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JPH02111915A - Optical scanner - Google Patents

Optical scanner

Info

Publication number
JPH02111915A
JPH02111915A JP63265690A JP26569088A JPH02111915A JP H02111915 A JPH02111915 A JP H02111915A JP 63265690 A JP63265690 A JP 63265690A JP 26569088 A JP26569088 A JP 26569088A JP H02111915 A JPH02111915 A JP H02111915A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tuning fork
tip
optical
objective lens
scanning
Prior art date
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Granted
Application number
JP63265690A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2690120B2 (en
Inventor
Shinichi Shirasu
信一 白須
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Citizen Watch Co Ltd
Original Assignee
Citizen Watch Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Citizen Watch Co Ltd filed Critical Citizen Watch Co Ltd
Priority to JP63265690A priority Critical patent/JP2690120B2/en
Publication of JPH02111915A publication Critical patent/JPH02111915A/en
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Publication of JP2690120B2 publication Critical patent/JP2690120B2/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain the device which has high-speed scanning functions over a wide range by fixing an imaging means consisting of an objective lens to the tip of a mechanical oscillator such as tuning fork or cantilever and optically detecting the scanning position by a mirror fixed to the tip of the oscillator as well as a Michelson interferometer. CONSTITUTION:The objective lens 25 for imaging, a reflecting prism 26, and a retroprism 27 for measuring displacement are mounted to the tip 24 of the tuning fork 23. The objective lens 25 and reflecting prism 26 at the tip of the tuning fork move back and forth along the optical axis 34 of a luminous flux when the tuning fork 23 is excited by a driving coil 35. An object 33 is displaced in such position where the surface thereof is paralleled with the oscillating direction at the tip of the tuning fork 24. As a result, the focus 36 of the objective lens 25 scans the surface of the object 33. The retroprism 27 is provided to the side face at the tip of the tuning fork 23. The amplitude at the tip of the tuning fork 23 is measured by the Michelson interferometer 37. The graph indicating the scanning position is displayed at the horizontal axis of an oscilloscope and the graph indicating the quantity of the reflected light at the vertical axis. The optical scanner suitable for the high-speed and high- accuracy scanning over a wide range is obtd. in this way.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光学式図形読み取り装置、光学式印字装置、光
学式描画装置等に用いる光学的走査装置に関するもので
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an optical scanning device used in an optical figure reading device, an optical printing device, an optical drawing device, etc.

〔従来の技1灯〕 従来用いらnている光学的走査装置は大別して2種に分
けられる。その第1は光学系と被走査・吻を相対的に移
動せしめるものであって、例えば第2図に示す様テ固定
された光学系1と移動載物台2による構成である。移動
載物台2上の物体3の表面に結ばれた光学系1の焦点4
は載物台2の移@疋ともない物体3の表面上で焦点位置
が変化する。例えば光学系1が光源5、コリメータレン
ズ6、対物レンズ7、ビーム・スプリッター8、集光レ
ンズ9、光検出器10より構成される図形の読み取り器
の場合には、対物レンズ7の焦点4は物体6の表面を逐
次移動しその微少部分の反射率を連続的に検出すること
が出来る。
[Conventional Technique: One Light] Conventionally used optical scanning devices can be roughly divided into two types. The first method is to relatively move the optical system and the scanned proboscis, and is composed of a fixed optical system 1 and a movable stage 2, as shown in FIG. 2, for example. A focal point 4 of an optical system 1 connected to the surface of an object 3 on a moving stage 2
As the stage 2 moves, the focal position changes on the surface of the object 3. For example, when the optical system 1 is a figure reader composed of a light source 5, a collimator lens 6, an objective lens 7, a beam splitter 8, a condenser lens 9, and a photodetector 10, the focal point 4 of the objective lens 7 is It is possible to sequentially move the surface of the object 6 and continuously detect the reflectance of minute portions thereof.

第2の走査装置は光学系への入射光束の入射角を変化せ
しめることにより光学系の焦点位置を焦点面上で変位さ
せるものであって、例えば第3図1こ示す如くf−θレ
ンズである対物レンズ16と同レンズへの入射角を変化
するための音響光学素子15ンζよる構成である。第3
 i21において光源11より発した光はフィルター1
2、コリメータレンズ16、ビーム・スプリッター14
、音響光学素子15、対物レンズ16を透過し物体17
?照明する。物体17よりの反射光は71j’:勿ンン
ズ16、音1光学素子15を透過しビーム・スプリッタ
ー14で反射し集光レンズ18によって光検出器19に
導かれる。光源側より音響光学素子151て入射する光
は該素子に超音波を印加することによって例えば破線2
0に示す方向の偏向を受は物体17上の焦点位置21か
ら22に変位する。
The second scanning device displaces the focal position of the optical system on the focal plane by changing the angle of incidence of the incident light beam on the optical system, and uses, for example, an f-θ lens as shown in FIG. This configuration includes an objective lens 16 and an acousto-optic element 15 for changing the angle of incidence on the objective lens. Third
The light emitted from the light source 11 in i21 is filtered by filter 1.
2, collimator lens 16, beam splitter 14
, the acousto-optic element 15, and the object 17 passing through the objective lens 16.
? illuminate. The reflected light from the object 17 passes through the lens 16 and the optical element 15, is reflected by the beam splitter 14, and is guided by the condensing lens 18 to the photodetector 19. By applying ultrasonic waves to the acousto-optic element 151 from the light source side, the light enters the acousto-optic element 151, for example, as indicated by the broken line 2.
The deflection in the direction indicated by 0 causes the receiver to be displaced from the focal position 21 to 22 on the object 17.

音響光学素子15に印加する超音波の周波数を連続的に
変化させる事によって焦点は物体17上を移動する。物
体17よりの反射光は一部が照明光と逆の経路にてビー
ム・スプリッター14に入射し、一部が反射されて光検
出器19((達する。光検出器19には空間的フィルタ
ーが内蔵されており、有害反射光等?除去する。
By continuously changing the frequency of the ultrasonic waves applied to the acousto-optic element 15, the focus moves on the object 17. Part of the reflected light from the object 17 enters the beam splitter 14 in the opposite path to the illumination light, and part of it is reflected and reaches the photodetector 19.The photodetector 19 has a spatial filter. It is built-in and removes harmful reflected light.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

第2図に示した装置定おいては走査に必ダとする可動物
、即ち光学系、載物台の質量が大きくなる欠点が有り走
査礪構は大型化する。そのため走査速度の遅い装置に適
するが、高速度走査機構、特;で往復の操り返し走査を
必要とする場合は駆動エネルギーの増大と振動の発生と
ヲ半う。しか巳ながら既存の機械技術が利用できるため
、走査位置精度と走査範囲の大きさ、走査範囲内におけ
るスポット数は多大である。例えば移・助載物による走
査の場合走査範囲は100mmが可能で、あるから、ス
ポット径1ttrnとすると走査範囲内におけろスポッ
ト数は100,000個以上に及ぶ。また走査位流の絶
対精度は0.1μmが可能であろう。
The apparatus shown in FIG. 2 has the drawback that the mass of the movable parts necessary for scanning, ie, the optical system and the stage, is large, and the scanning structure becomes large. Therefore, it is suitable for devices with a slow scanning speed, but when a high-speed scanning mechanism, especially when back-and-forth scanning is required, increases the driving energy and generates vibrations. However, since existing mechanical technology can be used, the scanning position accuracy, the size of the scanning range, and the number of spots within the scanning range are large. For example, in the case of scanning using a transferred/supported object, the scanning range can be 100 mm, so if the spot diameter is 1 ttrn, the number of spots within the scanning range will reach 100,000 or more. Furthermore, the absolute precision of the scanning current may be 0.1 μm.

しかしながら載物台には摺動部があり、直進の安定性は
1μm程度で余り良好な性能は望めず、高い精度な得る
ためには直進性の補正機構を必゛〃とする。例えばX方
向シて走査する場合においてはY方向にも移動する機構
を有する装置を用い、レーザ干渉計などによって、載物
台のX%Y軸座標を求め各々の抽に対し位置制御を行う
機構が用いられる。しかしながら移動載物台を用いる機
構においては、光学系の焦点は光・柚上またはその近傍
でのみ用いられるため、第2の方式に比して有効面径が
小さ(て、その大きさは光学額微鏡程度でよいので設計
、製作は容易である。
However, the stage has a sliding part, and the straight-line stability is about 1 μm, which does not provide very good performance, and in order to obtain high accuracy, a straight-line correction mechanism is required. For example, when scanning in the X direction, a device with a mechanism that also moves in the Y direction is used, and a mechanism that uses a laser interferometer or the like to determine the X% and Y axis coordinates of the stage and controls the position for each draw. is used. However, in a mechanism using a moving stage, the focal point of the optical system is used only on or near the light source, so the effective surface diameter is smaller than in the second method (and its size is smaller than that of the optical system). It is easy to design and manufacture since it only requires the size of a forehead microscopic mirror.

第3図に示した装置ff ンこおいては、走査はr−θ
レンズへの光束の入射角を変えて焦点面上の焦点位置ヲ
変えることによって、行われるが、走査の1范囲とスポ
ットの径は偏向手段の光束の偏角福と光束の直匝、「−
θレンズの有効像面径と開口数によって定まる。広範囲
、微少スポット・サイズの走査機構を実現するには大口
径大偏角の偏向手段とその制御手段及び大有効像面、大
開口数のf−〇レンズが、必要で有り高度の設計、製造
、検査技術を必要とする。
In the apparatus shown in FIG. 3, the scanning is r-θ
This is done by changing the angle of incidence of the light beam on the lens and changing the focal point position on the focal plane, but the scanning range and the spot diameter are determined by the deflection angle of the light beam of the deflection means, the orthogonality of the light beam, −
It is determined by the effective image surface diameter and numerical aperture of the θ lens. In order to realize a scanning mechanism with a wide range and minute spot size, a deflection means with a large aperture and a large deflection angle, its control means, and an f-〇 lens with a large effective image surface and a large numerical aperture are required, and these require advanced design and manufacturing. , requires inspection technology.

偏向素子としては音響光学素子、回転多面境、回転振動
平面境等が有る。音響光学素子は澄(成約可動部が無く
高速走査に適するが素子中の超音波伝搬時間圧関係して
波面収差が発生する欠点と、得られる結晶の大きさの限
界に起因する音響光学素子の直径/最火偏向角比、即ち
スポット&j、/’F査範囲1直の上限がある。この値
は大まか罠5.000程度である。音響光学素子を偏向
素子として用いた走査装置は最大100,000回/秒
程度の高い繰り返し走査が可能である。
Examples of the deflection element include an acousto-optic element, a rotating polygonal boundary, a rotating vibrating plane boundary, and the like. Acousto-optic elements have no moving parts and are suitable for high-speed scanning, but they have the drawback of wavefront aberrations occurring due to the ultrasound propagation time and pressure within the element, and the limitations of the crystal size that can be obtained. There is an upper limit to the diameter/best deflection angle ratio, i.e. spot &j,/'F scanning range of 1 shift. ,000 times/second is possible.

回転多面境、回転振動平面説を偏向手段とする時:では
その回転機構としてモータまたはガルバーな用いるので
必然的に回転部に軸受を有する。この袖受部の誤差によ
ってf−θレンズへの入射光は走査方向への偏角だけで
なく、これと直行する成分の偏向、即ちサジタルを生ず
る。ためにこの方式を用いて高精度の走査を実現する場
合においては、サジタル検出手段例えば検出光学系と、
サジタル補正の手段例えば電気光学素子を必要とする。
When a rotating multi-plane boundary or a rotating vibration plane theory is used as a deflection means, a motor or a galvanizer is used as the rotating mechanism, so a bearing is necessarily provided in the rotating part. Due to this error in the sleeve receiver, the light incident on the f-theta lens not only has a deflection angle in the scanning direction, but also causes a deflection of a component perpendicular to the scanning direction, that is, a sagittal deflection. Therefore, when using this method to achieve high-precision scanning, sagittal detection means, such as a detection optical system,
A means for sagittal correction, such as an electro-optical element, is required.

回転多面鏡、回転振動多面鏡を用いた走査機構における
スポット数/走査範囲値は約5,000である。回転多
面鏡とモータ、回転ヲ辰動平面鏡とガルバーを偏向素子
として用いた走査装置では最大200回/秒程度の繰り
返し走査が得られる。
The number of spots/scanning range value in a scanning mechanism using a rotating polygon mirror or a rotating oscillating polygon mirror is about 5,000. A scanning device using a rotating polygonal mirror, a motor, a rotating plane mirror, and a galver as a deflection element can perform repeated scanning at a maximum rate of about 200 times/second.

この様て第2図に示した装置では光学系が簡素であり、
低速度広範囲高晴度走査に適するが、高速、度走森には
適さない。これに対して、第3図に示した装置では高速
度少範囲走査に適し、広範囲高精度走査には適さな(・
In this way, the optical system of the device shown in Fig. 2 is simple;
Suitable for low-speed, wide-area, high-clearance scanning, but not suitable for high-speed, frequent forest scanning. On the other hand, the device shown in Figure 3 is suitable for high-speed, small-area scanning, but is not suitable for wide-area, high-precision scanning.
.

〔課但を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明においては、高速度かつ広範囲の走査機能を有す
る装置を提案する。本発明においては光学系を音叉又は
カンチレバー等の振動体の先端部に配置し、該振動体を
励振することによって光学系の焦点を移動せしめること
によって走査を行う。
In the present invention, a device with high speed and wide range scanning capability is proposed. In the present invention, an optical system is placed at the tip of a vibrating body such as a tuning fork or a cantilever, and scanning is performed by exciting the vibrating body to move the focal point of the optical system.

該光学系は撮動体から離れた位置に固定された光学系と
平行光線にて結合されている。結合は例えば両光学系が
同軸であって音叉先端の光学系は光軸に沿って移動する
構成、または固定光学系の入射又は引出光束系が充分大
きく、音叉先端部の光学系の射出又は入射瞳が小さくて
音叉先端部の光学系は光軸と直行方向に移動する(、4
成などで行われる。
The optical system is coupled with an optical system fixed at a position away from the imaging object using parallel light beams. For example, coupling can be achieved by using a configuration in which both optical systems are coaxial and the optical system at the tip of the tuning fork moves along the optical axis, or a fixed optical system has a sufficiently large input or extraction light beam system, and the optical system at the tip of the tuning fork emits or enters the optical system. The pupil is small and the optical system at the tip of the tuning fork moves in a direction perpendicular to the optical axis (,4
This is done at various times.

〔実施例〕〔Example〕

以下図面に基づいて説明する。m1図は本発明の実栴例
における光走五装置を示す。この装置は物体の光学的1
度又は反射率分布を測定するための物であり、第1図t
alは上面図、同図tblは正面1図で、ちる。
This will be explained below based on the drawings. Figure m1 shows a phototravel device in an actual example of the present invention. This device is an optical 1
It is a device for measuring the intensity or reflectance distribution, and it is used to measure the intensity or reflectance distribution.
Al is a top view, and tbl is a front view.

第1図において音叉23の先端部24:ては結r象のた
めの対4勿レンズ25と反射フ゛リズム26、変2 i
Ql定のためのレトロプリズム27が取り付けである。
In FIG. 1, the tip 24 of the tuning fork 23 includes a pair of lenses 25 and a reflection film 26 for forming an image.
A retro prism 27 for determining Ql is attached.

反射プリズム26は音叉の先端部24の撮動方向と測定
光学系62の光軸64を一致させるための物である。音
叉近傍には光、原270、コンデンサレンズ28、ビー
ム・スプリッター29、jll、光レンズ30、光検出
器31等力・ら構成される測定光学系62が配置されて
おり、sllll常光学系62口部と音叉先端の反射プ
リズム26は相対しており、m11定光学系62よりの
光は反射プリズム26、対物レンズ25によって物体6
6の表面:(集光する。物本66よりの反射光は前述の
光路な逆に辿り、m11定光学系62に再入射し、ビー
ム・スプリッター29、集光レンズ60によって二を検
出器61に導かれる。測定光学系62と音叉先端の対物
レンズ25との間の光束は平行光線であってその光軸3
4に沿った光路長が変化しても結7′!、rc影響しな
い。
The reflecting prism 26 is used to align the photographing direction of the tip 24 of the tuning fork with the optical axis 64 of the measuring optical system 62. A measuring optical system 62 is arranged near the tuning fork, and is composed of a light source 270, a condenser lens 28, a beam splitter 29, a beam splitter 29, a light lens 30, a photodetector 31, etc. The reflective prism 26 at the tip of the tuning fork faces the mouth, and the light from the m11 constant optical system 62 is reflected by the reflective prism 26 and the objective lens 25 into the object 6.
Surface of 6: (Condenses light. The reflected light from the object 66 follows the optical path in the opposite direction as described above, re-enters the m11 constant optical system 62, and is transmitted to the detector 61 by the beam splitter 29 and the condensing lens 60. The light beam between the measurement optical system 62 and the objective lens 25 at the tip of the tuning fork is a parallel light beam, and its optical axis 3
Even if the optical path length along 4 changes, the result is 7'! , rc has no effect.

音叉26が@動コイル65によって励振されると、音叉
先端の対物レンズ25及び反射プリズム26は光束の光
軸64に沿って往復動じ、物体66はその表面が音叉2
4先端の撮動方向と平行証なるように置かれてし・る結
果、対物レンズ25の焦点36は物体66の表面を走査
する。ヨーク38は音叉26の一部と閉磁気回路をルラ
シするための物であって音叉26の基部とともに定ヱ:
て固定さnている。
When the tuning fork 26 is excited by the @ moving coil 65, the objective lens 25 and the reflecting prism 26 at the tip of the tuning fork move back and forth along the optical axis 64 of the light beam, and the object 66 has a surface that is similar to the tuning fork 2.
As a result, the focal point 36 of the objective lens 25 scans the surface of the object 66. The yoke 38 is used to connect a part of the tuning fork 26 to the closed magnetic circuit, and is fixed together with the base of the tuning fork 26.
It is fixed.

レトロプリズム27は音叉23の先端部の311.1面
に備えられており、マイケルソン干渉計67によって音
叉26の先端振幅を測定するための物である。
The retro prism 27 is provided on the 311.1 plane at the tip of the tuning fork 23 and is used to measure the amplitude of the tip of the tuning fork 26 using a Michelson interferometer 67.

第4図は第1図に示した装置を制御卸する回路のブロッ
ク図である。第4図において音叉は発g569の信号に
基づいて増im器40.1駆動コイノV41にて励振さ
れる。音叉の振動変位は干渉計42にて光学的に測定さ
れ測定波長の1/・1図位量毎罠パルス46を出力する
。計数回路44は該パルス46を加算又は減算計数する
が、計数値はある位置を原点とし干渉計42の波長で定
まる単位変位量にて変位を測定した値)(相当する。該
計数値はD/A変換回路45によってアナログシ1に変
換されてオシロスコープ46の水平軸入力端子に接続さ
れる。又物体の反射光量を測定する光検出器47の出力
はオシロスコープ46の垂直軸入力端子に接続される結
果、オシロスコープ46上には水平軸に走査位置、垂直
軸には反射光量を表わす図表が表示される。本装置では
水平位置の分解能は干渉計に用いる光の波長の174程
度、0.3μが達成できる。
FIG. 4 is a block diagram of a circuit for controlling the apparatus shown in FIG. 1. In FIG. 4, the tuning fork is excited by the IM intensifier 40.1 drive ino V41 based on the signal from the generator g569. The vibration displacement of the tuning fork is optically measured by an interferometer 42, and a trap pulse 46 is output for each magnitude of 1/.1 of the measurement wavelength. The counting circuit 44 adds or subtracts the pulses 46, and the counted value is a value obtained by measuring displacement with a certain position as the origin and a unit displacement determined by the wavelength of the interferometer 42. /A conversion circuit 45 converts the signal into analog signal 1 and connects it to the horizontal axis input terminal of oscilloscope 46.The output of photodetector 47, which measures the amount of reflected light from an object, is connected to the vertical axis input terminal of oscilloscope 46. As a result, a chart showing the scanning position on the horizontal axis and the amount of reflected light on the vertical axis is displayed on the oscilloscope 46.In this device, the resolution of the horizontal position is about 174 wavelengths of the light used for the interferometer, or 0.3μ. can be achieved.

第5図は本発明の実施例を示し、半導体製造工程に使用
するウェーハ又はレチクル等に変調された光線を走食し
潜像等な直接に描画する装置に関するものである。第5
図にお(・て、光源470を発した光は音響光学素子4
8によって変調され、第1の対物レンズ49、ピンホー
ル50、コリメータレンズ51、ビーム・スプリッター
52、反射プリズム53、を経て第2の対物レンズ54
によって物体55上に集光される。物体55は例えばウ
ェーハ レチクル等である。反射プリズム56と第2の
対物レンズ54は音叉56の先端部に固定されている。
FIG. 5 shows an embodiment of the present invention, which relates to an apparatus for directly drawing a latent image or the like by scanning a modulated light beam onto a wafer or reticle used in a semiconductor manufacturing process. Fifth
In the figure, the light emitted from the light source 470 is transmitted to the acousto-optic element 4.
8, and passes through a first objective lens 49, a pinhole 50, a collimator lens 51, a beam splitter 52, a reflection prism 53, and a second objective lens 54.
The light is focused on the object 55 by the following. The object 55 is, for example, a wafer reticle. The reflecting prism 56 and the second objective lens 54 are fixed to the tip of the tuning fork 56.

第5図において、便宜上物体55の表面について紙面と
平行な軸をY軸、紙面と垂直な方向をY軸と呼ぶことに
する。本実症例においては音叉5602つの先端は矢印
57.58に示す如くX軸方向に振動する結果、第2の
対物レンズ54の焦点は物体550表面を矢印57のX
軸方向に走査する。物本55は移動載物台59に載せら
れて、物体55はY軸方向に移動される。音叉56と移
動載物台59は定盤62に固定されているので第2の対
物レンズ54の焦点は物体55表面においてラスター軌
跡を描く。
In FIG. 5, for convenience, the axis parallel to the plane of the paper on the surface of the object 55 will be called the Y-axis, and the direction perpendicular to the plane of the paper will be called the Y-axis. In this actual case, the two tips of the tuning fork 560 vibrate in the X-axis direction as shown by arrows 57 and 58. As a result, the focus of the second objective lens 54 focuses on the surface of the object 550 in the direction of the
Scan in the axial direction. The book 55 is placed on a moving stage 59, and the object 55 is moved in the Y-axis direction. Since the tuning fork 56 and the movable stage 59 are fixed to the surface plate 62, the focus of the second objective lens 54 draws a raster locus on the surface of the object 55.

音響光学素子48は制御回路の出力によって光源470
の光の透過光量を制御する機能を有する。
The acousto-optic element 48 is connected to the light source 470 by the output of the control circuit.
It has the function of controlling the amount of transmitted light.

制御回路は音叉56の振動、Yステージ60の送りを制
御する機能を有する。
The control circuit has a function of controlling the vibration of the tuning fork 56 and the feeding of the Y stage 60.

光学干渉式位置検出器66は音叉56の先端部に取り付
けられた第1のレトロプリズム64、定盤62に取り付
けられた第2のレトロプリズム65、載物台67の物体
55近傍に取り付けられた第3のレトロプリズ、−66
を経由した光路によって、載物台67と第2の対物レン
ズ54の取り付けられた音叉56の先端部のY軸に沿っ
た相対(存置な検出するための物で有って、該相対位置
は物本55上における第2の対物レンズ焦点のX座環:
ζ等しい。第5図において61はX軸ステージ、68は
音叉上の反射プリズム53及び第2の対物レンズ54に
対して音叉の他の枝の先端部に取り付けられた平衡用重
り、69は音叉駆動のための磁路を形成するヨーク、及
びコイルであり、70は物体55の観察及び焦点合わせ
のためのテレビカメラ、71は露光量を測定するための
光検出器である。
The optical interference type position detector 66 includes a first retro prism 64 attached to the tip of the tuning fork 56, a second retro prism 65 attached to the surface plate 62, and a stage 67 attached near the object 55. Third Retropriz, -66
By the optical path passing through X-axis ring of the second objective lens focus on the object book 55:
ζ is equal. In FIG. 5, 61 is an X-axis stage, 68 is a balancing weight attached to the tip of the other branch of the tuning fork with respect to the reflection prism 53 on the tuning fork and the second objective lens 54, and 69 is for driving the tuning fork. 70 is a television camera for observing and focusing on the object 55, and 71 is a photodetector for measuring the exposure amount.

第6図は第5図に示した装置の制御回路を示すプ07り
図である。第6図にお(・て先ず水晶発信器700より
発せられた基準信号は可変分周器710にて計数される
っコンパレータ72は該計数に’cコンピュータ(CP
U)75の出力と比較し該計数(直がコンピュータ(C
PU)75の出力より例えば小なる期間工のパルスを発
生する。増唱器76は該パルスを増幅しq■勅コイル7
4に電流を流して音叉を吸引し、U動する。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the control circuit of the apparatus shown in FIG. In FIG. 6, the reference signal emitted from the crystal oscillator 700 is counted by the variable frequency divider 710.
Compare the count with the output of U) 75 and compare it with the output of
For example, a small period pulse is generated from the output of the PU) 75. Amplifier 76 amplifies the pulse and connects it to coil 7.
Apply current to 4 and attract the tuning fork, causing it to move.

CPU75は音叉の振幅を測定する干渉計81、干渉縞
の計数を行い音叉の瞬時座標(直を発生するアップダウ
ン・カウンタ82の出力によって音叉のぜ辰擢を狙1定
し、コンパレータ72への出力i直f変える事によって
不動コイル74の音叉吸引時間福を変えて音叉振幅を制
御する。CPU75は又可変分周器710を制御し音叉
の′駆動周波数を変えることが出来る。CPU75はア
ップダウン・カウンタ82と可変分周器710の位相を
比較する位相比較器76の出カフこよって音叉の駆動力
と音叉の振幅との位相差を知ることが出来、音叉の駆動
周波数を音叉の共振周波数に自動的シて調整する機能を
有する。
The CPU 75 uses the outputs of an interferometer 81 that measures the amplitude of the tuning fork, and an up/down counter 82 that counts interference fringes and generates the instantaneous coordinates (direction) of the tuning fork to aim for the tuning fork's pitch, and sends it to the comparator 72. The tuning fork amplitude is controlled by changing the tuning fork suction time of the stationary coil 74 by changing the output i. The CPU 75 also controls the variable frequency divider 710 to change the driving frequency of the tuning fork. - From the output of the phase comparator 76 that compares the phases of the counter 82 and the variable frequency divider 710, it is possible to know the phase difference between the driving force of the tuning fork and the amplitude of the tuning fork, and the driving frequency of the tuning fork can be adjusted to the resonant frequency of the tuning fork. It has a function to automatically adjust the settings.

CPU75はまた音叉の振動と同期してYステージ80
を゛駆動するP Mドライバ79の送り速度を制御し第
5図における第2の対物レンズ54の焦点の物体55上
の軌跡力tラスターとなるように制御する。描画図形は
メモ!7−83 K電子的手段によって記1意されてお
り、干渉計81の発する一定変位量毎の信号とそれをX
座標値に変えるアップダウン・カウンタ82の出力、C
PU75によって発せられるY座標値によって逐次読み
出される。この画像信号と光検出器87の信号によって
側御回路88と振幅変調器85は高周波発掘器84の出
力を制御し以て音響光学素子(AO素子)86の透過光
量を制御する。以上のようにして音叉はその共振周波数
近傍にて一定振幅で振動し、音叉の撮動と同期して送ら
れるYステージによって物体上を光がラスター走査し、
光は画像メモリーの内容てよって光量は制御される結果
、物体状に+’l r象等が描かれる。尚、Xステージ
78はP Mドライバ77により駆動される。
The CPU 75 also operates the Y stage 80 in synchronization with the vibration of the tuning fork.
The feed rate of the PM driver 79 that drives the PM driver 79 is controlled so that the trajectory force t raster on the object 55 at the focus of the second objective lens 54 in FIG. 5 is obtained. Take notes on the drawn shapes! 7-83 K is recorded by electronic means, and the signal for each fixed displacement amount emitted by the interferometer 81 and the
The output of the up-down counter 82, which is converted into a coordinate value, C
The Y coordinate value issued by the PU 75 is read out sequentially. Based on this image signal and the signal from the photodetector 87, the side control circuit 88 and the amplitude modulator 85 control the output of the high frequency excavator 84, thereby controlling the amount of light transmitted through the acousto-optic element (AO element) 86. As described above, the tuning fork vibrates with a constant amplitude near its resonance frequency, and the light raster scans over the object by the Y stage, which is sent in synchronization with the imaging of the tuning fork.
The amount of light is controlled according to the contents of the image memory, and as a result, a +'l r-elephant or the like is drawn on the object. Note that the X stage 78 is driven by a PM driver 77.

第7図は第5図に示した実t@例において、音叉の振福
副定手段として光学的干渉手段に代えて、光学格子を位
置の基準として用いた場合の構成な示す。第7図におい
ては音叉とその部幅測定手段のみを図示するが、他の部
分は第5図と同様である。第7図において音叉89の先
端fは光学格子90が添付されている。91は位置検出
光学系であって例えば光源92、コリメータレンズ96
、ビーム・スプリッター94.2″を物レンズ95、集
光レンズ96、光検出器97等より構成し、光学格子9
0上の微小な点の反射光を測定する。位置検出光学系9
1と音叉89の基部は定盤に取り付けられており互いに
固定されている。音叉89が実動コイル98によって励
振され音叉89の先端が振動を開始すると光学格子90
は位置検出光学系91の焦点面上を移動し、位置検出光
学系91はパルスを発生する。該パルスは音叉89が光
学格子90の間隔幅変位する毎疋発生されるので、該パ
ルスな計数することに依って音叉先端の瞬時位置座標が
得られる。
FIG. 7 shows a configuration in which an optical grating is used as a position reference in place of the optical interference means as a sub-determining means for swinging the tuning fork in the actual example shown in FIG. 5. In FIG. 7, only the tuning fork and its width measuring means are shown, but the other parts are the same as in FIG. 5. In FIG. 7, an optical grating 90 is attached to the tip f of a tuning fork 89. Reference numeral 91 denotes a position detection optical system, which includes, for example, a light source 92 and a collimator lens 96.
, the beam splitter 94.2'' is composed of an object lens 95, a condensing lens 96, a photodetector 97, etc., and an optical grating 9
Measure the reflected light from a minute point on 0. Position detection optical system 9
1 and the base of the tuning fork 89 are attached to a surface plate and fixed to each other. When the tuning fork 89 is excited by the actual working coil 98 and the tip of the tuning fork 89 starts to vibrate, the optical grating 90
moves on the focal plane of the position detection optical system 91, and the position detection optical system 91 generates a pulse. Since the pulse is generated every time the tuning fork 89 is displaced by the interval width of the optical grating 90, the instantaneous position coordinates of the tip of the tuning fork can be obtained by counting the pulses.

第8図は光学格子の平面図と位置検出光学系の出力パル
スを示したものであり、第8図[alの99は光学格子
の平面図、第8図[blの100は光学格子の部分拡大
図、第8図fclの101は位置咲出光学系の出力パル
ス例の波形図であって横軸は変位量、縦軸は反射光量で
ある。
Figure 8 shows a plan view of the optical grating and the output pulses of the position detection optical system. Reference numeral 101 in the enlarged view, FIG. 8 fcl, is a waveform diagram of an example of an output pulse of the position-emerging optical system, where the horizontal axis is the displacement amount, and the vertical axis is the amount of reflected light.

本発明の走査機構に用いる音叉又はカンチレバーは、安
定した振動体であってそのQ(直は大きい。
The tuning fork or cantilever used in the scanning mechanism of the present invention is a stable vibrating body, and its Q (direction) is large.

このことは振動体を小動する力の変動があってもその感
度が著しく小さいことを意味する。例えばQ!直が1,
000の撮助子において、ある周期にて1効力が変化し
た場合その周期における糸λAの変化は駆動力の変動の
約0.05%である。また音叉の慢動)よ紳粋な正弦波
と言っても良(・。正弦波において、変極点である位相
が90度及び270度近傍を除いて、微小区間では直勝
と見なし得て音叉撮偏の位置検出に補完を行って精度を
向上させる二とが出来る。
This means that even if there is a small fluctuation in the force that moves the vibrating body, its sensitivity is extremely small. For example, Q! Straight is 1,
000, when one effect changes in a certain period, the change in thread λA in that period is about 0.05% of the variation in driving force. In addition, it can be said that the sine wave is more elegant than the rapid motion of a tuning fork. It is possible to complement the position detection of the imaging bias and improve the accuracy.

第9図にて未発明知おける補完法の実施例を説明すると
、第9図(a)の曲緋102は音叉振・福と時間の関係
?表わしたものである。103は位置検出用光学格子で
あって音叉振幅との関係を示すものである。第9図[b
)は第9図ta+の一部?拡大したものに位置検出光学
系の出力106を付加したものである。汁又振福104
は位置検出光学系の隣合う格子間隔程度の微小区間では
105に示す如(直線、即ち等速運動と見なし107に
示す様て1番目のパルス周期T(i)とl+15:目の
パルス周期T(i+1)を等しいと仮定する。107に
おいて波線部T(i+1)は仮定されたパルスを表わす
。補完は例えば格子間隔をM倍にする場合、先ずパルス
周期T [jl ’;x測定して、i −i−1番目の
パルスの立ち上がりから数えてT [i) / M時間
経過後の音叉位置を以て格子間隔の17M量変位したも
のと見なす。27M、37M等はこれに準する。
An example of an uninvented complementation method will be explained with reference to FIG. 9. Is the song Hi 102 in FIG. 9(a) related to tuning fork, fortune, and time? It is expressed. Reference numeral 103 is an optical grating for position detection, and shows the relationship with the tuning fork amplitude. Figure 9 [b
) is part of ta+ in Figure 9? The output 106 of the position detection optical system is added to the enlarged image. Shirumata Shinpuku 104
is as shown in 105 in a very small section of the distance between adjacent gratings of the position detection optical system (considered to be a straight line, that is, uniform motion, and as shown in 107, the first pulse period T(i) and l+15:th pulse period T (i+1) are assumed to be equal. In 107, the dashed line part T(i+1) represents the assumed pulse. For example, when increasing the grating spacing by M times, first measure the pulse period T [jl'; The tuning fork position after T[i)/M time has elapsed from the rise of the i-i-1st pulse is considered to have been displaced by an amount of 17M of the grid interval. 27M, 37M, etc. conform to this.

108はT(i)を1/NI分割した時点毎に発生する
補完パルス例を示したものでM=4である<M−1個の
補完パルスが発生される)。
108 shows an example of complementary pulses generated every time T(i) is divided by 1/NI, where M=4 (<M-1 complementary pulses are generated).

第10図は補完パルスの発生回路の実施例を示したブロ
ック図である。位置検出光学系の出力パルスは入力端子
109に印加される。該パルスは増幅器110によって
整形され、フリラグ・フロップ111.112、ゲート
113.114に依って微分される。該微分波形は第1
及び第2の計数回路115.118を初期化すると同時
に初期化寸前の第1の計数回路115の計数値をラッチ
116に保持する。117は割り算回路であってラッチ
116の出力な17λ1し、第2の計数回路118の初
期値を与える。第2の計数回路118は割り算回路11
7に依って与えられた値より基馳パルスを減数計数し、
計数(16が零の時パルスを出力すると同時に次の基準
パルスの入力に依って自らを初期化する機能を有する。
FIG. 10 is a block diagram showing an embodiment of a complementary pulse generation circuit. The output pulse of the position detection optical system is applied to the input terminal 109. The pulse is shaped by amplifier 110 and differentiated by free-lag flops 111, 112 and gates 113, 114. The differential waveform is the first
At the same time as the second counting circuits 115 and 118 are initialized, the count value of the first counting circuit 115, which is about to be initialized, is held in the latch 116. Reference numeral 117 is a division circuit which outputs the output 17λ1 of the latch 116 and provides an initial value for the second counting circuit 118. The second counting circuit 118 is the division circuit 11
subtract the base pulses from the value given by 7;
It has a function of outputting a pulse when the count (16) is zero and at the same time initializing itself by inputting the next reference pulse.

該零パルスはゲート119を介して端子120に補完パ
ルスとして出力される。122は基準パルス発振回路で
あって該基準パルスの周期は位置検出光学系の出力パル
ス周期よりも十分小さい。
The zero pulse is outputted to terminal 120 via gate 119 as a complementary pulse. 122 is a reference pulse oscillation circuit, and the period of the reference pulse is sufficiently smaller than the output pulse period of the position detection optical system.

第11図は第10図に示した回路の各出力を示した波形
図であって、126は基準パルス、124は位置検出光
学系の出力、125,126はフリップ・フロップ11
0.111の出力パルス、127は微分波形である。1
28は補完パルスである。T(i+1 )がT(1)よ
り大きいとM1固目以上のパルス129が発生さnるが
、これらは第2の計数回路118内で除去される。
FIG. 11 is a waveform diagram showing each output of the circuit shown in FIG.
The output pulse is 0.111, and 127 is the differential waveform. 1
28 is a complementary pulse. If T(i+1) is greater than T(1), pulses 129 of M1 or more are generated, but these are removed in the second counting circuit 118.

第5図の光学干渉計における干渉縞間隔と第7図に於け
る光学格子は補完の信号処理に関しては等価であるから
、どちらの場合疋おいても本発明の補完法は有効である
Since the interference fringe spacing in the optical interferometer of FIG. 5 and the optical grating in FIG. 7 are equivalent in terms of complementary signal processing, the complementary method of the present invention is effective in either case.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

音叉及びカンチレバーによって光学系の一部を変位させ
る本発明の走査機構は、変位のための機構が往復運動を
行う振動体であるため以下に示す特徴な有する。
The scanning mechanism of the present invention, which displaces a part of the optical system using a tuning fork and a cantilever, has the following characteristics because the displacement mechanism is a vibrating body that performs reciprocating motion.

(1)  往復動において軸受等の摩耗部を有せず、(
2)その先端軌跡は安定である。
(1) There are no wear parts such as bearings during reciprocating motion, and (
2) Its tip trajectory is stable.

(3)往復動における運動方向逆転に際しては、減速時
に運動エネルギーは位置エネルギーとして蓄えられ、加
速時には位置エネルギーが放出されて運動エネルギーに
変わるために、加速及び減速時における外部からの供給
エネルギーは唖めて小さくてよい。
(3) When reversing the direction of motion in reciprocating motion, kinetic energy is stored as potential energy during deceleration, and potential energy is released and converted to kinetic energy during acceleration, so the energy supplied from the outside during acceleration and deceleration is reduced. It's good to be small.

(4)  往復運動を待伏するために外部から供給する
エネルギーは極めて小さいので、堅動磯構も小型である
(4) Since the energy supplied from the outside to ambush the reciprocating motion is extremely small, the solid rocky structure is also small.

(5)撮動体が特に音叉の場合には、その2個の枝は音
叉の中心線に対して対照の変位を行うため支持部シてお
けるモーメントを互いに打ち消し−。
(5) In particular, when the object is a tuning fork, the two branches make symmetrical displacements with respect to the center line of the tuning fork, so that the moments in the support part cancel each other out.

うため音叉支持部から、外部に漏洩する撮動が極めて小
さい。
Therefore, the amount of image leakage to the outside from the tuning fork support is extremely small.

1G)撮動体先端の変位はほぼ直線であるために1変位
量51]宝手段として光学的な干渉法がfll用できる
ため高い泣巽分;づ子能が得られる。
1G) Since the displacement of the tip of the imaging body is almost a straight line, 1 displacement amount 51] Since optical interferometry can be used as a valuable means, high performance can be obtained.

(7)根切のQ値が大きく、振動の安定性が曳いためて
予jI11制彊jI去を用いた場合にも高い予511債
度がf得られる。
(7) Since the Q value of root cutting is large and the stability of vibration is reduced, a high pre-511 bond rate can also be obtained when pre-jI11 control is used.

などの特徴がある。It has such characteristics.

1月面の節+jiな説明 第1図+2+、(blは本発明の光走査装置を説明する
ための上面図および正面図、第2図は従来用いられてい
る固定光学系と移動載物台による光走査装置の正面図、
第3図は従来用いられているf−θレンズと音響光学素
子による走査光学系の正面図、第4図は第3図に示した
装置の制御回路のブロック図、第5図は本発明の光走査
装置の正面図、第6図は第5図に示した装置の制御プロ
7り図、第7図は本発明の装置に用いる振幅1則定手段
の正面図、第8図は光学素子の平面図及び出力パルス波
形を示し、第8図(a)は光学格子の平面図、第8図(
b)は第8図Fa+の部分拡大図、第8図[C1は位五
rlミ出光学系の出力パルス波形図であり、第9図は本
発明・ンこ用いる補完法を説明するための元洛子および
波形を示し、第9図(alは位置検出光学烙子と音叉振
ぶとの位置関係図、第9図tblは第9ス(a):こ位
置検出光学系の出力を付加した状態の部分拡大位置関係
図であり、第10図は補完パルスの発生回路のブロック
図、第11図は補完パルス発生回路の出力皮形図である
Figure 1 + 2+, (bl is a top view and front view for explaining the optical scanning device of the present invention, Figure 2 is a conventionally used fixed optical system and movable stage) A front view of the optical scanning device according to
FIG. 3 is a front view of a conventional scanning optical system using an f-theta lens and an acousto-optic element, FIG. 4 is a block diagram of the control circuit of the apparatus shown in FIG. 3, and FIG. 6 is a front view of the optical scanning device, FIG. 6 is a control diagram of the device shown in FIG. 5, FIG. 7 is a front view of the amplitude 1 regulating means used in the device of the present invention, and FIG. A plan view and an output pulse waveform are shown, and FIG. 8(a) is a plan view of the optical grating, and FIG.
b) is a partially enlarged view of Fig. 8 Fa+, Fig. 8 [C1 is an output pulse waveform diagram of the positioning optical system, and Fig. 9 is a diagram for explaining the interpolation method using the present invention. Figure 9 shows the positional relationship between the position detection optical heater and the tuning fork shaker, and Figure 9 TBL shows the output of the position detection optical system. FIG. 10 is a block diagram of a complementary pulse generation circuit, and FIG. 11 is an output contour diagram of the complementary pulse generation circuit.

23・・・・・・音叉、 25・・・・・・対物レンズ、 37・・・・・・マイケルソン干渉計。23...Tuning fork, 25...Objective lens, 37... Michelson interferometer.

第2図 第5画 第7図 第9図 CG) 罰■−も一双 第10閃Figure 2 5th stroke Figure 7 Figure 9 CG) Punishment - Moisou 10th flash

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)音叉又はカンチレバー等の機械的振動子の先端に
対物レンズからなる結像手段を固定し、該結像手段の焦
点が物体若しくは光学的像面を走査するように構成され
ており、その走査位置の検出は前記振動子の先端部に固
定した鏡とマイケルソン干渉計によって光学的に行われ
ることを特徴とする光走査装置。
(1) An imaging means consisting of an objective lens is fixed to the tip of a mechanical vibrator such as a tuning fork or a cantilever, and the focal point of the imaging means is configured to scan an object or an optical image plane. An optical scanning device characterized in that the scanning position is detected optically by a mirror fixed to the tip of the vibrator and a Michelson interferometer.
(2)マイケルソン干渉計の光路は振動子の先端の反射
鏡及び載物台に搭載した反射鏡を含み、振動子先端と載
物台の相対位置を測定する機能を有することを特徴とす
る請求項1記載の光走査装置。
(2) The optical path of the Michelson interferometer includes a reflecting mirror at the tip of the vibrator and a reflecting mirror mounted on the stage, and is characterized by having a function of measuring the relative position of the tip of the vibrator and the stage. The optical scanning device according to claim 1.
(3)音叉又はカンチレバー等の機械的振動子の先端に
対物レンズからなる結像手段を固定し、該結像手段の焦
点が物体若しくは光学的像面を走査するように構成され
ており、その走査位置の検出は前記振動子の先端部に固
定した光学格子からの反射光又は透過光を測定すること
により行われることを特徴とする光走査装置。
(3) An imaging means consisting of an objective lens is fixed to the tip of a mechanical vibrator such as a tuning fork or a cantilever, and the focal point of the imaging means is configured to scan an object or an optical image plane. An optical scanning device characterized in that the scanning position is detected by measuring reflected light or transmitted light from an optical grating fixed to the tip of the vibrator.
(4)音叉又はカンチレバー等の機械的振動子の先端に
対物レンズからなる結像手段を固定し、該結像手段の焦
点が物体若しくは光学的像面を走査する光走査装置にお
いて、走査位置検出手段から単位変位量毎に出力する信
号の1つの時間幅を測定し、次の信号の開始点より該測
定時間幅に基づいて更にその次の信号までの変位量を予
測し位置の補完制御を行う補完方式を用いたことを特徴
とする光走査装置。
(4) Scanning position detection in an optical scanning device in which an imaging means consisting of an objective lens is fixed to the tip of a mechanical vibrator such as a tuning fork or a cantilever, and the focal point of the imaging means scans an object or an optical image plane. The time width of one signal outputted from the means for each unit displacement amount is measured, and the displacement amount from the start point of the next signal to the next signal is further predicted based on the measured time width to perform complementary control of the position. An optical scanning device characterized in that it uses a complementary method.
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