JPH028809A

JPH028809A - 走査式光学装置及びその調整方法

Info

Publication number: JPH028809A
Application number: JP15974288A
Authority: JP
Inventors: Rei Morimoto; 玲森本
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1988-06-28
Filing date: 1988-06-28
Publication date: 1990-01-12

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、テレセントリックな走査レンズを介して走
査対象面上に形成したスポットを偏向器の回転によって
走査させる走査式光学装置に関し、より詳細には、走査
対象面上のスポットのピント状態を検知する受光手段を
有する走査式光学装置及び調整方法に関するものである
。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］走査式
光学装置において、乾板やフィルム等の走査対９．面の
平坦性が低い場合や光信方向に前後する可能性がある場
合、あるいは像位置に高精度が要求される場合には、ピ
ントズレを起こした際にも軸外光によって形成される像
の位置がズレないように、走査レンズにテレセントリッ
ク性が要求される。

ところで、走査式光学装置の場合、レンズや偏向器等の
各光学素子の光軸調整やピント調整、あるいは偏心調整
等を行なう場合、通常の非走査結像系のように投影等に
よって調整状態を検知することができず、調整作業が困
難であった。

また、描画密度が高く要求される走査光学系では、走査
対象面上でスポット径を小さく絞るためにＦ値の小さい
走査レンズを使用する必要がある。

例えば、従来は乾板やフィルム等にプリント基板のパタ
ーンを描画するために必要なスポット径は最小でも３０
μｍ程度であったが、近時ＩＣのリードフレームの描画
等のようにより高精度が要求されるものや、液晶ライト
バルブへの書込み等のようにより高密度が要求されるも
のではスポット径５μｍ程度が要求されている。

ガウスビームの場合、スポット径をＳ、走査レンズによ
って集光するビームのＦナンバーをＦｓ＋＋、波長をλ
、焦点深度を９とすると、が成り立つため、λ＝４８８ｎｍの場合、Ｓ；３０μｍ
とするためにはＦナンバーは１：５０程度、このときの
焦点深度９は±１．５５ｍｍとなる。従って、たとえ走
査対象面の平面性が±１ｍｍあったとしてもスポ・ソト
径の変化は少なく、描画性能へ与える影響は少なかった
。

しかしながら、同じくλ：４８８ｒ＋＋ｕでＳ＝５μｍ
まで絞るためにはＦナンバーは１：８程度、このときの
焦点深度９は±０．０４ｍｍとなり、走査対象面に０．
１ｍｍ程度の凹凸、うねりがあった場合にもスポット径
が大きく変化して描画性能が劣化することとなる。

このような不具合は、走査対象面の凹凸やうねりのみで
なく、レンズの傾き、偏心、及び走査レンズの像面湾曲
等によっても引き起こされる。

［発明の目的］本発明は、テレセントリック走査レンズを使用した場合
、走査対象面で正反射された光束が同じ経路で光源方向
へ戻ってくるという特性を利用してなされたものであり
、この反射光を利用して走査式光学装置における光学素
子の調整を容易とし、あるいはビームスポットのピント
ズレによる性能劣化を防止することを目的とする。

［課題を解決するための手段］請求項１に係る走査式光学装置は、光源から発するビー
ムを偏向する偏向器と、偏向されたビームを走査対象面
上に集光するテレセントリックな走査レンズと、走査対
象面で反射されたビームを偏向器と光源との間の光路中
で出射光路から分離するビームスプリッタ−と、該ビー
ムスプリッタ−により分離されたビームを受光して走査
対象面に対するビームのピント状態を検出する受光手段
とを備えることを特徴とする請求項２係る走査式光学装置は、請求項１の構成に加え
て走査レンズによって集光されるビームの合焦位置を変
化させる焦点調節整手段と、受光手段の出力に応じてビ
ームを走査対象面に合焦するよう焦点調節整手段を制御
する制御手段とを設けたことを特徴とする請求項３に係る調整方法は、光源から発するビームを偏
向器を介して偏向し、偏向されたビームをテレセントリ
ックな走査レンズによって走査対象面上に集光させ、該
走査対象面で反射され走査レンズ及び偏向器を介して光
源側へ戻る反射光をビームをビームスプリッタ−を用い
て出射光路から分離し、該分離した光束を受光して走査
対象面に対するビームのピント状態を検知すると共に、
該検知結果に基づいて光学素子の調整を行なうことを特
徴とする。

［実施例］以下、この発明に係る走査式光学装置を図面に基づいて
説明する。

（第１実施例）第１図〜第８図は、この発明の第１実施例を示したもの
である。

この走査式光学装置は、第１図に示したように、光源と
してのアルゴンレーザー（＾＝４８８ｎｍ）１と、この
アルゴンレーザーから発した光束を変調するＡ１０変調
器２と、平行ビームの径を０．７φから１８゜８φに拡
大するビームエクスパンダ−３と、偏光ビームスプリッ
タ−４と、１７４波長板５と、ビームを偏向させる偏向
器としてのポリゴンミラー６と、偏向されたビームを集
光させる走査レンズとしてのｆθレンズ７と、走査対象
面としてのフラットな描画面８と、集光レンズ９ａ及び
シリンダーレンズ９ｂから構成される焦点検出光学系９
と、ビームの描画面に対するピント状態を検知する受光
手段としての４分割センサー１０とから構成されている
。

この例では、ビームエクスパンダ−３の第３．第４レン
ズ群３ａを光軸方向に前後スライドさせる構成としてお
り、ビームエクスパンダ−３にビームの合焦位置を変化
させる焦点調節整手段としての機能を持たせている。

各々の光学素子の詳細な構成は、第２図〜第５図に示さ
れており、具体的な数値は第９ページの第１表〜第３表
に示した通りである。なお、図及び表中の符号ｒ１は入
射側からｉ番目の面の曲率半径、　　ｄｊは入射側から
１番目の面と１＋１番目の面との間の距Ｍ（レンズ厚及
び空気間隔）、ｎは屈折率を示している。

ビームエクスパンダ−３の構成は第２図及び第１表に、
ｆθレンズの構成は第３図及び第２表に、焦点検出系９
の構成は第４，５図及び第３表に示されている。

なお、焦点検出系９については、第４図に紙面と平行な
主走査断面、第５図に紙面と垂直な副走査断面を示し、
第３表では主走査方向の曲率をｒ、副走査方向の曲率を
、ｌとして示している。

（以下余白）第１表（ビームエクスパンダ−）第２表（ｆθレンズ）ｆ二１００．０９　　　ｆｂ＝１０１．８４第３表（焦
点検出系）次に上記の走査式光学装置の作用を説明する。

アルゴンレーザー１を発した光束はＡ１０変調器２によ
って変調され、ビームエクスパンダ−３によって拡径さ
れる。アルゴンレーザー１はその光束が偏光ビームスプ
リッタ−４に対してｐ偏光として入射するよう配置され
ているため、出射時には光束はほぼ１００％透過する。

偏光ビームスプリッタ−４を透過した光束は１／４波長
板５で円偏光に変換され、ポリゴンミラー６で反射され
てｆθレンズ７に入射し、描画面８に集光される。集光
されたスポットはポリゴンミラー６の回転にともなって
図中ｍで示した主走査方向に走査し、描画面８が紙面と
垂直な副走査方向へ移動する。

描画面８には感材、レジスト等が配置されており、スポ
ットの走査、Ａ１０変調器２によるビームの変調、描画
面８の移動によって描画面８上に感光、非感光による２
次元のパターンが形成される。

描画面８に達した光の一部は描画面で正反射されて往路
と同様の経路を辿り、ｆθレンズ７、ポリゴンミラー６
を介して光源側へ戻ろうとする。しかし、反射ビームは
描画面８での反射によって位相が１８０°反転している
ため、１／４波長板５を透過することによって出射時と
は直交する方向に振動面を有する直線偏光となり、ビー
ムスプリッタ−４へはＳ偏光として入射する。

従って、反射光はビームスプリッタ−４でほぼ１００％
反射されて焦点検出系９へ導かれる。この焦点検出系９
は主走査断面とｉｌＪ走査断面とでパワーが異なり、ス
ポットの描画面に対するピントが合っている際には第６
図のように円形に収束し、描画面８がｆθレンズ７から
０．３ｍｄｌれた場合には第７図、０．３ｍｍ近すいた
場合には第８図に示したように楕円形状に収束する。

従って、受光素子１０の対角に位置する受光部ａ。

ｂ、ｃ、ｄどおしの出力の和を下式のように引算するこ
とにより、非点収差法によって焦点検出信号Ｓｆを検出
することができる。

Ｓｆ：（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）この焦点検出信号Ｓｆは、装置の組立調整時と実際に描
画を行なう際との２つの場面で利用することができる。

すなわち、レンズ、光源等の光軸が整合していない場合
、あるいはレンズの偏心や光軸に対する倒れがある場合
には、ｆθレンズに対する入射像高によって描画面に対
するピント状態が変化するため、この変化をポリゴンミ
ラー６を回転させつつ受光索子１０の出力から検出する
ことにより、偏心、倒れ等の状況を把握することができ
る。従ってこの情報に基づいて装置の組立調整を行なう
ことができる。

なお、受光系を組み立て調整にのみ使用する場合には、
前記のようにビームエクスパンダ−３の第３．４レンズ
群３ａを移動可能とする必要がなく、製品として出荷す
る際には受光系を取り外してしまう構成としてもよい。

さて、次に焦点検出信号をオートフォーカスに利用する
場合の作用を説明する。

図示せぬ制御回路は、焦点検出信号Ｓｆに応じてビーム
を走査対象面に合焦するようビームエクスパンダ−３の
第３．４レンズ群３ａを一体として光軸方向へ変位させ
る。

この際、第３．４レンズ群３ａの移動量に対するスポッ
トの焦点位置の移動量の比は１０：　　１程度となり、
第３．４レンズ詳３ａの駆動が多少ラフであっても精度
良くオートフォーカスをかけることができる。

従って、駆動機構としてもＤＣモーター等を利用した簡
素なものであっても十分に目的を達成できる。なお、Ｄ
Ｃモーター等による駆動では高速な対応はできないため
、例えば描画面の細かい凹凸やｆθレンズの像面湾曲に
起因する一走査内での焦点ズレを調整することは回器で
あるが、描画面８が緩やかにうねっている場合等には高
精度での焦点調整を行なうことができる。

（第２実施例）第９図〜第１６図は、この発明の第２実施倒を示したも
のである。なお、以下の説明では、第１実施倒と同一、
等価な部材には同一符号を付して重複説明を省略する。

この走査式光学装置は、第９図に示したように、光源と
しての半導体レーザー（λ＝７８０ｎｍ）２１と、この
半導体レーザーから発した発散光束をほぼ平行光束とす
るコリメートレンズ２２と、偏光ビームスプリッタ−４
と、１７４波長板５と、ポリゴンミラー６と、ｆθレン
ズ７と、描画面８と、集光レンズ９ａ及びシリンダーレ
ンズ９ｂから構成される焦点検出光り系９と、４分割セ
ンサー１０とから構成されている。

この例では、半導体レーザー２１とコリメートレンズ２
２との間の距離を変化させることにより、光束の広がり
角を調整してスポットの描画面８に対する合焦位置を調
整する構成としている。

また、半導体レーザー１１の出射光は異方性を有するた
め、描画面８上で主走査方向に長い長円形のスポットを
得るために接合面に垂直な方向、すなわち発散角度の大
きい方向を主走査方向と一致させて配置されている。し
かもこの配置により、光束はＳ偏光として偏光ビームス
プリッタ−４に入射する。

各々の光学素子の詳細な構成は、第１０図〜第１３図に
示されており、具体的な数値は第１６ページの第４表〜
第６表に示した通りである。なお、図及び表中の符号の
定義は第１実施例と同一である。

コリメー１へレンズ２２の構成は第１０図及び第４表に
、ｆθレンズの構成は第１１図及び第３表に、焦点検出
系９の構成は第１２．１３図及び第６表に示されている
。

なお、焦点検出系９については、第１２図に主走査断面
、第１３図に副走査断面を示し、第６表では主走査方向
の曲率を「、副走査方向の曲率をｒ“として示している
。

（以下余白）第４表（コリメートレンズ）光源と第１面との距＠　　５．０１７但し、ｎ＝１．４９．ｄ＝０．２５のカバーを含む第５
表（ｆθレンズ）ｆ＝５０．Ｑｏ　　ｆｂ＝５０．８８第６表（焦点検出系）次に上記の走査式光学装置の作用を説明する。

半導体レーザー１から直接変調されて出射した発散光束
はコリメー）・レンズ２２によって平行光束とされ、偏
光ビームスプリッタ−４に対してＳ偏光として入射し、
はぼ１００％反射される。

偏光ビームスプリッタ−４で反射された光束は１７４波
長板５で円偏光に変換され、ポリゴンミラー６で反射さ
れてｆθレンズ７に入射し、描画面８に集光される。集
光されたスポットはポリゴンミラー６の回転にともなっ
て図中ｍで示した主走査方向に走査し、描画面８は紙面
と垂直な副走査方向へ移動する。

スポットの走査、半導体レーザー２１のビーム変調、描
画面８の移動によって描画面８上には感光、非感光によ
る２次元のパターンが形成される。

描画面８に達した光の一部は描画面で正反射されて往路
と同様の経路を辿り、ビームスプリッタ−４へはｐ偏光
として入射する。

従って、反射光はビームスプリッタ−４をほぼ１００％
透過して焦点検出系９へ導かれる。この焦点検出系９は
主走査断面と副走査断面とでパワーが異なり、スポット
の描画面に対するピントが合っている際には第１４図の
ように円形に収束し、描画面８がｆθレンズ７に対して
０．４＋ａｍ離れた場合には第１５図、０．４ｍｍ近す
いた場合には第１６図に示したように楕円形状に収束す
る。

非点収差法による焦点検出信号Ｓｆは第１実施例と同様
に得ることができる。この信号の利用として２つの場面
があるのは前記の例と同様である。

焦点検出信号Ｓｆをオートフォーカスをかけるために利
用する場合には、図示せぬ制御回路によって焦点検出信
号Ｓｆに応じてビームを走査対象面に合焦するよう半導
体レーザー２１とコリメートレンズ２２との間隔を調整
する。

この際、コリメートレンズ２２の焦点距離が９ａＩＩ、
ｆθレンズの焦点距離が５０ｍｍであるので、その縦倍
率は３１倍となり、半導体レーザー２１とコリメートレ
ンズ２２との間隔の変化量に対するスポットの焦点位置
の移動量の比はｌ：３１程度となって非常に感度が高く
なる。

従って、１１１．’ｌ隔を調整する焦点ｒ１４節手段と
しては、可動距離が小さいもので足り、しかも半導体レ
ーザーは軽１であるため駆動力も弱いもので足りるため
、ボイスコイルモーター等を利用して半導体レーザー２
１を駆動する光源移動アクチュエータが適している。

ボイスコイルモーターを利用したアクチュエータは応答
性が高いため、例えば描画面の細かい凹凸や振動、ある
いはｒθレンズの像面湾曲に起因する一走査内での焦点
ズレをリアルタイムで検出してオートフォーカスをかけ
ることができる。特に、ｆθレンズに像面湾曲がある場
合には、予めその量を検出して記憶しておき、補正量を
バイアスとしてアクチュエータを駆動すればより効果的
である。

なお、上述した２つの実施例では、何れも偏光器として
ポリゴンミラーを用いたが、ガルバノミラ−等の振動ミ
ラーやホログラムスキャナーを用いることもできる。走
査レンズとしては偏光器の特性に応じてＣθレンズ、ア
ークサインレンズ等を用いることができる。但し、何れ
の場合にも反射光を受光手段へ導くためにテレセントリ
ックであることが要求される。

更に、焦点調節を行なう方法としては、走査対象面と走
査レンズとの間隔を変化させる構成や走査レンズ自体を
変位させる構成としてもよい、但し、前者は焦点調節法
としては光学的には最も好ましいが、大がかりな駆動装
置が必要となる。また、後者は前者よりは駆動系は簡素
となるが、レンズの性能、特にテレセントリック性が微
妙に変化してしまう。

また、上記の例では書込用のビームと焦点検出用のビー
ムとを同一の光源から発する同一のビームとして構成し
ているが、これを２つのビームに分けて先行するビーム
を焦点検出用とし、続く後方のビームを書き込み用とす
る構成としてもよい。

この場合、先行ビームの波長は走査対象面上の感材等の
不感領域とする。

［効果コ以上説明した通り、この発明によれば、走査対象面で反
射されたビームを受光することにより、第１に、受光手
段の出力を見ることによってレンズ等の光学素子の偏心
等を検出することができ、投影等による方法が使用でき
ない走査式光学装置において、その調整を従来より容易
に行なうことができる。

第２に、スポットの集光状態をリアルタイムで検出して
ビームウェスト位置を走査対象面に一致させることがで
き、スポットの小径化を図るためにＦ値の小さいレンズ
を使用した場合にも、焦点外れによる描画性能の劣化を
招くことがない。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図はこの発明に係る走査式光学装置の第１
実施例を示したものであり、第１図は全体の配置を示す
説明図、第２図はビームエキスパンダーのレンズ断面図
、第３図はｆθレンズのレンズ断面図、第４図は焦点検
出光学系の主走査断面内におけるレンズ断゛面図、第５
図は第４図の副走査面内におけるレンズ断面図、第６図
から第８図は４分割センサー上におけるスポットダイア
グラムを示したものである。第９図〜第１６図はこの発明に係る走査式光学装置の第
２実施例を示したものであり、第９図は全体の配置を示
す説明図、第１０図はビームエキスノでンダーのレンズ
断面図、第１１図はｆθレンズのレンズ断面図、第１２
図は焦点検出光学系の主走査断面内におけるレンズ断面
図、第１３図は第１２図の副走査面内におけるレンズ断
面図、第１４図から第１６図は４分割センサー上におけ
るスポットダイアグラムを示したものである。１・・・アルゴンレーザー（光源）３・・・ビームエクスパンダ−（焦点調節整手段）４・
・・ビームスプリッタ− ６・・・ポリゴンミラー（偏光器）７・・・ｆθレンズ（走査レンズ）８・・・描画面（走査対象面）図箪図賞。図第図図図竺図第　１２　　図第１４図嘉１５図第１３　　図厄１６図手　　続　　補　　正　　書／、事件の表示特願昭６３−１５９７４２号一０発明の名称走査式光学装置及びその調整方法Ｊ、補ＩＦをする者事件との関係　　特許出願人住所　東京都板橋区前野町２丁目３６番９号ダ、補正の
対象明細書の「発明の詳細な説明」の欄ｊ、補正の内容（１）明細書の「発明の詳細な説明」の欄中。「近づいた」と補正する。　　、（２）同第１２頁第１２行〜第１３行の「前記のように
・・・・・必要がなく」を「受光系の取り付けは一時的
なものとじＡと補正する。（３）同第１８頁第５行の「近ずいた」を「近づいた」と補正する。（４）同第２０頁第１１行〜第１７行の［また、上記の
・・・・・不感領域とする。」を下記のとおり補正する
。記また、上記の例では書込み用のビームと焦点検出用のビ
ームを同一のものとしているため、焦点検出用のビーム
自身も０Ｎ１０　Ｆ　Ｆの変調を受けた光となっている
。従ってＯＦＦの時間が長く、次にＯＮとなった場合、
焦点検出はリアルタイムで行なわれるが、オートフォー
カスのレスポンスは若干時間遅れを生じる。そこで、描
画範囲外では一定時間ＯＮとしてオートフォーカスをか
け、描画面の状態に常におおよそ追従している様にすれ
ば効果的である。また、書込み用のビームと焦点検出用のビームを別ビー
ムとし、後者が先行ビームとなる様構成すれば、常にリ
アルタイムでオートフォーカスする事ができる。この場
合、先行ビームとなる焦点検出用ビームの波長は走査対
象面上の感材等の不感領域とし１色収差による焦点のシ
フトはあらかじめオフセットとして補正しておく。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源から発するビームを偏向する偏向器と、偏向
されたビームを走査対象面上に集光するテレセントリッ
クな走査レンズと、前記走査対象面で反射されたビーム
を前記偏向器と前記光源との間の光路中で出射光路から
分離するビームスプリッターと、該ビームスプリッター
により分離されたビームを受光して前記走査対象面に対
するビームのピント状態を検出する受光手段とを備える
ことを特徴とする走査式光学装置。
（２）前記走査レンズによって集光される前記ビームの
合焦位置を変化させる焦点調節整手段と、前記受光手段
の出力に応じてビームを前記走査対象面に合焦するよう
前記焦点調節手段を制御する制御手段とを備えることを
特徴とする請求項１記載の走査式光学装置。（３）光源
から発するビームを偏向器を介して偏向し、偏向された
ビームをテレセントリックな走査レンズによって走査対
象面上に集光させ、該走査対象面で反射され前記走査レ
ンズ及び前記偏向器を介して前記光源側へ戻る反射光を
ビームをビームスプリッターを用いて出射光路から分離
し、該分離した光束を受光して前記走査対象面に対する
前記ビームのピント状態を検知すると共に、該検知結果
に基づいて光学素子の調整を行なうことを特徴とする走
査式光学装置の調整方法。