JP5268988B2 - 2次元走査装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、2次元の走査光学系に関する技術が開示されている。当該技術では、主走査方向、あるいは副走査方向のみにパワーをもったシリンドリカルレンズ2枚を用い、主走査断面及び副走査断面共にテレセントリックな状態を成り立たせている。
このような構成によって、走査断面ごとにテレセントリックな状態を実現させている。
(1)|f1x/f1y| < 1
(2)|f2x/f2y| > 1
ことを特徴とする。
(実施の形態1)
以下、本発明に係わる実施の形態1について、図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、2次元走査装置100は、被検面101を2次元に走査する装置である。ここでは、2次元走査装置100は、光源111、ミラー121,122、レンズ131,132を備える。
光源111は、X軸に平行に、波長1310mmの光を出力する。
<ミラー121,122>
ミラー121は、被検面101をX方向に走査する方向に光を屈折させるガルバノミラーである。ミラー122は、被検面101をY方向に走査する方向に光を屈折させるガルバノミラーである。ミラー121の回転軸123がZ軸と平行になるように、ミラー121の向きが調整されている。ミラー122の回転軸124がX軸と平行になるように、ミラー122の向きが調整されている。ミラー121の中心とミラー122の中心とが同一軸上に位置するように、光源側111側にミラー121が配置されて、レンズ131側にミラー122が配置されている。ミラー121とミラー122との間には、各ミラーが衝突せずに回転可能な空間が確保されている。
レンズ131は、2つの異なる曲率を持ち、X方向とY方向とでパワーが異なるトロイダルレンズである。レンズ132は、X方向とY方向とでパワーが異なるトロイダルレンズである。レンズ131の光軸がZ軸と平行になるように、レンズ131の向きが調整されている。レンズ132の光軸がZ軸と平行になるように、レンズ132の向きが調整されている。レンズ131の光軸とレンズ132の光軸とが同一軸上に位置するように、ミラー122側にレンズ131が配置されて、被検面101側にレンズ132が配置されている。ミラー122で反射された光がレンズ131に入射する。レンズ131から射出された光がレンズ132に入射する。
次に、2次元走査装置100を構成する各光学素子の設計条件について説明する。
本実施の形態では、2枚のトロイダルレンズからなるレンズ群を使用している。これによって、簡易な構成で、X方向に走査しても、Y方向に走査しても、全体として、被検面101での走査平面側(像側)がテレセントリックになる。
ゆえに、図4(A)に示すY方向の走査光学系、図4(B)に示すX方向の走査光学系において、走査ミラーM1,M2が、それぞれ、物体側のX方向、及びY方向の焦点位置にあるとき、走査ミラーの中心にある物点の像が、それぞれ無限遠方にある。ここで、焦点位置は、レンズの主点位置から、焦点距離分、物体から離れた位置である。
また、レンズ群の両走査断面において像側テレセントリックになるため、どの走査断面でも、像側テレセントリックになる。
また、解像力を高めるためには、走査方向によらず、走査光学系から射出し、被検面に当たるスポット径を、小さくする必要がある。これを実現させるためには、走査光学系の像面を、走査方向によらず一定にすることが必要である。さらに、スポット径を小さくする上で、走査光学系の収差を小さくすることが必要である。
数式(1)は、トロイダルレンズL1における、X方向の走査断面の焦点距離とY方向の走査断面の焦点距離との比率の条件式である。ここでは、数式(1)は、望ましい数値範囲で表されている。
2枚の正負のパワーをもつレンズの組み合わせで、面のパワーを大きくすることなく、長い焦点距離を実現するには、テレフォトタイプ(光源から順に、正レンズ、負レンズが並ぶ光学系)がある。
本実施の形態のように、2枚のレンズ群で、走査断面によって異なる焦点距離を持たせる場合、焦点距離の長い走査断面を、テレフォトタイプに近いタイプ、焦点距離の短い走査断面を、レトロフォーカスタイプに近いタイプにするのが望ましい。
焦点距離が短いY方向の走査断面については、トロイダルレンズL2が正のパワーが強く、トロイダルレンズL1が負のパワーに近くなる。また、X方向の走査断面については、この逆にするのが望ましい。
また、数式(3)は、トロイダルレンズL1,L2からなるレンズ群の各方向の走査断面の焦点距離の差分と、走査ミラーの間隔との比の条件式である。ここでは、数式(3)は、望ましい数値範囲で表されている。
焦点距離が異なる走査断面に対して、像面を一致させるには、その焦点距離の差分の分、各走査断面に対して、レンズ群の像側主点位置がずれていることが必要である。
一方、数式(3)の値が小さい、すなわち、焦点距離の差分が、両トロイダルレンズの間隔に比べ小さいと、焦点距離の差分は上記のように、走査ミラーの間隔の差分に由来しているものなので、像点一致条件とテレセントリックを両立することが困難となる。
数式(4)は、トロイダルレンズL2から被検面までの距離と、トロイダルレンズL1とトロイダルレンズL2のなす光学系のY方向の走査断面の焦点距離の比の条件式である。ここでは、数式(4)は、望ましい数値範囲で表されている。
数式(5)は、トロイダルレンズL1とトロイダルレンズL2との間隔と、トロイダルレンズL2から被検面までの距離とを足したものと、トロイダルレンズL1,L2からなるレンズ群のX方向の走査断面の焦点距離の比の条件式である。ここでは、望ましい数値範囲で表されている。
前述のように、X方向の走査断面に関し、このレンズ群は、焦点距離が長いものに有利な、正負の順に並ぶテレフォトタイプになることが望ましい。
一般に、テレフォトタイプの正負に並ぶレンズ群では、テレフォト比が小さくなって、すなわち全長に対して焦点距離が短くなると、正レンズおよび負レンズのパワーがそれぞれ大きくなり、収差が悪化する傾向にある。
これらの条件を満たすために、数式(5)の数値範囲が前述のようになることが望ましい。
なお、上記レンズ群においては、さらに数式(7)の数値範囲を満たしていることが望ましい。
本実施の形態では、前述するようにテレセントリックを満たすために、ミラーの間隔分、走査方向の走査断面の焦点距離が異なる構成になっている。
なお、上記レンズ群においては、さらに数式(8)の数値範囲を満たしていることが望ましい。
一般に、光学系において、各レンズのパワーの和は、非点格差に影響する値である。パワーの和がゼロに近いほど、非点格差が小さくなり、中心から遠い点のビームスポットの形が円に近くなり、良好な光学性能が得られる傾向にある。
しかし、この値を数式(8)の範囲にとどめることで、非点収差が少なくなり、ビームスポットが円形に近くなる傾向にある。結果、走査方向によらず、解像度の良い走査光学系を構成することができる。
これらの条件を満たすために、数式(8)の数値範囲が前述のようになることが望ましい。
ここでは、レンズ131については、走査方向がX方向である場合の焦点距離f1xが53.45mmであり、走査方向がY方向である場合の焦点距離f1yが86.55mmである。レンズ132については、走査方向がX方向である場合の焦点距離f2xが−380.1mmであり、走査方向がY方向である場合の焦点距離f2yが159.54mmである。レンズ131,132からなる光学系については、走査方向がX方向である場合の焦点距離fxが68.27mmであり、走査方向がY方向である場合の焦点距離fyが60mmである。ミラー121の中心とミラー122の中心との距離が10mmである。回転軸123を中心に±4.83°でミラー121を回転させ、回転軸124を中心に±5.34°でミラー122を回転させることで、被検面101における20mm×20mmの正方形の範囲が走査される。
図5に示す諸元表には、各光学素子の面について、面番号、有効径、RX(X方向の曲率半径)、RY(Y方向の曲率半径)、距離(次の番号の光学系までの距離)、屈折率が列挙されている。
なお、面番号1がミラー121の反射面に割り当てられた面番号である。面番号2がミラー122の反射面に割り当てられた面番号である。面番号3がレンズ131の入射面に割り当てられた面番号である。面番号4がレンズ231の射出面に割り当てられた面番号である。面番号5がレンズ132の入射面に割り当てられた面番号である。面番号6がレンズ132の射出面に割り当てられた面番号である。
なお、本実施の形態では、光を2次元平面上で動かすために、ガルバノミラー121,122と2枚のミラーを用いている。しかしながら、ほぼ同様の射出が行われるのであれば、2枚のガルバノミラーの代わりに、ミラーが1枚で2軸に揺動可能な構成、または光源自体が被検面に揺動照射可能な構成などとしてもよい。
以上、本実施の形態では、レンズ131,132にトロイダルレンズが採用されている。そして、光源111から順に、ガルバノミラー121,122、レンズ131,132が配置されている。このとき、2次元平面上を走査可能なように、ガルバノミラー121,122が配置されている。レンズ131,132とが隣接した状態で、レンズ131,132が配置されている。これによって、歪が少なく、かつ簡易な構成でコンパクトな2次元走査装置を実現することができる。
以下、本発明に係わる実施の形態2について、図面を参照しながら説明する。
図9に示すように、本実施の形態における2次元走査装置200は、実施の形態1における2次元走査装置100と比べて、レンズ131,132の代わりに、レンズ231,232を備える点が異なる。
レンズ231は、X方向のみにパワーがあるシリンドリカルレンズである。レンズ232は、Y方向のみにパワーがあるシリンドリカルレンズである。
レンズ231の光軸がZ軸と平行になるように、レンズ231の向きが調整されている。レンズ232の光軸がZ軸と平行になるように、レンズ232の向きが調整されている。レンズ231の光軸とレンズ232の光軸とが同一軸上に位置するように、ミラー122側にレンズ231が配置されて、被検面101側にレンズ232が配置されている。ミラー122で反射された光がレンズ231に入射する。レンズ231から射出された光がレンズ232に入射する。
なお、シリンドリカルレンズは、トロイダルレンズよりも製造が容易である。しかしながら、レトロフォーカスタイプの光学系や、テレフォトタイプの光学系を構成することができない。そこで、シリンドリカルレンズで、テレセントリック条件、像点一致条件、およびビームスポット条件を満たすために、レンズの面を非球面にする必要がある。
ここでは、レンズ231については、走査方向がX方向である場合の焦点距離f1xが60.02mmであり、走査方向がY方向である場合の焦点距離f1yが無限大である。レンズ132については、走査方向がX方向である場合の焦点距離f2xが無限であり、走査方向がY方向である場合の焦点距離f2yが54.44mmである。レンズ231,232からなる光学系については、走査方向がX方向である場合の焦点距離fxが60.02mmであり、走査方向がY方向である場合の焦点距離fyが54.44mmである。ミラー121の中心とミラー122の中心との距離が10mmである。レンズ231射出面とレンズ232射出面との間隔は、5.58mmである。回転軸123を中心に±4.83°でミラー121を回転させ、回転軸124を中心に±5.34°でミラー122を回転させることで、被検面101における20mm×20mmの正方形の範囲が走査される。
以上、本実施の形態では、レンズ231,232にシリンドリカルレンズが採用されている。これによって、前述の2次元の走査で得られる2次元像の歪が少なく、高精度な分解能を有し、かつ簡易な構成でコンパクトな2次元走査装置を実現することができる。さらに、実施の形態1と比べて、レンズの形状の自由度が増す。
以下、本発明に係わる実施の形態3について、図面を参照しながら説明する。
図16に示すように、本実施の形態における2次元走査装置300は、実施の形態1における2次元走査装置100と比べて、レンズ131,132の代わりに、レンズ331,332を備える点が異なる。
レンズ331は、X方向とY方向とでパワーが異なるトロイダルレンズである。レンズ332は、X方向とY方向とでパワーが異なるトロイダルレンズである。レンズ331の光軸がZ軸と平行になるように、レンズ331の向きが調整されている。レンズ332の光軸がZ軸と平行になるように、レンズ332の向きが調整されている。レンズ331の光軸とレンズ332の光軸とが同一軸上に位置するように、ミラー122側にレンズ331が配置されて、被検面101側にレンズ332が配置されている。ミラー122で反射された光がレンズ331に入射する。レンズ331から射出された光がレンズ332に入射する。
ここでは、レンズ331については、走査方向がX方向である場合の焦点距離f1xが51.82mmであり、走査方向がY方向である場合の焦点距離f1yが83.98mmである。レンズ332については、走査方向がX方向である場合の焦点距離f2xが−413.17mmであり、走査方向がY方向である場合の焦点距離f2yが172.9mmである。レンズ331,332からなる光学系については、走査方向がX方向である場合の焦点距離fxが66.16mmであり、走査方向がY方向である場合の焦点距離fyが60mmである。ミラー121の中心とミラー122の中心との距離が10mmである。回転軸123を中心に±4.5°でミラー121を回転させ、回転軸124を中心に±5.0°でミラー122を回転させることで、被検面101における20mm×20mmの正方形の範囲が走査される。
以上、本実施の形態では、レンズ331,332に特殊な形状のトロイダルレンズを採用することで、2次元の走査で得られる2次元像の歪が少なく、より高精度な分解能を有し、かつ簡易な構成でコンパクトな2次元走査装置を実現することができる。
以下、本発明に係わる実施の形態4について、図面を参照しながら説明する。
図23に示すように、本実施の形態における2次元走査装置400は、実施の形態1における2次元走査装置100と比べて、レンズ131,132の代わりに、レンズ431,432を備える点が異なる。
レンズ431は、X方向とY方向とでパワーが異なるトロイダルレンズである。レンズ432は、X方向とY方向とでパワーが異なるトロイダルレンズである。レンズ431の光軸がZ軸と平行になるように、レンズ431の向きが調整されている。レンズ432の光軸がZ軸と平行になるように、レンズ432の向きが調整されている。レンズ431の光軸とレンズ432の光軸とが同一軸上に位置するように、ミラー122側にレンズ431が配置されて、被検面101側にレンズ432が配置されている。ミラー122で反射された光がレンズ431に入射する。レンズ431から射出された光がレンズ432に入射する。
ここでは、レンズ431については、走査方向がX方向である場合の焦点距離f1xが47.9mmであり、走査方向がY方向である場合の焦点距離f1yが213.3mmである。レンズ432については、走査方向がX方向である場合の焦点距離f2xが−90.35mmであり、走査方向がY方向である場合の焦点距離f2yが85.96mmである。レンズ431,432からなる光学系については、走査方向がX方向である場合の焦点距離fxが84.48mmであり、走査方向がY方向である場合の焦点距離fyが60mmである。ミラー121の中心とミラー122の中心との距離が10mmである。回転軸123を中心に±3.4°でミラー121を回転させ、回転軸124を中心に±4.8°でミラー122を回転させることで、被検面101における20mm×20mmの正方形の範囲が走査される。
以上、本実施の形態では、レンズ431,432にトロイダルレンズを採用することで、2次元の走査で得られる2次元像の歪が少なく、高精度な分解能を有し、かつ簡易な構成でコンパクトな2次元走査装置を実現することができる。
42 コリメータレンズ
43、45 ポリゴンミラー
44、46 シリンドリカルレンズ
47 非走査面
100、200、300、400 2次元走査装置
101 被検面
121、122 ミラー
123、124 回転軸
131、132、231、232、331、332、431、432 レンズ
Claims (11)
- 第1方向と、前記第1方向に直交する第2方向とに被検面を走査する2次元走査装置であって、
光を出力する光源と、
前記被検面に対する前記第1方向および前記第2方向を走査する走査光学系と、
前記第1方向と前記第2方向とでパワーが異なる第1レンズと、
前記第1方向と前記第2方向とでパワーが異なる第2レンズとを備え、
前記走査光学系が、前記第1レンズと前記第2レンズとからなるレンズ群より前記光源側に配置され、
前記レンズ群が像側テレセントリックであり、
走査方向が前記第1方向である場合の前記第1レンズの焦点距離をf1xとし、走査方向が前記第2方向である場合の前記第1レンズの焦点距離をf1yとし、走査方向が前記第1方向である場合の前記第2レンズの焦点距離をf2xとし、走査方向が前記第2方向である場合の前記第2レンズの焦点距離をf2yとしたとき、下記の式(1)および(2)を満たす
(1)|f1x/f1y| < 1
(2)|f2x/f2y| > 1
ことを特徴とする2次元走査装置。 - 前記第1レンズと前記第2レンズとが、トロイダルレンズである
ことを特徴とする請求項1に記載の2次元走査装置。 - 前記レンズ群が、前記第1方向と前記第2方向とのいずれか一方に前記被検面を走査する場合には、テレフォトタイプの光学系として機能し、他方に走査する場合には、レトロフォーカスタイプの光学系として機能する
ことを特徴とする請求項2に記載の2次元走査装置。 - 走査方向が前記第1方向である場合の前記レンズ群の焦点距離をfxとしたとき、
下記式(6)を満たす
(6)0.5 < f1x/fx < 1.4
ことを特徴とする請求項1から3いずれかに記載の2次元走査装置。 - 前記第1レンズと前記第2レンズとが、シリンドリカルレンズである
ことを特徴とする請求項1に記載の2次元走査装置。 - 前記第1レンズと前記第2レンズとの少なくとも1つが、入射面と射出面との少なくとも1つが非球面であるレンズである
ことを特徴とする請求項5に記載の2次元走査装置。 - レンズの曲率が大きい面が非球面である
ことを特徴とする請求項5または6に記載の2次元走査装置。 - 前記走査光学系が、前記被検面に対する前記第1方向を走査する第1ミラーと、前記被検面に対する前記第2方向を走査する第2ミラーとから構成された
ことを特徴とする請求項1から7いずれかに記載の2次元走査装置。 - 走査方向が前記第1方向である場合の前記レンズ群の焦点距離をfxとし、
走査方向が前記第2方向である場合の前記レンズ群の焦点距離をfyとし、
前記第1ミラーと前記第2ミラーとの間隔をDmとし、
前記第1レンズの射出面と前記第2レンズの入射面との光軸上の距離をDとし、
前記第2レンズの射出面から前記被検面までの光軸上の距離をWDとして、
下記の式(3)−(5)を満たす
(3)0.2 < |fx−fy|/Dm < 1.4
(4)0.6 < WD/fy < 1.4
(5)0.6 < (D+WD)/fx < 1.4
ことを特徴とする請求項8に記載の2次元走査装置。 - 下記の式(7)を満たす
(7)1.0 < fx/fy < 1.7
ことを特徴とする請求項9に記載の2次元走査装置。 - 下記の式(8)を満たす
(8)|(1/f1x+1/f2x)−(1/f1y+1/f2y)| < 0.02
ことを特徴とする請求項8から10いずれかに記載の2次元走査装置。
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