KR20160022902A - 스캐닝 장치 - Google Patents

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KR20160022902A
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토마스 드레슬러
슈테판 하이네만
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예놉틱 옵틱컬 시스템즈 게엠베하
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Abstract

광원(1.1), 폴리곤 미러 (2.1)과 프리-스캔 광학기구(3) 과 포스트-스캔 광학기구 (4)를 갖는 스캔 유닛으로 구성되는 스캐닝 장치. 프리-스캔 광학기구 (3)은 광원 (1)로부터 오는 빔 번들(1.1)이 교차 스캔 평면에서 입사각 (α)로 폴리곤 미러 (2.1)에 충돌하는 방식으로 폴리곤 미러 (2.1)의 상류측에 배치되어 있고, 포스트-스캔 광학기구 (4)의 광축은 폴리곤 미러(2.1)의 반사방향에 위치 한다. 스캔 라인(5)에서 광원 (1)의 이미지를 형성할 때 발생하는 사다리꼴 왜곡과 스캔 활 같은 왜곡들은 포스트-스캔 광학기구(4)의 원통형 미러(4.2)가 교차 스캔 평면에서 폴리곤 미러 (2.1)에 수직인 면에 대해 제 1 경사각(β)로 기울어져 있고, 포스트-스캔 광학기구(4)의 두 보정렌즈(4.1.1,4.1.2)중 하나가 거리 (a)만큼 떨어져서 포스트-스캔 광학기구(4)의 광축에 대해 제 2 경사각 (γ)로 기울어져 있는 것으로 최소화 된다.

Description

스캐닝 장치{SCANNING DEVICE}
본 발명은 일반적으로 WO 99/03012 A1에서 알려진 것과 같은 왜상, 반사 굴절 포스트-스캔 광학기구를 가진 스캔 장치에 관한 것이다.
스캔 장치는 예를 들면 인쇄회로기판들의 직접적인 노광에 사용된다. 그 장치들은 표적 표면이 스캔 방향에 수직으로 지나는 전진 이송 방향으로 움직이는 동안 스캔 방향의 스캔 라인을 따라 평면의 표적 표면 위에 빔 번들을 스캔한다. WO 99/03012 A1에서 개시된 것과 같은 일반적 스캔 장치는 광원, 스캔 유닛, 광원에서 스캔 유닛으로 나오는 빔 번들을 형성하여 안내하기 위하여 스캔 유닛(프리-스캔 광학기구)의 상류에 배치된 광학 부재, 및 스캔 유닛에 의해 편향된 빔 번들을 형성하고 표적 표면으로 안내하도록 상기 스캔 유닛(프리-스캔 광학기구)의 하류에 배치된 스캔 유닛(포스트-스캔 광학기구)을 포함한다.
위에서 언급된 WO 99/03012 A1의 실시예에 따르면, 프리-스캔 광학기구는 원통형 미러와 쌍원통의 굴절 요소를 포함하고, 포스트-스캔 광학기구에 필요한 빔 번들의 아나모픽(anamorphic) 특성을 제공하기 위해 광원을 포스트-스캔 광학기구로 이미지화한다. 스캔 장치의 상류에 배치되어 있는 편향 미러 및 입력 미러는 단지 폴리곤 미러에 의해 형성된 빔을 빔 번들의 빔 축에 의해 형성되는 횡 스캔 평면(인용문헌의 시상 입사각으로)과 폴리곤 미러의 폴리곤 미러 면에 법선의 평면에 임의의 입사각으로 편향시키거나 빔을 편향시켜 스캔 장치로 결합하는 역할을 할 뿐이다.
폴리곤 미러면은 빔 번들을 포스트-스캔 광학기구로의 입사각과 동일한 반사각으로 횡 스캔면에 편향시킨다.
포스트-스캔 광학기구는 최소화할 필요가 있는 다양한 유형의 왜곡이 일어날수 있는 F-세타 대물렌즈(F-Theta Objective)이다. 이 왜곡은 스캔 휨(scan bow) 및 사다리꼴 왜곡을 포함한다.
스캔 휨은 스캔 평면에 대한 스캔 라인의 곡률이고, 이 스캔 휨은 모든 F-세타 대물렌즈에서 발생하고 포스트-스캔 광학기구의 광축으로부터 이미지의 위치까지의 거리가 증가함에 따라 증가한다.
사다리꼴 왜곡은 프로젝터 장치에서 이미지가 투사면 상에 다양한 높이로 투사될 때 나타난다고 알려져 있다. 그 이미지는 전형적으로 이미지의 하부 엣지보다 상부 엣지에서 더 넓다. 이 유형의 왜곡은 대상 및/또는 이미지가 투사 대물렌즈의 광축에 수직으로 배치되지 않았을 때 일어난다. F-세타 대물렌즈에서는, 입사각과 입사각에 대한 포스트-스캔 광학기구의 중심배치는 이 점에 있어서 인자를 결정한다.
따라서, WO 99/03012 A1에 따른 스캔 장치의 양 배치를 위하여, 폴리곤 미러 하류측의 포스트-스캔 광학기구는 폴리곤 미러에 대해 중심에 위치하도록 배치되는 것이 제안된다. 즉, 폴리곤 미러에 의해 반사된 빔 번들이 입사각과 동일한, 포스트-스캔 광학기구의 광축에 대한 임의의 각도로 포스트-스캔 광학기구로 들러가도록 포스트-스캔 광학기구의 광축이 폴리곤 미러의 회전축에 대하여 수직이고, 그 광축을 포함하는 평면에 놓이는 이미지 포인트에 목표 물체상에 상이 형성될 것이 제안된다. 폴리곤 미러에 대한 포스트-스캔 장치의 중심 배치는 최소한의 왜곡이 일어나는 배치이다. 하지만 동시에, 입사 되는 빔 번들의 입사각 보다 큰 경우에는 비교적 부피가 큰 구조를 초래한다.
하나의 구조에 따르면, 포스트-스캔 광학기구는 빔 방향에 배치되는, 구형의 메니스커스(meniscus) 렌즈와 평평한 원통형 렌즈를 포함하고, 이들은 함께 구형의 원통형 렌즈를 형성한다. 이 발명에 따르면 스캔 장치의 보정 대물렌즈와는 비교대비될 수 있는, 위에 언급된 세개의 광학적 요소는 텔레센트릭(telecentric) 빔 경로를 생성하기 위한 후속 미러의 배열에 의해서는 보상될 수 없는 이미지의 오차를 제거하거나 최소화하는 목적을 가지고 있다. 후속 미러의 장치는 제1 구형 미러와 제2 구형 미러를 포함하고, 위에 언급된 모든 요소를 포함하는 포스트-스캔 광학기구의 초점 평면으로 구형 원통형 렌즈를 통해 빔 번들을 반사시킨다.
WO 99/03012 A1에 따른 스캔 장치는 특히 긴 스캔 거리(즉, 일반적으로, 스캔 방향에 있는 포스트-스캔 광학기구의 긴 초점거리)에는 부적합하다. 특별한 단점은 생성되는 스캔 라인의 길이의 대략 두배를 가지는 제1 구형 미러로 인하여 미러 장치의 구조적 크기가 커진다는 것이다.
본 발명의 목적은 공간과 무게, 비용을 절약하는 가능한 적은 구성 부품을 가진 즉, 가장 작은 구조상 크기를 가진, 긴 스캔라인을 위한 스캔 장치를 찾는 것이다. 더 나아가, 광학 구성 부품은 생산하기 간단해야 한다.
상기 본 발명의 목적은 스캔 라인을 따라서 빔 번들을 형성하기 위한 광원과 폴리곤 미러와 폴리곤 미러 상류측의 프리-스캔 광학기구, 폴리곤 미러 하류측의 포스트-스캔 광학기구로 구성되는 스캔유닛에 대해 달성된다. 전 스캔 광학 장치는 빔 번들이 스캔 평면에서 입사각으로 폴리곤 미러에 충돌하는 방식으로 폴리곤 미러의 상류측에 배치되어 있다.
포스트-스캔 광학기구의 광축이 폴리곤 미러의 편향방향으로 배열되는 것이 본 발명의 핵심이다. 포스트-스캔 광학기구는 축 광선 방향에서 연속적으로 최소한 제 1 보정 렌즈와 제 2 보정 렌즈, 그리고 단일 원통형 미러와 원통형 렌즈로 이루어지는 보정 대물렌즈로 구성된다.
원통형 미러는 십자 스캔 평면에서 폴리곤 미러에 수직인 면에 대해 제1경사각으로 기울어져 있고, 제 1 경사각 β는 입사각 α에 의해 결정된다
제 1경사각 β는 0.97α<β<1.03α의 범위 내에서 이루어지는 게 바람직하다.
단일 원통형 렌즈 4.3를 가지는 포스트-스캔 광학기구에 대한 텔레센트릭 조건을 만족시키기 위해서는, 원통형 미러의 사물 쪽 초점이 편향 폴리곤 미러면 근처의 폴리곤 미러 내에 배치 되어야 한다. 그리고 원통형 미러는 교차 스캔 방향에 수직으로 배치된 스캔 평면에서 포커싱 효과를 가져야 한다.
원통형 미러의 자연 이미지 필드 곡률이 부분적으로 보정되고, 원통형 미러와 스캔 라인 사이의 거리가 짧게 유지 되기 위해서 빔 번들이 두개의 보정 렌즈중 하나를 통해 약하게 수렴하거나 분기하는 방식으로 형성 되었을 때가 유리하다.
도 1은 폴리곤 미러의 회전 평면에 수직인 평면에 도시한 스캐닝 장치의 광학적 개략도이다.
도 2는 도1에 도시된 광학적 개략도의 측면도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
종래 기술에서 설명된 스캔 장치와 비슷하게, 본 발명에 따른 스캔 장치는 축 광선 1.1.1로 빔 번들 1.1을 발산하는 광원 1과 폴리곤 미러2.1을 갖는 스캔 유닛 2, 축 광선 1.1.1의 방향에서 폴리곤 미러 2.1의 상류측의 포스트-스캔 광학기구로 구성된다.
폴리곤 미러 2.1은 회전축 2.1.2주위를 회전하며, 회전축 2.1.2에 수직인 폴리곤 미러 2.1의 회전평면을 마주보는 표면 법선과 함께 다수의 폴리곤 미러면 2.1.1이 있다.
교차 스캔 평면은 프리-스캔 광학기구 3의 광축과 폴리곤 미러 2.1의 회전축 2.1.2를 포함하는 평면을 의미한다. 따라서 이는 도2에 나타나는 광학 모식에서 드로잉 평면에서 회전 평면 2.1.3 위, 그리고 드로잉 평면 밑의 회전 평면 2.1.3아래에 놓인다.
비편향 폴리곤 미러 위치는 프리-스캔 광학기구 3에 의해 포스트-스캔 광학기구 4로 투사된 축 광선이 아직 교차 스캔 평면에 놓이는 폴리곤 미러의 위치이다.
회전하는 폴리곤 미러 2.1과 원통형 미러 4.2 에서 빔 번들 1.1의 편향이 바뀜에 따라 위치가 바뀌는 스캔평면은 각 사건에서 교차 스캔 평면에 수직이고 비편향 폴리곤 미러 위치에서 축 광선을 포함한다.
포스트-스캔 광학기구 4의 이미지를 만드는 특성은 교차 스캔 평면에서와 수직 한 평면에서 매우 다르고, 게다가 빔 번들 1.1의 극도로 다른 형태를 낳는다.
교차 스캔 평면에서, 빔 번들 1.1은 폴리곤 미러 2.1의 폴리곤 미러 면 2.1.1에 입사각 α로 충돌하고, 같은 크기의 반사각으로 보정 대물렌즈 4.1의 하류측에 있는 포스트-스캔 광학기구 4로 반사 되고, 이 방향에서 굴절력이 없는 원통형 미러 4.2를 통해 초점에서 포스트-스캔 광학기구의 상측 초점 면에 원통형 렌즈 4.3으로 이미지가 만들어진다. 스캔 라인 5는 비편향 폴리곤 미러 위치에 이 초점을 포함하고, 교차 스캔 평면에 수직이 되는 방향을 향한다.
포스트-스캔 광학기구 4 가 폴리곤 미러 2.1에 상대적으로 배치 되어 빔 번들이 포스트-스캔 광학기구 4의 광축에서 합쳐지기 때문에, WO/9903012 A1에서 단점으로 묘사된 사다리꼴 왜곡 과 스캔 활, 이 두 가지 유형의 왜곡이 일어난다.
더 정확하게 설명될 것이지만, 이 두 유형의 왜곡은 본 발명에 따르면 포스트-스캔 광학기구 4의 광학축에 상대적으로 원통형 미러 4.2와 보정 렌즈 4.1.1, 4.1.2중 하나를 특별하게 배치하는 것을 통해 매우 작게 유지 된다.
광원 1로부터 오는 빔 번들 1.1은 부차적으로 전 스캔 광학 장치 3을 통해 교차 스캔 평면에 수직으로 확장 되고, 약하게 수렴하는 빔 번들 1.1로 형성 되고 가이드 되어 폴리곤 미러 2.1에 충돌할 때, 각 사건에 폴리곤 미러면 2.1.1이 중앙에 조명된다. 이는 포스트-스캔 광학기구 4로 왜곡된 방식으로 폴리곤 미러 2.1에 의해 반사 되어 보정 대물렌즈 4.1과 원통형 미러 4.2를 통해 포스트-스캔 광학기구 4의 상측 초점 평면으로 집중된다.
포스트-스캔 광학기구 4는 축 광선 1.1.1의 방향에서 연속적으로 최소한 제 1 보정렌즈 4.1.1과 제 2 보정 렌즈 4.1.2를 포함하는 보정 대물렌즈 4.1과 원통형 미러 4.2, 원통형 렌즈 4.3으로 구성된다.
WO 99/03012 A1에서 인용된 포스트-스캔 광학기구와는 비교적으로, 본 발명에 따르면 포스트-스캔 광학기구 4는 단일 원통형 미러 4.2와 보정 렌즈 4.1.1,4.1.2로 수행하게 만들도록 구상 되고 계산 되었다. 그리고 특히 원통형 미러 4.2는 비교적 작고 단순하도록 생산될 수 있다. 이는 특히 예를 들어 300밀리미터 보다 길고 이러한 긴 거리로부터 발생하는 포스트-스캔 광학기구의 긴 초점거리를 갖는 긴 스캔 거리에서, 제공된 보정 렌즈들이 분리 형태로 되도록 형성 되었을 때 일반적으로 바람직하다.
본 발명에 따르면, 포스트-스캔 광학기구 4가 폴리곤 미러 2.1에 의해 반사된 빔 번들 1.1에 대해 중앙에 오도록 배치되고 그리고 빔 번들 1.1이 포스트-스캔 장치 4로 합쳐지는 방향과 동일한 축이라는 사실 때문에, 보정 렌즈 4.1.1과 4.1.2에 대한 분리 높이는 분리 형성된 보정 렌즈들이 일반 적으로 높은 질을 얻기 위해 그것들의 광학축 주변의 지역을 물리적으로 둘러싸도록 만들어졌다는 것을 가정하면 비교적 낮다.
상측의 교차 스캔 평면에서의 상측 텔레센트릭 성과 이러한 배치의 결과로 발생하는 스캔 활은 원통형 미러 4.2가 입사각 α와 같도록 제 1 경사각 β로 교차 스캔평면에 기울어져 있다는 점에서 최소화 된다. 0.97α<β<1.03α 의 범위 내에서의 경사각 β의 설정은 충분히 스캔 활과 텔레센트릭성으로부터의 편차를 최소화한다.
남은 사다리꼴 왜곡은 제 1 보정 렌즈 4.1.1이나 제 2 보정 렌즈 4.12가 a 만큼의 거리에 떨어져 있고 제 2 경사각 γ으로 포스트-스캔 광학기구 4에 대해서 교차 스캔 평면에 기울어져 있는 점에서 감소 된다. 가장 큰 굴절력을 갖는 두 보정렌즈 4.1.1,4.12의 보정 렌즈는 이 목적에 적합하다. a 만큼의 간격과 제 2 경사각 γ로의 기울임은 사다리꼴 왜곡이 충분히 작고 이미지를 형성하는 다른 모든 매개변수, 예를 들어 이미지를 형성하는 퀄리티 같은 것에의 영향이 매우 최소인 방식으로 적용 되었다.
따라서, 프리-스캔 광학기구 3은 교차 스캔 평면에서 보정 대물렌즈 4.1을 통한 빔 번들 1.1이 합쳐지는 것이 제 1 보정렌즈 4.1.1과 제2 보정 렌즈 4.1.2의 작은 분리 높이를 통해 이처럼 용이하게 되기 위해서 오직 고려된 작은 입사각 α에서만 포스트-스캔 광학기구 4의 상단에 배치될 수 있다. 따라서, 폴리곤 미러 2.1의 근처에 있는 편향 요소는 생략될 수 있고 이는 배열의 안정성에 뚜렷한 향상을 가져온다.
프리-스캔 광학기구 3의 목적은 포스트-스캔 광학기구 4에 요구되는 빔 번들 1.1의 애너몰픽 특성을 제공하도록 광원 1의 이미지가 포스트-스캔 광학기구 4에 형성되도록 하는 것이다. 종래 기술에 대하여, 프리-스캔 광학기구 3은 교차 스캔 평면에 흔들림의 문제가 최소화되도록 폴리곤 미러 2.1의 가능한 가까이 초점을 갖는다.
그 수직 평면에서는, 약하게 수렴하는 빔 번들이 포스트-스캔 광학기구의 자연 이미지 필드 곡률에 적용된다. 광원 1은 이러한 목적에 요구되는 상측 틈이 스캔라인 5에서 발생하는 방식으로 이미지를 형성하게 된다.
포스트-스캔 광학기구 4의 주요 기능은 스캔 평면에서 동작하는 원통형 미러 4.2와 교차 스캔 평면에서 동작하는 원통형 렌즈 4.3을 통해 알 수 있따. 텔레센트릭 조건을 충족시키기 위해서, 원통형 미러 4.3의 물체 측 초점은 반사 폴리곤 미러면 2.1.1 근처의 폴리곤 미러 2.1 내에 위치 되어야 한다. 동시에, 평행 빔 번들 1.1이 포스트-스캔 광학기구 4의 상측 초점에서 그 초점에 이미지를 형성하도록 원통형 미러 4.3은 스캔 평면에서 초점 효과를 갖는다. 수렴하거나 분기하는 빔 번들 1.1의 형성을 통해, 원통형 미러 4.2의 자연 이미지 필드 곡률은 부분적으로 보정될 수 있다.
하지만 이는 낮은 상측 개구 수에 대해서만 충분하다. 스캔 거리가 600 밀리미터 이고 15개의 폴리곤 미러면 2.1.1을 갖는 폴리곤 미러면을 가진 스캔 장치에 대해서는 원통형 미러 4.2보다 상당히 적은 굴절력을 갖는 두 개의 보정 렌즈 4.1.1, 4.1.2중에 보정렌즈 4.1.1, 4.1.2에 의해 보정되는 0.012의 상측 개구수보다 큰 경우에서는 이미지 필드 곡률이 또한 매우 크다.
실질적으로 동심의 메니스커스 렌즈인 두 보정렌즈 4.1.1,4.12에 의해 보정되는 상측 개구수가 0.015보다 큰 동일 스캔 방향에 대한 스캔 끝을 향해 코마 수차는 상당히 증가한다.
두 보정렌즈 4.1.1,4.1.2는 폴리곤 미러 2.1 근처에 배열되어 있다. 그리고 이는 스캐닝 장치의 작은 구조적 크기에 도움이 된다.
광대역 광원 1과의 적용을 위해서, 보정 대물렌즈 4.1의 분광 효과는 필요한 곳에서 보정 렌즈 4.1.1,4.1.2의 소재의 적절한 선택을 통해서 최소화 되어야 한다. 또는 추가적인 보정렌즈인 제 3 보정렌즈 4.1.3은 무채색이 되어야 한다.
교차 스캔 평면에서의 이미지형성은 보정 대물렌즈 4.1과 원통형 미러 4.2에 의해 아주 적은 영향을 받는다. 프리-스캔 광학기구 3을 통해 폴리곤 미러 2.1의 근처에 생기는 광원 1의 이미지의 초점을 맞추는 것은 구형 원통형 렌즈 4.3의 방식에 의해 영향을 받는다. 이 원통형 렌즈 4.3은 구형 수차와 축상 색수차를 충분히 큰 상측 개구수와 함께 만들어낸다. 두 수차는 스캔 라인 5의 길이를 따라 일정하며, 따라서 전 스캔 광학 장치 3에 의해 상쇄될 수 있다.
1 광원 1.1 빔 번들
1.1.1 축 광선 2 스캔 유닛
2.1 폴리곤 미러 2.1.1 폴리곤 미러면
2.1.2 폴리곤 미러의 회전축 2.1.3 폴리곤 미러의 회전 평면
3 프리-스캔 광학기구 3.0 프리-스캔 광학기구의 광축
4 포스트-스캔 광학기구 4.0 포스트-스캔 광학기구의 광축
4.1 보정 대물렌즈 4.1.1 제 1 보정렌즈
4.1.2 제 2 보정렌즈 4.2 원통형 미러
4.3 원통형 렌즈 5 스캔 라인
α 입사각 β 제 1 경사각
γ 제 2 경사각 a 거리

Claims (4)

  1. 스캔 라인(5)을 따라 빔 번들(1.1)의 이미지를 형성하기 위한 스캐닝 장치이고, 축 광선(1.1.1)과 함께 빔 번들(1.1)을 발산하는 광원(1)과 폴리곤 미러(2.1)와, 축광선(1.1.1)의 방향에서 폴리곤 미러(2.1) 상류측의 프리-스캔 광학기구(3), 교차 스캔 평면에서 입사각(α)으로 폴리곤 미러(2.1)에 빔 번들(1.1)이 충돌 하는 방식으로 전 스캔 광학 장치(3)가 폴리곤 미러(2.1)의 상류측에 배열 되어 있는 광축(4.0)을 갖는 축 광선(1.1.1)의 방향에서 폴리곤 미러(2.1) 하류측에 있는 포스트-스캔 광학기구(4)를 포함하는 스캔 유닛으로 구성되며, 포스트-스캔 광학기구의 광축이 폴리곤 미러(2.1)의 반사 방향에 배열되어 있고, 포스트-스캔 광학기구가 광축 방향에서 순서대로 적어도 제 1 보정 렌즈(4.1.1)와 제 2 보정렌즈(4.1.2), 단일 원통형 미러(4.2), 원통형 렌즈를 갖는 보정 대물 렌즈로 구성 되며, 원통형 미러(4.2)가 입사각(α)에 의해 제 1 경사각(β)이 결정되는 교차 스캔 평면에서 폴리곤 미러에 수직한 면에 대해 제 1 경사각(β)으로 기울어져 있으며, 두 보정 렌즈(4.1.1,4.1.2)중 하나가 포스트-스캔 광학기구의 광축에 대해서 제 2 경사각(γ)으로 기울어져 있고 거리(a)만큼 떨어지도록 배열 되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제 1 경사각(β)이 0.97α<β<1.03α 의 범위 내로 정해지는 것을 특징으로 하는 스캐닝 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 원통형 미러 (4.3)의 물체측 초점이 반사하는 폴리곤 미러면 (2.1.1) 근처의 폴리곤 미러 (2.1)내에 위치 하고, 원통형 미러 (4.3)가 교차스캔 평면에 수직으로 위치한 평면인 스캔 평면에서 초점 효과를 가져서 단일 원통형 렌즈 4.3으로 텔레센트릭 조건이 충족되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 원통형 미러 (4.2)의 자연 이미지 필드 곡률이 부분적으로 보정되고 원통형 미러(4.2)와 스캔 라인 (5) 사이의 거리가 짧게 유지되도록 빔 번들 (1.1)이 두 개의 보정 렌즈 (4.1.1,4.1.2)중 하나를 통해 약하게 수렴하거나 분기하는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 장치.
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