УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКИ ЛАЗЕРНОГО ФОТОПОСТРОИТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК G11B7/09 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к устройствам для автоматической фокусировки при фотопечати, фотолитографии и изготовлении фотошаблонов методом сканирующей лазерной записи.

Известно устройство автоматической фокусировки для фотолитографии (патент США 5008705, G 03 D 27/52), состоящее из оптически связанных между собой источника излучения, фокусирующего объектива, регистрирующей среды, объектива и электрически связанных фотоприемного элемента, электронной схемы обработки сигналов, исполнительного элемента.

Известно также устройство для определения плоскости фокусировки (патент США 5534687, G 02 B 7/04), состоящее из смещенного относительно оптической оси источника излучения, объектива и фотоприемного элемента.

Наиболее близким техническим решением является система автоматической фокусировки лазерного фотопостроителя (авт. свид. СССР 1605833, G 03 B 3/00), состоящая из оптически связанных между собой источников излучения для автоматической фокусировки и записи светоделителя, фокусирующего объектива, регистрирующей среды, дополнительного объектива, позиционно-чувствительного фотоприемного элемента и электрически связанных электронной схемы обработки сигналов и исполнительного элемента, механически связанного с фокусирующим объективом.

Существенным недостатком известных устройств автоматической фокусировки является недостаточная точность фокусировки записывающего излучения, делающая невозможным запись информации на поверхность регистрирующей среды, имеющую значительный наклон или криволинейную форму. Недостаточная точность фокусировки записывающего излучения приводит к изменению размеров записывающего пятна на поверхности регистрирующей среды в зависимости от ее продольного смещения и наклонов. Изменение размеров записывающего пятна приводит к искажению записываемой информации.

В лазерных фотопостроителях, а также в других устройствах записи информации область фокусировки излучения записывающего лазера и область фокусировки излучения лазера устройства автоматической фокусировки обычно разносятся на некоторое расстояние. Это делается с целью устранения влияния записанной информации (например, рельефа поверхности) на работу устройства автоматической фокусировки. Плоскости фокусировки записывающего лазера и лазера автоматической фокусировки при записи на плоскую поверхность совпадают и ошибка фокусировки не возникает. В случае записи на криволинейную или наклоненную поверхность возникает ошибка фокусировки, равная δ = λd, где γ - угол наклона поверхности, d - расстояние между областями фокусировки излучений записывающего лазера и автоматической фокусировки. При наклоне поверхности на γ = ±10^° и d=25 мкм величина ошибки достигает δ = ±4 мкм, что превышает глубину резкости фокусирующего объектива (обычно 0.5 мкм). Появление этой ошибки делает невозможным запись информации на криволинейную или наклоненную поверхности.

В предлагаемом изобретении ставится задача создания устройства автоматической фокусировки лазерного фотопостроителя для поддержания точки фокусировки излучения записи точно на поверхности регистрирующей среды вне зависимости от ее наклонов.

Поставленная задача решается тем, что устройство, состоящее из оптически связанных между собой источников излучения для автоматической фокусировки и записи, светоделителя, фокусирующего объектива, регистрирующей среды, дополнительного объектива, позиционно-чувствительного фотоприемного элемента и электрически связанных электронной схемы обработки сигналов и исполнительного элемента, механически связанного с фокусирующим объективом, дополнительно снабжено светорасщепляющим элементом, выполненным в виде дифракционной решетки с периодом большим, чем T = 2λl/D, где λ - длина волны источника излучения, l - расстоянием между решеткой и фокусирующим объективом, D - диаметр входного зрачка фокусирующего объектива, и расположенным между источником излучения и фокусирующим объективом, а позиционно-чувствительный фотоприемный элемент дополнительно снабжен не менее чем двумя раздельными позиционно-чувствительными областями одного квадрантного фотоприемника.

Позиционно-чувствительные области фотоприемного элемента выполнены в виде оптически связанных квадрантного фотоприемника и установленных с возможностью поворота в плоскости оси, параллельной плоскости поверхности фотоприемника, двух противоположно ориентированных оптических клиньев с углами между гранями меньшими, чем ±b/l₁(n-1), где b - размер фоточувствительной области фотоприемника, l₁ - расстояние между фотоприемником и оптическим клином, n - коэффициент преломления материала оптического клина. Оптические клинья выполнены из оптического материала с наименьшим поглощением на длине волны источника излучения.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в уменьшении влияния наклона и кривизны поверхности регистрирующей среды на точность фокусировки записывающего излучения.

Новыми отличительными признаками изобретения является то, что устройство дополнительно снабжено светорасщепляющим элементом, выполненным в виде фазовой дифракционной решетки с периодом большим, чем T = 2λl/D, где λ - длина волны источника излучения, l - расстояние между решеткой и фокусирующим объективом, D - диаметр входного зрачка фокусирующего объектива, а позиционно-чувствительный фотоприемный элемент дополнительно снабжен не менее чем двумя раздельными позиционно-чувствительными областями одного квадрантного фотоприемника. Позиционно-чувствительные области фотоприемного элемента выполнены в виде оптически связанных квадрантного фотоприемника и установленных с возможностью поворота в плоскости оси, параллельной плоскости поверхности фотоприемника, двух противоположно ориентированных оптических клиньев с углами между гранями меньшими, чем ±b/l₁(n-1), где b - размер фоточувствительной области фотоприемника, l₁ - расстояние между фотоприемником и оптическим клином, n - коэффициент преломления материала оптического клина. Оптические клинья выполнены из оптического материала с наименьшим поглощением на длине волны источника излучения.

Предложенное изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема устройства автоматической фокусировки лазерного фотопостроителя.

На фиг.2 представлена схема хода лучей света при смещении регистрирующей среды из исходного положения.

На фиг. 3 приведены типичные зависимости сигналов ошибки фокусировки от величины наклона поверхности регистрирующей среды.

На фиг. 4 показан вариант выполнения позиционно-чувствительного фотоприемного элемента.

Предложенное устройство (фиг.1) состоит из источников излучения для автоматической фокусировки 1 и для записи 2, светоделителя 3, фокусирующего объектива 4, регистрирующей среды 5, дополнительного объектива 6, позиционно-чувствительного фотоприемного элемента 7 с не менее чем двумя раздельными позиционно-чувствительными областями 8 и 9, электронной схемы обработки сигналов 10, исполнительного элемента 11, светорасщепляющего элемента 12. Раздельные позиционно-чувствительные области 8 и 9 фотоприемного элемента состоят из 4-квадрантного фотоприемника 13 и двух оптических клиньев 14 и 15 (фиг.4).

Устройство (фиг.1) работает следующим образом. Световой поток источника 1 излучения автоматической фокусировки поступает к светорасщепителю 12 и делится на два равных по интенсивности световых потока В₁ и В₂, распространяющихся симметрично относительно оптической оси и наклоненных по отношению к ней на угол α. Светорасщепляющий элемент 12 выполнен в виде фазовой дифракционной решетки с периодом T<2λl/D, где λ - длина волны источника света, l - расстояние между светорасщепителем 12 и фокусирующим объективом 4, D - диаметр входного зрачка фокусирующего объектива 4. При прямоугольном профиле штрихов решетки 81% энергии источника света преобразуется в световые потоки В₁ и В₂ равной интенсивности. Диаметры этих световых потоков на входе фокусирующего объектива 4 выбираются как D_b=(0.1-0.5)•D. Оба световых потока фокусируются объективом 4 на поверхность регистрирующей среды 5 в точки A₁ и A₂, лежащие симметрично относительно оптической оси (линия OO'). Световой поток источника 2 излучения записи отражается от светоделителя 3 и фокусируется объективом 4 на поверхность регистрирующей среды 5 в точку О, лежащую на оптической оси. Регистрирующая среда 5 может иметь плоскую, вогнутую (выгнутую) или произвольную форму поверхности.

В процессе записи информации поверхность регистрирующей среды смещается из фокальной плоскости объектива 4 из-за погрешностей привода перемещения и неплоскостности самой поверхности. В исходном положении регистрирующая среда 5 располагается точно в фокальной плоскости Р фокусирующего объектива 4. Световые потоки В₁ и В₂ отражаются от регистрирующей среды 5 и, пройдя объектив 4, направляются (обозначение В'₁ и В'₂) к дополнительному объективу 6, который фокусирует их в точки А'₁ и А'₂ (плоскость Р') на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемного элемента (ПЧФЭ). Выходные сигналы ПЧФЭ зависят от положения точек (А'₁ и А'₂) фокусировки. При фокусировке световых потоков в точки А'₁ и А'₂ значения величин сигналов на выходе ПЧФЭ принимаются как соответствующие точной фокусировке. При смещении регистрирующей среды 5 из исходного положения симметрия засветки поверхности ПЧФЭ нарушается и на его выходе появляются электрические сигналы, функционально связанные с величиной расфокусировки l₀ и углом наклона поверхности γ. Эти сигналы поступает на вход электронной схемы обработки сигналов 10, которая осуществляет вычисление значений l₀ (фиг.2) в каждый момент времени и коррекцию амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы автоматического регулирования. Выходное напряжение этой схемы поступает к исполнительному элементу 11 фокусировки, который перемещает объектив 4 вдоль оптической оси до тех пор, пока световой поток источника излучения 2 не сфокусируется опять на поверхность регистрирующей среды 5 в точке О.

На фиг. 2 показан ход лучей света (для простоты приведены только центральные лучи) при наклоне на угол γ и смещении на величину l₀ поверхности Р регистрирующей среды из исходного положения. Первоначально световые потоки В₁ и В₂ фокусируется объективом и затем отражаются соответственно в точках А₁ и A₂, лежащих на поверхности Р. При наклоне этой поверхности на угол γ световые потоки будут отражаться в точках С₁ и С₂ и пересекать фокальную плоскость фокусирующего объектива в точках D₁ и D₂. Так как плоскость Р оптически сопряжена с плоскостью Р' ПЧФЭ (величина поперечного увеличения равна V=f₂/f₁, где f₁ и f₂ - фокусные расстояния соответственно объективов 4 и 6), то величины выходных сигналов S₁ и S₂ пропорциональны величине отрезков A₁D₁ и А₂D₂. Для световых потоков В₁ и В₂ величины этих сигналов определяются выражениями:

и

где с - коэффициент передачи ПЧФЭ, d = f₁tg(α) - расстояние между точками фокусировки световых потоков В₁ и В₂ и оптической осью.

Возможны два варианта выполнения электронной схемы обработки сигналов 10.

Вариант 1. Если величина наклона поверхности регистрирующей среды невелика (γ<<1), то выражения (1а) и (1б) упрощаются:
S₁ = 2cV(d•γ+l₀)tg(β) (2a)
и
S₂ = 2cV(d•γ-l₀)tg(β) (2б)
Схема обработки сигналов 10 осуществляет вычитание сигналов S₁ и S₂. Результирующий разностный сигнал равен:
S≅S₁-S₂ = 4cV•l₀tg(β) (3)
Из выражения (3) следует, что разностный сигнал S ошибки фокусировки не зависит от угла наклона поверхности, в то время как сигналы S₁ и S₂ по отдельности линейно зависят от угла наклона γ.

Вариант 2. Из выражений (1а) и (1б) следует, что каждый из сигналов S₁ и S₂ зависит от двух переменных l₀ и γ. Совместное решение системы из этих двух уравнений позволяет определить точные значения l₀ и γ. Электронная схема обработки сигналов 10 производит решение системы этих уравнений и вычисление точной величины расфокусировки l₀. На выходе схемы формируется электрический сигнал S, пропорциональный величине l₀. На фиг.3 приведен пример типичных зависимостей сигналов S, S₁ и S₂ ошибки фокусировки от величины наклона поверхности регистрирующей среды при l₀=0, β = 32^° (фокусирующий объектив 4 с числовой апертурой NA=0.65), d=25 мкм, V=c=1 и сигналов S' и S₂' при расфокусировке на l₀=0.5 мкм (штриховые линии). Видно, что в предлагаемом устройстве (вариант 1) при небольших углах (γ<<1) наклона поверхности регистрирующей среды 5 сигнал S ошибки фокусировки изменяется незначительно, в то время как сигналы S₁ и S₂ линейно растут. Сигналы S₁ и S₂ соответствуют сигналам ошибки фокусировки в известных устройствах (прототипе). Если допустимая ошибка фокусировки (глубина фокуса объектива 4 с апертурой NA) устройства лазерной записи составляет ±0.5 мкм, то в предлагаемом варианте устройства допустимы наклоны поверхности до γ = ±5^°, а в известных устройствах не более γ = ±0,6^°.
В варианте 2 максимальные углы γ_max наклона поверхности регистрирующей среды 4 ограничены только виньетированием отраженных от поверхности световых пучков апертурой D фокусирующего объектива. Если D_b<<D, то
γ_max<β_max-β, (4)
где β_max = arcsin(NA) - максимальный апертурный угол фокусирующего объектива. Если в устройстве используется объектив с NA=0.65, а β = 25^°, то допустимые наклоны поверхности составляют γ_max<±15^°.
На фиг. 4 показан вариант выполнения ПЧФЭ в виде оптически связанных квадрантного фотоприемника 13 и установленных с возможностью поворота в плоскости оси, параллельной плоскости поверхности фотоприемника (O'XY), двух противоположно ориентированных оптических клиньев 14 и 15. В отсутствии оптических клиньев световые потоки В'₁ и В'₂ фокусируются в точки А'₁ и А'₂, лежащие на оси O'Х между I, II и III, IV квадрантами фотоприемника. При смещении регистрирующей среды 5 из исходного положения эти точки будут смещаться в противоположных направлениях вдоль оси O'Х (в зазоре между квадрантами). Расположенные перед фотоприемником оптические клинья 14 и 15 смещают точки фокусировки А'₁ и А'₂ в новые исходные положения А"₁ и А"₂. При этом смещение регистрирующей среды 5 приведет к перераспределению светового излучения между I и II (световой поток B'₂) и III и IV (световой поток B'₁) квадрантами фотоприемника 13 и появлению электрических сигналов S₁ и S₂ на выходе вычитающих усилителей 16 и 17. Оптические клинья выполнены с углами между гранями меньшими, чем ±b/l₁(n-1), где b - размер квадрантной фоточувствительной области фотоприемника, l₁ - расстояние между фотоприемником и оптическим клином, n - коэффициент преломления материала оптического клина. Для устранения засветки поверхности фотоприемника излучением записи от источника 2 оптические клинья выполнены из оптического материала с наименьшим поглощением на длине волны источника излучения (например, из цветного оптического стекла).

Основные преимущества предлагаемого технического решения заключаются в следующем. Дифференциальная система автоматической фокусировки с симметричным относительно области фокусировки записывающего излучения расположением зондирующих световых потоков позволяет значительно уменьшить влияние наклона и кривизны поверхности движущейся регистрирующей среды на точность фокусировки записывающего излучения. Это обеспечивает возможность записи информации на криволинейные поверхности.

Устройство автоматической фокусировки лазерного фотопостроителя состоит из оптически связанных между собой источника излучения для автоматической фокусировки и записи, светоделителя, фокусирующего объектива, регистрирующей среды, дополнительного объектива, позиционно-чувствительного фотоприемного элемента и электрически связанных электронной схемы выборки сигналов и исполнительного элемента, механически связанного с фокусирующим объективом. Устройство также включает светорасщепляющий элемент, выполненный в виде дифракционной решетки с периодом большим, чем T = 2λ1/D, расположенный между источником излучения и фокусирующим объективом. Позиционно-чувствительный фотоприемный элемент снабжен не менее чем двумя раздельно позиционно-чувствительными областями одного квадрантного фотоприемника. Технический результат - уменьшение влияния наклона и кривизны поверхности регистрирующей среды на точность фокусировки записывающего излучения. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство автоматической фокусировки лазерного фотопостроителя, состоящее из оптически связанных между собой источников излучения для автоматической фокусировки и записи, светоделителя, фокусирующего объектива, регистрирующей среды, дополнительного объектива, позиционно-чувствительного фотоприемного элемента и электрически связанных электронной схемы обработки сигналов и исполнительного элемента, механически связанного с фокусирующим объективом, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено светорасщепляющим элементом, выполненным в виде дифракционной решетки с периодом большим, чем T = 2λ1/D, где λ - длина волны источника излучения, l - расстояние между решеткой и фокусирующим объективом, D - диаметр входного зрачка фокусирующего объектива, и расположенным между источником излучения и фокусирующим объективом, а позиционно-чувствительный фотоприемный элемент снабжен не менее чем двумя раздельно позиционно-чувствительными областями одного квадрантного фотоприемника. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что раздельные позиционно-чувствительные области фотоприемного элемента выполнены в виде оптически связанных квадрантного фотоприемника и установленных с возможностью поворота в плоскости оси параллельной плоскости поверхности фотоприемника двух противоположно ориентированных оптических клиньев с углами между гранями меньшими, чем ±b/l₁•(n-1), где b - размер фоточувствительной области фотоприемника, I₁ - расстояние между фотоприемником и оптическим клином, n - коэффициент преломления оптического клина. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптические клинья выполнены из оптического материала с наименьшим поглощением на длине волны источника излучения.