JP2009300348A

JP2009300348A - レーザ走査装置

Info

Publication number: JP2009300348A
Application number: JP2008157462A
Authority: JP
Inventors: Kimio Komata; 公夫小俣
Original assignee: OP Cell Co Ltd
Current assignee: OP Cell Co Ltd
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】
レーザ光源からの光束で物体表面を走査し、その反射光で物体表面形状を観察する装置で、倍率の変換と広範囲の走査を高品質で行う。
【解決手段】
レーザ光源１からの光束を光偏向器４、ｆθレンズ７を経て一旦、一次結像面１４に結像する。その光束を交換光学系２２を介して物体８に向かわせて走査していく。走査した反射光は往路に戻して受光部に１１に送られ、制御部１２から表示部１３に伝えられて表示される。この表示された画像を観察する。前記の交換光学系２２は中継レンズ２０と結像レンズ２１が鏡筒２３に収容された両側テレセントリックレンズとして構成される。そしてこの鏡筒２３を倍率ごとに準備し、交換自在として必要倍率の鏡筒２３をセットする。

【選択図】図１

Description

本発明はレーザ光源からの光束で物体表面を走査し、その反射光で物体表面形状を観察するようにしたレーザ走査装置に関するもので、特に倍率変換と広範囲の走査を高品質で行えるようにしたものである。

レーザを光源とする光学系を用いて物体表面を走査し、その反射光で物体表面形状を観察するようにした装置は各種のものが知られている。その代表的なものとして走査式光学顕微鏡がある。これを図６を用いて説明する。レーザ光源１からの光はレンズ２を経てビームスプリッタ３で反射し、光偏向器としての回転ミラー４に向かう。この回転ミラー４は図示してないモータなどによって矢印５方向に回転し、ビームスプリッタ３からの光束６に対する反射面角度を変化する。回転ミラー４で反射した光束は任意倍率のｆθレンズ７を経て物体８表面に達する。従がって回転ミラー４の反射面角度の変化（Ｘ側）と物体８の水平移動（Ｙ側）で物体８表面が順次走査される。物体８表面で反射した光は往路を戻り、ｆθレンズ７、回転ミラー４を経てビームスプリッタ３を通過し、レンズ９、マスク板１０を経てフォトマルなどの受光部１１に集光する。受光部１１で受けた信号は装置全体をコントロールする制御部１２に伝えられ、表示部１３に画像として表示される。
物体８表面のＸ側走査範囲Ｌ１は回転ミラー４の回転許容角と、ｆθレンズ７の焦点距離によって変化する。今、標準的な任意倍率のｆθレンズ７を光学系中に設置したとき、そのｆθレンズ７の瞳位置Ｃは回転ミラー４の反射面位置に置かれる。しかし走査範囲Ｌ１を変化させるため、或いは観察する物体表面画像の倍率を変換するためｆθレンズ７を他の焦点距離のものに交換すると、瞳位置Ｃもその交換したｆθレンズ７が持つ焦点距離に応じて変化する。瞳位置Ｃが変化すると物体８表面の走査時に明暗の差が生じ、表示部１３での画像品質が焦点距離によって変化してしまう。

また、ｆθレンズ７を他の焦点距離のものに変換するとすれば、焦点距離に応じて物体８表面のＺ方向位置を変化させなければならない。これらの煩雑さから解放され一定品質の観察画像を得るためには、回転ミラー４の回転角を制限し、ｆθレンズ７の焦点距離も近似のものだけに制限するなど対策を強いられる。

このようなｆθレンズ７の焦点距離による制限を解き、走査範囲Ｌ１にも拡張性を与えられるようにしたものとして、図７Ａのような光学系が知られている。図７は図６のｆθレンズ７による焦点距離（物体８上の結像点）位置以降に中継光学系１７を設置するようにしたものである。図において１４は一次結像面で、図６の物体８表面相当位置にｆθレンズ７で形成される。一次結像面１４からの光束は中継レンズ１５によって平行光束となり、結像レンズ１６によって物体８に結像する。この一次結像面１４と物体８間の中継レンズ１５、結像レンズ１６による光学系を中継光学系１７という。中継光学系１７の設置は１つのｆθレンズ７を固定位置に定着化し、結像レンズ１６の交換で倍率変換を実施することが出来る。そのため図７Ｂの説明図のように結像レンズ１６を他の倍率のもの１６ｎに交換すれば、物体８に対し光軸１８方向に距離ｄ１の変化を与えることができ、これを倍率変換とすることが出来る。この倍率変換と中継レンズ１５の設置が走査範囲Ｌ１をＬｎに変換し、図６で述べたｆθレンズ７の焦点距離制限を解くことができる。

しかしこのような中継光学系１７を設置しただけでは完全な倍率変換と走査範囲Ｌ１の拡張化を図ることが出来ない。これを先の図７Ａで説明すると、任意倍率の結像レンズ１６が持つ瞳位置を中継光学系１７中のほぼ中間位置としたとき、この結像レンズ１６の倍率を図７Ｂのように１６ｎに変更したとすれば、瞳位置もその倍率に応じた位置に変化する。またこの結像レンズ１６ｎを他の倍率に変更したとすれば、その倍率に応じて瞳位置も中継光学系１７の結像レンズ１６側か中継レンズ１５側に変化する。従がって中継光学系１７を設置して倍率変換に幅を持たせることが可能になったとしても瞳位置の移動は避けられず、観察画像の像品質を損ねることになって、結局は倍率変換と走査範囲Ｌ１の制限を解くことが出来ない。

上記の中継光学系１７を一部改良したものとして特許文献１が知られている。この特許文献１によれば、その図２によく示されているように第１レンズ７ａは入射した光を一旦第１レンズ７ａの後側焦点位置Ｐに集光した後に第２レンズ７ｂに入射させる。そして第２レンズ７ｂは、その前側焦点位置を前記集光点ＰよりΔだけずれた位置となるようにして配置され、これを通過した光束を接眼レンズ８に入射させる。このように第１レンズ７ａと第２レンズ７ｂを配置した光学系とすることで、走査型の顕微鏡であっても中心光軸を通る光束Ａと軸外を通る光束Ｂの両方を接眼レンズ８の瞳でけられることなく通過させることが出来ると説明されている。それによって光偏向器の動作で物体面（試料面）を走査するとき、中心光軸を通る光束Ａと、光軸外を通る光束Ｂの両方をけられない同じ状態の光束として接眼レンズ８に向かわせることが出来、走査時の品質を安定化することが出来る。
しかしこの特許文献１には倍率を変換したときの第１、第２レンズ７ａ、７ｂの構成や、走査範囲Ｌ１拡張化についての対策は何も触れられていない。このようにこれまでの走査装置は倍率変換を可能にして広範囲の走査を行おうとすると品質が犠牲になるという傾向にあり、物体表面形状を観察する場合、障害となっていた。
特開平０５−０１９１７１号公報

従って本発明の課題は、倍率を変換して瞳位置Ｃの移動が発生したとしても像品質を変化させることなく、走査範囲Ｌが拡張できる走査装置を得ることである。

上記課題を解決するため本発明は、レーザ光源からの光束を光偏向器による走査光として一旦一次結像面に結像し、その光束を物体に送ってその反射光を前記一次結像面と光偏向器経由で受光部に送り、表示部に表示して表面形状を観察するようにしたレーザ走査装置であって、両側テレセントリックレンズとして倍率ごとに用意した鏡筒を、交換光学系として一次結像面と物体間に交換自在に設置し、この交換光学系を介して物体表面を観察する様にしたことを特徴とする。
請求項２の発明によるものは請求項１記載のレーザ走査装置において、両側テレセントリックレンズを中継レンズ側と結像レンズ側に分離し、その組み合わせを選択して１つの鏡筒として連結できるよう構成したことを特徴とする。

本発明は、レーザ光源からの光束を両側テレセントリックレンズとして倍率ごとに用意した鏡筒を、交換光学系として一次結像面と物体間に交換自在に設置し、この交換光学系を介して物体面を観察するようにしたことを基本としている。それによって交換光学系を交換すれば倍率の変換となるから、倍率によって瞳位置が変化したしても、その変化した位置に対応した交換光学系を予め用意しておくことが出来る。それによって観察画像の品質向上と走査範囲を拡張することが出来る。

以下にこの発明による走査装置について添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明によるレーザ走査装置の全体構成を示した説明用概略図である。図において図６、７と同じ要素には同じ番号を付してあるが、レーザ光源１からの光束はレンズ２を経てビームスプリッタ３で反射し、光偏光器４に向かう。この光偏光器４は図示してないモータなどによって矢印５方向に回転し、ビームスプリッタ３からの光束６に対する反射面角度を変化する。光偏光器４で反射した光束はｆθレンズ７を経て一次結像面１４に一旦、結像する。一次結像面１４からの光束は中継レンズ２０によって平行光束となり、結像レンズ２１によって物体８面に結像する。この一次結像面１４と物体８間の中継レンズ２０、結像レンズ２１による光学系を交換光学系２２という。この交換光学系２２はテレセントリックレンズとして倍率ごとに鏡筒２３として用意され、各鏡筒２３は交換自在に設置される。そのため倍率変換のため鏡筒２３を他の倍率のものに交換し設置したとすれば、結像レンズ２１による結像点位置、つまり物体８表面のＺ方向位置は変化することはない。さらに倍率に応じて交換光学系２２内で瞳位置Ｃが変化したとしても、それは各鏡筒２３内での値であり、他の交換光学系２２に影響を与えることはない。

このような鏡筒２３を通過した光は物体８表面に結像し、光偏向器４の反射面角度の変化（Ｘ）と物体８の水平移動（Ｙ）によって物体８表面を順次走査する。そしてその反射光は往路を戻り、一次結像面１４、ｆθレンズ７、光偏向器４を経てビームスプリッタ３を通過し、レンズ９、マスク板１０を経て受光部１１に向かう。受光部１１で受けた信号は制御部１２に伝えられ、表示部１３に画像として表示される。鏡筒２３をｎ倍のものに交換すれば、そのｎ倍に応じた画像が表示部１３に表示され、さらに物体８上の走査範囲Ｌ１をＬｎに変換する。

図２、３、４は交換光学系２２の説明図で、一次結像面１４から物体８表面までの距離Ｄは同じである。図２は交換光学系２２ａを示していて、一次結像面１４の中心光軸位置１４ａ１からの光が中心光軸１８に沿って物体８の中心光軸位置８ａ１に向かうときの光束を２４Ａ１として実線で、一次結像面１４の中心光軸外の位置１４ａ２からの光が物体８の中心光軸外の位置８ａ２に向かうときの光束を２４Ａ２として点線で示してある。
このような交換光学系２２ａで一次結像面１４から中継レンズ２０ａまでの距離をｆ０、結像レンズ２１ａから物体８表面までの距離をｆ１としたとき、一次結像面１４から物体８表面までの距離Ｄは、
Ｄ＝２ｆ１＋２ｆ０
Ｄ／２＝ｆ１＋ｆ０であるから
ｆ０＝Ｄ／２−ｆ１
また
倍率Ｍ＝ｆ１／ｆ０であるから
ｆ０＝ｆ１／Ｍ
今、仮に倍率Ｍ＝１、Ｄ＝２００ｍｍとすれば、ｆ１＝５０ｍｍ、ｆ０＝５０ｍｍとなり、ｆ１とｆ０の境界位置が瞳位置Ｃ１となる。
中継レンズ２０ａと結像レンズ２１ａは鏡筒２３ａ内で上記のｆ０、ｆ１位置に設置され、さらに倍率Ｍ＝１のとき光束２４Ａ１、２４Ａ２がけられることなく通過できる位置が瞳位置Ｃ１となるよう設計される。このような交換光学系２２ａによって物体８面上では、光軸点８ａ１を中心として軸外位置８ａ２とその対称点位置までが走査範囲Ｌｎａとなり、その反射光が受光部１１に送られる。

図３は倍率Ｍ＝２としたときの交換光学系２２ｂを示していて、一次結像面１４の中心光軸位置１４ｂ１からの光が中心光軸１８に沿って物体８の中心光軸位置８ｂ１に向かうときの光束を２４Ｂ１として実線で、一次結像面１４の中心光軸外の位置１４ｂ２からの光が物体８の中心光軸外の位置８ｂ２に向かうときの光束を２４Ｂ２として点線で示してある。このような交換光学系２２ｂではｆ０＝６６．７ｍｍ、ｆ１＝３３．３ｍｍとなり、ｆ１とｆ０の境界位置が瞳位置Ｃ２となる。
中継レンズ２０ｂと結像レンズ２１ｂは鏡筒２３ｂ内の上記ｆ０、ｆ１位置に設置され、さらに倍率Ｍ＝２のとき光束２４Ｂ１、２４Ｂ２がけられることなく通過できる位置が瞳位置Ｃ２となるよう設計される。このような交換光学系２２ｂが鏡筒２３ｂの交換によって設置されると、物体８面上では光軸点８ｂ１を中心として軸外位置８ｂ２とその対称点位置までが走査範囲Ｌｎｂとなり、その反射光が受光部１１に送られる。

図４は倍率Ｍ＝５としたときの交換光学系２２ｃを示している。図では一次結像面１４の中心光軸位置１４ｃ１からの光が中心光軸１８に沿って物体８の中心光軸位置８ｃ１に向かうときの光束を２４Ｃ１として実線で、一次結像面１４の中心光軸外の位置１４ｃ２からの光が物体８の中心光軸外の位置８ｃ２に向かうときの光束を２４Ｃ２として点線で示してある。このような交換光学系２２ｃではｆ０＝８３．３ｍｍ、ｆ１＝１６．７ｍｍとなり、ｆ１とｆ０の境界位置が瞳位置Ｃ３となる。
中継レンズ２０ｃと結像レンズ２１ｃは鏡筒２３ｃの上記ｆ０、ｆ１位置に設置され、さらに倍率Ｍ＝５のとき光束２４Ｃ１、２４Ｃ２がけられることなく通過できる位置が瞳位置Ｃ３となるよう設計される。このような交換光学系２２ｃが鏡筒２３ｃの交換によって設置されると、物体８面上では光軸点８ｃ１を中心として軸外位置８ｃ２とその対称点位置までが走査範囲Ｌｎｃとなり、その反射光が受光部１１に送られる。

図５は交換光学系２２の他の例を実施例２として示した説明図である。図２、３、４で示した交換光学系２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、いずれも１つの鏡筒２３ａ、２３ｂ、２３ｃに収容した中継レンズ２０と結像レンズ２１によって構成されている。この実施例２として示した図５によるものは、１つの鏡筒２３を中継レンズ側と結像レンズ側に分離して、その組み合わせを選択して連結できるようにして倍率に多様性を与えられるようにしたものである。
図において鏡筒２３ｄは上部側２３ｄａと下部側２３ｄｂに分離され、連結部２５で例えばねじ込み式によって連結される。上部鏡筒２３ｄａには中継レンズ、この例では２０ｄが収容され、下部鏡筒２３ｄｂには結像レンズ、この例では図２の例と同じ２１ａが収容されている。従がって上部鏡筒２３ｄａと下部鏡筒２３ｄｂに収容された両レンズ２０ｄ、２０ａによって作り出される両側テレセントリックレンズの交換光学系２２ｄは、物体８面上でその倍率に応じた走査範囲Ｌｎｄを得る。また上部鏡筒２３ｄａと下部鏡筒２３ｄｂの組み合わせを選択して他の組み合わせの中継レンズ２０、結像レンズ２１として連結すれば、各種倍率の組み合わせを得ることが出来る。尚、図でＣ４の瞳位置は、図２のＣ１と図３のＣ２の中程となっている。

以上、本発明の走査装置について説明してきたが、実施例１に示した光学系は基本的な例であり、多くの変形例を得ることが出来る。また各レンズの構成は図のような単純なものだけでなく複眼の構成とすることが出来ることは自明である。さらに光学系中には各種の部材を選択して挿入したり削除することが出来る。例えば図の瞳位置に可変絞りを設置するようにすれば、開口数が変更出来るようになり焦点深度の偏向が自由に出来るようになる。そしてこのことは開口数と倍率の関係を変更出来ることになるから、物体表面形状に応じた分解数を得ることが出来る。それによって表示部１３での表示品質を向上することが出来る。さらに図１で示した光学系中の光偏向器４をポリゴンミラー方式とした場合には、ポリゴンミラーの面倒れ補正のためのシリンドリカルレンズを光学系中に設置することが出来る。
同様に図１、２、３、４、５で説明した鏡筒２３の具体的な交換手段、交換時の位置既定手段などは省略してあるが、既存のものを使用することが出来る。また鏡筒２３を１つずつ交換するのでなく、ターレット状にした方式も採用することが出来る。さらに制御部１２や表示部１３は一般のパソコンに置き換えることが出来る。

本願による走査装置の全体構成を示した説明用の概略図。交換光学系の説明図。交換光学系の説明図。交換光学系の説明図。実施例２の説明図。従来の走査式光学顕微鏡の説明図。従来光学系の説明図。

符号の説明

１・・・レーザ光源３・・・ビームスプリッタ４・・・光偏向器７・・・ｆθレンズ８・・・物体１１・・・受光部１２・・・制御部１３・・・表示部１４・・・一次結像面１８・・・光軸２０・・・中継レンズ２１・・・結像レンズ２２・・・交換光学系２３・・・鏡筒２５・・・連結部

Claims

レーザ光源からの光束を光偏向器による走査光として一旦一次結像面に結像し、その光束を物体に送ってその反射光を前記一次結像面と光偏向器経由で受光部に送り、表示部に表示して表面形状を観察するようにしたレーザ走査装置であって、両側テレセントリックレンズとして倍率ごとに用意した鏡筒を、交換光学系として一次結像面と物体間に交換自在に設置し、この交換光学系を介して物体表面を観察する様にしたことを特徴とするレーザ走査装置。
両側テレセントリックレンズを中継レンズ側と結像レンズ側に分離し、その組み合わせを選択して１つの鏡筒として連結できるよう構成したことを特徴とする請求項１記載のレーザ走査装置。