JPH09119820A - 光スキャナーのウォブル測定法および光スキャナー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光スキャナーのミラーのウォブル量を高精度
に測定する測定法を提供するとともに、ミラーのウォブ
ル量を減少させた光スキャナーを提供する。 【解決手段】 回転軸４Ａを中心として水平面内に回転
振動する光スキャナーの振動ミラー４の下部反射部４
ｂ、４ｃに参照光Ｂ１を、振動ミラー４Ａの上部反射部
４ａ、４ｄに測定光Ｂ２をそれぞれ照射し、下部反射部
４ｂ、４ｃおよび上部反射部４ａ、４ｄで反射された参
照光Ｂ１および測定光Ｂ２を干渉させ、干渉により求め
られる参照光Ｂ１および測定光Ｂ２の光路差から回転軸
４Ａの傾きを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動ミラーでレー
ザー光を反射することによりレーザー光を試料面上で走
査して試料にレーザー加工を施したり、試料面のパター
ンを光学的に検出する光スキャナーのミラーのウォブル
測定法、およびウォブル量を減少させた光スキャナーに
関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光束で試料面を走査し、試料面か
らの反射光を捉えることにより試料面に形成されたパタ
ーンのエッジを検出することができる。また、レーザ光
を走査して試料を加工することもできる。このようなレ
ーザ光束での走査には、振動ミラーでレーザ光を反射す
る光スキャナーが用いられる。振動ミラーにはスキャン
方向と平行な一方向の振動が与えられ、ミラーにレーザ
光束を照射することで所望のレーザ光束を得ることがで
きる。しかし、ミラーを一方向に振動させることは困難
でありスキャン方向と異なるベクトルの振動も同時に発
生する。そして、このような振動はスキャンの直線性の
劣化や走査ライン跳びの原因になる。

【０００３】スキャン方向と垂直な方向に発生するミラ
ーの倒れをウォブル量といい、従来各種の方法で測定さ
れている。これまでに知られているウォブル量の測定法
として、２分割ディテクターの素子間の間隙の直線部に
レーザ光を集光して走査し、この直線部からのはみ出し
量を測定するという簡易な方法（従来技術１）がある。

【０００４】また、別法として走査方向と垂直な方向の
ウォブルのみを測定する方法（従来技術２）がある。図
５に示すガルバノスキャナのメーカーが推奨するウォブ
ル測定法では、２個のシリンドリカルレンズ１０１、１
０２を対向させて、ミラー１０３により振られたレーザ
光をスキャン方向に集光している。シリンドリカルレン
ズ１０１、１０２によりスキャン方向の振れが取り除か
れ、その方向と直角方向のウォブルのみがレーザ光の振
れとして検出される。図５に示すようにＨｅ−Ｎｅレー
ザ光源１０４よりレーザ光束が射出され、ミラー１０５
で進行方向を曲げられる。さらにビームスプリッター１
０６により参照光と測定光に分けられる。参照光は検出
器１０７で受光される。一方、測定光はハーフミラー１
０８で反射されスキャナー１０９のミラー１０３により
進行方向が振られる。ミラー１０３からの反射光のうち
ハーフミラー１０８に遮光されなかった光線はシリンド
リカルレンズ１０１に至るが、シリンドリカルレンズ１
０１はスキャナー１０９のミラー１０３と焦点距離だけ
離れた位置にあるのでスキャンされた光線は平行光とな
り、シリンドリカルレンズ１０１と対向して設けられた
シリンドリカルレンズ１０２の焦点距離で集光する。焦
点には検出器１１０が設けられ、電気信号処理装置１１
１で比較されてウォブル量が計測される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ミラーのウォ
ブルはどのような種類の光スキャナーでも発生し、例え
ば最新のガルバノスキャナーのウォブル値の規格値とし
て１０μｒａｄ以下と記載されている。この値は保証値
ではなく光スキャナーの品質管理などの点からもウォブ
ル量を正確に把握する必要がある。ウォブル量はこの規
格値にも示されるように１０μｒａｄ以下の微小角度で
あり、従来技術１の測定法では精度が足りず測定不可能
である。また、上述の従来技術２の方法では、シリドリ
カルレンズ１０１、１０２の収差が測定値に混入してし
まい測定誤差の原因となる。同じ収差量の２枚のシリン
ドリカルレンズを揃えることは実際には困難であり、さ
らにシリンドリカルレンズを使用した光学系の調整は難
しく手間がかかるという問題もある。

【０００６】本発明の目的は、光スキャナーのミラーの
ウォブル量を高精度に測定する測定法を提供するととも
に、ミラーのウォブル量を減少させた光スキャナーを提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図１
〜４に対応づけて説明すると、請求項１に記載の発明
は、光スキャナーの振動ミラー４の回転軸４Ａを鉛直方
向に延設したものとしたとき、回転軸４Ａを中心として
水平面内に回転振動する光スキャナーの振動ミラー４の
下部反射部４ｂ、４ｃに参照光Ｂ１を、振動ミラー４の
上部反射部４ａ、４ｄに測定光Ｂ２をそれぞれ照射し、
下部反射部４ｂ、４ｃおよび上部反射部４ａ、４ｄで反
射された参照光Ｂ１および測定光Ｂ２を干渉させ、干渉
により求められる参照光Ｂ１および測定光Ｂ２の光路差
から回転軸４Ａの傾きを測定することにより上述の目的
が達成される。請求項２に記載の発明では、請求項１に
記載の光スキャナーのウォブル測定法において、下部反
射部４ｂ、４ｃは互いに回転軸４Ａを対称中心とする第
１の下部反射部４ｂと第２の下部反射部４ｃとを備え、
上部反射部４ａ、４ｄは互いに回転軸４Ａを対称中心と
する第１の上部反射部４ａと第２の上部反射部４ｄとを
備え、参照光Ｂ１を第１の下部反射部４ｂに照射し、第
１の下部反射部４ｂで反射された参照光Ｂ１をさらに第
２の下部反射部４ｃに照射し、測定光Ｂ２を第１の上部
反射部４ａに照射し、第１の上部反射部４ａで反射され
た測定光Ｂ２をさらに第２の上部反射部４ｄに照射し、
さらに第２の下部反射部４ｃで反射された参照光Ｂ１
と、第２の上部反射部４ｄで反射された測定光Ｂ２とを
干渉させるものである。請求項３に記載の発明は、回動
軸４Ａを中心として回転振動するミラー４を備えた光ス
キャナーにおいて、回動軸４Ａの傾きを変えるように回
動軸４Ａを駆動する回動軸駆動手段１３、１５と、回転
振動に伴って発生するウォブル量を打ち消すため、ミラ
ー４Ａの回転振動と同期する周期的信号を回動軸駆動手
段１３、１５に与える制御手段１４とを備えることによ
り上述の目的が達成される。請求項４に記載の発明は、
請求項３に記載の光スキャナーにおいて、回動軸駆動手
段１３、１５にピエゾ素子１５を使用するものである。
請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の光
スキャナーにおいて、信号は回動軸駆動手段１３、１５
の動作を止めた状態で測定したミラー４のウォブル量に
基づいて決定され、回動軸４Ａをウォブル量を打ち消す
ように駆動するものである。

【０００８】請求項１に記載の発明では、下部反射部４
ｂ、４ｃおよび上部反射部４ａ、４ｄで反射された参照
光Ｂ１および測定光Ｂ２を干渉させ、干渉により求めら
れる参照光Ｂ１および測定光Ｂ２の光路差から回転軸４
Ａの傾きを測定する。請求項２に記載の発明では、参照
光Ｂ１を第１の下部反射部４ｂに照射し、第１の下部反
射部４ｂで反射された参照光Ｂ１をさらに第２の下部反
射部４ｃに照射し、測定光Ｂ２を第１の上部反射部４ａ
に照射し、第１の上部反射部４ａで反射された測定光Ｂ
２をさらに第２の上部反射部４ｄに照射し、さらに第２
の下部反射部４ｃで反射された参照光Ｂ１と、第２の上
部反射部４ｄで反射された測定光Ｂ２とを干渉させる。
請求項３に記載の発明では、制御手段１４がミラー４Ａ
の回転振動と同期する周期的信号を回動軸駆動手段１
３、１５に与え、回動軸駆動手段１３、１５がこの周期
的信号に従って回動軸４Ａを駆動する。請求項４に記載
の発明では、ピエゾ素子１５の動作により回動軸４Ａを
駆動する。請求項５に記載の発明では、回動軸駆動手段
１３、１５の動作を止めた状態で測定したミラー４のウ
ォブル量に基づいて決定された信号に従って回動軸４Ａ
を駆動する。

【０００９】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１０】

【発明の実施の形態】

−本発明によるウォブル量測定法の一実施の形態− 図１〜図３は本発明によるミラーのウォブル測定法によ
るウォブル測定装置の一実施の形態を示す。図１におい
て、この実施の形態のウォブル測定装置は、ザーマンレ
ーザ（ＨＰ社レーザ干渉計レーザ）１と、入射光の偏光
方向に応じて入射光を透過または反射する偏光ビームス
プリッター２と、偏光ビームスプリッター２から出射し
た光線の方向を変え、再び光線を偏光ビームスプリッタ
ー２に導くコーナーキューブ５と、偏光ビームスプリッ
ター２から出射した光線を反射するミラー６と、ミラー
６からの光線を受ける４つの１／４波長板３ａ〜３ｄ
と、偏光ビームスプリッタ２の出射光を受光するレシー
バ７とで構成され、次のようにしてガルバノスキャナー
ミラー４のウォブル量を測定する。

【００１１】図１に示すように、わずかに周波数の異な
る２波長の直交直線偏光したレーザ光線Ｂ１（波長
ｆ_h）およびレーザ光線Ｂ２（波長ｆ_v）がザーマンレー
ザ１よりＸ方向に射出する。レーザ光線Ｂ１は偏光ビー
ムスプリッター２を透過して１／４波長板３ｂで円偏光
となり、上下方向（Ｚ方向）に延設された回転軸４Ａを
中心にして水平方向に（ＸＹ平面内で）回転振動するガ
ルバノスキャナーミラー４下部の部位４ｂに入射して反
射される。反射されたレーザ光線Ｂ１は再度１／４波長
板３ｂを通過することにより再び直線偏光となり、さら
にビームスプリッター２の分離面で下向き（−Ｚ方向）
に反射されてコーナーキューブ５に至る。

【００１２】レーザ光線Ｂ１はコーナキューブ５をＹ方
向に進行した後、反射されて上向き（Ｚ方向）に射出
し、偏光ビームスプリッター２に入射する。偏光ビーム
スプリッター２の分離面で反射されたレーザ光線Ｂ１は
１／４波長板３ｃにより円偏光の光に変換され、ガルバ
ノスキャナーミラー４下部の部位４ｃに入射して反射さ
れる。再度１／４波長板３ｃを通過した光は直線偏光に
変換され偏光ビームスプリッター２を透過して、レシー
バ７に入射する。

【００１３】ザーマンレーザ１を射出したレーザ光線Ｂ
２は、偏光ビームスプリッター２で反射され、ミラー６
に入射する。その反射光は１／４波長板３ａにより円偏
光となり、ガルバノスキャナーミラー４の部位４ｂの上
方に位置する部位４ａに入射して反射される。この光は
再度１／４波長板３ａを通過して直線偏光となり、ミラ
ー６で反射される。反射された光は偏光ビームスプリッ
ター２を透過してコーナーキューブ５に至る。

【００１４】この光はコーナキューブ５をＹ方向に進行
した後、反射されて上向き（Ｚ方向）に射出し、偏光ビ
ームスプリッター２に入射する。偏光ビームスプリッタ
ー２を透過した後、この光はミラー６で反射されて１／
４波長板３ｄにより円偏光に変換され、ガルバノスキャ
ナーミラー４の部位４ｃの上方に位置する部位４ｄに入
射して反射される。再度１／４波長板３ｄを通過した光
は直線偏光に変換され、さらにミラー６で反射された
後、偏光ビームスプリッター２の分離面で反射されてレ
シーバ７に入射する。

【００１５】以上のように、ゼーマンレーザ１から出射
したレーザ光線Ｂ１およびＢ２は、それぞれガルバノス
キャナーミラー４で２度反射され、レシーバ７で受光さ
れる。レシーバ７でレーザ光線Ｂ１およびＢ２を干渉さ
せてビート信号（うなり信号）を発生させ、レーザ干渉
計自身の参照ビート信号との差を電気的に計測すること
により、レーザ光線Ｂ１およびＢ２の光路長の差が測定
できる。ここで、ミラー４の部位４ｂと部位４ｃ、およ
び部位４ａと部位４ｄとは互いに回転軸４Ａを挟んでほ
ぼ線対称の位置に設けられている。したがって、レーザ
ー光線Ｂ１の光路は部位４ｂおよび４ｃを通る平面と回
転軸４Ａの軸心との交点位置の変動に対応してその長さ
が変化し、交点位置の変化量の２倍が光路長の変動とな
る。同様にレーザー光線Ｂ２の光路は部位４ａおよび４
ｄを通る平面と回転軸４Ａの軸心との交点位置の変動に
対応してその長さが変化し、交点位置の変化量の２倍が
光路長の変動となる。つまり、本実施の形態では、回転
軸４ＡのＸ方向の傾き（の変動）が高さの異なるこれら
２点のＸ座標の差（の変動）を介して測定されることに
なる。このように、レーザ光線Ｂ１およびＢ２の光路長
が、回転軸４Ａのそれぞれの高さでのＸ方向の位置変動
に対して２倍長変化する４光束ダブルパス方式となって
いるので、シングルパスに比べて光路長の変化が２倍に
なり、分解能が向上する。本実施の形態では分解能がλ
／１２８（５ｎｍ）となる。なお、ガルバノスキャナー
ミラー４の回転振動により、レーザ光Ｂ１およびＢ２の
反射光の方向が変動するので、この変動に応じて光路の
位置が移動する。しかし、本実施の形態の測定法におい
ては、レーザ干渉計全体をコンパクトにまとめており、
またミラー４の振れ角が微小であるため、光路が光学系
をはみ出たり、レシーバ７の受光面から外れてしまうほ
ど光路の移動量が大きくならない。したがって、ガルバ
ノスキャナーミラー４の回転振動の一周期全体にわた
り、ウォブル量の測定が可能である。

【００１６】図３は、本実施の形態の測定法によるガル
バノスキャンミラー４のウォブル量の測定値を示す。図
３（ａ）はミラー４を周波数２０ヘルツのサイン波（変
位角）で駆動した場合、図３（ｂ）は同じく周波数２０
ヘルツの三角波で駆動した場合であり、横軸に時間を、
縦軸に変位量をとっている。変位量のピークｔｏピーク
はいずれの場合も約６０ｎｍであるが、ミラー４の部位
４ａと部位４ｂとの間の距離および部位４ｃと部位４ｄ
との間の距離を２０ｍｍとしているので、 ウォブル量θ＝ｓｉｎ^-1（（６０×１０^-3）／（２０×１０³）） ＝３μｒａｄ（０．６１´´） となり、微小角度のウォブル量が測定可能であることが
分かる。なお、図３から明らかなように、ウォブル量は
ミラーの駆動周期と一致する周期的な振動が大部分を占
め、周期性のないウォブル量の成分はわずかの比率であ
る。

【００１７】本実施の形態においては、１／４波長板３
ａ、３ｂ、３ｃおよび３ｄを別個の１／４波長板として
設けているが、これらの４つの１／４波長板の代りに、
例えば１／４波長板を１つだけ設け、これに４光束を透
過させるようにしてもよい。

【００１８】−本発明による光スキャナーの一実施の形
態− 光スキャナーのウォブルには周期的なウォブルとランダ
ムなウォブルとがある。このうち周期的なウォブルが正
確に測定できれば、このウォブル量を打ち消すような補
正をすることにより、非直線性のない理想的なスキャン
が可能となり、画像処理装置において走査線跳びを防止
することができる。図３で示したように、ウォブル量全
体に占める周期的なウォブルの比率は高く、振れ角度を
大きくしたり走査周波数を高くするとウォブル量は増大
し、ミラーの駆動方向が入替わる振幅端の部分でとくに
大きな値となる。

【００１９】上述の本発明によるウォブル量測定法を用
いて測定したウォブル量に基づいて、光スキャナーの振
動ミラーの周期的なウォブル量を減少させることができ
る。図４は本発明による光スキャナーの一実施の形態を
示す。本実施の形態の光スキャナーはガルバノスキャナ
ーであり、ミラー４はＺ方向に延設された回転軸４Ａを
中心に回転振動する。入力駆動波形発生装置１０により
所望の波形を発生させ、この波形を受けてドライバー１
１により駆動制御信号を生成する。この駆動制御信号に
よりスキャナーの本体１２のマグネット（不図示）を制
御してミラー４の傾きを制御する。微動調整機構１３は
ミラー４の回転軸４ＡをＸ方向に傾けることができるゴ
ニオメーターである。電圧コントローラー１４から微動
調整機構１３のピエゾ素子１５に電圧を加えることによ
り、微動調整機構１３を介してミラー４の回転軸４Ａの
傾きを微小角度で制御することができる。ウォブル量の
測定値に基づいて、周期的なウォブル量を打ち消すよう
な電圧カーブを求めて、これを電圧コントローラー１４
に入力しておき、ミラー４の振動に同期してピエゾ素子
１５に所定の電圧を加える。本実施の形態の光スキャナ
ーでは、ミラー４の傾きを制御して周期的なウォブルを
打ち消すので、従来のガルバノスキャナーに比べてミラ
ーのウォブル量を大幅に減少させることができる。

【００２０】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、振動ミ
ラーの上部反射部および下部反射部に照射したレーザー
参照光およびレーザー測定光の反射光を干渉させること
により、振動ミラーの上部および下部の位置の差を測定
して振動ミラーのウォブル量を求めているので、ウォブ
ル量を高精度に測定することができる。請求項２に記載
の発明によれば、ミラーの回転軸を対称中心とする位置
にそれぞれ２つの下部反射部および上部反射部を設け、
参照光および測定光をミラーで２度反射させるダブルパ
ス方式を採用しているので、ミラー位置の変動を検出す
る分解能が向上する。請求項３に記載の発明によれば、
予め測定されたミラーの周期的なウォブルを打ち消すよ
うに回動軸が駆動手段により駆動されるので、ミラーの
ウォブルが減少し直線性の良好なスキャン動作が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるウォブル測定法の一実施の形態の
光学系を示す斜視図。

【図２】図１に示す光学系をＹ方向から見た状態を示す
側面図。

【図３】図１に示すウォブル測定法による測定結果の一
例を示す図であり、（ａ）はミラーをサイン波で駆動し
た場合を示す図、（ｂ）はミラーを三角波で駆動した場
合を示す図。

【図４】本発明による光スキャナーの一実施の形態を示
す図。

【図５】従来のウォブル測定法の光学系を示す図であ
り、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図。

【符号の説明】

４ ガルバノスキャナーミラー ４Ａ 回転軸 ４ａ 部位 ４ｂ 部位 ４ｃ 部位 ４ｄ 部位 １３ 微動調整機構 １４ 電圧コントローラー １５ ピエゾ素子 Ｂ１ レーザー光線 Ｂ２ レーザー光線

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光スキャナーの振動ミラーの回転軸を鉛
   直方向に延設したものとしたとき、 前記回転軸を中心として水平面内に回転振動する光スキ
   ャナーの振動ミラーの下部反射部に参照光を、前記振動
   ミラーの上部反射部に測定光をそれぞれ照射し、前記下
   部反射部および前記上部反射部で反射された前記参照光
   および前記測定光を干渉させ、干渉により求められる前
   記参照光および前記測定光の光路差から前記回転軸の傾
   きを測定することを特徴とする光スキャナーのウォブル
   測定法。
2. 【請求項２】 前記下部反射部は互いに前記回転軸を対
   称中心とする第１の下部反射部と第２の下部反射部とを
   備え、前記上部反射部は互いに前記回転軸を対称中心と
   する第１の上部反射部と第２の上部反射部とを備え、 前記参照光を前記第１の下部反射部に照射し、前記第１
   の下部反射部で反射された前記参照光をさらに前記第２
   の下部反射部に照射し、 前記測定光を前記第１の上部反射部に照射し、前記第１
   の上部反射部で反射された前記測定光をさらに前記第２
   の上部反射部に照射し、 さらに前記第２の下部反射部で反射された前記参照光
   と、前記第２の上部反射部で反射された前記測定光とを
   干渉させることを特徴とする請求項１に記載の光スキャ
   ナーのウォブル測定法。
3. 【請求項３】 回動軸を中心として回転振動するミラー
   を備えた光スキャナーにおいて、 前記回動軸の傾きを変えるように前記回動軸を駆動する
   回動軸駆動手段と、 前記回転振動に伴って発生するウォブル量を打ち消すた
   め、前記ミラーの前記回転振動と同期する周期的信号を
   前記回動軸駆動手段に与える制御手段とを備えることを
   特徴とする光スキャナー。
4. 【請求項４】 前記回動軸駆動手段はピエゾ素子を使用
   したものであることを特徴とする請求項３に記載の光ス
   キャナー。
5. 【請求項５】 前記信号は前記回動軸駆動手段の動作を
   止めた状態で測定した前記ミラーのウォブル量に基づい
   て決定され、前記回動軸は前記ウォブル量を打ち消すよ
   うに駆動されることを特徴とする請求項３または４に記
   載の光スキャナー。