JPH07146448A - レーザ走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査によって光束の横振れが生じないレーザ
走査装置を提供する。 【構成】 レーザ光源１１から出射されたレーザビーム
は、Ｙ１軸を中心に回動するＸ平面反射鏡１３に照射さ
れる。Ｘ平面反射鏡１３からの反射光は、これの回動軸
から距離Ｄだけ離隔して配置されたＹ平面反射鏡１５に
照射される。なお、Ｙ平面反射鏡１５の回動軸（Ｘ１軸
とする）は、Ｘ平面反射鏡１３の回動軸（Ｙ１軸）に直
交するとともに、これから距離Ｄだけ離隔している。Ｙ
平面反射鏡１５からの反射光は、再びＸ平面反射鏡１３
に入射した後、接眼レンズ１６，１７および対物レンズ
１８，１９を介して試料２０に照射される。顕微鏡ＭＳ
は、Ｘ平面反射鏡１３で２度反射されたレーザビームが
接眼レンズ１６，１７を介して鏡筒２１内に入射するよ
うに配置されている。そして、試料２０を透過した光束
は、集光レンズ２２を介して光検出器２３に入射され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２次元にレーザ光を走
査するレーザ走査装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザ走査装置を用いた走査型レ
ーザ顕微鏡としては、図８に示す構造のものが利用され
ている。この走査型レーザ顕微鏡は、互いに直交する回
動軸を有する２枚の平面反射鏡にレーザビームを入射さ
せ、その反射光を顕微鏡に入射させるものである。すな
わち、この走査型レーザ顕微鏡は以下のように動作す
る。

【０００３】まず、レーザ光源１０１から出射されたレ
ーザ光は、Ｚ軸を中心に回動するＸ平面反射鏡１０３に
照射される。なお、このＸ平面反射鏡１０３の回動は、
Ｚ軸に回動軸が固定された回動用のＸガルバノ駆動機構
１０２によって制御される。

【０００４】次に、Ｘ平面反射鏡１０３からの反射光
は、これの回動軸から距離Ｄだけ離隔して配置されたＹ
平面反射鏡１０５に照射される。なお、Ｙ平面反射鏡１
０５の回動軸（Ｘ軸とする）は、Ｘ平面反射鏡１０３の
回動軸に直交するとともに、これから距離Ｄだけ離隔し
ている。そして、Ｙ平面反射鏡１０５の回動は、Ｘ軸に
回動軸が固定された回動用のＹガルバノ駆動機構１０４
によって制御される。そして、Ｙ平面反射鏡１０５から
の反射光は、入射面がＺ軸方向に向けられた接眼レンズ
１０６，１０７および対物レンズ１０８から構成される
顕微鏡ＭＳを介して試料１０９に照射される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなレーザ走査装置においては、同図に示すように、顕
微鏡ＭＳ側から見たレーザビームの振れ角中心点は、Ｙ
平面反射鏡１０５の光軸（Ｚ軸）方向にＸ平面反射鏡１
０３とＹ平面反射鏡１０５との間隔Ｄだけずれることと
なる。すなわち、顕微鏡ＭＳに入射する光束の瞳位置を
顕微鏡の瞳位置（アポイント）に正しく合わせることが
できない。換言すれば、一方の走査面（Ｘ平面反射鏡１
０３，Ｙ平面反射鏡１０５）内の光束の瞳位置を合わせ
た場合、他方の走査面（Ｙ平面反射鏡１０５，Ｘ平面反
射鏡１０３）内の光束の瞳合わせは不可能となる。

【０００６】このため、瞳位置が合わない状態では、顕
微鏡の瞳面内でレーザビームが横振れすることとなり、
レーザビームは、一般にその断面強度分布が正規分布を
しているので、走査角度の大きいところでは試料１０９
を走査するレーザビームスポットの強度が低下し、所謂
シェーディング現象が生ずる。

【０００７】本発明は以上の問題に鑑みてなされたもの
であり、走査によって光束の横振れが生じないレーザ走
査装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明は、入射されたビームを２次元上に走査
するレーザ走査装置を対象とするものであり、ビームの
走査方向に直交する回動軸を中心に回動可能であり、ビ
ームが入射される第１の反射鏡と、この回動軸に直交す
る回動軸を中心に回動可能な第２の反射鏡とを備え、第
１の反射鏡から反射されたビームが第２の反射鏡に入射
し、第２の反射鏡で反射されたビームが再度第１の反射
鏡に入射するようにした。

【０００９】

【作用】かかるレーザ走査装置によれば、まず、入射ビ
ームは第１の反射鏡に入射される。次に、第１の反射鏡
をこれの回転軸を中心として回動することによって、こ
れからの反射ビームを第２の反射鏡に向かって（Ｘ方向
に）走査する。しかる後、この第２の反射鏡が、第１の
反射鏡の回動軸に直交した回動軸を中心に回動すること
によって、これへの入射ビームを再度第１の反射鏡に向
かって（Ｙ方向に）走査する。このようにして第１の反
射鏡に入射されたビームは、ＸＹ平面上を走査すること
ができる。そして、このＸ方向の走査とＹ方向の走査の
際に、それぞれの反射鏡によるビームの振れ角中心は一
致するので、ビームを顕微鏡などの光学機器に入射する
際に、顕微鏡の瞳面内でビームが横振れすることがな
い。なお、Ｘ方向とＹ方向とは直交しているものとす
る。

【００１０】さらに、第１の反射鏡が、これの回動軸を
交線として所定角度で交差した１対の平面反射鏡から構
成されていることにより、第２の反射鏡に入射するビー
ムの経路を任意にすることができるので、ビームの入射
方向を任意に設定することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明のレーザ走査装置に係る一実施
例を添付図面に基づいて説明する。なお、同一要素には
同一符号を用い、重複する説明は省略する。図１は、本
発明の第１実施例に係るレーザ走査装置を用いた透過型
レーザ走査顕微鏡の斜視構成を示す図である。同図に示
すように、まず、レーザ光源１１から出射されたレーザ
ビームは、Ｙ１軸を中心に回動するＸ平面反射鏡１３に
照射される。なお、このＸ平面反射鏡１３の回動は、Ｙ
１軸に回動軸が固定された回動用のＸガルバノ駆動機構
１２によって制御される。

【００１２】次に、Ｘ平面反射鏡１３からの反射光は、
これの回動軸から距離Ｄだけ離隔して配置されたＹ平面
反射鏡１５に照射される。なお、Ｙ平面反射鏡１５の回
動軸（Ｘ１軸とする）は、Ｘ平面反射鏡１３の回動軸
（Ｙ１軸）に直交するとともに、これから距離Ｄだけ離
隔している。そして、Ｙ平面反射鏡１５の回動は、Ｘ１
軸に回動軸が固定された回動用のＹガルバノ駆動機構１
４によって制御される。そして、Ｙ平面反射鏡１５から
の反射光は、再びＸ平面反射鏡１３に入射した後、接眼
レンズ１６，１７および対物レンズ１８，１９を介して
試料２０に照射される。なお、これら接眼レンズ１６，
１７および対物レンズ１０８は鏡筒２１内に収納されて
顕微鏡ＭＳを構成しており、また、顕微鏡ＭＳは、Ｘ平
面反射鏡１３で２度反射されたレーザビームが接眼レン
ズ１６，１７を介して鏡筒２１内に入射するように配置
されている。

【００１３】そして、試料２０を透過した光束は、集光
レンズ２２を介して光検出器２３に入射される。光検出
器２３は、フォトダイオード（ＰＤ）やフォトマルチプ
ライヤー（ＰＭＴ）などから構成されており、この透過
光を検出する。そして、光検出器２３からの出力信号
は、制御装置２４に入力される。なお、制御装置２４で
は、レーザ光を走査するためにＸガルバノ駆動機構１２
およびＹガルバノ駆動機構１４を駆動させており、光検
出器２３からの出力信号は、制御装置２４内でＸガルバ
ノ駆動機構１２およびＹガルバノ駆動機構１４の駆動と
同期してサンプリングされ、フィルターを通してノイズ
成分が除去された後にＡＤ変換されてフレームメモリー
に格納される。また、このようなフレーム単位の画像信
号は、制御装置２４に接続されたＣＲＴ２５等（液晶デ
ィスプレイを含む）に表示される。

【００１４】次に、図１に示したレーザ走査装置の動作
原理を光の伝搬経路を光学的に展開した等価光学系を用
いて説明する。この等価光学系を図２に示す。同図に
は、間隔Ｄを保持して離隔したＸ平面反射鏡１３とＹ平
面反射鏡１５とが示されるとともに、これらの虚像が示
されている。すなわち、第１Ｙ平面反射鏡虚像１５０
は、Ｙ平面反射鏡１５のＸ平面反射鏡１３による虚像
を、第１Ｘ平面反射鏡虚像１３０は、Ｘ平面反射鏡１３
のＹ平面反射鏡１５による虚像を、第２Ｘ平面反射鏡虚
像１３１は、第１Ｘ平面反射鏡虚像１３０のＸ平面反射
鏡１３による虚像を表している。

【００１５】そして、この等価光学系を用いれば、Ｘ平
面反射鏡１３にレーザビームが入射することは、第２Ｘ
平面反射鏡虚像１３１に入射することと等価である。こ
こで、Ｘ平面反射鏡１３が、Ｙ１軸を中心に角度δだけ
回動したとすると、これからの反射ビームは、第２Ｘ平
面反射鏡虚像１３１からの反射ビームの経路から明らか
なように、紙面内で角度２δだけ振られる。次に、この
反射ビームは、Ｙ平面反射鏡１５に達する。そして、Ｙ
平面反射鏡１５にレーザビームが入射することは、第１
Ｙ平面反射鏡虚像１５０に入射することと等価であり、
Ｙ平面反射鏡１５ （第１Ｙ平面反射鏡虚像１５０）の
回動軸（Ｘ１軸）は、Ｙ１軸に直交しているので、反射
ビームの紙面内の成分には影響を与えず、等価光学系で
はそのまま進み、Ｘ平面反射鏡１３に達する。

【００１６】この際、Ｘ平面反射鏡１３は角度δ回動し
ているので、レーザビームは更に角度２δだけ振られ、
全体で４δ振られて顕微鏡ＭＳに入射することになる。
ここで、同図から明らかなように、第２Ｘ平面反射鏡虚
像１３１と第１Ｙ平面反射鏡虚像１５０との距離および
第１Ｙ平面反射鏡虚像１５０とＸ平面反射鏡１３との距
離は共にＸ平面反射鏡１３とＹ平面反射鏡１５との距離
Ｄに等しいので、顕微鏡ＭＳ側から観察すると、４δの
角度で出射される光線は、第２Ｘ平面反射鏡虚像１３１
とＸ平面反射鏡１３との中間点、すなわち第１Ｙ平面反
射鏡虚像１５０の位置から出射されることと等価であ
る。よって、紙面に垂直な方向に振れる成分は、Ｙ平面
反射鏡１５の回動によって生じるので、その振れ角中心
は等価光学系では第１Ｙ平面反射鏡虚像１５０の位置、
すなわち紙面内に振られる成分の振れ角中心と一致す
る。

【００１７】以上、説明したように、本実施例のレーザ
走査装置によれば、レーザビームのＸ−Ｙ走査の際に、
Ｘ平面反射鏡１３とＹ平面反射鏡１５とから構成される
光学系において、それぞれの軸方向に走査を行う場合の
振れ角中心は一致するので、顕微鏡ＭＳの瞳面内でレー
ザビームが横振れすることがない。また、付加的効果と
して、同一の振れ角を得るのにＸ平面反射鏡１３の回動
角は１／２で済むこととなり、したがって、低消費エネ
ルギーでスキャナ（Ｘ平面反射鏡１３とＹ平面反射鏡１
５）を高速走査することができる。さらに、スキャナー
の回動角が小さいので、ビーム走査の直線性を高精度に
保持することが可能である。

【００１８】このようなレーザ走査装置は、高精度を要
する種々の装置に適用され得る。図３は、図１に記載の
レーザ走査装置を用いた反射型レーザ顕微鏡の斜視構成
を示す図である。この反射型レーザ顕微鏡は、試料２０
からの反射光を検出する構成としたものである。レーザ
光源１１から出射された光ビームはレーザ光源１１とＸ
平面反射鏡１３との光路上に設けられたハーフミラー２
６を介してＸ平面反射鏡１３に入射する。そして、この
光は図１の透過型レーザ顕微鏡と同様の経路を辿って試
料２０に到達する。試料２０からの反射光は、入射時と
同じ経路を溯ってハーフミラー２６に再到達し、ここで
反射されてハーフミラー２６の反射光経路上に設置され
た光検出器２３で検出される。以下、光検出器２３から
の出力信号は、図１の透過型レーザ顕微鏡と同様に処理
され、ＣＲＴ等２５上に試料２０の拡大像が表示され
る。なお、Ｘガルバノ駆動機構１２およびＹガルバノ駆
動機構１４もこの透過型レーザ顕微鏡のものと同等に制
御される。

【００１９】また、略同様の構成でハーフミラー２６を
ダイクロイックミラーにて構成することにより、試料２
０からの螢光を光検出器２３で検出し、螢光顕微鏡を構
成することができる。

【００２０】また、図４は図１に示したレーザ走査装置
を用いたレーザ描画装置の斜視構成を示す図である。レ
ーザ光源１１から出射された光ビームはレーザ光源１１
とＸ平面反射鏡１３との光路上に設けられた液晶シャッ
ター２７を介してＸ平面反射鏡１３に入射する。そし
て、この光は図１の透過型レーザ顕微鏡と同様の経路を
辿って試料２０に到達する。そして、試料２０に描画を
行う場合には、制御装置２４内のフレームメモリーに蓄
積されている映像信号の読み出しに同期して、Ｘガルバ
ノ駆動機構１２およびＹガルバノ駆動機構１４を駆動し
試料２０に照射されるレーザ光を走査するとともに、液
晶シャッター２７を制御して液晶シャッター２７を透過
するレーザ光源１１からのレーザ光を制御する。そし
て、この描画は、例えば特定の波長の光に感応するフォ
トレジストを試料２０の表面に塗布した後、この波長成
分を有するレーザ光を試料２０に照射することにより、
行うことが可能である。

【００２１】また、光モジュレータとしての液晶シャッ
ター２７は、これの代わりに音波による光の回折を利用
したＡＯＭ（音響光学変調素子）を用いることとしても
よい。ＡＯＭは、これに印加する高周波により、一種の
可変回折格子として動作するため、特定周波数成分を有
した光を選択的にＸ平面反射鏡１３に入射することがで
きる。そして、多波長発振レーザ（例えば、アルゴンイ
オンレーザ）を使うと、このような変調を行うことによ
り、感応波長帯の異なるフォトレジストを多層に積層し
た後に波長選択されたレーザ光を試料２０に照射して３
次元的な描画を行うこともできる。なお、レーザ光源１
１としては、Ｈｅ−Ｎｅレーザや半導体レーザを用いる
ことができる。そして、レーザ光源１１として半導体レ
ーザを用いた場合には、液晶シャッター２７を用いず
に、半導体レーザに供給する駆動電流を制御装置２４で
制御することによっても描画を行うことが可能である。
また、レーザ光源１１からの高出力の光を出射すること
により、かかるレーザ描画装置をレーザ加工機とするこ
とができる。

【００２２】しかしながら、第１実施例のレーザ走査装
置を図１または図３〜４のような実際の装置に適用する
場合には、いくつかの改良すべき点がある。その１つ
は、レーザ走査装置の実装体積の低減である。本発明の
第２実施例に係るレーザ走査装置は、第１実施例にこの
ような改善を施したものである。本実施例の構成を図５
に示す。

【００２３】本実施例は、図１に記載したレーザ走査装
置のＸ平面反射鏡１３とＹ平面反射鏡１５の回動軸を入
れ替えた構造を有している。すなわち、Ｘ平面反射鏡１
３は、図１のＸ１軸を中心に回動し、Ｙ平面反射鏡１５
は図１のＹ１軸を中心に回動する。そして、Ｘ平面反射
鏡１３の回動軸（Ｘ１軸）は、Ｘ平面反射鏡１３の長手
方向と一致しているので、これの慣性モーメントが小さ
く、振幅が１／２で済むことと相俟って低消費電力で高
速走査が可能である。さらに、Ｙ平面反射鏡１５の回動
軸（Ｙ１軸）が紙面に垂直であるので、Ｙ平面反射鏡１
５と図示しないＹ平面反射鏡１５駆動用のＹガルバノ駆
動機構とから構成されるミラー駆動機構（ガルバノメー
タ等）が光路を妨害することがない。そして、このよう
な構成とすることによって、実装体積の低減が可能とな
る。

【００２４】レーザ走査装置を実際のレーザ走査装置鏡
に搭載する場合のいま１つの改善点としては、レーザビ
ームの入射方向と出射方向を設定する際の自由度の増加
である。本発明の第３および第４実施例は、かかる改善
を行うとともに、装着容積の低減をさらに図ったもので
ある。

【００２５】本発明の第３実施例に係るレーザ走査装置
の構成を図６に示す。本実施例は、第１実施例のＸ平面
反射鏡１３に代えて、２枚の鈍角に交わる平面反射鏡か
ら構成されるＸ平面反射鏡４１３を採用したものであ
る。なお、このＸ平面反射鏡４１３の回動軸（Ｙ１軸）
は、これらの平面反射鏡の交線と一致している。同図に
示すように、このような構成とすることによって、レー
ザ光源１１を顕微鏡ＭＳ内を通過する光の光軸に対して
垂直に配置することができる。

【００２６】本発明の第４実施例に係るレーザ走査装置
の構成を図７に示す。本実施例は、レーザ光源１１をそ
の出射ビームの方向が、顕微鏡ＭＳ内を通過する光の光
軸方向と略一致するように配置するとともに、第１実施
例のＸ平面反射鏡１３に代えて、２枚の直角に交わる平
面反射鏡から構成されるＸ平面反射鏡５１３を採用し、
Ｙ平面反射鏡１５の回動軸（Ｘ１軸）の方向をレーザ光
源１１からの出射ビーム方向と一致させたものである。
なお、Ｘ平面反射鏡５１３の回動軸（Ｙ１軸）は、これ
らを構成する平面反射鏡の交線と一致している。以上、
第４および第３実施例によれば、Ｘ平面反射鏡５１３を
構成する平面反射鏡の交差角度を調整することにより、
レーザ光源１１からの出射ビームと顕微鏡ＭＳへの入射
ビームの位置を任意に設定することが可能である。

【００２７】また、本発明は上記実施例に限られるもの
ではなく、上記第１〜第４実施例に用いたＹ平面反射鏡
１５は、これと同一の回転軸を有する特公平５−１４８
８４号公報に開示されているような回転多面鏡を用いる
こととしてもよい。なお、上記第２〜４実施例のレーザ
走査装置は、図３および図４に示したような、反射型レ
ーザ顕微鏡、螢光顕微鏡、レーザ描画装置、レーザ加工
機に適用することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、直交する
Ｘ方向とＹ方向の走査の際に、第１の反射鏡と第２の反
射鏡によるビームの振れ角中心は一致するので、ビーム
が横振れすることがない。そして、第１の反射鏡が、こ
れの回動軸を交線として所定角度で交差した１対の平面
反射鏡から構成されている場合には、ビームの入射方向
を任意に設定することができるばかりでなく、装置全体
を小型化することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るレーザ走査装置を用
いた透過型レーザ顕微鏡の斜視構成を示す図である。

【図２】図１に示したレーザ走査装置の等価光学系を示
す図である。

【図３】本発明の第１実施例に係るレーザ走査装置を用
いた反射型レーザ顕微鏡の斜視構成を示す図である。

【図４】本発明の第１実施例に係るレーザ走査装置を用
いたレーザ描画装置の斜視構成を示す図である。

【図５】本発明の第２実施例に係るレーザ走査装置の構
成を説明するための説明図である。

【図６】本発明の第３実施例に係るレーザ走査装置の構
成を説明するための説明図である。

【図７】本発明の第４実施例に係るレーザ走査装置の構
成を説明するための説明図である。

【図８】従来のレーザ走査装置の斜視構成を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１１，１０１…レーザ光源、１２，１０２…Ｘガルバノ
駆動機構、１３，４１３，５１３，１０３…Ｘ平面反射
鏡、１４，１０４…Ｙガルバノ駆動機構、１５，１０５
…Ｙ平面反射鏡、１６，１７，１０６，１０７…接眼レ
ンズ、１８，１９，１０８…対物レンズ、２０，１０９
…試料、２１…鏡筒、２２…集光レンズ、２３…光検出
器、２４…制御装置、２５…ＣＲＴ、２６…ハーフミラ
ー、２７…液晶シャッター、ＭＳ…顕微鏡、１３０…第
１Ｘ平面反射鏡虚像、１３１…第２Ｘ平面反射鏡虚像、
１５０…第１Ｙ平面反射鏡虚像。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射されたビームを２次元に走査するレ
   ーザ走査装置であって、 ビームの走査方向に直交する第１の回動軸を中心に回動
   可能であり、前記ビームが入射される第１の反射鏡と、 前記第１の回動軸に直交する第２の回動軸を中心に回動
   可能な第２の反射鏡と、を備え、 前記第１の反射鏡から反射されたビームが前記第２の反
   射鏡に入射し、前記第２の反射鏡で反射されたビームが
   再度前記第１の反射鏡に入射するようにしたことを特徴
   とするレーザ走査装置。
2. 【請求項２】 前記第１の反射鏡が、前記第１の回動軸
   を交線として所定角度で交差した１対の平面反射鏡から
   構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレー
   ザ走査装置。