(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）入射する光ビームや光学像などの入射光像を投影するレンズと、
（ｂ）該レンズからの入射光像が投影されるように、直交する第１の直交面と第２の直交面からなる２面と斜面からなる光学的平面３面を有し、前記入射光像に対して前記斜面を垂直に配置した直角プリズムと、
（ｃ）前記入射光像が投影された前記第１の直交面のプリズムガラス表面において発生するエバネッセント波を透過成分に変換するとともに、前記直角プリズムの第１の直交面に対して二次元的に平行移動・走査可能であり、前記直角プリズムの第１の直交面に対向し、前記第１の直交面のプリズムガラス表面の大気側に発生するエバネッセント波を透過成分に変換することにより、プリズム内部への反射強度変調をきたすように、前記第１の直交面から数１００ｎｍ離れた位置に配置した先端の細い変調手段と、
（ｄ）前記直角プリズムの第１の直交面にて反射された光像の強度を検出する第１の光検出器と、
（ｅ）前記走査と同期させ、前記変調手段が二次元的に平行移動・走査している際のある時点での光像の強度を検出する光像の強度検出手段と、
（ｆ）前記光像の強度を表示する表示装置とを具備する微小画像読み取り装置。
【請求項２】
請求項１記載の微小画像読み取り装置において、前記変調手段はガラス棒又は散乱体である微小画像読み取り装置。
【請求項３】
請求項１記載の微小画像読み取り装置において、前記レンズの後方であって、かつ前記直角プリズムの斜面との間に回転式フィルタを配置し、前記入射光像を予め３原色に分割し、それぞれ波長成分毎に強度分布を計測するようにした微小画像読み取り装置。
【請求項４】
請求項１記載の微小画像読み取り装置において、前記レンズの後方であって、かつ前記直角プリズムの斜面との間に光スプリッタを配置し、前記入射光像を予め直交した偏光成分に分割し、それぞれの成分毎に強度分布を計測可能にした微小画像読み取り装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載の微小画像読み取り装置において、前記入射光像を周期的に分割することにより周波数領域にてロックイン検出するようにした微小画像読み取り装置。
【請求項６】
請求項４記載の微小画像読み取り装置において、前記光スプリッタは高帯域のビームスプリッタであり、前記入射光像を前記高帯域のビームスプリッタにて適当な比率にて分割し、該分割された一方の強度を第２の光強度検出器で検出し、残りを投影して前記第１の光強度検出器で検出し前記光像の計測を行い、前記第２の光強度検出器からの電気信号を基準として、前記入射光像の強度を検出することを特徴とする微小画像読み取り装置。
【請求項７】
請求項１記載の微小画像読み取り装置において、前記入射光像が投影された前記直角プリズムの第１の直交面における前記入射光像の焦点面のずれを補正する補正手段を具備する微小画像読み取り装置。
【請求項８】
請求項７記載の微小画像読み取り装置において、前記補正手段は、前記直角プリズムの位置調整機構である微小画像読み取り装置。
【請求項９】
請求項７記載の微小画像読み取り装置において、前記補正手段は、投影レンズの位置調整・投影レンズの焦点距離調整を行うレンズ位置・焦点距離調整機構である微小画像読み取り装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長程度の分解能（数１００ｎｍ）にて、さまざまな光像の強度分布を計測する微小画像読み取り装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光像の強度分布を計測するためには、主に二つの手法を用いていた。
【０００３】
一つは、二次元の撮像管やＣＣＤ撮像素子を用いて、直接画像の計測を行う手法であり、もう一つは、ナイフエッジやピンホールなどを用いて、これらを透過する光の強度分布を再構成することにより推測している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の撮像管やＣＣＤ撮像素子では、二次元的分布をリアルタイムで評価できるなど、メリットがあるが、一方では、素子の検出のダイナミックレンジは、素子のダメージ閾値により制限されてしまう。また、素子を構成する光−電気変換面の大きさ（ピクセルサイズ）が、光像の読み取りの解像度を決定し、通常のＣＣＤ素子では１０〜２０ミクロンとなり、高い解像度が得られない。
【０００５】
一方、ナイフエッジでは、光ビームの形状をガウシアンのように仮定して、得られた情報を微分して形状を評価するため、実際のビーム形状と、仮定により決められた形状とに誤差が生じる。ピンホール方式では、ピンホール全体の形状が、入射する光像よりも大きい必要があり、大きなピンホールの台を二次元的に走査するためには、トルクの大きな駆動装置を必要とするといった問題がある。
【０００６】
ここでの光像は、波長分布や偏光分布などの情報が混在しているものと考えている。
【０００７】
本発明は、上記問題点を除去し、簡単な構成で、通常計測評価の困難な高エネルギーレーザーなどを集光した部位におけるビームの空間的プロファイルの計測ができる微小画像読み取り装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕微小画像読み取り装置において、入射する光ビームや光学像などの入射光像を投影するレンズと、このレンズからの入射光像が投影されるように、直交する第１の直交面と第２の直交面からなる２面と斜面からなる光学的平面３面を有し、前記入射光像に対して前記斜面を垂直に配置した直角プリズムと、前記入射光像が投影された前記第１の直交面のプリズムガラス表面において発生するエバネッセント波を透過成分に変換するとともに、前記直角プリズムの第１の直交面に対して二次元的に平行移動・走査可能であり、前記直角プリズムの第１の直交面に対向し、前記第１の直交面のプリズムガラス表面の大気側に発生するエバネッセント波を透過成分に変換することにより、プリズム内部への反射強度変調をきたすように、前記第１の直交面から数１００ｎｍ離れた位置に配置した先端の細い変調手段と、前記直角プリズムの第１の直交面にて反射された光像の強度を検出する第１の光検出器と、前記走査と同期させ、前記変調手段が二次元的に平行移動・走査している際のある時点での光像の強度を検出する光像の強度検出手段と、前記光像の強度を表示する表示装置とを設けるようにしたものである。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の微小画像読み取り装置において、前記変調手段はガラス棒又は散乱体である。
【００１０】
〔３〕上記〔１〕記載の微小画像読み取り装置において、前記レンズの後方であって、かつ前記直角プリズムの斜面との間に回転式フィルタを配置し、前記入射光像を予め３原色に分割し、それぞれ波長成分毎に強度分布を計測するようにしたものである。
【００１１】
〔４〕上記〔１〕記載の微小画像読み取り装置において、前記レンズの後方であって、かつ前記直角プリズムの斜面との間に光スプリッタを配置し、前記入射光像を予め直交した偏光成分に分割し、それぞれの成分毎に強度分布を計測できるようにしたものである。
【００１２】
〔５〕上記〔３〕又は〔４〕記載の微小画像読み取り装置において、前記入射光像を周期的に分割することにより周波数領域にてロックイン検出するようにしたものである。
【００１３】
〔６〕上記〔４〕記載の微小画像読み取り装置において、前記光スプリッタは高帯域のビームスプリッタであり、前記入射光像を前記高帯域のビームスプリッタにて適当な比率にて分割し、この分割された一方の強度を第２の光強度検出器で検出し、残りを投影して前記第１の光強度検出器で検出し前記光像の計測を行い、前記第２の光強度検出器からの電気信号を基準として、前記入射光像の強度を検出するようにしたものである。
【００１４】
本発明の基本としては、入射する光像が、投影されたガラス表面において発生するエバネッセント波を、その表面に近接して配置した同種のガラス材料などを介して透過成分に変換するという特性を用いている。
【００１５】
本発明により、通常計測評価の困難な高エネルギーレーザーなどを集光した部位におけるビームの空間的プロファイルの計測を可能とする。
【００１６】
〔７〕上記〔１〕記載の微小画像読み取り装置において、前記入射光像が投影された前記直角プリズムの第１の直交面における前記入射光像の焦点面のずれを補正する補正手段を具備するようにしたものである。
【００１７】
〔８〕上記〔７〕記載の微小画像読み取り装置において、前記補正手段は、前記直角プリズムの位置調整機構である。
【００１８】
〔９〕上記〔７〕記載の微小画像読み取り装置において、前記補正手段は、投影レンズの位置調整・投影レンズの焦点距離調整を行うレンズ位置・焦点距離調整機構である。
【００１９】
本発明は、波長程度の分解能（数１００ナノメートル）にて、さまざまな光像の強度分布を計測する装置を提供し、ここでの光像は、波長分布や偏光分布などの情報が混在しているものと考えている。
【００２０】
よって、通常のＴＶ画像にする程度の光の像も計測できるのみでなく、通常計測評価の困難な高エネルギーレーザーなどを集光した部位におけるビームの空間的プロファイルの計測を可能とする。その際、光の波長より細かな分解能を得ることができるが、顕微鏡のような複雑な構造は必要としない点にメリットがある。
【００２１】
また、前記入射光像が投影された前記直角プリズムの直交する面における前記入射光像の焦点面のいずれを補正する補正手段を設けることにより、広い像面を走査する際にもビームの空間的プロファイルの計測を適切に行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１実施例の微小画像読み取り装置の基本構造を示す図、図２はその微小画像読み取り装置の光学プリズムの斜視図、図３はその光学プリズムガラス面におけるエバネッセント波の散乱の説明図である。
【００２４】
この実施例で使用される光学プリズム３は、図２に示すように、立方体の硝子を対角線方向に縦切りしたような通常の直角プリズムであり、入射する光ビームや光学像などの入射光像１と直交する斜面３ａと、第１の直交面３ｂと第２の直交面３ｃとを有している。
【００２５】
そこで、入射する光ビームや光学像などの入射光像１は、投影レンズ２などの光学系を用いて、その後に配置した光学プリズム３の斜面３ａに入射し、第１及び第２の直交面３ｂ，３ｃに投影する。それらの第１及び第２の直交面３ｂ，３ｃでは、光学的な全反射条件となるために、すべての光像は反射され、光検出器４（第１の検出器）により、その強度を計測することになる。
【００２６】
このとき、投影された第１の直交面３ｂの近傍に、光学プリズム３と同質の先端の細いガラス棒５を近接させて配置する。つまりガラス棒５を入射光像１の光強度に変調をきたす位置に配置する。このガラス棒５は、図１及び図２に示すように、二次元的に光学プリズム３の第１の直交面３ｂを走査できるように二次元走査装置６を用いる。また、二次元走査装置６及び光検出器４は、制御・表示装置７に接続されている。
【００２７】
ここで、図３を参照しながらプリズムガラス面におけるエバネッセント波の散乱について説明する。
【００２８】
図３に示すように、第１の直交面３ｂでは、通常全反射の条件になっており、第１の直交面３ｂに何かを近接させたり、ゴミが付着していないときには、入射光像１は、そのまま反射されてしまう。しかし、その際、この第１の直交面３ｂには、スキンデプスと言われる厚み（波長程度）位の染みだし距離のエバネッセント場８が発生する。ここでは、入射光の強度に依存した電場が、指数関数的な減衰率にて染みだしている。
【００２９】
この場に、何らかの光散乱体や光吸収体や、プリズム材料と同様な物質（ここでは探針９）を挿入すると、これにより、この場が乱されて、この部分の損失が大きくなる（反射率が低くなる）。その結果、第１の直交面３ｂ上に結像されていた入射光像のうち、この探針９が近接していた部分の光強度が減衰し、反射光像のその部分が抜けた像が出射される。その様子は、後述する。ここで、ｄは第１の直交面３ｂからの距離、Ｅは電界を示している。
【００３０】
このような抜けた部分の光は、探針が散乱体であれば、ほぼ全方向に散乱光となり、吸収体であれば、その探針に吸収される。また、プリズム材料と同様な探針であれば、抜けた部分はそのまま探針内部を、反射面がなかったかのように伝搬する。
【００３１】
そこで、第１の直交面３ｂ上の光像のエバネッセント場を探針９により、二次元的に走査して、その散乱光の強度分布から、全体の入射光像が再生できる。
【００３２】
図１及び図２に戻って、このように、入射光像１が投影された第１の直交面３ｂにおいて発生するエバネッセント波を、その表面に近接して配置したガラス棒５が散乱する結果、本来の光像の強度が、散乱された分だけ減少する。この減少した強度成分のみを測定して、ガラス棒５の二次元走査装置６による二次元走査と同期して光像の強度を検出、表示することにより、入射光像１の再構成が可能となる。
【００３３】
ここで、制御・表示装置７はコンピュータからなり、走査（二次元ピエゾ素子の電圧制御）手段、光強度の検出手段（電圧または電流検出）及び画像メモリといった各種の走査、検出及び記憶手段が内蔵されている。
【００３４】
そこで、探針（ガラス棒）５が二次元走査装置６により、たとえば、第１の直交面３ｂの２０ミクロン角の範囲をラスター走査（テレビ画面の二次元走査）のように走査したとき、その探針５の位置を、前記コンピュータの画像メモリの座標に対応させて走査し、散乱または、透過光強度の検出量を、その画像メモリの奥行き情報としてセーブする。これにより、第１の直交面３ｂ上の光画像の二次元強度分布を前記コンピュータの画像メモリ上の二次元像として、最終的に画像処理を行い表示することができる。
【００３５】
ここで、図示しないが、制御装置の具体構造としては、光検出器に電圧を印加し、光検出の結果、得られる電流を電圧変換し、これをさらに、アナログ−デジタル変換して、コンピュータの画像メモリに蓄積する。
【００３６】
一方、二次元走査系では、例えば、ガラス棒を取り付けた二次元走査用ピエゾ素子への駆動電圧を発生させ、かつ、その際の駆動電圧に依存して、コンピュータの画像メモリのアドレスを決定できるように、アナログ−デジタル変換装置と、アドレスの割当回路を内蔵している。
【００３７】
これらの計測の際、一般的な手法としてのロックイン増幅器による信号／雑音比の改善が可能である。
【００３８】
図４は本発明の第２実施例を示す微小画像読み取り装置の構成図である。
【００３９】
この実施例では、投影レンズ２の後に配置した回転式フィルタ１１を用いて、波長または偏光を選択して測定できる装置の具体的構成を示す。
【００４０】
回転式フィルタ１１の中に、ＲＧＢのカラーフィルタを装着することにより、それぞれの波長成分のみを光学プリズム３に投影可能となる。
【００４１】
一方、偏光フィルタを装着することにより、偏光による光像を得ることが可能となる。なお、１２は回転式フィルタ１１の駆動装置である。
【００４２】
ここでは、制御・表示装置７は、上記した図１における機能に加えて、回転式フィルタの場合は、回転モータの駆動電圧と、その回転角度を図るロータリーエンコーダーを内蔵し、さらに、このエンコードされた信号をコンピュータにマッチするように変換する回路を有している。
【００４３】
以上の制御の際にはコンピュータからの指定などを含む双方向のやり取りを行うようにしている。
【００４４】
図５は本発明の第３実施例を示す微小画像読み取り装置の構成図である。
【００４５】
この実施例では、更に、信号／雑音比を向上させるためと、時間的に強度変化する光像を計測する際に有効となる手法として、光ビームスプリッタ２１を用いて、入射光像１を分岐し、その一方の強度信号を光検出器２２（第２の検出器）を用いて規格化し、その規格化された信号と、光検出器４からの出力信号とを差動増幅器２３で差動検出するように構成している。
【００４６】
これにより、入射光像１の入射強度が多少変動しても、光検出器２２からの信号により規格化できるので、変調成分のみが検出可能となる。
【００４７】
図６は、実際の入射光像としてのレーザービーム像を示し、図７には、実際に、近接するガラス棒により散乱された像を示している。
【００４８】
すなわち、図６は、図１における入射光像１としてレーザービームを用い、図７は、光検出器４に二次元ＣＣＤカメラを配置して得られた実際の像を示している。
【００４９】
このように、図６では、ガラス棒を近接させない場合のレーザービームを示しているが、図７では、これにガラス棒を約１ミクロン以下程度まで近接させた結果、中央部分の光像が散乱され、暗く抜けた像になっている様子を示した。
【００５０】
このように、ガラス棒により入射光像の一部が散乱されるので、ガラス棒を細くしていけば、その大きさにて決まる高い解像度を達成できる。
【００５１】
更に、図８は、ダブルスリットを通過して、プリズムの投影面にできた干渉縞を一次元的に走査した結果、得られた干渉縞の強度分布を示す図であり、位置（μｍ）に対応した一次元強度分布を示している。
【００５２】
この干渉縞の間隔は、マイクロメータの校正値から、１０２．７ミクロンと分かる。この際の分解能は、マイクロメータの精度で決まり、約０．５ミクロン程度と考えられる。
【００５３】
図９は本発明の第４実施例を示す微小画像読み取り装置の構成図である。
【００５４】
この図においては、入射光像の焦点面１０が光学プリズムの第１の直交面３ｂに縦長の線として示されている。すなわち、入射光像の焦点面１０は、光学プリズムの第１の直交面３ｂに対して４５度の角度をなす。これにより、広い像面を走査する場合などでは、ガラス棒（プローブ）５が光学プリズムの第１の直交面３ｂ上を二次元走査する際に、焦点面１０からずれた部分を走査する恐れがある。
【００５５】
そこで、図９に示すように、プリズム位置調整機構３１の駆動により、光学プリズム３の位置を前後させることで、常にガラス棒（プローブ）５が走査する位置が焦点面１０にくるように補正することができる。
【００５６】
このように、焦点ずれの補正手段を付加することにより、広い像面を走査する際にもビームの空間的プロファイルの計測を適切に行うことができる。
【００５７】
図示したその他の機構は、図１に示したものと同様であるが、ただ、制御・表示装置７のコンピュータでは、この光学プリズムの位置を二次元走査に応じて移動させる機能、つまり、制御ソフトウエア並びにハードウエアを具備することとなる。
【００５８】
図１０は本発明の第５実施例を示す微小画像読み取り装置の構成図である。
【００５９】
この図においても、入射光像の焦点面１０が光学プリズムの第１の直交面３ｂに縦長の線として示されている。つまり、入射光像の焦点面１０は、光学プリズムの第１の直交面３ｂに対して４５度の角度をなす。これにより、広い像面を走査する場合などでは、ガラス棒（プローブ）５が光学プリズムの第１の直交面３ｂ上を二次元走査する際に、焦点面１０からずれた部分を走査する恐れがある。
【００６０】
そこで、図１０に示すように、レンズ位置・焦点距離調整機構４１の駆動により、投影レンズ２の位置を前後させる、または、投影レンズ２の焦点距離を可変とすることにより、常にガラス棒（プローブ）５が走査する位置が焦点面１０にくるように補正することができる。
【００６１】
このように、焦点ずれの補正手段を付加することにより、広い像面を走査する際にもビームの空間的プロファイルの計測を適切に行うことができる。
【００６２】
図に示したその他の機構は、図１に示したものと同様であるが、ただ、制御・表示装置７のコンピュータでは、この投影レンズ２の位置並びに焦点距離を、二次元走査に応じて移動・変化させる機能、つまり、制御ソフトウエア並びにハードウエアを具備することとなる。
【００６３】
この際の、レンズの焦点距離を変化させる手段としては、従来のカメラレンズに用いられているオートフォーカス機構などを用いることができる。
【００６４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６５】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００６６】
（１）請求項１乃至２記載の発明によれば、簡単な構成で、通常、計測評価の困難な高エネルギーレーザーなどを集光した部位におけるビームの空間的プロファイルの計測を行うことができる。
【００６７】
（２）請求項３記載の発明によれば、更に、回転式フィルタの中に、ＲＧＢのカラーフィルタを装着することにより、それぞれの波長成分のみをプリズムに投影することが可能となる。
【００６８】
（３）請求項４乃至６記載の発明によれば、更に、入射光像の入射強度が多少変動しても、光検出器からの信号により規格化できるので、変調成分のみが検出可能となる。
【００６９】
（４）請求項７乃至９記載の発明によれば、前記入射光像が投影された前記プリズムの直交面における前記入射光像の焦点面のずれを補正する補正手段を設けるようにしたので、広い像面を走査する際にもビームの空間的プロファイルの計測を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例の微小画像読み取り装置の基本構造を示す図である。
【図２】  本発明の第１実施例の微小画像読み取り装置の光学プリズムの斜視図である。
【図３】  本発明の第１実施例の微小画像読み取り装置の光学プリズムガラス面におけるエバネッセント波の散乱の説明図である。
【図４】  本発明の第２実施例を示す微小画像読み取り装置の構成図である。
【図５】  本発明の第３実施例を示す微小画像読み取り装置の構成図である。
【図６】  実際の入射光像としてのレーザービーム像を示す写真である。
【図７】  実際に近接するガラス棒により散乱された像を示す写真である。
【図８】  ダブルスリットを通過して、プリズムの投影面にできた干渉縞を一次元的に走査した結果、得られた干渉縞の強度分布を示す図である。
【図９】  本発明の第４実施例を示す微小画像読み取り装置の構成図である。
【図１０】  本発明の第５実施例を示す微小画像読み取り装置の構成図である。
【符号の説明】
１    入射光像
２    投影レンズ
３    光学プリズム
３ａ 斜面
３ｂ 第１の直交面
３ｃ 第２の直交面
４    光検出器（第１の光検出器）
５    ガラス棒
６    二次元走査装置
７    制御・表示装置
８    エバネッセント場
９    探針
１０ 入射光像の焦点面
１１    回転式フィルタ
１２    回転式フィルタの駆動装置
２１    光ビームスプリッタ
２２    光検出器（第２の光検出器）
２３    差動増幅器
３１    プリズム位置調整機構
４１    レンズ位置・焦点距離調整機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003657333.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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