WO2011135771A1 - 二次元走査装置 - Google Patents

Abstract

　二次元走査装置（１００）は、光を出力する光源（１１１）と、被検面（１０１）に対するＸ方向の走査を担当するミラー（１２１）と、被検面（１０１）に対するＹ方向の走査を担当するミラー（１２２）と、Ｘ方向とＹ方向とでパワーが異なり、Ｘ方向のパワーが正であるレンズ（１３１）と、Ｘ方向とＹ方向とでパワーが異なり、Ｙ方向のパワーが正であるレンズ（１３２）とを備え、ミラー（１２１，１２２）が、レンズ（１３１，１３２）からなるレンズ群より光源（１１１）側に配置されている。

Description

二次元走査装置

　本発明は、被検面を二次元に走査する二次元走査装置に関する。

　一般に、走査光学系において、平面状の被検面あるいは照射面に対して歪のない光学系を組む方法として、被検面側（像側）をテレセントリックな光学系にする方法がある。

　例えば、特許文献１には、二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。

　具体的には、図３０に示すように、光源４１から発せられた光は、コリメータレンズ４２を通り、ポリゴンミラー４３に導かれる。ポリゴンミラー４３に導かれた光は、ポリゴンミラー４３によって副走査方向に折り曲げられる。ポリゴンミラー４３によって副走査方向に折り曲げられた光は、副走査断面のみパワーをもつシリンドリカルレンズ４４を通り、ポリゴンミラー４５に導かれる。ポリゴンミラー４５に導かれた光は、ポリゴンミラー４５によって主走査方向に折り曲げられる。ポリゴンミラー４５によって主走査方向に折り曲げられた光は、主走査断面のみパワーをもつシリンドリカルレンズ４６を通り、被走査面４７に導かれる。

　ここで、各シリンドリカルレンズは、各シリンドリカルレンズの物体側の焦点位置に各ポリゴンミラーの中心が位置するように配置されている。

　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。

　すなわち、上記の二次元の走査光学系では、ポリゴンミラーと当該ポリゴンミラーの走査方向のみにパワーを持つシリンドリカルレンズとを組み合わせたものを、主走査方向と副走査方向とについて、それぞれ備え、それらを直列につなげている。これによって、二次元の走査が可能な光学系、かつ被走査面４７側がテレセントリックな光学系を実現している。

特許第２７０９９２８号公報

　しかしながら、上記従来の二次元の走査光学系では、二次元でテレセントリックな光学系を実現するために、ポリゴンミラー４３、シリンドリカルレンズ４４、ポリゴンミラー４５、シリンドリカルレンズ４６の順に配置する必要がある。このため、走査光学系の光路の全長が非常に長くなり、設置面積の大きな装置が必要になるという課題がある。

　本発明は、上記の課題を解決するものであり、二次元の走査で得られる二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二次元走査装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明に係わる二次元走査装置は、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二次元走査装置であって、光源と、前記光源からの光を前記被検面に対する前記第１方向および前記第２方向に走査させる走査光学系と、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、前記走査光学系は、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、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）を満たすことを特徴とする。

　（１）｜ｆ１ｘ／ｆ１ｙ｜　＜　１
　（２）｜ｆ２ｘ／ｆ２ｙ｜　＞　１

　本発明によれば、二次元の走査で得られる二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二次元走査装置を実現することができる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１における二次元走査装置の概要図である。 図１Ｂは、本実施の形態１における二次元走査装置の鳥瞰図である。 図２は、本実施の形態１における二次元走査装置をＸ方向から見た図である。 図３は、本実施の形態１における二次元走査装置をＹ方向から見た図である。 図４Ａは、本実施の形態１における二次元走査装置でＹ方向に走査した場合における光路図である。 図４Ｂは、本実施の形態１における二次元走査装置でＸ方向に走査した場合における光路図である。 図５は、本実施の形態１における二次元走査装置の各光学素子の諸元表を示す図である。 図６は、本実施の形態１における二次元走査装置の設計条件を定義する数式の計算結果の表を示す図である。 図７Ａは、本実施の形態１における二次元走査装置でＹ方向に走査した場合の被検面の座標［０，０］の横収差図である。 図７Ｂは、本実施の形態１における二次元走査装置でＸ方向に走査した場合の被検面の座標［０，０］の横収差図である。 図８Ａは、本実施の形態１における二次元走査装置でＹ方向に走査した場合の被検面の座標［－１０，－１０］の横収差図である。 図８Ｂは、本実施の形態１における二次元走査装置でＸ方向に走査した場合の被検面の座標［－１０，－１０］の横収差図である。 図９は、本発明の実施の形態２における二次元走査装置の鳥瞰図である。 図１０は、本実施の形態２における二次元走査装置をＸ方向から見た図である。 図１１は、本実施の形態２における二次元走査装置をＹ方向から見た図である。 図１２は、本実施の形態２における二次元走査装置の各光学素子の諸元表を示す図である。 図１３は、本実施の形態２における二次元走査装置の設計条件を定義する数式の計算結果の表を示す図である。 図１４Ａは、本実施の形態２における二次元走査装置でＹ方向に走査した場合の被検面の座標［０，０］の横収差図である。 図１４Ｂは、本実施の形態２における二次元走査装置でＸ方向に走査した場合の被検面の座標［０，０］の横収差図である。 図１５Ａは、本実施の形態２における二次元走査装置でＹ方向に走査した場合の被検面の座標［－１０，－１０］の横収差図である。 図１５Ｂは、本実施の形態２における二次元走査装置でＸ方向に走査した場合の被検面の座標［－１０，－１０］の横収差図である。 図１６は、本発明の実施の形態３における二次元走査装置の鳥瞰図である。 図１７は、本実施の形態３における二次元走査装置をＸ方向から見た図である。 図１８は、本実施の形態３における二次元走査装置をＹ方向から見た図である。 図１９は、本実施の形態３における二次元走査装置の各光学素子の諸元表を示す図である。 図２０は、本実施の形態３における二次元走査装置の設計条件を定義する数式の計算結果の表を示す図である。 図２１Ａは、本実施の形態３における二次元走査装置でＹ方向に走査した場合の被検面の座標［０，０］の横収差図である。 図２１Ｂは、本実施の形態３における二次元走査装置でＸ方向に走査した場合の被検面の座標［０，０］の横収差図である。 図２２Ａは、本実施の形態３における二次元走査装置でＹ方向に走査した場合の被検面の座標［－１０，－１０］の横収差図である。 図２２Ｂは、本実施の形態３における二次元走査装置でＸ方向に走査した場合の被検面の座標［－１０，－１０］の横収差図である。 図２３は、本発明の実施の形態４における二次元走査装置の鳥瞰図である。 図２４は、本実施の形態４における二次元走査装置をＸ方向から見た図である。 図２５は、本実施の形態４における二次元走査装置をＹ方向から見た図である。 図２６は、本実施の形態４における二次元走査装置の各光学素子の諸元表を示す図である。 図２７は、本実施の形態４における二次元走査装置の設計条件を定義する数式の計算結果の表を示す図である。 図２８Ａは、本実施の形態４における二次元走査装置でＹ方向に走査した場合の被検面の座標［０，０］の横収差図である。 図２８Ｂは、本実施の形態４における二次元走査装置でＸ方向に走査した場合の被検面の座標［０，０］の横収差図である。 図２９Ａは、本実施の形態４における二次元走査装置でＹ方向に走査した場合の被検面の座標［－１０，－１０］の横収差図である。 図２９Ｂは、本実施の形態４における二次元走査装置でＸ方向に走査した場合の被検面の座標［－１０，－１０］の横収差図である。 図３０は、従来の二次元の走査光学系の概要を示す図である。

　以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付けて、適宜、説明を省略している。

　（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。

　＜二次元走査装置１００＞
　図１Ａに示すように、二次元走査装置１００は、被検面１０１を二次元に走査する装置である。ここでは、二次元走査装置１００は、光源１１１、ミラー１２１，１２２、レンズ１３１，１３２を備える。

　被検面１０１は、ステージ１１２に載置されている被検物１０２の上面である。被検物１０２としては、例えば、パターンが形成されたディスプレイパネルなどがある。ミラー１２１は、サーボドライバ１２５の回転軸１２３に取り付けられている。ミラー１２２は、サーボドライバ１２６の回転軸１２４に取り付けられている。レンズ１３１は、レンズホルダー１３３で保持されている。レンズ１３２は、レンズホルダー１３４で保持されている。サーボドライバ１２５は、回転軸１２３がＺ軸と平行になるように配置されている。サーボドライバ１２６は、回転軸１２４がＸ軸と平行になるように配置されている。サーボドライバ１２５，１２６は、制御装置１２７で個別に制御されている。回転軸１２３の回転角度が制御装置１２７で制御されることで、ミラー１２１の向きが調整される。回転軸１２４の回転角度が制御装置１２７で制御されることで、ミラー１２２の向きが調整される。

　以下、二次元走査装置１００については、図を簡潔にするために、被検物１０２、ステージ１１２、サーボドライバ１２５，１２６、制御装置１２７、レンズホルダー１３３，１３４を省略して図示する。また、光源１１１を黒丸で図示する。

　この二次元走査装置１００における光源１１１から被検面１０１までの光の動きについて説明する。図１Ｂに示すように、光源１１１から出力された光がミラー１２１で反射される。ミラー１２１で反射された光がミラー１２２で反射される。ミラー１２２で反射された光がレンズ１３１を通過する。レンズ１３１を通過した光がレンズ１３２を通過する。レンズ１３２を通過した光が被検面１０１に照射される。

　なお、Ｘ方向において、光源１１１からミラー１２１へ向かう方を負とする。Ｙ方向において、ミラー１２１からミラー１２２へ向かう方を負とする。以下の説明では、特に言及しない限り、被検面１０１の中心を原点とする。被検面１０１の中心とミラー１２２の中心とを結ぶ線を、レンズ１３１，１３２からなる光学系の光軸とする。

　＜光源１１１＞
　光源１１１は、Ｘ軸に平行に、波長１３１０ｎｍ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（第１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（第２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の中心とミラー１２２の中心とは、同一軸上に位置する。光源側１１１側にミラー１２１が配置されている。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。

　このミラー１２１，１２２による被検面１０１の走査について説明する。光源１１１から出力された光がミラー１２１で反射される。ミラー１２１で反射された光がミラー１２２で反射される。回転軸１２３を中心に所定角度範囲でミラー１２１が回転することで、被検面１０１をＸ方向に走査する。回転軸１２４を中心に所定角度範囲でミラー１２２が回転することで、被検面１０１をＹ方向に走査する。

　＜レンズ１３１，１３２＞
　レンズ１３１は、Ｘ方向とＹ方向とで曲率が異なり、Ｘ方向とＹ方向とで屈折力（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方向とで曲率が異なり、Ｘ方向とＹ方向とで屈折力（パワー）が異なるトロイダルレンズである。レンズ１３１の向きは、レンズ１３１の光軸がＺ軸と平行になるように調整されている。レンズ１３２の向きは、レンズ１３２の光軸がＺ軸と平行になるように調整されている。レンズ１３１の光軸とレンズ１３２の光軸とは、同一軸上に位置する。ミラー１２２側にレンズ１３１が配置されている。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。

　なお、図２、図３に示すように、レンズ１３１の入射面については、Ｘ方向の曲がり具合が凸型（正）であり、Ｙ方向の曲がり具合が凹型（負）である。レンズ１３１の入射面については、Ｙ方向よりもＸ方向の方が大きく曲がっている。レンズ１３１の射出面については、Ｘ方向の曲がり具合が凹型（負）であり、Ｙ方向の曲がり具合が凹型（負）である。レンズ１３１の出射面については、Ｘ方向よりもＹ方向の方が大きく曲がっている。レンズ１３２の入射面については、Ｘ方向の曲がり具合が凹型（負）であり、Ｙ方向の曲がり具合が凸型（正）である。レンズ１３２の入射面については、Ｙ方向よりもＸ方向の方が大きく曲がっている。レンズ１３２の射出面については、Ｘ方向の曲がり具合が凹型（負）であり、Ｙ方向の曲がり具合が凹型（負）である。レンズ１３２の出射面については、Ｙ方向よりもＸ方向の方が大きく曲がっている。

　＜設計条件＞
　次に、二次元走査装置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方向またはＹ方向のいずれの方向に走査しても、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。

　一般に、走査光学系において、走査平面側がテレセントリックになるためには、レンズの走査平面側の焦点距離と、走査ミラーの中心からレンズの光源側の主点位置までの距離が等しいことが必要である。これを、図４Ａ、図４Ｂにおいて、模式図を用いて説明する。

　ここでは、Ｘ方向の走査を担当する走査ミラーＭ１、Ｙ方向の走査を担当する走査ミラーＭ２、トロイダルレンズＬ１、トロイダルレンズＬ２からなる走査光学系を例に説明する。図４Ａに走査ミラーＭ２の走査方向（Ｙ方向）の光線追跡図、図４Ｂに走査ミラーＭ１の走査方向（Ｘ方向）の光線追跡図を示す。

　また、図４Ａ、図４Ｂにおいて、点線で表された第一光路は、無限遠にある点光源から、トロイダルレンズＬ１，Ｌ２を通り、走査平面側の像面ＩＰで結像される光線である。また、実線で表された第二光路は、走査ミラーＭ１または走査ミラーＭ２に物点があるときの、トロイダルレンズＬ１，Ｌ２を通る光路である。

　像側テレセントリックを構成するときは、この第二光路と走査平面側の像面ＩＰのなす角度が直角である。すなわち、第二光路の結像位置は、無限遠方に存在する。

　図４Ａに示すＹ方向の走査光学系、図４Ｂ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を考える。このとき、走査ミラーの中心にある物点の像は、それぞれ無限遠方に存在する。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。

　本実施の形態での走査光学系では、走査ミラーが入射瞳であり、射出瞳の位置が無限である。このとき、トロイダルレンズＬ１，Ｌ２からなるレンズ群は、像側テレセントリックを構成する。

　また、トロイダルレンズＬ１，Ｌ２からなるレンズ群は、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。

　ここで、簡易に二次元の走査を実現する方法は、ガルバノミラーを２枚組み合わせて、Ｘ方向とＹ方向との各方向に走査させることである。なお、この場合、これらの２枚のガルバノミラーの間には、ミラーを回転させるだけの物理的に一定の距離が必要となる。

　ここで、この走査光学系に使用されるレンズが、通常の軸回転対称なレンズであると仮定する。この場合、当該レンズの持つ焦点距離は、すべての走査方向に対して同じ値になり、主点位置も同位置になる。しかしながら、この場合、２枚の走査ミラーを同じ位置に配置することができない。そのため、この走査光学系では、走査ミラーを別々の位置に配置することになる。すなわち、この走査光学系での走査ミラーの回転中心からの距離は、走査方向によって異なる。そのため、通常の軸回転対称なレンズを用いた場合では、走査方向によってテレセントリックを満たすことが出来なくなる。

　これに対して、本実施の形態の走査光学系では、走査断面によって異なるパワーを持つ特殊なレンズを用いることで、走査方向によらず、テレセントリック条件を満たしている。

　また、レンズの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。

　すなわち、テレセントリック条件と、像面一致条件、収差を簡易な構成で小さくすることを満たす条件式として、下記の数式が挙げられる。

　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、数式（１）は、本発明の走査光学系として必要な条件を満たすためのトロイダルレンズＬ１の数値範囲である。

　数式（２）は、トロイダルレンズＬ２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、数式（２）は、本発明の走査光学系として必要な条件を満たすためのトロイダルレンズＬ２の数値範囲である。

　本実施の形態では、Ｙ方向の走査を像面に近い走査ミラーＭ２で行い、Ｘ方向の走査を像面から遠い走査ミラーＭ１で行っている。なお、本実施の形態では、トロイダルレンズＬ１の条件を数式（１）の条件（数値範囲）とし、トロイダルレンズＬ１の条件を数式（２）の条件（数値範囲）としたが、走査方向などの条件を変えることで、これらの数式をレンズ間で入れ替えることも可能である。

　２つのレンズを透過した光において良好なスポットを得るためには、正のパワーのレンズ（以下、正レンズ）と負のパワーのレンズ（以下、負レンズ）の組み合わせのレンズ群が望ましい。これは、正レンズが発する収差（主として球面収差）を、負レンズで打ち消すためである。

　また、パワーが強い面を持つレンズは、高次の収差（主として球面収差）が現れやすい。そのため、本実施の形態のレンズ群としては、２枚の正負のパワーをもつレンズの組み合わせで、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）を用いている。レンズ群としてテレフォトタイプを選択したのは、テレフォトタイプが、面のパワーを大きくすることなく、焦点距離を長くすることができるためである。

　なお、テレフォトタイプに代えて、レトロフォーカスタイプ（光源から順に、負レンズ、正レンズが並ぶ光学系）を用いることもできる。このレトロフォーカスタイプをレンズ群として用いると、面のパワーを大きくすることなく、一方の焦点距離を短くできる。テレフォトタイプかレトロフォーカスタイプかは、焦点距離に基づいて選択される。特に、レンズ最終面から像点までの距離（以下、ワーキングディスタンス）を焦点距離に対して比較的長くしたい場合、このレトロフォーカスタイプが有効である。

　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。ゆえに、トロイダルレンズＬ１では、Ｙ方向の走査断面の焦点距離がＸ方向の走査断面の焦点距離に対して長いほうが望ましい。トロイダルレンズＬ２では、Ｘ方向の走査断面の焦点距離がＹ方向のそれに対して長いほうが望ましい。

　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、数式（３）は、本実施の形態において望ましい数値範囲である。

　ここで、数式（３）の数値範囲とした理由について説明する。

　前述のように、本実施の形態では、２枚のトロイダルレンズを使用して、テレセントリック光学系を実現するものであり、必然的に焦点距離が走査断面によって異なる。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、各走査断面に対して、レンズ群の像側主点位置がその焦点距離の差分の分だけズレていることが必要である。

　数式（３）は、このズレ量に関して規定するものである。この値が大きい程、トロイダルレンズＬ１，Ｌ２の間隔に対して焦点距離の差が大きくなり、焦点距離に差分が出る。すなわち、本実施の形態におけるトロイダルレンズＬ１，Ｌ２の走査断面は、走査断面の方向によって、形が大きく異なる。

　具体的には、光源１０１から見た場合に、焦点距離の短いＹ方向に関しては、レトロフォーカスタイプである負正の順番になる。また、焦点距離の長いＸ方向に関しては、テレフォトタイプである正負の順番になる。これは、各トロイダルレンズにおいて、走査断面によってパワーの正負が逆になることを意味する。そのため、本実施の形態でのトロイダルレンズの形状は、いびつになりやすく、加工の難しい。さらに、トロイダルレンズの形状がいびつになるため、面の厚みが大きくなる、収差が大きくなるという不利益をもたらす。

　一方、数式（３）の値が小さい（焦点距離の差分がトロイダルレンズＬ１，Ｌ２の間隔に比べ小さい）と、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。これは、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ためである。

　なお、数式（３）の数値範囲は、トロイダルレンズの形状がいびつでなく、かつ、像点一致条件とテレセントリックが両立するための条件である。

　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、数式（４）の数値範囲とした理由について説明する。

　本実施の形態のように、トロイダルレンズＬ１，Ｌ２からなるレンズ群のＹ方向の走査断面の焦点距離は、Ｘ方向のそれに比べ短い。そのため、本実施の形態のレンズ群としては、レトロフォーカスタイプ、すなわち負正の順番に並ぶ形が望ましい。数式（４）は、このレトロフォーカスタイプのレトロ比に相当するものである。この数式（４）は、レンズ群のＹ方向の走査断面の焦点距離に対して、バックフォーカス（後側焦点）の長さの比率を表すものである。なお、Ｘ方向の走査断面がテレフォトタイプの正負の並びになる場合は、形が走査断面によって、極端に曲率が異なる歪（いびつ）な形になる。そのため、これを実現するためのトロイダルレンズの加工は難しく、さらに収差が悪化する可能性がある。

　レトロフォーカスタイプのレンズ群における光軸中心付近の画角では、正レンズで打ち消す収差が縮小される一方、負レンズで打ち消す収差が拡大する。ここで、数式（４）のＷＤ／ｆｙの数値が大きくなると、レトロ比が大きくなる。すなわち、負レンズ（トロイダルレンズＬ１）で打ち消す収差の割合が大きくなり、簡易な構成のトロイダルレンズＬ１で、収差の影響の小さいレンズ群を満たすことが困難になる。

　逆に、数式（４）のＷＤ／ｆｙの数値が小さくなると、レトロ比が小さくなる。すなわち、正レンズ（トロイダルレンズＬ２）で打ち消す収差の割合が大きくなり、トロイダルレンズＬ２が複雑な構成になる。

　数式（４）は、これらの条件を満たすための数値範囲である。

　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。

　これは、トロイダルレンズＬ１，Ｌ２からなるレンズ群のＸ方向の走査断面において、光学系の全長に対して、焦点距離の比率を表すものに相当する。

　ここで、数式（５）の数値範囲とした理由について説明する。

　前述のように、本実施の形態のレンズ群は、Ｘ方向の走査断面に関し焦点距離が長い、テレフォトタイプを選択している。数式（５）は、このテレフォトタイプのテレフォト比に相当するものである。トロイダルレンズＬ１，Ｌ２からなるレンズ群は、値が小さいほど、全長に対する焦点距離が長いレンズ群になる。テレフォトタイプのレンズ群では、テレフォト比が小さくなっ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。数式（５）の範囲より小さくなると、トロイダルレンズＬ１及びトロイダルレンズＬ２のパワーが大きくなる傾向にあり、簡易な構成で良好な収差を保つことが難しくなる。

　また、数式（５）の範囲を超えて、このテレフォト比に相当するものが大きくなると、レンズ群がコンパクトな構成を保てなくなる。

　数式（５）は、これらの問題を解決するための条件を満たす数値範囲である。

　なお、本実施の形態のレンズ群においては、さらに数式（６）の数値範囲を満たしていることが望ましい。

　ここで、数式（６）の数値範囲が望ましい理由について説明する。

　数式（６）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、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との比の条件式である。この条件式は、二つのレンズから構成される光学系において、第二レンズ（トロイダルレンズＬ２）の担う倍率の逆数を既定するものである。

　光学系において、光学系の収差において占める第一レンズ（トロイダルレンズＬ１）の収差は、第一レンズ（トロイダルレンズＬ１）以降のレンズの受け持つ倍率分拡大される。特に、本実施の形態のテレフォトタイプのように、Ｘ方向の走査断面における焦点距離が長いレンズは、倍率が大きくなる傾向があり、第二レンズ（トロイダルレンズＬ２）で打ち消す必要がある収差が大きくなる。

　数式（６）の範囲を超えて数値が小さくなると、トロイダルレンズＬ２の受け持つ倍率が大きくなる。そのため、トロイダルレンズＬ１の収差がトロイダルレンズＬ２で大きく拡大される。

　また、数式（６）の範囲を超えて数値が大きくなると、トロイダルレンズＬ２の受け持つ倍率が小さくなる。この場合、トロイダルレンズＬ１の収差が大きく拡大されることはないが、その一方で、倍率が小さくなることで、光学系を大きくする必要があり、コンパクトな光学系にするのが困難になる。

　数式（６）は、これらの問題を解決するための条件を満たす数値範囲である。

　なお、本実施の形態の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。

　数式（７）は、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と、Ｙ方向の走査断面の焦点距離との比の条件式である。

　ここで、数式（７）の数値範囲が望ましい理由について説明する。

　本実施の形態のレンズ群では、テレセントリック条件を満たすために、走査方向の走査断面の焦点距離が、ミラーの間隔分だけ異なる構成になっている。

　数式（７）の範囲を超えて、走査断面におけるパワーの比が異なると、Ｘ方向の走査断面とＹ方向の走査断面との中間、すなわち、斜めの走査方向において、スポットの形状が楕円形となる。この場合、本実施の形態のように、トロイダルレンズが２枚という簡易な構成でスポット径を小さくすることが、困難になる。

　数式（７）は、これらの問題を解決するための条件を満たす数値範囲である。

　なお、本実施の形態の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。

　ここで、数式（８）の数値範囲が望ましい理由について説明する。

　数式（８）は、トロイダルレンズＬ１におけるＸ方向とＹ方向の走査断面の焦点距離と、トロイダルレンズＬ２におけるＸ方向とＹ方向の走査断面との焦点距離の逆数である。すなわち、数式（８）は、２つのトロイダルレンズのパワーの差分の和の条件式である。

　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、非点収差が小さくなり、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。しかしながら、本実施の形態では、テレセントリック条件を満たすために、走査方向によるパワーが異なる。そのため、数式（８）の値に必然的に差分が生まれやすい。

　よって、数式（８）の数値範囲を満たすことで、非点収差を小さくし、ビームスポットを円形に近くすることができる。その結果、数式（８）の条件を満たすことで、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。

　なお、数式（８）の値を超えると、非点収差が大きくなり、中心から離れた点におけるビームスポット径の形が歪（いびつ）になる。この場合、走査方向により、解像度に差分が生じてしまう。

　また、レンズ表面が非球面なものを利用することで、スポット形状をさらに小さく、真円に近づけて、さらにレンズの解像力を上げることができる。

　以上のように、本実施の形態では、走査ミラーよりも被検面側に、２枚のトロイダルレンズからなるレンズ群を配置している。この構成により、簡易な構成で、テレセントリックでコンパクトな走査光学系を実現することができる。

　＜実施例＞
　ここで、本実施の形態１の実施例について、図１Ａ，図１Ｂ等を参照しながら説明する。レンズ１３１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（レンズ群）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の中心との距離は、１０ｍｍである。

　このように構成された光学系を含む二次元走査装置１００を用い、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の正方形の範囲を走査する。

　二次元走査装置１００を構成する光学素子の諸元を図５に示す。

　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）、屈折率を列挙している。

　この諸元表のデータを使用して計算された上記の数式（１）－（８）の各値を図６に示す。図６に示す表には、各数式について、数式の番号、計算結果を列挙している。

　なお、図５において、面番号１は、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は、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は、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は、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は、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は、レンズ１３２の射出面に割り当てられた面番号である。

　図５に示すように、本実施例の構成では、焦点距離ｆｘと焦点距離ｆｙとの差分に影響があるミラー間隔Ｄｍは、１０ｍｍである。また、レトロ比とテレフォト比とに影響を及ぼすワーキングディスタンスＷＤは、４５ｍｍである。図６に示す各値により、二次元走査装置１００では、走査方向によらず、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ことが分かる。

　ここで、二次元走査装置１００で、Ｙ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［０，０］の横収差を図７Ａに示し、Ｘ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［０，０］の横収差を図７Ｂに示す。また、二次元走査装置１００で、Ｙ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［－１０，－１０］の横収差を図８Ａに示し、Ｘ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［－１０，－１０］の横収差を図８Ｂに示す。なお、これらの図については、一目盛り１００μｍで横収差をプロットしている。これらの図に示すグラフにより、二次元走査装置１００では、収差が充分に小さく、二次元走査に収差が問題無いことが分かった。

　面番号１の距離は、ミラー１２１の中心からミラー１２２の中心までの距離である。面番号２の距離は、ミラー１２２からレンズ１３１の入射面までの光軸上の距離である。面番号３の距離は、レンズ１３１の入射面からレンズ１３１の射出面までの光軸上の距離である。面番号４の距離は、レンズ１３１の射出面からレンズ１３２の入射面までの光軸上の距離である。面番号５の距離は、レンズ１３２の入射面からレンズ１３２の射出面までの光軸上の距離である。面番号６の距離は、レンズ１３２の射出面から被検面１０１までの光軸上の距離である。

　屈折率は、どの面番号の屈折率も、波長１３１０ｎｍの光に対する屈折率である。

　なお、本実施例では、光を二次元平面上で動かすために、ミラー１２１，１２２の２枚のガルバノ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。

　＜まとめ＞
　以上、本実施の形態では、レンズ１３１，１３２にトロイダルレンズを採用している。そして、光源１１１から順に、ミラー１２１，１２２、レンズ１３１，１３２を配置している。このとき、ミラー１２１，１２２は、二次元平面上を走査可能なように配置している。また、レンズ１３１，１３２とは、隣接して配置している。これらの構成によって、歪が少なく、かつ簡易な構成でコンパクトな二次元走査装置を実現することができる。

　（実施の形態２）
　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二次元走査装置２００は、実施の形態１における二次元走査装置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２３１，２３２＞
　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。

　なお、シリンドリカルレンズは、トロイダルレンズの一形態である。このため、前述の実施の形態１で説明した各光学素子の設計条件を、本実施の形態２でも適用することができる。

　レンズ２３１の向きは、レンズ２３１の光軸がＺ軸と平行になるように調整されている。レンズ２３２の向きは、レンズ２３２の光軸がＺ軸と平行になるように調整されている。レンズ２３１の光軸とレンズ２３２の光軸とは、同一軸上に配置されている。

　レンズ２３１は、ミラー１２２側に配置している。レンズ２３２は、被検面１０１側に配置している。ミラー１２２で反射された光は、レンズ２３１に入射する。レンズ２３１から射出された光は、レンズ２３２に入射する。

　なお、レンズ２３１は、ＹＺ断面が長方形となっている。レンズ２３２は、ＸＺ断面が長方形となっている。レンズ２３１は、Ｙ軸の垂直な面の形状が凸型（正）であり、Ｘ軸に垂直な面の形状が平坦である。そのため、レンズ２３１は、入射面の曲率よりも射出面の曲率の方が大きい。

　レンズ２３２は、Ｙ軸に垂直な面の形状が平坦であり、Ｘ軸に垂直な面の形状が凸型（正）である。そのため、レンズ２３２は、入射面の曲率よりも射出面の曲率の方が大きい。

　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、シリンドリカルレンズでは、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。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は、シリンドリカルレンズの面を非球面にする必要がある。

　＜実施例＞
　ここで、本実施の形態２の実施例について、図９等を用いて説明する。レンズ２３１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２３２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（レンズ群）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の中心との距離は、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。

　このように構成された光学系を含む二次元走査装置２００を用い、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の正方形の範囲を走査する。

　二次元走査装置２００を構成する光学素子の諸元を図１２に示す。この諸元表のデータを使用して計算された、上記の数式（１）－（８）の各値を図１３に示す。図１３に示す各値により、二次元走査装置２００でも、走査方向によらず、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ことが分かった。

　また、ミラー１２１の反射面が平面であるので、面番号１のＲＸとＲＹは、ｉｎｆ（無限大）である。ミラー１２２の反射面が平面であるので、面番号２のＲＸとＲＹは、ｉｎｆ（無限大）である。レンズ２３１のＹＺ断面が長方形であるので、面番号３，４のＲＹは、ｉｎｆ（無限大）である。レンズ２３２のＸＺ断面が長方形であるので、面番号５，６のＲＸは、ｉｎｆ（無限大）である。

　レンズ２３１の射出面は非球面形状である。レンズ２３２の射出面は非球面形状である。すなわち、レンズ２３１，２３２について、入射面と射出面とのうち、レンズの曲率が大きい面が非球面形状である。非球面形状は、下記の数式（９）で定義される。

　ここで、光軸方向の値をＸ、光軸方向に垂直な方向の値をＨ、光の進行方向の符号を正、近軸曲率半径をＲ、離心率をｋ、各非球面係数をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとした。

　ミラー間隔Ｄｍは、１０ｍｍである。ワーキングディスタンスＷＤは、５２．３６ｍｍである。図１３に示す各値により、二次元走査装置２００では、走査方向によらず、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ことが分かった。

　なお、二次元走査装置２００で、Ｙ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［０，０］の横収差を図１４Ａに示し、Ｘ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［０，０］の横収差を図１４Ｂに示す。また、二次元走査装置２００で、Ｙ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［－１０，－１０］の横収差を図１５Ａに示し、Ｘ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［－１０，－１０］の横収差を図１５Ｂに示す。これらの図については、一目盛り１００μｍで横収差をプロットしている。これらの図に示すグラフにより、二次元走査装置２００では、充分に収差が小さく、二次元走査に収差が問題無いことが分かった。

　＜まとめ＞
　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を採用している。これによって、二次元の走査で得られる二次元像の歪が少なく、高精度な解像度を有し、かつ簡易な構成でコンパクトな二次元走査装置を実現することができる。本実施の形態２の二次元走査装置２００は、前述の実施の形態１の二次元走査装置１００と比べて、レンズの形状の自由度が増す。

　（実施の形態３）
　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二次元走査装置３００は、前述の実施の形態１における二次元走査装置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３３１，３３２＞
　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の向きは、レンズ３３１の光軸がＺ軸と平行になるように調整されている。レンズ３３２の向きは、レンズ３３２の光軸がＺ軸と平行になるように調整されている。レンズ３３１の光軸とレンズ３３２の光軸とは、同一軸上に配置されている。

　レンズ３３１は、ミラー１２２側に配置している。レンズ３３２は、被検面１０１側に配置している。ミラー１２２で反射された光は、レンズ３３１に入射する。レンズ３３１から射出された光は、レンズ３３２に入射する。

　なお、図１７、図１８に示すように、レンズ３３１の入射面は、Ｘ方向の曲率が凸型（正）であり、Ｙ方向の曲率が凸型（正）である。このレンズ３３１の入射面は、Ｙ方向の曲率よりもＸ方向の曲率の方が大きい。レンズ３３１の射出面については、Ｘ方向の曲率が凹型（負）であり、Ｙ方向の曲率が凹型（負）である。このレンズ３３１の射出面は、Ｘ方向の曲率とＹ方向の曲率とも略同じである。レンズ３３２の入射面は、Ｘ方向の曲率が凹型（負）であり、Ｙ方向の曲率が凸型（正）である。このレンズ３３２の入射面は、Ｙ方向の曲率よりもＸ方向の曲率の方が大きい。レンズ３３２の射出面については、Ｘ方向の曲率が凹型（負）であり、Ｙ方向の曲率が凹型（負）であり、Ｙ方向の曲率よりもＸ方向の曲率の方が大きい。

　＜実施例＞
　ここで、本実施の形態３の実施例について、図１６等を参照しながら説明する。レンズ３３１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の中心との距離は、１０ｍｍである。

　このように構成された光学系を含む二次元走査装置３００を用い、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の正方形の範囲を走査する。

　二次元走査装置３００を構成する光学素子の諸元を図１９に示す。この諸元表のデータを使用して計算された上記の数式（１）－（８）の各値を図２０に示す。

　ミラー間隔Ｄｍは、５ｍｍである。ワーキングディスタンスＷＤは、４５ｍｍである。図２０に示す各値より、二次元走査装置３００では、走査方向によらず、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ことが分かった。

　なお、二次元走査装置３００で、Ｙ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［０，０］の横収差を図２１Ａに示し、Ｘ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［０，０］の横収差を図２１Ｂに示す。また、二次元走査装置３００で、Ｙ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［－１０，－１０］の横収差を図２２Ａに示し、Ｘ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［－１０，－１０］の横収差を図２２Ｂに示す。これらの図については、一目盛り１００μｍで横収差をプロットしている。これらの図に示すグラフにより、二次元走査装置３００では、収差が充分に小さく、二次元走査に収差が問題無いことが分かった。

　＜まとめ＞
　以上、本実施の形態３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している。そのため、二次元の走査で得られる二次元像の歪が少なく、より高精度な解像度を有し、かつ簡易な構成でコンパクトな二次元走査装置を実現することができる。

　（実施の形態４）
　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二次元走査装置４００は、前述の実施の形態１における二次元走査装置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４３１，４３２＞
　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の向きは、レンズ４３１の光軸がＺ軸と平行になるように調整されている。レンズ４３２の向きは、レンズ４３２の光軸がＺ軸と平行になるように調整されている。レンズ４３１の光軸とレンズ４３２の光軸とは、同一軸上に配置されている。レンズ４３１は、ミラー１２２側に配置している。レンズ４３２は、被検面１０１側に配置している。ミラー１２２で反射された光は、レンズ４３１に入射する。レンズ４３１から射出された光は、レンズ４３２に入射する。

　なお、図２４、図２５に示すように、レンズ４３１の入射面については、Ｘ方向の曲がり具合が凸型（正）であり、Ｙ方向の曲がり具合が凹型（正）である。このレンズ４３１の入射面は、Ｘ方向の曲がり具合とＹ方向の曲がり具合とも略同じである。

　レンズ４３１の射出面については、Ｘ方向の曲がり具合が凹型（負）であり、Ｙ方向の曲がり具合が凹型（負）である。このレンズ４３１の出射面は、Ｘ方向の曲がり具合よりもＹ方向の曲がり具合の方が大きく曲がっている。

　レンズ４３２の入射面については、Ｘ方向の曲がり具合が凹型（負）であり、Ｙ方向の曲がり具合が凸型（正）である。このレンズ４３２の入射面は、Ｙ方向の曲がり具合よりもＸ方向の曲がり具合の方が大きく曲がっている。

　レンズ４３２の射出面については、Ｘ方向の曲がり具合が凹型（負）であり、Ｙ方向の曲がり具合が凹型（負）である。このレンズ４３２の出射面は、Ｘ方向の曲がり具合よりもＹ方向の曲がり具合の方が大きく曲がっている。

　＜実施例＞
　ここで、本実施の形態４の実施例について、図２３等を用いて説明する。レンズ４３１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の中心との距離は、１０ｍｍである。

　このように構成された光学系を含む二次元走査装置４００を用い、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の正方形の範囲を走査する。

　二次元走査装置４００を構成する光学素子の諸元を図２６に示す。この諸元表のデータを使用して計算された上記の数式（１）－（８）の各値を図２７に示す。焦点距離ｆｘと焦点距離ｆｙとの差分に影響するミラー間隔Ｄｍは、５０ｍｍである。レトロ比とテレフォト比とに影響するワーキングディスタンスＷＤは、６０ｍｍである。図２７に示す各値により、二次元走査装置４００では、走査方向によらず、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ことが分かった。

　なお、二次元走査装置４００で、Ｙ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［０，０］の横収差を図２８Ａに示し、Ｘ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［０，０］の横収差を図２８Ｂに示す。また、二次元走査装置４００で、Ｙ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［－１０，－１０］の横収差を図２９Ａに示し、Ｘ方向に走査した場合の被検面１０１の座標［－１０，－１０］の横収差を図２９Ｂに示す。これらの図については、一目盛り１００μｍで横収差をプロットしている。これらの図に示すグラフにより、二次元走査装置４００では、収差が充分に小さく、二次元走査に収差が問題無いことが分かった。

　＜まとめ＞
　以上、本実施の形態４では、レンズ４３１，４３２にトロイダルレンズを採用することで、二次元の走査で得られる二次元像の歪が少なく、高精度な解像度を有し、かつ簡易な構成でコンパクトな二次元走査装置を実現することができる。

　本発明は、例えば、診断装置、レーザー加工機などのように、二次元に被検面を走査する二次元走査装置などとして、利用することができる。

Claims (11)

1. 　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二次元走査装置であって、
   　光源と、
   　前記光源からの光を前記被検面に対する前記第１方向および前記第２方向に走査させる走査光学系と、
   　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、
   　前記走査光学系は、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、
   　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
   　ことを特徴とする二次元走査装置。
2. 　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に記載の二次元走査装置。
3. 　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に記載の二次元走査装置。
4. 　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に記載の二次元走査装置。
5. 　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に記載の二次元走査装置。
6. 　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に記載の二次元走査装置。
7. 　前記第１レンズと前記第２レンズとについて、入射面と射出面とのうち、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に記載の二次元走査装置。
8. 　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に記載の二次元走査装置。
9. 　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に記載の二次元走査装置。
10. 　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に記載の二次元走査装置。
11. 　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に記載の二次元走査装置。

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