JP2645861B2 - 光軸移動光学系および光シャッター装置 - Google Patents

光軸移動光学系および光シャッター装置

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JP2645861B2 JP18019188A JP18019188A JP2645861B2 JP 2645861 B2 JP2645861 B2 JP 2645861B2 JP 18019188 A JP18019188 A JP 18019188A JP 18019188 A JP18019188 A JP 18019188A JP 2645861 B2 JP2645861 B2 JP 2645861B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 レーザビームは極めて細くかつ高いエネルギーのビー
ムが得られるために、屋外、屋内でのパターン描画によ
るディスプレイ、あるいはLSIの製作やLSI製造のための
マスクの製作などの際のビーム露光、さらには各種材料
に対する微細加工を行うビーム加工などを用いられてい
る。
〔従来の技術〕
このようなレーザビームをオン/オフするために、従
来はこのレーザビームの経路にピンホールあるいはスリ
ットを設けておき、このレーザビームを偏向してこのピ
ンホールあるいはスリットを通過させたり、その周囲の
遮断部に吸収させるようにしていた。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、このビームを上記のようにピンホール
あるいはスリットによってオン/オフする場合には、レ
ーザビームのビーム径が極めて細いために、このピンホ
ールあるいはスリットの開口がビーム径に比して比較的
大きいことによって望ましくないレーザビームの軌跡を
生じる欠点があった。
これをディスプレイの場合を例にとって説明すると、
レーザビームからスリットのビーム遮断縁までが1mmの
大きさのスリットを用い、レーザビーム光源からこのス
リットまでの距離が50cmであるとすると、このレーザビ
ームを遮断するために上記スリットのビーム遮断縁まで
の1mmを偏向したときに100m先のディスプレイ面上にお
いてはビームを遮断するまでに約20cmの長さの不所望な
線状の表示を生じることになる。
この欠点を除くためにはレーザビームを偏向すること
なく、レーザビームと上記ピンホールあるいはスリット
とを相対的に移動させればよいが、人間の視覚の残像期
間内である約1/16秒間以内に全ディスプレイ画面の描画
を完了するようにしなければならないのでビームのオン
/オフは1msec.程度の短時間で行わなければならず、し
たがって比較的軽量なピンホールあるいはスリットを移
動させるにしても機械的な慣性があることから実用上そ
の駆動・制御が困難であった。
本発明は、高速動作可能なガルバノメータの回転鏡な
どの回転両面鏡の回転によってビームの光軸を平行移動
させるようにする光軸移動光学系を提供し、またこの光
軸移動光学系を用いてレーザビームの断続を行うように
した光シャッター装置を提供するものである。
〔課題を解決する手段〕
入射ビームと射出ビーム間の角度が90℃であり、回転
両面鏡Rの回転軸O上に入射ビームが入射するようにし
た原理的実施例を第1図に示した。
入射側反射面にレーザビームIが入射する回転両面鏡
Rと、この回転両面鏡Rによって反射された上記レーザ
ビームを第2の平面鏡M2に向けて反射する第1の平面鏡
M1と、この第1の平面鏡M1によって反射されたレーザビ
ームを上記回転両面鏡Rの射出側反射面に向けて反射す
る上記第2の平面鏡M2とによって光軸移動光学系を構成
した。
また、入射側反射面にレーザビームIが入射する回転
両面鏡Rと、この回転両面鏡Rによって反射された上記
レーザビームを第2の平面鏡M2に向けて反射する第1の
平面鏡M1と、この第1の平面鏡M1によって反射されたレ
ーザビームを上記回転両面鏡Rの射出側反射面に向けて
反射する上記第2の平面鏡M2と、この両面鏡Rの射出側
反射面からのレーザビームの射出経路に設けたピンホー
ルあるいはスリットSとによってレーザ光シャッター装
置を構成することもできる。
〔作 用〕
入射ビームと射出ビーム間の角度が90゜であり、回転
両面鏡Rの回転軸O上に入射ビームが入射する場合を例
にとって示した第1図の原理的実施例においては、回転
両面鏡Rが入射ビームIに対して45゜の角度に位置して
いるとき、この回転両面鏡Rの入射側反射点Aで反射さ
れたレーザビームは次に第1の平面鏡M1の反射点Bで反
射されて第2の平面鏡M2の反射点Cに至り、この反射点
Cから再び反射されたレーザビームは回転両面鏡Rの上
記反射点Aの裏側、すなわち回転軸O上に位置する射出
側反射点Dに入射して、この反射点Dで反射されたレー
ザビームYが入射レーザビームIに対して90゜異なる図
の上方に射出されるようにこれら第1および第2の平面
鏡M1,M2が配置されている。
上記第1および第2の平面鏡M1,M2の設置角度は上述
の条件によって定まり、この例では入射レーザビームI
および射出レーザビームOに対して45゜の位置にある上
記回転両面鏡Rの延長方向に対して±22.5゜の位置にな
り、したがって、この第1および第2の平面鏡M1,M2
の設置角度は45゜になる。なお、これら第1および第2
の平面鏡M1,M2間の間隔は上記回転両面鏡Rを含む光学
系の光路に支承がないような間隔であればよく、特に限
定されるものではない。
この第1図には回転両面鏡RがR′で示す位置に各θ
回転したときの光路を点線で示してあり、この回転両面
鏡Rの回転によってレーザビームの光路はB′→C′→
D′のように変化するが、この回転両面鏡Rの裏側の反
射点D′で反射されたレーザビームはこの回転両面鏡R
が上述の45゜位置にある場合の射出レーザビームとは異
なる位置から、しかも後に詳細に説明するように、この
射出レーザビームと平行な方向に射出される。
したがって、本発明によれば、回転両面鏡Rを回転さ
せるだけで射出レーザビームの位置を制御することがで
きるのでビーム加工における加工ビームの位置制御など
に適用することができる。
また、この第1図にSとして示したスリットあるいは
ピンホールを射出側に設ければ、ガリバノメータなどに
よって駆動される回転両面鏡Rの回転のみによってビー
ムのオン/オフを行うことができる。
第2図(a)〜(c)は射出されるビームの方向が回
転両面鏡Rの回転によっても変化しないことを説明する
ための図である。
同図(a)は入射ビームIと射出ビームYに対して回
転両面鏡Rがこれらビームのなす角90゜の1/2である45
゜の角度に位置する場合を示すもので、鏡面に対するビ
ームの入射角と反射角とは等しいので、回転両面鏡Rの
入射側反射面が入射ビームおよび反射ビームとなす角を
a、第1の平面鏡M1の反射面と入射ビームおよび反射ビ
ームとなす角をb、第2の平面鏡M2の反射面と入射ビー
ムおよび反射ビームとなす角をc、回転両面鏡Rの射出
側反射面と入射ビームおよび反射ビームとなす角をdと
して示した。
これらの角を用いてΔABCの頂角∠A,∠Bおよび∠C
を表すと、 ∠B=180−2b ∠C=180−2c ∴∠A=180−(180−2b)−(180−2c) =2(b+c)−180 ……(1) となる。
同図(b)は回転両面鏡Rが上記の位置からθ回転し
たときの光路を概念的に示したもので、入射および射出
角度については理解しやすい図面とするために正確な値
としては示されていない。
回転両面鏡Rの入射側反射面が入射ビームおよび反射
ビームとなす角をa′、第1の平面鏡M1の反射面と入射
ビームおよび反射ビームとなす角をb′、第2の平面鏡
M2の反射面と入射ビームおよび反射ビームとなす角を
c′、回転両面鏡Rの射出側反射面と入射ビームおよび
反射ビームとなす角をd′とすると上記のa′,b′,c′
の間には、 a′=a−θ b′=b−2θ ……(2) c′=c+2θ ……(3) という関係が成り立つ。
同図(c)は回転両面鏡Rが回転したときにも射出ビ
ームの方向が平行に保たれることを証明するための図で
あり、各反射面における入射角および反射角を示す上記
符号a〜cおよびa′〜c′については図示を明瞭にす
るために省略した個所があるので、これらの符号につい
ては、上記の(a)および(b)図も併せて参照された
い。
この回転両面鏡Rの長方向が入射ビームIと射出ビー
ムYに対して回転両面鏡Rがこれらビームのなす角90゜
の1/2である45゜の角度である場合における光路は実線
で示したようにI→A→B→C→D→Yであり、∠IDY
=a+dである。
したがって、入射ビームIと射出ビームYに対して回
転両面鏡Rの延長方向がこれらビームのなす角90゜の1/
2である45゜から角θ回転した場合、すなわち一点鎖線
で図示した場合における入射ビームIと射出ビームY′
となす角(a′+d′)が上記の角(a+d)に等しけ
れば射出方向が変わらないことになる。
そこで(a′+d′)=(a+d)となることを証明
するため、この第2図(c)に点線で示したように第2
の平面鏡M2の反射点C′から回転両面鏡Rの裏側の反射
点D′に至る光路C′D′を延長して、回転両面鏡Rの
表側の反射点Aから第1の平面鏡M1の反射点B′に至る
光路AB′の交点Eまで補助線D′Eを設定してΔEB′
C′を構成させ、また、この交点Eからθ回転している
回転両面鏡Rの延長方向と平行に補助線EFを設定する。
そうすると、このΔEB′C′の頂角∠Eは補助線EFに
よって分割した∠B′EFはa′に等しくまた EFC′は
d′に等しいので∠Eは(a′+d′)に等しくなり、
上述のように、この∠Eが(a+d)に等しければ回転
両面鏡Rの角度が変化しても射出ビームY′の方向は変
化しないことになる。
ところでこの∠EはΔEB′C′の頂角であるから、そ
の角度は ∠E=180−∠B′−∠C′ ……(4) となり、さらにこの∠B′および∠C′はそれぞれ次の
ような角度として求めることができる。
∠B′=180−2b′ ……(5) ∠C′=180−2c′ ……(6) この(5)式に前記の式(2)のb′=b−2θを代
入すると ∠B′=180−2(b−2θ) であり、同様に(6)式に前記の(3)式を代入する
と、 ∠C′=180−2(b+2θ) となる。
したがって上記(4)式は、 ∠E=18O−∠B′−∠C′ =180−(180−2(b−2θ) −(180−2(c+2θ)) =180−180+2b+2θ−180+2c−2θ =2(b+c)−180 ……(7) となるが、この値は前記(1)式の∠Aの値に等しく、
したがって∠A=∠Eが成り立ち、入射ビームと射出ビ
ーム間の角度は回転両面鏡の角度とは無関係に一定に保
たれることが証明される。
したがって、回転両面鏡Rが回転したとき、射出ビー
ムYの射出位置は変化するがその射出方向は変化しない
ことになり、結局、回転両面鏡Rの回転によって射出ビ
ームの光軸のみが平行移動することになる。
また、上述の式中にはレーザビームの入射角および射
出角に関する条件および入射ビームが回転両面鏡Rの回
転軸に入射するという条件が含まれていないことからも
明らかなようにこれらの条件が限定されるものではな
く、また、前述のように第1、第2の平面鏡M1,M2の間
隔も限定されるものではない。
なお、第1図に示したように、スリットあるいはピン
ホールを上記射出ビームの射出経路に設けておくことに
よってレーザビームのオン/オフを行い得ることは特に
説明するまでもなく明らかであろう。
第3図は本発明による光軸光学系における回転両面鏡
が軸のガタなどによって振れを生じた場合にもビームの
射出方向には影響を受けないことを示すための誇張した
図であって、第2図に「III」と付記した矢印の方向か
ら本発明による光軸移動光学系を見た状態を示すもので
ある。
ガルバノメータなどの回転駆動機構Dによって回転両
面鏡Rは上述のように回転して入射ビームIをオン/オ
フするが、この回転両面鏡が点線で示した垂直位置にあ
る場合には正しい動作状態にあり、この入射ビームを含
みかつ回転両面鏡Rの回転軸に垂直な平面内で先に説明
したような光路を経て点線で示した射出ビームYとして
射出される。
しかしながら、この回転両面鏡Rは上記の回転駆動機
構Dの機構的構造などに基づいて発生する振れなどによ
って点線で示した垂直位置からずれた実行位置に傾斜す
ることがあり、このような状態においてはこの第3図に
示したように図の上方に移行しながら射出ビームY′と
して射出されるが、この入射ビームIと射出ビームY′
とは互いに平行を保っていることはこの図からも明らか
であろう。
したがって、このような振れを考慮するならばスリッ
トを用いてレーザビームのオン/オフを行うようにすれ
ば、仮に回転両面鏡が傾斜した場合でもこの回転両面鏡
の回転角とビームのオン/オフとの関係は一定に保たれ
るという望ましい効果が得られる。
なお、この第3図では入射ビームが水平方向にあるも
のとして示したが、この入射ビームの入射方向が斜めに
なっている場合でも射出ビームの方向はこの入射ビーム
の方向と平行になる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、回転両面鏡を回転駆動するだけでこ
の回転両面鏡の振れなどによっても影響を受けずにビー
ムの光軸を移動させることができるので高速度での光軸
移動の制御が可能になり、またさらにピンホールあるい
はスリットを併用することによってビームの高速なオン
/オフを行うことができる。
さらに、反射光学部材のみで構成されているため、大
きなエネルギーを有するレーザビームに適用した際に
も、これら光学部材がエネルギーを吸収して加熱された
り、変形したりすることがないという格別の効果を達成
することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理を示す図、 第2図は本発明の原理を説明するための図、 第3図は本発明の回転両面鏡が傾いた場合の光路を説明
する図である。 Rは回転両面鏡、M1は第1の平面鏡、M2は第2の平面
鏡、Sはピンホールあるいはスリットである。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入射側反射面にレーザビームIが入射する
    回転両面鏡Rと、 この回転両面鏡Rによって反射された上記レーザビーム
    を第2の平面鏡M2に向けて反射する第1の平面鏡M1と、 この第1の平面鏡M1によって反射されたレーザビームを
    上記回転両面鏡Rの射出側反射面に向けて反射する上記
    第2の平面鏡M2とからなることを特徴とする光軸移動光
    学系。
  2. 【請求項2】入射側反射面にレーザビームIが入射する
    回転両面鏡Rと、 この回転両面鏡Rによって反射された上記レーザビーム
    を第2の平面鏡M2に向けて反射する第1の平面鏡M1と、 この第1の平面鏡M1によって反射されたレーザビームを
    上記回転両面鏡Rの射出側反射面に向けて反射する上記
    第2の平面鏡M2と、 この両面鏡Rの射出側反射面からのレーザビームB′の
    射出経路に設けたピンホールあるいはスリットSとから
    なることを特徴とするレーザ光シャッター装置。
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