光学装置
【課題】 従来の光学系で高分解能を実現しようとした場合、光量の減少が起こり、信号雑音比が低下する。
【解決手段】 光源101からの光を第１の光と第２の光に分割し、第１の光を観察物体202へ集光する。第１の光、あるいは第２の光、観察物体からの応答光の光路の少なくも１か所に高分解能のための遮光領域を有する光学フィルタ220を配置し、偏光状態の異なる応答光と第２の光とを干渉させた干渉光を複数ビームに分割する。位相板と偏光板により複数ビームから所望の振幅情報信号を得、第２の光を強くすることで信号雑音比を向上させる。
【解決手段】 光源101からの光を第１の光と第２の光に分割し、第１の光を観察物体202へ集光する。第１の光、あるいは第２の光、観察物体からの応答光の光路の少なくも１か所に高分解能のための遮光領域を有する光学フィルタ220を配置し、偏光状態の異なる応答光と第２の光とを干渉させた干渉光を複数ビームに分割する。位相板と偏光板により複数ビームから所望の振幅情報信号を得、第２の光を強くすることで信号雑音比を向上させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学的な分解能を要する光学装置に関し、特に光ビームを絞り込み、光ビームの観物体に対する照射位置を相対的に変化させて信号を取得する光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学顕微鏡の分解能を向上させる技術として共焦点走査型顕微鏡がある。その光学系には反射型と透過型があるが、光学系の分かりやすい透過型を用いて説明する。図８は透過型光学系の概略図である。光源１０１からの光をピンホール２０５に照射し、点光源を得る。現実には有限の大きさのピンホールを使用するので、完全な点光源ではない。ピンホールからの光を対物レンズ２０１により２０２の観察物体上に絞り込む。観察物体２０２はボイスコイル等による走査機構１０２により３次元方向に走査可能となっている。観察物体を透過した光は検出レンズ２０３を透過し、２０４のピンホール上に絞り込まれる。ピンホール２０４の透過光は光検出器１０３で検出され、観察物体の走査位置に対応させた画像表示を行う表示装置１０４でその信号は表示される。共焦点走査型顕微鏡の横方向の分解能は２０４のピンホールの大きさに依存することが分かっている。ピンホールの大きさを小さくすると分解能が良くなる。逆に大きくすると分解能が悪くなり、走査型ではない従来の光学顕微鏡の分解能に近づく。ここでいう従来の光学顕微鏡とは観察物体の広い範囲を照射し、対物レンズを透過した観察物体からの光により像形成を行う走査型ではない顕微鏡を指している。図９に従来の光学顕微鏡とピンホールの大きさが極限まで小さいときの共焦点走査型顕微鏡の点像分布関数を示す。横軸vは規格化光学単位で表わされており、v = 2π・x・NA/λと定義される。ここに、NAは対物レンズ２０１および検出レンズ２０３の開口数を表わし、両レンズは同じNAを有するものとした。また、ｘは光軸に対して垂直な方向、すなわち横方向の座標、λは光の波長を表わす。共焦点走査型光学顕微鏡の点像分布関数１３１の方が従来型の光学顕微鏡の点像分布関数１３０より分布が狭くなっており、分解能が向上していることが分かる。
【０００３】
更なる分解能向上方法として、ビームの中心部分を遮蔽する方法が、非特許文献１に示されている。図１０に示された共焦点走査型顕微鏡の光学系には、観察物体２０２を透過した光の光路中に光軸を中心とした円形の遮光板２２９が挿入されている。これにより観察物体２０２から出射した光の空間周波数領域での低周波成分が除去され、分解能が向上する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】C. J. R. Sheppard and A. Choudhury, "Image Formation in theScanning Microscope," Opt. Acta, Vol. 24, 1051-1073 (1977)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図８に示した共焦点走査型光学顕微鏡ではピンホールを小さくすることで分解能の向上が可能であるが、ピンホールの透過光量が減少するので、信号雑音比の悪化が避けられない。更なる分解能の向上のために設置する図１０の遮蔽板２２９も光量の減少につながる。すなわち、顕微鏡光学系で高分解能化を図ると、検出光量が減少することになる。これらに対処するために、一般的には光源の出力パワーを大きくすることが行われる。しかし、入射光による観察物体の損傷が問題になる場合には、光源の出力パワーを大きくすることができない。
【０００６】
本発明の課題は、観察物体への入射光量が小さい場合でも、高分解能化と高い信号雑音比を同時に実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、観察物体からのビームと偏光状態の異なる参照光とを干渉させ、振幅の分離ができる光学系を採用する。更に少なくとも一個所に高分解能化のための遮光領域を含む光学フィルタを配置する。
【０００８】
本発明は、光源からの光を観察物体への照射光（第１の光）と参照光（第２の光）とに分離する分離光学系と、観察物体へ照射光を集光する集光光学系と、観察物体からの反射光あるいは透過光などの応答光を検出する検出光学系と、応答光と参照光とを異なる偏光状態にする偏光光学素子と、照射光あるいは応答光、参照光の光路の少なくとも１か所以上に設置された光学フィルタと、応答光と参照光とを重ね合わせる素子と、重ね合わせた合成応答光を分割する光学素子と、それぞれ分割された合成応答光の光路に設置された異なる偏光フィルタと、分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、それぞれの検出器からの信号を処理する電子回路とから実現される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、参照光の強度を大きくすることにより、光学フィルタの入った応答光の強度を増幅することができ、信号雑音比の改善を図ることができる。あるいは、光学フィルタを参照光の光路に入れた場合は、応答光の光量を減ずることがないので、光学調整が容易であると同時に、分解能の向上を図ることが可能である。この場合も参照光の増強により更なる信号雑音比の向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の光学装置を実施するための最良の形態を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１に、本発明に基づく光学装置を示す。図１は、参照光の光束中に光学フィルタ220を設けた例である。１０１はレーザ光源であり、ｓ偏光の出射光をコリメータレンズ２０６で平行光に変換する。レーザ光源の出射光はコヒーレンス長が略５ｍm以上のものを使用しており、光路長差があっても干渉が起こりやすいものとなっている。これにより光路長の調整機構が不要になる。２０７は偏光ビームスプリッタであり、ｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過するものとする。途中に設置したλ／２板２０９は回転可能としてあり、偏光ビームスプリッタ２０７での反射光量と透過光量の割合を調整し、光量比変更手段としての機能も有する。λ／２板２０９の透過光のうちのｓ偏光は２０７のビームスプリッタで反射され、λ／４板２２５で円偏光に変換される。その後、対物レンズ２０１により２０２の観察物体上に絞り込まれる。観察物体は走査機構１０２で走査できるようになっている。本実施例では、光学系の複雑さを避けるために、観察物体そのものを走査する方式を採用しているが、これに限定されるものではなく、集光スポット自体を走査する光学系を搭載した方式でもよい。また、ここでの説明においては観察物体からの反射光を検出する光学系で説明するが、観察物体を透過する方式でもよい。観察物体からの反射光は、対物レンズ２０１に戻り、２２５のλ／４板を透過することでｐ偏光になる。このｐ偏光の光はビームスプリッタ２０７を透過し、反射鏡２１１で反射され、ハーフビームスプリッタ２１３に入射する。
【００１２】
λ／２板２０９の透過光のなかのｐ偏光成分は偏光ビームスプリッタ２０７を透過し、光学軸が４５度傾いたλ／２板２１２でｓ偏光の光になる。その後、光学フィルタ２２０で部分的に遮光あるは減光され、反射鏡２１６によりハーフビームスプリッタ２１３に入射する。光学フィルタ２２０の形状の１例を図２に示す。２５１は参照光のビーム形状であり、ビームの中心部を遮光するように遮光領域２５２が配置されている。遮光板は、使用する光が透過するガラス基板上に円形状のクロムの金属薄膜を蒸着することにより作製可能である。この光学フィルタ２２０によりビームの周辺領域のみの光が干渉に関与することになり、分解能がさらに向上する。十分な分解能の向上のためには、遮光領域の大きさはビームの有効径に対してその半径が中心より７０％以上が望ましい。なお、遮光率を大きくして光量が減少しても、参照光の強度を大きくすることでSN比の向上を図ることができるため、遮光率を大きくしても問題はない。従って、参照光の強度を、検出光の強度以上となるように調整すると好ましい。
【００１３】
ハーフビームスプリッタ２１３には偏光方向の異なる光が両方向から入射することになり、それぞれの光は２方向に分割され、２方向に干渉光が出射する。紙面上でハーフビームスプリッタ２１３の右方向に出射してくる干渉光には光学軸が２２．５度傾いた２２１のλ／２板が設置されており、集光レンズ２１５で焦点位置に置かれた検出器上に集光される。本実施例では集光レンズ２１５の前に２２１のλ／２板を配置したが、集光レンズ２１５の直後に配置しても問題ない。検出器前の光路中には偏光ビームスプリッタ２２３が設置されており、ｓ方向とｐ方向の成分に干渉光を分解し、それぞれを検出器１０６と検出器１０８で検出する。ここで、観察物体を光軸上にある点物体とする。観察物体からの反射光の複素振幅、参照光の複素振幅をそれぞれA、Rとし、検出器１０６と検出器１０８の差動信号をIｃとしたとき、Ｉｃ＝α｜A｜・｜R｜ cos（θ）と表わされる。αは信号増幅や検出器効率等を含む係数であり、θは観察物体からの反射光と参照光との位相差である。また、紙面上でハーフビームスプリッタ２１３の上方向に出射する干渉光には光学軸が４５度傾いたλ／４板２２２が挿入されている。集光レンズ２１４で集光された干渉光は検出器１０５および１０７で検出される。この場合も、λ／４板２２２を集光レンズ２１４の直後に配置することも可能である。途中に設置されている偏光ビームスプリッタ２２４によりｓ偏光とp偏光に分離した後に、それぞれの検出器で検出される。ここで検出器１０５と１０７の差動信号をIｓとしたとき、Ｉｓ＝α｜A｜｜R｜ sin（θ）のように表わされる。ＩｃおよびＩｓには干渉成分のみが検出されている。演算装置１０９では、Ｉ＝Ｉｃ２＋Ｉｓ２＝α2｜A｜2｜R｜2（数式１）で示す計算を行う。Ｉは観察物体の反射光と参照光の振幅の２乗に比例した変数となり、ビーム間の位相差には影響されなくなる。１１０は表示装置であり、観察物体２０２の走査位置と表示位置の対応をつけた表示がなされる。本実施例では４つの検出器からの信号を使用するタイプを示したが、４個の検出器のうち３個を使用して干渉成分を算出することは可能であるが、この場合はマイクロコンピュータ等の計算機を使用した方がよい。
【００１４】
光学系の倍率をＭとし、観察物体として点物体が光軸から距離ａ離れたところにあるとしたとき、それぞれの4つの検出器上では光軸からＭａ離れた位置を中心とした点像分布が形成される。また、同時に参照光は光軸を中心とした点像分布となる。中心位置がＭｘにある通常光学系の振幅点像分布をｈ（Ｍａ）とし、参照光の振幅点像分布をｇ（０）としたとき、出力信号Ｉ（ａ）はＩ（ａ）＝α２｜∬ｈ（Ｍａ）ｇ（０）ｄｘｄｙ｜２のように表わされる。面積分は検出器上で行われ、この積分の効果により、分解能が向上する。
【００１５】
図１１に計算した点像分布関数を示す。対物レンズのNAは０．８５とし、直径０．０５μｍの点物体を光軸に対して垂直にフォーカス面で移動させた。遮光板は参照光中に設置され、有効径の内側８０％を遮光するものとした。観察物体への照射光量と参照光の光量は同量とした。図１１には同様の条件のもとでの共焦点走査顕微鏡と従来の顕微鏡の点像分布関数を比較のために記載する。共焦点走査顕微鏡と通常の顕微鏡には遮光板は入れていない。本特許の光学系では１３２の破線のように点像分布が狭くなり、共焦点走査型顕微鏡（１３３の実線×印）および通常の光学系の点像分布関数１３４よりも分解能が優れていることが分かる。また、本実施例では参照光に遮光フィルタを入れることで分解能が向上しており、観察物体からの反射光に対しては遮光を行っていない。したがって、参照光を遮断すれば通常光学系にすることができるので、両者の光学系の共存が容易に図ることができる。観察物体からの反射光が小さい場合は、（数式１）で示したように、参照光の強度｜R｜2を大きくすることで、信号強度を大きくでき信号雑音比の向上を図ることが可能である。
【００１６】
参照光に設置した遮光領域を小さくしていった場合は、図１２に示すように１３２の本特許の点像分布関数は共焦点走査顕微鏡のもの（１３３）と同じになり、分解能が悪化する。しかし、悪化したとはいえ、共焦点走査顕微鏡の分解能と同じであり、通常の顕微鏡の分解能よりは優れている。しかも、本特許の光学系では,共焦点走査顕微鏡のように検出器前にピンホールを使用しないので、光量の大幅な減少は避けられ、参照光の強度を大きくすることで更に信号雑音比の向上を図ることが可能である。
【００１７】
図３から図６までの実施例では光学フィルタの設置場所が異なっている。
【００１８】
図３では光学フィルタとしての遮光板２２０は観察物体からの反射光の光路に設置されている。図1の実施例と同じ遮光板を使用するならば、分解能の向上は同等となる。但し、図１のように、参照光の光束中に光学フィルタ２２０を入れた方が、応答光の光量を減ずることがないので、より、好ましい。
【００１９】
図４では参照光と観察物体からの反射光の両者の光路にそれぞれ２２０および２２７の遮光板が設置されている。有効径に対して中心の遮光板の大きさがすべて図１の遮光板と同じ大きさならば、図１の場合の分解能と同じになる。検出器に入射する光量を飽和しない程度に抑えたい場合は本実施例のような2枚の遮光板の使用が有効である。また、２枚の遮光板が設置される図４の光学系においては、遮光板の形状が異なった場合は、二つの遮光領域で決まる和領域の大きさが分解能に影響する。
【００２０】
図５および図６では、観察物体への照射光に遮光板が入っている。図５では偏光ビームスプリッタ２０７の直前に遮光板２２０が挿入されている。光源からの光が偏光ビームスプリッタ２０７を透過した後に参照光となるビームにも遮光板の効果は及んでいるが、観察物体からの反射光には遮光板は入っていない。観察物体への照射光に遮蔽板を入れることで焦点深度を長くすることができ、かつ分解能の向上を図ることができる。図６での遮光板２２０は偏光ビームスプリッタ２０７と観察物体２０２の間に設置されているので、観察物体への照射光と観察物体からの反射光の両者に入ることになる。この場合も観察物体への照射光に遮蔽板がはいっており、焦点深度を長くすることができ、観察物体に焦点ずれが発生しても鮮明な画像を得ることができる。２１０は減光フィルタであり、参照光の強度の調整を行う。
【００２１】
本実施例では光学フィルタとして中心部を遮光するものを使用した。この場合は、中心部の光の透過率は０％、周辺は１００％となっており、透過率は遮光部の境界で急激に変化する。他の光学フィルタとしては中心から周辺に向かって徐々に透過率が変化するようなものも使用可能である。
【実施例２】
【００２２】
図７に本特許の光学系を使用した光ディスク装置のピックアップ光学系を示す。本実施例の図面中の番号で図１と同じものは同じ機能を有する。レーザ光源１０１からのレーザ光はコリメータされた後、ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ２０７で反射され、ハーフビームスプリッタ２０８を透過する。ハーフビームスプリッタの透過光は対物レンズ２０１で光ディスク２２６上に集光される。光ディスクは回転体に固定されており、回転可能となっている。光ディスクからの反射光はハーフビームスプリッタ２０８に戻り、二つに分割される。ビームスプリッタ２０７に向かう透過光はデータ信号生成のために使用される。ビームスプリッタ２０７以降の干渉光学系は図１のものと同じであり、高分解能の信号が演算装置１０９で生成される。この信号は１１２の電子回路で処理され、データ信号となる。図１３において電子回路１１２での信号処理の概略を説明する。７１１から７１４までの回路はデータを光ディスク２２６に記録するためのものである。図７に示した１１２の電子回路以外の光学系は６０で示した。７１１は誤り訂正用符号化回路であり、データに誤り訂正符号が付加される。７１２は記録符号化回路であり、１−７ＰＰ方式でデータを変調する。７１３は記録補償回路であり、マーク長に適した書込みのためのパルスを発生する。発生したパルス列に基づき、半導体レーザ駆動回路７１４により、図７のレーザ光源１０１を駆動し、対物レンズから出射したレーザ光８０を変調する。モータ５０２によって回転駆動される光ディスク５０１上にはレーザ光により反射率が異なるマーク形成される。
【００２３】
７２１から７２６の回路はデータの読み出しのためのものである。高分解能のデータ信号がイコライザー７２１に入力され、最短マーク長付近の信号雑音比が改善される。この信号は７２２のＰＬＬ回路に入力され、クロックが抽出される。また、イコライザーで処理されたデータ信号は抽出されたクロックのタイミングで７２３のＡ−Ｄ変換器でデジタル化される。７２４はＰＲＭＬ（Partial Response Maximum Likelihood）信号処理回路であり、ビタビ復号を行う。記録復号化回路７２５では１−７ＰＰ方式の変調規則に基づき復号化し、誤り訂正回路７２６でデータを復元する。
【００２４】
図７のハーフビームスプリッタ２０８で反射された光は制御信号生成光学系２２８で処理され、トラッキングエラー信号とフォーカスエラー信号が生成される。これらの信号は対物レンズの位置制御を行うアクチュエータ１１１にフィードバックされ、照射レーザ光のディスク上での位置制御が行われる。
【００２５】
図２０に光ディスク上に書き込まれたマークを読みだしたときの信号変化を示す。計算された信号は演算装置１０９からのものである。長さ０．１３μｍ、幅０．２２μｍの４個のマークがディスクの回転方向にスペースの長さ０．１３μｍで並んでいる。マークおよびスペース部分の反射率はそれぞれ９０％、１％であり、レーザ光はマークの中心を通過する。光学系のパラメータは図１１の計算に使用したものと同じである。１３６は参照光を中心から８０％遮光した場合の出力変化を示す。１３７は参照光の強度を２倍にした時の出力変化である。参照光の強度を２倍にすると出力も２倍になるので信号雑音比の向上が向上することになる。比較のために通常光学系での出力変化を１３５の破線で示す。通常光学系では、マークがある部分の平均出力に対して、マークによる強度変調が本特許より小さいことが分かる。
【実施例３】
【００２６】
図１４に実施例１と異なる偏光を使用する実施例を示す。レーザ光源１０１から偏光ビームスプリッタ２０７までの光学系は同じである。偏光ビームスプリッタ２０７を光源から直接透過した参照光はλ／４板２３０により右円偏光に変換され、遮蔽板２２０を通過する。この参照光は反射鏡２１６で反射され、円偏光ビームスプリッタ２３２に入射する。他方、偏光ビームスプリッタ２０７で反射され、観察物体に絞り込まれた光は、偏光ビームスプリッタ２０７に戻る際にｐ偏光になっている。このため、偏光ビームスプリッタ２０７を透過する。この光は反射鏡２１１で反射され、λ／４板２３１で左円偏光に変換される。左円偏光状態の光は円偏光ビームスプリッタ２３２を透過し、右円偏光状態の光と干渉することになる。重ね合わされた右偏光と左偏光状態の光は無偏光回折格子２３３と２３４を透過する。図１５及び図１６では無偏光回折格子２３３と２３４の溝の方向を示す。両者は溝の方向が直交しているので、±１次以上の高次の回折光の回折面は直交している。溝の形状は、±1次光が同強度で大きくなり、０次と±２次以上の回折光は小さくなるように設計されている。また、溝のピッチは後述の検出器に入射するように設計されている。無偏光回折格子を透過した光は図１４の集光レンズ２１５で４分割検出器１１３上に4分割されて集光される。ビームが4本形成されるのは、1本のビームを±１次光の２本に分ける作用がある無偏光回折格子を回折面の方向が異なるように２枚重ねた効果によるものである。検出器の前には4分割直線偏光子２３５が設置されている。それぞれの直線偏光子２４５、２４１、２４３、２４５の光学軸方向は図１７に示すように０度、４５度、９０度、−４５度である。４本に分割されたビームがそれぞれの直線偏光子を通過し、検出器１１３の４分割検出器で検出される。図１８に４分割検出器１１３の検出器の面形状を示す。検出器１２４には直線偏光子２４５を透過した光が入射し、検出器１２１には直線偏光子２４１、検出器１２３には直線偏光子２４３、検出器１２２には直線偏光子２４２を透過した光がそれぞれ入射する。検出器の中央に示した黒丸は光の集光状態を示している。検出器１２４と１２３の出力の差動信号をIｃとしたとき、Ｉｃ＝α｜A｜・｜R｜ cos（θ）となり、また検出器１２１と１２２の差動信号をIｓとしたとき、Ｉｓ＝α｜A｜・｜R｜ sin（θ）のように表わされる。したがって、実施例１と同様に、１０９の電子回路においてＩ＝Ｉｃ２＋Ｉｓ２＝α2｜A｜2｜R｜2の計算を行うことにより高分解能の強度信号を得ることが可能となる。この高分解の強度信号を表示装置１１０に画像として表示する。
【実施例４】
【００２７】
図１９に示す実施例では参照光を反射鏡で戻すタイプの方式を採用した。参照光と観察物体からの反射光との共通光路を長くとることができるので、空気の揺らぎ等の外乱による干渉光学系への影響を少なくすることができる。
【００２８】
レーザ光源１０１からのレーザ光がコリメートされた後、偏光ビームスプリッタ２０７で偏光方向に従って２分割される。ｓ偏光は反射され、観察物体２０２に向かう。観察物体からの反射光はλ／４板２２５を２回透過するので、ｐ偏光となっており、偏光ビームスプリッタ２０７を透過する。光源方向から偏光ビームスプリッタ２０７に入射するｐ偏光の光は本素子を透過し、λ／４板２３６で円偏光に変換される。次に、対物レンズ２０１と同じ有効径とＮＡを有する凸レンズ２３７により焦点位置に置かれた反射鏡２３８上に絞り込まれる。反射鏡２３８で反射された光は凸レンズ２３７に戻り、λ／４板を通過することでｓ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ２０７で反射される。結局、偏光ビームスプリッタ２０７から遮光板２２０に向かう光は、観察物体から来たｐ偏光と反射鏡２３８で反射されたｓ偏光で構成され、これらが干渉することになる。両ビームは反射鏡２１１で反射され、ビームスプリッタ２１３に向かう。ビームスプリッタ２１３で二つに分けられ、それぞれ波長板と集光レンズを透過後、偏光ビームスプリッタで二つに分けられる。これらの４つの検出器の信号を使用して、高分解能な観察画像を表示装置１１０に表示するのは実施例１と同様である。
【００２９】
なお、実施例１、２、４では、参照光と検出光とを重ね合わせた合成光を、４つに分割する例を説明したが、３つに分割して干渉成分を算出することも、計算は複雑になるが、可能である。
【００３０】
また、何れの実施例も、被照射体からの反射光を利用した干渉光学系について説明したが、被照射体からの透過光を利用しても、光学系の構成は異なるものの、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、高分解能な画像を取得する装置に適用できるだけでなく、高密度な光ディスクを読み出す光ピックアップに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による光学系の一例を示す図。
【図２】遮光板の形状を示す図。
【図３】本発明による光学系の一例を示す図。
【図４】本発明による光学系の一例を示す図。
【図５】本発明による光学系の一例を示す図。
【図６】本発明による光学系の一例を示す図。
【図７】本発明による光ピックアップ装置の光学系の一例を示す図。
【図８】透過型共焦点走査顕微鏡の光学系を示す図。
【図９】従来型の光学顕微鏡と共焦点走査型顕微鏡の点像分布関数を示す図。
【図１０】非特許文献１に基づく光学系を示す図。
【図１１】従来型の光学顕微鏡と共焦点走査型顕微鏡、本特許に基づく光学装置の点像分布関数を示す図。
【図１２】従来型の光学顕微鏡と共焦点走査型顕微鏡、遮光板をなくしたときの本特許に基づく光学系の点像分布関数を示す図。
【図１３】光ディスクに適用したときに使用する信号処理を示す図。
【図１４】本発明による光学系の一例を示す図。
【図１５】無偏光回折格子を示す図。
【図１６】無偏光回折格子を示す図。
【図１７】４分割直線偏光子とそれぞれの光学軸を示す図。
【図１８】４分割検出器の一例を示す図。
【図１９】本発明による光学系の一例を示す図。
【図２０】本発明の光学系によるマーク列からの出力信号変化を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１０１：半導体レーザ、１０２：走査機構、２０１：対物レンズ、２０２：観察物体、２０７：偏光ビームスプリッタ、２０９：λ／２板、２１２：λ／２板、２１３：ビームスプリッタ、２２０：遮光板、２２１：λ／２板、２２２：λ／４板、２２３：偏光ビームスプリッタ、２２４：偏光ビームスプリッタ、２２７：遮光板、１０５：光検出器、１０６：光検出器、１０７：光検出器、１０８：光検出器、１０９：演算装置、１１０：表示装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学的な分解能を要する光学装置に関し、特に光ビームを絞り込み、光ビームの観物体に対する照射位置を相対的に変化させて信号を取得する光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学顕微鏡の分解能を向上させる技術として共焦点走査型顕微鏡がある。その光学系には反射型と透過型があるが、光学系の分かりやすい透過型を用いて説明する。図８は透過型光学系の概略図である。光源１０１からの光をピンホール２０５に照射し、点光源を得る。現実には有限の大きさのピンホールを使用するので、完全な点光源ではない。ピンホールからの光を対物レンズ２０１により２０２の観察物体上に絞り込む。観察物体２０２はボイスコイル等による走査機構１０２により３次元方向に走査可能となっている。観察物体を透過した光は検出レンズ２０３を透過し、２０４のピンホール上に絞り込まれる。ピンホール２０４の透過光は光検出器１０３で検出され、観察物体の走査位置に対応させた画像表示を行う表示装置１０４でその信号は表示される。共焦点走査型顕微鏡の横方向の分解能は２０４のピンホールの大きさに依存することが分かっている。ピンホールの大きさを小さくすると分解能が良くなる。逆に大きくすると分解能が悪くなり、走査型ではない従来の光学顕微鏡の分解能に近づく。ここでいう従来の光学顕微鏡とは観察物体の広い範囲を照射し、対物レンズを透過した観察物体からの光により像形成を行う走査型ではない顕微鏡を指している。図９に従来の光学顕微鏡とピンホールの大きさが極限まで小さいときの共焦点走査型顕微鏡の点像分布関数を示す。横軸vは規格化光学単位で表わされており、v = 2π・x・NA/λと定義される。ここに、NAは対物レンズ２０１および検出レンズ２０３の開口数を表わし、両レンズは同じNAを有するものとした。また、ｘは光軸に対して垂直な方向、すなわち横方向の座標、λは光の波長を表わす。共焦点走査型光学顕微鏡の点像分布関数１３１の方が従来型の光学顕微鏡の点像分布関数１３０より分布が狭くなっており、分解能が向上していることが分かる。
【０００３】
更なる分解能向上方法として、ビームの中心部分を遮蔽する方法が、非特許文献１に示されている。図１０に示された共焦点走査型顕微鏡の光学系には、観察物体２０２を透過した光の光路中に光軸を中心とした円形の遮光板２２９が挿入されている。これにより観察物体２０２から出射した光の空間周波数領域での低周波成分が除去され、分解能が向上する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】C. J. R. Sheppard and A. Choudhury, "Image Formation in theScanning Microscope," Opt. Acta, Vol. 24, 1051-1073 (1977)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図８に示した共焦点走査型光学顕微鏡ではピンホールを小さくすることで分解能の向上が可能であるが、ピンホールの透過光量が減少するので、信号雑音比の悪化が避けられない。更なる分解能の向上のために設置する図１０の遮蔽板２２９も光量の減少につながる。すなわち、顕微鏡光学系で高分解能化を図ると、検出光量が減少することになる。これらに対処するために、一般的には光源の出力パワーを大きくすることが行われる。しかし、入射光による観察物体の損傷が問題になる場合には、光源の出力パワーを大きくすることができない。
【０００６】
本発明の課題は、観察物体への入射光量が小さい場合でも、高分解能化と高い信号雑音比を同時に実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、観察物体からのビームと偏光状態の異なる参照光とを干渉させ、振幅の分離ができる光学系を採用する。更に少なくとも一個所に高分解能化のための遮光領域を含む光学フィルタを配置する。
【０００８】
本発明は、光源からの光を観察物体への照射光（第１の光）と参照光（第２の光）とに分離する分離光学系と、観察物体へ照射光を集光する集光光学系と、観察物体からの反射光あるいは透過光などの応答光を検出する検出光学系と、応答光と参照光とを異なる偏光状態にする偏光光学素子と、照射光あるいは応答光、参照光の光路の少なくとも１か所以上に設置された光学フィルタと、応答光と参照光とを重ね合わせる素子と、重ね合わせた合成応答光を分割する光学素子と、それぞれ分割された合成応答光の光路に設置された異なる偏光フィルタと、分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、それぞれの検出器からの信号を処理する電子回路とから実現される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、参照光の強度を大きくすることにより、光学フィルタの入った応答光の強度を増幅することができ、信号雑音比の改善を図ることができる。あるいは、光学フィルタを参照光の光路に入れた場合は、応答光の光量を減ずることがないので、光学調整が容易であると同時に、分解能の向上を図ることが可能である。この場合も参照光の増強により更なる信号雑音比の向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の光学装置を実施するための最良の形態を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１に、本発明に基づく光学装置を示す。図１は、参照光の光束中に光学フィルタ220を設けた例である。１０１はレーザ光源であり、ｓ偏光の出射光をコリメータレンズ２０６で平行光に変換する。レーザ光源の出射光はコヒーレンス長が略５ｍm以上のものを使用しており、光路長差があっても干渉が起こりやすいものとなっている。これにより光路長の調整機構が不要になる。２０７は偏光ビームスプリッタであり、ｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過するものとする。途中に設置したλ／２板２０９は回転可能としてあり、偏光ビームスプリッタ２０７での反射光量と透過光量の割合を調整し、光量比変更手段としての機能も有する。λ／２板２０９の透過光のうちのｓ偏光は２０７のビームスプリッタで反射され、λ／４板２２５で円偏光に変換される。その後、対物レンズ２０１により２０２の観察物体上に絞り込まれる。観察物体は走査機構１０２で走査できるようになっている。本実施例では、光学系の複雑さを避けるために、観察物体そのものを走査する方式を採用しているが、これに限定されるものではなく、集光スポット自体を走査する光学系を搭載した方式でもよい。また、ここでの説明においては観察物体からの反射光を検出する光学系で説明するが、観察物体を透過する方式でもよい。観察物体からの反射光は、対物レンズ２０１に戻り、２２５のλ／４板を透過することでｐ偏光になる。このｐ偏光の光はビームスプリッタ２０７を透過し、反射鏡２１１で反射され、ハーフビームスプリッタ２１３に入射する。
【００１２】
λ／２板２０９の透過光のなかのｐ偏光成分は偏光ビームスプリッタ２０７を透過し、光学軸が４５度傾いたλ／２板２１２でｓ偏光の光になる。その後、光学フィルタ２２０で部分的に遮光あるは減光され、反射鏡２１６によりハーフビームスプリッタ２１３に入射する。光学フィルタ２２０の形状の１例を図２に示す。２５１は参照光のビーム形状であり、ビームの中心部を遮光するように遮光領域２５２が配置されている。遮光板は、使用する光が透過するガラス基板上に円形状のクロムの金属薄膜を蒸着することにより作製可能である。この光学フィルタ２２０によりビームの周辺領域のみの光が干渉に関与することになり、分解能がさらに向上する。十分な分解能の向上のためには、遮光領域の大きさはビームの有効径に対してその半径が中心より７０％以上が望ましい。なお、遮光率を大きくして光量が減少しても、参照光の強度を大きくすることでSN比の向上を図ることができるため、遮光率を大きくしても問題はない。従って、参照光の強度を、検出光の強度以上となるように調整すると好ましい。
【００１３】
ハーフビームスプリッタ２１３には偏光方向の異なる光が両方向から入射することになり、それぞれの光は２方向に分割され、２方向に干渉光が出射する。紙面上でハーフビームスプリッタ２１３の右方向に出射してくる干渉光には光学軸が２２．５度傾いた２２１のλ／２板が設置されており、集光レンズ２１５で焦点位置に置かれた検出器上に集光される。本実施例では集光レンズ２１５の前に２２１のλ／２板を配置したが、集光レンズ２１５の直後に配置しても問題ない。検出器前の光路中には偏光ビームスプリッタ２２３が設置されており、ｓ方向とｐ方向の成分に干渉光を分解し、それぞれを検出器１０６と検出器１０８で検出する。ここで、観察物体を光軸上にある点物体とする。観察物体からの反射光の複素振幅、参照光の複素振幅をそれぞれA、Rとし、検出器１０６と検出器１０８の差動信号をIｃとしたとき、Ｉｃ＝α｜A｜・｜R｜ cos（θ）と表わされる。αは信号増幅や検出器効率等を含む係数であり、θは観察物体からの反射光と参照光との位相差である。また、紙面上でハーフビームスプリッタ２１３の上方向に出射する干渉光には光学軸が４５度傾いたλ／４板２２２が挿入されている。集光レンズ２１４で集光された干渉光は検出器１０５および１０７で検出される。この場合も、λ／４板２２２を集光レンズ２１４の直後に配置することも可能である。途中に設置されている偏光ビームスプリッタ２２４によりｓ偏光とp偏光に分離した後に、それぞれの検出器で検出される。ここで検出器１０５と１０７の差動信号をIｓとしたとき、Ｉｓ＝α｜A｜｜R｜ sin（θ）のように表わされる。ＩｃおよびＩｓには干渉成分のみが検出されている。演算装置１０９では、Ｉ＝Ｉｃ２＋Ｉｓ２＝α2｜A｜2｜R｜2（数式１）で示す計算を行う。Ｉは観察物体の反射光と参照光の振幅の２乗に比例した変数となり、ビーム間の位相差には影響されなくなる。１１０は表示装置であり、観察物体２０２の走査位置と表示位置の対応をつけた表示がなされる。本実施例では４つの検出器からの信号を使用するタイプを示したが、４個の検出器のうち３個を使用して干渉成分を算出することは可能であるが、この場合はマイクロコンピュータ等の計算機を使用した方がよい。
【００１４】
光学系の倍率をＭとし、観察物体として点物体が光軸から距離ａ離れたところにあるとしたとき、それぞれの4つの検出器上では光軸からＭａ離れた位置を中心とした点像分布が形成される。また、同時に参照光は光軸を中心とした点像分布となる。中心位置がＭｘにある通常光学系の振幅点像分布をｈ（Ｍａ）とし、参照光の振幅点像分布をｇ（０）としたとき、出力信号Ｉ（ａ）はＩ（ａ）＝α２｜∬ｈ（Ｍａ）ｇ（０）ｄｘｄｙ｜２のように表わされる。面積分は検出器上で行われ、この積分の効果により、分解能が向上する。
【００１５】
図１１に計算した点像分布関数を示す。対物レンズのNAは０．８５とし、直径０．０５μｍの点物体を光軸に対して垂直にフォーカス面で移動させた。遮光板は参照光中に設置され、有効径の内側８０％を遮光するものとした。観察物体への照射光量と参照光の光量は同量とした。図１１には同様の条件のもとでの共焦点走査顕微鏡と従来の顕微鏡の点像分布関数を比較のために記載する。共焦点走査顕微鏡と通常の顕微鏡には遮光板は入れていない。本特許の光学系では１３２の破線のように点像分布が狭くなり、共焦点走査型顕微鏡（１３３の実線×印）および通常の光学系の点像分布関数１３４よりも分解能が優れていることが分かる。また、本実施例では参照光に遮光フィルタを入れることで分解能が向上しており、観察物体からの反射光に対しては遮光を行っていない。したがって、参照光を遮断すれば通常光学系にすることができるので、両者の光学系の共存が容易に図ることができる。観察物体からの反射光が小さい場合は、（数式１）で示したように、参照光の強度｜R｜2を大きくすることで、信号強度を大きくでき信号雑音比の向上を図ることが可能である。
【００１６】
参照光に設置した遮光領域を小さくしていった場合は、図１２に示すように１３２の本特許の点像分布関数は共焦点走査顕微鏡のもの（１３３）と同じになり、分解能が悪化する。しかし、悪化したとはいえ、共焦点走査顕微鏡の分解能と同じであり、通常の顕微鏡の分解能よりは優れている。しかも、本特許の光学系では,共焦点走査顕微鏡のように検出器前にピンホールを使用しないので、光量の大幅な減少は避けられ、参照光の強度を大きくすることで更に信号雑音比の向上を図ることが可能である。
【００１７】
図３から図６までの実施例では光学フィルタの設置場所が異なっている。
【００１８】
図３では光学フィルタとしての遮光板２２０は観察物体からの反射光の光路に設置されている。図1の実施例と同じ遮光板を使用するならば、分解能の向上は同等となる。但し、図１のように、参照光の光束中に光学フィルタ２２０を入れた方が、応答光の光量を減ずることがないので、より、好ましい。
【００１９】
図４では参照光と観察物体からの反射光の両者の光路にそれぞれ２２０および２２７の遮光板が設置されている。有効径に対して中心の遮光板の大きさがすべて図１の遮光板と同じ大きさならば、図１の場合の分解能と同じになる。検出器に入射する光量を飽和しない程度に抑えたい場合は本実施例のような2枚の遮光板の使用が有効である。また、２枚の遮光板が設置される図４の光学系においては、遮光板の形状が異なった場合は、二つの遮光領域で決まる和領域の大きさが分解能に影響する。
【００２０】
図５および図６では、観察物体への照射光に遮光板が入っている。図５では偏光ビームスプリッタ２０７の直前に遮光板２２０が挿入されている。光源からの光が偏光ビームスプリッタ２０７を透過した後に参照光となるビームにも遮光板の効果は及んでいるが、観察物体からの反射光には遮光板は入っていない。観察物体への照射光に遮蔽板を入れることで焦点深度を長くすることができ、かつ分解能の向上を図ることができる。図６での遮光板２２０は偏光ビームスプリッタ２０７と観察物体２０２の間に設置されているので、観察物体への照射光と観察物体からの反射光の両者に入ることになる。この場合も観察物体への照射光に遮蔽板がはいっており、焦点深度を長くすることができ、観察物体に焦点ずれが発生しても鮮明な画像を得ることができる。２１０は減光フィルタであり、参照光の強度の調整を行う。
【００２１】
本実施例では光学フィルタとして中心部を遮光するものを使用した。この場合は、中心部の光の透過率は０％、周辺は１００％となっており、透過率は遮光部の境界で急激に変化する。他の光学フィルタとしては中心から周辺に向かって徐々に透過率が変化するようなものも使用可能である。
【実施例２】
【００２２】
図７に本特許の光学系を使用した光ディスク装置のピックアップ光学系を示す。本実施例の図面中の番号で図１と同じものは同じ機能を有する。レーザ光源１０１からのレーザ光はコリメータされた後、ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ２０７で反射され、ハーフビームスプリッタ２０８を透過する。ハーフビームスプリッタの透過光は対物レンズ２０１で光ディスク２２６上に集光される。光ディスクは回転体に固定されており、回転可能となっている。光ディスクからの反射光はハーフビームスプリッタ２０８に戻り、二つに分割される。ビームスプリッタ２０７に向かう透過光はデータ信号生成のために使用される。ビームスプリッタ２０７以降の干渉光学系は図１のものと同じであり、高分解能の信号が演算装置１０９で生成される。この信号は１１２の電子回路で処理され、データ信号となる。図１３において電子回路１１２での信号処理の概略を説明する。７１１から７１４までの回路はデータを光ディスク２２６に記録するためのものである。図７に示した１１２の電子回路以外の光学系は６０で示した。７１１は誤り訂正用符号化回路であり、データに誤り訂正符号が付加される。７１２は記録符号化回路であり、１−７ＰＰ方式でデータを変調する。７１３は記録補償回路であり、マーク長に適した書込みのためのパルスを発生する。発生したパルス列に基づき、半導体レーザ駆動回路７１４により、図７のレーザ光源１０１を駆動し、対物レンズから出射したレーザ光８０を変調する。モータ５０２によって回転駆動される光ディスク５０１上にはレーザ光により反射率が異なるマーク形成される。
【００２３】
７２１から７２６の回路はデータの読み出しのためのものである。高分解能のデータ信号がイコライザー７２１に入力され、最短マーク長付近の信号雑音比が改善される。この信号は７２２のＰＬＬ回路に入力され、クロックが抽出される。また、イコライザーで処理されたデータ信号は抽出されたクロックのタイミングで７２３のＡ−Ｄ変換器でデジタル化される。７２４はＰＲＭＬ（Partial Response Maximum Likelihood）信号処理回路であり、ビタビ復号を行う。記録復号化回路７２５では１−７ＰＰ方式の変調規則に基づき復号化し、誤り訂正回路７２６でデータを復元する。
【００２４】
図７のハーフビームスプリッタ２０８で反射された光は制御信号生成光学系２２８で処理され、トラッキングエラー信号とフォーカスエラー信号が生成される。これらの信号は対物レンズの位置制御を行うアクチュエータ１１１にフィードバックされ、照射レーザ光のディスク上での位置制御が行われる。
【００２５】
図２０に光ディスク上に書き込まれたマークを読みだしたときの信号変化を示す。計算された信号は演算装置１０９からのものである。長さ０．１３μｍ、幅０．２２μｍの４個のマークがディスクの回転方向にスペースの長さ０．１３μｍで並んでいる。マークおよびスペース部分の反射率はそれぞれ９０％、１％であり、レーザ光はマークの中心を通過する。光学系のパラメータは図１１の計算に使用したものと同じである。１３６は参照光を中心から８０％遮光した場合の出力変化を示す。１３７は参照光の強度を２倍にした時の出力変化である。参照光の強度を２倍にすると出力も２倍になるので信号雑音比の向上が向上することになる。比較のために通常光学系での出力変化を１３５の破線で示す。通常光学系では、マークがある部分の平均出力に対して、マークによる強度変調が本特許より小さいことが分かる。
【実施例３】
【００２６】
図１４に実施例１と異なる偏光を使用する実施例を示す。レーザ光源１０１から偏光ビームスプリッタ２０７までの光学系は同じである。偏光ビームスプリッタ２０７を光源から直接透過した参照光はλ／４板２３０により右円偏光に変換され、遮蔽板２２０を通過する。この参照光は反射鏡２１６で反射され、円偏光ビームスプリッタ２３２に入射する。他方、偏光ビームスプリッタ２０７で反射され、観察物体に絞り込まれた光は、偏光ビームスプリッタ２０７に戻る際にｐ偏光になっている。このため、偏光ビームスプリッタ２０７を透過する。この光は反射鏡２１１で反射され、λ／４板２３１で左円偏光に変換される。左円偏光状態の光は円偏光ビームスプリッタ２３２を透過し、右円偏光状態の光と干渉することになる。重ね合わされた右偏光と左偏光状態の光は無偏光回折格子２３３と２３４を透過する。図１５及び図１６では無偏光回折格子２３３と２３４の溝の方向を示す。両者は溝の方向が直交しているので、±１次以上の高次の回折光の回折面は直交している。溝の形状は、±1次光が同強度で大きくなり、０次と±２次以上の回折光は小さくなるように設計されている。また、溝のピッチは後述の検出器に入射するように設計されている。無偏光回折格子を透過した光は図１４の集光レンズ２１５で４分割検出器１１３上に4分割されて集光される。ビームが4本形成されるのは、1本のビームを±１次光の２本に分ける作用がある無偏光回折格子を回折面の方向が異なるように２枚重ねた効果によるものである。検出器の前には4分割直線偏光子２３５が設置されている。それぞれの直線偏光子２４５、２４１、２４３、２４５の光学軸方向は図１７に示すように０度、４５度、９０度、−４５度である。４本に分割されたビームがそれぞれの直線偏光子を通過し、検出器１１３の４分割検出器で検出される。図１８に４分割検出器１１３の検出器の面形状を示す。検出器１２４には直線偏光子２４５を透過した光が入射し、検出器１２１には直線偏光子２４１、検出器１２３には直線偏光子２４３、検出器１２２には直線偏光子２４２を透過した光がそれぞれ入射する。検出器の中央に示した黒丸は光の集光状態を示している。検出器１２４と１２３の出力の差動信号をIｃとしたとき、Ｉｃ＝α｜A｜・｜R｜ cos（θ）となり、また検出器１２１と１２２の差動信号をIｓとしたとき、Ｉｓ＝α｜A｜・｜R｜ sin（θ）のように表わされる。したがって、実施例１と同様に、１０９の電子回路においてＩ＝Ｉｃ２＋Ｉｓ２＝α2｜A｜2｜R｜2の計算を行うことにより高分解能の強度信号を得ることが可能となる。この高分解の強度信号を表示装置１１０に画像として表示する。
【実施例４】
【００２７】
図１９に示す実施例では参照光を反射鏡で戻すタイプの方式を採用した。参照光と観察物体からの反射光との共通光路を長くとることができるので、空気の揺らぎ等の外乱による干渉光学系への影響を少なくすることができる。
【００２８】
レーザ光源１０１からのレーザ光がコリメートされた後、偏光ビームスプリッタ２０７で偏光方向に従って２分割される。ｓ偏光は反射され、観察物体２０２に向かう。観察物体からの反射光はλ／４板２２５を２回透過するので、ｐ偏光となっており、偏光ビームスプリッタ２０７を透過する。光源方向から偏光ビームスプリッタ２０７に入射するｐ偏光の光は本素子を透過し、λ／４板２３６で円偏光に変換される。次に、対物レンズ２０１と同じ有効径とＮＡを有する凸レンズ２３７により焦点位置に置かれた反射鏡２３８上に絞り込まれる。反射鏡２３８で反射された光は凸レンズ２３７に戻り、λ／４板を通過することでｓ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ２０７で反射される。結局、偏光ビームスプリッタ２０７から遮光板２２０に向かう光は、観察物体から来たｐ偏光と反射鏡２３８で反射されたｓ偏光で構成され、これらが干渉することになる。両ビームは反射鏡２１１で反射され、ビームスプリッタ２１３に向かう。ビームスプリッタ２１３で二つに分けられ、それぞれ波長板と集光レンズを透過後、偏光ビームスプリッタで二つに分けられる。これらの４つの検出器の信号を使用して、高分解能な観察画像を表示装置１１０に表示するのは実施例１と同様である。
【００２９】
なお、実施例１、２、４では、参照光と検出光とを重ね合わせた合成光を、４つに分割する例を説明したが、３つに分割して干渉成分を算出することも、計算は複雑になるが、可能である。
【００３０】
また、何れの実施例も、被照射体からの反射光を利用した干渉光学系について説明したが、被照射体からの透過光を利用しても、光学系の構成は異なるものの、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、高分解能な画像を取得する装置に適用できるだけでなく、高密度な光ディスクを読み出す光ピックアップに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による光学系の一例を示す図。
【図２】遮光板の形状を示す図。
【図３】本発明による光学系の一例を示す図。
【図４】本発明による光学系の一例を示す図。
【図５】本発明による光学系の一例を示す図。
【図６】本発明による光学系の一例を示す図。
【図７】本発明による光ピックアップ装置の光学系の一例を示す図。
【図８】透過型共焦点走査顕微鏡の光学系を示す図。
【図９】従来型の光学顕微鏡と共焦点走査型顕微鏡の点像分布関数を示す図。
【図１０】非特許文献１に基づく光学系を示す図。
【図１１】従来型の光学顕微鏡と共焦点走査型顕微鏡、本特許に基づく光学装置の点像分布関数を示す図。
【図１２】従来型の光学顕微鏡と共焦点走査型顕微鏡、遮光板をなくしたときの本特許に基づく光学系の点像分布関数を示す図。
【図１３】光ディスクに適用したときに使用する信号処理を示す図。
【図１４】本発明による光学系の一例を示す図。
【図１５】無偏光回折格子を示す図。
【図１６】無偏光回折格子を示す図。
【図１７】４分割直線偏光子とそれぞれの光学軸を示す図。
【図１８】４分割検出器の一例を示す図。
【図１９】本発明による光学系の一例を示す図。
【図２０】本発明の光学系によるマーク列からの出力信号変化を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１０１：半導体レーザ、１０２：走査機構、２０１：対物レンズ、２０２：観察物体、２０７：偏光ビームスプリッタ、２０９：λ／２板、２１２：λ／２板、２１３：ビームスプリッタ、２２０：遮光板、２２１：λ／２板、２２２：λ／４板、２２３：偏光ビームスプリッタ、２２４：偏光ビームスプリッタ、２２７：遮光板、１０５：光検出器、１０６：光検出器、１０７：光検出器、１０８：光検出器、１０９：演算装置、１１０：表示装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を第１の光と第２の光に分割する分割光学系と、
分割された前記第１の光を観察物体へ集光する集光光学系と、
前記観察物体からの反射光あるいは透過光の検出光を検出する検出光学系と、
前記検出光の偏光状態と前記第２の光の偏光状態を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、
前記検出光と前記第２の光を重ね合わせる光学系と、
重ね合わせた合成応答光を分割する光学素子と、
前記合成応答光の光路に設置された偏光フィルタと、
分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、
前記検出光、前記第１の光、前記第２の光の光路のうち、少なくとも何れかに設置された遮光領域を有する光学フィルタと、
それぞれの検出器からの信号を処理する電子回路と
電子回路からの出力を表示する表示装置と
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
光源と、
前記光源からの光を第１の光と第２の光に分割する分割光学系と、
分割された前記第１の光を光ディスクへ集光する集光光学系と、
前記光ディスクからの検出光を検出する検出光学系と、
前記検出光の偏光状態と前記第２の光の偏光状態を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、
前記検出光と前記第２の光を重ね合わせる光学系と、
重ね合わせた合成応答光を分割する光学素子と、
前記合成応答光の光路に設置された偏光フィルタと、
分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、
前記検出光、前記第１の光、前記第２の光の光路のうち、少なくとも何れかに設置された遮光領域を有する光学フィルタと、
それぞれの検出器からの信号を処理することで振幅情報を算出する電子回路と、
電子回路からの出力を信号処理する信号処理回路と、
制御信号生成光学系と、
前記制御信号生成光学系から出力されるトラッキングエラー信号とフォーカスエラー信号で前記光ディスクへの集光照射光位置を制御する制御機構と
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光学装置において、前記検出光の偏光状態と前記第２の光の偏光状態は、ｓ偏光とｐ偏光であることを特徴とする光学装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の光学装置において、前記検出光の偏光状態と前記第２の光の偏光状態は、右円偏光と左円偏光であることを特徴とする光学装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の光学装置において、前記光学フィルタは、中心部分を遮光することを特徴とする光学装置。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の光学装置において、レーザ光源のコヒーレンス長が略５ｍｍ以上であることを特徴とする光学装置。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の光学装置において、前記第１の光と前記第２の光の光量比を変える光学素子を有することを特徴とする光学装置。
【請求項８】
請求項７記載の光学装置において、前記光学素子は、前記第２の光の光量を前記第１の光の光量以上とするものであることを特徴とする光学装置。
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を第１の光と第２の光に分割する分割光学系と、
分割された前記第１の光を観察物体へ集光する集光光学系と、
前記観察物体からの反射光あるいは透過光の検出光を検出する検出光学系と、
前記検出光の偏光状態と前記第２の光の偏光状態を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、
前記検出光と前記第２の光を重ね合わせる光学系と、
重ね合わせた合成応答光を分割する光学素子と、
前記合成応答光の光路に設置された偏光フィルタと、
分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、
前記検出光、前記第１の光、前記第２の光の光路のうち、少なくとも何れかに設置された遮光領域を有する光学フィルタと、
それぞれの検出器からの信号を処理する電子回路と
電子回路からの出力を表示する表示装置と
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
光源と、
前記光源からの光を第１の光と第２の光に分割する分割光学系と、
分割された前記第１の光を光ディスクへ集光する集光光学系と、
前記光ディスクからの検出光を検出する検出光学系と、
前記検出光の偏光状態と前記第２の光の偏光状態を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、
前記検出光と前記第２の光を重ね合わせる光学系と、
重ね合わせた合成応答光を分割する光学素子と、
前記合成応答光の光路に設置された偏光フィルタと、
分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、
前記検出光、前記第１の光、前記第２の光の光路のうち、少なくとも何れかに設置された遮光領域を有する光学フィルタと、
それぞれの検出器からの信号を処理することで振幅情報を算出する電子回路と、
電子回路からの出力を信号処理する信号処理回路と、
制御信号生成光学系と、
前記制御信号生成光学系から出力されるトラッキングエラー信号とフォーカスエラー信号で前記光ディスクへの集光照射光位置を制御する制御機構と
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光学装置において、前記検出光の偏光状態と前記第２の光の偏光状態は、ｓ偏光とｐ偏光であることを特徴とする光学装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の光学装置において、前記検出光の偏光状態と前記第２の光の偏光状態は、右円偏光と左円偏光であることを特徴とする光学装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の光学装置において、前記光学フィルタは、中心部分を遮光することを特徴とする光学装置。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の光学装置において、レーザ光源のコヒーレンス長が略５ｍｍ以上であることを特徴とする光学装置。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の光学装置において、前記第１の光と前記第２の光の光量比を変える光学素子を有することを特徴とする光学装置。
【請求項８】
請求項７記載の光学装置において、前記光学素子は、前記第２の光の光量を前記第１の光の光量以上とするものであることを特徴とする光学装置。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１３−２４９５１（Ｐ２０１３−２４９５１Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５７３９４（Ｐ２０１１−１５７３９４）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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