JP3869475B2 - ポリゴンｒｏｓ結像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、一般に、回転するマルチフェーセット（多面）反射ポリゴン・スキャナを用いた結像装置に関する。特に、この発明は、アジャル・ビーム（agile beam）のコンセプトおよび従来の円柱光学系の代わりに全球面光学系を用いたフェーセット（面）間ピラミッド・ウォブル（facet-to-facet pyramidal wobble ）を補正する方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
フェーセット間ピラミッド・ウォブルは、回転マルチフェーセット反射ポリゴン・スキャナを用いる任意の結像装置にも発生する。ポリゴンの各フェーセットは、理想的には、ポリゴンの回転軸に完全に平行であるが、このようなポリゴン・スキャナを製造することは、一般に、標準の製造技術を用いても不可能である。一般に、各フェーセットは、ポリゴンの回転軸に関して軸方向に僅かにスキューされる。さらに、各フェーセットは、異なる角度でスキューされる。このようなフェーセット間ウォブルを補正しない場合に、回転マルチフェーセット反射ポリゴンを用いる結像装置は、所望の位置の上または下に各走査ラインを形成することになろう。正（上）または負（下）の変位の総量は、フェーセットとポリゴンの回転軸との間に形成されたスキュー角の角度および符号（正または負）に依存する。
【０００３】
従来、フェーセット間ピラミッド・ウォブルは、プリ・ポリゴンおよびポスト・ポリゴン光学システムの円柱（シリンドリカル）光学素子を用いることにより補正されていた。しかし、円柱光学素子は、製造コストが高く、かつ、結像装置内での正確な位置合わせが難しく、時間を要する。
【０００４】
これと対照的に、球面光学素子は、製造コストが低く、かつ、結像装置内でのインストールが比較的容易である。一方、球面光学素子は、円柱光学素子のように、ウォブルを本来的に補正できない。したがって、全ての球面光学素子が使用される場合に、フェーセット間ピラミッド・ウォブルを補正できる付加的なメカニズムを、結像装置内に組み込まなければならない。
【０００５】
米国特許第5,204,523 号、第5,208,456 号および第5,212,381 号は、「アジャル・ビーム」（agile beam）のコンセプトを示している。これらの特許に示されているように、「アジャル・ビーム」補正は、調整可能な波長のダイオード・レーザまたは他の可変波長光源、可変屈折率プリズムもしくは同様の調整可能な電子光デバイスを含んでいる。可変波長光源または可変屈折率プリズムを用いることにより、低速走査方向の処理エラーを補償することができる。これらのエラーには、ＲＯＳ−ＲＯＳミスレジストレーション・エラー、フォトレセプタの動作エラーまたはフォトレセプタの表面欠陥が含まれる。
【０００６】
これらの文献に示される装置または方法において、先の走査ラインにおける低速走査方向の位置エラーの値を、可変波長光源の波長または可変屈折率プリズムの屈折率のいずれかを変化させるために測定し、使用することができ、これにより現在の走査ラインの位置エラーを補償することができる。しかし、このようなポスト・フォーメーション補正は、各個々のフェーセットと関連した位置エラーがフェーセットからフェーセットへ変化するので、フェーセット間ピラミッド・ウォブルの問題には適用できない。これと対照的に、先のアジャル・ビーム装置において補正されたタイプのエラーは、一般に安定し、リピータブルである。したがって、先のアジャル・ビーム装置および方法は、フェーセット間ピラミッド・ウォブルを扱うには十分ではない。
【０００７】
【発明の概要】
この発明は、アジャル・ビームのコンセプトを、全球面光学系を用いた結像装置に組み込み、フェーセット間ピラミッド・ウォブルを補償するものである。
【０００８】
特に、この発明は、可変波長光源、フォトレセプタに隣接して配置された位置検出器、および走査に先立って前記検出器上の光ビームの検出位置に対応して、前記光源によって放射される光ビームの波長を変化させるコントローラを組み込んだ結像装置を提供する。
【０００９】
さらに、この発明は、可変波長光源の代わりの可変屈折率プリズム、および前記光ビームの検出位置に対応して、前記光ビームの位置を定める前記プリズムの屈折率を制御するコントローラを使用した結像装置を提供する。
【００１０】
この発明は、光ビームの所望の位置からのより広い変位を補償できる装置および走査出力ビームのより優れた位置決めを行うことができる装置を提供するために、可変波長光源および可変屈折率プリズムの双方、ならびに前記プリズムの可変屈折率および前記光源の可変波長の双方を制御するコントローラを使用した結像装置を提供する。
【００１１】
また、この発明は、ルック・アップ・テーブルを組み込んだ結像装置を提供する。ルック・アップ・テーブルは、補正値を格納している。各補正値は、ポリゴンのフェーセットの一つに対応している。検出器は、ポリゴンのフェーセットのいずれが現在アクティブ（使用状態にある）であるかを検出する。コントローラは、可変波長光源または可変屈折率プリズムの一方を制御して、決定されたフェーセットに応じて、フォトレセプタ上の光ビームの位置を制御する。
【００１２】
さらに、この発明は、ルック・アップ・テーブル、現在アクティブなフェーセットを検出する検出器、および光ビームの実際の変位を検出するためにフォトレセプタに隣接配置された位置検出器を組み込んだ結像装置を提供する。このように、ルック・アップ・テーブルにより、走査ラインが開始される前に、現在のポリゴン・フェーセットの位置エラーの全体の補正が行われる。一方、フォトレセプタに隣接した検出器は、ルック・アップ・テーブルによって提供された補正ファクタ後に残る位置エラーに基づき、続いて行われる優れた調整を提供することができる。
【００１３】
【実施例】
図１に示すように、従来のポリゴン走査ラスタ出力スキャナ（ポリゴンＲＯＳ）（ＲＯＳ：Raster Output Scanner ）は、光ビーム124 を放射する光源102 を含んでいる。光ビームは、球面コリメート・レンズ104 を最初に通過し、続いてシリンドリカル・レンズ106 を通過する。レンズ104 および106 のペアは、高速走査方向に光ビーム124 をコリメートし、回転ポリゴン114 のポリゴン・フェーセット上のライン焦点へ、クロス走査方向に光を集光させる機能をもつ。
【００１４】
走査装置110 は、回転ポリゴン114 を、回転軸112 の回りを時計回りの方向に回転させる。
【００１５】
ポリゴン114 のアクティブなフェーセット116 は、光ビーム124 を球面レンズ118 に向けて反射する。光ビーム124 は、球面レンズ118 およびトロイダル・レンズ120 を通過する。ビーム124 が走査方向126 に走査されるとき（図２）、これらの２つのレンズの組合せにより、ほぼ一定速度で走査方向126 にビーム124 が結像領域122a上を走査することが保証される。また、これらのポスト・ポリゴン・レンズ（後配置ポリゴン・レンズ）は、フィールドを平らにするように設計されている。図１に示すように、現在のフェーセット116 は、走査方向126 にビームを走査するので、結像面は、走査方向126 と垂直のプロセス方向128 に移動している。
【００１６】
図３および図４に示すように、この発明の第１実施例は、図１および図２に示す従来の装置100 と実質的に同一の構成を使用する。しかし、第１実施例の本装置200 においては、従来の装置100 の固定波長光源102 が、可変波長光源202 に置換されている。また、可変波長光ビーム208 は、第１球面レンズ204 を通過した後、高速走査および低速走査の両方向にコリメートされ、光ビーム屈折素子206 に向けられる。したがって、従来の装置のように高価で、かつ、配置の難しいシリンドリカル・レンズ106 を省くことができる。
【００１７】
光ビーム屈折素子206 を通過後、コリメートされた光ビーム208 は、回転マルチ・フェーセット・ポリゴン214 のアクティブなフェーセット216 へ向けられる。アクティブなフェーセットでの反射後、可変波長光ビーム208 は、第２球面レンズ218 を通過し、結像面222 上に焦点を結ぶ。
【００１８】
図３に示すように、検出器224 は、結像面のプロセス方向226 において、可変波長光ビーム208 が焦点を結ぶ実際の位置を検出する。図４に示すように、検出器224 は、走査方向228 において結像面222 の最も左側の位置に配置されている。ポリゴン214 は、回転軸212 の回りを時計回りに回転するので、検出器224 は、走査ビーム208 が実際の結像領域222aに達する前に、ある位置に配置される。検出器224 による信号出力は、コントローラ230 に入力される。このコントローラは、その現在の位置から望ましい位置へ可変波長光ビーム208 を移動させるために、光源の波長の変化を決定する。一般に、可変波長光源は、770 nm〜790 nmの範囲のコヒーレント光ビームを出力する。特定のシステムの要求（主として、フォトレセプタないし他のフォト・アクティブ素子の要求）に基づいて、可変波長光源の適切な他の波長範囲を選択することができるのはいうまでもない。したがって、ウォブル補正は、各走査に対して、オープン・ループの実時間制御によって得られる。
【００１９】
検出器224 は、ユナイテッド・ディテクタ・テクノロジー（United Detector Technologies）のスーパ・リニア位置検出器であり、結像領域222aの外側で、高速走査先端部222bの前に置かれている。このようにして、プロセス方向226 における光ビーム208 の位置測定および適切な位置補正が、各走査ラインの結像が開始される前に行われる。スーパ・リニア位置検出器224 は、正確な位置測定を確実にするために、１mm×１mmの大きさをもち、100 ナノ秒のドエル時間を要求する。したがって、ビーム208 は、100 ｎ秒のドエル時間枠において、走査方向228 に１mm以上の行程を移動することができない。
【００２０】
このビーム速度の上限は、85％の走査長（すなわち、85％の走査効率）からなる実際の結像領域222aをもつ約14インチの走査長を仮定すると、毎秒23,000走査ラインの最大走査回数に対応する。ポリゴンＲＯＳの現在の処理解像度（プロセス方向226 の１インチあたり600 走査ライン）で、最大プロセス方向速度が毎秒約38インチまたはそれ以下である限り、毎秒23,000走査ラインの最大値が得られる。
【００２１】
スーパ・リニア位置検出器224 からの信号は、所望の位置からのエラーに比例したパルス・ピーク電圧を有する電圧パルスの形態をとる。すなわち、可変波長光ビーム208 が所望の位置に直接照射されたときには、検出器は零電圧パルスを出力する。一方、可変波長光ビーム208 が所望の位置の上側に逸れると、スーパ・リニア位置検出器は、正の電圧を出力する。可変波長光ビーム208 が所望の位置の下側に逸れると、スーパ・リニア位置検出器は、負の電圧を出力する。
【００２２】
スーパ・リニア位置検出器224 からの電圧パルス信号の出力は、コントローラ230 によってサンプリングされ、保持される。続いて、サンプル／保持されたピーク電圧値およびその極性は、コントローラ230 で処理され、可変波長光源202 を駆動する駆動信号が生成される。検出位置が所望の位置の上か下かに依存して、駆動信号は、可変波長光源202 の光ビーム208 の波長を、それぞれ長くまたは短くするように可変波長光源202 を駆動する。これは、結像面222 上の光ビーム208 の投射位置を負または正にそれぞれ移動させる。可変波長光源202 に対して、コントローラ230 によって生成される信号は、電圧が相対的に高く、電流が相対的に大きい。
【００２３】
また、実時間応答を確実にするために、ビーム位置測定と可変波長光源への駆動信号の適用との間の時間は、位置検出器224 から結像領域222aの先端部222bまでのビーム行程時間よりも短くなければならない。ビーム位置測定後の駆動信号の処理および生成、ならびに生成された駆動信号の可変波長光源への適用に、２μ秒（比較的長い時間）までの時間が要求されるとし、かつ、毎秒23,000走査の最大走査回数を仮定しても、位置検出器224 は、結像領域222aの先端部222bから20mm以下にマウントされる必要がある。
【００２４】
図５および図６に示すように、第２実施例においては、可変波長光源202 が、従来の装置の標準的な光源102 に置き換えられている。一方、第１実施例における光ビーム屈折素子206 は、第２実施例においては可変屈折率プリズム232 に置き換えられている。図３および図４に示す第１実施例と、図５および図６に示す第２実施例との相違は、コントローラの出力が、可変波長光源202 ではなく可変屈折率プリズム232 に適用されていることである。また、この可変屈折率プリズムに対して、コントローラ230 によって生成された信号は、相対的に高い電圧と相対的に小さな電流である。
【００２５】
図７には、第３実施例が示されている。可変波長光源202 および可変屈折率プリズム232 は、同一装置300 に組み込まれている。このように、光ビーム208 およびプリズム232 の屈折率の両方を同時に制御することができる。これにより、所望の位置からの光ビーム208 の変位の範囲をより広く補償することができ、かつ、より優れた補正を得ることができる。
【００２６】
図８には、第４実施例が示されている。スーパ・リニア位置検出器224 が、フェーセット検出器234 およびルック・アップ・テーブル236 に置換されている。一般に、走査装置210 のフェーセット間ウォブルは、ポリゴン214 のある回転から次の回転までにおいて完全に周期的（リピータブル）ではない。すなわち、走査ポリゴン214 のウォブルによって引き起こされるエラーは、一般に固定され、予測することができるが、正確なウォブルの程度は、走査装置210 の固定された製造および配置エラーに単純には依存しない。また、ポリゴン214 および光システムの他の素子の熱と冷却のような温度効果、ならびに振動、湿気等の他の環境効果が、結像面222 上のビーム208 の正確な位置に影響する。
【００２７】
それにもかかわらず、エラーの重要部分は、ポリゴン214 を形成する際の製造欠陥、および他の固定された位置エラー源から発生する。ルック・アップ・テーブル236 は、ポリゴン214 のフェーセットの個数に等しい数の項目を有し、ポリゴン214 のフェーセット216 の固定されたエラーを予め与えられている。したがって、ポリゴン・フェーセット検出器234 は、どのフェーセットがアクティブなフェーセットであるかを示す信号を生成し、ルック・アップ・テーブル236 に信号を出力する場合に、ルック・アップ・テーブル236 は、補正ファクタを出力することができる。続いて、装置400 が、図３および図４の可変波長光源または図５および図６の可変屈折率プリズムのいずれを使用していても、コントローラ230 は、ルック・アップ・テーブル236 からのエラー信号を、可変波長光源208 または可変屈折率プリズム232 の駆動信号に変換できる。
【００２８】
さらに、図９に示すように、位置検出器224 およびフェーセット検出器234 の両方を単一のものに結合することができる。この第５実施例においては、現在のアクティブなフェーセット216 と関連付けて知られている一般化されたエラーが、先のアクティブなフェーセットによって走査されるとき、光ビームが結像面222aの外に移動した後、直ちに補償される。これは、フェーセット検出器234 に適切なタイミングを提供し、この検出器の適切な位置決めを行うことにより達成される。このようにして、エラーの重要部分は、現在のフェーセット216 からのビーム208 が検出器224 に向けられる時までに、すでに補償されている。したがって、走査ごとに変化するエラーの優れた調整を行うために、位置検出器224 を使用することができる。さらに、第５実施例の装置600 または第４実施例の装置500 において、可変波長光源および可変屈折率プリズムを組み合わせて使用することができる。
【００２９】
図10は、第１実施例の一般化されたフローチャートを示している。ステップS100で、走査処理が開始され、ステップS110で、ビーム位置のエラーが決定される。ステップS120で、検出器224 は、位置エラー値および位置エラーの方向を生成し、それをコントローラ230 に出力する。ステップS130で、コントローラ230 は、位置エラーおよび方向を表す信号を検出器224 から入力し、可変波長光源202 の駆動信号を生成する。ステップS140で、可変波長光源108 の波長が、ビーム位置エラーを補正するように変えられる。続いて、ステップS150で、走査ラインが、走査および光ビーム208 の修整を行うことによって形成される。最後に、ステップS160で、システムは、次の走査ラインの形成が必要かどうかを判定する。もしそうならば制御がステップS110に戻り、そうでなければ制御はステップS170に進み、停止する。
【００３０】
図11は、第２実施例のフローチャートを示している。このフローチャートは、本質的には第１実施例のものと同じである。しかし、光源202 によって放射された光ビーム208 の可変波長を変えるステップS140は、ステップS240に置換されている。このステップS240は、可変屈折率プリズム232 の屈折率を変えるものである。
【００３１】
第３実施例のフローチャートが、図12に示されている。このフローチャートは、図10および図11のフローチャートを組み合わせたものである。コントローラ230 は、可変波長光源202 および可変屈折率プリズム232 の双方に駆動信号を出力する。このようにして、より広い範囲の位置エラーを補償することができる。
【００３２】
図13は、第４実施例（図８）の処理の流れを示すフローチャートである。ステップS400でスタートした後、現在のフェーセットがステップS410で決定される。ステップS420で、フェーセット検出器234 は、ルック・アップ・テーブル236 に信号を出力する。ステップS430で、ルック・アップ・テーブルは、駆動信号をコントローラ230 に出力する。ステップS440で、コントローラ230 は、ルック・アップ・テーブル236 によるエラー信号出力から生成された駆動信号を、可変波長光源202 または可変屈折率プリズム232 の一方に適用する。続いて、ステップS450で、システムは、最後の走査ラインが出力されているかどうかを判定する。そうであれば、制御はステップS460に進み、処理は終了する。そうでなければ、制御はステップS410に戻り、次のフェーセットの処理および走査ラインの処理が行われる。
【００３３】
図13に示す処理の流れを、図10、図11または図12の任意の一つと組み合わすことができる。このようにして、スキャナの固定された位置エラーおよび製造エラーと関連した位置エラーの第１の部分が、第１ステップで、現在のアクティブなフェーセット116 を検出することによって補正される。第２ステップでは、ルック・アップ・テーブル236 が、フェーセット検出器234 からの出力を入力し、駆動信号をコントローラ230 に出力する。続いて、第３ステップで、光ビーム208 が検出器224 に焦点を結ぶ前に、コントローラ230 からの駆動信号が、可変波長光源202 および可変屈折率プリズム232 の双方またはいずれか一方に適用される。このように、位置エラーの重要部分は、走査ラインの開始に先立って補償される。次に、第４ステップでは、光ビーム208 は、検出器224 上に焦点を結ぶ。第５ステップで、位置の値および方向を表す信号が生成され、コントローラ230 に出力される。続いて、第６ステップで、コントローラ230 は、位置エラーの補正を十分に行うために、可変波長光源202 および可変屈折率プリズム232 の双方またはいずれか一方の優れた調整（チューニング）を行わう。
【００３４】
可変屈折率プリズムを用いない実施例においては、図14に示すように、標準的なプリズム206 を、回折格子240 に置換することができる。他の全ての点は、図３および図４に示す可変波長光源の装置および処理と同じである。
【００３５】
この発明を特定の実施例について説明したが、この特定の実施例は、この発明の範囲を制限するものではない。この発明の思想および範囲を越えることなく、様々な他の修整および変更が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のポリゴンＲＯＳ結像装置の一般的な光学的構成を示す側面図または正面図である。
【図２】図１に示す装置の一般的な光学的構成を示す上面図または平面図である。
【図３】可変波長光源を示すこの発明の第１実施例による結像装置の一般的な光学的構成を示す側面図または正面図である。
【図４】図３に示す装置の一般的な光学的構成を示す上面図または平面図である。
【図５】球面プリ・ポリゴン・コリメート・レンズと走査ポリゴンとの間に配置された可変屈折率プリズムを示す、この発明の第２実施例の一般的な光学的構成を示す側面図または正面図である。
【図６】図５に示す装置の一般的な光学的構成を示す上面図または平面図である。
【図７】可変波長光源および可変屈折率プリズムの双方を示す、この発明の第３実施例の一般的な光学的構成を示す側面図または正面図である。
【図８】ルック・アップ・テーブルを示す、この発明の第４実施例の一般的な光学的構成を示す側面図または正面図である。
【図９】可変波長光源、可変屈折率プリズムおよびルック・アップ・テーブルを組み込んだ、この発明の第５実施例の一般的な光学的構成を示す側面図または正面図である。
【図１０】第１実施例の一般化されたフローチャートである。
【図１１】第２実施例の一般化されたフローチャートである。
【図１２】第３実施例の一般化されたフローチャートである。
【図１３】第４実施例の一般化されたフローチャートである。
【図１４】回折格子を使用した第１実施例の変形例を示す。
【符号の説明】
202 可変波長光源
204 第１球面レンズ
206 光ビーム屈折素子
208 可変波長光ビーム
212 回転軸
214 回転マルチ・フェーセット・ポリゴン
216 アクティブなフェーセット
218 第２球面レンズ
222 結像面
224 検出器
230 コントローラ
228 走査方向

Claims (2)

1. 可変波長光ビームを放射する可変波長光源手段、
   前記放射された光ビームをコリメートし、球状の光学系(spherical optics)のみから構成されたプリ・ポリゴン・レンズ手段、
   前記コリメートされた光ビームを屈折させる可変屈折率プリズム、
   複数の反射フェーセットを有し、かつ、前記屈折された光ビームを反射するマルチフェーセット反射ポリゴン、
   前記反射された光ビームを、フォトレセプタの結像領域に焦点を合わせ、球状の光学系のみから構成されたポスト・ポリゴン・レンズ手段、
   前記焦点を合わせた光ビームの前記フォトレセプタ上の位置を検出し、かつ、前記結像領域の先端の前に配置されたセンサ手段、
   前記マルチ・フェーセット反射ポリゴンの、複数のフェーセットの各々に対応する訂正値を格納し、検知されたフェーセットに基づいて訂正値を出力するためのルックアップ・テーブル手段、
   および前記屈折プリズムの可変屈折率と前記可変波長光源手段の波長の双方を、前記検出された位置及び前記ルックアップ・テーブル手段からの訂正値に応じて制御し、前記焦点を合わせた光を前記フォトレセプタの所望の位置に移動させる制御手段、
   を含むポリゴンＲＯＳ結像装置。
2. 前記制御手段が、前記可変波長光源、および、前記可変屈折率プリズムの双方を同時に制御して、前記可変波長光ビームを所望の位置に移動させる、
   請求項１に記載の結像装置。

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