束のより大きい入射角度の場合には、かなりかさばる構造となってしまう。

一構成によれば、ポストスキャン光学系は、ビーム方向に配列された、球面メニスカスレンズと平面シリンドリカルレンズとを含み、それらは共に二重、球面シリンドリカルレンズを形成する。本発明に係る走査装置の矯正用対物レンズに相当して、上記３つの光学系要素は、テレセントリックビーム経路を生成するための後続のミラー配置によって補償され得ない像収差を取り除くか、又は最小限にする目的を有する。後続のミラー配置は、第１の球面ミラーと第２の球面ミラーとを含み、球面シリンドリカルレンズを介して、上記した全ての要素を備えるポストスキャン光学系の焦点面にビーム束を反射する。

上記特許文献１に係る走査装置は、特に大きな走査長（すなわち、通例、走査方向におけるポストスキャン光学系の長い焦点距離）には不向きである。注目すべき不利な点は、生成される走査線の約２倍の長さを有する第１の球面ミラーによる、ミラー配置の大きな構造上のサイズにある。

ＷＯ９９／０３０１２Ａ１

本発明の目的は、最小限の光学構成部品で大きな走査線のための走査装置を見つけることであり、次いでそれら光学構成部品は、場所、重量及びコストの削減となる可能な限り最小の構造サイズを有することである。また、光学構成部品は、製造が簡単でなければならない。

この目的は、光源と、ポリゴンミラーを有するスキャンユニットと、ポリゴンミラーの上流にあるプリスキャン光学系と、ポリゴンミラーの下流にあるポストスキャン光学系とを備え、走査線に沿ってビーム束を結像するための走査装置によって解決される。プリスキャン光学系は、ビーム束がクロス走査平面において入射角でポリゴンミラーに当たるように、ポリゴンミラーの上流に配置される。

ポストスキャン光学系の光軸が、ポリゴンミラーの反射方向に配置されていることは、本発明の鍵である。ポストスキャン光学系は、少なくとも第１の矯正レンズと第２の矯正レンズを有する矯正用対物レンズと、単一のシリンドリカルミラーと、シリンドリカルレンズとを、ビーム軸の進行方向に連続して備える。

その際、シリンドリカルミラーは、ポリゴンミラーにて反射されるビーム軸がクロス走査平面にて、シリンドリカルミラーの表面法線に対して第１の傾斜角度で、シリンドリカルミラーに入射するように、配設されており、第１の傾斜角βは、入射角αによって決定される。２つの矯正レンズの一方は、ポストスキャン光学系の光軸に対して第２の傾斜角γで傾いており、距離ａだけオフセットされるように配置されている。

第１の傾斜角βは、０．９７α＜β＜１．０３αの範囲内であることが有利である。

単一のシリンドリカルレンズ４．３でポストスキャン光学系のテレセントリック性の条件を満足するために、シリンドリカルミラーの物体側焦点は、反射ポリゴンミラーファセットに近いポリゴンミラー内に配置されている。また、シリンドリカルミラーは、クロス走査方向に対して垂直に配置された走査平面内で集束効果を有する。

シリンドリカルミラーの自然像面湾曲（ｎａｔｕｒａｌｉｍａｇｅｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ）が部分的に補償され、シリンドリカルミラーと走査線の間の距離が短く保たれるように、ビーム束が２つの矯正レンズの一方を介して弱収束又は発散の方法で形成されるとき、有利である。

ポリゴンミラーの回転面に垂直な上面図における走査装置の光学的概略図である。図１に示された光学的概略の側面図である。

以下より、図面を参照しながら走査装置を詳細に説明する。

従来技術に記載の走査装置と同様に、本発明に係る走査装置は、ビーム軸１．１．１に沿ってビーム束１．１を発する光源１と、ポリゴンミラー２．１を有するスキャンユニット２と、ビーム軸１．１．１の進行方向でポリゴンミラー２．１の上流にあるプリスキャン光学系３と、ビーム軸１．１．１の進行方向でポリゴンミラー２．１の下流にあるポストスキャン光学系４とを含む。

ポリゴンミラー２．１は、回転軸２．１．２を中心に回転可能であり、回転軸２．１．２に垂直なポリゴンミラー２．１の回転面に対する表面法線を有する複数のポリゴンミラーファセット２．１．１を有する。

クロス走査平面は、プリスキャン光学系３の光軸３．０と、ポリゴンミラー２．１の回転軸２．１．２を含む平面を意味する。したがってそれは、図２に示す光学系概略図において、描画平面の回転面２．１．３の上方と、描画平面の回転面２．１．３の下方にある。

非偏向ポリゴンミラーの位置は、プリスキャン光学系３によりポストスキャン光学系４に反射されたビーム軸が、依然としてクロス走査平面内にあるようなポリゴンミラー２．１の位置である。

回転するポリゴンミラー２．１とシリンドリカルミラー４．２において、ビーム束１．１の変化する偏向とともに位置が変化する走査平面は、各場合においてクロス走査平面に垂直であり、非偏向ポリゴンミラー位置におけるビーム軸を含む。

ポストスキャン光学系４の結像特性は、クロス走査平面と、それに垂直な平面で非常に異なり、ビーム束１．１の非常に異なる形状をもたらす。

クロス走査平面において、ポリゴンミラー２．１のポリゴンミラーファセット２．１．１に入射角αで当たるビーム束１．１は、同じ大きさの反射角でポストスキャン光学系４の光軸４．０、したがって、下流の矯正用対物レンズ４．１の光軸に反射され、この方向に何ら屈折力を有しないシリンドリカルミラー４．２を経由して、ピント位置におけるポストスキャン光学系４の像側焦点面にシリンドリカルレンズ４．３を用いて結像される。走査線５は、偏向されないポリゴン位置にこのピント位置を含み、クロス走査平面に垂直に方向を合わせられる。

ポストスキャン光学系４は、ビーム束１．１がポストスキャン光学系４の光軸４．０に結合されるように、ポリゴンミラー２．１に対して配置されているため、上記特許文献１にて不利であると記載された２つのタイプの歪み（台形歪み及び走査曲がり）が発生する。

より正確に説明するように、これら２つのタイプの歪みは、本発明にしたがって、ポストスキャン光学系４の光軸に対するシリンドリカルミラー４．２と矯正レンズ４．１．１、４．１．２の一方の特別な配置により、非常に小さく維持される。

光源１からのビーム束１．１は、プリスキャン光学系３により実質的にクロス走査平面に垂直に広がり、ポリゴンミラー２．１に当たるときに、ポリゴンミラーファセット２．１．１が、それぞれの場合中央に照射されるように、弱収束ビーム束１．１に成形されて、案内される。それは、ポリゴンミラー２．１にてポストスキャン光学系４に斜めに反射され、矯正用対物レンズ４．１及びシリンドリカルミラー４．２を介してポストスキャン光学系４の像側焦点面に結像される。

ポストスキャン光学系４は、少なくとも第１の矯正レンズ４．１．１及び第２の矯正レンズ４．１．２を有する矯正用対物レンズ４．１と、シリンドリカルミラー４．２と、シリンドリカルレンズ４．３とを、ビーム軸１．１．１の進行方向に連続して備える。

上記特許文献１のポストスキャン光学系と比べ、本発明に係るポストスキャン光学系４は、単一のシリンドリカルミラー４．２と、矯正レンズ４．１．１、４．１．２とで間に合い、特に、シリンドリカルミラー４．２が比較的小さく、シンプルなものとして製造されるように、考案され、計算されている。設けられた複数の矯正レンズが特に、大きな走査長のために短冊状（ｓｔｒｉｐ−ｓｈａｐｅｄ）に構成されるとき、一般に有利である。例えば３００ｍｍよりも大きく、このより大きい長さによってポストスキャン光学系の大焦点距離を有する。

本発明によれば、ポストスキャン光学系４がポリゴンミラー２．１によって反射されるビーム束１．１に対して中央に配置され、したがって、ビーム束１．１がポストスキャン光学系４に結合される方向に同軸に配置されるという事実から、短冊状の複数の矯正レンズが、高品質を実現するため、自身の光軸４．０の周りの領域を物理的に取り囲むように一般に製造されていると仮定すれば、矯正レンズ４．１．１、４．１．２の短冊形状の高さは比較的低い。

この配置により生じる走査曲がり、及び、クロス走査平面における像側テレセントリック性は、クロス走査平面内で入射角αに適合されたシリンドリカルミラー４．２の傾斜によって最小化される。その際、シリンドリカルミラー４．２は、ポリゴンミラー２．１にて反射されるビーム軸１．１．１がクロス走査平面にて、シリンドリカルミラー４．２の表面法線に対して第１の傾斜角度βで、シリンドリカルミラー４．２に入射するように、配設されている。０．９７α＜β＜１．０３αの範囲内の傾斜角βの設定は、走査曲がりとテレセントリック性からの偏向を最小限に抑える。

残りの台形歪みは、第１の矯正レンズ４．１．１又は第２の矯正レンズ４．１．２が、距離ａのオフセットをしており、クロス走査平面において、ポストスキャン光学系４の光軸に対して第２の傾斜角γで傾いていることで、低減される。最大の屈折力を有する２つの矯正レンズ４．１．１、４．１．２からなる矯正レンズは、この目的のために最適である。距離ａのオフセットと第２の傾斜角γは、台形歪みが十分に小さくなるように互いに適合されており、例えば画像品質といった、他の結像パラメータの全ての影響は、ごくわずかである。

したがって、矯正用対物レンズ４．１を通してビーム束１．１の結合が、第１の矯正レンズ４．１．１と第２の矯正レンズ４．１．２のより小さな短冊形状の高さによって同様に促進されるように、プリスキャン光学系３は、クロス走査平面で考慮されたわずかな入射角αでポストスキャン光学系４上に配置できる。これにより、ポリゴンミラー２．１の近傍の偏向要素を除くことができ、配置の安定性の明らかな改善をもたらす。

プリスキャン光学系３の目的は、ポストスキャン光学系４が必要とするビーム束１．１のアナモルフィック特性を与えるように、ポストスキャン光学系４に光源１を写すことである。従来技術に対応して、プリスキャン光学系３は、任意のウォブル誤差が最小化されるように、クロス走査平面においてポリゴンミラー２．１の可能な限り近くに焦点を有する。

それに垂直な平面において、弱収束ビーム束１．１は、ポストスキャン光学系４の自然像面湾曲に適合される。光源１は、この目的のために必要な像側の開口が、走査線５に生じるように結像される。

ポストスキャン光学系４の主な機能は、走査平面に作用するシリンドリカルミラー４．２とクロス走査平面に作用するシリンドリカルレンズ４．３を介して実現される。テレセントリック性の条件を満たすように、シリンドリカルミラー４．３の物体側焦点は、反射するポリゴンミラーファセット２．１．１の近くのポリゴンミラー２．１内に配置される。同時に、シリンドリカルミラー４．３は、平行ビーム束１．１がポストスキャン光学系４の像側焦点において結像されるように、走査平面において集束効果を有する。（弱）集束又は発散ビーム束１．１を介して、シリンドリカルミラー４．２の自然像面湾曲を部分的に補償することができる。

しかしながら、これは、少ない像側開口数に対してのみ十分である。約６００ｍｍの走査長と、１５個のポリゴンミラーファセット２．１．１のあるポリゴンミラー２．１とを有する走査装置では、０．０１２の像側開口数よりも上の場合、像面湾曲も大き過ぎであり、それは、シリンドリカルミラー４．２よりもかなり低い屈折力を有する矯正レンズ４．１．１、４．１．２のいずれかによって補償される。

コマ（ｃｏｍａ）は、同じ走査方向の走査エッジに向けて像側開口数＞０．０１５でもって著しく増加し、それは、矯正レンズ４．１．１、４．１．２の他、実質的に同心のメニスカスレンズによって補償される。

２つの矯正レンズ４．１．１、４．１．２は、ポリゴンミラー２．１の近傍に配置され、このことは走査装置の小さな構造状のサイズをもたらす。

広帯域光源１の適用のため、矯正用対物レンズ４．１のスペクトル効果は最小化されなければならなく、必要な場合、２つの矯正レンズ４．１．１、４．１．２の適切な材料の選択や、更に第３の矯正レンズ４．１．３を無色化のために用いる必要がある。

クロス走査平面での結像は、矯正用対物レンズ４．１とシリンドリカルミラー４．２から、ほとんど影響を受けない。プリスキャン光学系３を介してポリゴンミラー２．１の近傍で生成される光源１の像の合焦は、球面シリンドリカルレンズ４．３の手段により達成される。このシリンドリカルレンズ４．３は、球面収差と、十分に大きな像側開口数を有する縦色収差を生成する。両方の収差は、走査線５の長さに沿ってほぼ一定であり、したがって、プリスキャン光学系３により相殺できる。

１光源
１．１ビーム束
１．１．１ビーム軸
２スキャンユニット
２．１ポリゴンミラー
２．１．１ポリゴンミラーファセット
２．１．２ポリゴンミラーの回転軸
２．１．３ポリゴンミラーの回転面
３プリスキャン光学系
３．０プリスキャン光学系の光軸
４ポストスキャン光学系
４．０ポストスキャン光学系の光軸
４．１矯正用対物レンズ
４．１．１第１の矯正レンズ
４．１．２第２の矯正レンズ
４．２シリンドリカルミラー
４．３シリンドリカルレンズ
５走査線
α 入射角
β 第１の傾斜角
γ 第２の傾斜角
ａ距離

Claims

ビーム軸（１．１．１）に沿ってビーム束（１．１）を発する光源（１）と、ポリゴンミラー（２．１）を有するスキャンユニット（２）と、前記ビーム軸（１．１．１）の進行方向で前記ポリゴンミラー（２．１）の上流にあり光軸（３．０）を有するプリスキャン光学系（３）と、前記ビーム軸（１．１．１）の進行方向で前記ポリゴンミラー（２．１）の下流にあり光軸（４．０）を有するポストスキャン光学系（４）と、を備え、
前記プリスキャン光学系（３）は、前記ビーム束（１．１）がクロス走査平面において入射角（α）で前記ポリゴンミラー（２．１）に入射するように、前記ポリゴンミラー（２．１）の上流に配置されており、その際、前記クロス走査平面は前記プリスキャン光学系（３）の前記光軸（３．０）及び前記ポリゴンミラー（２．１）の回転軸（２．１．２）によって特定されている、
走査線（５）に沿って前記ビーム束（１．１）を結像するための走査装置において、
前記ポストスキャン光学系（４）の前記光軸（４．０）は、前記ポリゴンミラー（２．１）の反射方向に配置され、
前記ポストスキャン光学系（４）は、少なくとも第１の矯正レンズ（４．１．１）と第２の矯正レンズ（４．１．２）を有する矯正用対物レンズ（４．１）と、単一のシリンドリカルミラー（４．２）と、シリンドリカルレンズ（４．３）とを前記ビーム軸（１．１．１）の進行方向に連続して備え、
その際、シリンドリカルミラー（４．２）は、前記ポリゴンミラー（２．１）にて反射されるビーム軸（１．１．１）が前記クロス走査平面にて、前記シリンドリカルミラー（４．２）の表面法線に対して、前記入射角（α）によって決定される第１の傾斜角度（β）で、シリンドリカルミラーに入射するように、配設されており、また、
前記２つの矯正レンズ（４．１．１、４．１．２）の一方は、前記ポストスキャン光学系（４）の前記光軸（４．０）に対して第２の傾斜角（γ）で傾いており、かつ、距離（ａ）でオフセットされて配置されていることを特徴とする走査装置。
前記第１の傾斜角（β）は、０．９７α＜β＜１．０３αの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記シリンドリカルミラー（４．２）の物体側焦点は、反射するポリゴンミラーファセット（２．１．１）に近い前記ポリゴンミラー（２．１）内に配置され、
前記シリンドリカルミラー（４．２）は、テレセントリック性の条件が単一の前記シリンドリカルレンズ（４．３）で満たされるように、クロス走査方向に対して垂直に配置された走査平面において、集束効果を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査装置。
前記ビーム束（１．１）が、前記２つの矯正レンズ（４．１．１、４．１．２）の一方を介して弱収束又は発散の方法で形成され、前記シリンドリカルミラー（４．２）の自然像面湾曲が部分的に補償され、前記シリンドリカルミラー（４．２）と前記走査線（５）の間の距離が、前記矯正用対物レンズ（４．１）及び前記シリンドリカルミラー（４．２）の間の間隔よりも短く保たれることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の走査装置。