KR100854175B1 - 레이저 집광 광학계 - Google Patents

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KR100854175B1
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올림푸스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 레이저 집광 광학계는 레이저 광을 출사하는 레이저 광원과; 이 레이저 광원과 매질 사이에 배치되어 상기 레이저 광을 매질 중에 집광시키는 동시에 집광점으로부터의 광을 재집광하는 집광 광학계와; 이 집광 광학계에 의해 재집광된 상기 광을 검출하는 광 검출기와; 상기 레이저 광의 레이저 발산점의 위치 및 상기 광 검출기의 위치를 상기 레이저 광이 집광되는 상기 매질의 굴절률 및 상기 매질의 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서, 상기 레이저 광의 광축 상을 따라 이동 가능한 레이저 발산점 이동 수단을 구비한다.
Figure R1020067017592
레이저 광 광속, 레이저 집광 광학계, 포토 디텍터, 광학계, 관찰 광학계

Description

레이저 집광 광학계{LASER FOCUSING OPTICAL SYSTEM}
본 발명은 레이저 광을 매질 중의 다른 부분에 집광시키는 레이저 집광 광학계에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 광학계의 동면(瞳面) 내에 입사하는 광량, 광량 분포를 일정하게 한 상태에서 광원 위치를 바꿀 수 있는 광학계에 관한 것이다. 특히, 매질 중의 깊이가 다른 부분에 집광시킬 수 있는 최적의 광학계, 혹은 집광 위치를 바꾸는 데 적합한 광학계에 관한 것이다.
본 출원은 일본 특허 출원 제2004-132996호와, 일본 특허 출원 제2004-132994호를 기초 출원으로 하여 그 내용을 받아들이는 것으로 한다.
종래부터, 매질 중의 다른 깊이 부분에 집광시키고자 하는 요구가 있지만, 이 경우, 구면수차의 발생을 초래하게 된다. 예를 들어, 생물 분야에 있어서, 현미경 표본을 제작하는 경우에는, 대부분의 경우, 슬라이드 글래스 상에 시료를 두고, 그 위에 커버 글래스를 적재하여 봉입하는 커버 글래스가 부착된 표본이 일반적이지만, 커버 글래스의 두께가 다른 표본을 현미경으로 관찰하는 경우에 상술한 구면수차가 발생하게 된다. 또한, LCD용 글래스에는 두께가 다른 것이 있어, 기판 넘어로 관찰하는 경우에도 구면수차가 발생하게 된다. 또한, 다른 두께(깊이) 사 이에서 구면수차량이 다르면, 집광 성능이 변화(열화)하게 되는 문제가 있었다.
그래서, 종래부터 구면수차의 보정을 행하여 집광 성능의 변화를 억제하면서 상술한 바와 같은 두께가 다른 부분에 집광시키기 위해 다양한 기술이 채용되고 있다.
그 중 하나로서, 예를 들어 두께가 다른 평행 평판 글래스를 대물 렌즈 등의 집광 광학계의 선단부에 착탈 가능하게 배치하는 것이 알려져 있다.
또한, 예를 들어 배율이 40배 정도, 개구수(NA)(Numerical Aperture)가 0.93인 초광시야의 범위에 걸쳐서 모든 수차가 양호하게 보정되고, 커버 글래스 두께의 변동에 의한 성능 열화도 적은 현미경용 보정 고리가 부착된 대물 렌즈가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
또한, 포커싱 거리 무한대(No Power Lens)의 구면수차 보정 광학계를 광축 방향으로 이동시켜 구면수차를 보정하는 광학계도 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조)
또한, 도32에 도시한 바와 같이, 대물 렌즈(250)와 광원(251) 사이에 구면수차 보정 렌즈(252)를 배치하고, 이 구면수차 보정 렌즈(252)를 광축을 따라 이동시킴으로써 구면수차를 보정하는 현미경 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 3 참조).
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평5-119263호 공보(도1 등)
특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2003-175497호 공보(도1 등)
특허문헌 3 : 일본 특허 공개 제2001-83428호 공보(도1 등)
그런데, 상술한 구면수차 보정 중 평행 평판 글래스를 이용한 것은 평행 평판 글래스의 경사 등에 의한 성능 열화가 크다. 그로 인해, 평행 평판을 보유 지지하는 프레임에 고정밀도가 요구되고, 또한 평행 평판의 프레임에의 고정도 정밀도가 필요하게 되므로 고가가 된다. 또한, 작은 WD(Work Distance) 중에서, 수동에 의해 교환을 행할 필요가 있어, 이것이 상당히 번거로운 작업이었다. 또한, 연속 가변을 행하는 것이 어려웠다.
또한, 상기 특허문헌 1에 기재된 보정 고리 대물 렌즈에서는 고정밀도이기 때문에 가격이 비싸 저비용화를 도모할 수 없다. 또한, 집광 위치에 따라서 자동으로 구면수차량을 조정하는 것이 어려워 자동화에의 대응이 곤란한 것이다.
또한, 상기 특허문헌 2에 기재된 광학계에서는, 포커싱 거리가 무한대인 렌즈로 보정을 행하기 때문에, 구면수차를 보정한 경우라도 집광 위치는 변화되지 않는다. 매질 중의 다른 부분에 집광하고자 하면 반드시 WD가 바뀌고, WD 일정 하에서의 수차 보정을 행할 수 없었다. 또한, 빔 확장기 이외에 구면수차 보정 광학계가 필요해지므로, 구성이 복잡하고 부품 개수가 많아져 저비용화를 도모하는 것이 곤란했다.
또한, 상기 특허문헌 3에 기재한 현미경 장치에서는, 도32에 도시한 바와 같이 구면수차 보정 렌즈(252)를 광축 방향으로 이동시킴으로써 구면수차의 보정을 행할 수 있지만, 구면수차 보정 렌즈(252)의 이동에 수반하여 대물 렌즈(250)에 입사하는 광속 직경이 변화되어 버린다.
즉, 광속의 넓이가 변화되어 버린다. 그로 인해, 도33에 도시한 바와 같이 광량이 변화되어, 표본면 상에서의 밝기가 변화되어 버린다. 여기서, 화상 취득 수단이 있는 경우에는, 화상의 밝기를 검출하여 밝기에 따라 광원의 파워를 변화시킨다. 화상측에서 밝기를 제어하는 등에 의해 밝기를 일정하게 할 수 있지만, 장치 구성이 복잡해지는 등의 문제가 있다.
또한, 동면 내에서의 광량 분포가 있는 경우에는 광량 분포도 변화될 우려가 있었다. 이와 같은 광량 분포의 변화에 의해 집광 성능이 변화되는 문제가 있었다. 또한, 화상 취득 수단으로부터의 전기 신호를 기초로 하여 구면수차 보정 렌즈를 이동하므로 시간이 걸리는 것이었다.
한편, 관찰을 행할 때, 핀트 위치를 변경시키는 경우에는, 표본 등을 적재한 스테이지를 광축 방향으로 이동시키거나, 광학계 자체를 광축 방향으로 이동시키는 구성이 일반적으로 채용되고 있다.
그러나, 스테이지에 적재하는 표본에는 12인치 웨이퍼 등의 큰 것이 있어, 고정밀도로 위치를 이동시키기 위해서는 장치를 대형화시켜야만 했다. 또한, 광학계 자체를 이동시키는 경우에는 정밀도 좋게 이동시키는 것이 곤란했다.
본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것이며, 간단한 구성으로, 번거로운 일 없이 용이하게 구면수차 보정을 행할 수 있는 레이저 집광 광학계의 제공을 제1 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 간단한 구성으로, 번거로운 일 없이 광량 분포를 일정하게 한 상태에서 용이하게 구면수차 보정을 행할 수 있는 광학계를 제공하는 것을 제2 목적으로 한다. 또한, 이 제2 목적에 부가하여, 간단한 구성으로 집광 위치를 변 화시키는 것을 가능하게 하는 광학계를 제공하는 것도 목적으로 한다.
상기 제1 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 채용하였다.
즉, 본 발명의 레이저 집광 광학계는 레이저 광을 출사하는 레이저 광원과; 이 레이저 광원과 매질 사이에 배치되어 상기 레이저 광을 매질의 내부에 집광시키는 동시에 집광점으로부터의 광을 재집광하는 집광 광학계와; 상기 레이저 광의 레이저 발산점의 위치를 상기 레이저 광이 집광되는 상기 매질의 굴절률 및 상기 매질의 표면으로부터 집광시키는 상기 매질 내부의 위치까지의 거리에 따라서 상기 레이저 광의 광축 상을 따라 이동 가능한 레이저 발산점 이동 수단을 구비한다.
이 레이저 집광 광학계에 따르면, 집광 광학계에 의해 레이저 광원으로부터 출사된 레이저 광을 매질의 내부에 집광시키는 동시에 집광점으로부터 광의 재집광을 행할 수 있고, 광 검출기에 의해 재집광한 광의 검출을 행할 수 있다. 이 때, 레이저 광은 집광 광학계에 발산광 상태(비평행 광속 상태)에서 입사된다. 즉, 레이저 광원으로부터 발산광 상태에서 출사, 또는 레이저 광원으로부터 평행 광속 상태에서 출사된 후에 각종 렌즈 등의 광학계에 의해 발산광 상태로 변환되어 집광 광학계에 입사한다. 이와 같이, 레이저 광이 발산광 상태가 된 위치(점)를 발산점으로 하고 있다. 또한, 레이저 광을 집광시킬 때에, 광이 집광되는 매질의 굴절률 및 매질의 표면으로부터 집광시키는 매질 내부의 위치까지의 거리에 따라서 레이저 발산점 이동 수단에 의해 레이저 발산점의 위치 및 광 검출기의 위치를 레이저 광의 광축 상을 따라 이동시키므로, 매질 중의 깊이가 다른 부위에 레이저 광을 집광시켰다고 해도, 각각의 위치에 있어서 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있다. 따라서, 레이저 광을 원하는 매질의 깊이에 효율적으로 집광시킬 수 있어, 집광 성능의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있으므로, 수차가 적은 광을 재집광하여 정확한 관찰상을 얻을 수 있다. 따라서, 고정밀도로 매질 중의 관찰을 행할 수 있다.
특히, 레이저 발산점을 이동시킬 뿐으로, 종래와 같이 번거로운 일 없이 용이하게 구면수차 보정을 행할 수 있다. 또한, 종래의 보정 고리 대물 렌즈 등과 같이 특별한 광학계를 구비할 필요가 없으므로, 구성의 단순화를 도모할 수 있는 동시에 저비용화를 도모할 수 있다. 또한, 레이저 발산점을 이동시킬 뿐이므로, 연속 가변을 행하기 쉽고, 자동화에 대응하기 쉽다.
상기 레이저 광을 상기 집광 광학계의 광축에 대해 직교하는 방향을 향해 주사 가능한 주사 수단을 구비해도 좋다.
이 경우, 주사 수단에 의해 레이저 광도 주사를 행할 수 있으므로, 매질측을 이동시키지 않고 매질의 전체 영역에 걸쳐서 관찰을 행할 수 있다.
상기 레이저 발산점 이동 수단이 미리 측정된 상기 집광 광학계의 파면 데이터를 기초로 하여 레이저 발산점의 위치를 설정해도 좋다.
이 경우, 레이저 발산점 이동 수단이 미리 측정된 집광 광학계의 파면 데이터, 예를 들어 집광 광학계를 구성하고 있는 일부인 대물 렌즈의 파면 데이터나, 집광 광학계 전체의 파면 데이터를 고려하여 레이저 발산점의 위치를 설정하므로, 레이저 광의 집광 성능 및 관찰 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 집광 광학계에 연계되어 설치되고, 집광 광학계의 하면으로부터 상기 매질의 표면까지의 거리를 소정 거리로 유지하는 관찰 광학계를 구비하고, 이 관찰 광학계가 오토 포커스 검출 수단 또는 오토 포커스 기구를 구비해도 좋다.
이 경우, 관찰 광학계에 의해 집광 광학계의 하면(대물 렌즈의 하면)으로부터 매질의 표면까지의 거리를 소정 거리로 유지할 수 있으므로, 예를 들어 집광 광학계와 매질과의 수평 방향의 상대적인 이동, 즉 주사를 행할 때에, 매질 표면으로부터의 깊이를 원하는 깊이로 정확하게 제어할 수 있다.
상기 집광 광학계와 상기 매질의 표면과의 광축 방향의 상대적인 거리가 일정해도 좋다.
이 경우, 레이저 광이 집광되는 매질 깊이가 변화된 경우라도, 집광 광학계를 구성하고 있는 일부인 대물 렌즈와 매질의 표면과의 광축 방향의 상대적인 거리, 즉 WD(Work Distance)가 일정해지도록 설정되어 있으므로, 장치 구성을 간단하게 할 수 있는 동시에 관찰 속도를 높일 수 있다.
또한, 상기 제2 목적을 달성하기 위해 본 발명은 이하의 수단을 채용하였다.
즉, 본 발명의 광학계의 제1 태양은, 평행 광속 상태에서 광속을 사출하는 사출 수단과; 상기 광속을 집광하는 집광 광학계와; 상기 사출 수단과 상기 집광 광학계 사이의 상기 광속 중에 이 광속의 광축 방향을 따라 이동 가능하게 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제1 렌즈군과; 이 제1 렌즈군과 상기 집광 광학계 사이의 상기 광속 중에 고정된 상태에서 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제2 렌즈군과; 상기 광속을 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 상기 제1 렌즈군을 이동시키는 이동 수단을 구비하고, 상기 제2 렌즈군의 후방측 초점 길이가 상기 집광 광학계의 입사동 위치의 적어도 근방에 배치되어 있다.
이 광학계에 따르면, 사출 수단에 의해 평행 광속 상태에서 사출된 광속이 제1 렌즈군 및 제2 렌즈군에서 각각 굴절된 후, 집광 광학계에 입사하여 집광된다. 이 때, 이동 수단에 의해 제1 렌즈군을 광축 방향으로 이동시킴으로써, 광원 위치를 광축 방향으로 이동시킬 수 있다. 즉, 제1 렌즈군을 이동시킴으로써, 제2 렌즈군으로부터 본 광원 위치를 바꿀 수 있고, 또는 상기 집광 광학계로부터 본 실질적인 광원 위치의 변경을 행할 수 있다.
또한, 제1 렌즈군에 입사하는 광속은 평행 광속 상태이므로, 동면 내의 광량 분포를 일정하게 할 수 있다. 따라서, 집광 성능의 변화를 억제할 수 있다.
여기서, 도11을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 도11에 도시한 바와 같이, 제1 렌즈(제1 렌즈군)는 평행 광속 중에 배치되어 있고, 이 제1 렌즈가 광축을 따라 이동한 경우라도, 제1 렌즈에 입사하는 광선의 광축으로부터의 거리(s)가 일정하면, 제1 렌즈를 통과한 후의 광선의 각도(q)는 변화하지 않는다(평행임). 그들 각도가 변화하지 않는(평행한) 광선은 제2 렌즈(제2 렌즈군)의 후방측 초점면 상의 1점에 집광한다(반드시 통과함). 제2 렌즈의 후방측 초점 위치와 집광 광학계의 입사동 위치가 일치하도록 배치되어 있으므로, 제1 렌즈에 입사한 평행 광속은 제1 렌즈의 위치에 관계없이 집광 광학계의 입사동 위치에서 항상 동일한 광속 직경이 되고, 집광 광학계에서 흐려지지 않고 집광한다.
즉, 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서, 제1 렌즈군을 이동시킴으로써, 집광 광학계에 의한 집광 위치를 광축 방향으로 이동할 수 있다. 또한, 제2 렌즈군에 의해 집광 광학계에 입사하는 광속 직경을 변화시키는 일이 없으므로, 종래와 같은 집광 위치에서의 광량의 변화나 동면 내에서의 광량 분포의 변화를 대략 0으로 할 수 있다.
또한, 도11에 있어서는, 제2 렌즈(제2 렌즈군)의 후방측 초점 위치를 집광 광학계의 입사동 위치에 일치시킴으로써, 집광 위치에서의 광량의 변화나 동면 내의 광량 분포의 변화를 대략 0으로 할 수 있지만, 이들 2개의 위치를 서로 근방에 위치시킴(즉, 제2 렌즈의 후방측 초점 위치를 집광 광학계의 입사동 위치의 적어도 근방에 배치시킴)으로써, 동등한 효과를 얻을 수 있다. 보다 구체적으로 도12를 참조하여 설명한다.
도12에 도시한 바와 같이, 제2 렌즈(제2 렌즈군)의 후방측 초점 위치와 집광 광학계의 입사동 위치와의 어긋남량을 d1, 제2 렌즈의 초점 거리를 f2, 제1 렌즈(제1 렌즈군)가 이동하였을 때의 집광 광학계에 입사하는 광속 직경의 변동률(제2 렌즈의 후방측 초점 위치에서의 광속 직경을 기준)을 x ％라 하면,
x ＝ 100 × (d1 × d)/(f22)로 나타낸다.
즉, 이 식을 다시 쓰면, d1 ＝ (f22)/d × (x/100)이 된다.
여기서, 제2 렌즈의 후방측 초점 위치와 집광 광학계의 입사동 위치가 일치한 경우에는, d1 ＝ 0이 된다. 즉, 제1 렌즈가 이동해도 집광 광학계에 입사하는 광속 직경은 변화하지 않는다(x ＝ 0).
이 상태로 배치하는 것이 가장 좋지만, d1 ≤ 0.2 × f22/d로 함으로써, 광속 직경의 변동률(x) ≤ 20(±10 ％ 이하)을 확보할 수 있다.
또는, d1 ≤ 0.1 × f22/d로 함으로써, 광속 직경의 변동률(x) ≤ 10(± 5 ％ 이하)으로 할 수 있다.
더욱 바람직하게는, d1 ≤ 0.06 × f22/d로 함으로써, 광속 직경의 변동률(x) ≤ 6(±3 ％ 이하)을 확보할 수 있다.
또한, 제1 렌즈군을 이동시킴으로써, 광원 위치의 변경을 행할 수 있으므로, 종래와 같이 집광 광학계나 스테이지 등을 광축 방향으로 움직일 필요가 없다. 따라서, 구성의 단순화를 도모할 수 있고, 번거로운 일 없이 용이하게 구면수차 보정을 행할 수 있다. 또한, 종래의 보정 고리 대물 렌즈 등과 같이 특별한 광학계를 구비할 필요가 없기 때문에 구성의 단순화를 도모할 수 있고, 저비용화를 도모할 수 있다.
상기 집광 광학계가 상기 광속을 매질 중에 집광시키고, 상기 이동 수단이 집광시키는 상기 매질의 굴절률 및 매질 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 상기 제1 렌즈군을 이동시켜도 좋다.
이 경우, 이동 수단이 집광시키는 매질의 굴절률 및 매질 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 제1 렌즈군을 이동시키므로, 보다 정확하게 매질의 표면으로부터 원하는 깊이에 광속을 집광시킬 수 있는 동시에, 구면수차의 발생량을 보다 억제할 수 있다. 따라서, 집광 성능의 향상을 도모할 수 있다.
상기 사출 수단이 레이저 광을 사출하는 레이저 광원을 구비해도 좋다.
상기 광학계를 갖는 광핀셋 광학계를 채용해도 좋다.
상기 제1 렌즈군과 상기 제2 렌즈군의 포커싱 거리를 │f│라 한 경우, 상기 이동 수단이 상기 제1 렌즈군을 하기식을 충족시키는 위치로 이동시켜도 좋다.
1/│f│ ＜ 0.01
상기 제2 렌즈군의 초점 거리를 f2라 한 경우, 상기 제2 렌즈군이 하기식을 충족시켜도 좋다.
f2 ＞ 0
상기 제1 렌즈군의 초점 거리를 f1, 상기 제2 렌즈군의 초점 거리를 f2라 한 경우, 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군이 하기식을 충족시켜도 좋다.
f1 ＜ 0
또한, 1 ≤ │f2/f1│ ≤ 5
상기 제1 렌즈군의 초점 거리를 f1, 상기 제2 렌즈군의 초점 거리를 f2라 한 경우, 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군이 하기식을 충족시켜도 좋다.
f1 ＞ 0
또한, 0.5 ≤ │f1/f2│ ≤ 2
또한, 본 발명의 광학계의 제2 태양은, 레이저 광을 사출하는 레이저 광원과; 이 레이저 광원으로부터 사출된 상기 레이저 광의 광속을 평행 광속으로 하는 평행 광속 수단과; 상기 평행 광속 상태의 상기 레이저 광을 매질 중에 집광시키는 동시에 집광점으로부터의 광을 재집광하는 집광 광학계와; 상기 매질 중에서의 집광점을 상기 레이저 광의 광축 방향에 대해 수직인 방향으로 주사 가능한 주사 수단과; 상기 레이저 광원과 공액인 위치에 배치되어 상기 집광 광학계에 의해 재집광된 상기 광을 검출하는 광 검출기와; 상기 평행 광속 수단과 상기 집광 광학계 사이의 상기 평행 광속 중에 이 평행 광속의 광축 방향을 따라 이동 가능하게 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제1 렌즈군과; 이 제1 렌즈군과 상기 집광 광학계 사이의 상기 평행 광속 중에 고정된 상태에서 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제2 렌즈군과; 상기 레이저 광이 집광되는 상기 매질의 굴절률 및 매질 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 상기 제1 렌즈군을 이동시키는 이동 수단을 구비하고, 상기 제2 렌즈군의 후방측 초점 길이가 상기 집광 광학계의 입사동 위치의 적어도 근방에 배치되어 있다.
이 광학계에 따르면, 레이저 광원으로부터 사출된 레이저 광이 평행 광속 수단에 의해 평행 광속으로 변환되어 제1 렌즈군에 입사하고, 이 제1 렌즈군 및 제2 렌즈군에서 각각 굴절된 후, 집광 광학계에 의해 매질 중에 집광되는 동시에, 재집광되어 광 검출기에 의해 검출된다. 이 때, 이동 수단에 의해 제1 렌즈군을 광축 방향으로 이동시킴으로써, 광원 위치를 광축 방향으로 이동시킬 수 있다. 즉, 제1 렌즈군을 이동시킴으로써, 제2 렌즈군으로부터 본 광원 위치를 바꿀 수 있고, 또한 상기 집광 광학계로부터 본 실질적인 광원 위치의 변경을 행할 수 있다. 이에 의해, 매질 중의 깊이에 따라서 구면수차를 최대한 억제할 수 있다.
또한, 제1 렌즈군에 입사하는 광속은 평행 광속 상태이므로, 제1 렌즈군을 광축 방향으로 이동시켜 각 위치에서 광속을 굴절시켰다 해도, 광속을 동일한 굴절각으로 사출한다.
또한, 제2 렌즈군은 후방측 초점 위치가 집광 광학계의 입사동 위치의 적어도 근방에 배치되어 있으므로, 제2 렌즈군에 입사한 광은 확실하게 집광 광학계에 의해 집광된다. 여기서, 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 제1 렌즈군을 이동시킴으로써, 제2 렌즈군에 입사하는 위치를 변경할 수 있으므로, 원하는 집광점에서의 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있다. 또한, 제2 렌즈군에 의해 광속을 변화시키지 않고 확실하게 집광 광학계에 입사 가능하므로, 종래와 같이 광량의 변화나 동면 내의 광량 분포가 변화되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 집광 광학계로의 입사 광량을 일정하게 할 수 있는 동시에, 동면 내의 광량 분포를 일정하게 할 수 있어, 밝기, 집광 성능의 변화를 억제할 수 있다. 따라서, 집광 성능의 변화를 억제할 수 있다.
이와 같이, 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있으므로, 수차가 적은 광을 재집광하여 정확한 관찰상을 얻을 수 있다. 따라서, 고정밀도로 매질 중의 관찰을 행할 수 있다. 또한, 주사 수단에 의해 집광점의 주사를 행할 수 있으므로, 매질의 전체 영역에 걸쳐서 관찰을 행할 수 있다.
또한, 제1 렌즈군을 이동시킴으로써 광원 위치의 변경을 행할 수 있으므로, 종래와 같이 집광 광학계나 스테이지 등을 움직일 필요가 없다. 따라서, 구성의 단순화를 도모할 수 있어, 번거로운 일 없이 용이하게 구면수차 보정을 행하면서 매질 중의 관찰을 행할 수 있다. 또한, 종래의 보정 고리 대물 렌즈 등과 같이 특별한 광학계를 구비할 필요가 없기 때문에 구성의 단순화를 도모할 수 있고, 저비용화를 도모할 수 있다.
상기 주사 수단이 갈바노 미러라도 좋다.
본 발명의 광학계의 제3 태양은, 레이저 광을 사출하는 레이저 광원과; 이 레이저 광원으로부터 사출된 상기 레이저 광의 광속을 평행 광속으로 하는 평행 광속 수단과; 상기 평행 광속 상태의 상기 레이저 광을 매질 중에 집광시키는 동시에 집광점으로부터의 광을 재집광하는 집광 광학계와; 상기 레이저 광원과 공액인 위치에 배치되어 상기 집광 광학계에 의해 재집광된 상기 광을 검출하는 광 검출기와; 상기 평행 광속 수단과 상기 집광 광학계 사이의 상기 평행 광속 중에 이 평행 광속의 광축 방향을 따라 이동 가능하게 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제1 렌즈군과, 상기 제1 렌즈군과 상기 집광 광학계 사이의 상기 평행 광속 중에 고정된 상태에서 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제2 렌즈군과; 상기 레이저 광이 집광되는 상기 매질의 굴절률 및 매질 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 상기 제1 렌즈군을 이동시키는 이동 수단을 구비하고, 상기 제2 렌즈군의 후방측 초점 길이가 상기 집광 광학계의 입사동 위치의 적어도 근방에 배치되어 있다.
상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군이 광로 중으로부터 삽입 분리 가능해도 좋다.
상기 집광 광학계와 상기 매질 표면과의 광축 방향의 상대적인 거리가 일정해도 좋다.
또한, 본 발명의 수차 보정 광학계의 제1 태양은 광원으로부터의 광속을 집광하는 광학계이며, 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈가 배타적으로 광로 중에 삽입 분리 가능하게 배치하였다.
2(d2 ＋ l × f － l × d)NA ＝ f × a
단, d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리
l ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 광원 위치까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 길이
NA ; 광원의 개구수(집광 렌즈로부터 본 개구수)
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
또한, 본 발명의 레이저 주사 광학계의 제1 태양은 수렴ㆍ발산 광학계 중에 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈를 광로 중에 배타적으로 삽입 분리 가능하게 배치하였다.
2(d2 ＋ l × f － l × d)NA ＝ f × a
단, d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리
l ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 광원 위치까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 위치
NA ; 광원의 개구수(집광 렌즈로부터 본 개구수)
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
또한, 본 발명의 레이저 주사 현미경은 상기 레이저 주사 광학계를 구비해도 좋다.
또한, 본 발명의 광핀셋의 제1 태양은 수렴ㆍ발산 광학계 중에 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈를 광로 중에 배타적으로 삽입 분리 가능하게 배치하였다.
2(d2 ＋ l × f － l × d)NA ＝ f × a
단, d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리
l ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 광원 위치까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 길이
NA ; 광원의 개구수(집광 렌즈로부터 본 개구수)
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
또한, 본 발명의 수차 보정 광학계의 제2 태양은 평행 광속을 사출하는 광원과, 평행 광속을 집광하는 광학계를 포함하는 집광 광학계이며, 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈를 광로 중에 배타적으로 삽입 분리 가능하게 배치하였다.
b(f － d)/f ＝ a
단, b ; 광원으로부터의 평행 광속 직경
d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 길이
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
또한, 본 발명의 레이저 주사 광학계의 제2 태양은 평행 광속 중에 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈를 광로 중에 배타적으로 삽입 분리 가능하게 배치하였다.
b(f － d)/f ＝ a
단, b ; 광원으로부터의 평행 광속 직경
d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 길이
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
또한, 본 발명의 광핀셋은 평행 광속 중에 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈를 광로 중에 배타적으로 삽입 분리 가능하게 배치하였다.
b(f － d)/f ＝ a
단, b ; 광원으로부터의 평행 광속 직경
d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 길이
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
본 발명에 관한 집광 광학계에 따르면, 집광시키는 매질의 굴절률 및 매질의 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 레이저 발산점 이동 수단에 의해 레이저 발산점을 레이저 광의 광축 상을 따라 이동시키므로, 매질 중의 깊이가 다른 각각의 위치에서 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있다. 따라서, 레이저 광을 원하는 매질의 깊이에 효율적으로 집광시킬 수 있고, 집광 성능의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 구면수차가 적은 광을 재집광하여 정확한 관찰상을 얻을 수 있으므로, 고정밀도로 매질 중의 관찰을 행할 수 있다. 특히, 레이저 발산점을 이동시킬 뿐이므로, 종래와 같이 번거로운 일 없이 용이하게 구면수차 보정을 행할 수 있는 동시에 특별한 광학계를 구비할 필요가 없으므로, 구성의 단순화를 도모할 수 있는 동시에 비용화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 광학계에 따르면, 매질 중의 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 제1 렌즈군을 이동시킴으로써, 제2 렌즈군에 입사하는 광속의 위치를 바꾸는, 즉 집광 광학계로부터 본 실질적인 광원 위치의 변경을 행할 수 있으므로, 원하는 집광점에서의 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있다. 또한, 후방측 초점 길이가 집광 광학계의 입사동 위치에 일치한 제2 렌즈군에 의해 집광 광학계의 입사동에 입사하는 광속 직경을 변화시키지 않으므로, 종래와 같이 광량의 변화나, 동면 내에서의 광량 분포가 변화하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 집광 성능의 변화를 억제할 수 있다.
또한, 제1 렌즈군을 이동시키는 것만으로 광원 위치의 변경을 행할 수 있으므로, 구성의 단순화를 도모할 수 있고, 번거로운 일 없이 용이하게 구면수차 보정을 행할 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 레이저 집광 광학계를 도시하는 구성도이다.
도2는 제1 실시 형태의 레이저 집광 광학계에 의해 레이저 광을 표본면으로부터 깊이가 다른 위치에 조사하여 관찰을 행하는 경우의 흐름도의 일례이다.
도3의 (a) 내지 (c)는 제1 실시 형태의 레이저 집광 광학계에 의해, 레이저 광을 표본면으로부터 깊이가 다른 위치에 조사하고 있는 상태를 도시하는 도면으 로, (a)는 표본면으로부터 50 ㎛의 위치, (b)는 표본면으로부터 75 ㎛의 위치, (c)는 표본면으로부터 100 ㎛의 위치에 조사하고 있는 도면이다.
도4는 집광 광학계의 파면 데이터를 고려하여, 제1 실시 형태의 레이저 집광 광학계에 의해 레이저 광을 조사하는 경우의 흐름도의 일례이다.
도5는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 레이저 집광 광학계를 도시하는 구성도이다.
도6은 본 발명에 관한 레이저 집광 광학계의 다른 예를 나타내는 구성도이다.
도7은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 레이저 집광 광학계를 도시하는 구성도이다.
도8은 제3 실시 형태의 레이저 집광 광학계에 의해 레이저 광을 표본면으로부터 깊이가 다른 위치에 조사하는 경우의 흐름도의 일례이다.
도9는 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 레이저 집광 광학계를 도시하는 도면으로, 레이저 광을 표본면으로부터 깊이가 다른 위치에 조사하는 경우의 흐름도의 일례이다.
도10의 (a) 내지 (c)는 도9에 도시하는 흐름도에 의해 레이저 광을 표본면으로부터 깊이가 다른 위치에 조사한 상태를 도시하는 도면으로, (a)는 표본면으로부터 50 ㎛의 위치, (b)는 표본면으로부터 75 ㎛의 위치, (c)는 표본면으로부터 100 ㎛의 위치에 조사하고 있는 도면이다.
도11은 본 발명에 관한 광학계의 작용 효과를 설명하는 도면으로, 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 집광 광학계의 위치 관계를 나타내는 도면이다.
도12는 제4 실시 형태의 집광 광학계의 입사동 위치와 제2 렌즈의 후방측 초점 위치와의 관계를 나타내는 도면이다.
도13은 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 광학계를 도시하는 구성도이다.
도14는 제5 실시 형태의 광학계에 의해 광속을 원하는 위치에 집광시키는 경우의 흐름도의 일례이다.
도15의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 광학계에서 설명한 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 구체적 구성도이다.
도16은 본 발명에 관한 광학계의 제6 실시 형태를 도시하는 구성도이다.
도17은 본 발명에 관한 광학계의 제7 실시 형태를 도시하는 구성도이다.
도18의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 관한 광학계의 제7 실시 형태에서 설명한 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 구체적 구성도이다.
도19의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 관한 광학계의 제8 실시 형태를 도시하는 구성도이다.
도20은 본 발명에 관한 광학계의 제9 실시 형태를 도시하는 구성도이다.
도21은 제9 실시 형태의 광학계에 의해 광속을 원하는 위치에 집광시키는 경우의 흐름도의 일례이다.
도22의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 관한 광학계의 제9 실시 형태에서 설명한 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 구체적 구성도이다.
도23은 본 발명에 관한 광학계의 제10 실시 형태를 도시하는 구성도이다.
도24의 (a) 내지 (c)는 제10 실시 형태의 광학계에 의해 레이저 광을 매질의 표면으로부터 깊이가 다른 위치에 집광시키고 있는 상태를 도시하는 도면으로, (a)는 표면으로부터 50 ㎛의 위치, (b)는 표면으로부터 75 ㎛의 위치, (c)는 표면으로부터 100 ㎛의 위치에 집광시키고 있는 도면이다.
도25는 제10 실시 형태의 광학계의 변형예로, 2차원 갈바노 미러를 채용한 광학계의 일례를 나타내는 도면이다.
도26은 본 발명에 관한 광학계를 광핀셋 광학계에 채용한 일례를 나타내는 도면이다.
도27은 발산 광속 중에 복수의 볼록 렌즈를 삽입 분리 가능하게 배치한 광학계를 도시하는 도면이다.
도28은 수렴 광속 중에 복수의 볼록 렌즈를 삽입 분리 가능하게 배치한 광학계를 도시하는 도면이다.
도29는 평행 광속 중에 복수의 오목 렌즈를 삽입 분리 가능하게 배치한 광학계를 도시하는 도면이다.
도30은 평행 광속을 볼록 렌즈에서 수렴광으로 변환하여, 이 수렴광 중에 복수의 오목 렌즈를 삽입 분리 가능하게 배치한 광학계를 도시하는 도면이다.
도31은 도23에 도시한 광학계에 복수의 오목 렌즈를 삽입 분리 가능하게 조합한 광학계를 도시하는 도면이다.
도32는 종래의 구면수차의 보정을 설명하는 도면으로, 구면수차 보정 렌즈를 광축 방향으로 이동 가능한 광학계의 일예를 나타내는 도면이다.
도33은 도32에 도시하는 광학계에 의해 입사동 위치에서의 광량이 변화하는 상태를 도시한 도면이다.
[부호의 설명]
A : 매질
L, L' : 레이저 광, 광속
1, 25, 30 : 레이저 집광 광학계
2 : 레이저 광원
3 : 표본(매질)
4 : 집광 광학계
5 : 포토 디텍터(광 검출기)
5A : 핀 홀
6 : 레이저 발산점
7 : 주사 수단
31 : 관찰 광학계
101 : 광학계
103 : 집광 광학계
104 : 제1 렌즈(제1 렌즈군)
105 : 제2 렌즈(제2 렌즈군)
106 : 이동 수단
110 : 제2 렌즈군
115 : 제1 렌즈군
120 : 레이저 광학계(광학계)
122 : 결상 렌즈(평행 광속 수단)
123 : 집광 광학계
124 : 주사 수단
125 : 포토 디텍터(광 검출기)
135 : 2차원 갈바노 미러(주사 수단)
이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 레이저 집광 광학계를 도1 내지 도3의 (a) 내지 (c)를 참조하여 설명한다.
본 실시 형태의 레이저 집광 광학계(1)는 도1에 도시한 바와 같이 레이저 광(L)을 발산광 상태(비평행 광속 상태)에서 출사하는 레이저 광원(2)과, 이 레이저 광원(2)과 표본(매질)(3) 사이에 배치되어 레이저 광(L)을 표본 중에 집광시키는 동시에 집광점으로부터의 광을 재집광하는 집광 광학계(4)와, 레이저 광원(2)과 공액인 위치에 배치되어 집광 광학계(4)에 의해 재집광된 광을 핀 홀(5A)을 거쳐서 검출하는 포토 디텍터(광 검출기)(5)[핀 홀 디텍터]와, 레이저 광(L)의 레이저 발산점(6)의 위치, 즉 레이저 광원(2)의 위치를, 레이저 광(L)이 집광되는 표본(3)의 굴절률 및 표본면(표본의 표면)(3a)으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 레이저 광(L)의 광축 상을 따라 이동 가능한 레이저 발산점 이동 수단과, 핀 홀(5A)과 포토 디텍터(5)를, 이동한 레이저 발산점(6)에 대해 공액인 위치로 이동시키기 위한 핀 홀 디텍터 이동 수단과, 레이저 광(L)을 집광 광학계(4)의 광축에 대해 직교하는 방향(수평 방향, XY 방향)을 향해 주사 가능한 주사 수단(7)을 구비하고 있다.
또한, 표본(3)은 XY 방향으로 이동 가능한 도시하지 않은 스테이지 상에 적재되어 있다. 더욱이, 도1은 광학계의 전체 구성을 평면도로 도시하지만, 도면번호 99로 표시된 부분은 도1의 시트지에 수직이 되도록 배열된다.
상기 레이저 발산점 이동 수단은 제어부에 접속되어 있고, 이 제어부로부터의 신호를 받아 레이저 광원(2)을 이동함으로써 레이저 발산점(6)을 이동 가능하게 되어 있다. 또한, 핀 홀 디텍터 이동 수단은 제어부에 접속되어, 이 제어부로부터의 신호에 의해 레이저 발산점(6)에 대해 공액인 위치로 이동된다. 또한, 제어부는 소정의 정보를 입력 가능한 입력부와, 이 입력부에 의해 입력된 각 입력 정보(입력 데이터)를 기초로 하여 레이저 광원(2)의 이동량을 계산하는 계산부를 구비하고 있고, 계산 결과에 따라서 레이저 발산점 이동 수단에 신호를 보내 이동시키도록 되어 있다.
또한, 제어부는 레이저 발산점 이동 수단의 제어에 부가하여, 레이저 발산점(6)의 이동 종료 후에 레이저 광(L)을 출사시키도록 레이저 광원(2)의 제어도 동시에 행하도록 되어 있다.
상기 집광 광학계(4)는 레이저 광원(2)으로부터 출사된 레이저 광(L)을, 광축의 배향을 90도 변경하도록 반사시키는 하프 미러(10), 이 하프 미러(10)에 의해 반사된 레이저 광(L)을 개략 평행광으로 하는 결상 렌즈(11), 레이저 광(L)을 표본면(3a)에 수평한 일방향(X 방향)으로 주사할 수 있도록 다른 각도로 반사시키는 제 1 갈바노 미러(12), 이 제1 갈바노 미러(12)에서 반사된 레이저 광(L)을 릴레이 하는 제1 동(瞳) 릴레이 광학계(13), 제1 동 릴레이 광학계(13)를 통과한 레이저 광(L)을 표본면(3a)에 수평한 다른 방향(Y 방향)으로 주사할 수 있도록 다른 각도로 반사시키는 제2 갈바노 미러(14), 이 제2 갈바노 미러(14)에서 반사된 레이저 광(L)을 릴레이하는 제2 동 릴레이 광학계(15), 이 제2 동 릴레이 광학계(15)를 통과한 레이저 광(L)을 표본 내에 집광시키는 동시에, 집광점으로부터의 광을 재집광하는 대물 렌즈(16)를 구비하고 있다.
상기 제1 갈바노 미러(12) 및 제2 갈바노 미러(14)는 각각 중심 위치에 서로 직교하는 방향을 향하도록 배치된 회전축(12a, 14a)을 갖고 있고, 이 회전축(12a, 14a)의 축 주위에 소정 각도의 범위 내에서 진동하도록 구성되어 있다. 이 진동에 의해, 상술한 바와 같이 레이저 광(L)을 다른 각도로 반사 가능하게 되어 있다. 또한, 양 갈바노 미러(12, 14)의 조합에 의해 레이저 광(L)을 집광 광학계(4)의 광축 방향에 직교하는 방향(XY 방향)으로 주사 가능하게 되어 있다. 즉, 이들 양 갈바노 미러(12, 14)는 상기 주사 수단(7)으로서 기능하도록 되어 있다. 또한, 양 갈바노 미러(12, 14)는 제어부에 의해 진동(작동)이 제어되어 있다.
상기 핀 홀(5A) 및 포토 디텍터(5)는 하프 미러(10)의 후방측에 배치되어 있고, 제어부에 의해 제어되는 핀 홀 디텍터 이동 수단에 의해 레이저 광원(2)의 이동에 동기하여 광축 방향으로 이동하도록 되어 있다.
이와 같이 구성된 레이저 집광 광학계(1)에 의해 표본면(3a)으로부터 깊이가 다른 위치의 관찰을 행하는 경우에 대해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서 는, 표본면(3a)으로부터 예를 들어 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛의 위치의 관찰을 행하는 경우에 대해 설명한다.
우선, 표본면(3a)으로부터 깊이 50 ㎛의 위치의 관찰을 행하는 경우에는, 도2에 도시한 바와 같이 제어부의 입력부에 표본(3)의 굴절률, 표본면(3a)으로부터 집광시키는 위치까지의 거리, 즉 50 ㎛ 및 집광 광학계(4)의 개구수(NA)(Numerical Aperture)의 입력을 행한다(스텝 S1). 계산부는 이 입력 데이터를 기초로 하여 레이저 발산점(6)의 이동량, 즉 레이저 광원(2)의 이동량의 계산 및 대물 렌즈(16) 하면으로부터 표본면(3a)까지의 거리, 즉 WD치의 계산을 행한다(스텝 S2). 계산 종료 후, 제어부는 계산 결과를 기초로 하여 레이저 발산점 이동 수단을 레이저 광(L)의 광축 방향으로 이동시키도록 제어하여 레이저 광원(2)의 위치를 소정 위치로 이동시키는 동시에, 대물 렌즈(16)와 표본면(3a)과의 거리(WD : Work Distance)를 변화시킨다(스텝 S3).
레이저 광원(2)의 이동 및 WD의 변화의 종료 후, 제어부는 레이저 광원(2)에 신호를 보내 레이저 광(L)을 출사시킨다(스텝 S4). 출사된 레이저 광(L)은 하프 미러(10)에서 반사된 후, 결상 렌즈(11)에서 개략 평행광이 되어 제1 갈바노 미러(12)에 입사한다. 그리고, 제1 갈바노 미러(12)에 의해 표본면(3a)의 X 방향을 향해 다른 각도로 반사된다. 반사된 레이저 광(L)은 제1 동 릴레이 광학계(13)를 거쳐서 제2 갈바노 미러(14)에 의해 표본면(3a)의 Y 방향을 향해 다른 각도로 반사된다. 반사된 레이저 광(L)은 제2 동 릴레이 광학계(15)를 거쳐서 대물 렌즈(16)에 입사한다. 그리고, 도3의 (a)에 도시한 바와 같이, 대물 렌즈(16)에 의해 표본 면(3a)으로부터 50 ㎛의 위치에 집광된다.
이 때, 상술한 바와 같이 50 ㎛의 깊이에 따라서 레이저 광원(2)의 위치, 즉 레이저 발산점(6)의 위치를 조정하므로, 깊이 50 ㎛의 위치에 있어서의 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있고, 이 위치에 효율적으로 레이저 광(L)을 집광시킬 수 있다.
또한, 이 집광점으로부터의 광은 대물 렌즈(16)에 의해 재집광되어, 상술한 역의 광로를 통해 핀 홀(5A)을 거쳐서 포토 디텍터(5)에 의해 검출된다. 즉, 대물 렌즈(16)에서 재집광된 광은 제2 동 릴레이 광학계(15)의 통과, 제2 갈바노 미러(14)에 의한 반사, 제1 동 릴레이 광학계(13)의 통과, 제1 갈바노 미러(12)에 의한 반사, 결상 렌즈(11)의 통과 및 하프 미러(10)의 투과를 차례로 행한 후, 핀 홀(5A)을 거쳐서 포토 디텍터(5)에 의해 검출된다. 또한, 대물 렌즈(16)에 의해 재집광된 광은 레이저 광(L)이 통과한 광로와 동일 광로를 통과하도록 양 갈바노 미러에서 반사된다.
상술한 바와 같이, 구면수차의 발생량을 최대한 억제한 상태에서 집광점(표본면으로부터 깊이 50 ㎛의 위치)에 레이저 광(L)을 집광시키고 있으므로, 포토 디텍터(5)에 의해 오차가 적은 관찰상을 얻을 수 있다. 따라서, 고정밀도의 관찰을 행할 수 있다. 특히, 핀 홀(5A) 및 포토 디텍터(5)는 레이저 광원(2)의 이동에 동기하여 광축 방향으로 이동하고 있으므로, 다초점 효과에 의해 콘트라스트가 좋은 집광점의 관찰상을 얻을 수 있다.
또한, 양 갈바노 미러(12, 14)에 의해 레이저 광(L)을 표본면(3a)의 수평 방 향(XY 방향)을 향해 주사시키므로, 시야 범위의 전체에 걸쳐서 관찰을 행할 수 있다. 이 때, 표본(3)측(스테이지측)을 움직이지 않고, 시야 전체에 걸쳐서 주사를 행할 수 있다.
다음에, 표본면(3a)으로부터 깊이 75 ㎛ 또는 100 ㎛의 위치의 관찰을 행하는 경우에는, 상술한 경우와 마찬가지로 입력부에 표본면(3a)의 굴절률, 표본면(3a)으로부터 집광시키는 위치까지의 거리(75 ㎛ 또는 100 ㎛) 및 집광 광학계(4)의 NA의 입력을 행한다. 계산부에 의한 계산 종료 후, 제어부는 계산 결과를 기초로 하여 레이저 광원(2)을 레이저 광(L)의 광축 방향으로 이동시키도록 제어하여, 레이저 광원(2)의 위치를 소정 위치로 이동시킨다. 그 후, 레이저 광(L)을 출사시켜, 집광 광학계(4)에 의해 레이저 광(L)을 표본면(3a)으로부터 75 ㎛ 또는 100 ㎛의 위치에 집광시키는 동시에, 집광점으로부터의 광을 재집광하여 핀 홀(5A)을 거쳐서 포토 디텍터(5)에 의해 검출한다.
이 때, 상술한 바와 마찬가지로, 75 ㎛ 또는 100 ㎛의 깊이에 따라서 레이저 광원(2)을 이동시켜 레이저 발산점(6)의 위치를 조정하고 있으므로, 각 위치마다 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있고, 도3의 (b), 도3의 (c)에 도시한 바와 같이 레이저 광(L)을 75 ㎛ 또는 100 ㎛의 위치에 효율적으로 집광시킬 수 있다. 따라서, 오차가 적은 고정밀도의 관찰상을 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 실시 형태의 레이저 집광 광학계(1)에 따르면, 표본면(3a)으로부터 다른 깊이(50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛)에 레이저 광(L)을 집광시킬 때에, 표본(3)의 굴절률 및 표본면(3a)으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라 서 레이저 발산점 이동 수단에 의해 레이저 광원(2), 즉 레이저 발산점(6)을 광축 상을 따라 이동시키므로, 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있고, 각각의 각 깊이에 있어서 최적의 상태에서 효율적으로 레이저 광(L)을 집광시킬 수 있다. 따라서, 표본면(3a)으로부터의 깊이를 바꾸었다고 해도, 각 위치에서 오차가 적은 관찰상을 얻을 수 있어 표본(3)의 관찰을 고정밀도로 행할 수 있다. 또한, 핀 홀(5A) 및 포토 디텍터(5)는 레이저 광원(2)의 이동에 동기하여 광축 방향으로 이동하므로, 공통 초점 효과에 의해 콘트라스트가 좋은 관찰상을 얻을 수 있다.
또한, 레이저 광원(2)을 이동시키기만 하는 구성이므로, 종래와 같이 번거로운 일 없이 용이하게 구면수차 보정을 행할 수 있다. 또한, 종래의 보정 고리 대물 렌즈 등의 특별한 광학계를 필요로 하지 않으므로, 구성의 단순화를 도모할 수 있는 동시에 저비용화를 도모할 수 있다. 또한, 레이저 광원(2)을 이동시킬 뿐이므로, 연속 가변을 행하기 쉽고, 또한 자동화에의 대응이 하기 쉽다.
또한, 상기 제1 실시 형태에 있어서는, 입력부에 표본(3)의 굴절률, 표본면(3a)으로부터 집광시키는 위치까지의 거리 및 집광 광학계(4)의 NA를 입력함으로써 레이저 광원(2)의 위치를 계산하였지만, 입력 데이터는 상술한 것에 한정되지 않고, 예를 들어 이들 입력 데이터에 부가하여 집광 광학계(4)의 미리 측정된 파면 데이터를 더 입력하여 레이저 광원(2)의 위치를 계산해도 상관없다.
즉, 도4에 도시한 바와 같이, 입력부에의 각종 데이터 입력(상술한 스텝 S1)시, 표본(3)의 굴절률, 표본면(3a)으로부터 집광시키는 위치까지의 거리, 집광 광학계(4)의 NA 및 집광 광학계(4)의 파면 데이터를 입력한다.
이렇게 함으로써, 고정밀도로 구면수차 보정을 행할 수 있고, 레이저 광(L)의 집광 성능을 보다 향상시킬 수 있어, 보다 오차가 적은 관찰상을 얻을 수 있다.
또한, 집광 광학계(4)의 파면 데이터로서는, 예를 들어 집광 광학계(4)를 구성하고 있는 일부인 대물 렌즈(16)의 파면 데이터라도 상관없고, 집광 광학계(4) 전체의 파면 데이터를 이용해도 상관없다.
또한, 상기 제1 실시 형태에 있어서는, 핀 홀(5A) 및 포토 디텍터(5)를 핀 홀 디텍터 이동 수단에 의해 이동 가능하게 하였지만, 핀 홀(5A)만을 레이저 발산점(6)에 대해 공액인 위치로 이동시키는 구성으로 해도 좋다.
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 레이저 집광 광학계를 도5를 참조하여 설명한다. 또한, 이 제2 실시 형태에 있어서는, 제1 실시 형태에 있어서의 구성 요소와 동일한 부분에 대해서는, 동일 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다. 또한, 이 도5에서는 도면의 내용을 명료하게 하기 위해, 도1에서 도시한 상기 핀 홀 디텍터 이동 수단, 레이저 발산점 이동 수단, 제어 수단의 도시를 생략하고 있다.
제2 실시 형태와 제1 실시 형태의 다른 점은, 제1 실시 형태에서는 레이저 발산점 이동 수단에 의해 레이저 광원(2)을 이동시킴으로써 레이저 발산점(6)의 위치를 조정하였지만, 제2 실시 형태의 레이저 집광 광학계(20)는 레이저 발산점 이동 수단에 의해 레이저 광원(2), 하프 미러(10)와 핀 홀(5A) 및 포토 디텍터(5)를 일체적으로 이동시켜 레이저 발산점의 위치를 조정하도록 구성하는 점이다.
이와 같이 구성함으로써, 레이저 발산점의 위치를 용이하게 이동할 수 있는 데 부가하여, 핀 홀(5A) 및 포토 디텍터(5)를 레이저 광원(2)의 이동에 동기시킬 필요가 없다. 따라서, 보다 단순하게 구성할 수 있고, 저비용화를 도모할 수 있다.
또한, 레이저 발산점의 이동 방법은 상기 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에 한정되지 않고, 예를 들어 도6에 도시하는 레이저 집광 광학계(25)와 같이 레이저 발산점(6)을 이동시켜도 상관없다(이 도6에서는, 도면의 내용을 명료하게 하기 위해, 레이저 발산점 이동 수단, 제어 수단의 도시를 생략하고 있음). 즉, 하프 미러(10)와 결상 렌즈(11) 사이에 하프 미러(10)를 투과한 레이저 광(L)을, 각각 광축을 90도씩 변경하도록 반사시키는 제1 미러(26) 및 제2 미러(27)를 배치하여, 양 미러(26, 27)에 의해 레이저 광(L)의 출사 방향을 180도 변경시키는 동시에, 레이저 발산점 이동 수단에 의해 양 미러(26, 27)를 일체적으로 레이저 광(L)의 광축 방향을 향해 이동할 수 있도록 구성해도 좋다. 또한, 양 미러(26, 27) 대신에 반사면이 대향하는 사다리꼴 프리즘을 이용할 수도 있다.
이와 같이 구성함으로써, 레이저 광원(2)과 핀 홀(5A) 및 포토 디텍터(5)의 위치를 변경하지 않고 용이하게 레이저 발산점(6)의 위치를 이동할 수 있어, 한층 구성의 단순화를 도모할 수 있다.
또한, 상기 레이저 집광 광학계(25)는 2차원 갈바노 미러(28)를 구비하고 있다. 이 2차원 갈바노 미러(28)는 상기 제1 실시 형태의 제1 갈바노 미러(12) 및 제2 갈바노 미러(14)의 회전축(12a, 14a)과 동일 방향을 향한 2개의 회전축(28a, 28b)을 갖고 있고, 이 회전축(28a, 28b)의 축 주위에 소정 각도의 범위에서 2차원 적으로 진동하도록 되어 있다. 즉, 2차원 갈바노 미러(28)는 주사 수단으로서 기능한다.
이에 의해, 상기 제1 실시 형태와 같이 갈바노 미러 및 동 릴레이 광학계를 각각 2개 구비할 필요가 없어지기 때문에, 한층 구성의 용이화를 도모할 수 있고, 저비용화를 도모할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 레이저 집광 광학계를 도7 및 도8을 참조하여 설명한다. 또한, 이 제3 실시 형태에 있어서는, 제2 실시 형태에 있어서의 구성 요소와 동일한 부분에 대해서는, 동일 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
제3 실시 형태와 제2 실시 형태의 다른 점은, 제2 실시 형태에서는 대물 렌즈(16)와 표본면(3a)의 거리에 관계없이 주사를 행하였지만, 제3 실시 형태에서는 레이저 광(L)을 주사하는 중에, 대물 렌즈(16)와 표본면(3a)의 광축 방향의 상대적인 거리, 즉 WD를 일정하게 유지한 상태에서 주사를 행하는 점이다.
즉, 본 실시 형태의 레이저 집광 광학계(30)는 도7에 도시한 바와 같이 집광 광학계(4)에 연계되어 설치되고, 집광 광학계(4), 즉 대물 렌즈(16)의 하면으로부터 표본면(3a)까지의 거리를 소정 거리로 유지하는 관찰 광학계(31)를 구비하고 있다. 또한, 이 관찰 광학계(31)는 오토 포커스 기구를 갖고 있다.
상기 관찰 광학계(31)는 직선 편광의 반도체 레이저 광(L')을 조사하는 광원(32), 이 광원(32)으로부터 조사된 반도체 레이저 광(L')을 평행광으로 하는 제1 렌즈(33), 이 제1 렌즈(33)에 인접 배치된 편광 빔 분할기(34), 이 편광 빔 분할 기(34)를 투과한 반도체 레이저 광(L')을 수렴 및 발산시키는 제2 렌즈(35), 이 제2 렌즈(35)에 의해 발산된 반도체 레이저 광(L')을 집광 광학계(16)의 동 직경의 크기의 평행광으로 하는 제3 렌즈(36), 이 제3 렌즈(36)를 투과한 반도체 레이저 광(L')의 편광을 원 편광으로 하는 1/4 파장판(37), 이 1/4 파장판(37)을 투과한 반도체 레이저 광(L')을, 광축의 배향을 90도 바꾸도록 반사시켜 집광 광학계(16)에 입사시키는 다이클로익 미러(38), 다시 1/4 파장판(37)을 투과하여 상기 편광 빔 분할기(34)에서 반사된 대물 렌즈(16)로부터의 복귀광을 원통형 렌즈(39)에 입사시키는 제4 렌즈(40) 및 원통형 렌즈(39)의 후방측에 배치된 포토다이오드(41)를 구비하고 있다.
또한, 다이클로익 미러(38)는 반도체 레이저 광(L')을 반사하는 동시에, 그 이외의 파장의 광, 예를 들어 레이저 광원(2)에서 출사된 레이저 광(L)을 투과하도록 설정되어 있다.
상기 편광 빔 분할기(34)는 직선 편광 중, 예를 들어 입사면에 평행한 진동 성분인 P 성분의 직선 편광의 광을 투과시키는 동시에, 입사면에 수직인 진동 성분인 S 성분의 광을 반사시키는 기능을 갖고 있다. 또한, 제어부는 상기 포토다이오드(41)에 의해 수광된 검출 신호를 기초로 하여 스테이지를 피드백 제어하여, 스테이지를 연직 방향(광축 방향)으로 이동시키도록 되어 있다. 즉, 오토 포커스하도록 되어 있다. 이에 의해, 반도체 레이저 광(L')은 항상 표본면(3a)에 초점을 맞추는 것이 가능해진다.
이와 같이 구성된 레이저 집광 광학계(30)에 의해 주사를 행하는 경우, 제어 부의 입력부에 표본(3)의 굴절률, 표본면(3a)으로부터 집광시키는 위치까지의 거리, 집광 광학계(30)의 개구수(NA)의 입력을 행한다(스텝 S1). 계산부는 이 입력 데이터를 기초로 하여 레이저 발산점의 이동량, 즉 레이저 광원(2)의 이동량의 계산(스텝 S2) 및 오토 포커스의 오프셋량의 계산(스텝 S8)을 행한다.
다음에, 광원(32)으로부터 직선 편광의 반도체 레이저 광(L')의 조사를 행한다. 조사된 반도체 레이저 광(L')은 제1 렌즈(33)에 의해 평행광이 된 후, 편광 빔 분할기(34)에 입사한다. 그리고, 입사면에 평행한 진동 성분인 P 성분의 직선 편광의 광이 된 후, 제2 렌즈(35)에 의해 수렴된 후, 발산 상태가 된다. 그리고, 발산된 광은 제3 렌즈(36)에 의해 다시 평행광이 되어 1/4 파장판(37)에 입사한다. 또한, 이 때, 평행광은 대물 렌즈(16)에 따른 광속의 폭으로 되어 있다. 1/4 파장판(37)을 투과하여 원 편광이 된 반도체 레이저 광(L')은 다이클로익 미러(38)에서 반사되어 대물 렌즈(16)에 입사한다. 대물 렌즈(16)에 입사한 광은 표본면(3a)에 조명된다.
계속해서, 표본면(3a)에서 반사된 광은 대물 렌즈(16)에 의해 집광된 후, 다이클로익 미러(38)에서 반사되어 1/4 파장판(37)에 입사하고, 입사면에 수직인 진동 성분인 S성분 편광이 된다. 이 광은 제3 렌즈(36) 및 제2 렌즈(35)를 투과한 후, 편광 빔 분할기(34)에 입사하여 제4 렌즈(40)를 향해 반사된다. 그리고, 제4 렌즈(40)에 의해 수렴된 후, 원통형 렌즈(39)를 투과하여 포토다이오드(41) 상에 결상된다. 이 결상된 광은 광전 변환되어 검출 신호로서 제어부로 보내진다(스텝 S5). 이 제어부는 계산에 의해 검출된 오프셋량과, 보내져 온 검출 신호를 기초로 하여 계산을 행하고(스텝 S6), 더욱 스테이지를 연직 방향(광축 방향)으로 이동시킨다(스텝 S7). 즉, 자동적으로 오토 포커스를 행하여 원하는 깊이에 레이저 광을 집광시키기 위해, 대물 렌즈(16)와 표본면(3a)과의 거리를 적절한 상태로 제어한다.
이에 의해, 대물 렌즈(16)와 표본면(3a)과의 거리를 항상 일정한 거리로 유지하면서 주사를 행할 수 있다. 따라서, 가령 스테이지가 약간 만곡되어 있거나, 스테이지의 이동에 다소 오차 등이 생겼다고 해도, 정확하게 원하는 깊이에 레이저 광(L)을 집광시킬 수 있다. 따라서, 표본면(3a)으로부터의 집광 위치를 보다 정확하게 제어하면서 주사를 행할 수 있어, 표본(3)의 관찰을 보다 고정밀도로 행할 수 있다.
또한, 상술한 주사를 행할 때에, 레이저 광(L)을 집광시키는 위치를 변경하는 경우, 오토 포커스의 오프셋량 계산(스텝 S8)을 사전에 행한 후, 주사를 행한다. 예를 들어, 100 ㎛의 깊이에 집광시킨 상태에서 주사를 행한 후에, 50 ㎛의 깊이에 집광시켜 주사를 행하는 경우에는, WD치를 변경하여 최적의 상태, 즉 최적치로 설정할 필요가 있다. 이 WD치의 변경에 수반하여, 오토 포커스를 소정량만큼 오프셋할 필요가 생긴다. 즉, 오토 포커스의 오프셋량을 계산함으로써, WD치의 보정을 행할 수 있다. 그리고, 오프셋을 행한 후에, 상술한 바와 마찬가지로 다른 깊이에서의 주사를 행한다.
다음에, 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 레이저 집광 광학계를 도9 및 도10의 (a) 내지 (c)를 참조하여 설명한다. 또한, 이 제4 실시 형태에 있어서는, 제3 실시 형태에 있어서의 구성 요소와 동일한 부분에 대해서는, 동일 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
제4 실시 형태와 제3 실시 형태의 다른 점은, 제3 실시 형태에서는 레이저 광(L)을 집광시키는 위치가 변경되는 위치에 의해 대물 렌즈(16)와 표본면(3a)과의 광축 방향의 상대적인 거리, 즉 WD가 일정하지 않았던 데 반해, 제4 실시 형태에서는 레이저 광(L)을 집광시키는 위치가 변경되어도 WD가 일정하게 되어 있는 점이다.
즉, 스테이지 및 대물 렌즈(16)의 광축 방향에 있어서의 위치를 미리 사전에 설정한 후, 양자의 위치를 항상 동일한 위치로 유지하도록 설정을 행하도록 되어 있다. 즉, 도9에 도시한 바와 같이, 입력부에의 각종 데이터 입력(상술한 스텝 S1)일 때, WD치를 뺀 데이터, 즉, 표본(3)의 굴절률, 표본면(3a)으로부터 집광시키는 위치까지의 거리 및 집광 광학계(4)의 NA의 데이터의 입력을 행한다.
이렇게 함으로써, 도10의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이 WD를 일정하게 한 상태에서, 레이저 발산점 이동 수단에 의해 레이저 발산점만을 광축 방향을 따라 이동시키므로, 오토 포커스의 오프셋량을 초기에 설정한 후에, 다시 오프셋량을 계산할 필요가 없다. 따라서, 오프셋에 필요한 시간을 단축할 수 있고, 처리량의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 오프셋을 행함으로써 생기는 오토 포커스의 정밀도의 열화를 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술 범위는 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 다양한 변경을 가하는 것이 가능하다.
예를 들어, 상기 각 실시 형태에 있어서, 표본 내에 레이저 광을 집광시켰지 만, 표본에 한정되지 않고 매질 중에 집광시키면 상관없다. 또한, 집광시키는 거리로서, 표본면으로부터 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛의 거리로 하였지만, 이들 거리에 한정되지 않고, 임의로 설정해도 상관없다. 또한, 스테이지를 이동시켜 대물 렌즈와 표본면과의 광축 방향의 상대적인 거리를 변화시켰지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들어 대물 렌즈를 피에조 소자 등을 이용하여 이동시킴으로써 상대적인 거리를 변화시켜도 상관없다.
또한, 제어부에 의해 레이저 발산점 이동 수단을 자동적으로 제어하도록 구성하였지만, 제어부에 의한 계산 결과를 기초로 하여 수단에 의해 레이저 발산점 이동 수단을 작동시켜 레이저 발산점의 위치를 이동시켜도 상관없다.
또한, 상기 제3 실시 형태에서 설명한 관찰 광학계는 일례로, 대물 렌즈의 하면으로부터 표본면까지의 거리를 소정 거리로 유지 가능하면, 렌즈 등의 각 광학계를 조합하여 구성해도 상관없다.
이하, 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 광학계를 도13 및 도14를 참조하여 설명한다.
본 실시 형태의 광학계(101)는 도13에 도시한 바와 같이, 평행 광속 상태에서 광속(L)을 사출하는 도시하지 않은 사출 수단과, 광속(L)을 집광하는 대물 렌즈(102)를 갖는 집광 광학계(103)와, 사출 수단과 대물 렌즈(102) 사이의 광속 중에 광속(L)의 광축 방향을 따라 이동 가능하게 배치된 제1 렌즈(제1 렌즈군)(104)와, 이 제1 렌즈(104)와 대물 렌즈(102) 사이에 광속 중에 고정된 상태에서 배치된 제2 렌즈(제2 렌즈군)(105)와, 광속(L)을 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 제 1 렌즈(104)를 이동시키는 이동 수단(106)을 구비하고 있다.
상기 제1 렌즈(104)는 양 오목 렌즈이며, 도시하지 않은 렌즈 프레임에 고정되어 있다. 상기 이동 수단(106)은 렌즈 프레임에 접속되어 있고, 렌즈 프레임을 거쳐서 제1 렌즈(104)를 이동 가능하게 되어 있다. 또한, 이동 수단(106)은 도시하지 않은 제어부에 접속되어 있고, 이 제어부로부터의 신호를 받아 작동하도록 되어 있다.
이 제어부는 소정의 정보를 입력 가능한 입력부와, 이 입력부에 의해 입력된 각 입력 정보(입력 데이터)를 기초로 하여 제1 렌즈(104)의 이동량을 계산하는 계산부를 구비하고 있고, 계산 결과에 따라서 이동 수단(106)을 소정량 이동시키도록 되어 있다. 또한, 제어부는 이동 수단(106)의 제어에 부가하여, 제1 렌즈(104)의 이동 종료 후에 광속(L)을 사출시키도록 사출 수단의 제어도 동시에 행하도록 되어 있다.
또한, 상기 제2 렌즈(105)는 볼록 렌즈이며, 평면측을 제1 렌즈(104)측을 향해, 즉 볼록면측을 대물 렌즈(102)측을 향해 후방측 초점 위치가 대물 렌즈(102)의 입사동 위치의 적어도 근방이 되는 위치에 배치되어 있다.
이와 같이 구성된 광학계(101)에 의해 광속(L)을 집광시키는 경우에 대해 설명한다.
우선, 도14에 도시한 바와 같이 제어부의 입력부에 기준 위치로부터 광속(L)을 집광시키는 집광점까지의 이동량을 입력한다(스텝 S1A). 계산부는 이 입력 데이터를 기초로 하여 이동 수단(106)의 이동량의 계산을 행한다(스텝 S2A). 계산 종료 후, 제어부는 계산 결과를 기초로 하여 이동 수단(106)을 광속(L)의 광축 방향으로 이동시키도록 제어하여 제1 렌즈(104)를 소정 위치로 이동시킨다(스텝 S3A).
제1 렌즈(104)의 이동 종료 후, 제어부는 사출 수단에 신호를 보내고, 광속(L)을 사출시킨다. 사출된 광속(L)은 평행 광속 상태에서 제1 렌즈(104)에서 굴절되고, 발산광 상태가 되어 제2 렌즈(105)에 입사한다. 즉, 제1 렌즈(104)를 이동시킴으로써, 광축 방향에 있어서의 광속(L)의 발산점 위치를 변경하고 있다. 발산광이 된 광속(L)은 제2 렌즈(105)에 의해 다시 굴절된 후, 대물 렌즈(102)에 입사하여 원하는 위치에 집광된다(스텝 S4A).
다음에, 상술한 집광점과는 다른 위치에 광속(L)을 집광시키는 경우에는, 상술한 바와 마찬가지로 기준 위치로부터 새로운 집광점까지의 이동량을 입력부에 입력한다. 제어부는 계산부에 의한 계산 결과를 기초로 하여, 이동 수단(106)을 작동시켜 제1 렌즈(104)를 광축 방향을 따라 이동시킨다. 이에 의해, 사출 수단에 의해 사출된 광속(L)은 상술한 위치와는 다른 위치에서 굴절하여 발산광 상태가 되어 제2 렌즈(105)에 입사한다. 이 때, 광속(L)은 제1 렌즈(104)에 평행 광속 상태에서 입사하므로, 제1 렌즈(104)의 위치에 관계없이 항상 같은 각도로 굴절하여 제2 렌즈(105)에 입사한다. 따라서, 광속(L)은 동면 내에서의 광량 및 광량 분포가 동일한 상태에서 대물 렌즈(102)에 의해 집광된다.
이와 같이, 본 실시 형태의 광학계(101)에 따르면, 제1 렌즈(104)를 이동시킴으로써 광속(L)의 발산점 위치를 변경할 수 있고, 즉 실질적인 광원 위치의 변경 을 행할 수 있고, 동면 내에서의 광량 및 광량 분포를 일정하게 한 상태에서 집광 포인트(집광점)를 원하는 위치로 변경할 수 있고, 그 위치(각 집광점)에서의 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있다.
또한, 제1 렌즈(104)를 이동시키기만 하는 구성이므로, 용이하게 구성하여 저비용화를 도모할 수 있는 동시에, 번거로운 일은 없다.
여기서, 상기 제5 실시 형태에서 설명한 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 보다 구체적인 구성예를 도15의 (a) 내지 (c)에 나타낸다. 또한, 각 렌즈를 표1에 나타낸 바와 같이 설정한다.
또한, 표1에 있어서, R은 렌즈의 곡률 반경이며, d는 렌즈의 두께 혹은 공기 간격, n은 굴절률이다.
[표1]
Figure 112006062879293-pct00001
다음에, 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 광학계를 도16을 참조하여 설명한다. 또한, 이 제6 실시 형태에 있어서는, 제5 실시 형태에 있어서의 구성 요소와 동일한 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하여 그 설명을 생략한다.
제6 실시 형태와 제5 실시 형태의 다른 점은, 제5 실시 형태에서는 제1 렌 즈(104)가 양 볼록 렌즈였던 데 반해, 제6 실시 형태의 광학계는 제1 렌즈(104)가 볼록 렌즈이며, 평면측이 제2 렌즈(105)측을 향해 배치되어 있는 점이다.
본 실시 형태의 경우도 제1 실시 형태와 마찬가지로 제1 렌즈(104)의 위치에 관계없이, 평행 광속 상태에서 입사한 광속(L)은 항상 동일한 각도로 굴절하여 제2 렌즈(105)에 입사한다. 따라서, 본 실시 형태는 제5 실시 형태와 같은 작용 효과를 발휘한다.
다음에, 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 광학계를 도17을 참조하여 설명한다. 또한, 이 제7 실시 형태에 있어서는, 제6 실시 형태에 있어서의 구성 요소와 동일한 부분에 대해서는, 동일 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
제7 실시 형태와 제6 실시 형태의 다른 점은, 제6 실시 형태에서는 제2 렌즈군이 1매의 볼록 렌즈, 즉 제2 렌즈(105)로 구성되어 있었던 데 반해, 제7 실시 형태의 제2 렌즈군(110)은 2매의 렌즈(111, 112)에 의해 구성되어 있는 점이다.
즉, 본 실시 형태의 제2 렌즈군(110)은 도17에 도시한 바와 같이, 제1 렌즈군인 볼록 렌즈(104)측에 배치된 양 오목 렌즈(111) 및 이 양 오목 렌즈(111)에 인접하여 배치된 양 볼록 렌즈(112)에 의해 구성되어 있다. 또한, 제2 렌즈군(110) 전체의 후방측 초점 위치가 대물 렌즈(102)의 입사동 위치의 근방에 위치하도록 되어 있다.
본 실시 형태의 광학계는 제2 실시 형태와 같은 작용 효과를 발휘할 수 있고, 또한 제2 렌즈군(110)과 대물 렌즈(102)와의 간격(거리)을 크게 할 수 있으므로, 그 사이에 다른 관찰계 등을 배치하는 것이 가능해져 설계의 자유도를 향상시 킬 수 있다.
여기서, 상기 제3 실시 형태에서 설명한 제1 렌즈 및 제2 렌즈군의 보다 구체적인 구성예를 도18의 (a) 내지 (c)에 나타낸다. 또한, 각 렌즈를 표2에 나타낸 바와 같이 설정한다.
또한, 표2에 있어서, R은 렌즈의 곡률 반경이며, d는 렌즈의 두께 혹은 공기 간격, n은 굴절률이다.
[표2]
Figure 112006062879293-pct00002
상기 표2 및 도18의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 제2 렌즈군을 오목 렌즈, 볼록 렌즈로 구성함으로써, 제2 렌즈군의 초점 거리인 40 ㎜보다도 제2 렌즈군 최종면으로부터 제2 렌즈군의 후방측 초점 길이까지의 거리를 크게 할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제8 실시 형태에 관한 광학계를 도19의 (a) 내지 (c)를 참조하여 설명한다. 또한, 이 제8 실시 형태에 있어서는, 제5 실시 형태에 있어서의 구성 요소와 동일한 부분에 대해서는, 동일 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
제8 실시 형태와 제5 실시 형태의 다른 점은, 제5 실시 형태에서는 제1 렌즈군이 1매의 양 오목 렌즈, 즉 제1 렌즈(104)로 구성되어 있었던 데 반해, 제8 실시 형태의 제1 렌즈군(115)은 2매의 렌즈(116, 117)에 의해 구성되어 있는 점이다.
즉, 본 실시 형태의 제1 렌즈군(115)은 도19의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 볼록부를 사출 수단측을 향해 배치된 볼록 렌즈(116) 및 이 볼록 렌즈(116)에 인접하여 배치된 양 오목 렌즈(117)에 의해 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태의 제2 렌즈군은 1매의 양 볼록 렌즈(118)로 구성되어 있다.
본 실시 형태의 경우도 제5 실시 형태와 마찬가지로, 제1 렌즈군(115)의 위치에 관계없이, 평행 광속 상태에서 입사한 광속(L)은 항상 동일한 각도로 굴절하여 제2 렌즈(118)에 입사하고, 제1 실시 형태와 같은 작용 효과를 발휘한다.
또한, 2매의 렌즈(116, 117)에 의한 제1 렌즈군(115)의 포커싱 거리를 f1, 1매의 양 볼록 렌즈(118)의 초점 거리를 f2라 하면, │f│ ＝ │f2│로 함으로써, 대물 렌즈(102)의 입사동에 입사하는 광속 직경과, 제1 렌즈군(115)에 입사하는 광속 직경을 동일하게 한 상태에서, 제5 실시 형태와 같은 작용 효과를 발휘할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제9 실시 형태에 관한 광학계를 도20 및 도21을 참조하여 설명한다. 또한, 이 제9 실시 형태에 있어서는, 제5 실시 형태에 있어서의 구성 요소와 동일한 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
제9 실시 형태와 제5 실시 형태의 다른 점은, 제5 실시 형태에서는 광속(L)을 단순히 원하는 위치에 집광시킨 것에 반해, 제9 실시 형태의 광학계는 광속(L) 을 매질(표본)(A)의 표면으로부터 다른 깊이에 집광시키는 점이다.
즉, 본 실시 형태의 광학계는 대물 렌즈(102)가 광속(L)을 매질 중에 집광시키고, 이동 수단(106)이 집광시키는 매질(A)의 굴절률 및 매질의 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 제1 렌즈(104)(제1 렌즈군)를 이동시키도록 되어 있다.
이와 같이 구성된 광학계에 의해, 매질(A)의 표면으로부터 깊이가 다른 위치에 광속(L)을 집광시키는 경우에 대해 설명한다.
우선, 도21에 도시한 바와 같이 제어부의 입력부에 매질(A)의 굴절률, 매질의 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리, 예를 들어 50 ㎛ 및 집광 광학계(103)의 NA의 입력을 행한다(스텝 S5A).
계산부는 이 입력 데이터를 기초로 하여 제1 렌즈(104)의 이동량의 계산을 행한다(스텝 S6A). 계산 종료 후, 제어부는 계산 결과를 기초로 하여 이동 수단(106)을 광축 방향으로 이동시키도록 제어하여 제1 렌즈(104)의 위치를 소정 위치로 이동시킨다(스텝 S7A).
제1 렌즈(104)의 이동 종료 후, 제어부는 사출 수단으로부터 평행 광속 상태의 광속(L)을 사출시킨다. 이에 의해, 광속(L)은 매질(A)의 표면으로부터 원하는 위치에 구면수차의 발생량을 최대한 억제한 상태에서 집광된다(스텝 S8A).
상술한 바와 같이, 입력부에 입력한 거리에 따라서 제1 렌즈(104)를 이동시켜 광속(L)을 집광시키므로, 광속(L)을 원하는 깊이에 구면수차의 발생량을 보다 억제한 상태에서 집광시킬 수 있어 집광 성능의 향상을 도모할 수 있다.
여기서, 상기 제9 실시 형태에서 설명한 제1 렌즈군 및 제2 렌즈의 보다 구체적인 구성예를 도22의 (a) 내지 (c)에 나타낸다. 또한, 각 렌즈를 표3에 나타낸 바와 같이 설정한다.
또한, 표3에 있어서, R은 렌즈의 곡률 반경이며, d는 렌즈의 두께 혹은 공기간격, n은 굴절률이다.
[표3]
Figure 112006062879293-pct00003
상기 표3 및 도22의 (a) 내지 (c)에 나타낸 바와 같이 제1 렌즈군을 볼록 렌즈, 오목 렌즈의 구성으로 하여, 제1 렌즈군의 포커싱 거리(f1) ＝ －40과, 제2 렌즈의 포커싱 거리(f2) ＝ 40과의 절대치가 같아지도록 하고 있다. 이와 같이 구성함으로써, 제1 렌즈군 및 제2 렌즈의 근변에서 광속을 집광시키지 않고, 제1 렌즈군에의 입사 광속 직경과 제2 렌즈의 후방측 초점 길이에서의 광속 직경을 대략 동일한 정도로 할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제10 실시 형태에 관한 광학계를 도23를 참조하여 설명한다. 또한, 이 제10 실시 형태에 있어서는, 제9 실시 형태에 있어서의 구성 요소와 동일한 부분에 대해서는, 동일 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
제10 실시 형태와 제9 실시 형태의 다른 점은, 제9 실시 형태에서는 광속(L)을 매질(A)의 표면으로부터 깊이가 다른 위치에 단순히 집광시킨 것에 반해, 제10 실시 형태의 광학계는 레이저 광(L')을 매질(A)의 표면으로부터 다른 깊이에 집광시키는 동시에 재집광하여 관찰을 행하는 점이다.
즉, 본 실시 형태의 레이저 광학계(광학계)(120)는 레이저 광(L')을 사출하는 레이저 광원(121)과, 이 레이저 광원(121)으로부터 사출된 레이저 광(L')의 광속을 평행 광속으로 하는 결상 렌즈(평행 광속 수단)(122)와, 평행 광속 상태의 레이저 광(L')을 매질 중에 집광시키는 동시에 집광점으로부터의 광을 재집광하는 집광 광학계(123)와, 매질 중의 집광점을 레이저 광(L')의 광축에 대해 수직인 방향(수평 방향, XY 방향)에 주사 가능한 주사 수단(124)과, 레이저 광원(121)과 공액인 위치에 배치되어 집광 광학계(123)에 의해 재집광된 광을 검출하는 포토 디텍터(광 검출기)(125)를 구비하고 있다.
또한, 매질(A)은 XY 방향으로 이동 가능한 도시하지 않은 스테이지 상에 적재되어 있다. 또한, 도23에서는 광학계 전체를 2차원 평면 내에서 그리고 있지만, 실제로는 P부(도면 중에 나타내는 파선 부분)는 지면에 대해 수직이 되도록 구성되어 있다.
상기 집광 광학계(123)는 레이저 광원(121)으로부터 사출된 레이저 광(L')을, 광축의 배향을 90도 변경하도록 반사시키는 하프 미러(126), 이 하프 미러(126)에 의해 반사된 레이저 광(L')을 평행 광속 상태로 하여 결상시키는 상기 결상 렌즈(122), 레이저 광(L')을 매질(A)의 표면에 수평한 일방향(X 방향)을 향해 주사할 수 있도록 다른 각도로 반사시키는 제1 갈바노 미러(127), 이 제1 갈바노 미러(127)에서 반사된 레이저 광(L')을 릴레이하는 제1 동 릴레이 광학계(128), 제1 동 릴레이 광학계(128)를 통과한 레이저 광(L')을 매질(A)의 표면에 수평한 다른 방향(Y방향)을 향해 주사할 수 있도록 다른 각도로 반사시키는 제2 갈바노 미러(129), 이 제2 갈바노 미러(129)에서 반사된 레이저 광(L')을 릴레이하는 제2 동 릴레이 광학계(130), 이 제2 동 릴레이 광학계(130)를 통과한 레이저 광(L')을 매질 중에 집광시키는 동시에, 집광점으로부터의 광을 재집광하는 대물 렌즈(102)를 구비하고 있다.
상기 제1 갈바노 미러(127) 및 제2 갈바노 미러(129)는 각각 중심 위치에 서로 직교하는 방향을 향하도록 배치된 회전축(127a, 129a)을 갖고 있고, 이 회전축(127a, 129a)의 축 주위에 소정 각도의 범위 내에서 진동하도록 구성되어 있다. 이 진동에 의해, 상술한 바와 같이 레이저 광(L')을 다른 각도로 반사 가능하게 되어 있다. 또한, 양 갈바노 미러(127, 129)의 조합에 의해 레이저 광(L')을 집광 광학계(123)의 광축 방향에 직교하는 방향(XY 방향)으로 주사 가능하게 되어 있다. 즉, 이들 양 갈바노 미러(127, 129)는 상기 주사 수단(124)으로서 기능하도록 되어 있다. 또한, 양 갈바노 미러(127, 129)는 제어부에 의해 진동(작동)이 제어되고 있다.
또한, 상기 포토 디텍터(125)는 하프 미러(126)의 후방측에 배치되어 있다.
또한, 본 실시 형태의 제1 렌즈군은 1매의 양 볼록 렌즈인 제1 렌즈(104)로 구성되어 있고, 결상 렌즈(122)와 제1 갈바노 미러(127) 사이에서 평행 광속 중에 광축 방향을 따라 이동 가능하게 배치되어 있다. 또한, 제2 렌즈군은 1매의 양 볼록 렌즈인 제2 렌즈(105)로 구성되어 있고, 제1 렌즈(104)와 제1 갈바노 미러(127) 사이의 평행 광속 중이며, 후방측 초점 길이가 집광 광학계(123) 전체의 입사동 위치의 근방에 위치하도록 배치되어 있다.
이와 같이 구성된 레이저 광학계(120)에 의해 매질(A)의 표면으로부터 깊이가 다른 위치의 관찰을 행하는 경우에 대해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 도24의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이 매질(A)의 표면으로부터 예를 들어 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛의 위치의 관찰을 행하는 경우에 대해 설명한다.
우선, 도24의 (a)에 도시한 바와 같이, 매질(A)의 표면으로부터 깊이 50 ㎛의 위치의 관찰을 행하는 경우에는 제어부의 입력부에 매질(A)의 굴절률, 매질(A)의 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리, 즉 50 ㎛, 집광 광학계(123)의 NA 및 대물 렌즈(102)와 매질(A)의 표면과의 거리, 즉 WD치의 입력을 행한다. 계산부는 이 입력 데이터를 기초로 하여 제1 렌즈(104)의 이동량의 계산을 행한다. 계산 종료 후, 제어부는 계산 결과를 기초로 하여 이동 수단(106)을 광축 방향으로 이동시키도록 제어하여 제1 렌즈(104)의 위치를 소정 위치로 이동시킨다.
제1 렌즈(104)의 이동 종료 후, 제어부는 레이저 광원(121)에 신호를 보내 레이저 광(L')을 출사시킨다. 사출된 레이저 광(L')은 하프 미러(126)에서 반사된 후, 결상 렌즈(122)에서 평행 광속 상태가 되어, 소정 위치에 배치된 제1 렌즈(104)에 입사한다. 그리고, 제1 렌즈(104)에 의해 굴절하여 수렴광 상태가 된 후, 제2 렌즈(105)에 의해 다시 굴절되어 제1 갈바노 미러(127)에 입사한다. 그리고, 제1 갈바노 미러(127)에 의해 매질(A)의 표면의 X 방향을 향해 다른 각도로 반사된다. 반사된 레이저 광(L')은 제1 동 릴레이 광학계(128)를 거쳐서 제2 갈바노 미러(129)에 의해 매질(A)의 표면의 Y 방향을 향해 다른 각도로 반사된다. 반사된 레이저 광(L')은 제2 동 릴레이 광학계(130)를 거쳐서 대물 렌즈(102)에 입사한다. 그리고, 도24의 (a)에 도시한 바와 같이, 대물 렌즈(102)에 의해 매질의 표면으로부터 50 ㎛의 위치에 집광된다.
이 때, 상술한 바와 같이 50 ㎛의 깊이에 따라서 제1 렌즈(104)의 위치, 즉 실질적인 광원의 위치(수렴점의 위치)를 변경하므로, 깊이 50 ㎛의 위치에 있어서의 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있고, 이 위치에 효율적으로 레이저 광(L')을 집광시킬 수 있다.
또한, 이 집광점으로부터의 광은 대물 렌즈(102)에 의해 재집광되어, 상술한 역의 광로를 통해 포토 디텍터(125)에서 검출된다. 즉, 대물 렌즈(102)에서 재집광된 광은 제2 동 릴레이 광학계(130)의 통과, 제2 갈바노 미러(129)에 의한 반사, 제1 동 릴레이 광학계(128)의 통과, 제1 갈바노 미러(127)에 의한 반사, 제2 렌즈(105) 및 제1 렌즈(104)의 통과, 결상 렌즈(122)의 통과 및 하프 미러(126)의 투과를 차례로 행한 후, 핀 홀을 거쳐서 포토 디텍터(125)에 의해 검출된다. 또한, 대물 렌즈(102)에 의해 재집광된 광은 레이저 광(L')이 통과한 광로와 동일 광로를 통과하도록 양 갈바노 미러(127, 129)에서 반사된다.
상술한 바와 같이, 구면수차의 발생량을 최대한 억제한 상태에서 집광점(매 질의 표면으로부터 깊이 50 ㎛의 위치)에 레이저 광(L')을 집광시키고 있으므로, 포토 디텍터(125)에 의해 오차가 적은 관찰상을 얻을 수 있다. 따라서, 고정밀도의 관찰을 행할 수 있다.
또한, 양 갈바노 미러(127, 129)에 의해 레이저 광(L')을 매질(A)의 표면의 수평 방향(XY 방향)을 향해 주사시키므로, 매질(A)의 표면 영역 전체에 걸쳐서 용이하게 광범위한 관찰을 행할 수 있다. 이 때, 매질측(스테이지측)을 움직이지 않고 매질(A) 전체에 걸쳐서 주사를 행할 수 있다.
다음에, 매질(A)의 표면으로부터 깊이 75 ㎛ 또는 100 ㎛의 위치의 관찰을 행하는 경우에는, 상술한 경우와 마찬가지로 입력부에 매질(A)의 굴절률, 매질(A)의 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리(75 ㎛ 또는 100 ㎛), 집광 광학계(123)의 NA 및 WD치의 입력을 행한다. 계산부에 의한 계산 종료 후, 제어부는 계산 결과를 기초로 하여 이동 수단(106)을 광축 방향으로 이동시키도록 제어하여, 제1 렌즈(104)의 위치를 소정 위치로 이동시킨다. 그 후, 레이저 광(L')을 출사시켜, 집광 광학계(123)에 의해 레이저 광(L')을 매질(A)의 표면으로부터 75 ㎛ 또는 100 ㎛의 위치에 집광시키는 동시에, 집광점으로부터의 광을 재집광하여 포토 디텍터(125)에서 검출한다.
이 때, 상술한 바와 마찬가지로, 75 ㎛ 또는 100 ㎛의 깊이에 따라서 제1 렌즈(104)를 이동시켜 발산점의 위치를 조정하고 있으므로, 각 위치마다 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있고, 도24의 (b) 및 도24의 (c)에 도시한 바와 같이 레이저 광(L')을 75 ㎛ 또는 100 ㎛의 위치에 효율적으로 집광시킬 수 있다. 따라 서, 오차가 적은 고정밀도의 관찰상을 얻을 수 있다.
또한, WD치를 변화시킨 경우에는, 제어부는 예를 들어 스테이지를 광축 방향을 향해 이동하도록 제어하여 WD의 조정을 행한다.
상술한 바와 같이 본 실시 형태의 레이저 광학계(120)에 따르면, 매질(A)의 표면으로부터 다른 깊이(50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛)에 레이저 광(L')을 집광시킬 때에, 매질(A)의 굴절률 및 매질(A)의 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 이동 수단(106)에 의해 제1 렌즈(104), 즉 발산점을 광축 상을 따라 이동시키므로, 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있고, 각각의 깊이에 있어서 최적의 상태에서 효율적으로 레이저 광(L')을 집광시킬 수 있다. 따라서, 매질(A)의 표면으로부터의 깊이를 바꾸었다고 해도, 각 위치에서 오차가 적은 관찰상을 얻을 수 있어 매질(A)의 관찰을 고정밀도로 행할 수 있다.
또한, 상기 제10 실시 형태에서는 주사 수단(124)으로서 제1 갈바노 미러(127) 및 제2 갈바노 미러(129)를 채용하였지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들어 도25에 도시한 바와 같이 주사 수단(124)으로서 2차원 갈바노 미러(135)를 채용해도 상관없다. 이 2차원 갈바노 미러(135)는 제1 갈바노 미러(127) 및 제2 갈바노 미러(129)의 회전축(127a, 129a)과 동일 방향을 향한 2개의 회전축(135a, 135b)을 갖고 있고, 이 회전축(135a, 135b)의 축 주위에 소정 각도의 범위에서 2차원적으로 진동하도록 되어 있다.
이에 의해, 상기 제10 실시 형태와 같이 갈바노 미러 및 동 릴레이 광학계를 각각 2개 구비할 필요가 없어지기 때문에 한층 구성의 용이화를 도모할 수 있고, 저비용화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술 범위는 상기 제5 내지 제10 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 변경을 가하는 것이 가능하다.
예를 들어, 제1 렌즈군 및 제2 렌즈군은 상기 제5 실시 형태와 같이 1매의 렌즈에 의해 구성해도 상관없고, 제7 실시 형태나 제8 실시 형태와 같이 1매 이상의 렌즈에 의해 구성해도 상관없다. 또한, 각 렌즈는 그 종류, 예를 들어 볼록 렌즈, 오목 렌즈나 양 볼록 렌즈에 한정되지 않고, 자유롭게 조합하여 설계해도 좋다.
특히, 상기 제5 내지 제10 실시 형태에 있어서, 이동 수단이 제1 렌즈군을 하기식을 충족시키도록 이동시키도록 설정하면 된다.
1/│f│ ＜ 0.01
또한, │f│는 제1 렌즈군과 제2 렌즈군의 포커싱 거리이다. 이와 같이 함으로써, 무한 초점인 부분을 갖게 할 수 있다.
또한, 상기 제5 내지 제10 실시 형태에 있어서, 하기식을 충족시키도록 제2 렌즈군을 설정하면 된다.
f2 ＞ 0
또한, f2는 제2 렌즈군의 초점 거리이다.
집광 광학계의 입사동 위치는 집광 광학계 내에 있는 경우도 많지만, 제2 렌즈군을 플러스 파워(볼록 렌즈)로 함으로써, 집광 광학계의 입사동 위치가 광학계 내에 존재하였다 해도, 제2 렌즈군의 후방측 초점 위치를 집광 광학계의 입사동 위치에 일치시킬 수 있다.
또한, 상기 제5 내지 제10 실시 형태에 있어서, 하기식을 충족시키도록 제1 렌즈군 및 제2 렌즈군을 설정하면 된다.
f1 ＜ 0
또한, 1 ≤ │f2/f1│ ≤ 5
또한, f1은 제1 렌즈군의 초점 거리이며, f2는 제2 렌즈군의 초점 거리이다.
제1 렌즈군을 마이너스 파워(오목 렌즈), 제2 렌즈군을 플러스 파워(볼록 렌즈)로 함으로써, 구성의 콤팩트화를 도모할 수 있다. 또한, 1 ≤ f2/f1이므로, 제1 렌즈군을 간단히 구성할 수 있다. 그로 인해, 저렴하게 할 수 있을 뿐 아니라, 성능 열화를 억제할 수 있다. 또한, │f2/f1│ ≤ 5이므로, 광학계를 콤팩트하게 구성할 수 있다.
또한, 제1 렌즈군 및 제2 렌즈군의 설정은 상술한 바와 같이, f1 ＜ 0, 1 ≤ │f2/f1│ ≤ 5에만 한정되지 않고, 예를 들어 상기 제5 내지 제10 실시 형태에 있어서 하기식을 충족시키도록 설정해도 좋다.
f1 ＞ 0
또한, 0.5 ≤ │f1/f2│ ≤ 2
이렇게 함으로써, 양 렌즈군의 초점 거리를 플러스의 초점 거리로 할 수 있고, 단순한 구성으로 등배율에 가깝게 릴레이시킬 수 있다.
또한, 상기 제5 내지 제10 실시 형태에서는, 제어부에 의해 이동 수단을 자 동적으로 제어하도록 구성하였지만, 제어부에 의한 계산 결과를 기초로 하여 이동 수단을 작동시켜 제1 렌즈군의 위치를 이동시켜도 상관없다.
또한, 본 발명의 광학계를 도26에 도시한 바와 같이 광핀셋 광학계에 채용해도 상관없다. 이 경우에는, 구면수차의 발생량을 억제할 수 있으므로, 보다 고정밀도로 예를 들어 수중의 미소 물체 등을 보충할 수 있다.
또한, 도27에 도시한 바와 같은 수차 보정 광학계에 의해 구면수차 보정을 행해도 상관없다. 즉, 수차 보정 광학계(140)는 도시하지 않은 광원으로부터의 광속(L)을 집광하는 광학계로, 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈(141, 142, 143)에 있어서 각 렌즈를 배타적으로 광로 중에 삽입 분리 가능하게 배치하고 있다.
2(d2 ＋ l × f － l × d)NA ＝ f × a
또한, 상기 d는 대물 렌즈를 포함하는 집광 광학계(144)의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리이고, 상기 l은 집광 광학계(144)의 입사동 위치로부터 광원 위치까지의 거리이며, 상기 f는 복수의 렌즈(141, 142, 143)의 초점 길이이며, 상기 NA는 광원의 NA(집광 렌즈로부터 본 NA)이고, 상기 a는 집광 광학계(144)의 입사동 직경이다. 또한, 광속(L)은 발산광 상태이며, 상기 복수의 렌즈(141, 142, 143)는 볼록 렌즈로 하고 있다.
이와 같이 구성한 수차 보정 광학계(140)에 있어서는, 발산 광원의 경우에 매질 중의 깊이가 다른 부위를 관찰(집광)하고자 한 경우라도, 광량 일정, 동면 내에서의 광량 분포 일정에서 구면수차의 발생량을 억제한 관찰(집광)을 행할 수 있 다. 또한, 종래와 같이 보정 고리 대물 렌즈 등의 고가의 대물 렌즈를 조합하거나, 두께가 다른 글래스 등을 교환할 필요가 없다.
또한, 상술한 도27에 도시하는 수차 보정 광학계(140)에서는 발산 광속 중에 볼록 렌즈인 복수의 렌즈(141, 142, 143)를 배치하였지만, 도28에 도시한 바와 같이 수렴 광속 중에 복수의 렌즈(141, 142, 143)를 배치해도 상관없다. 이 경우에는, 복수의 렌즈(141, 142, 143)는 오목 렌즈로 하면 된다.
또한, 도29에 도시한 바와 같이, 오목 렌즈인 복수의 렌즈(141, 142, 143)를 평행 광속 중에 배치해도 상관없다.
또한, 도30에 도시한 바와 같이, 평행 광속을 일단 볼록 렌즈(145)에서 수렴광으로 변환한 후, 복수의 렌즈(141, 142, 143)를 배치해도 상관없다.
또는, 상기 수차 보정 광학계(140)를 도31에 도시한 바와 같이, 제10 실시 형태의 레이저 광학계와 조합하여 사용해도 상관없다. 또한, 복수의 렌즈(141, 142, 143)는 렌즈 삽입 분리 기구(146)에 의해 삽입 분리되도록 구성되어 있다.
이와 같이 구성한 경우에도, 제10 실시 형태와 같은 작용 효과를 발휘한다.
또한, 본 발명에는 이하의 것이 포함된다.
[부기항 1]
평행 광속 상태에서 광속을 사출하는 사출 수단과;
상기 광속을 집광하는 집광 광학계와;
상기 사출 수단과 상기 집광 광학계 사이의 상기 광속 중에, 이 광속의 광축 방향을 따라 이동 가능하게 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제1 렌즈군 과;
이 제1 렌즈군과 상기 집광 광학계 사이의 상기 광속 중에 고정된 상태에서 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제2 렌즈군과;
상기 광속을 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 상기 제1 렌즈군을 이동시키는 이동 수단을 구비하고,
상기 제2 렌즈군이 후방측 초점 길이가 상기 집광 광학계의 입사동 위치의 적어도 근방에 배치되어 있는 광학계.
[부기항 2]
부기항 1에 기재된 광학계이며,
상기 집광 광학계가 상기 광속을 매질 중에 집광시키고,
상기 이동 수단이 집광시키는 상기 매질의 굴절률 및 매질 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 상기 제1 렌즈군을 이동시킨다.
[부기항 3]
부기항 1 또는 부기항 2에 기재된 광학계이며,
상기 사출 수단이 레이저 광을 사출하는 레이저 광원을 구비한다.
[부기항 4]
레이저 광을 사출하는 레이저 광원과;
이 레이저 광원으로부터 사출된 상기 레이저 광의 광속을 평행 광속으로 하는 평행 광속 수단과;
상기 평행 광속 상태의 상기 레이저 광을 매질 중에 집광시키는 동시에 집광 점으로부터의 광을 재집광하는 집광 광학계와;
상기 레이저 광원과 공액인 위치에 배치되어 상기 집광 광학계에 의해 재집광된 상기 광을 검출하는 광 검출기와;
상기 평행 광속 수단과 상기 집광 광학계 사이의 상기 평행 광속 중에 이 평행 광속의 광축 방향을 따라 이동 가능하게 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제1 렌즈군과;
이 제1 렌즈군과 상기 집광 광학계 사이의 상기 평행 광속 중에 고정된 상태에서 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제2 렌즈군과;
상기 레이저 광이 집광되는 상기 매질의 굴절률 및 매질 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 상기 제1 렌즈군을 이동시키는 이동 수단을 구비하고,
상기 제2 렌즈군이 후방측 초점 길이가 상기 집광 광학계의 입사동 위치의 적어도 근방에 배치되어 있는 광학계.
[부기항 5]
레이저 광을 사출하는 레이저 광원과;
이 레이저 광원으로부터 사출된 상기 레이저 광의 광속(L)을 평행 광속으로 하는 평행 광속 수단과;
상기 평행 광속 상태의 상기 레이저 광을 매질 중에 집광시키는 동시에 집광점으로부터의 광을 재집광하는 집광 광학계와;
상기 매질 중에서의 집광점을 상기 레이저 광의 광축 방향에 대해 수직인 방 향으로 주사 가능한 주사 수단과;
상기 레이저 광원과 공액인 위치에 배치되어 상기 집광 광학계에 의해 재집광된 상기 광을 검출하는 광 검출기와;
상기 평행 광속 수단과 상기 집광 광학계 사이의 상기 평행 광속 중에 이 평행 광속의 광축 방향을 따라 이동 가능하게 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제1 렌즈군과;
이 제1 렌즈군과 상기 집광 광학계 사이의 상기 평행 광속 중에 고정된 상태에서 배치되고 1매 이상의 렌즈에 의해 구성된 제2 렌즈군과;
상기 레이저 광이 집광되는 상기 매질의 굴절률 및 매질 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 상기 제1 렌즈군을 이동시키는 이동 수단을 구비하고,
상기 제2 렌즈군이 후방측 초점 길이가 상기 집광 광학계의 입사동 위치의 적어도 근방에 배치되어 있는 광학계.
[부기항 6]
부기항 5에 기재된 광학계이며,
상기 주사 수단이 갈바노 미러이다.
[부기항 7]
부기항 4 내지 부기항 6 중 어느 한 항에 기재된 광학계이며,
상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군이 광로 중으로부터 삽입 분리 가능하다.
[부기항 8]
부기항 4 내지 부기항 7 중 어느 한 항에 기재된 광학계이며,
상기 집광 광학계와 상기 매질 표면과의 광축 방향의 상대적인 거리가 일정하다.
[부기항 9]
부기항 1 내지 부기항 3 중 어느 한 항에 기재된 광학계를 갖는 광핀셋 광학계.
[부기항 10]
부기항 1 내지 부기항 8 중 어느 한 항에 기재된 광학계이며,
상기 제1 렌즈군과 상기 제2 렌즈군과의 포커싱 거리를 │f│라 한 경우, 상기 이동 수단이 상기 제1 렌즈군을, 하기식을 충족시키는 위치로 이동시킨다.
1/│f│ ＜ 0.01
[부기항 11]
부기항 1 내지 부기항 8 중 어느 한 항에 기재된 광학계이며,
상기 제2 렌즈군의 초점 거리를 f2라 한 경우, 상기 제2 렌즈군이 하기식을 충족시킨다.
f2 ＞ 0
[부기항 12]
부기항 1 내지 부기항 8 중 어느 한 항에 기재된 광학계이며,
상기 제1 렌즈군의 초점 거리를 f1, 상기 제2 렌즈군의 초점 거리를 f2라 한 경우, 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군이 하기식을 충족시킨다.
f1 ＜ 0
또한, 1 ≤ │f2/f1│ ≤ 5
[부기항 13]
부기항 1 내지 부기항 8 중 어느 한 항에 기재된 광학계이며,
상기 제1 렌즈군의 초점 거리를 f1, 상기 제2 렌즈군의 초점 거리를 f2라 한 경우, 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군이 하기식을 충족시킨다.
f1 ＞ 0
또한, 0.5 ≤ │f1/f2│ ≤ 2
[부기항 14]
광원으로부터의 광속을 집광하는 광학계이며, 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈를 배타적으로 광로 중에 삽입 분리 가능하게 배치한 수차 보정 광학계.
2(d2 ＋ l × f － l × d)NA ＝ f × a
단, d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리
l ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 광원 위치까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 길이
NA ; 광원의 개구수(집광 렌즈로부터 본 개구수)
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
[부기항 15]
수렴ㆍ발산 광학계 중에, 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈를 광로 중에 배타적으로 삽입 분리 가능하게 배치한 레이저 주사 광학계.
2(d2 ＋ l × f － l × d)NA ＝ f × a
단, d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 각 렌즈까지의 거리
l ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 광원 위치까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 길이
NA ; 광원의 개구수(집광 렌즈로부터 본 개구수)
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
[부기항 16]
부기항 15에 기재된 레이저 주사 광학계를 갖는 레이저 주사 현미경.
[부기항 17]
수렴ㆍ발산 광학계 중에 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈를 광로 중에 배타적으로 삽입 분리 가능하게 배치한 광핀셋 광학계.
2(d2 ＋ l × f － l × d)NA ＝ f × a
단, d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리
l ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 광원 위치까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 길이
NA ; 광원의 개구수(집광 렌즈로부터 본 개구수)
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
[부기항 18]
평행 광속을 사출하는 광원과, 평행 광속을 집광하는 광학계를 포함하는 집광 광학계이며,
하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈를 배타적으로 광로 중에 삽입 분리 가능하게 배치한 수차 보정 광학계.
b(f － d)/f ＝ a
단, b ; 광원으로부터의 평행 광속 직경
d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 길이
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
[부기항 19]
평행 광속 중에, 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈를 광로 중에 배타적으로 삽입 분리 가능하게 배치한 레이저 주사 광학계.
b(f － d)/f ＝ a
단, b ; 광원으로부터의 평행 광속 직경
d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 길이
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
[부기항 20]
평행 광속 중에 하기식을 충족시키는 복수의 렌즈에 있어서 각 렌즈를 광로 중에 배타적으로 삽입 분리 가능하게 배치한 광핀셋.
b(f － d)/f ＝ a
단, b ; 광원으로부터의 평행 광속 직경
d ; 집광 광학계의 입사동 위치로부터 상기 각 렌즈까지의 거리
f ; 복수의 렌즈의 초점 길이
a ; 집광 광학계의 입사동 직경
본 발명에 관한 집광 광학계에 따르면, 집광시키는 매질의 굴절률 및 매질의 표면으로부터 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 레이저 발산점 이동 수단에 의해 레이저 발산점을 레이저 광의 광축 상을 따라 이동시키므로, 매질 중의 깊이가 다른 각각의 위치에서 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있다. 따라서, 레이저 광을 원하는 매질의 깊이에 효율적으로 집광시킬 수 있어, 집광 성능의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 구면수차가 적은 광을 재집광하여 정확한 관찰상을 얻을 수 있으므로, 고정밀도로 매질 중의 관찰을 행할 수 있다. 특히, 레이저 발산점을 이동시킬 뿐이므로, 종래와 같이 번거로운 일 없이, 용이하게 구면수차 보정을 행할 수 있는 동시에 특별한 광학계를 구비할 필요가 없으므로, 구성의 단순화를 도모할 수 있는 동시에 비용화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 광학계에 따르면, 매질 중이 집광시키는 위치까지의 거리에 따라서 제1 렌즈군을 이동시킴으로써, 제2 렌즈군에 입사하는 광속의 위치를 바꾸는, 즉 집광 광학계로부터 본 실질적인 광원 위치의 변경을 행할 수 있으므로, 원하는 집광점에서의 구면수차의 발생량을 최대한 억제할 수 있다. 또한, 후방측 초점 길이가 집광 광학계의 입사동 위치에 일치한 제2 렌즈군에 의해 집광 광학계의 입사동에 입사하는 광속 직경을 변화시키지 않으므로, 종래와 같이 광량의 변화나 동면 내에서의 광량 분포가 변화하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 집광 성능의 변화를 억제할 수 있다.
또한, 제1 렌즈군을 이동시키는 것만으로 광원 위치의 변경을 행할 수 있으므로, 구성의 단순화를 도모할 수 있고, 번거로운 일 없이 용이하게 구면수차 보정을 행할 수 있다.

Claims (44)

  1. 레이저 광을 출사하는 레이저 광원과;
    이 레이저 광원과 매질 사이에 배치되어 상기 레이저 광을 매질의 내부에 집광시키는 동시에 집광점으로부터의 광을 재집광하는 집광 광학계와;
    상기 레이저 광의 레이저 발산점의 위치를 상기 레이저 광이 집광되는 상기 매질의 굴절률 및 상기 매질의 표면으로부터 집광시키는 상기 매질 내부의 위치까지의 거리에 따라서 상기 레이저 광의 광축 상을 따라 이동 가능한 레이저 발산점 이동 수단을 구비한 레이저 집광 광학계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 집광 광학계가 상기 레이저 광을 상기 집광 광학계에 대해 직교하는 방향을 향해 주사 가능한 주사 수단을 구비하는 레이저 집광 광학계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발산점 이동 수단이 미리 측정된 상기 집광 광학계의 파면 데이터를 기초로 하여 레이저 발산점의 위치를 설정하는 레이저 집광 광학계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 집광 광학계에 연계되어 설치되고, 집광 광학계의 대물 렌즈의 하면으로부터 상기 매질의 표면까지의 거리를 소정 거리로 유지하는 관찰 광학계를 구비하고,
    이 관찰 광학계가 오토 포커스 검출 수단 또는 오토 포커스 기구를 구비하는 레이저 집광 광학계.
  5. 제1항에 있어서, 상기 집광 광학계와 상기 매질의 표면과의 광축 방향의 상대적인 거리가 일정한 레이저 집광 광학계.
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  26. 제1항에 있어서, 상기 레이저광을 평행 광속으로 하는 평행 광속 수단을 더 구비하고;
    상기 레이저 발산점 이동 수단이,
    상기 평행 광속 중에서 이 평행 광속의 광축 방향을 따라서 이동 가능하게 설치되는 제1 렌즈군과,
    상기 평행 광속 중에 고정된 상태로 설치되는 제2 렌즈군과,
    상기 제1 렌즈군을 이동시키는 이동 수단을 포함하는 레이저 집광 광학계.
  27. 제26항에 있어서, 상기 제2 렌즈군의 후방측 초점 위치가, 상기 집광 광학계의 입사동 위치의 적어도 근방에 배치되어 있는 레이저 집광 광학계.
  28. 제26항에 있어서, 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군이, 광로 중으로부터 삽입 분리 가능한 레이저 집광 광학계.
  29. 제26항에 있어서, 상기 제1 렌즈군과 상기 제2 렌즈군의 포커싱 거리를 │f│로 한 경우, 상기 이동 수단이 상기 제1 렌즈군을, 하기식을 만족시키는 위치로 이동시키는 레이저 집광 광학계.
    1/│f│ < 0.01
  30. 제26항에 있어서, 상기 제2 렌즈군의 초점 거리를 f2로 한 경우, 상기 제2 렌즈군이 하기식을 만족시키는 레이저 집광 광학계.
    f2 > 0
  31. 제26항에 있어서, 상기 제1 렌즈군의 초점 거리를 f1, 상기 제2 렌즈군의 초점 거리를 f2로 한 경우, 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군이 하기식을 만족시키는 레이저 집광 광학계.
    f1 < 0
    또한 1 ≤ │f2/f1│ ≤ 5
  32. 제26항에 있어서, 상기 제1 렌즈군의 초점 거리를 f1, 상기 제2 렌즈군의 초점 거리를 f2로 한 경우, 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군이 하기식을 만족시키는 레이저 집광 광학계.
    f1 > 0
    또한 0.5 ≤ │f1/f2│ ≤ 2
  33. 삭제
  34. 삭제
  35. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발산점 이동 수단이, 상기 집광 광학계 중에 설치되는 2개 이상의 미러를 포함하고,
    상기 미러를 상기 광축 방향을 따라서 이동시키는 레이저 집광 광학계.
  36. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발산점 이동 수단이, 상기 집광 광학계의 광로 중에 하기식을 만족시키는 복수의 렌즈를 배타적으로 삽입 분리 가능하게 배치하는 레이저 집광 광학계.
    2(d2 ＋ 1 × f － 1 × d)NA ＝ f×a
    단, d : 집광 광학계의 입사동 위치로부터 복수의 렌즈까지의 거리
    l : 집광 광학계의 입사동 위치로부터 광원 위치까지의 거리
    f : 복수의 렌즈의 초점 위치
    NA : 광원의 개구수(집광 렌즈로부터 본 개구 수)
    a : 집광 광학계의 입사동 직경
  37. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발산점 이동 수단이, 상기 집광 광학계의 광로 중에 하기식을 만족시키는 복수의 렌즈를 배타적으로 삽입 분리 가능하게 배치하는 레이저 집광 광학계.
    b(f － d)/f ＝ a
    단, b : 광원으로부터의 평행 광속 직경
    d : 집광 광학계의 입사동 위치로부터 복수의 렌즈까지의 거리
    f : 복수의 렌즈의 초점 위치
    a : 집광 광학계의 입사동 직경
  38. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발산점 이동 수단이 상기 집광 광학계의 NA를 기초로 하여 레이저 발산점의 위치를 설정하는 레이저 집광 광학계.
  39. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발산점 이동 수단이, 상기 집광 광학계의 대물 렌즈 입사동 위치에 대한 상기 레이저 발산점의 위치를 이동 가능한 레이저 집광 광학계.
  40. 제39항에 있어서, 상기 레이저 발산점 이동 수단은 상기 입사동 위치에 입사하는 상기 레이저 광원으로부터의 광속 직경이 일정한 상태를 유지한 상태에서 상기 레이저 발산점을 이동시키는 레이저 집광 광학계.
  41. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발산점 이동 수단을 제어하는 제어 수단과,
    상기 매질의 굴절률 및 상기 거리를 입력하는 입력 수단과,
    상기 입력 수단으로부터 입력된 상기 굴절률 및 상기 거리로부터, 상기 레이저 발산점의 이동량을 계산하는 계산 수단을 더 구비하고,
    상기 제어 수단이 상기 계산 수단에 의해 산출된 상기 이동량을 기초로 하여 상기 레이저 발산점 이동 수단을 제어하는 레이저 집광 광학계.
  42. 제41항에 있어서, 상기 집광 광학계와 상기 매질의 표면과의 상대 거리를 상기 집광 광학계의 광축 방향을 따라서 변화시키는 포커싱 수단을 더 갖고,
    상기 계산 수단은 상기 입력 수단으로부터 입력된 상기 굴절률 및 상기 거리로부터, 상기 레이저 발산점의 이동량과 상기 포커싱 수단의 상기 상대 거리를 계산하고,
    상기 제어 수단이 상기 계산 수단에 의해 산출된 상기 이동량과 상기 상대 거리를 기초로 하여 상기 레이저 발산점 이동 수단과 상기 포커싱 수단을 제어하는 레이저 집광 광학계.
  43. 제2항에 있어서, 상기 주사 수단이 갈바노 미러를 포함하는 레이저 집광 광학계.
  44. 제1항에 있어서, 상기 레이저 광원과 공액인 위치에 배치되어 상기 집광 광학계에 의해 재집광된 상기 광을 검출하는 광 검출기를 더 구비하는 레이저 집광 광학계.
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