(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを出射する光源と、
前記光源からの光ビームを回折させる音響媒質および所定の掃引信号に基づいて前記音響媒質中に超音波を発生する超音波振動子を有する音響光学偏向素子と、
前記光源と前記音響光学偏向素子との間に配置され、前記音響光学偏向素子のシリンドリカルレンズ効果を補正する補正光学系とを備え、
前記音響媒質中の音速をｖとし、前記掃引信号に基づく超音波の中心周波数をｆとし、前記音響光学偏向素子の開口幅をＤとし、前記掃引信号に基づく超音波の掃引時間をＴとし、前記光源から出射される光ビームの波長をλとし、前記掃引信号に基づく超音波の掃引周波数帯域をΔｆとした場合に、前記音響媒質に対する光ビームの透過方向に平行な方向における前記超音波振動子の幅Ｌが、
【数１】
0003781545.tif 000020
式（１）で表され、式（１）中のｋが、
【数２】
0003781545.tif 000021
式（２）を満足する定数であることを特徴とする光ビーム偏向装置。
【請求項２】
前記ｋが０．７であることを特徴とする請求項１記載の光ビーム偏向装置。
【請求項３】
光ビームを出射する光源と、
画像信号を発生する画像信号発生手段と、
前記画像信号発生手段により発生された画像信号に基づいて前記光源から出射される光ビームを変調する変調手段と、
掃引信号を発生する掃引信号発生手段と、
前記変調手段により変調された光ビームを回折させる音響媒質および前記掃引信号発生手段により発生された掃引信号に基づいて前記音響媒質中に超音波を発生する超音波振動子を有する音響光学偏向素子と、
前記光源と前記音響光学偏向素子との間に配置され、前記音響光学偏向素子のシリンドリカルレンズ効果を補正する補正光学系とを備え、
前記音響媒質中の音速をｖとし、前記掃引信号に基づく超音波の中心周波数をｆとし、前記音響光学偏向素子の開口幅をＤとし、前記掃引信号に基づく超音波の掃引時間をＴとし、前記光源から出射される光ビームの波長をλとし、前記掃引信号に基づく超音波の掃引周波数帯域をΔｆとした場合に、前記音響媒質に対する光ビームの透過方向に平行な方向における前記超音波振動子の幅Ｌが、
【数３】
0003781545.tif 000022
式（１）で表され、式（１）中のｋが、
【数４】
0003781545.tif 000023
式（２）を満足する定数であることを特徴とする描画装置。
【請求項４】
前記ｋが０．７であることを特徴とする請求項３記載の描画装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響光学偏向素子（ＡＯＤ）を用いて光ビームを偏向させる光ビーム偏向装置およびそれを用いた描画装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音響光学偏向素子（ＡＯＤ）は、レーザビーム等の光ビームを偏向させる偏向器として光ビーム偏向装置に広く用いられている。特に、このＡＯＤを用いた光ビーム偏向装置は、偏向角の制御を高速で行うことができるので、光ビームを高速で走査させるための走査光学系に用いられることが多い。このような光ビーム偏向装置は、例えば光ビームを感光材の表面に走査させることにより描画を行う描画装置に用いられている。
【０００３】
しかし、ＡＯＤを用いて高速な走査を行うと、シリンドリカルレンズ効果と呼ばれる現象が現れることが知られている。ＡＯＤのシリンドリカルレンズ効果については、例えばL.D.Dickson,“Optical Considerations for an Accoustooptic Deflector,”Applied Optics誌,Vol.11,No10, 1972年10月, 第2196頁〜第2202頁に詳しく説明されている。
【０００４】
図３（ａ）はＡＯＤにおけるシリンドリカルレンズ効果を説明するための概念図、図３（ｂ）は超音波の周波数変化の一例を示す波形図である。
【０００５】
図３（ａ）において、ＡＯＤ１は、音響媒質１ａおよび超音波振動子（トランスデューサ）１ｂを備える。トランスデューサ１ｂから発振された超音波Ｓは、音響媒質１ａ中を進行する。図においては、超音波Ｓは音響媒質１ａ内に平行線によって模擬的に示されている。この平行線は、その間隔が狭いほど周波数が高いことを意味している。超音波Ｓの周波数は、図３（ｂ）に示すように、最低周波数ｆmin から最高周波数ｆmax まで直線的に上昇するように周期的に変化している。
【０００６】
音響媒質１ａに光ビームＬＩａ，ＬＩｂが入射すると、１次回折光である出射光ＬＤａ，ＬＤｂが出射される。一般に、回折光の回折角２ψは、次式（ａ１）で与えられる。
【０００７】
２ψ＝ｆλ／ｖ      ・・・（ａ１）
ここで、ｆは超音波の周波数、λは光ビームの波長、ｖは音響媒質１ａ中の音速である。上式から、超音波の周波数ｆを変化させることにより、回折光の回折角ψを変化させて、光ビームを偏向することができる。
【０００８】
回折角ψを高速に変化させるために超音波Ｓの周波数ｆを高速で変化させると、図３（ａ）に模擬的に示すように、音響媒質１ａ中に低周波の音波と高周波の音波とが同時に存在することになる。
【０００９】
このとき、入射光ＬＩｂは入射光ＬＩａよりもトランスデューサ１ｂから遠い位置で回折するので、入射光ＬＩｂの回折に関与する周波数ｆｂは入射光ＬＩａの回折に関与する周波数ｆａよりも低くなっている。
【００１０】
したがって、上式（ａ１）から導かれるように、回折光ＬＤｂの回折角ψb は、回折光ＬＤａの回折角ψa よりも小さくなる。すなわち、ＡＯＤ１は凹レンズとして働く。逆に、超音波Ｓの周波数を高周波から低周波に変化させると、ＡＯＤ１は凸レンズとして働く。このような現象がシリンドリカルレンズ効果と呼ばれるものである。
【００１１】
このシリンドリカルレンズ効果による凸レンズまたは凹レンズの焦点距離Ｆは、次式（ａ２）で表される。
【００１２】
Ｆ＝ｖ2 ・Ｔ／（λ・Δｆ）      ・・・（ａ２）
ここで、ｖは音響媒質１ａ中の音速、Ｔは超音波Ｓの周波数の掃引時間（図３（ｂ）参照）、λは光ビームの波長、Δｆは掃引周波数帯域（ｆmax −ｆmin ）である。ＡＯＤ１から出射される光ビームを平行光にするためには、上記のシリンドリカルレンズ効果を補正する必要がある。ＡＯＤ１のシリンドリカルレンズ効果を補正する方法としては、例えばＡＯＤ１の入射側に補正光学系を配置する方法が提案されている。
【００１３】
図４はＡＯＤの入射側に補正光学系を配置した光ビーム偏向装置の一例を示す図である。
【００１４】
図４において、レーザ光源２とＡＯＤ１との間に複数のシリンドリカルレンズからなる補正光学系３が配置されている。図４の例では、ＡＯＤ１が凸レンズとして働く。この場合には、レーザ光源２から出射されたレーザビームを、補正光学系３によりＡＯＤ１の手前の焦点ＦＣから発散する発散光としてＡＯＤ１に入射させる。この焦点ＦＣは、音響媒質１ａ内の回折位置から上式（ａ２）の焦点距離Ｆだけレーザ光源２に近づく位置に存在する。これにより、ＡＯＤ１から出射されるレーザビームが平行光として走査用レンズ４に入射する。
【００１５】
また、ＡＯＤ１が凹レンズとして働く場合には、レーザ光源２から出射されたレーザビームを、補正光学系３によりＡＯＤ１の後方の焦点で収束する収束光としてＡＯＤ１に入射させる。この焦点は、音響媒質１ａ内の回折位置から上式（ａ２）の焦点距離Ｆだけレーザ光源２から遠ざかる位置に存在する。
【００１６】
このように、ＡＯＤ１のシリンドリカルレンズ効果を補正してＡＯＤ１から平行光を出射させた場合、ＡＯＤ１には広がりのあるレーザビームが入射される。
【００１７】
なお、ＡＯＤ１のトランスデューサ１ｂの幅（電極幅）Ｌを大きくするほど高い回折効率が得られるため、一般に、トランスデューサ１ｂの幅Ｌはできるだけ大きく設定される。ここで、回折効率とは、入射光の光量に対する回折光の光量の割合である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
図４の光ビーム偏向装置において、レーザビームを広帯域および高速に走査させるために、掃引周波数帯域Δｆを大きくし、超音波Ｓの掃引時間Ｔを小さくすると、上式（ａ２）からシリンドリカルレンズ効果による凸レンズまたは凹レンズの焦点距離Ｆが短くなる。その場合、補正光学系３によりシリンドリカルレンズ効果を補正すると、ＡＯＤ１に入射するレーザビームの広がり角が大きくなる。
【００１９】
ＡＯＤ１への入射光の入射角度がある角度よりも大きくなると、その入射光は回折せずにＡＯＤ１から出射する。そのため、ＡＯＤ１への入射光の広がり角が大きくなると、図５に示すように、入射光Ｌｉのうち回折に寄与しない角度の光ビームＲａ，Ｒｂが生じる。その結果、ＡＯＤ１への入射光よりも小さな径の回折光しか得られない。
【００２０】
ＡＯＤ１からの出射光を走査用レンズ４で収束させる場合に、出射光の径が小さいとその光ビームを走査用レンズ４で十分に小さい光スポットに絞ることができなくなる。したがって、図４の光ビーム偏向装置を描画装置に用いた場合に、高解像度を得ることが困難となる。
【００２１】
本発明の目的は、光ビームを広帯域かつ高速に走査させた場合でも所定の回折効率を確保しつつ入射光と同じ大きさの回折光を得ることができる光ビーム偏向装置およびそれを用いた描画装置を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
（１）第１の発明
第１の発明に係る光ビーム偏向装置は、光ビームを出射する光源と、光源からの光ビームを回折させる音響媒質および所定の掃引信号に基づいて音響媒質中に超音波を発生する超音波振動子を有する音響光学偏向素子と、光源と音響光学偏向素子との間に配置され、音響光学偏向素子のシリンドリカルレンズ効果を補正する補正光学系とを備え、音響媒質中の音速をｖとし、掃引信号に基づく超音波の中心周波数をｆとし、音響光学偏向素子の開口幅をＤとし、掃引信号に基づく超音波の掃引時間をＴとし、光源から出射される光ビームの波長をλとし、掃引信号に基づく超音波の掃引周波数帯域をΔｆとした場合に、音響媒質に対する光ビームの透過方向に平行な方向における超音波振動子の幅Ｌが、
【００２３】
【数５】
0003781545.tif 000002
【００２４】
式（１）で表され、式（１）中のｋが、
【００２５】
【数６】
0003781545.tif 000003
【００２６】
式（２）を満足する定数であることを特徴とする。
本発明に係る光ビーム偏向装置においては、音響光学偏向素子の超音波振動子の幅Ｌが式（１）を満足するように設定されることにより、光ビームを高帯域かつ高速に走査させた場合でも、所定の回折効率を確保しつつ入射光と同じ大きさの回折光を得ることができる。したがって、偏向される光ビームを十分に小さい径に絞ることが可能となる。
【００２７】
（２）第２の発明
第２の発明に係る光ビーム偏向装置は、第１の発明に係る光ビーム偏向装置の構成において、ｋが０．７であることを特徴とする。
【００２８】
この場合、超音波の掃引周波数帯域Δｆおよび超音波の掃引時間Ｔにおいてほぼ１／ｅ2 以上の回折光の強度を得ることが可能となる。
【００２９】
（３）第３の発明
第３の発明に係る描画装置は、光ビームを出射する光源と、画像信号を発生する画像信号発生手段と、画像信号発生手段により発生された画像信号に基づいて光源から出射される光ビームを変調する変調手段と、掃引信号を発生する掃引信号発生手段と、変調手段により変調された光ビームを回折させる音響媒質および掃引信号発生手段により発生された掃引信号に基づいて音響媒質中に超音波を発生する超音波振動子を有する音響光学偏向素子と、光源と音響光学偏向素子との間に配置され、音響光学偏向素子のシリンドリカルレンズ効果を補正する補正光学系とを備え、音響媒質中の音速をｖとし、掃引信号に基づく超音波の中心周波数をｆとし、音響光学偏向素子の開口幅をＤとし、掃引信号に基づく超音波の掃引時間をＴとし、光源から出射される光ビームの波長をλとし、掃引信号に基づく超音波の掃引周波数帯域をΔｆとした場合に、音響媒質に対する光ビームの透過方向に平行な方向における超音波振動子の幅Ｌが、
【００３０】
【数７】
0003781545.tif 000004
【００３１】
式（１）で表され、式（１）中のｋが、
【００３２】
【数８】
0003781545.tif 000005
【００３３】
式（２）を満足する定数であることを特徴とする。
本発明に係る描画装置においては、音響光学偏向素子の超音波振動子の幅Ｌが式（１）を満足するように設定されることにより、光ビームを広帯域かつ高速に走査させた場合でも、所定の回折効率を確保しつつ入射光と同じ大きさの回折光を得ることができる。したがって、偏向される光ビームを十分に小さい光スポットに絞ることができ、高解像度の描画が可能となる。
【００３４】
（４）第４の発明
第４の発明に係る描画装置は、第３の発明に係る描画装置の構成において、ｋが０．７であることを特徴とする。
【００３５】
この場合、超音波の掃引周波数帯域Δｆおよび超音波の掃引時間Ｔにおいてほぼ１／ｅ2 以上の回折光の強度を得ることが可能となる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例における光ビーム偏向装置を用いた描画装置の構成を示すブロック図である。
【００３７】
図１の描画装置は、音響光学偏向素子（ＡＯＤ）１、レーザ光源２、補正光学系３、走査用レンズ４、変調器５、画像信号発生回路６および掃引信号発生回路７を含む。この描画装置において、ＡＯＤ１、レーザ光源２および補正光学系３が光ビーム偏向装置を構成する。
【００３８】
レーザ光源２から出射されたレーザビームは、変調器５を通して補正光学系３に入射する。変調器５は、画像信号発生回路６により発生される画像信号に基づいてレーザ光源２から出射されるレーザビームのオンオフを制御することにより変調を行う。
【００３９】
補正光学系３は、レーザ光源２からのレーザビームをＡＯＤ１のシリンドリカルレンズ効果に応じて発散光または収束光としてＡＯＤ１に与える。図１では、ＡＯＤ１のシリンドリカルレンズ効果によりＡＯＤ１が凸レンズとして働く場合が示されている。この場合、補正光学系３は、ＡＯＤ１から出射されるレーザビームが平行光となるように、レーザビームを手前の焦点ＦＣから発散する発散光としてＡＯＤ１に与える。
【００４０】
ＡＯＤ１は、結晶材料からなる音響媒質１ａおよび超音波振動子（トランスデューサ）１ｂを備える。ＡＯＤ１のトランスデューサ１ｂには掃引信号発生回路７により発生される掃引信号が与えられる。ＡＯＤ１から出射されるレーザビームは走査用レンズ４を通して感光材１０の表面に照射される。
【００４１】
感光材１０の表面に照射されるレーザビームがＡＯＤ１により主走査方向に沿って一定幅で走査されるとともに、駆動機構（図示せず）により感光材１０が描画装置に対して相対的に副走査方向に移動する。それにより、感光材１０の表面にレーザビームによる描画が行われる。
【００４２】
本実施例では、レーザ光源２が光源に相当し、変調器５が変調手段に相当する。また、画像信号発生回路６が画像信号発生手段に相当し、掃引信号発生回路７が掃引信号発生手段に相当する。
【００４３】
図２は図１の描画装置に用いられるＡＯＤ１の斜視図である。図２に示すように、直方体形状の音響媒質１ａの一方の端面にトランスデューサ１ｂが設けられている。ここでは、ＡＯＤ１の開口幅をＤとし、音響媒質１ａ中の光路に沿った方向のトランスデューサ１ｂの幅（電極幅）をＬとし、音響媒質１ａ中の光路に垂直な方向のトランスデューサ１ｂの高さ（電極高さ）をＨとする。トランスデューサ１ｂの幅Ｌは、次式（３）を満足するように設定される。
【００４４】
【数９】
0003781545.tif 000006
【００４５】
ここで、ｖは音響媒質１ａ中の音速、ｆは掃引信号に基づく超音波の中心周波数、ＤはＡＯＤ１の開口幅（光学的に有効な幅）である。また、Ｔは掃引信号に基づく超音波の掃引時間、λはレーザ光源２から出射されるレーザビームの波長である。Δｆは掃引信号に基づく超音波の掃引周波数帯域であり、最高周波数と最低周波数との差に相当する。なお、トランスデューサ１ｂの幅Ｌは、上式（３）を満足する範囲で可能な限り大きい方が好ましい。
【００４６】
このようにトランスデューサ１ｂの幅Ｌを設定することにより、以下に説明するように、ＡＯＤ１において所定の回折効率を確保しつつ入射光と同じ大きさの回折光を得ることが可能となる。したがって、走査用レンズ４でレーザビームを十分に小さな光スポットに絞ることができる。その結果、高解像度を得ることが可能な描画装置が実現される。
【００４７】
以下、式（３）の導出過程を説明する。ＡＯＤ１の回折効率ηは次式（Ａ１）で表される。
【００４８】
【数１０】
0003781545.tif 000007
【００４９】
上式（Ａ１）は、例えばDESIGN AND FABRICATION OF ACOUSTO-OPTIC DEVICES by AKIS P.GOUTZOULIS,DENNIS R.PAPE,Marcel Dekker,Inc. に示されている。ηa はＡＯＤ１の音響媒質１ａ内での超音波の減衰に依存する効率、ηAOはＡＯＤ１の音響媒質１ａおよびトランスデューサ１ｂの構造に依存する効率、ηD はＡＯＤ１の音響媒質１ａ中で超音波が伝搬する領域のうち光ビームが通過しない領域による効率、ηTRANはＡＯＤ１のトランスデューサ１ｂでの電気エネルギーから音波エネルギーへの変換の効率を示している。
【００５０】
式（Ａ１）において、入射光の広がり角が影響するのはηAOのみである。ここでは、超音波の減衰がなく（ηa ＝１）、光ビームが通過しない領域による損失がなく（ηD ＝１）、トランスデューサ１ｂでのエネルギー変換の損失がない（ηTRAN＝１）とする。
【００５１】
ＡＯＤ１のシリンドリカル効果を補正するため、入射光に広がり角があるとすると、トランスデューサ１ｂから発生される超音波Ｓが十分な広がり角を有するようにＡＯＤ１を設計する必要がある。
【００５２】
ＡＯＤ１の音響媒質１ａおよびトランスデューサ１ｂの構造とに起因する効率ηAOは次式（Ａ２）で表される。
【００５３】
【数１１】
0003781545.tif 000008
【００５４】
上式（Ａ２）において、ｋi （＝ｎ・２π／λ）は音響媒質１ａ中での光ビームの波数、Ｍ2 はＡＯＤ１の音響媒質１ａの特性により決まる定数、Ｐ0 はトランスデューサ１ｂでの音波の強度、Ｌはトランスデューサ１ｂの幅、θBCは超音波の掃引周波数帯域Δｆ（最高周波数と最低周波数との差）の中心周波数ｆでのブラッグ角、Ｈはトランスデューサ１ｂの高さである。ｎは音響媒質１ａの屈折率、λは光ビームの波長である。
【００５５】
また、Δｋｚは、超音波の波数ベクトルＫ（＝２πｆ／ｖ）と超音波の半角の広がり角δγ／２との積（Δｋｚ＝Ｋ・δγ／２）である。ｖは音響媒質１ａ中の音速である。
【００５６】
式（Ａ２）のうちηM は音波と光波の相互作用に起因する効率であり、広がり角が影響するのは回折光の強度Ｉd である。Ｉd は次式（Ａ３）のように書き換えられる。
【００５７】
【数１２】
0003781545.tif 000009
【００５８】
回折光の強度の帯域は、広がり角δγにおいてＩd ＞１／ｅ2 である事が必要であり、次式（Ａ４）が成立する。
【００５９】
【数１３】
0003781545.tif 000010
【００６０】
なお、ｅは自然対数の底である。ここで、ｋを次式（Ａ５）を満足する定数であるとする。
【００６１】
【数１４】
0003781545.tif 000011
【００６２】
上式（Ａ５）を満足するｋの値は０．７である。この場合、次式（Ａ６）の関係を満たすと、上式（Ａ４）の関係が満足される。
【００６３】
【数１５】
0003781545.tif 000012
【００６４】
上式（Ａ６）から次式（Ａ７）が得られる。
【００６５】
【数１６】
0003781545.tif 000013
【００６６】
ＡＯＤ１のトランスデューサ１ａの幅Ｌが上式（Ａ７）の関係を満たすと、ＡＯＤ１に入射する広がり角を有する光ビームに対して１／ｅ2 以上の強度の回折光が得られる。
【００６７】
次に、ＡＯＤ１のシリンドリカルレンズ効果を補正するために必要なシリンドリカルレンズの焦点距離をＦ（＝ｖ2 ・Ｔ／（λ・Δｆ））、ＡＯＤ１の開口幅をＤとすれば、ＡＯＤ１に入射する光ビームの半角の広がり角Δθは、次式（Ａ８）のようになる。
【００６８】
【数１７】
0003781545.tif 000014
【００６９】
δγ＝２Δθであれば良いので、式（Ａ８）を式（Ａ７）に代入して整理すると、次式（Ａ９）のように、トランスデューサ１ｂの幅Ｌの条件が得られる。
【００７０】
【数１８】
0003781545.tif 000015
【００７１】
上式（Ａ９）の掃引周波数帯域Δｆおよび掃引時間Ｔにおいて、ＡＯＤ１に広がり角を持つ光ビームが入射されても、そのすべての光ビームが回折に寄与し、入射光と同じ大きさの回折光を得ることができる。上式（Ａ９）にｋ＝０．７を代入すると、式（３）が得られる。
【００７２】
【実施例】
ここで、表１の条件で上式（３）を満足するトランスデューサ１ｂの幅Ｌを算出した。
【００７３】
【表１】
0003781545.tif 000016
【００７４】
上記の条件でのシリンドリカルレンズ効果による焦点距離Ｆは次式のようになる。
【００７５】
【数１９】
0003781545.tif 000017
【００７６】
また、シリンドリカルレンズ効果の補正により生じる入射光の半角の広がり角Δθ（＝δγ／２）は次式のようになる。
【００７７】
【数２０】
0003781545.tif 000018
【００７８】
式（３）より広がり角２Δθを有する全ての入射光が回折に寄与するために必要なＡＯＤ１のトランスデューサ１ｂの幅Ｌの条件は次式のようになる。
【００７９】
【数２１】
0003781545.tif 000019
【００８０】
これにより、上記の条件においては、トランスデューサ１ａの幅Ｌを０．９１７ｍｍ以下にすれば、入射光に等しい大きさの回折光が得られることがわかる。
【００８１】
また、トランスデューサ１ｂの幅Ｌが小さくなるほど音響媒質中を伝搬する超音波の強度が小さくなり、回折効率が小さくなる。したがって、トランスデューサ１ｂの幅Ｌは上記の式（３）の条件を満たす範囲で大きい方が好ましい。
【００８２】
なお、図１の例では、ＡＯＤ１が凸レンズとして働く場合を示しているが、ＡＯＤ１が凹レンズとして働く場合にも、同様に式（３）を満足するようにトランスデューサ１ｂの幅を設定することにより、所定の回折効率を確保しつつ入射光と同じ大きさの回折光を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における光ビーム偏向装置を用いた描画装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の描画装置に用いられるＡＯＤの斜視図である。
【図３】ＡＯＤにおけるシリンドリカルレンズ効果を説明するための概念図および超音波の周波数変化の一例を示す波形図である。
【図４】ＡＯＤの入射側に補正光学系を配置した従来の光ビーム偏向装置の一例を示す図である。
【図５】ＡＯＤへの入射光およびＡＯＤから出射される回折光を示す図である。
【符号の説明】
１  ＡＯＤ
１ａ  音響媒質
１ｂ  トランスデューサ
２  レーザ光源
３  補正光学系
４  走査用レンズ
５  変調器
６  画像信号発生回路
７  掃引信号発生回路
１０  感光材
Ｌ  トランスデューサの幅
【図１】
0003781545.tif 000024
【図２】
0003781545.tif 000025
【図３】
0003781545.tif 000026
【図４】
0003781545.tif 000027
【図５】
0003781545.tif 000028