JPH03240017A - 光走査装置 - Google Patents

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】 〔概要〕 Ｘ−Ｙステージ上で２方向に光ビームを走査することに
より、光学的な物体計測や外観検査などを行なうのに適
した光走査装置に関し、Ｘ−Ｙ２方向の光走査を行なう
装置を、安価でかつ容易に組立て製造できるようにする
ことを目的とし、 Ｘ−Ｙステージの上方において、 光源から入射して来た光を、Ｘ−Ｙステージ上に導き、
高速振動によって走査を行うための単一の振動鏡と、 該振動鏡で反射された光の向きを複数の方向に切り換え
ることで、走査方向を切り換える、走査方向切換え鏡を
有し、 該走査方向切換え鏡は、鉛直軸の回りに回動し、複数の
位置に固定するアクチュエータに連結されていること、 該走査方向切換え鏡が回動して固定される第一の位置に
おいて、該走査方向切換え鏡に対向して配置され、該走
査方向切換え鏡から入射した光をＸ−Ｙステージに向け
て反射する第一走査鏡が固設されていること、 該走査方向切換え鏡が回動して固定される第二の位置に
おいて、該走査方向切換え鏡から入射した光を第二走査
鏡に向けて反射する中継鏡が、該走査方向切換え鏡に角
度をなして対向し、かつ鉛直方向に立てて固定され、第
二走査鏡は、該中継鏡から入射した光をＸ−Ｙステージ
に向けて反射するように固設されていること、 を特徴とする構成とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、Ｘ−Ｙステージ上で２方向に光ビームを走査
することにより、光学的な物体計測や外観検査などを行
なうのに適した光走査装置に関する。

〔従来の技術〕

第５図は、光走査による三次元計測の原理を説明する斜
視図である。測定対象物ｌの上方に、走査レンズ２を介
して振動鏡（ガルバノメータミラー）３が配設されてい
る。振動鏡３は、駆動モータ４の軸に連結され、Ｘ方向
の面内に有る矢印ａ１方向に高速で往復回動する。そし
て、振動鏡３に向けてレーザ光を出射するレーザ光源５
が配設されている。

対象物ｌに対しＹ方向の位置において、斜め上方に、結
像レンズ６を介して、光位置検出器すなわちＰＳＤ（Ｐ
ｈｏｔｏ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）　
　７が配設されている。

振動鏡３が高速で振動すると、レーザ光源５がら出射し
た光ビームは、走査レンズ２を通して対象物１上に反射
されると共に、対象物１上をＸ方向に走査する。同時に
、走査方向と直角方向（Ｙ方向）からＰＳＤ　７で検出
すると、三角測量の原理で、対象物１のχ方向面内にお
ける高さＨや長さしを測定できる。

しかしながら、この装置では、Ｘ方向だけしが走査でき
ないため、Ｙ方向の面内における高さや幅Ｗは測定でき
ない。また、ＰＳＤは一方向にしか無いので、対象物１
の一方向の形状しか測定できない。

そこで実際には、第６図に示すように、Ｘ−Ｙステージ
８の上方において、ＰＳＤ　７と結像レンズ６から成る
センサーユニットが、Ｓｔ、　Ｓ２、Ｓ３、ｓ４のよう
に、四方から対象物ｌに向けて配設され、四方から形状
測定できるようになっている。また、Ｘ方向走査用の振
動鏡３ｘ、駆動モータ４ｘのほかに、Ｘ方向走査用の振
動鏡３ｙ、駆動モータ４ｙを有している。

この装置で、レーザ光源５から出射した光ビームが、Ｘ
方向走査用の振動鏡３ｙでＸ方向走査用の振動鏡３ｘに
反射され、該振動鏡３×で、対象物１上に反射されるも
のとする。いま、Ｘ方向走査用の振動鏡３ｙを止めて、
Ｘ方向走査用の振動鏡３にのみを高速振動させたとする
と、第５図と全く同じ原理で、Ｘ方向の走査が行なわれ
る。その結果、第５図で説明したように、対象物１の、
Ｘ方向の面内における高さＨや長さしを測定できる。

しかしながら、実際には、Ｘ方向走査用の振動鏡３ｙを
徐々に回転させて、Ｘ方向走の走査ビームをＹ方向に移
動させる。第５図の測定では、走査ビームの通過する位
置は一定なため、対象物ｌのＹ方向の測定位置は、１個
所に限られたが、第６図の装置では、走査ビームがＹ方
向に徐々に移動長さを測定できる。

そして、この状況をセンサーＳｌと３３で両側から形状
測定できる。

次にＸ方向走査用の振動鏡３ｙを高速振動させると、Ｘ
方向の走査が行なわれ、かつＸ方向走査用の振動鏡３ｘ
を徐々に回転させると、走査位置が徐々にＸ方向に移動
する。そのため、センサーｓ２、Ｓ４によって、Ｘ方向
の両面を検出測定できる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、振動鏡３ｘ、３ｙは、高い精度で高速かつ定
速回動することが必要なため、非常に高価な装置となっ
ている。そのため、このような高価な振動鏡（ガルバノ
メータミラー）を２組用いて光走査する従来の三次元計
測装置は、装置全体が非常に高価となる。

また、光走査は回転多面鏡（ポリゴンミラー）で行ない
、走査位置の移動を振動鏡で行なう装置も知られている
が、回転多面鏡も高価なため、同様にコスト高の問題は
避けられない。

しかも、いずれの装置も、２組の走査鏡を、空間的に精
度良く位置決めしなければならないため、組立てや調整
の作業が困難である。

本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、Ｘ−
Ｙ２方向の光走査を行なう装置を、安価でかつ容易に組
立て製造できるようにすることにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明による光走査装置の基本原理を説明する
斜視図である。本発明では、１組の振動鏡３とＸ−Ｙス
テージ８上の対象物ｌとの間に、走査方向切換え鏡９の
第一の位置においては、走査方向切換え鏡９と第一走査
鏡Ｍｘを有している。

また走査方向切換え鏡９の第二の位置においては、走査
方向切換え鏡９に対向配置された中継鏡ｌＯと第二走査
鏡Ｍｙを有している。

走査方向切換え鏡９は、振動鏡３で反射された走査光の
向きを切り換えることで、走査方向を切り換える鏡であ
り、モータなどのアクチュエータによって、鉛直軸の回
りに例えば９０度回転される。

該走査方向切換え鏡（９）が回動して固定される第一の
位置においては、該走査方向切換え鏡（９）に対向して
配置され、該走査方向切換え鏡（９）から入射した光を
Ｘ−Ｙステージ（８）に向けて反射する第一走査鏡Ｍｘ
が固設されている。

また、該走査方向切換え鏡（９）が回動して固定される
第二の位置においては、該走査方向切換え鏡（９）から
入射した光を第二走査鏡ＭＦに向けて反射する中継鏡（
１０）が、該走査方向切換え鏡（９）と角度をなして対
向し、かつ鉛直方向に立てて固定されている。そして、
該第二走査鏡Ｍｙは、該中継鏡（１０）から入射した光
をＸ−Ｙステージ（８）に向けて反射するように固定さ
れている。

図においては、振動鏡３、第一走査鏡Ｍｘ、第二走査鏡
Ｍｙおよび中継鏡１０は背面が現れており、走査方向切
換え鏡９のみミラー面が現れている。

なお、走査方向切換え鏡９が、例えば３方向に回動固定
される場合は、第三の位置においても、前記の第二の位
置における中継鏡１０と第二走査鏡Ｍ３Ｆに対応する鏡
が固設される。

〔作用〕

図示の装置が、Ｘ−Ｙの２方向に光ビームを走査する装
置であると仮定すると、走査方向切換えｔＩＬ９は９０
度往復回動され、かつそれぞれの位置に固定される。

図のような配置では、振動鏡３は、駆動モータ４によっ
て、軸心１２を中心にして、矢印ａ、方向すなわちＸ方
向に往復振動する。そのため、実線で示すように、走査
方向切換え鏡９が第一走査鏡Ｍｘに向かっている場合は
、振動鏡３によってＸ方向に振られた走査光は、走査方
向切換え鏡９および第一走査鏡Ｍｘにおいても、Ｘ方向
に振られるため、Ｘ−Ｙステージ８上の対象物１におい
ても、Ｘ方向に走査される。

このようにしてＸ方向に走査しながら、Ｘ−Ｙステージ
８をＸ方向に微小ピッチで移動させると、対象物１の全
面をＸ方向に走査できる。

こうしてＸ方向の走査が全面にわたって終了した後に、
アクチュエータによって走査方向切換え鏡９を９０度回
転させて、中継鏡１０に向けると、走査方向切換え鏡９
で反射された光は、中継鏡１０を介して第二走査鏡Ｍｙ
に導かれる。

そのため、振動鏡３が振動すると、その反射光は、Ｘ方
向の鉛直面内において、走査方向切換え鏡９の斜面を上
下方向に走査し、かつ中継鏡１０に向けて反射される。

中継鏡１０においては、Ｘ方向の鉛直面内において上下
方向に走査される。そして、該中継鏡１０で反射された
光ビームは、向きを９０度変えて、Ｘ方向の垂直面内に
おいて、第二走査鏡Ｍｙに向けて導かれる。その結果、
第二走査鏡Ｍａｌの斜面を上下方向に走査した光は、対
象物１上に反射され、該対象物１上をＸ方向に走査する
ことになる。

このようにしてＸ方向に走査しながら、Ｘ−Ｙステージ
をＸ方向に微小ピッチで移動させると、対象物ｌの全面
をＸ方向に走査できる。なお、走査方向切換え鏡９を中
継鏡１０側に回動させる際に、Ｘ−Ｙステージ８を駆動
して、対象物ｌを、破線で示すように第二走査鏡Ｍｙの
下に移動させておく。

〔実施例］ 次に本発明による光走査装置が実際上どのように具体化
されるかを実施例で説明する。第２図〜第４図は本発明
による光走査装置の実施例を示す図で、第２図は平面図
、第３図は第２図の［１−Ｉ１１方向の正面図、第４図
は正面図である。

図示例はＸ方向とＸ方向の２方向に光走査する装置であ
り、ＭｘがＸ方向の走査鏡、ＭｙがＸ方向の走査鏡であ
る。図示例では、Ｘ方向の走査鏡ＭｘもＸ方向の走査鏡
ＭＹも、Ｘ−Ｙステージ８に対し、４５度の角度をおい
て対向し、かつ両走査鏡は互いに平行にな、っている。

また振動鏡３も、Ｘ−Ｙステージ８の面に対し４５度の
角度をおいて下向きに配設され、走査方向切換え鏡９は
、４５度の角度をおいて上向きに、かつＸ−Ｙステージ
８の面と垂直の軸Ａを中心に回動可能になっている。

そして、振動鏡３の真下に配設された走査方向切換え鏡
９に対向して、Ｘ方向の走査鏡門×が配設されている。

この走査方向切換え鏡９は、Ｘ方向の走査を行なうとき
は、第３図に示すように、Ｘ方向を向いていて、Ｘ方向
の走査鏡詠に対向している。Ｘ方向に走査するときは、
走査方向切換え鏡９は、アクチュエータ１１によって、
鉛直軸Ａの回りに９０度何回転れ、第４図のように、Ｘ
方向に向く。このようにＸ方向に向いた状態において、
走査方向切換え鏡９の正面位置に、中継鏡１０が鉛直に
立っている。しかも、第２図に示すように、Ｘ軸に対し
４５度傾いており、かつ中継鏡１０からの反射光が入射
する位置に、前記のＸ方向の走査鏡Ｍｙが配設されてい
る。

そのため、第３図に示すように、走査方向切換え鏡９が
Ｘ方向の走査鏡Ｍｘに向いているときは、振動鏡３で紙
面と垂直方向（Ｘ方向）に振られた光ビームは、Ｘ方向
の走査ｌＩＭ　ｘに向けて反射され、かつ該Ｘ方向の走
査鏡Ｍｘによって、Ｘ−Ｙステージ８上の対象物１に反
射され、Ｘ方向に走査される。その結果、Ｘ−Ｙステー
ジ８をＸ方向に微小ピッチで送ることにより、対象物ｌ
の全体をＸ方向に走査できる。

次にＸ−Ｙステージ８を駆動して、第４図のように、対
象物ｌをＸ方向の走査鏡ＭＹの真下に移動すると共に、
アクチュエータ１１によって、走査方向切換え鏡９を９
０度何回転せ、中継鏡１０に向ける。

この状態で、振動鏡３を駆動すると、紙面と垂直方向に
振られた光ビームは、走査方向切換え鏡９の斜面を上下
方向に走査するため、その反射光は、鉛直方向の中継鏡
１０に対し、上下方向に走査することになる。その結果
、中継鏡１０による反射光は、第４図に示すように、紙
面内においてＸ方向の走査鏡Ｍｙを上下方向に走査し、
その反射光が、ＸＹステージ８上の対象物１をＸ方向（
紙面内方向）に走査することになる。

そして、Ｘ−Ｙステージ８をＸ方向（紙面と垂直方向）
に微小ピッチで送ることにより、対象物ｌの全体をＸ方
向に走査できる。

このように、走査方向切換え鏡９を９０度何回転るとと
もに、Ｘ−Ｙステージ８によって、対象物１を走査鏡Ｍ
ｘ、　Ｍｙの真下に移動するのみで、対象物ｌの全体を
Ｘ−Ｙの２方向に走査できるため、第６図に示したよう
に、センサーユニット５ＩＳＳ２、Ｓ３、Ｓ４を、四方
から対象物ｌに向けて配設することにより、四方から対
象物ｌの形状測定を行なうことができる。

２つの走査鏡Ｍｘ、Ｍｙとｘ−ｙステージ８の間隔が同
等であるとすると、走査方向切換え鏡９〜第一走査鏡Ｍ
ｘ間の光路長と走査方向切換え鏡９〜中継鏡１０〜第二
走査鏡Ｍｙの光路長を等しくすることにより、Ｘ方向の
走査範囲とＸ方向の走査範囲が等しくなり、かつ走査ビ
ームのスポット径も等しくなる。

なお、実施例では、互いに直交する２方向に走査する装
置を示したが、第一走査鏡Ｍｘによる走査方向と第二走
査鏡Ｍｙによる走査方向は、Ｘ方・向とＸ方向のみに限
定されるものではない。走査方向切換え鏡９の回転角度
を選定することで、任意の方向に走査できる。

〔発明の効果］ 以上のように本発明によれば、走査方向を切り換えるた
めに鉛直方向の軸の回りに回動・固定される走査方向切
換え鏡９を有し、２枚の走査鏡Ｍｘ、Ｍｙおよび１枚の
中継鏡ｌＯが固設されるのみであって、高価な振動鏡は
１組で足りる。そのため、極めて安価に実現でき、また
組立てや調整も簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光走査装置の基本原理を説明する
斜視図、 第２図〜第４図は本発明の実施例を示す図で、第２図は
平面図、第３図は第２図の■−■方向の正面図、第４図
は正面図、 第５図は光走査による三次元計測の原理を説明する斜視
図、 第６図は従来の三次元計測装置を示す斜視図である。 図において、１は対象物、３は振動鏡、５は光源（半導
体レーザ）、８はＸ−Ｙステージ、９は走査方向切換え
鏡、１０は中継鏡、１１はアクチュエータ、Ａは鉛直軸
、Ｍｘは第一走査鏡、Ｍｙは第二走査鏡、をそれぞれ示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｘ−Ｙステージ（８）の上方において、 光源（５）から入射して来た光を、Ｘ−Ｙステージ（８
   ）上に導き、高速振動によって走査を行うための単一の
   振動鏡（３）と、 該振動鏡（３）で反射された光の向きを複数の方向に切
   り換えることで、走査方向を切り換える、走査方向切換
   え鏡（９）を有し、 該走査方向切換え鏡（９）は、鉛直軸の回りに回動し、
   複数の位置に固定するアクチュエータに連結されている
   こと、 該走査方向切換え鏡（９）が回動して固定される第一の
   位置において、該走査方向切換え鏡（９）に対向して配
   置され、該走査方向切換え鏡（９）から入射した光をＸ
   −Ｙステージ（８）に向けて反射する第一走査鏡（Ｍｘ
   ）が固設されていること、 該走査方向切換え鏡（９）が回動して固定される第二の
   位置において、該走査方向切換え鏡（９）から入射した
   光を第二走査鏡（Ｍｙ）に向けて反射する中継鏡（１０
   ）が、該走査方向切換え鏡（９）に角度をなして対向し
   、かつ鉛直方向に立てて固定され、第二走査鏡（Ｍｙ）
   は、該中継鏡（１０）から入射した光をＸ−Ｙステージ
   （８）に向けて反射するように固設されていること、 を特徴とする光走査装置。