JPH04146410A - 走査光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光源からの光によって対物レンズを介して
物体を走査する走査光学系に関する。

〔従来の技術〕

従来の走査光学系として、例えば第５図に示すようなも
のがある。この走査光学系は、光源１からのレーザビー
ム２によって対物レンズ３を経て試料４を光軸と直交す
る平面内で互いに直交するＸ、　Ｙ方向に走査して試料
４を観察する走査型光学顕微鏡に適用したものである。

光源１からのし−ザビーム２は、ビームエキスパンダ５
によって必要な大きさのビーム径に拡大され、ビームス
プリッタ６を透過して対物レンズ３の瞳位置と共役な位
置に設けられた光偏向器７に入射し、ここで試料４上で
例えばＸ方向に移動するように偏向される。

この光偏向器７で偏向されたレーザビーム２は、瞳伝送
レンズ８および９を経て、同様に対物レンズ３の瞳位置
と共役な位置に設けられた光偏向器１０に入射し、ここ
で試料４上で、Ｘ方向と直交するＸ方向に移動するよう
に偏向される。その後、レーザビーム２は瞳投影レンズ
１１および結像レンズ１２を経て対物レンズ３により試
料４上に回折で制限されるスポットとして投射され、こ
れにより試料４がＸ−Ｙ走査されるようになっている。

ここで、試料４が透過物体の場合には、その透過光はコ
ンデンサレンズ１３を経て光検出器１４で検出され、反
射物体の場合には、その反射光は対物レンズ３、結像レ
ンズ１２、瞳投影レンズ１１、光偏向器１０、瞳伝送レ
ンズ９．８および光偏向器７を経てビームスプリッタ６
で反射され、集光レンズ１５を経て光検出器１６で検出
されるようになっている。

第６図は光偏向器７から対物レンズ３までの光学系を拡
大して示すものである。光偏向器７および１０は対物レ
ンズ３の瞳２１の位置と共役な位置に配置されているの
で、光偏向器７．１０で偏向されるレーザビーム２の中
心は、軸外主光線と一致し、対物レンズ３の瞳２１の中
心を通る。また、軸上光線の上側光線２２および下側光
線２３、軸外光線の上側光線２４および下側光線２５の
高さも対物レンズ３の瞳２１を過不足無く通過する。な
お、第６図において、符号２６は瞳投影レンズ１１で光
偏向器側に投影される対物レンズ３の瞳２１の像を示す
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の走査光学系においては、光偏向器７，１
０の位置が固定されているため、瞳投影レンズ１１によ
って光偏向器７．１０と共役な関係となる対物レンズ３
の瞳２１の位置が決まってしまう。ところが、瞳位置は
対物レンズによって異なるため、従来の走査光学系では
、第７図に示すように別の対物レンズ３０を使用すると
、光偏向器７，１０が対物レンズ３０の瞳３１の位置に
対して共役な位置からずれてしまう。

このように、光偏向器７．１０が対物レンズ３０の瞳位
置に対して共役な位置からずれると、第６図の場合とは
異なって、光偏向器７．１０で偏向されたレーザビーム
２の中心が対物レンズ３０の瞳３１の中心を通らなくな
ると共に、軸上光線の上側光線２２および下側光線２３
、軸外光線の上側光線２４および下側光線２５の高さも
、対物レンズ３０の瞳３１の位置で一致しなくなる。

このため、第８図に瞳３１上の光束の様子を示すように
、軸上光線４０は対物レンズ３０の瞳３１をはみ出すこ
となく通過するが、偏向された軸外光線４１は対物レン
ズ３０の瞳３１からずれており、その瞳３１からはみ出
た斜線部の光４２（第７図では軸外光線の下側光線２５
）は試料４に届かないことになる。

この瞳３１からはみ出る光の量は、偏向角が大きいほど
多くなり、これがため周辺減光が生じるという問題があ
る。なお、第７図において、符号３２は瞳投影レンズ１
１で光偏向器側に投影される対物レンズ３０の瞳３１の
像を示す。

また、上述した従来の走査光学系では、光偏向器７．１
０に入射する光束の大きさが一定であるため、対物レン
ズの交換によってその瞳の大きさが変化すると、第９図
に示すように対物レンズの瞳３１上で軸上光線５０と軸
外光線５１との光束が瞳３１よりも大きくなる場合があ
り、この場合には周辺減光は生じないが、光の利用効率
が悪くなるという問題がある。

この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、その第１の目的は、対物レンズの交換によっ
てその瞳位置のずれが生じても、それを容易に補正でき
るよう適切に構成した走査光学系を提供することにある
。

また、第２の目的は、上記第１の目的に加え、対物レン
ズを交換しても、光源からの光を常に効率良く利用でき
るよう適切に構成した走査光学系を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段および作用〕上記第１の目
的を達成するため、この発明では、光源と対物レンズと
の間に配置され、該対物レンズを経て物体上に集光させ
る光源からの光を偏向して物体を走査する走査光学系に
おいて、前記光源からの光を第１の方向に偏向する第１
の光偏向素子と、この第１の光偏向素子によって偏向さ
れた光を第１の方向とは直交する第２の方向に偏向する
第２の光偏向素子と、これら第１の光偏向素子および第
２の光偏向素子間に配置したアフォーカル光学系より成
る瞳伝送光学系と、前記第１の光偏向素子、第２の光偏
向素子および瞳伝送光学系の少なくとも一つを移動させ
る移動機構とを設け、 前記対物レンズの交換に応じて、前記第１の光偏向素子
および第２の光偏向素子を、交換された対物レンズの瞳
位置に対して共役な位置に調整し得るよう構成する。

また、上記第２の目的を達成するため、この発明では上
記の構成に加え、前記光源と前記第２の光偏向素子との
間に、前記第２の光偏向素子に入射する光の光束径を変
化させる光束径変換光学系を設け、これにより対物レン
ズを交換してもその瞳を光束が過不足無く通過するよう
調整し得るよう構成する。

なお、上記の移動機構による第１の光偏向素子、第２の
光偏向素子および瞳伝送光学系の少なくとも一つの移動
に伴う光軸変動が生じる場合には、その光軸変動を補正
する補正手段を設ける。

〔実施例〕

第１図ＡおよびＢはこの発明の第１実施例を示すもので
ある。この実施例は、第５図〜第７図に示した光学系に
おいて、光偏向器７、像伝送レンズ８，９および光偏向
器１０を有するアフォーカル光学系より成る走査光学系
６０全体を図示しない移動機構により光軸方向に移動可
能に構成すると共に、この走査光学系６０の手前に光束
径変換光学系６１を設けたものである。

第１図Ａは、第７図に示したように対物レンズ３０に交
換したために、投影された対物レンズ３０の瞳３１の像
３２の位置と光偏向器１０の位置とが一致していない、
すなわち光偏向器１０と対物レンズ３０の瞳３１の位置
とが共役の関係になっていない状態を示し、第１図Ｂは
走査光学系６０全体を移動させて、光偏向器１０の位置
と投影された対物レンズ３０の瞳３１の像３２の位置と
を一致させると共に、対物レンズ３０の瞳３１に光束が
過不足無く入射するように、走査光学系６０への入射光
束径を光束径変換光学系６１によりＤｌからＤ２に拡大
した状態を示す。

このように、走査光学系６０全体を移動可能に構成する
ことにより、対物レンズの交換による瞳位置のずれを、
光偏向器１０の位置と投影される対物レンズ３０の瞳３
１の像３２の位置とが一致するように容易に補正するこ
とができ、これにより対物レンズ３０の瞳３１の位置で
、軸上光線および軸外光線のそれぞれの上側光線および
下側光線を一致させることができる。また、光束径変換
光学系６１を設けて走査光学系６０への入射光束径を拡
大、縮小できるようにしたので、対物レンズ３０の１１
３１に軸上光線６２および軸外光線６３を過不足無く入
射させることができる。したがって、光源からのレーザ
ビーム２を常に効率良く利用することができる。

第２図ＡおよびＢは第１図に示す光束径変換光学系６１
の一例の構成を示すものである。この光束径変換光学系
６１は、レーザビーム２の進行方向に沿って順次配置し
た凸レンズ７０と、Ｘ１〜×２の間で連続的に移動可能
な凹レンズ７１と、Ｘ３〜×４の間で連続的に移動可能
な凸レンズ７２と、凹レンズ７３とを具える。

かかる構成において、第２図Ａに示すように、凹レンズ
７１が位置Ｘ１に、凸レンズ７２が位置Ｘ４にある場合
には、入射光束は凸レンズ７０で収束するが、凸レンズ
７０と凹レンズ７１との間が狭いために光束径はあまり
小さくならない、しかし、凹レンズ７１と凸レンズ７２
との間が長いので、この間で光束は拡がり、凹レンズ７
３から出て（る光束の径ｄ１は、入射光束径をｄとする
と、ｄ　＜ｄｌとなる。

一方、第２図Ｂに示すように、凹レンズ７１が位置Ｘ２
に、凸レンズ７２が位置Ｘ３にある場合には、光束が凸
レンズ７０と凹レンズ７１との間、および凸しンズ７２
と凹レンズ７３との間でそれぞれ小さくなるために、凹
レンズ７３から出てくる光束の径ｄ２は、ｄ＞ｄ２とな
る。

したがって、凹レンズ７１および凸レンズ７２を移動さ
せることにより、入射光束径ｄが一定でも、凹レンズ７
３から出射される光束の径をｄｌからｄ２まで連続的に
変化させることができる。

第１実施例で示した走査光学系６０は、瞳伝送レンズ８
の後側焦点位置に瞳伝送レンズ９の前側焦点位置を一致
させたアフォーカル光学系であり、また二つの光偏向器
７．１０は共役な関係になるようになっている。したが
って、瞳伝送レンズ８に入射した平行光束は、瞳伝送レ
ンズ９から出るときも平行光束となる。この場合のアフ
ォーカル光学系の倍率βは、瞳伝送レンズ８および９の
焦点距離を、それぞれｆ、およびｆｔとすると、β＝　
ｆ　ｚ　／　ｆ　Ｉ となる。

また、二つの光偏向器７，１０が共役な関係にあるとい
うことは、光偏向器７が瞳伝送レンズ８の前側焦点位置
に、光偏向器ｌＯが瞳伝送レンズ９の後側焦点位置に配
置される構成となる。したがって、ｆｌおよびｆ２の一
方または双方を変化させるようにすれば、光束径を変化
させることができることになる。

以上のことを考慮し、この発明の第２実施例においては
、走査光学系に光束径変換機能を持たせるようにする。

第３図ＡおよびＢはかかる走査光学系の要部の一例の構
成を示すもので、第１図Ａ、Ｂに示すものと同じ構成要
素には同一の符号を付し、その説明を省略する。この走
査光学系８０は、第１図Ａ。

Ｂに示した走査光学系６０において、瞳伝送レンズ８の
代わりに凹レンズ８１および凸レンズ８２を有するレン
ズ群８３を用いる。レンズ群８３は、一体に移動可能に
構成すると共に、その凹レンズ８１および凸レンズ８２
を相対的に移動可能に構成する。また、光偏向器７も移
動可能に構成すると共に、これら光偏向器７、レンズ群
８３、瞳伝送レンズ９および光偏向器１０より成る走査
光学系８０全体も、第１図Ａ、Ｂに示した走査光学系６
０と同様に一体に移動可能に構成する。

第３図Ａは、第７図に示したように対物レンズを交換し
たために、投影された対物レンズ３０の瞳３１の像３２
の位置と光偏向器ｌＯの位置とが一致していない、すな
わち光偏向器１０と対物レンズ３０の瞳３１の位置とが
共役の関係になっていない状態を示し、第３図Ｂは走査
光学系８０全体を一体に移動させることにより、光偏向
器１０の位置と投影された対物レンズ３０の瞳３１の像
３２の位置とを一致させると共に、光偏向器７およびレ
ンズ群８３の位置を調整することにより、対物レンズ３
０の瞳３１に光束が過不足無く入射するように走査光学
系８０において光束径を拡大した状態を示す。

以下、この実施例における光束径の変換作用について説
明する。

上記構成において、レンズ群８３を構成する凹レンズ８
１の焦点距離をｆｌｌ　ｓ凸レンズ８２の焦点距離をｆ
。、凹レンズ８１および凸レンズ８２の間隔をｔとする
と、レンズ群８３の合成焦点距離ｆは、１／　ｆ　＝　
　１／Ｌ＋　＋１／ｂｘ　　　ｔ／　　（ｆｌｌＸｂｇ
）となる、したがって、凹レンズ８１および凸レンズ８
２を相対的に移動させてそれらの間隔ｔを変化させれば
、レンズ群８３の焦点距離ｆを変化させることができ、
これにより光束径を連続的に変化させることができる。

ここで、レンズ群８３の焦点距離ｆを変化させると、そ
れに伴ってその前側焦点位置および後便焦点位置が変わ
るので、レンズ群８３全体を移動させて、その後側焦点
位置を瞳伝送レンズ９の前側焦点位置に一致させると共
に、光偏向器７を移動させて、該光偏向器７をレンズ群
８３の前側焦点位置に一致させる。

このように、この実施例においては、走査光学系８０に
光束径の変換機能をも持たせるようにしたので、第１実
施例の効果に加え、構成をより簡単にできるという効果
がある。

第４図はこの発明の第３実施例の要部の構成を示すもの
である。この実施例は、試料からの反射光を光偏向器９
１、瞳伝送レンズ９２、折り返しミラー９３、瞳伝送レ
ンズ９４、光偏向器９５、ミラー９６．９７およびビー
ムスプリッタ９８を経て検出光学系９９で受光するよう
にしたものにおいて、光偏向器９１を対物レンズ（図示
せず）の瞳の像１００の位置に一致させるために、光偏
向器９１、瞳伝送レンズ９２、折り返しミラー９３、瞳
伝送レンズ９４および光偏向器９５を有する走査光学系
を矢印１０１で示す方向に一体に移動可能に構成すると
共に、この走査光学系の移動に連動してミラー９６を同
様に矢印１０１で示す方向に移動させて、ミラー９６と
光偏向器９５との光軸１０２を一致させるようにしたも
のである。

なお、第４図において、破線は走査光学系およびミラー
９６の移動前の状態を、実線はそれらの移動後の状態を
示す。

したがって、この実施例によれば、第１実施例と同様に
、対物レンズの交換による瞳位置のずれを、光偏向器９
１の位置と投影される対物レンズの瞳の像１００の位置
とが一致するように容易に補正することができる。

なお、この発明は上述した実施例にのみ限定されるもの
ではな（、幾多の変形または変更が可能である。例えば
、第２実施例ではレンズ群８３の焦点距離を変化させる
ようにしたが、レンズ群８３および瞳伝送レンズ９の双
方の焦点距離を変化させるようにしてもよいし、瞳伝送
レンズ９をレンズ群８３と同様に構成してその焦点距離
のみを変化させるようにしてもよい。また、焦点距離を
変化させる光学系は、上述した凹レンズ８１および凸レ
ンズ８２を有するレンズ群８３に限らず、焦点可変レン
ズやズームレンズを用いることもできる。なお、上記の
凹レンズ８１および凸レンズ８２を有するレンズ群８３
を用いる場合において、凹レンズ８１の焦点距離ｆｌｌ
を変化させる場合には、この凹レンズ８１の焦点距離ｆ
１１　と光偏向器７での光束の偏向角θとの間には、 ｆ、、Ｘθ＝一定 の関係があるので、光偏向器７での偏向角θも変化させ
るよう構成する。

さらに、第３実施例では、ビームスプリッタ９日をミラ
ー９７０手前に配置したが、これを光偏向器９５とミラ
ー９６との間に配置することもできる。この場合には、
走査光学系の移動に連動してビームスプリッタ９８およ
び検出光学系９９をも移動させるようにする。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、第１の光偏向素子、
第２の光偏向素子および瞳伝送光学系の少なくとも一つ
を移動可能に構成したので、対物レンズの交換に応じて
、第１の光偏向素子および第２の光偏向素子を、交換さ
れた対物レンズの瞳位置に対して共役な位置に容易に調
整することができる。また、光束径変換光学系を設けて
、第２の光偏向素子に入射する光の光束径を調整し得る
よう構成したので、対物レンズを交換してもその瞳に対
して光束を過不足無く通過させることができ、したがっ
て光源からの光を常に効率良く利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ＡおよびＢはこの発明の第１実施例を示す図、 第２図ＡおよびＢは第１図に示す光束径変換光学系の一
例の構成を示す図、 第３図ＡおよびＢはこの発明の第２実施例の要部の構成
を示す図、 第４図はこの発明の第３実施例の要部の構成を示す図、 第５図、第６図、第７図、第８図および第９図は従来の
技術を説明するための図である。 １・・・光源　　　　　　　２・・・レーザビーム３・
・・対物レンズ　　　　４・・・試料５・・・ビームエ
キスパンダ ６・・・ビームスプリッタ　７．１０・・・光偏向器８
．９・・・瞳伝送レンズ　　１１・・・瞳投影レンズ１
２・・・結像レンズ　　　　１３・・・コンデンサレン
ズ１４．１６・・・光検出器　　　１５・・・対物レン
ズ３０・・・対物レンズ　　　　３１・・・瞳３２・・
・瞳の像　　　　　　６０・・・走査光学系６１・・・
光束径変換光学系　６２・・・軸上光線６３・・・軸外
光線　　　　　７０．７３・・・凸レンズ７１．７２・
・・凹レンズ　　　８０・・・走査光学系８１・・・凹
レンズ　　　　　８２・・・凸レンズ８３・・・レンズ
群 ９２・・・瞳伝送レンズ ９４・・・瞳伝送レンズ ９８・・・ビームスプリッタ １００・・・瞳の像 ９１．９５・・・、光偏向器 ９３・・・折り返しミラー ９６．９７　・・・ミラー ９９・・・検出光学系 １０２・・・光軸

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源と対物レンズとの間に配置され、該対物レンズ
   を経て物体上に集光させる光源からの光を偏向して物体
   を走査する走査光学系において、前記光源からの光を第
   １の方向に偏向する第１の光偏向素子と、この第１の光
   偏向素子によって偏向された光を第１の方向とは直交す
   る第２の方向に偏向する第２の光偏向素子と、これら第
   １の光偏向素子および第２の光偏向素子間に配置したア
   フォーカル光学系より成る瞳伝送光学系と、前記第１の
   光偏向素子、第２の光偏向素子および瞳伝送光学系の少
   なくとも一つを移動させる移動機構とを具え、 前記対物レンズの交換に応じて、前記第１の光偏向素子
   および第２の光偏向素子を、交換された対物レンズの瞳
   位置に対して共役な位置に調整し得るよう構成したこと
   を特徴とする走査光学系。 ２、前記光源と前記第２の光偏向素子との間に、前記第
   ２の光偏向素子に入射する光の光束径を変化させる光束
   径変換光学系を設けたことを特徴とする請求項１記載の
   走査光学系。 ３、前記移動機構による前記第１の光偏向素子、第２の
   光偏向素子および瞳伝送光学系の少なくとも一つの移動
   に伴う光軸変動を補正する手段を設けたことを特徴とす
   る請求項１または２記載の走査光学系。