JP2959830B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば顕微鏡検査等において検査対象とな
る物体を光走査することのできる光走査装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の走査型光学顕微鏡には、第５図に示す光学系が
用いられている。この光学系は、光源１から発したレー
ザビーム２がビームエキスパンダ３で必要な大きさのビ
ーム径に拡大される。ビームエキスパンダ３でビーム径
が拡大された光束は、ビームスプリッタ４を透過して第
１光偏向器５に入射する。この第１光偏向器５に入射し
た光束は、反射によりその出射方向が変えられると共
に、第１光偏向器５の動作に基づき後述する試料12上の
任意の一方向（以下、「Ｙ方向」と呼ぶ）へ偏向され
る。この第１光偏向器５は、後述する対物レンズの瞳位
置と共役位置に配置される。第１光偏向器５で偏向され
た光束は、瞳伝送レンズ6,7を通って、同様に対物レン
ズの瞳位置と共役な位置に配置され、入射光をＹ方向と
直交するＸ方向へ偏向する第２光偏向器８に入射する。
第２光偏向器８で偏向された光束は、瞳投影レンズ９、
結像レンズ10を通って、対物レンズ11に入射する。この
対物レンズ11によって集光せしめられた光によって、試
料12上の一点にビームスポットが形成される。

第１及び第２の各光偏向器5,8は、対物レンズ11の瞳
位置に設定されているため、各光偏向器5,8で光束をX,Y
方向へ偏向させることによって、光軸が一定に保たれた
状態で、ビームスポットが試料12をXY走査する。

ここで、試料12が透過物体であれば、試料12の透過光
は、コンデンサレンズ13を通って光検出器14に入射して
検出される。一方、試料12が反射物体であれば、試料12
を走査した光束は、反射されて元きた光路を戻り、ビー
ムスプリッタ４で反射され、集光レンズ15を通り光検出
器16に入射して検出されるものとなる。

第６図（ａ）に光偏向器５から対物レンズ11までの光
学系を示す。対物レンズ11の瞳位置E1と、光偏向器5,8
の位置は共役な位置にあるため、光偏向器5,8で偏向さ
れ光束の中心は、軸外主光線と一致し、対物レンズ11の
瞳E1の中心を通っている。また、軸上光線の上側光線L1
及び下側光線L2、軸外光線の上側光線L3、下側光線L4の
高さも対物レンズ11の瞳位置E1で一致する。従って、レ
ーザビームは、各光偏向器5,8での偏向角によらず、対
物ンズ11の瞳位置E1を過不足なく通過する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述した従来の光走査のための光学系
は、第１光偏向器５と第２光偏向器８との間に、両光偏
向器5,8が対物レンズ11の瞳E1と共役になるように瞳伝
送レンズ6,7が配置されているため、装置を小型化する
上で障害となっていた。

また、上記した光学系は、光偏向器5,8の位置が固定
されているため、瞳投影レンズ6,7によって光偏向器5,8
と共役な関係となる対物レンズの瞳位置は決められてし
まう。そのため、瞳位置の異なる対物レンズを使用した
場合には、その対物レンズの瞳位置から外れることにな
る周辺光量がケラレ周辺減光が生じる。

この周辺減光の現象について第６図（ｂ）を参照して
説明する。

同図に示す光学系は、同図（ａ）に示す対物レンズ11
とは瞳位置の異なる対物レンズ17を使用したことによ
り、光偏向器5,8と共役な位置からずれている位置に対
物レンズ17の瞳位置E2がある状態を示している。この場
合には、光偏向器5,6で偏向された光束の中心は、対物
レンズ17の瞳E2の中心を通らない。また、軸上光線の上
側光線L1および下側光線L2、軸外光線の上側光線L33、
下側光線L44は、瞳位置E2で一致しなくなる。

第６図（ｂ）に示す瞳位置E2を通過する光束の状態を
第７図（ａ）に示す。同図に示すように、軸上光線20
は、対物レンズ17の瞳21からはみ出すことなく通過す
る。しかし、偏向された軸外光線22は、対物レンズ17の
瞳21からはずれており、瞳21からずれた斜線部分の光束
は試料に到達しない。斜線部分の面積は、偏向角が大き
くなるのに伴って増大し、その結果、周辺減光が生じ
る。

また、従来の走査光学系では、光偏向器5,8に入射す
る光束の大きさは一定であった。ところが、対物レンズ
の瞳の大きさも対物レンズによって異なるため、第７図
（ｂ）に示すように、対物レンズの瞳21上で、軸上光線
23と軸外光線24の光束が対物レンズの瞳21より大きい状
態が生じる。この様な場合には、周辺減光は生じない
が、効率よく光線を使用することができない。

本発明は以上のような実情に鑑みてなされたもので、
対物レンズの瞳位置の違いによって生じる周辺減光を最
小限に抑えることができ、光量損失が少なく装置の小型
化を図り得る光走査装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る光走査装置
は、光源から発せられた光束を、集光レンズによって、
該集光レンズに対向配置された物体上に集光せしめ、前
記光源と前記集光レンズとの間の光軸上に配置され入射
光束を互いに直交する方向に偏向可能な走査光学系によ
って、前記物体上に集光せしめられる光で物体を走査す
る光走査装置において、前記走査光学系は、前記光源か
らの光束を所定の方向へ偏向させる第１の光偏向素子
と、この第１の光偏向素子で偏向した光束をさらに第１
の光偏向素子の偏向方向と直交する方向へ偏向せしめる
第２の光偏向素子とからなり、前記第１の光偏向素子と
前記第２の光偏向素子との間の任意の位置と前記集光レ
ンズの瞳位置とが共役な関係となるように前記第１の光
偏向素子と前記第２の光偏向素子を配置するようにし
た。

また、上記目的を達成するために、上記構成の光走査
装置に、互いに瞳位置が異なる複数の集光レンズから選
択された任意の集光レンズの瞳位置が前記第１の光偏向
素子と前記第２の光偏向素子との間の任意の位置と共役
な関係となるように前記第１の光偏向素子と前記第２の
光偏向素子の少なくとも一方を移動する手段と、前記移
動手段による前記第１の光偏向素子または前記第２の光
偏向素子の移動によって生じる光軸ずれを補正する手段
とを備えることが好ましい。

さらに、上記目的を達成するために、上記光走査装置
に、互いに瞳位置が異なる複数の集光レンズの瞳位置と
共役な関係となる各位置の平均位置と、前記第１の光偏
向素子と前記第２の光偏向素子との中間位置とがほぼ一
致するように設定することが好ましい。

また、上記目的を達成するために、上記光走査装置
に、前記光源と前記第２の光偏向素子との間の光軸上に
介在し、前記第２の光偏向素子に入射する光束の径を変
化させる光束変換手段を備えることが好ましい。

〔作用〕

本発明によれば、第１の光偏向素子と第２の光偏向素
子との間の任意の位置と複数の集光レンズの瞳位置とが
共役な関係となるようにしたので、瞳伝送レンズを除去
することができることから大幅に装置が小型化される。

また、集光レンズの交換に伴って生じる瞳径の変化に
対しては、光束径変換手段によって光束が瞳を過不足な
く通過するように調整できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す図である。本実施例
は、光源から発せられ光束が光束径変換光学系30に入射
し、ここで所定の径に調節された光束は、さらにダイク
ロイックミラー31を透過して固定ミラー32に入射する。
この固定ミラー32で反射された光束は、可動ミラー33で
反射されて第１光偏向器34に入射する。この第１光偏向
器34は、入射光束を例えばＹ方向へ偏向させるように動
作するものである。この第１光偏向器34で偏向された反
射光は、第２光偏向器35に入射する。この第２光偏向器
35は、入射光をＹ方向と直交するＸ方向へ偏向させるよ
うに動作する。第１および第２の光偏向器34,35は、対
物レンズの交換に伴う対物レンズの瞳位置の変化に応じ
て、その位置ずれを補正する方向へ移動できるように、
不図示の移動機構が設けられている。また、第１および
第２の光偏向器34,35の移動によって、可動ミラー33と
第１光偏向器34との間で光軸が変動するので、この光軸
の変動を補正するための補正手段として、可動ミラー33
を移動させる不図示の移動機構が設けられている。第２
光偏向器35で反射された光束は、固定ミラー36で反射さ
れて対物レンズＡに導かれる。この対物レンズＡで集光
せしめられた光束が試料に入射する。試料の裏面側に
は、第５図に示すような光検出装置が設けられ、光を透
過する試料の場合には、透過光が検出される。また、試
料で反射した反射光を検出するために、ダイクロイック
ミラー31は、光源からの光束と対物レンズＡから戻って
来た光束とを分離し、対物レンズＡから戻って来た光束
を光検出光学系38に導いている。

ここで使用されている光束径変換光学系30は、第３図
に示すように、凸レンズ41,42と、凹レンズ43,44を組合
わせて構成されている。互いに対向配置されるレンズ43
とレンズ42は、それぞれX1〜X2、X3〜X4を連続的に移動
可能に構成されている。

この様に構成される光束径変換光学系30では、第３図
（ａ）に示すように、レンズ43がX1、レンズ42がX4の位
置にある場合、入射光束はレンズ41で収束するが、レン
ズ41とレンズ43との間が狭くなっているため、光束径は
それ程小さくならない。しかし、レンズ42とレンズ43と
の間が長いため、この間で光束が広がる。そのため、レ
ンズ44から出射する光束は、その光束径D1（＝２×d1）
が入射光束径Ｄ（＝２×ｄ）よりも大きくなる。一方、
第３図（ｂ）に示すように、レンズ43がX2、レンズ42が
X3の位置にある場合、光束がレンズ41とレンズ43との間
で十分小さくなるため、レンズ44から出射される光束
は、その光束径D2（＝２×d2）が入射光束径Ｄよりも小
さくなる。この様に、入射光束の径が一定であっても、
レンズ43とレンズ42を移動させることによって出射され
る光束の径を連続的に変化させることができる。

以上のように構成された本実施例においては、光源か
ら発せられた光束は、光束径変換光学系30で、対物レン
ズＡの瞳の大きさを過不足なく通過する大きさの径に調
整される。このような径に調整された光束は、可動ミラ
ー33を介して第１光偏向器34に入射し、そこで反射され
て第２光偏向器35に入射する。

この第１光偏向器34および第２光偏向器35を移動させ
ることにより、使用している任意の対物レンズの瞳位置
が第１および第２光偏向器34,35の中間位置と共役な位
置に来るように調整される。従って、第１および第２光
偏向器34,35で偏向された光束の中心は対物レンズの瞳
位置でほぼ瞳の中心を通る。また、軸上光線の上側光線
および下側光線と軸上光線の上側光線および下側光線は
瞳位置でほぼ一致するようになる。

この様にして瞳上での位置ずれが最小限に抑えられた
光束は、対物レンズに入射して試料上に集光せしめられ
る。そして、第１光偏向器34で入射光束をＹ方向へ偏向
し、第２光偏向器35で入射光束をＸ方向へ偏向させるこ
とによって、試料が試料上に形成されたビームスポット
でXY走査される。このXY走査によって得られる試料の透
過光又は反射光の検出は、すでに説明したのでここでは
省略する。この第１及び第２の光偏向器34,35を移動さ
せる移動機構を設けて、使用している対物レンズの瞳位
置がこれら２つの光偏向器の中心へくるように第1,第２
の光偏向器34,35を移動させると共に、この移動によっ
て生じる光軸ずれを可動ミラー33を移動させて補正する
ようにしたので、対物レンズの瞳位置における位置ずれ
量を小さくすることができ、周辺減光の発生を最小限に
することができる。

次に、第２図に基づいて本発明の第２実施例について
説明する。第１実施例と同一の部材には同一の符号を付
けてあるが、第１実施例とは異なり第１および第２光偏
向器は移動せず一定位置に固定され、第２図に示すよう
に配置されている。

同図に示すαα〜δδは、交換して使用される複数の
対物レンズα〜δの光偏向器側での共役な位置をそれぞ
れ示している。位置Ｐは、第１光偏向器34と第２光偏向
器35との中間位置であって、かつ交換して使用される複
数の対物レンズα〜δの光偏向器側での共役となる各瞳
位置の平均位置を示している。即ち、第１光偏向器34と
第２光偏向器35の中間位置と、共役となる各瞳位置の平
均位置とが一致するように、第１光偏向器34と第２光偏
向器35は設定されている。

すなわち、第１及び第２の光偏向器34,35の中間位置
は、使用する複数の対物レンズα〜δの瞳位置の共役な
位置の平均位置と一致している。従って、共役な瞳位置
δδに対して共役となるように第２光偏向器35と第１光
偏向器34を配置した状態で、対物レンズＡを使用した場
合には、非常に大きな位置ずれを生じて大きな周辺減光
が生じる。しかし、本実施例では上記した配置状態にあ
るため、α〜δのいずれの対物レンズを使用しても、瞳
上の位置ずれ量は最小限に抑えられる。

この様にして各種の対物レンズの瞳上での位置ずれが
最小限に抑えられた光束は、対物レンズに入射して試料
上に集光せしめられる。従って、各種の対物レンズを使
用して光検出器上の周辺減光は最小限に抑えられる。

次に、従来の走査光学系と本実施例とを比較する。

従来例では、瞳伝送ンズ6,7の焦点距離をｆとする
と、光偏向器5,8間の距離L1は、 L1＝4fとなる。

L1を小さくするためには、瞳伝送レンズ6,7の焦点距
離ｆを小さくすればよい。ところが、焦点距離ｆを小さ
くすると、瞳伝送レンズの収差補正が難しくなること、
焦点位置が瞳伝送レンズに近くなり瞳伝送レンズと光偏
向器が接触する可能性があること等の理由から焦点距離
の短縮には限界がある。

例えば、焦点距離ｆをｆ＝40mmとした場合、 L1＝４×40＝160mm となる。

一方、本実施例では、第１光偏向器34と第２光偏向器
35との間の距離L2は、第１光偏向器34と第２光偏向器35
とで、互いの反射ミラーが接触しない距離まで短縮でき
る。具体的には、光偏向器を第４図に示すガルバノメー
タスキャナを例に説明すると、直径7mmのミラーを使用
できる。これは、ミラーの振り角を±５゜とすると、 3.5×COS（40゜）≒2.7mm となる。従って、振り角を±５゜としたとき互いのミラ
ーが接触しないように1mmあけたとすれば、 L2＝2.7×２＋１＝6.4mm となる。よって、本実施例は、従来例に比べて、第１光
偏向器，第２光偏向器間を大幅に短縮できることがわか
る。

この様に本実施例によれば、第１及び第２の光偏向器
34,35の中間位置と、使用する複数の対物レンズＡ〜Ｄ
の瞳位置の共役な位置の平均位置とが一致するように配
置して使用する複数の対物レンズＡ〜Ｄの瞳上での位置
ずれを最小限に抑えた状態で、試料を光走査するように
したので、装置の小型化の妨げとなっていた瞳伝送レン
ズを削減することができ、装置の小型化を図ることがで
きると共に、一つの装置で瞳位置の異なる複数の対物レ
ンズに対応することができる。

さらに、第１実施例と同様に光束系変換光学系30を設
けると、対物レンズの交換に伴って生じる瞳径の変化に
応じて光束径を調節する事ができ、瞳を過不足なく光束
が通過するようにでき、効率よく光線を使うことができ
る。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明によれば、対物レンズの瞳
位置の違いによって生じる周辺減光を最小限に抑えるこ
とができ、光量損失が少なく装置の小型化を図り得る光
走査装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例となる光走査装置の光学系の
構成図、第２図は第1,第２の光偏向器の配置状態を示す
図、第３図は光束径変換光学系を示す図、第４図は従来
例と実施例との比較例を説明するための図、第５図は従
来の光走査装置の光学系の構成図、第６図（ａ）は対物
レンズの瞳上で光束の位置ずれが生じていない状態を示
す図、第６図（ｂ）は対物レンズの瞳上で光束の位置ず
れが生じている状態を示す図、第７図は対物ンズの瞳上
での位置ずれ状態を示す図である。 30……光束径変換光学系、31……ダイクロイックミラ
ー、32……固定ミラー、33……可動ミラー、34……第１
光偏向器、35……第２光偏向器、38……光検出光学系。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源から発せられた光束を、集光レンズに
   よって、該集光レンズに対向配置された物体上に集光せ
   しめ、前記光源と前記集光レンズとの間の光軸上に配置
   され入射光束を互いに直交する方向に偏向可能な走査光
   学系によって、前記物体上に集光せしめられる光で物体
   を走査する光走査装置において、 前記走査光学系は、前記光源からの光束を所定の方向へ
   偏向させる第１の光偏向素子と、この第１の光偏向素子
   で偏向した光束をさらに第１の光偏向素子の偏向方向と
   直交する方向へ偏向せしめる第２の光偏向素子とからな
   り、 前記第１の光偏向素子と前記第２の光偏向素子との間の
   任意の位置と前記集光レンズの瞳位置とが共役な関係と
   なるように前記第１の光偏向素子と前記第２の光偏向素
   子を配置したことを特徴とする光走査装置。
2. 【請求項２】互いに瞳位置が異なる複数の集光レンズか
   ら選択された任意の集光レンズの瞳位置が前記第１の光
   偏向素子と前記第２の光偏向素子との間の任意の位置と
   共役な関係となるように前記第１の光偏向素子と前記第
   ２の光偏向素子の少なくとも一方を移動する手段と、 前記移動手段による前記第１の光偏向素子または前記第
   ２の光偏向素子の移動によって生じる光軸ずれを補正す
   る手段とを具備したことを特徴とする請求項１記載の光
   走査装置。
3. 【請求項３】互いに瞳位置が異なる複数の集光レンズの
   瞳位置と共役な関係となる各位置の平均位置と、前記第
   １の光偏向素子と前記第２の光偏向素子との中間位置と
   がほぼ一致するように設定したことを特徴とする請求項
   １記載の光走査装置。
4. 【請求項４】前記光源と前記第２の光偏向素子との間の
   光軸上に介在し、前記第２の光偏向素子に入射する光束
   の径を変化させる光束変換手段を具備したことを特徴と
   する請求項１もしくは請求項２もしくは請求項３記載の
   光走査装置。