(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した平行光状態の光ビームを偏向させる第１の偏向手段と、
この第１の偏向手段における前記光ビームの偏向点がほぼ前側焦点位置に来るように配置され、該偏向手段から出射した前記光ビームを集束させる第１の集束レンズと、
この第１の集束レンズの後側焦点面近傍において該レンズの光軸に対して傾けて配置され、このレンズを通過した前記光ビームを所定方向に反射させる反射手段と、
この反射手段で反射した前記光ビームを、その入射角に応じた偏向角で偏向させて一定方向に導く第２の偏向手段と、
この第２の偏向手段を通過した前記光ビームを集束させる第２の集束レンズとからなる焦点変移装置。
【請求項２】
前記反射手段が、前記光ビームを、第１の集束レンズからの光路を逆に辿って該第１の集束レンズに戻すように構成され、
前記第２の偏向手段として前記第１の偏向手段が共用され、
前記反射手段で反射した後に第１の偏向手段を通過した光ビームを、前記反射手段に入射する前に該第１の偏向手段に向かう光ビームの光路から分岐させる手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の焦点変移装置。
【請求項３】
前記第１および／または第２の偏向手段が、音響光学素子と、この音響光学素子に周波数可変の高周波を印加するドライバとから構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の焦点変移装置。
【請求項４】
前記反射手段が回折格子であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の焦点変移装置。
【請求項５】
前記反射手段が階段状ミラーであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の焦点変移装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光ビームの焦点位置を変移させる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば回転多面鏡を用いた偏向走査式露光装置において、広偏向角の下に高解像点数を得ようとすると、走査レンズの像面湾曲が問題となる。つまり、偏向角の中心部と端部で焦点面が平面でなくなり、感材面（平面）上の結像スポット径が太り、画質が劣化する。
【０００３】
このような場合、レンズの像面湾曲に合わせて焦点位置を変えることができれば、高画質露光が実現できる。そこで、良好なビーム品質を保ったまま、高速で焦点位置を変移させる装置が必要となる。
【０００４】
従来、焦点変移装置として具体的には、
ａ）集束レンズをその光軸方向に移動させるもの、
ｂ）レンズを含む光学系内においてミラーをレンズ光軸方向に移動させて光路長を変更させるもの（例えば特開昭６−３４９０９号公報参照）、
ｃ）集束レンズとして電気光学材料からなるＥＯレンズを用い、そこに印加する電場を変えるもの（例えば「Ｏ  ｐｌｕｓ  Ｅ」誌  Ｎｏ．１５９，ｐ．９０  （１９９３）  参照）、
等がよく知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記ａ）のものは、重量のあるレンズの物理的移動を伴なうために、焦点移動の高速化が困難であるという問題がある。具体例を挙げると、数ｇと比較的軽量のレンズを移動させる場合でも、応答周波数は数１０ｋＨｚにとどまっている。
【０００６】
一方上記ｂ）のものは、レンズを移動させる場合と比べればより高速でミラーを移動可能であるが、それでもやはりミラー移動の高速度化には限度があり、例えば焦点位置を離散点な２点間でランダム・アクセスする等のために適用することは困難となっている。
【０００７】
また上記ｃ）のものは、焦点移動を高速で行なうことができるが、電気光学材料に電場がかかる方向のみに光の波面が変化するため、焦点が変化するのは一軸方向のみであり、そのために非点収差が発生するという問題がある。そこで、電気光学材料に互いに直交する２方向から電場をかけることも提案されているが、その場合でも結局は相直交する二軸方向にしか焦点が変化しないので、非点収差の発生は免れない。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、非点収差の発生を抑えてビーム品位を保ったまま、焦点移動を高速で行なうことができる焦点変移装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による焦点変移装置は、請求項１に記載のように、
入射した平行光状態の光ビームを偏向させる第１の偏向手段と、
この第１の偏向手段における上記光ビームの偏向点がほぼ前側焦点位置に来るように配置され、該偏向手段から出射した前記光ビームを集束させる第１の集束レンズと、
この第１の集束レンズの後側焦点面近傍において該レンズの光軸に対して傾けて配置され、このレンズを通過した上記光ビームを所定方向に反射させる反射手段と、
この反射手段で反射した前記光ビームを、その入射角に応じた偏向角で偏向させて一定方向に導く第２の偏向手段と、
この第２の偏向手段を通過した上記光ビームを集束させる第２の集束レンズとから構成されたことを特徴とするものである。
【００１０】
なお上記の構成において、より好ましくは請求項２に記載のように、反射手段は光ビームを、第１の集束レンズからの光路を逆に辿って該第１の集束レンズに戻すように構成され、第２の偏向手段として第１の偏向手段が共用され、そして上記反射手段で反射した後に第１の偏向手段を通過した光ビームを、反射手段に入射する前に該第１の偏向手段に向かう光ビームの光路から分岐させる手段が設けられる。
【００１１】
また上記の構成において、より好ましくは請求項３に記載のように、第１および／または第２の偏向手段は、音響光学素子と、この音響光学素子に周波数可変の高周波を印加するドライバとから構成される。
【００１２】
また上記反射手段としては、請求項４および５に記載のように、回折格子や階段状ミラーを好適に用いることができる。
【００１３】
【作用および発明の効果】
上記構成の本発明による焦点変移装置においては、第１の偏向手段における光ビームの偏向点が第１の集束レンズのほぼ前側焦点位置にあるから、第１の偏向手段により偏向された光ビームは、第１の集束レンズを通過後、該レンズの光軸と平行に進行して、その後側焦点面上で集束する。そしてこのとき、光ビームの偏向角に応じてその第１の集束レンズへの入射位置が変化するので、上述のように第１の集束レンズの光軸と平行に進行する光ビームの光軸からの距離は、上記偏向角に応じて変化することになる。
【００１４】
一方、第１の集束レンズを通過した光ビームを反射させる反射手段は、第１の集束レンズの光軸に対して傾けて配置されているので、光ビームの上記光軸からの距離に応じて、第１の集束レンズによる集束点と反射手段との距離が変化するようになる。つまり、例えば上記反射手段が、第１の集束レンズの光軸より上方に行くにつれてこのレンズに近づくように傾いている場合、第１の集束レンズの光軸上を進む光ビームがちょうど反射手段上で集束するとすれば、光軸より上に離れて進行する光ビームは集束し切らないうちに反射手段に入射し、反対に光軸より下に離れて進行する光ビームは一たん集束後、発散しつつある状態で反射手段に入射することになる。
【００１５】
第２の偏向手段を通過して一定方向に進行する光ビームは第２の集束レンズによって集束せしめられるが、上述のようにして第１の集束レンズによる光ビームの集束点と反射手段との位置関係が変われば、第２の集束レンズによる光ビームの集束点（焦点）が光軸方向に変移することになる。以上のようにして、本装置によれば、第１の偏向手段による光ビームの偏向角を変えることにより、第２の集束レンズを通過した後の光ビームの焦点を変移させることができる。
【００１６】
上記第１の偏向手段としては、音響光学光偏向器（ＡＯＤ）とそこに周波数可変の高周波を印加するドライバとからなるもの、電気光学光偏向器（ＥＯＤ）とそこに大きさ可変の電圧を印加するドライバとからなるもの、さらにはガルバノメータミラー等を用いることができ、周知の通りこれらによれば光ビームを極めて高速で偏向可能であるから、焦点位置を高速で移動させることができる。
【００１７】
また上述の通り、本発明装置においては、第１の集束レンズによる光ビームの集束点と反射手段との光軸方向位置関係を変化させることにより、焦点を変移させるようにしているので、前述のＥＯレンズを用いる際に生じるような非点収差は発生せず、光ビームの品位を保ったまま焦点位置を移動させることが可能である。
【００１８】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１実施例による焦点変移装置を示すものである。図示されるように本装置は、ハーフミラー１０と、そこを透過した平行光状態の光ビーム１１が入射する位置に配されたＡＯＤ（音響光学光偏向器）１２と、このＡＯＤ１２とともに第１の偏向手段（本実施例では第２の偏向手段も兼ねる）を構成するドライバ１３と、上記ＡＯＤ１２における光ビーム１１の偏向点がほぼ前側焦点位置に来るように配置されて、ＡＯＤ１２から出射した光ビーム１１を集束させる第１の集束レンズ１４と、この第１の集束レンズ１４の後側焦点面近傍において該レンズ１４の光軸Ａに対して傾けて配置された反射手段としての回折格子１５と、後述するようにハーフミラー１０で反射した光ビーム１１を集束させる第２の集束レンズ１６とを備えている。なおハーフミラー１０の代りに、偏光ビームスプリッタ等を用いることもできる。
【００２０】
上記回折格子１５は図２に詳しく示すように、第１の集束レンズ１４の光軸Ａと平行な向きでそこに入射した光ビーム１１の−１次回折光が、元の光路を逆に辿って第１の集束レンズ１４に再入射するように構成されている。
【００２１】
ハーフミラー１０を透過してＡＯＤ１２に入射した光ビーム１１は、このＡＯＤ１２にドライバ１３から高周波信号ＲＦが印加されると、この高周波信号ＲＦの周波数に対応した回折角で回折する。ドライバ１３は上記高周波信号ＲＦの周波数を掃引可能であり、このように高周波信号ＲＦの周波数が掃引されると、光ビーム１１の回折角つまり偏向角が連続的に変化する。
【００２２】
以上のようにして光ビーム１１は、高周波信号ＲＦの周波数掃引範囲に対応した偏向角範囲内で連続的に偏向される。図１には、この偏向角が最小のとき、最大のときの光ビーム１１を、それぞれ破線、１点鎖線で示してある。なお同図中実線で示す光ビーム１１は、第１の集束レンズ１４の中心に入射するように偏向された光ビーム１１である。
【００２３】
第１の集束レンズ１４は、先に説明した通り、その前側焦点位置に光ビーム１１の偏向点が位置するように配されているから、光ビーム１１はどのような角度で該第１の集束レンズ１４に入射しても、そこを通過後はレンズ光軸Ａと平行に進行する。ただし、光ビーム１１の偏向角が変われば、そのレンズ１４への入射位置が変わるから、このレンズ１４を通過した後の光ビーム１１のレンズ光軸Ａからの距離が変化する。
【００２４】
そしてこの第１の集束レンズ１４に入射した光ビーム１１は、該レンズ１４の作用によりその後側焦点面上で集束するが、回折格子１５が前述のようにレンズ光軸Ａに対して傾けて配置されているので、集束点と回折格子１５との光軸方向位置関係は、光ビーム１１のレンズ光軸Ａからの距離に応じて変化する。
【００２５】
つまり図３に示すように、例えば光軸Ａ上を進行する光ビーム１１がちょうど回折格子１５上で集束すると仮定すれば、図中光軸Ａよりも上方を進行する光ビーム１１は、完全に集束する前に回折格子１５で回折し、他方、図中光軸Ａよりも下方を進行する光ビーム１１は、集束した後に発散しつつある状態下で回折格子１５において回折することになる。
【００２６】
回折格子１５において回折した光ビーム１１（１次回折光）は、回折格子１５に向かって来た光路を逆に辿り、第１集束レンズ１４に入射してそこでほぼ平行光とされる。この光ビーム１１はＡＯＤ１２に再入射してそこで回折、偏向され、ハーフミラー１０において反射してＡＯＤ１２に向かう光ビーム１１から分岐される。分岐された光ビーム１１は、第２の集束レンズ１６によって集束せしめられる。
【００２７】
この光ビーム１１の集束スポットＰの位置（焦点位置）は、前記第１の集束レンズ１４による集束点と回折格子１５との光軸方向位置関係に応じて、第２の集束レンズ１６の光軸方向（図中矢印Ｂ方向）に変移する。つまり、光ビーム１１が図中実線表示のように進行する場合と比べると、破線表示のように進行する場合はより第２の集束レンズ１６に近い位置に、反対に１点鎖線表示のように進行する場合はより第２の集束レンズ１６から遠い位置に焦点位置が変移する。以上のようにして本装置においては、光ビーム１１のＡＯＤ１２における偏向角を変えることにより、つまりＡＯＤ１２に印加する高周波信号ＲＦの周波数を変えることにより、光ビーム１１の焦点位置を変移させることができる。
【００２８】
なお図４に示すように、第１の集束レンズ１４の光軸Ａに対して角度θをなすように偏向した光ビーム１１は、このレンズ１４の焦点距離をｆとすると、光軸Ａからｈ＝ｆ・ｔａｎθだけ離れた位置を進行する。そして図５に示すように、光軸Ａから上方（第１の集束レンズ１４と回折格子１５との距離が短くなる方向）に距離ｈ離れた位置を進行する光ビーム１１は、光軸Ａ上を進行する場合と比べて、δ＝ｈ・ｔａｎ（φ／２）だけ光路が短いうちに回折格子１５に入射する。したがって回折格子１５で回折後の光ビーム１１は、２δだけ光路長が短くなる。
【００２９】
また、回折格子１５の格子ピッチをΛ、光ビーム１１の波長をλとすると、１次回折光は０次光に対してφ＝ａｒｃ  ｓｉｎ（λ／Λ）の角度で回折する（図６参照）。そこで、回折格子１５を光ビーム１１の入射方向に対してφ／２の角度だけ傾ければ、１次回折光は入射光路を逆に辿るように回折する。
【００３０】
なお図１の実施例において、ハーフミラー１０の代わりに、偏光ビームスプリッタとλ／４板とを配設してもよい。その場合λ／４板は、偏光ビームスプリッタと回折格子１５との間に挿入する。またＡＯＤ１２等の偏向手段としては、偏光方向にかかわらず偏向角（回折角）が変わらないもの、さらには、偏光方向にかかわらず偏向の効率（回折効率）が変わらないものを用いるのが望ましい。そのような偏向手段として具体的には、モリブデン酸鉛を用いたＡＯＤ、ガルバノメータミラー等が挙げられる。そのようにすれば、ハーフミラーを用いる場合よりも光利用効率が向上する。
【００３１】
また図７に示す第２実施例のように、光ビーム１１を第１の集束レンズ１４の光軸Ａに対して、レンズ１４を通過後の光ビーム１１の光路が移動する方向（図７中で紙面に直交する方向）に対して直交な方向にずれる状態で入射させてもよい。そのようにすれば、回折格子１５で回折した後の光ビーム１１は、回折格子１５に向かう前の光路とは光軸Ａをはさんで対称な光路を進行するので、この回折格子１５で回折した後の光ビーム１１を、回折格子１５に向かう光ビーム１１から容易に分岐させることができる。
【００３２】
次に図８を参照して、本発明の第３実施例を説明する。なおこの図８において、既に説明したものと同等の要素には同番号を付してあり、それらについての重複した説明は省略する（以下、同様）。
【００３３】
この第３実施例においては回折格子１５が、第１の集束レンズ１４を通過して来た光ビーム１１を、元の光路とは異なる方向に回折させるように形成されている。このように回折した光ビーム１１は、発散光状態でコリメーターレンズ２０に入射し、そこでほぼ平行光とされ、コリメーターレンズ２０のほぼ後側焦点位置に配された第２のＡＯＤ２１に入射する。
【００３４】
この第２のＡＯＤ２１は、第１のＡＯＤ１２と同様のもので、この第１のＡＯＤ１２を駆動するドライバ１３によって駆動される。そこで、この第２のＡＯＤ２１に入射した光ビーム１１は、その入射角に対応した回折角で回折し、回折後は常に一定の方向に進行するようになる。そしてこの第２のＡＯＤ２１を通過した後の光ビーム１１は、第２の集束レンズ１６によって集束せしめられる。
【００３５】
以上の構成においても、第１実施例におけるのと同様にして、第２の集束レンズ１６によって集束される光ビーム１１の焦点位置を、第１のＡＯＤ１２に印加する高周波信号ＲＦの周波数を変えることによって変移させることができる。
【００３６】
次に図９を参照して、本発明の第４実施例について説明する。この第４実施例の焦点変移装置は、図１の装置と比べると、光ビーム反射手段として回折格子１５の代りに階段状ミラー３０が用いられた点のみが異なるものである。この階段状ミラー３０は、複数の小さな反射面３０ａが全体として第１の集束レンズ１４の光軸Ａに対して傾いた面に沿って並ぶように配設されてなるものである。
【００３７】
このような階段状ミラー３０を用いた場合も、光ビーム１１の光路とレンズ光軸Ａとの距離に応じて光ビーム１１の光路長が変化するので、既述の実施例におけるのと同様に、第２の集束レンズ１６による焦点位置を変移させることができる。
【００３８】
なおこの場合は、焦点位置を連続的に変えることは不可能であり、焦点位置は光ビーム１１が反射した反射面３０ａの位置に応じて段階的に変化する。
【００３９】
焦点位置の移動速度は、ＡＯＤ１２やＡＯＤ２１の変調速度によって制限されるが、これらのＡＯＤ１２、２１は極めて高速で変調可能であり、したがって上記各実施例の装置は数ＭＨｚの応答速度で焦点変移が可能となる。この応答速度は、集束レンズを光軸方向に移動するタイプの従来装置の応答速度と比べると、数十倍にも達する。
【００４０】
またＡＯＤ１２、２１に印加する高周波信号ＲＦの周波数を掃引せずに、ある値から別の値に切り換えることにより、焦点位置を離散点な２点間でランダム・アクセスすることも可能である。
【００４１】
また以上の実施例では、第１の集束レンズ１４として軸対称レンズが用いられているが、その代りに、光ビーム１１の偏向方向とレンズ軸とが一致するように配したシリンドリカルレンズを用いることもできる。その場合は、非点収差量の制御が可能となる。
【００４２】
さらに、以上の実施例ではバルク型のＡＯＤ１２が用いられているが、その代りに光導波路型のＡＯＤを用いることもできる。そのようなＡＯＤが例えば図１の構成に適用された場合は、ＡＯＤの薄膜光導波路が紙面と平行な面内で延びていれば、光ビーム１１の紙面に垂直な方向の集束、発散状態は光導波路において保存され得ないので、集束レンズとしては上に説明したようなシリンドリカルレンズを用いることになる。
【００４３】
また、ＡＯＤ１２に相異なる周波数の複数の高周波信号ＲＦを印加することにより、互いに異なる球面波を持つ複数の光束を同時に生成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の焦点変移装置を示す平面図
【図２】上記第１実施例装置の一部を拡大して示す平面図
【図３】上記第１実施例装置における第１の集束レンズによる光ビームの集束状態を示す説明図
【図４】上記第１実施例装置における光ビームの光路を説明する説明図
【図５】上記第１実施例装置における、光ビームの偏向角による光路長の変化を説明する説明図
【図６】上記第１実施例装置における回折格子の配置状態を説明する説明図
【図７】本発明の第２実施例の焦点変移装置の一部を示す側面図
【図８】本発明の第３実施例の焦点変移装置を示す平面図
【図９】本発明の第４実施例の焦点変移装置を示す平面図
【符号の説明】
１０    ハーフミラー
１１    光ビーム
１２、２１    ＡＯＤ（音響光学光偏向器）
１３    ＡＯＤドライバ
１４    第１の集束レンズ
１５    回折格子
１６    第２の集束レンズ
２０    コリメーターレンズ
３０    階段状ミラー
【図１】
0003585540.tif 000002
【図２】
0003585540.tif 000003
【図３】
0003585540.tif 000004
【図４】
0003585540.tif 000005
【図５】
0003585540.tif 000006
【図６】
0003585540.tif 000007
【図７】
0003585540.tif 000008
【図８】
0003585540.tif 000009
【図９】
0003585540.tif 000010