JPH04204514A - 光ビームの走査装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ光を走査させて形状、寸法等の精密計測
を行なう際に用いる光ビームの走査装置に関する。

〔従来の技術〕

近年の精密加工技術の進歩により、ミクロンメートルオ
ーダの微細なパターンが形成されるようになり、形状、
寸法等の精密計測の必要性が高まってきている。この種
の計測においては、測定の空間分解能を高めるために、
微小なスポ７）径に集光したレーザ光を微小な走査ステ
ップ（例えば０．０１μｍ）で一定範囲を走査する光ビ
ーム（レーザ光）の走査装置が必要である。走査装置を
構成するには光ビームの走査を制御する走査素子が必要
であるが、従来量も良く用いられる走査素子は、音響光
学偏向素子、ガルバノミラ−、ポリゴンミラー等である
。光ビームを１次元的に走査する場合は、１個の走査素
子と各種のレンズと組み合せた構成の走査装置が用いら
れている。更に、光ビームを２次元的に走査する場合は
、２個の走査素子と各種のレンズを組み合せた構成の走
査装置が用いられている。例えば、２個の音響光学偏向
素子を組み合せた走査装置は「レーザ研究」第１５巻第
８号Ｐ６３６に報告され、１個の音響光学偏向素子と１
個のガルバノミラ−を組み合せた走査装置はレーザテン
ク社の製品ＩＬＭＩＩ型として実用化されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の２次元的、］次元的な光ビーム走査装置では、走
査の方向及び走査の範囲は予め設定されている。例えば
２次元走査においては、２つの走査素子の走査方向は互
いに直交（Ｘ、Ｙ軸）するように配置し、一般にはラス
ター走査を行なわせている。また、１次元走査において
も、走査素子の走査方向（Ｙ軸）は、初期の設定された
方向だけしか行なえず、走査方向を変換することができ
ない。２次元走査においては、Ｙ軸、Ｙ軸の走査方向を
変換するには、Ｙ軸、Ｙ軸を同時に駆動すれば可能であ
るが、このとき同時に駆動するための駆動信号が複雑に
なり、実際には任意の方向への走査方向の変換は困難で
ある。更には、走査すべき範囲についても、走査特性が
−様な範囲しか走査できない。本発明は上述の課題を解
消して、簡単な機構で走査方向が自由に変換できる光ビ
ームの走査装置を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達するために本発明は以下に示す手段から
成る。

レーザ光源から対物レンズに至るまでの光路中に、走査
範囲、走査分解能の異なる第１と第２の少なくとも２種
類の走査素子を含む走査光学系と、入射面と出射面の間
に反射面を有する構成の走査方向変換素子を設けると共
に、前記第１と第２の走査素子を駆動する走査制御部と
、前記走査方向変換素子を回転する回転制御部を′設げ
、前記走査制御部により、前記第１の走査素子は走査方
向変換素子の入射面内の第１の領域を走査せしめ、前記
第２の走査素子は走査方向変換素子あ入射面内で、前記
第１の領域の内部にあり、走査範囲の狭い第２の領域を
走査せしめ、前記第１の領域あるいは第２の領域を走査
される光ビームを前記走査方向変換素子に入射せしめ、
前記回転制御部により、前記走査方向変換素子の反射面
を光軸に垂直な面内で回転せしめ、出射面から出射する
光ビームの走査方向を変換するものである。

このとき走査方向変換素子は、頂角が６０°の正三角形
プリズムと頂角が３０°及び６０°の直角プリズムを互
いに重ね合せた構成となし、正三角形プリズムの一方の
面を光軸に対して垂直に設定して入射面となし、直角プ
リズムの一方の面を光軸に対して垂直に設定して出射面
となすと共に、他方の面を光軸に対して平行に設定して
反射面とするものである。

〔作用〕

レーザ光源から対物レンズに至るまでの光路中に走査範
囲、走査分解能の異なる２種類の光ビーム走査素子を設
ける。第１の走査素子は走査角度が大きく、走査分解能
が比較的に粗い走査特性を有し、比較的広い範囲を粗い
ステップで２次元又は１次元的に走査する。この走査は
プリスキャン的動作であり、被測定物の大まかな形状等
を測定するもので、精密に測定すべき部分の測定位置を
決定するものである。第２の走査素子は走査角度が小さ
く、走査分解能の高い走査特性を有し、上記の′悌１の
走査素子による走査範囲よりも狭い範囲を２次元又は１
次元的に走査する。この走査は精密な走査であり、粗い
走査により決定された測定位置において、精密な走査を
行ない、寸法、形状等を測定する。このとき、第１と第
２の走査素子は互いに一方だけを動作させるもので、ど
ちらか一方の走査素子が走査動作を行なっているときは
、他方の走査素子の走査動作を停止させておく。

このとき、第１と第２の走査素子によって走査される光
ビームの方向は予め設定された方向（Ｘ軸又はＸ軸）で
あるため、走査方向変換素子により走査方向を自由に変
換する。走査方向変換素子は、１個の正三角形プリズム
と１個の直角プリズムを重ね合せた構造で、正三角形プ
リズムの一つの面に入射した光ビームを直角プリズムの
底面で反射させ、プリズム内部で７字型の反射経路をと
らせ、同じく直角プリズムの他の面から出射させる。こ
のとき前記の１直角プリズム底面を光軸に垂直な面内で
回転させると、回転角の２倍の角度だけ走査方向を変換
することができ、Ｘ軸、Ｘ軸以外の任意の軸方向へ光ビ
ームを走査することが可能で、一般にＸ、Ｘ軸以外の軸
方向へも形成されている部材上で直交した方向への光ビ
ームの走査が可能となる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は本発明の詳細な説明するためのブロック図であ
る。１０はレーザ光源で、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ管、
あるいは半導体レーザから成り、レーザ光１００を放射
する。１１及び１２は第１の走査素子で、例えばガルバ
ノミラ−から成り、走査角度が大きく、走査分解能があ
まり高くない走査特性を有する。第１の走査素子の一方
の１１はＸ軸方向、第１の走査素子の他方の１２はＸ軸
方向へ走査を行ない、合わせてＸ−Ｙ面を２次元的にラ
スター走査を行なう。１６は第２の走査素子で、例えば
音響光学偏向素子から成り、走査角度は小さく、走査分
解能が高い走査特性を有し、例えば、Ｘ軸方向に走査を
行なう。この第２の走査素子１６による走査は、第１の
走査素子１１．１２による走査領域の内側にあり、狭い
範囲を走査する。

なお走査素子の並び方は第１図以外の並び方でもよく、
走査素子の数についても第１の走査素子が１個、第２の
走査素子が２個でもよい。１０５はビームスプリッタ−
で、第１と第２の走査素子によって走査される光ビーム
の大部分を透過させる。

１１０は走査光学系で、第１と第２の走査素子１１．１
２．１６とビームスプリッタ−１０５及び図示していな
いが他の多くのレンズ類から構成され、レーザ光１００
のビーム形状の変換及び走査の幅を設定ずろ。１４は走
査制御部で、第１の走査素子１１．１２を駆動する第１
の走査制御部１２０及び第２の走査素子１６を駆動する
第２の走査制御部１６０から構成される。このとき、第
１の走査制御部１２０からは２チヤンネルの駆動信号１
２２．１２４を出力する。信号１２２は電圧が連続的に
変化するランプ波信号で第１の走査素子１１の走査角度
を連続的に変化させる。信号１２４は電圧がステップ状
に変化するステップ電圧信号で、信号１２２の周期に同
期させて電圧を変化させ、第１の走査素子１２の走査角
度をステップ的に変化させる。第２の走査制御部１３０
からは１チヤンネルの駆動信号１６２が出力される。

信号１６２は信号１２２と同じくランプ波電圧信号で、
第２の走査素子１３の走査角度を連続的に変化させろ。

以上の走査駆動信号において、第１の走査制御部１２０
が走査動作を行なっているときは第２の走査制御部１６
０は走査動作を停止させておくというように、互いにい
ずれか一方のみを走査状態にする。

１５は走査方向変換素子で、その形状、動作については
後で詳しく述べるが、回転制御部１６から発せられる制
御信号１６２により、走査方向変換素子１５を光軸１０
７を中心としてその回りに一楚角度だけ回転させる。走
査光学系１１０により２次元又は１次元的に走査される
光ビームが走査方向変換素子１５の入射面１５０に入射
すると、出射面１５２から出射する光ビームの走査方向
は、走査方向変換素子１５の回転する角度の２倍の角度
だけ回転させられる。この走査方向が変換された光ビー
ムは対物レンズ１７に入射し、微少なスポット径に集光
されて、被測定物１８の面上で任意の方向に走査される
。被測定物１８で反射された光ビームは対物レンズ１７
、走査方向変換素子１５を透過し、ビームスプリッタ−
１０５で反射されて受光器１７０で検出される。受光器
１７０で検出された反射光の光強度は光電変換され、デ
ータ処理部１８［］にて形状、寸法等の各種の計測のだ
めの演算処理が行なわれる。

第２図に走査方向変換素子１５の具体的な構成例を示す
。

２０は頂角６０°の正三角形プリズム、２１は頂角３０
”、６０”の直角プリズムで、以上の２つのプリズム２
０，２１を図のように重ね合せて走査方向変換素子１５
を構成する。正三角形プリズム２０の而２００は光ビー
ムの入射面で、光ビームの進行方向Ｚ（光軸）に対して
垂直面に設定する。直角三角形２１の面２１０は光ビー
ムの出射面で、入射面２００と同じく、光軸に対して垂
直面に設定する。入射面２００と出射面２１０を光軸に
対して垂直に設定するのは、入射する光ビームが発散光
あるいは収束光の場合に、非点収差によるビーム形状の
変形を防止するためである。直角プリズム２１の底面２
２０は反射面で、光軸に平行な面である。入射面２００
に入射した光ビーム２３０は入射面を透過し、正三角形
プリズム２０の他方の面２４０で反射し、反射面２２０
で反射され、再び直角プリズム２１の他方の面２５０で
反射されて、出射面２１０から入射光２６０と平行な光
路で出射光２６０として出射する。このとき入射から出
射までは図示の如きＶ形の経路となる。入射光２３０に
対する出射光２６０のＹ軸方向への光軸高さは、入射光
２３［］の反射面２２０からの光軸高さ方向の位置によ
って定まり、入射光のＹ軸方向への光軸高さ位置の変化
の２倍の変化で、出射光２６０の光軸高さ位置が変化す
る。このとき、Ｘ軸方向に入射光２６０の入射位置が変
化しても、出射光２６０のＸ軸方向及びＹ軸方向への出
射位置は変化しない。

第３図（イ）、（ロ）に走査方向変換素子１５の入射面
内での走査ビームの走査領域を示す。６ｏは正三角形プ
リズム２０の入射面２００を入射方向から見たときの図
で正方形の断面形状を有する。第３図（イ）の領域６１
は第１の走査素子１１．１２によって走査される２次元
領域で第１の領域と呼ぶ。

この第１の領域６１は前述の如く、広い範囲で、粗い走
査である。第３図（ロ）の領域６２は第２の走査素子１
６によって走査される１次元領域で、第２の領域と呼ぶ
。第２の領域３２は第１の領域６１の内部にあり、より
狭い範囲を精密に走査する。

以上水したように、第１及び第２の領域６１．６２では
走査ビームはＸ軸あるいはＹ軸方向のみに走査され、そ
れ以外の軸方向への走査は行なわれない。

次に、走査方向変換素子１５による走査方向変換動作に
ついて説明する。

第４図（イ）は入射面２００の面上での走査方向を説明
する図で、αは入射面上で右向きにＸ軸方向への走査、
βは入射面上で下向きにＹ軸方向への走査を表わすもの
である。第４図（Ｏ）の（ａ）〜（ｈ）は直角プリズム
２１の反射面２２０を回転させたときの反射面２２０の
位置及び出射する光ビームの走査方向を示す図で、入射
面側から見たときの図である。第２図に示した走査方向
変換素子１５において、反射面２２０はＸ軸方向の面内
にあり、この走査方向変換素子１５の全体を光軸のまわ
りの垂直な面内で回転させることによって、反射面２２
０を回転させる。このとき反射面２００は常に光軸に対
して平行に保つ。

第４図（ロ）の（ａ）は回転角度θが０°で基準状態、
（ｂ）はθ＝４５°、（Ｃ）はθ＝９０°、（ｄ）はθ
−１３５°、（ｅ）はθ−１８０°、（ｆ）はθ−２２
５°、（ｇｌはθ−２７０°、（ｈ）はθ−３１５°の
状態で、次の（ａ）状態で１回転となる。

（ａ）の状態ではＸ軸方向に走査される走査ビームαは
その状態で出射し、Ｙ軸方向に走査される走査ビームβ
は同じＹ軸方向であるが走査の方向が反転して出射する
。この走査方向を！で表わすことにする。

（ｂ）の状態では入射する走査ビームαは走査方向が９
０°回転させられてＹ軸方向に走査される。

この走査方向をβで表わしている。また入射する走査ビ
ームβも走査方向が９０°回転させられてＸ軸方向に走
査されるが、このときはＸ軸の方向が反転させられてい
る。この走査方向なｄで表わす。他の角度状態でも図に
示した走査方向に変換される。以上のことから反射面２
２０の回転角の２倍の角度で走査方向が変換されること
が分る。

本発明による走査方向の変換は、例えばαとｄというよ
うな同じ方向に対する向きの変換ではなく、α方向から
β方向へというような方位の変化を生じる変換である。

以上説明した走査方向の変換動作は、従来知られている
像回転プリズム（ダブプリズム）でも実現可能である。

ダブプリズムは入射面及び出射面が垂直面から４５°傾
いた斜面であるため、発散光あるいは収束光が入射した
場合は、非点収差によってビーム形状が楕円になるとい
う欠点を有しているが、走査光学系の構成によっては、
平行光を入射させる場合も考えられ、この場合はダブプ
リズムを用いてもよいことになる。

第５図（イ）、（ロ）、（ハ）に走査方向が変換された
ときの走査ビームの例を示す。第４図の説明で明らかな
如く、走査方向の向き（例えばαとｄの関係）を考慮し
なげれば±９０°の方向の回転を起こさせるには、反射
面２２０を±４５°だけ回転させればよいことになる。

第５図（イ）において、線５０はＸ軸方向に走査される
基準となる走査ビームを示す。線５１はＸ軸に対して４
５°の傾きを有する走査ビームで、反射面２２０を２２
．５°だげ正方向（順方向）に回転させたときに得られ
る。線５２はＸ軸に対して一４５°の傾きを有する走査
ビームで、反射面２２０を２２．５°だげ負方向（逆方
向）に回転させたときに得られる。このようにして、走
査したい方向に対して、その半分の角度だけ反射面２２
０を順方向、あるいは逆方向に回転すればよい。

第５図（ロ）は第１の走査素子１１．１２によって走査
される走査ビームの走査方向を変換する場合の例である
。

２次元領域５００は前述の第１の領域に対応する走査範
囲で、反射面２２０の角度が０°の場合に入射面２００
に入射した第１の走査領域が出射面２１０を透過して得
られる。領域５００内部の線５６はＸ軸方向に、線５４
は同じくＸ軸方向にラスター走査される走査ビームで、
反射面２２０の回転角度がＯｏの場合である。

線５５は線５３に示した走査方向が変換された場合、線
５６は線５４に示した走査方向が変換された場合である
。いずれの場合も領域５０口のＸ軸の中央位置を中心と
して方向が変換される。

第５図（ハ）は第１の走査素子１１．１２による走査動
作を停止させて第２の走査素子１６を動作させる場合で
、線５７はＸ軸方向への走査ビームで、反射面２２０の
回転角がＯｏの場合である。線５８は反射面を回転させ
て、走査方向が変換された走査ビームである。このよう
にして、反射面２２０を回転することにより、任意の方
向への走査ビームの走査が可能になる。

第６図に本発明の光ビームの走査装置を用いたときの、
測定への応用の実施例を示す。

第６図に示した図は磁気ヘッドの概観図で、上方から見
た図である。６１はスライダーと呼ばれる部分、６２は
トラック部と呼ばれる部分、６６はノーズと呼ばれる部
分で、コイルを巻き付ける。

トラック部６２にはギャップ６４が形成されている。以
上の磁気ヘッドにおいて、ギャップ６４の幅（Ｘ方向へ
約０．５μｍ）及びトラック部６２の幅（Ｘ方向へ約１
５μｍ）の寸法計測が重要である。

ここで点線６００で囲まれた２次元領域は第１の走査素
子１１．１２による走査範囲で、例えば１ｍｍ四方の広
い領域を粗（走査し、ギャップ６４の位置を決定する。

測定すべき位置が決定されると、第２の走査素子１３を
駆動して線６５に示す走査範囲（Ｘ方向）を精密に走査
してギャップ６４の寸法を測定する。次にトラック部６
２の幅を測定するときは、Ｘ軸方向へ若干走査位置をシ
フトさせ、次に走査方向変換素子１５を４５゜だげ回転
させて線６６に示すＸ軸方向の走査を行なわせる。この
走査はＸ軸方向の走査６５と同一の走査精度を有する。

第７図に本発明の光ビームの走査装置を構成する走査光
学系の一実施例を示す。

７１及び７４は焦点距離がｆ、のシリンドリカルレンズ
、７２及び７６は焦点距離がｆ２の凸レンズ、７５は焦
点距離がｆ３．７６は焦点距離がｆ４．７７は焦点距離
がｆ５の凸レンズ、７８は焦点距離がｆ。の対物レンズ
である。第２の走査素子１６は音響光学素子（以下にＡ
Ｏと略記する）から成り、Ｘ軸方向へ第２の領域の走査
を行なう。

Ｍｌの走査素子１１及び１２はガルバノミラ−から成り
、１２のＧＭＹはＹ軸方向へ、１１のＧＭＸはＸ軸方向
へ第１の領域の走査を行なう。

レーザ光源１０から放射された断面が円形状を有するレ
ーザ光線１００はシリンドリカルレンズ７１と凸レンズ
７２により、紙面に平行な面内で扇形状を持つシート状
ビームに変換される。このシート状ビームは凸レンズ７
２を出射すると、紙面に平行な面内での平行光としてＡ
Ｏ１３に入射される。このとぎ紙面に垂直な面内では、
凸レンズ７２を出射後は収束光であり、ＡＯ１３の中央
部で焦点を結ぶ。ＡＯ１３を出射したビームは、紙面に
平行な面内では凸レンズ７６で収束光に変換され、ＧＭ
Ｙ１２で反射された後に、シリンドリカルレンズ７４を
透過し、その焦点位置７００で集光される。このとき紙
面に垂直な面については、ＡＯ１３を出射した発散光は
、凸レンズ７３で平行光に変換され、ＧＭＹ１２で反射
した後に、シリンドリカルレンズ７４で屈折され、その
焦点位置７００で集光される。シリンドリカルレンズ７
４の後方焦点位＃７０ｏの後の光路では、光ビームは再
び円形状の断面を有する。なお、ＧＭＹ１２はシリンド
リカルレンズ７４の前方焦点位置に配し、凸レンズ７６
の焦点位置とシリンドリカルレンズ７４の焦点位置は同
じ点７００になる如く配置する。また、シリンドリカル
レンズ７１と７４は屈折面が互いに９０°異なるように
配置する。ＡＯ１３に対してシート状ビームを用いるの
は、ＡＯ１３の内部で超音波と光波の相互作用を十分に
行なわせ、Ａ０１６による回折効率を高めるためである
。

点７００において断面が円形状のビームに変換されたレ
ーザ光は凸レンズ７５により平行光に変換され、ＧＭＸ
ｌｌで反射され、凸レンズ７６で再び収束光に変換され
、ビームスプリッタ−１０５を透過し、発散光として走
査方向変換素子１５の入射面１５０に入射する。このと
き、走査方向変換素子１５は前述の如く反射面２２０が
回転される。走査方向変換素子１５の出射面１５２を透
過したレーザ光は凸レンズ７７に入射し、凸レンズ７７
により再び平行光に変換され、凸レンズ７８に入射する
。そして対物レンズ７８により微小なスポット径に集光
されて被測定物１８０に照射され、物体面上を走査する
。被測定物１８０からの反射光は対物し／ズ７８、凸レ
ンズ７７、走査方向変換素子１５を透過し、ビームスプ
リンター１０５で反射されて受光器１７０で検出される
。

とのとき走査される範囲は、各走査素子の走査角度及び
使用しているレンズの焦点距離によって決定されろ。Ａ
、０１３によって走査される角度をθａとしたとき、被
測定物面上で走査される走査範囲ＤＡｏ　は、 ＤＡｏ−ｆ２・ｆ４・ｆｏ・θ−／（ｆ３　・ｆ５　）
となる。また、ＧＭＸｌｌによって走査される角度をθ
χとすれば、被測定物面上で走査される走査範囲Ｄｇｘ
は、 Ｄｇｘ−ｆ４・ｆｏ・θｇｘ／ｆ５となる。

さらに、ＧＭＹ１２によって走査される角度をθｙとす
れば、被測定物面上で走査される走査範囲Ｄｇｙは Ｄｇｙ−２ｆ１・ｆ４・ｆｏ・θｇｙ／　（ｆ３・ｆ、
　）となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、走査角度、走査ステップ分解能の異な
る２種類の走査素子を組み合せてノ・イブリッド型の構
成とし、広い範囲と狭い範囲の走査を同一の光路中に設
けた光学系を用いて、電気信号の切り替えだけで自由に
切り替えろことが可能である。このとき、広い範囲の走
査では物体の概略の形状を測定し、精密に測定すべき部
分の位置を決定する。狭い範囲の走査では精密な走査を
行なわせて、測定すべき部分の形状、寸法を精密に測定
する。

更には、走査ビームの走査方向を自由に変換することが
可能で、互いに直交しているＸ軸、Ｙ軸以外の任意の軸
方向にも光ビームの走査が行なわれ、任意の軸方向へ形
成されている物体形状の計測が簡素な装置で可能になる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するブロック図、第２図は
本発明による走査方向変換素子の具体的な構成を示す図
、第３図は走査方向変換素子の入射面での走査範囲を説
明する図、第４図は走査方向変換素子の回転によって生
じる走査方向の変換を説明する図、第５図は走査方向の
変換例を示す図、第６図は走査方向の変換を実際の測定
に応用するときの応用例を示す図、第７図は走査光学系
の具体的な構成を示す図である。 １０・・・・・レーザ光源、 １１．１２・・・・・・第１の光ビーム走査素子、１３
・・・・第２の光ビーム走査素子、１４・・・・・・走
査制御部、 １５・・・・・・走査方向変換素子、 １６・・・・・・回転制御部、 １７・・・・・・対物レンズ、 ２０・・・・・・正三角形プリズム、 ２１・・・・・・直角プリズム。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光源から対物レンズに至るまでの光路中に
   、光軸を共通にして、走査範囲、走査分解能の異なる第
   １および第２の走査素子と、光ビームの入射面と出射面
   の間に反射面を有する構成の走査方向変換素子を設ける
   と共に、前記第１と第２の走査素子を駆動する走査制御
   部と前記走査方向変換素子を回転する回転制御部を設け
   、前記走査制御部により前記第１の走査素子は前記走査
   方向変換素子の入射面内の第１の領域を走査せしめ、前
   記第２の走査素子は前記走査方向変換素子の入射面内で
   前記第１の領域の一部又は一部を共有する第２の領域を
   走査せしめ、前記回転制御部により、前記走査方向変換
   素子の反射面を前記光軸に垂直な面内で回転せしめ、前
   記第１および第２の走査素子を通り、走査方向変換素子
   の入射面に入射した光ビームの走査方向を変換して走査
   方向変換素子の出射面から出射せしめることを特徴とす
   る光ビームの走査装置。
2. （２）走査方向変換素子が、正三角形プリズムを、一つ
   の頂角が３０゜の直角プリズムの９０゜の頂角の対面に
   重ね合わせて成り、前記直角プリズムの６０゜の頂角の
   対面を反射面、３０゜の頂角の対面を出射面、該出射面
   と平行となる正三角形プリズムの面を入射面とし、該入
   射面を光軸に直交して設置されていることを特徴とする
   請求項１記載の光ビームの走査装置。