ビーム整形光学系および走査型顕微鏡
【課題】エネルギー損失が少なく、よりコンパクトな構成で、入射光束の強度分布を均一な分布に変換できるようにする。
【解決手段】入射面２１と射出面２２の曲率半径とコーニック定数が負となるようにし、射出瞳半径をD_expとして、ビーム整形光学系１１の光軸からの各高さｈの位置における、入射面２１と射出面２２のサグ量の差分が０＜ｈ＜D_expにおいて常に正であり、かつ少なくとも１つの変曲点をもつとともに、変曲点のうち、光軸からの高さが最も小さい変曲点の光軸からの高さをh_inflとし、ビーム整形光学系１１の入射瞳半径をD_entとしたときに、h_infl／D_ent＜0.6を満たし、さらに、サグ量の差分の一次微分値が２つの変曲点をもつように、ビーム整形光学系１１を構成する。これにより、１つのレンズ素子により、入射光束の強度分布を均一な分布に整形することができる。本発明は、非球面レンズに適用することができる。
【解決手段】入射面２１と射出面２２の曲率半径とコーニック定数が負となるようにし、射出瞳半径をD_expとして、ビーム整形光学系１１の光軸からの各高さｈの位置における、入射面２１と射出面２２のサグ量の差分が０＜ｈ＜D_expにおいて常に正であり、かつ少なくとも１つの変曲点をもつとともに、変曲点のうち、光軸からの高さが最も小さい変曲点の光軸からの高さをh_inflとし、ビーム整形光学系１１の入射瞳半径をD_entとしたときに、h_infl／D_ent＜0.6を満たし、さらに、サグ量の差分の一次微分値が２つの変曲点をもつように、ビーム整形光学系１１を構成する。これにより、１つのレンズ素子により、入射光束の強度分布を均一な分布に整形することができる。本発明は、非球面レンズに適用することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光束の光強度分布を変換して射出するビーム整形光学系、およびこのビーム整形光学系を用いた走査型顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザを光源として用いるデバイスとして、光学記録媒体用の光ピックアップ装置やレーザプリンタなどの走査光学系、レーザ加工機、光通信デバイスなどが知られている。例えば、レーザ加工では、対象物や加工目的によって、炭酸ガスレ−ザ、ＹＡＧレーザなどのパルス光や連続光が利用される。
【０００３】
半導体レーザ等の光源から射出されるレーザビームは、その光束の中心部でパワー密度が高く、光束の周辺部ではパワー密度が低い不均一なパワー分布（光強度分布）を有している。レーザビームのパワー分布は様々であるが、理想的にはガウス分布となるので、半導体レーザから射出されたレーザビームは、ガウシアンビームと呼ばれている。
【０００４】
このようなガウシアンビームは、そのまま対象物の加工に利用できる場合もあるが、光束のある範囲でパワー密度が均一であることが望まれることもある。
【０００５】
例えば、対象物に丸穴を穿孔しようとする場合、ガウシアンビームがレンズまたは回折型光学部品である円領域で一様なパワー密度を持つビームに変換されてから、レンズで絞られて対象物に照射される。このように、ガウシアンビームを一様なパワー密度を持つビームに整形する技術として、前群と後群とから構成されるアフォーカル系のビーム整形光学系が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３７８９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したアフォーカル系のビーム整形光学系は、非球面レンズを含む複数のレンズから構成されているため、十分な光学性能を得るためには精度の高いレンズ調整が必要となる。また、ビーム整形光学系を構成する前群と後群が離れているために光学系のサイズが大きく、既存の装置に組み込むことは困難であった。
【０００８】
さらに、例えば半導体レーザ等を光源として用いた共焦点顕微鏡において、走査光学系の瞳位置が対物レンズの射出瞳位置と共役な位置からずれていると、対物レンズの射出瞳上の励起光強度分布が一様でなくなり、標本上に形成される励起光の軸外の点像強度分布が歪んでしまうという問題があった。しかも共焦点顕微鏡では、対物レンズの射出瞳上における励起光の光強度分布を一様にするために、励起光のビーム幅を広げようとするとエネルギー損失が大きくなってしまう。
【０００９】
以上のような理由により、入射した光の光強度分布を均一な分布に変換する、エネルギー損失が少なくコンパクトなビーム整形光学系が望まれていた。
【００１０】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、エネルギー損失が少なくコンパクトな構成で、入射した光の光強度分布を略均一な分布に変換することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のビーム整形光学系は、物体側から像側に光が進行する場合に、前記物体側からの光が入射する入射面と、前記入射面に入射した前記光が射出される射出面とを有するビーム整形光学系であって、前記入射面の曲率半径とコーニック定数が負であり、前記射出面の曲率半径とコーニック定数が負であり、前記ビーム整形光学系の射出瞳半径をD_expとしたときに、前記ビーム整形光学系の光軸からの各高さｈの位置における、前記入射面のサグ量と前記射出面のサグ量の差分が、０＜ｈ＜D_expにおいて、常に正であり、かつ少なくとも１つの変曲点をもつとともに、前記変曲点のうち、前記光軸からの高さが最も小さい変曲点の前記光軸からの高さをh_inflとし、前記ビーム整形光学系の入射瞳半径をD_entとしたときに、h_infl／D_ent＜0.6を満たし、さらに、前記サグ量の差分の一次微分値が２つの変曲点をもつことを特徴とする。
【００１２】
本発明の走査型顕微鏡は、観察対象の標本に照射する照明光を射出する光源と、前記光源からの前記照明光を偏向させて前記標本に照射することで、前記標本上で前記照明光を所定方向に走査させる走査手段と、前記光源と前記走査手段との間に配置され、前記照明光のビーム幅を広げずに、略均一な光強度分布を有するように前記照明光を整形するビーム整形手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エネルギー損失が少なくコンパクトな構成で、入射した光の光強度分布を略均一な分布に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用したビーム整形光学系の一実施の形態の構成例を示す図である。
【図２】ビーム整形光学系のレンズデータを示す図である。
【図３】ビーム整形光学系のサグ量を示す図である。
【図４】ビーム整形光学系のサグ量の差分を示す図である。
【図５】ビーム整形光学系のサグ量の差分の一次微分値を示す図である。
【図６】ビーム整形光学系のレンズデータを示す図である。
【図７】ビーム整形光学系のサグ量を示す図である。
【図８】ビーム整形光学系のサグ量の差分を示す図である。
【図９】ビーム整形光学系のサグ量の差分の一次微分値を示す図である。
【図１０】本発明を適用した走査型顕微鏡の一実施の形態の構成例を示す図である。
【図１１】照明光の光強度分布の重心のずれを示す図である。
【図１２】照明光の光強度分布の重心のずれを示す図である。
【図１３】標本に照射される照明光の光強度分布の歪みを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明を適用した実施の形態について説明する。
【００１６】
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明を適用したビーム整形光学系の一実施の形態の構成例を示す図である。なお、図中、点線はビーム整形光学系を通る光の光路を示しており、一点鎖線はビーム整形光学系の光軸を示している。また、図中、左側が物体側であり、右側が像側である。
【００１７】
このビーム整形光学系１１は、平行光として入射する光束を再び平行光として射出するアフォーカル系を構成する。また、ビーム整形光学系１１は、ガウス分布等の不均一な光強度分布を有する入射光束を、ビーム整形光学系１１の光軸と垂直な方向に略均一な光強度分布を有するように整形して、射出するものである。
【００１８】
具体的には、ビーム整形光学系１１は、出射光束の光強度分布中に、光強度が略均一となる領域を有するように、入射した光束の光強度を変換するものである。すなわち、ビーム整形光学系１１は、入射した光束のビーム幅を広げることなく、光強度分布における光強度（パワー）のピーク部分が広がるように、入射光束の光強度分布を変換する。なお、以下、光強度が略均一となる領域を有する光強度分布を、トップハット形状の光強度分布とも称することとする。
【００１９】
ビーム整形光学系１１は、例えば、非球面レンズ等の１つのレンズ素子から構成され、光源からの平行光束が入射する入射面２１と、後段の光学系に平行光束を射出する射出面２２とを有しており、入射面２１と射出面２２は、ともに光軸対称な非球面形状となっている。また、ビーム整形光学系１１における光の光路、つまり入射面２１から射出面２２までは全て屈折率が１以上の媒質で満たされている。
【００２０】
このようなビーム整形光学系１１の入射面２１には、図中、左側、すなわち物体側にある光源からレーザビームが入射し、このレーザビームがビーム整形光学系１１で整形されて、射出面２２から図中、右側、つまり像側に射出される。ここで、光源からのレーザビームの光強度分布は、レーザビームの中心部でパワー密度が高く、レーザビームの周辺部ではパワー密度が低いガウス分布となっている。
【００２１】
なお、光強度分布がガウス分布となるレーザビームとは、ビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈにおける入射ビーム強度をＩ（ｈ）としたときに、Ｉ（ｈ）＝Ｉ０exp（−２ｈ２／ω２）を満たすビームをいう。ここで、Ｉ０は、入射したビームのビーム整形光学系１１の光軸中心における入射ビーム強度であり、ωはビーム整形光学系１１の光軸中心に対して、１／ｅ２強度点における入射ビーム半径である。
【００２２】
図１では、ビーム整形光学系１１に、ビーム整形光学系１１の光軸と垂直な方向（以下、高さ方向と呼ぶ）に等間隔で並ぶ互いに平行な複数の光束が入射した場合、光軸付近の光束は、それらの光束同士の高さ方向の距離が入射面２１よりも射出面２２でより長くなっている。逆に、ビーム整形光学系１１の光軸から遠い、ビーム整形光学系１１のレンズ端付近の光束は、それらの光束同士の高さ方向の距離が、入射面２１よりも射出面２２でより短くなっている。
【００２３】
すなわち、ビーム整形光学系１１によれば、入射光束は、中心（光軸）付近のパワー密度が疎となり、レンズ端付近のパワー密度がより密になるように、かつ全体のビーム半径はより小さくなるように整形されることになる。したがって、ビーム整形光学系１１に、光強度分布がガウス分布である光束が入射すると、その光束は、トップハット形状の光強度分布を有する光束に整形されて射出されることになる。
【００２４】
次に、ビーム整形光学系１１の具体的な光学特性について説明する。
【００２５】
例えば、図２に示すように、ビーム整形光学系１１の入射瞳半径D_entは4mmとされ、射出瞳半径D_expは3.719mmとされ、上述した１／ｅ２強度点での入射ビーム半径ωは4mmとされる。
【００２６】
また、入射面２１の曲率半径は-4.528mmであり、入射面２１のコーニック定数は-0.887である。さらに、入射面２１の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が5.161E-03であり、６次係数が1.063E-04であり、８次係数が-2.246E-05である。また、１０次係数が1.548E-06であり、１２次係数が-5.516E-08であり、１４次係数が8.124E-10である。
【００２７】
一方、射出面２２の曲率半径は-6.402mmであり、射出面２２のコーニック定数は-0.995である。さらに、射出面２２の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が1.161E-03であり、６次係数が7.466E-05であり、８次係数が-5.560E-06である。また、１０次係数が1.141E-06であり、１２次係数が-9.089E-08であり、１４次係数が3.048E-09である。
【００２８】
なお、入射面２１と射出面２２の曲率半径は、それらの球面中心が面に対してビーム整形光学系１１の像側にある場合、正となる。
【００２９】
さらに、ビーム整形光学系１１の光軸に沿ったレンズ厚は5.5mmであり、ビーム整形光学系１１を構成するレンズの媒質屈折率（ｄ線）は1.5168である。
【００３０】
また、射出瞳径を１に規格化した場合における、ビーム整形光学系１１の光軸から高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）における入射面２１と射出面２２のサグ量は、図３に示すようになっている。なお、図３において、縦軸はサグ量を示しており、横軸は光軸からの高さを示している。また、サグ量は、図１中、右方向（像側方向）、すなわちビーム整形光学系１１に入射するレーザビームの進行方向が正とされている。
【００３１】
図３では、曲線Ｃ１１は、入射面２１の各位置（高さｈ）におけるサグ量を示しており、曲線Ｃ１２は射出面２２の各位置（高さｈ）におけるサグ量を示しており、射出面２２に比べて、入射面２１のサグ量がやや大きくなっている。
【００３２】
また、ビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈにおける、入射面２１および射出面２２のそれぞれのサグ量Sag1(h)およびサグ量Sag2(h)の差分をSagDiff(h)＝Sag2(h)−Sag1(h)とすると、各高さｈにおけるサグ量の差分SagDiff(h)は、図４に示すようになる。なお、図４において、縦軸はサグ量の差分SagDiff(h)を示しており、横軸は光軸からの高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）を示している。また、図４における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【００３３】
図４では、サグ量の差分SagDiff(h)は、０＜ｈ＜D_expにおいて常に正であり、光軸からの各高さｈにおけるサグ量の差分SagDiff(h)を表す曲線から分かるように、射出瞳径を少し制限すれば、差分SagDiff(h)の変曲点の数は１つになる。この場合、ビーム整形光学系１１に入射する光束のエネルギー損失は１０％に満たなくなる。一方、差分SagDiff(h)の変曲点数を０にするためには、射出瞳を大幅に制限することが必要となり、入射光束のエネルギーが半分以上失われることになる。したがって、エネルギー損失の観点からは、差分SagDiff(h)の変曲点数が１つ以上であることが望ましい。
【００３４】
また、差分SagDiff(h)の変曲点のうち、ビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈが最も光軸（高さｈ＝０）に近い変曲点の光軸からの高さｈをh_inflとすると、高さh_inflを入射瞳半径D_entで除算して得られる値h_infl／D_entは0.525となる。
【００３５】
このh_infl／D_entが0.6を超えると、ビーム整形光学系１１の入射瞳に対して、１／ｅ２強度点での入射ビーム半径ωの値が大きくなるので、ビーム整形光学系１１に入射するレーザビームのエネルギーが無駄になってしまう。換言すれば、光源からの光の大部分がビーム整形光学系１１に入射しなくなってしまう。そのため、エネルギー損失を少なくするには、ビーム整形光学系１１のh_infl／D_entは0.6未満であることが望ましい。
【００３６】
さらに、上述したサグ量の差分SagDiff(h)を、光軸からの高さｈで微分して得られる一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、図５に示すようになる。すなわち、図５では、０≦ｈ≦D_expの範囲で、一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は２つの変曲点を有している。
【００３７】
なお、図５において、縦軸は一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）を示しており、横軸はビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈを示している。また、図５における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【００３８】
入射ビームがビーム整形光学系１１から略ロスなく射出されるか、またはビーム整形光学系１１の有効径により入射ビームが制限される場合、入射ビームのエネルギーは、常にビーム整形光学系１１から射出される射出ビームのエネルギーよりも大きくなる。また、光強度分布がガウス分布である入射ビームは、ビーム整形光学系１１によりトップハット形状の光強度分布を有するビームに整形される。
【００３９】
以上のことから、入射ビームの光強度の最大値は、必ず射出ビームの光強度の最大値よりも大きくなる。したがって、入射ビームは射出ビームの光強度の最大値より強度が大きいビーム光束と強度が小さいビーム光束に２分することができる。
【００４０】
エネルギー保存を考えれば、射出ビームの光強度の最大値よりも大きな光強度をもつ入射ビーム光束は、ビーム整形光学系１１への入射時の光束断面積に対して、ビーム整形光学系１１からの射出時の光束断面積が必ず大きくなる必要がある。したがって、射出ビームの光強度の最大値よりも大きな光強度をもつ入射ビーム光束は、入射面２１を通過した後、発散する。
【００４１】
これに対して、射出ビームの光強度の最大値よりも小さな光強度をもつ入射ビーム光束は、ビーム整形光学系１１への入射時の光束断面積に対して、ビーム整形光学系１１からの射出時の光束断面積が必ず小さくなる必要がある。したがって、射出ビームの光強度の最大値よりも小さな光強度をもつ入射ビーム光束は、入射面２１を通過した後、収束する。
【００４２】
入射ビーム光束の光強度分布は、光軸対称のガウス分布であるので、ビーム整形光学系１１の光軸に近い光束は発散し、光軸から離れるにしたがって光束の状態は発散から収束方向へ変化していく。
【００４３】
一方、入射面２１と射出面２２がそれぞれ１つのアフォーカル光学系であることから、任意の光線の入射面２１との交点における入射面法線ベクトルと、その光線の射出面２２との交点における射出面法線ベクトルとは必ず一致しなくてはならない。
【００４４】
それぞれ１つの連続面から構成される入射面２１と射出面２２とで、入射面法線ベクトルと射出面法線ベクトルが一致する条件は、上述した一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）が、２つの変曲点を持つことである。図５から分かるように、ビーム整形光学系１１の一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、０＜ｈ＜D_expにおいて２つの変曲点を有することから、入射面２１と射出面２２はそれぞれ１つのアフォーカル光学系となる。
【００４５】
以上のように、入射面２１と射出面２２の曲率半径およびコーニック定数がともに負であり、サグ量の差分SagDiff(h)が、０＜ｈ＜D_expにおいて常に正で少なくとも１つの変曲点を持つとともにh_infl／D_ent＜0.6を満たし、一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）が、２つの変曲点を持つように、ビーム整形光学系１１を構成すれば、エネルギー損失が少なくコンパクトな構成で、入射した光の光強度分布をトップハット形状に変換することができる。
【００４６】
〈第２の実施の形態〉
なお、以上においては、ビーム整形光学系１１は、図２に示す光学特性を有すると説明したが、図６に示す光学特性を有するようにしてもよい。
【００４７】
すなわち、図６に示すように、ビーム整形光学系１１の入射瞳半径D_entは4mmとされ、射出瞳半径D_expは3.428mmとされ、上述した１／ｅ２強度点での入射ビーム半径ωは3.578mmとされる。
【００４８】
また、入射面２１の曲率半径は-4.513mmであり、入射面２１のコーニック定数は-2.600である。さらに、入射面２１の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が4.635E-03であり、６次係数が7.086E-05であり、８次係数が-1.956E-05である。また、１０次係数が1.473E-06であり、１２次係数が-5.709E-08であり、１４次係数が9.126E-10である。
【００４９】
一方、射出面２２の曲率半径は-6.387mmであり、射出面２２のコーニック定数は-1.121である。さらに、射出面２２の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が1.473E-03であり、６次係数が1.809E-04であり、８次係数が-4.139E-05である。また、１０次係数が8.050E-06であり、１２次係数が-6.969E-07であり、１４次係数が2.446E-08である。
【００５０】
さらに、ビーム整形光学系１１の光軸に沿ったレンズ厚は5.5mmであり、ビーム整形光学系１１を構成するレンズの媒質屈折率（ｄ線）は1.5168である。
【００５１】
また、射出瞳径を１に規格化した場合における、ビーム整形光学系１１の光軸から高さｈにおける入射面２１と射出面２２のサグ量は、図７に示すようになっている。なお、図７において、縦軸はサグ量を示しており、横軸は光軸からの高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）を示している。また、サグ量は、図１中、右方向（像側方向）、すなわちビーム整形光学系１１に入射するレーザビームの進行方向が正とされている。
【００５２】
図７では、曲線Ｃ３１は、入射面２１の各位置におけるサグ量を示しており、曲線Ｃ３２は射出面２２の各位置におけるサグ量を示している。
【００５３】
また、ビーム整形光学系１１における、入射面２１および射出面２２のそれぞれのサグ量Sag1(h)およびサグ量Sag2(h)の差分SagDiff(h)は、図８に示すようになる。なお、図８において、縦軸はサグ量の差分SagDiff(h)を示しており、横軸は光軸からの高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）を示している。また、図８における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【００５４】
図８では、サグ量の差分SagDiff(h)は、０＜ｈ＜D_expにおいて常に正であり、射出瞳径を少し制限すれば、差分SagDiff(h)の変曲点の数は１つになる。
【００５５】
また、差分SagDiff(h)の変曲点のうち、ビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈが最も光軸（高さｈ＝０）に近い変曲点の光軸からの高さh_inflを、入射瞳半径D_entで除算して得られる値h_infl／D_entは0.475＜0.6となる。
【００５６】
さらに、ビーム整形光学系１１のサグ量の差分SagDiff(h)の一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、図９に示すようになる。図９では、一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、０＜ｈ＜D_expにおいて２つの変曲点を有している。
【００５７】
なお、図９において、縦軸は一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）を示しており、横軸はビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈを示している。また、図９における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【００５８】
ビーム整形光学系１１が図６乃至図９に示した構成とされる場合においても、エネルギー損失が少なくコンパクトな構成で、入射した光の光強度分布をトップハット形状に変換することができる。
【００５９】
なお、複数の硝材を張り合わせて１つのレンズ素子からなるビーム整形光学系１１を構成し、複数波長に対する同様なビーム整形を可能とすることも勿論可能である。
【００６０】
〈第３の実施の形態〉
ところで、上述したビーム整形光学系１１を用いれば、入射したガウシアンビームを、トップハット形状の光強度分布を有するビーム（光）に変換することが可能である。このように、入射ビームの光強度分布を略均一な分布に変換する光学系を走査型顕微鏡に用いれば、標本上に形成される軸外の光の点像強度分布の歪みを低減させることができる。
【００６１】
図１０は、本発明を適用した走査型顕微鏡の一実施の形態の構成例を示す図である。
【００６２】
走査型顕微鏡５１は、例えば観察対象の標本５２を蛍光観察するための共焦点顕微鏡であり、ステージ６１に載置された標本５２に対して励起光としての照明光を照射し、これにより標本５２から生じた蛍光（以下、観察光と称する）を受光して、観察画像を得る。
【００６３】
すなわち、半導体レーザや短パルスレーザのレーザ光源である光源６２から射出された照明光は、コリメートレンズ６３により平行光とされ、ビーム整形ユニット６４に入射する。ここで、コリメートレンズ６３から射出される照明光は、ガウシアンビームとされる。
【００６４】
ビーム整形ユニット６４は、例えば図１に示したビーム整形光学系１１から構成され、コリメートレンズ６３から入射した照明光を、略均一な光強度分布を有する光に整形し、ダイクロイックミラー６５に入射させる。
【００６５】
ダイクロイックミラー６５は、ビーム整形ユニット６４から入射した照明光を反射させ、走査ユニット６６に入射させる。なお、ダイクロイックミラー６５は、照明光の波長帯域の光を反射するとともに、観察光の波長帯域の光を透過させる光学特性を有している。
【００６６】
走査ユニット６６は、例えばガルバノスキャナなどからなり、ダイクロイックミラー６５から入射した照明光を偏向させることにより、標本５２上で照明光を図中、左右方向（以下、ｘ方向と称する）および奥行き方向（以下、ｙ方向と称する）に走査させる。走査ユニット６６から射出された照明光は、スキャンレンズ６７、第２対物レンズ６８、ダイクロイックミラー６９、および第１対物レンズ７０を通って標本５２に照射される。
【００６７】
標本５２に照明光が照射されると、標本５２からは観察光が発生し、この観察光は、第１対物レンズ７０乃至ダイクロイックミラー６５を通って、集光レンズ７１に入射する。そして、集光レンズ７１に入射した観察光は、集光レンズ７１により集光され、ピンホール７２を通って光検出器７３に入射する。ここで、ピンホール７２は、第１対物レンズ７０の焦点位置と共役な位置に配置されている。
【００６８】
光検出器７３は、入射した観察光を受光して光電変換し、その結果得られた観察光の受光強度に応じた電気信号を図示せぬコンピュータに供給する。コンピュータは、供給された電気信号に基づいて標本５２の観察画像を生成し、表示する。これにより、ユーザは、表示された観察画像を見ることで、標本５２を観察することができる。
【００６９】
なお、ビーム整形ユニット６４は、照明光の光路上における走査ユニット６６と光源６２との間に配置されていれば、どのような位置に配置されるようにしてもよい。また、以下、光源６２乃至第１対物レンズ７０から構成される光学系を照明光学系とも称することとする。
【００７０】
このような走査型顕微鏡５１の走査ユニット６６には、通常、照明光をｘ方向に走査させる走査ミラー（以下、ｘ走査ミラーと称する）と、照明光をｙ方向に走査させる走査ミラー（以下、ｙ走査ミラーと称する）とが、個別に設けられている。そのため、これらのｘ走査ミラーとｙ走査ミラーを、ともに第１対物レンズ７０の瞳位置と共役な位置に配置することは困難である。
【００７１】
例えば、図１１に示すように走査ユニット６６内には、照明光の光路上にｙ走査ミラー１０１とｘ走査ミラー１０２とが配置されており、矢印Ｙ１１および矢印Ｘ１１に示される位置が、それぞれｙ走査ミラー１０１とｘ走査ミラー１０２の共役位置となっている。
【００７２】
また、図１１の例では、矢印Ａ１１に示す位置に、第１対物レンズ７０の瞳が位置している。つまり、第１対物レンズ７０の瞳位置は、ｙ走査ミラー１０１とｘ走査ミラー１０２の何れとも共役でない。
【００７３】
なお、以下、矢印Ｙ１１により示される位置、および矢印Ｘ１１により示される位置を、それぞれ位置Ｙ１１および位置Ｘ１１とも称する。また、以下、矢印Ａ１１に示される位置を瞳位置Ａ１１とも称することとする。
【００７４】
いま、ｘ走査ミラー１０２の光軸中心から、光強度分布がガウス分布となっている照明光が射出されたとすると、ｘ走査ミラー１０２と位置Ｙ１１とは共役ではないから、照明光の主光線は、位置Ｙ１１において照明光学系の光軸の位置を通らない。従って、位置Ｙ１１における照明光の光強度分布では、矢印Ｑ１１に示すように、光強度のピーク位置が照明光学系の光軸からずれることになる。
【００７５】
なお、矢印Ｑ１１に示される光強度分布では、横軸は照明光学系の光軸を基準とする、光軸と垂直な方向の位置を示しており、縦軸は各位置における照明光の光強度を示している。図１１の例では、照明光の光強度のピークおよび重心が図中、右側にずれている。また、位置Ｙ１１と同様に、第１対物レンズ７０の瞳位置Ａ１１もｘ走査ミラー１０２とは共役ではないから、照明光の主光線は瞳位置Ａ１１の中心を通らず、瞳位置Ａ１１における照明光の光強度分布のピークおよび重心も照明光学系の光軸からずれることになる。
【００７６】
一方、位置Ｘ１１とｘ走査ミラー１０２は共役であるから、照明光の主光線は、位置Ｘ１１において照明光学系の光軸の位置を通る。従って、位置Ｘ１１における照明光の光強度分布では、矢印Ｑ１２に示すように、光強度のピークおよび重心の位置は、照明光学系の光軸位置となる。なお、矢印Ｑ１２に示される光強度分布では、横軸は照明光学系の光軸を基準とする、光軸と垂直な方向の位置を示しており、縦軸は各位置における照明光の光強度を示している。
【００７７】
このように、第１対物レンズ７０の瞳位置Ａ１１における、照明光の主光線の入射位置が瞳位置Ａ１１の中心（光軸）からずれると、照明光は、標本５２の観察面に対して垂直に入射しなくなる。特に、瞳位置Ａ１１における照明光の光強度分布の重心が、照明光学系の光軸からずれるほど、照明光の光強度分布の重心位置にある光束の観察面への入射角度のずれが大きくなり、観察面において照明光の光強度分布に歪みが生じる。
【００７８】
通常、ｙ走査ミラー１０１とｘ走査ミラー１０２の両方を、第１対物レンズ７０の瞳位置Ａ１１と共役位置な位置に配置することはできない。そのため、これらの走査ミラーの何れかの瞳位置Ａ１１との共役のずれの分だけ、照明光の光強度分布の重心位置にある光束は、標本５２の観察面に対して、角度のずれをもって入射することになる。
【００７９】
これに対して、照明光学系上にビーム整形ユニット６４を配置すると、照明光の光強度分布は、ガウス分布からトップハット形状の分布に変換されるので、図１２に示すように、照明光の光強度分布における重心のずれ量は、小さくなる。なお、図１２において、図１１における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００８０】
図１２において、矢印Ｑ２１に示される光強度分布は、照明光の位置Ｙ１１における光強度分布であり、矢印Ｑ２２に示される光強度分布は、位置Ｘ１１における照明光の光強度分布である。なお、これらの光強度分布において、横軸は照明光学系の光軸を基準とする、光軸と垂直な方向の位置を示しており、縦軸は各位置における照明光の光強度を示している。
【００８１】
図１２の例では、ｘ走査ミラー１０２の光軸中心から、光強度分布がトップハット形状となっている照明光が射出されている。したがって、位置Ｙ１１における照明光の光強度分布では、矢印Ｑ２１に示すように、光強度は略均一に分布しているが、照明光の光強度の重心は、照明光学系の光軸から、図中、右側にずれている。一方、矢印Ｑ２２に示すように、位置Ｘ１１における照明光の光強度分布では、光強度は略均一に分布しており、光強度の重心の位置も照明光学系の光軸位置となっている。
【００８２】
このように、照明光の光強度分布を略均一な分布に整形すると、瞳位置Ａ１１における、照明光の主光線の入射位置の光軸からのずれ量が同じであっても、瞳位置Ａ１１における光軸からの照明光の光強度分布の重心のずれ量は、光強度分布がガウス分布である場合よりも、より少なくなる。
【００８３】
したがって、トップハット形状の光強度分布の照明光は、ガウス分布の照明光よりも、照明光の光強度分布の重心となる光束の観察面への入射角度のずれがより少なくなり、図１３に示すように、観察面における照明光の光強度分布の歪みをより少なくすることができる。
【００８４】
すなわち、走査型顕微鏡５１の照明光学系上に、ビーム整形ユニット６４が配置されない場合、標本５２に照射される照明光の光強度分布は、矢印Ｑ３１に示されるように、ガウス分布となる。この場合、第１対物レンズ７０の瞳位置Ａ１１における、照明光の主光線の位置が、瞳位置Ａ１１の中心からずれると、矢印Ｑ３２に示すように、照明光は標本５２の観察面に斜めに傾いて照射され、観察面における照明光の光強度分布には、歪みが生じる。
【００８５】
これに対して、走査型顕微鏡５１の照明光学系上にビーム整形ユニット６４が配置される場合、標本５２に照射される照明光の光強度分布は、矢印Ｑ３３に示されるように、トップハット形状となる。この場合、第１対物レンズ７０の瞳位置Ａ１１における、照明光の主光線の位置が、瞳位置Ａ１１の中心からずれても、矢印Ｑ３４に示すように、標本５２の観察面に照射される照明光の傾きは、ビーム整形ユニット６４を照明光学系上に配置しない場合よりも小さくなる。また、観察面における照明光の光強度分布の歪みも、ビーム整形ユニット６４を照明光学系上に配置した方が、ビーム整形ユニット６４を配置しない場合と比べて、より小さくなる。
【００８６】
以上のように、走査型顕微鏡５１の光源６２と走査ユニット６６の間に、光強度分布が略均一になるように照明光を整形するビーム整形ユニット６４を配置することで、標本５２における照明光の光強度分布の歪みを低減させることができる。
【００８７】
なお、以上においては、ビーム整形ユニット６４が、非球面レンズであるビーム整形光学系１１から構成されると説明したが、ビーム整形ユニット６４は、マイクロレンズアレイや、光ファイバなどから構成されるようにしてもよい。
【００８８】
また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１１ ビーム整形光学系， ２１ 入射面， ２２ 射出面， ５１ 走査型顕微鏡， ５２ 標本， ６２ 光源， ６３ コリメートレンズ， ６４ ビーム整形ユニット， ６６ 走査ユニット， ７０ 第１対物レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光束の光強度分布を変換して射出するビーム整形光学系、およびこのビーム整形光学系を用いた走査型顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザを光源として用いるデバイスとして、光学記録媒体用の光ピックアップ装置やレーザプリンタなどの走査光学系、レーザ加工機、光通信デバイスなどが知られている。例えば、レーザ加工では、対象物や加工目的によって、炭酸ガスレ−ザ、ＹＡＧレーザなどのパルス光や連続光が利用される。
【０００３】
半導体レーザ等の光源から射出されるレーザビームは、その光束の中心部でパワー密度が高く、光束の周辺部ではパワー密度が低い不均一なパワー分布（光強度分布）を有している。レーザビームのパワー分布は様々であるが、理想的にはガウス分布となるので、半導体レーザから射出されたレーザビームは、ガウシアンビームと呼ばれている。
【０００４】
このようなガウシアンビームは、そのまま対象物の加工に利用できる場合もあるが、光束のある範囲でパワー密度が均一であることが望まれることもある。
【０００５】
例えば、対象物に丸穴を穿孔しようとする場合、ガウシアンビームがレンズまたは回折型光学部品である円領域で一様なパワー密度を持つビームに変換されてから、レンズで絞られて対象物に照射される。このように、ガウシアンビームを一様なパワー密度を持つビームに整形する技術として、前群と後群とから構成されるアフォーカル系のビーム整形光学系が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３７８９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したアフォーカル系のビーム整形光学系は、非球面レンズを含む複数のレンズから構成されているため、十分な光学性能を得るためには精度の高いレンズ調整が必要となる。また、ビーム整形光学系を構成する前群と後群が離れているために光学系のサイズが大きく、既存の装置に組み込むことは困難であった。
【０００８】
さらに、例えば半導体レーザ等を光源として用いた共焦点顕微鏡において、走査光学系の瞳位置が対物レンズの射出瞳位置と共役な位置からずれていると、対物レンズの射出瞳上の励起光強度分布が一様でなくなり、標本上に形成される励起光の軸外の点像強度分布が歪んでしまうという問題があった。しかも共焦点顕微鏡では、対物レンズの射出瞳上における励起光の光強度分布を一様にするために、励起光のビーム幅を広げようとするとエネルギー損失が大きくなってしまう。
【０００９】
以上のような理由により、入射した光の光強度分布を均一な分布に変換する、エネルギー損失が少なくコンパクトなビーム整形光学系が望まれていた。
【００１０】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、エネルギー損失が少なくコンパクトな構成で、入射した光の光強度分布を略均一な分布に変換することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のビーム整形光学系は、物体側から像側に光が進行する場合に、前記物体側からの光が入射する入射面と、前記入射面に入射した前記光が射出される射出面とを有するビーム整形光学系であって、前記入射面の曲率半径とコーニック定数が負であり、前記射出面の曲率半径とコーニック定数が負であり、前記ビーム整形光学系の射出瞳半径をD_expとしたときに、前記ビーム整形光学系の光軸からの各高さｈの位置における、前記入射面のサグ量と前記射出面のサグ量の差分が、０＜ｈ＜D_expにおいて、常に正であり、かつ少なくとも１つの変曲点をもつとともに、前記変曲点のうち、前記光軸からの高さが最も小さい変曲点の前記光軸からの高さをh_inflとし、前記ビーム整形光学系の入射瞳半径をD_entとしたときに、h_infl／D_ent＜0.6を満たし、さらに、前記サグ量の差分の一次微分値が２つの変曲点をもつことを特徴とする。
【００１２】
本発明の走査型顕微鏡は、観察対象の標本に照射する照明光を射出する光源と、前記光源からの前記照明光を偏向させて前記標本に照射することで、前記標本上で前記照明光を所定方向に走査させる走査手段と、前記光源と前記走査手段との間に配置され、前記照明光のビーム幅を広げずに、略均一な光強度分布を有するように前記照明光を整形するビーム整形手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エネルギー損失が少なくコンパクトな構成で、入射した光の光強度分布を略均一な分布に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用したビーム整形光学系の一実施の形態の構成例を示す図である。
【図２】ビーム整形光学系のレンズデータを示す図である。
【図３】ビーム整形光学系のサグ量を示す図である。
【図４】ビーム整形光学系のサグ量の差分を示す図である。
【図５】ビーム整形光学系のサグ量の差分の一次微分値を示す図である。
【図６】ビーム整形光学系のレンズデータを示す図である。
【図７】ビーム整形光学系のサグ量を示す図である。
【図８】ビーム整形光学系のサグ量の差分を示す図である。
【図９】ビーム整形光学系のサグ量の差分の一次微分値を示す図である。
【図１０】本発明を適用した走査型顕微鏡の一実施の形態の構成例を示す図である。
【図１１】照明光の光強度分布の重心のずれを示す図である。
【図１２】照明光の光強度分布の重心のずれを示す図である。
【図１３】標本に照射される照明光の光強度分布の歪みを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明を適用した実施の形態について説明する。
【００１６】
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明を適用したビーム整形光学系の一実施の形態の構成例を示す図である。なお、図中、点線はビーム整形光学系を通る光の光路を示しており、一点鎖線はビーム整形光学系の光軸を示している。また、図中、左側が物体側であり、右側が像側である。
【００１７】
このビーム整形光学系１１は、平行光として入射する光束を再び平行光として射出するアフォーカル系を構成する。また、ビーム整形光学系１１は、ガウス分布等の不均一な光強度分布を有する入射光束を、ビーム整形光学系１１の光軸と垂直な方向に略均一な光強度分布を有するように整形して、射出するものである。
【００１８】
具体的には、ビーム整形光学系１１は、出射光束の光強度分布中に、光強度が略均一となる領域を有するように、入射した光束の光強度を変換するものである。すなわち、ビーム整形光学系１１は、入射した光束のビーム幅を広げることなく、光強度分布における光強度（パワー）のピーク部分が広がるように、入射光束の光強度分布を変換する。なお、以下、光強度が略均一となる領域を有する光強度分布を、トップハット形状の光強度分布とも称することとする。
【００１９】
ビーム整形光学系１１は、例えば、非球面レンズ等の１つのレンズ素子から構成され、光源からの平行光束が入射する入射面２１と、後段の光学系に平行光束を射出する射出面２２とを有しており、入射面２１と射出面２２は、ともに光軸対称な非球面形状となっている。また、ビーム整形光学系１１における光の光路、つまり入射面２１から射出面２２までは全て屈折率が１以上の媒質で満たされている。
【００２０】
このようなビーム整形光学系１１の入射面２１には、図中、左側、すなわち物体側にある光源からレーザビームが入射し、このレーザビームがビーム整形光学系１１で整形されて、射出面２２から図中、右側、つまり像側に射出される。ここで、光源からのレーザビームの光強度分布は、レーザビームの中心部でパワー密度が高く、レーザビームの周辺部ではパワー密度が低いガウス分布となっている。
【００２１】
なお、光強度分布がガウス分布となるレーザビームとは、ビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈにおける入射ビーム強度をＩ（ｈ）としたときに、Ｉ（ｈ）＝Ｉ０exp（−２ｈ２／ω２）を満たすビームをいう。ここで、Ｉ０は、入射したビームのビーム整形光学系１１の光軸中心における入射ビーム強度であり、ωはビーム整形光学系１１の光軸中心に対して、１／ｅ２強度点における入射ビーム半径である。
【００２２】
図１では、ビーム整形光学系１１に、ビーム整形光学系１１の光軸と垂直な方向（以下、高さ方向と呼ぶ）に等間隔で並ぶ互いに平行な複数の光束が入射した場合、光軸付近の光束は、それらの光束同士の高さ方向の距離が入射面２１よりも射出面２２でより長くなっている。逆に、ビーム整形光学系１１の光軸から遠い、ビーム整形光学系１１のレンズ端付近の光束は、それらの光束同士の高さ方向の距離が、入射面２１よりも射出面２２でより短くなっている。
【００２３】
すなわち、ビーム整形光学系１１によれば、入射光束は、中心（光軸）付近のパワー密度が疎となり、レンズ端付近のパワー密度がより密になるように、かつ全体のビーム半径はより小さくなるように整形されることになる。したがって、ビーム整形光学系１１に、光強度分布がガウス分布である光束が入射すると、その光束は、トップハット形状の光強度分布を有する光束に整形されて射出されることになる。
【００２４】
次に、ビーム整形光学系１１の具体的な光学特性について説明する。
【００２５】
例えば、図２に示すように、ビーム整形光学系１１の入射瞳半径D_entは4mmとされ、射出瞳半径D_expは3.719mmとされ、上述した１／ｅ２強度点での入射ビーム半径ωは4mmとされる。
【００２６】
また、入射面２１の曲率半径は-4.528mmであり、入射面２１のコーニック定数は-0.887である。さらに、入射面２１の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が5.161E-03であり、６次係数が1.063E-04であり、８次係数が-2.246E-05である。また、１０次係数が1.548E-06であり、１２次係数が-5.516E-08であり、１４次係数が8.124E-10である。
【００２７】
一方、射出面２２の曲率半径は-6.402mmであり、射出面２２のコーニック定数は-0.995である。さらに、射出面２２の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が1.161E-03であり、６次係数が7.466E-05であり、８次係数が-5.560E-06である。また、１０次係数が1.141E-06であり、１２次係数が-9.089E-08であり、１４次係数が3.048E-09である。
【００２８】
なお、入射面２１と射出面２２の曲率半径は、それらの球面中心が面に対してビーム整形光学系１１の像側にある場合、正となる。
【００２９】
さらに、ビーム整形光学系１１の光軸に沿ったレンズ厚は5.5mmであり、ビーム整形光学系１１を構成するレンズの媒質屈折率（ｄ線）は1.5168である。
【００３０】
また、射出瞳径を１に規格化した場合における、ビーム整形光学系１１の光軸から高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）における入射面２１と射出面２２のサグ量は、図３に示すようになっている。なお、図３において、縦軸はサグ量を示しており、横軸は光軸からの高さを示している。また、サグ量は、図１中、右方向（像側方向）、すなわちビーム整形光学系１１に入射するレーザビームの進行方向が正とされている。
【００３１】
図３では、曲線Ｃ１１は、入射面２１の各位置（高さｈ）におけるサグ量を示しており、曲線Ｃ１２は射出面２２の各位置（高さｈ）におけるサグ量を示しており、射出面２２に比べて、入射面２１のサグ量がやや大きくなっている。
【００３２】
また、ビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈにおける、入射面２１および射出面２２のそれぞれのサグ量Sag1(h)およびサグ量Sag2(h)の差分をSagDiff(h)＝Sag2(h)−Sag1(h)とすると、各高さｈにおけるサグ量の差分SagDiff(h)は、図４に示すようになる。なお、図４において、縦軸はサグ量の差分SagDiff(h)を示しており、横軸は光軸からの高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）を示している。また、図４における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【００３３】
図４では、サグ量の差分SagDiff(h)は、０＜ｈ＜D_expにおいて常に正であり、光軸からの各高さｈにおけるサグ量の差分SagDiff(h)を表す曲線から分かるように、射出瞳径を少し制限すれば、差分SagDiff(h)の変曲点の数は１つになる。この場合、ビーム整形光学系１１に入射する光束のエネルギー損失は１０％に満たなくなる。一方、差分SagDiff(h)の変曲点数を０にするためには、射出瞳を大幅に制限することが必要となり、入射光束のエネルギーが半分以上失われることになる。したがって、エネルギー損失の観点からは、差分SagDiff(h)の変曲点数が１つ以上であることが望ましい。
【００３４】
また、差分SagDiff(h)の変曲点のうち、ビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈが最も光軸（高さｈ＝０）に近い変曲点の光軸からの高さｈをh_inflとすると、高さh_inflを入射瞳半径D_entで除算して得られる値h_infl／D_entは0.525となる。
【００３５】
このh_infl／D_entが0.6を超えると、ビーム整形光学系１１の入射瞳に対して、１／ｅ２強度点での入射ビーム半径ωの値が大きくなるので、ビーム整形光学系１１に入射するレーザビームのエネルギーが無駄になってしまう。換言すれば、光源からの光の大部分がビーム整形光学系１１に入射しなくなってしまう。そのため、エネルギー損失を少なくするには、ビーム整形光学系１１のh_infl／D_entは0.6未満であることが望ましい。
【００３６】
さらに、上述したサグ量の差分SagDiff(h)を、光軸からの高さｈで微分して得られる一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、図５に示すようになる。すなわち、図５では、０≦ｈ≦D_expの範囲で、一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は２つの変曲点を有している。
【００３７】
なお、図５において、縦軸は一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）を示しており、横軸はビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈを示している。また、図５における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【００３８】
入射ビームがビーム整形光学系１１から略ロスなく射出されるか、またはビーム整形光学系１１の有効径により入射ビームが制限される場合、入射ビームのエネルギーは、常にビーム整形光学系１１から射出される射出ビームのエネルギーよりも大きくなる。また、光強度分布がガウス分布である入射ビームは、ビーム整形光学系１１によりトップハット形状の光強度分布を有するビームに整形される。
【００３９】
以上のことから、入射ビームの光強度の最大値は、必ず射出ビームの光強度の最大値よりも大きくなる。したがって、入射ビームは射出ビームの光強度の最大値より強度が大きいビーム光束と強度が小さいビーム光束に２分することができる。
【００４０】
エネルギー保存を考えれば、射出ビームの光強度の最大値よりも大きな光強度をもつ入射ビーム光束は、ビーム整形光学系１１への入射時の光束断面積に対して、ビーム整形光学系１１からの射出時の光束断面積が必ず大きくなる必要がある。したがって、射出ビームの光強度の最大値よりも大きな光強度をもつ入射ビーム光束は、入射面２１を通過した後、発散する。
【００４１】
これに対して、射出ビームの光強度の最大値よりも小さな光強度をもつ入射ビーム光束は、ビーム整形光学系１１への入射時の光束断面積に対して、ビーム整形光学系１１からの射出時の光束断面積が必ず小さくなる必要がある。したがって、射出ビームの光強度の最大値よりも小さな光強度をもつ入射ビーム光束は、入射面２１を通過した後、収束する。
【００４２】
入射ビーム光束の光強度分布は、光軸対称のガウス分布であるので、ビーム整形光学系１１の光軸に近い光束は発散し、光軸から離れるにしたがって光束の状態は発散から収束方向へ変化していく。
【００４３】
一方、入射面２１と射出面２２がそれぞれ１つのアフォーカル光学系であることから、任意の光線の入射面２１との交点における入射面法線ベクトルと、その光線の射出面２２との交点における射出面法線ベクトルとは必ず一致しなくてはならない。
【００４４】
それぞれ１つの連続面から構成される入射面２１と射出面２２とで、入射面法線ベクトルと射出面法線ベクトルが一致する条件は、上述した一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）が、２つの変曲点を持つことである。図５から分かるように、ビーム整形光学系１１の一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、０＜ｈ＜D_expにおいて２つの変曲点を有することから、入射面２１と射出面２２はそれぞれ１つのアフォーカル光学系となる。
【００４５】
以上のように、入射面２１と射出面２２の曲率半径およびコーニック定数がともに負であり、サグ量の差分SagDiff(h)が、０＜ｈ＜D_expにおいて常に正で少なくとも１つの変曲点を持つとともにh_infl／D_ent＜0.6を満たし、一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）が、２つの変曲点を持つように、ビーム整形光学系１１を構成すれば、エネルギー損失が少なくコンパクトな構成で、入射した光の光強度分布をトップハット形状に変換することができる。
【００４６】
〈第２の実施の形態〉
なお、以上においては、ビーム整形光学系１１は、図２に示す光学特性を有すると説明したが、図６に示す光学特性を有するようにしてもよい。
【００４７】
すなわち、図６に示すように、ビーム整形光学系１１の入射瞳半径D_entは4mmとされ、射出瞳半径D_expは3.428mmとされ、上述した１／ｅ２強度点での入射ビーム半径ωは3.578mmとされる。
【００４８】
また、入射面２１の曲率半径は-4.513mmであり、入射面２１のコーニック定数は-2.600である。さらに、入射面２１の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が4.635E-03であり、６次係数が7.086E-05であり、８次係数が-1.956E-05である。また、１０次係数が1.473E-06であり、１２次係数が-5.709E-08であり、１４次係数が9.126E-10である。
【００４９】
一方、射出面２２の曲率半径は-6.387mmであり、射出面２２のコーニック定数は-1.121である。さらに、射出面２２の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が1.473E-03であり、６次係数が1.809E-04であり、８次係数が-4.139E-05である。また、１０次係数が8.050E-06であり、１２次係数が-6.969E-07であり、１４次係数が2.446E-08である。
【００５０】
さらに、ビーム整形光学系１１の光軸に沿ったレンズ厚は5.5mmであり、ビーム整形光学系１１を構成するレンズの媒質屈折率（ｄ線）は1.5168である。
【００５１】
また、射出瞳径を１に規格化した場合における、ビーム整形光学系１１の光軸から高さｈにおける入射面２１と射出面２２のサグ量は、図７に示すようになっている。なお、図７において、縦軸はサグ量を示しており、横軸は光軸からの高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）を示している。また、サグ量は、図１中、右方向（像側方向）、すなわちビーム整形光学系１１に入射するレーザビームの進行方向が正とされている。
【００５２】
図７では、曲線Ｃ３１は、入射面２１の各位置におけるサグ量を示しており、曲線Ｃ３２は射出面２２の各位置におけるサグ量を示している。
【００５３】
また、ビーム整形光学系１１における、入射面２１および射出面２２のそれぞれのサグ量Sag1(h)およびサグ量Sag2(h)の差分SagDiff(h)は、図８に示すようになる。なお、図８において、縦軸はサグ量の差分SagDiff(h)を示しており、横軸は光軸からの高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）を示している。また、図８における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【００５４】
図８では、サグ量の差分SagDiff(h)は、０＜ｈ＜D_expにおいて常に正であり、射出瞳径を少し制限すれば、差分SagDiff(h)の変曲点の数は１つになる。
【００５５】
また、差分SagDiff(h)の変曲点のうち、ビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈが最も光軸（高さｈ＝０）に近い変曲点の光軸からの高さh_inflを、入射瞳半径D_entで除算して得られる値h_infl／D_entは0.475＜0.6となる。
【００５６】
さらに、ビーム整形光学系１１のサグ量の差分SagDiff(h)の一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、図９に示すようになる。図９では、一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、０＜ｈ＜D_expにおいて２つの変曲点を有している。
【００５７】
なお、図９において、縦軸は一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）を示しており、横軸はビーム整形光学系１１の光軸からの高さｈを示している。また、図９における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【００５８】
ビーム整形光学系１１が図６乃至図９に示した構成とされる場合においても、エネルギー損失が少なくコンパクトな構成で、入射した光の光強度分布をトップハット形状に変換することができる。
【００５９】
なお、複数の硝材を張り合わせて１つのレンズ素子からなるビーム整形光学系１１を構成し、複数波長に対する同様なビーム整形を可能とすることも勿論可能である。
【００６０】
〈第３の実施の形態〉
ところで、上述したビーム整形光学系１１を用いれば、入射したガウシアンビームを、トップハット形状の光強度分布を有するビーム（光）に変換することが可能である。このように、入射ビームの光強度分布を略均一な分布に変換する光学系を走査型顕微鏡に用いれば、標本上に形成される軸外の光の点像強度分布の歪みを低減させることができる。
【００６１】
図１０は、本発明を適用した走査型顕微鏡の一実施の形態の構成例を示す図である。
【００６２】
走査型顕微鏡５１は、例えば観察対象の標本５２を蛍光観察するための共焦点顕微鏡であり、ステージ６１に載置された標本５２に対して励起光としての照明光を照射し、これにより標本５２から生じた蛍光（以下、観察光と称する）を受光して、観察画像を得る。
【００６３】
すなわち、半導体レーザや短パルスレーザのレーザ光源である光源６２から射出された照明光は、コリメートレンズ６３により平行光とされ、ビーム整形ユニット６４に入射する。ここで、コリメートレンズ６３から射出される照明光は、ガウシアンビームとされる。
【００６４】
ビーム整形ユニット６４は、例えば図１に示したビーム整形光学系１１から構成され、コリメートレンズ６３から入射した照明光を、略均一な光強度分布を有する光に整形し、ダイクロイックミラー６５に入射させる。
【００６５】
ダイクロイックミラー６５は、ビーム整形ユニット６４から入射した照明光を反射させ、走査ユニット６６に入射させる。なお、ダイクロイックミラー６５は、照明光の波長帯域の光を反射するとともに、観察光の波長帯域の光を透過させる光学特性を有している。
【００６６】
走査ユニット６６は、例えばガルバノスキャナなどからなり、ダイクロイックミラー６５から入射した照明光を偏向させることにより、標本５２上で照明光を図中、左右方向（以下、ｘ方向と称する）および奥行き方向（以下、ｙ方向と称する）に走査させる。走査ユニット６６から射出された照明光は、スキャンレンズ６７、第２対物レンズ６８、ダイクロイックミラー６９、および第１対物レンズ７０を通って標本５２に照射される。
【００６７】
標本５２に照明光が照射されると、標本５２からは観察光が発生し、この観察光は、第１対物レンズ７０乃至ダイクロイックミラー６５を通って、集光レンズ７１に入射する。そして、集光レンズ７１に入射した観察光は、集光レンズ７１により集光され、ピンホール７２を通って光検出器７３に入射する。ここで、ピンホール７２は、第１対物レンズ７０の焦点位置と共役な位置に配置されている。
【００６８】
光検出器７３は、入射した観察光を受光して光電変換し、その結果得られた観察光の受光強度に応じた電気信号を図示せぬコンピュータに供給する。コンピュータは、供給された電気信号に基づいて標本５２の観察画像を生成し、表示する。これにより、ユーザは、表示された観察画像を見ることで、標本５２を観察することができる。
【００６９】
なお、ビーム整形ユニット６４は、照明光の光路上における走査ユニット６６と光源６２との間に配置されていれば、どのような位置に配置されるようにしてもよい。また、以下、光源６２乃至第１対物レンズ７０から構成される光学系を照明光学系とも称することとする。
【００７０】
このような走査型顕微鏡５１の走査ユニット６６には、通常、照明光をｘ方向に走査させる走査ミラー（以下、ｘ走査ミラーと称する）と、照明光をｙ方向に走査させる走査ミラー（以下、ｙ走査ミラーと称する）とが、個別に設けられている。そのため、これらのｘ走査ミラーとｙ走査ミラーを、ともに第１対物レンズ７０の瞳位置と共役な位置に配置することは困難である。
【００７１】
例えば、図１１に示すように走査ユニット６６内には、照明光の光路上にｙ走査ミラー１０１とｘ走査ミラー１０２とが配置されており、矢印Ｙ１１および矢印Ｘ１１に示される位置が、それぞれｙ走査ミラー１０１とｘ走査ミラー１０２の共役位置となっている。
【００７２】
また、図１１の例では、矢印Ａ１１に示す位置に、第１対物レンズ７０の瞳が位置している。つまり、第１対物レンズ７０の瞳位置は、ｙ走査ミラー１０１とｘ走査ミラー１０２の何れとも共役でない。
【００７３】
なお、以下、矢印Ｙ１１により示される位置、および矢印Ｘ１１により示される位置を、それぞれ位置Ｙ１１および位置Ｘ１１とも称する。また、以下、矢印Ａ１１に示される位置を瞳位置Ａ１１とも称することとする。
【００７４】
いま、ｘ走査ミラー１０２の光軸中心から、光強度分布がガウス分布となっている照明光が射出されたとすると、ｘ走査ミラー１０２と位置Ｙ１１とは共役ではないから、照明光の主光線は、位置Ｙ１１において照明光学系の光軸の位置を通らない。従って、位置Ｙ１１における照明光の光強度分布では、矢印Ｑ１１に示すように、光強度のピーク位置が照明光学系の光軸からずれることになる。
【００７５】
なお、矢印Ｑ１１に示される光強度分布では、横軸は照明光学系の光軸を基準とする、光軸と垂直な方向の位置を示しており、縦軸は各位置における照明光の光強度を示している。図１１の例では、照明光の光強度のピークおよび重心が図中、右側にずれている。また、位置Ｙ１１と同様に、第１対物レンズ７０の瞳位置Ａ１１もｘ走査ミラー１０２とは共役ではないから、照明光の主光線は瞳位置Ａ１１の中心を通らず、瞳位置Ａ１１における照明光の光強度分布のピークおよび重心も照明光学系の光軸からずれることになる。
【００７６】
一方、位置Ｘ１１とｘ走査ミラー１０２は共役であるから、照明光の主光線は、位置Ｘ１１において照明光学系の光軸の位置を通る。従って、位置Ｘ１１における照明光の光強度分布では、矢印Ｑ１２に示すように、光強度のピークおよび重心の位置は、照明光学系の光軸位置となる。なお、矢印Ｑ１２に示される光強度分布では、横軸は照明光学系の光軸を基準とする、光軸と垂直な方向の位置を示しており、縦軸は各位置における照明光の光強度を示している。
【００７７】
このように、第１対物レンズ７０の瞳位置Ａ１１における、照明光の主光線の入射位置が瞳位置Ａ１１の中心（光軸）からずれると、照明光は、標本５２の観察面に対して垂直に入射しなくなる。特に、瞳位置Ａ１１における照明光の光強度分布の重心が、照明光学系の光軸からずれるほど、照明光の光強度分布の重心位置にある光束の観察面への入射角度のずれが大きくなり、観察面において照明光の光強度分布に歪みが生じる。
【００７８】
通常、ｙ走査ミラー１０１とｘ走査ミラー１０２の両方を、第１対物レンズ７０の瞳位置Ａ１１と共役位置な位置に配置することはできない。そのため、これらの走査ミラーの何れかの瞳位置Ａ１１との共役のずれの分だけ、照明光の光強度分布の重心位置にある光束は、標本５２の観察面に対して、角度のずれをもって入射することになる。
【００７９】
これに対して、照明光学系上にビーム整形ユニット６４を配置すると、照明光の光強度分布は、ガウス分布からトップハット形状の分布に変換されるので、図１２に示すように、照明光の光強度分布における重心のずれ量は、小さくなる。なお、図１２において、図１１における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００８０】
図１２において、矢印Ｑ２１に示される光強度分布は、照明光の位置Ｙ１１における光強度分布であり、矢印Ｑ２２に示される光強度分布は、位置Ｘ１１における照明光の光強度分布である。なお、これらの光強度分布において、横軸は照明光学系の光軸を基準とする、光軸と垂直な方向の位置を示しており、縦軸は各位置における照明光の光強度を示している。
【００８１】
図１２の例では、ｘ走査ミラー１０２の光軸中心から、光強度分布がトップハット形状となっている照明光が射出されている。したがって、位置Ｙ１１における照明光の光強度分布では、矢印Ｑ２１に示すように、光強度は略均一に分布しているが、照明光の光強度の重心は、照明光学系の光軸から、図中、右側にずれている。一方、矢印Ｑ２２に示すように、位置Ｘ１１における照明光の光強度分布では、光強度は略均一に分布しており、光強度の重心の位置も照明光学系の光軸位置となっている。
【００８２】
このように、照明光の光強度分布を略均一な分布に整形すると、瞳位置Ａ１１における、照明光の主光線の入射位置の光軸からのずれ量が同じであっても、瞳位置Ａ１１における光軸からの照明光の光強度分布の重心のずれ量は、光強度分布がガウス分布である場合よりも、より少なくなる。
【００８３】
したがって、トップハット形状の光強度分布の照明光は、ガウス分布の照明光よりも、照明光の光強度分布の重心となる光束の観察面への入射角度のずれがより少なくなり、図１３に示すように、観察面における照明光の光強度分布の歪みをより少なくすることができる。
【００８４】
すなわち、走査型顕微鏡５１の照明光学系上に、ビーム整形ユニット６４が配置されない場合、標本５２に照射される照明光の光強度分布は、矢印Ｑ３１に示されるように、ガウス分布となる。この場合、第１対物レンズ７０の瞳位置Ａ１１における、照明光の主光線の位置が、瞳位置Ａ１１の中心からずれると、矢印Ｑ３２に示すように、照明光は標本５２の観察面に斜めに傾いて照射され、観察面における照明光の光強度分布には、歪みが生じる。
【００８５】
これに対して、走査型顕微鏡５１の照明光学系上にビーム整形ユニット６４が配置される場合、標本５２に照射される照明光の光強度分布は、矢印Ｑ３３に示されるように、トップハット形状となる。この場合、第１対物レンズ７０の瞳位置Ａ１１における、照明光の主光線の位置が、瞳位置Ａ１１の中心からずれても、矢印Ｑ３４に示すように、標本５２の観察面に照射される照明光の傾きは、ビーム整形ユニット６４を照明光学系上に配置しない場合よりも小さくなる。また、観察面における照明光の光強度分布の歪みも、ビーム整形ユニット６４を照明光学系上に配置した方が、ビーム整形ユニット６４を配置しない場合と比べて、より小さくなる。
【００８６】
以上のように、走査型顕微鏡５１の光源６２と走査ユニット６６の間に、光強度分布が略均一になるように照明光を整形するビーム整形ユニット６４を配置することで、標本５２における照明光の光強度分布の歪みを低減させることができる。
【００８７】
なお、以上においては、ビーム整形ユニット６４が、非球面レンズであるビーム整形光学系１１から構成されると説明したが、ビーム整形ユニット６４は、マイクロレンズアレイや、光ファイバなどから構成されるようにしてもよい。
【００８８】
また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１１ ビーム整形光学系， ２１ 入射面， ２２ 射出面， ５１ 走査型顕微鏡， ５２ 標本， ６２ 光源， ６３ コリメートレンズ， ６４ ビーム整形ユニット， ６６ 走査ユニット， ７０ 第１対物レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側から像側に光が進行する場合に、前記物体側からの光が入射する入射面と、前記入射面に入射した前記光が射出される射出面とを有するビーム整形光学系であって、
前記入射面の曲率半径とコーニック定数が負であり、前記射出面の曲率半径とコーニック定数が負であり、
前記ビーム整形光学系の射出瞳半径をD_expとしたときに、前記ビーム整形光学系の光軸からの各高さｈの位置における、前記入射面のサグ量と前記射出面のサグ量の差分が、０＜ｈ＜D_expにおいて、常に正であり、かつ少なくとも１つの変曲点をもつとともに、前記変曲点のうち、前記光軸からの高さが最も小さい変曲点の前記光軸からの高さをh_inflとし、前記ビーム整形光学系の入射瞳半径をD_entとしたときに、h_infl／D_ent＜0.6を満たし、さらに、前記サグ量の差分の一次微分値が２つの変曲点をもつ
ことを特徴とするビーム整形光学系。
【請求項２】
観察対象の標本に照射する照明光を射出する光源と、
前記光源からの前記照明光を偏向させて前記標本に照射することで、前記標本上で前記照明光を所定方向に走査させる走査手段と、
前記光源と前記走査手段との間に配置され、前記照明光のビーム幅を広げずに、略均一な光強度分布を有するように前記照明光を整形するビーム整形手段と
を備えることを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項３】
前記走査手段は、前記標本上で前記照明光を互いに直交する第１の方向および第２の方向に走査させる
ことを特徴とする請求項２に記載の走査型顕微鏡。
【請求項４】
前記光源からの前記照明光を平行光に整形して前記ビーム整形手段に入射させるコリメート手段をさらに備え、
前記ビーム整形手段は、光強度分布がガウス分布である前記照明光を、略均一な光強度分布を有する平行光に整形する
ことを特徴とする請求項３に記載の走査型顕微鏡。
【請求項５】
前記ビーム整形手段は、請求項１に記載のビーム整形光学系である
ことを特徴とする請求項４に記載の走査型顕微鏡。
【請求項１】
物体側から像側に光が進行する場合に、前記物体側からの光が入射する入射面と、前記入射面に入射した前記光が射出される射出面とを有するビーム整形光学系であって、
前記入射面の曲率半径とコーニック定数が負であり、前記射出面の曲率半径とコーニック定数が負であり、
前記ビーム整形光学系の射出瞳半径をD_expとしたときに、前記ビーム整形光学系の光軸からの各高さｈの位置における、前記入射面のサグ量と前記射出面のサグ量の差分が、０＜ｈ＜D_expにおいて、常に正であり、かつ少なくとも１つの変曲点をもつとともに、前記変曲点のうち、前記光軸からの高さが最も小さい変曲点の前記光軸からの高さをh_inflとし、前記ビーム整形光学系の入射瞳半径をD_entとしたときに、h_infl／D_ent＜0.6を満たし、さらに、前記サグ量の差分の一次微分値が２つの変曲点をもつ
ことを特徴とするビーム整形光学系。
【請求項２】
観察対象の標本に照射する照明光を射出する光源と、
前記光源からの前記照明光を偏向させて前記標本に照射することで、前記標本上で前記照明光を所定方向に走査させる走査手段と、
前記光源と前記走査手段との間に配置され、前記照明光のビーム幅を広げずに、略均一な光強度分布を有するように前記照明光を整形するビーム整形手段と
を備えることを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項３】
前記走査手段は、前記標本上で前記照明光を互いに直交する第１の方向および第２の方向に走査させる
ことを特徴とする請求項２に記載の走査型顕微鏡。
【請求項４】
前記光源からの前記照明光を平行光に整形して前記ビーム整形手段に入射させるコリメート手段をさらに備え、
前記ビーム整形手段は、光強度分布がガウス分布である前記照明光を、略均一な光強度分布を有する平行光に整形する
ことを特徴とする請求項３に記載の走査型顕微鏡。
【請求項５】
前記ビーム整形手段は、請求項１に記載のビーム整形光学系である
ことを特徴とする請求項４に記載の走査型顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−４２５１３（Ｐ２０１２−４２５１３Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８１０１４（Ｐ２０１０−１８１０１４）
【出願日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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