(57)【要約】  パターン描画装置は、光源装置からのビーム（ＬＢ）を入射して、ポリゴンミラー（ＰＭ）の反射面（ＲＰａ）に向かうビーム（ＬＢ）を主走査方向と直交した副走査方向に収斂させる非等方的な屈折力を有する第１シリンドリカルレンズ（ＣＹａ）と、ポリゴンミラー（ＰＭ）の反射面（ＲＰａ）で偏向されたビーム（ＬＢ）を入射し、被照射体の表面（Ｐｏ）上にスポット光（ＳＰ）として集光する為のｆθレンズ系（ＦＴ）と、ｆθレンズ系（ＦＴ）から射出して表面（Ｐｏ）に向かうビーム（ＬＢ）を副走査方向に収斂させる非等方的な屈折力を有する第２シリンドリカルレンズ（ＣＹｂ）と、を備える。ｆθレンズ系（ＦＴ）の視野内でビーム走査範囲の周辺像高の位置を通って第２シリンドリカルレンズ（ＣＹｂ）に入射する前に発生するビーム（ＬＢ）のサジタルコマ収差による湾曲量が、エアリーディスク半径以下となるように前記第２光学系の焦点距離を設定した。
2019082850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源装置からのビームを被照射体上にスポットに集光して投射しつつ、前記スポットを反射偏向部材で主走査方向に１次元走査することよって前記被照射体上にパターンを描画するパターン描画装置であって、
前記光源装置からの前記ビームを入射して、前記反射偏向部材の反射面に向かう前記ビームを前記主走査方向と直交した副走査方向に収斂させる非等方的な屈折力を有する第１光学系と、
前記反射偏向部材の反射面で偏向された前記ビームを入射し、前記被照射体上にスポットとして集光する為の走査用光学系と、
前記走査用光学系から射出して前記被照射体に向かう前記ビームを前記副走査方向に収斂させる非等方的な屈折力を有する第２光学系と、を備え、
前記走査用光学系の視野内でビーム走査範囲の周辺像高の位置を通って前記第２光学系に入射する前に発生する前記ビームのサジタルコマ収差による湾曲量が、エアリーディスク半径以下となるように前記第２光学系の焦点距離を設定した、パターン描画装置。
【請求項２】
請求項１に記載のパターン描画装置であって、
前記走査用光学系と前記第２光学系とを通って前記被照射体に集光される前記ビームの前記主走査方向の開口数をＮＡｍ、前記副走査方向の開口数をＮＡｓ、前記ビームの中心波長をλｏとしたとき、前記エアリーディスク半径ＡＤｍは、以下に示す数式（１）で設定される、パターン描画装置。
【数１】
2019082850.tif 000021
【請求項３】
請求項２に記載のパターン描画装置であって、
前記走査用光学系の視野内における周辺像高をＨｙ、前記走査用光学系の焦点距離をｆｔ、前記第２光学系の焦点距離をｆｃｂ、前記サジタルコマ収差による前記湾曲量をＤｓｃとして、ＦＮ＝（ｆｃｂ・ＮＡｓ／Ｈｙ）2＋１としたとき、以下に示す数式（２）によって求まる前記湾曲量Ｄｓｃが、前記エアリーディスク半径ＡＤｍに対して、Ｄｓｃ＜ＡＤｍの範囲となるように、前記第２光学系の焦点距離ｆｃｂが設定される、パターン描画装置。
【数２】
2019082850.tif 000022
【請求項４】
請求項３に記載のパターン描画装置であって、
前記第１光学系の焦点距離をｆｃａとしたとき、前記Ｄｓｃ＜ＡＤｍの範囲となるように設定された前記第２光学系の焦点距離ｆｃｂと前記走査用光学系の焦点距離ｆｔとに基づいて、前記焦点距離ｆｃａを、以下に示す数式（３）の関係を満たすように設定した、パターン描画装置。
【数３】
2019082850.tif 000023
【請求項５】
請求項４に記載のパターン描画装置であって、
前記反射偏向部材は、前記第１光学系からの前記ビームを前記主走査方向の１つの向きに繰り返し偏向する為の複数の反射面を有して回転するポリゴンミラーであり、
前記走査用光学系の前記ポリゴンミラーの側を物側、前記被照射体の側を像側としたとき、前記ポリゴンミラーの回転に伴う前記反射面の角度変化で生じる物側デフォーカス量に応じて発生する前記スポットの像側デフォーカス量が焦点深度の範囲内に設定される、パターン描画装置。
【請求項６】
請求項５に記載のパターン描画装置であって、
前記物側デフォーカス量をΔＤｏｐ、前記像側デフォーカス量をΔＤｉｐ、前記走査用光学系と前記第２光学系の合成系による前記副走査方向の焦点深度をＤＯＦｓとしたとき、前記焦点距離ｆｔと前記焦点距離ｆｃｂとにより、以下に示す数式（４）の関係で定まる前記像側デフォーカス量ΔＤｉｐと、前記波長λｏと前記開口数ＮＡｓとにより、以下に示す数式（５）の関係で定まる前記焦点深度ＤＯＦｓとが、ΔＤｉｐ≦ＤＯＦｓとなるように、前記第２光学系の焦点距離ｆｃｂが設定される、パターン描画装置。
【数４】
2019082850.tif 000024
【請求項７】
請求項６に記載のパターン描画装置であって、
前記第２光学系の焦点距離ｆｃｂは、湾曲量Ｄｓｃと前記エアリーディスク半径ＡＤｍとがＤｓｃ＜ＡＤｍとなり、且つ、前記像側デフォーカス量ΔＤｉｐと前記焦点深度ＤＯＦｓとがΔＤｉｐ≦ＤＯＦｓとなるように設定される、パターン描画装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のパターン描画装置であって、
前記走査用光学系は、前記反射偏向部材で偏向されて入射する前記ビームの入射角の変化と前記ビーム走査範囲における前記スポットの像高位置の変化とが比例するｆ−θ特性を有すると共に、前記ビームをテレセントリックな状態で前記被照射体に投射するｆθレンズ系である、パターン描画装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のパターン描画装置であって、
前記第２光学系は、前記副走査方向に関しては有限の曲率半径を持ち、前記主走査方向に関しては無限の曲率半径で形成され、母線の方向が前記主走査方向と平行なレンズ面を有する円筒面状レンズを含む、パターン描画装置。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のパターン描画装置であって、
前記第１光学系は、母線の方向が前記副走査方向と平行なレンズ面を有し、入射する前記ビームを前記主走査方向に収斂する第１の円筒面状レンズと、該円筒面状レンズを通った前記ビームを前記反射偏向部材の反射面上で前記副走査方向に集光するビームに変換する球面レンズ系とを含む、パターン描画装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のパターン描画装置であって、
前記第１の円筒面状レンズの焦点距離をｆｃａ、前記球面レンズ系の焦点距離をｆｃｇ、前記走査用光学系の焦点距離をｆｔ、前記第２光学系の焦点距離をｆｃｂとしたとき、以下に示す数式（６）の関係となるように設定される、パターン描画装置。
【数５】
2019082850.tif 000025
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のパターン描画装置であって、
前記第１光学系から前記反射偏向部材の反射面に向かう前記ビームの光路の光軸と、前記走査用光学系の前記反射偏向部材の反射面を通る光軸とを、前記主走査方向を含む面内で４５°に配置した、パターン描画装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビームを主走査方向に一次元に走査するビーム走査装置を用いて、基板に所定のパターンを描画するパターン描画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査用光学系（ｆθレンズ系等）とポリゴンミラー（回転多面鏡）を用いることで、感材上に投射されたビームを等速で走査できることが知られている。一般的なポリゴンミラーの各反射面は、ポリゴンミラーの回転面（回転方向を含む平面）と直交する面と平行に形成されるが、実際の反射面は、ポリゴンミラーの回転面と直交する面に対して僅かに傾斜するような誤差、いわゆる面倒れ（傾斜）誤差を伴っている。その誤差は加工上の公差内であっても反射面毎に微少にばらつくことがあること、またポリゴンミラーの回転軸のベアリング性能に依存した軸ブレがあること等の理由により、ｆθレンズ系によって感材上に集光されるスポット光の像位置（ビームの投射位置）はポリゴンミラーの反射面毎にずれてしまう。【０００３】
その投射位置のずれを防ぐために、特開平８−２９７２５５号公報では、ポリゴンミラーの手前とｆθレンズ系の後との２ヶ所に、ポリゴンミラーの偏向方向（主走査方向、ポリゴンミラーの回転方向）に対して直交した方向にのみ屈折力を持つシリンドリカルレンズを配置している。つまり、母線がビームの主走査方向と平行となるような２つのシリンドリカルレンズを配置している。これにより、ビームの走査方向（主走査方向）と直交した方向（副走査方向）に関しては、ポリゴンミラーの反射面上と感材の被照射面とを光学的に共役関係にすることができ、ポリゴンミラーの反射面毎に発生し得る面倒れ誤差にばらつきが生じても、ビームの感材上での投射位置を副走査方向においては一定に保つことができる。【０００４】
特開平８−２９７２５５号公報のように、ポリゴンミラーの前段の第１シリンドリカルレンズと、ｆθレンズ系の後段の第２シリンドリカルレンズとによってポリゴンミラーの面倒れ誤差を補正するビーム走査装置において、被照射面上に投射されるビームのスポット光をより小さくして、より微細なパターンを描画する場合、それに応じて生じる各種の光学誤差（収差）、例えばビームのコマ収差、フォーカス誤差、球面収差等も、描画すべきパターンの微細度（最小画素寸法）に見合った範囲に低減させておく必要がある。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の第１の態様は、光源装置からのビームを被照射体上にスポットに集光して投射しつつ、前記スポットを反射偏向部材で主走査方向に１次元走査することよって前記被照射体上にパターンを描画するパターン描画装置であって、前記光源装置からの前記ビームを入射して、前記反射偏向部材の反射面に向かう前記ビームを前記主走査方向と直交した副走査方向に収斂させる非等方的な屈折力を有する第１光学系と、前記反射偏向部材の反射面で偏向された前記ビームを入射し、前記被照射体上にスポットとして集光する為の走査用光学系と、前記走査用光学系から射出して前記被照射体に向かう前記ビームを前記副走査方向に収斂させる非等方的な屈折力を有する第２光学系と、を備え、前記走査用光学系の視野内でビーム走査範囲の周辺像高の位置を通って前記第２光学系に入射する前に発生する前記ビームのサジタルコマ収差による湾曲量が、エアリーディスク半径以下となるように前記第２光学系の焦点距離が設定される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施の形態によるビーム走査装置の概略的な構成を示し、図１（Ａ）は紙面内を副走査方向として表した構成を示し、図１（Ｂ）は紙面内を主走査方向として表した構成を示す。
【図２】図１に示したビーム走査装置の光学的な作用を説明する為の概略構成を示し、図２（Ａ）は図１（Ａ）に対応してビーム走査装置をＸＺ面内で見たものであり、図２（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応してビーム走査装置をＸＹ面内で見たものである。
【図３】図２に示したビームＬＢのうち、主光線ＰＬｃとサジタルコマ光線ＰＬｕ、ＰＬｄのみを抜粋して誇張して表した図であり、図３（Ａ）はＸＺ面内（副走査方向と平行な面内）で見た図であり、図３（Ｂ）はＸＹ面内（主走査方向と平行な面内）で見た図である。
【図４】図３におけるビームＬＢの主光線ＰＬｃとサジタルコマ光線ＰＬｕ、ＰＬｄとによって決まる幾何学的な関係を示す斜視図である。
【図５】図３のｆθレンズ系ＦＴの入射側接平面Ｐｇ１上、シリンドリカルレンズＣＹｂの入射側接平面Ｐｙｂ上、及び被走査面Ｐｏ上でのビームＬＢ（スポット光ＳＰ）の分布を説明する図である。
【図６】図１又は図２に示した正八面体のポリゴンミラーＰＭを所定角度だけ時計回りに回転したときの反射面ＲＰａでのビームＬＢの反射の様子を模式的に示す図である。
【図７】図６中の反射面ＲＰａ、ＲＰａ’、点Ｋａ、Ｋｂを含む一部分を拡大して示した図である。
【図８】先の図１（Ａ）に対応して、ＸＺ面と平行な面内（副走査方向）における第１シリンドリカルレンズＣＹａから被走査面Ｐｏまでの光路を模式的に表す図である。
【図９】一例として設定したｆθレンズ系ＦＴの焦点距離、像側開口数、ビームＬＢの波長の下で計算される図５（Ｂ）中の湾曲量Ｄｓｃの特性と、エアリーディスク半径ＡＤｍの特性とを、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを変数にして表したグラフである。
【図１０】図９で設定した条件と同様のｆθレンズ系ＦＴの物側デフォーカス量（光路長差）ΔＤｏｐを一定値とした場合に計算される副走査方向に関する像側デフォーカス量ΔＤｉｐの特性と焦点深度ＤＯＦｓの特性とを、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを変数にして表したグラフである。
【図１１】第１の実施の形態によるビーム走査装置の具体的な光学構成をＸＹ面内（主走査方向の面内）で展開して見た図である。
【図１２】図１１に示したビーム走査装置の光学構成をＸＺ面内（副走査方向の面内）で見た図である。
【図１３】図１１、図１２に示したビーム走査装置の各光学部品（レンズ、反射面）の配置関係と数値条件の一例を示すデータ表（レンズデータ）である。
【図１４】第１の実施の形態によるビーム走査装置におけるサジタルコマ収差特性のシミュレーション結果を表すグラフである。
【図１５】第１の実施の形態によるビーム走査装置によって被走査面上に集光されるビームのスポットのシミュレーションにて求めたスポットダイヤグラムである。
【図１６】第１の実施の形態によるビーム走査装置によって被走査面上に集光されるビームのフォーカスＭＴＦ（伝達関数、コントラスト）特性を表すグラフである。
【図１７】第１の実施の形態によるビーム走査装置の性能を比較する為に設定した比較例によるビーム走査装置の全体の光学構成を示す図である。
【図１８】図１７の比較例によるビーム走査装置における各光学部品（レンズ、反射面）の配置関係と数値条件の一例を示すレンズデータ表である。
【図１９】図１４と同様にシミュレーションされた比較例（図１７、図１８）によるビーム走査装置のサジタルコマ収差特性のグラフである。
【図２０】図１５と同様にシミュレーションされた比較例（図１７、図１８）によるビーム走査装置のスポットダイヤグラムである。
【図２１】図１６と同様にシミュレーションされた比較例（図１７、図１８）によるビーム走査装置のフォーカスＭＴＦ（伝達関数、コントラスト）特性を表すグラフである。
【図２２】第２の実施の形態によるビーム走査装置の光学構成を示す図である。
【図２３】図２２に示した第２の実施の形態によるビーム走査装置の各光学部品（レンズ、反射面）の配置関係と数値条件の一例を示すデータ表（レンズデータ）である。
【図２４】第２の実施の形態のレンズデータ表（図２３）に基づいてシミュレーションされたビームの球面収差の特性を表すグラフである。
【図２５】第３の実施の形態によるパターン描画ユニット（描画装置）の具体的な構成を示す斜視図である。
【図２６】第４の実施の形態によるビーム切換部の概略的な光学配置を示す図である。
【図２７】図２６のビーム切換部の変形例による構成を示す図である。
【図２８】図２６又は図２７に示した選択用光学素子ＯＳ１の変動で生じるビーム特性の変化を補正する為の調整機構を簡単に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の態様に係るパターン描画装置について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。なお、本発明の態様は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、多様な変更または改良を加えたものも含まれる。つまり、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれ、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換または変更を行うことができる。
【０００８】
〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態によるビーム走査装置の全体的な構成を模式的に示したものであり、直交座標系ＸＹＺのＹ軸と平行な方向を主走査方向とし、Ｚ軸と平行な方向を副走査方向とする。図１（Ａ）は、Ｚ軸と平行に配置される回転中心軸ＡＸｐを有する正八角形の回転ポリゴンミラー（反射偏向部材）ＰＭ、ポリゴンミラーＰＭの８つの反射面のうちの１つの反射面ＲＰａにビームＬＢを投射する第１シリンドリカルレンズ（非等方的な屈折力を有する円筒面状レンズ）ＣＹａ、反射面ＲＰａで反射されたビームＬＢ（偏向ビーム）を入射する走査用光学系としてのｆθレンズ系ＦＴ、及びｆθレンズ系ＦＴから射出する偏向ビームＬＢを入射して被走査面（描画対象体、被照射体の表面）Ｐｏ上にビームＬＢのスポット光ＳＰを集光する第２シリンドリカルレンズ（非等方的な屈折力を有する円筒面状レンズ）ＣＹｂの各々の配置を、ＸＺ面と平行な面（副走査方向を紙面内とした面）内で展開して示したものである。図１（Ｂ）は、第１シリンドリカルレンズ（第１光学系）ＣＹａ、回転ポリゴンミラーＰＭ、ｆθレンズ系ＦＴ、及び第２シリンドリカルレンズ（第２光学系）ＣＹｂの各々の配置を、ＸＹ面と平行な面（主走査方向を紙面内とした面）内で見たものである。なお、本実施の形態において、ｆθレンズ系ＦＴは、その光軸ＡＸｆに対するビームＬＢの主光線（中心光線）の入射角をθ（ｒａｄ、又はｄｅｇ）、被走査面Ｐｏでのスポット光ＳＰの光軸ＡＸｆからのＹ方向の距離（像高）をＨｙ、焦点距離をｆｔとしたとき、実質的にＨｙ＝ｆｔ・θの関係となる収差、すなわち、一般的なレンズ系におけるＨｙ＝ｆｔ・ｔａｎθの関係以外の特性となるように、たる型の歪曲収差を持つように設計されている。
【０００９】
図１（Ｂ）に示すように、光源装置から各種のレンズや光学部材を通って整形されたビームＬＢは、屈折力（正）を有する方向がＺ軸方向（副走査方向）に設定された第１シリンドリカルレンズＣＹａに光軸ＡＸｅと同軸となって入射する。ビームＬＢは、断面内の強度分布がガウス分布又はそれと近似した分布で、実効的な直径（ピーク強度の１／ｅ2の強度、又は半値全幅で決まる径）が数ｍｍ程度の平行光束に整形されている。第１シリンドリカルレンズＣＹａに入射するビームＬＢの実効的な直径は、後段のｆθレンズ系ＦＴの屈折力によって被走査面Ｐｏ上にスポット光ＳＰとして集光されるビームＬＢの開口数（ＮＡ、ビーム広がり全角）に対応する。すなわち、第１シリンドリカルレンズＣＹａに入射するビームＬＢの実効的な直径を大きくすれば、被走査面Ｐｏ上でのビームＬＢの開口数も大きくでき、スポット光ＳＰの実効的な直径を小さくすることができる。ただし、第１シリンドリカルレンズＣＹａに入射するビームＬＢの実効的な直径は、回転ポリゴンミラーＰＭの８つの反射面の各々の回転方向（主走査方向に対応）における長さよりも小さく設定される。なお、本実施の形態では、第１シリンドリカルレンズＣＹａの光軸ＡＸｅを、ＸＹ面と平行で、且つＸ軸に対して時計回りに４５°傾けた方向に設定する。
【００１０】
第１シリンドリカルレンズＣＹａを通ったビームＬＢは、ＸＹ面内では平行光束のままでＺ軸方向については図１（Ａ）に示すように収斂光束となって、時計回りに回転する回転ポリゴンミラーＰＭの８つの反射面のうちの１つの反射面ＲＰａ上に投射される。第１シリンドリカルレンズＣＹａの後側焦点距離の位置、又はその近傍に回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａが位置するように設定することにより、反射面ＲＰａ上にはビームＬＢがＸＹ面と平行な細いスリット状の分布となって集光する。第１シリンドリカルレンズＣＹａはＸＹ面内では屈折力を持たない平行平板として作用するので、反射面ＲＰａにおけるビームＬＢのスリット状の分布の長手方向の寸法は、第１シリンドリカルレンズＣＹａに入射する前のビームＬＢの実効的な直径と同じになる。回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａで反射されたビームＬＢは、Ｚ軸方向（副走査方向）については発散光束となり、ＸＹ面内（主走査方向に対応）では平行光束となり、回転ポリゴンミラーＰＭの回転（反射面ＲＰａの角度変化）に伴ってＸＹ面内で時計回りに偏向された状態で、Ｘ軸と平行な光軸ＡＸｆを有するｆθレンズ系ＦＴに入射する。
【００１１】
ｆθレンズ系ＦＴは、回転ポリゴンミラーＰＭ側から光軸ＡＸｆに沿って配置される５枚の石英のレンズＧ１〜Ｇ５を有し、像側（被走査面Ｐｏ側）がテレセントリック系になるように構成される。ｆθレンズ系ＦＴの前側焦点距離の位置は、回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａの位置又はその近傍に設定され、幾何光学上では、回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａの位置がｆθレンズ系ＦＴの瞳面（開口絞りの位置）に対応し、被走査面Ｐｏがｆθレンズ系ＦＴの像面に対応する。また、本実施の形態では、ＸＹ面内（主走査方向に対応）において、第１シリンドリカルレンズＣＹａの光軸ＡＸｅとｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆとは４５°の角度を成して、回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａの位置又はその近傍位置で交差するように設定される。従って、ＸＹ面内では、図１（Ｂ）に示すように、回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａがＺ軸と平行なＹＺ面に対して時計回りに２２．５°（４５°／２）だけ傾いた状態のとき、反射面ＲＰａで反射されたビームＬＢの主光線（中心光線）はｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆと同軸になり、ｆθレンズ系ＦＴの後側焦点距離の位置に設定される被走査面Ｐｏ上の光軸ＡＸｆが通る位置にスポット光ＳＰとして集光される。
【００１２】
ｆθレンズ系ＦＴから射出するビームＬＢは、Ｚ軸方向（副走査方向）にのみ屈折力を有し、Ｙ軸方向（主走査方向）にはスポット光ＳＰの走査長よりも長い寸法を有する第２シリンドリカルレンズＣＹｂを通って被走査面Ｐｏ上に円形のスポット光ＳＰとして集光される。図１（Ｂ）に示すように、第２シリンドリカルレンズＣＹｂはＹ軸方向（主走査方向）に関しては屈折力を持たない平行平板として作用するため、ｆθレンズ系ＦＴから射出するビームＬＢは、Ｙ軸方向（主走査方向）については、専らｆθレンズ系ＦＴの屈折力によって所定の開口数（ＮＡ、ビーム広がり全角）を伴って被走査面Ｐｏでビームウェストとなるように収斂される。一方、図１（Ａ）に示すように、反射面ＲＰａで反射されたビームＬＢは、Ｚ軸方向（副走査方向）に関して発散光束となってｆθレンズ系ＦＴに入射するので、ｆθレンズ系ＦＴから射出する際にはＺ軸方向（副走査方向）に関してｆθレンズ系ＦＴの屈折力によりほぼ平行光束となって、第２シリンドリカルレンズＣＹｂに入射する。従って、第２シリンドリカルレンズＣＹｂのＺ軸方向（副走査方向）に関する後側焦点距離の位置又はその近傍位置に被走査面Ｐｏが設定されるように配置することにより、ビームＬＢは、Ｚ軸方向（副走査方向）についても、ｆθレンズ系ＦＴと第２シリンドリカルレンズＣＹｂの合成の屈折力によって所定の開口数（ＮＡ、ビーム広がり全角）を伴って被走査面Ｐｏでビームウェストとなるように収斂される。本実施の形態では、被走査面Ｐｏに投射されるビームＬＢの開口数（ＮＡ、ビーム広がり全角）が、Ｙ軸方向（主走査方向）とＺ軸方向（副走査方向）とで等しくなるように設定される。さらに図１（Ａ）からも明らかなように、Ｚ軸方向（副走査方向）に関して、回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａと被走査面Ｐｏとは、ｆθレンズ系ＦＴと第２シリンドリカルレンズＣＹｂの合成系によって、光学的に共役な関係になっている。
【００１３】
これにより、被走査面Ｐｏ上に投射されるビームＬＢの主光線（中心光線）は、主走査方向（Ｙ軸方向）及び副走査方向（Ｚ軸方向）について、ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆと平行な状態（テレセントリックな状態）を保ちつつ、回転ポリゴンミラーＰＭの回転（反射面ＲＰａの角度変化）に伴って−Ｙ方向に一次元走査される。その際、回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａがＺ軸と平行な面に対して傾く面倒れ誤差が発生しても、回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａと被走査面ＰｏとがＸＺ面と平行な面内では共役関係である為、その誤差の影響を受けて被走査面Ｐｏ上のスポット光ＳＰが副走査方向に位置ずれすることが防止される。なお、詳しくは後述するが、各種収差を小さくする為に、第１シリンドリカルレンズＣＹａの焦点距離はｆθレンズ系ＦＴの焦点距離よりも長く（例えば、２倍以上に）設定され、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離はｆθレンズ系ＦＴの焦点距離よりも短く（例えば、１／２倍以下に）設定される。また、スポット光ＳＰの被走査面Ｐｏ上での実効的な直径（すなわちビームウェストの直径）φは、ビームＬＢの断面内強度をガウス分布としたとき、第１シリンドリカルレンズＣＹａに入射するビームＬＢの直径と、ｆθレンズ系ＦＴの屈折力（焦点距離、或いは倍率）とによって設定されるビームの開口数である広がり全角θｂｍ（ｒａｄ、又はｄｅｇ）と、ビームＬＢの波長λｏ（ｎｍ）とによって、概ね以下の式によって決まる。
φ＝２λｏ／〔π（ｔａｎ（θｂｍ／２））〕
【００１４】
さらに、図１の構成を模式的に表した図２〜図５を用いて、図１のようなビーム走査装置における光学的な作用を説明する。図２（Ａ）は、図１（Ａ）に対応してビーム走査装置をＸＺ面内で見たものであり、図２（Ｂ）は、図１（Ｂ）に対応してビーム走査装置をＸＹ面内で見たものである。図２（Ａ）、図２（Ｂ）では、ｆθレンズ系ＦＴの主平面をＦＴｐとし、第１シリンドリカルレンズＣＹａの光軸ＡＸｅとｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆとの交点をＳｏ、回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａで反射されたビームＬＢの主光線（中心光線）をＰＬｃ（ＡＸｆ）とする。回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａで反射されるビームＬＢは、ＸＹ面内では図２（Ｂ）に示すように、回転ポリゴンミラーＰＭの回転により被走査面Ｐｏ上で−Ｙ方向に直線走査されるが、光軸ＡＸｆに対しては入射角度±θの範囲で偏向され、その角度θに対応して被走査面Ｐｏ上では光軸ＡＸｆの位置から像高±Ｈｙの位置にスポット光ＳＰとなって投射される。
【００１５】
ｆθレンズ系ＦＴは、焦点距離をｆｔとしたとき、光軸ＡＸｆに対するビームＬＢ（主光線ＰＬｃ）の入射の角度θ（ｄｅｇ）と像高Ｈｙとが、Ｈｙ＝ｆｔ・θの関係（ｆ−θ特性）となるように設計されている。従って、角度θの変化量Δθと像高Ｈｙの変化量ΔＨｙとが比例関係となり、反射面ＲＰａの角度が等速で変化するとき、スポット光ＳＰは−Ｙ方向に等速で走査される。本実施の形態において、一例として、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｔは１００ｍｍ程度、像高Ｈｙの最大像高Ｈｙｍａｘ（周辺像高の位置）は２６ｍｍ（スポット光ＳＰの最大走査長は５２ｍｍ）程度に設定される。また、回転ポリゴンミラーＰＭの１つの反射面ＲＰａが交点Ｓｏを通る間の回転ポリゴンミラーＰＭの回転角度は４５°であるが、そのうちで、最大像高±Ｈｙｍａｘに対応したビームＬＢの最大の入射角度±θｍａｘの範囲（２・θｍａｘ）は、１／３程度の１５°未満の実効的な偏向角度範囲となっている。すなわち、回転ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａがＸＹ面内で１５°未満の実効的な偏向角度範囲で変化する間に、スポット光ＳＰが最大像高＋Ｈｙｍａｘの位置から最大像高−Ｈｙｍａｘの位置まで走査される。なお、図２（Ｂ）は、反射面ＲＰａで反射されたビームＬＢの主光線ＰＬｃが最大像高＋Ｈｙｍａｘの位置に達した瞬間の状態、すなわちビームＬＢがｆθレンズ系ＦＴの有効視野内の最も外側（周辺像高の位置）を通る状態を表している。
【００１６】
図１や図２のように、ｆθレンズ系ＦＴにシリンドリカルレンズＣＹａ、ＣＹｂを加えた面倒れ補正光学系においては、ｆθレンズ系ＦＴのディストーション（ｆ−θ特性を得る為の歪曲収差）が、主走査方向へのサジタルコマ収差へと変換されるため、スポット光ＳＰの結像性能を低下させる１つの要因となる。そこで、以下、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に対応した図３（Ａ）、図３（Ｂ）を参照して、そのようなサジタルコマ収差の発生について説明する。図３は、図２中に示したビームＬＢのうち、主光線ＰＬｃとサジタルコマ光線ＰＬｕ、ＰＬｄのみを抜粋して誇張して表した図であり、図３（Ａ）は図２（Ａ）に対応してビーム走査装置をＸＺ面内（副走査方向と平行な面内）で見たものであり、図３（Ｂ）は図２（Ｂ）に対応してビーム走査装置をＸＹ面内（主走査方向と平行な面内）で見たものである。図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、ビームＬＢの中心光線である主光線ＰＬｃに対して、サジタルコマ光線ＰＬｕ、ＰＬｄは、副走査方向に関してビームＬＢの最外周を通る光線（ビームＬＢの開口数ＮＡを規定する光線）である。
【００１７】
ここで、ポリゴンミラーＰＭの１つの反射面ＲＰａ上での主光線ＰＬｃとサジタルコマ光線ＰＬｕ、ＰＬｄとの交点をＳｏ、ｆθレンズ系ＦＴの最も入射側のレンズＧ１（図１参照）の入射面上の光軸ＡＸｆとの交点（頂点）をＯｃ、レンズＧ１の入射面の頂点Ｏｃを含む入射側接平面をＰｇ１、ビームＬＢの主光線ＰＬｃの入射側接平面Ｐｇ１との交点をＳｃ、ビームＬＢのサジタルコマ光線ＰＬｕ、ＰＬｄと入射側接平面Ｐｇ１との交点をそれぞれＳｕ、Ｓｄとする。さらに、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの最も入射側のレンズ面（凸面）上の光軸ＡＸｆとの交点（頂点）をＯｃ’、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの入射側のレンズ面（凸面）の頂点Ｏｃ’を含む入射側接平面をＰｙｂ、ビームＬＢの主光線ＰＬｃの入射側接平面Ｐｙｂとの交点をＳｃ’、ビームＬＢのサジタルコマ光線ＰＬｕ、ＰＬｄと入射側接平面Ｐｙｂとの交点をそれぞれＳｕ’、Ｓｄ’とする。
【００１８】
ここで、図３の状態におけるビームＬＢの主光線ＰＬｃとサジタルコマ光線ＰＬｕ、ＰＬｄとによって決まる幾何学的な関係を、図４を用いて説明する。図４は、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ上の交点Ｓｏ、入射側接平面Ｐｇ１上の頂点Ｏｃ、交点Ｓｃ、Ｓｕ、Ｓｄの配置関係を示す斜視図である。交点Ｓｏから入射側接平面Ｐｇ１上の交点Ｓｃに向かう主光線ＰＬｃの入射角は、光軸ＡＸｆに対する角度θである。このとき、Ｙ軸と平行で頂点Ｏｃを通る線をＹｓとすると、頂点Ｏｃと交点Ｓｕとを結ぶ線分と頂点Ｏｃと交点Ｓｄとを結ぶ線分の各々は線Ｙｓに対して共に角度αｓとなっている。従って、交点Ｓｏから交点Ｓｕ、Ｓｄの各々に向かうサジタルコマ光線ＰＬｕ、ＰＬｄの各入射角（光軸ＡＸｆに対する角度）は、いずれも角度θαとなっている。このことから、反射面ＲＰａ上の交点Ｓｏと入射側接平面Ｐｇ１上の頂点Ｏｃとを結ぶ線分の長さをＬＳＯ、頂点Ｏｃと交点Ｓｃとを結ぶ線分の長さをＬｃｃ、頂点Ｏｃと交点Ｓｕとを結ぶ線分の長さをＬｓｕ、頂点Ｏｃと交点Ｓｄとを結ぶ線分の長さをＬｓｄとしたとき、Ｌｃｃ＝ＬＳＯ・ｔａｎθ、及びＬｓｕ＝Ｌｓｄ＝ＬＳＯ・ｔａｎθαの関係から、長さＬｃｃ、Ｌｓｕ、Ｌｓｄは以下の式（１）のような関係となる。
【００１９】
【数１】
2019082850.tif 000003
【００２０】
さらに、図５（Ａ）、図５（Ｂ）により、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図４に示したｆθレンズ系ＦＴの入射側接平面Ｐｇ１上でのビームＬＢの分布、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示したシリンドリカルレンズＣＹｂの入射側接平面Ｐｙｂ上でのビームＬＢの分布、及び、被走査面Ｐｏ上でのビームＬＢ（スポット光ＳＰ）の分布を説明する。図５（Ａ）は、図４に示した入射側接平面Ｐｇ１上での頂点Ｏｃ、交点Ｓｃ、Ｓｕ、Ｓｄの各配置の関係とビームＬＢの分布とを再度示したものである。図５（Ｂ）は、図３に示したシリンドリカルレンズＣＹｂの入射側接平面Ｐｙｂ上における頂点Ｏｃ、交点Ｓｃ、Ｓｕ、Ｓｄの各々に対応した頂点Ｏｃ’、交点Ｓｃ’、Ｓｕ’、Ｓｄ’の各配置の関係とビームＬＢの分布とを誇張して示す。図５（Ｂ）において、Ｙｓ’は頂点Ｏｃ’と交点Ｓｃ’とを通るＹ軸と平行な線分であり、交点Ｓｃ’は頂点Ｏｃ’から像高Ｈｙの距離に位置する。入射側接平面Ｐｇ１上において、ビームＬＢは図２（Ａ）、図２（Ｂ）の入射状態から明らかなように、Ｙ方向（主走査方向）とＺ方向（副走査方向）の各々に所定の幅をもって分布する。しかしながら、図５（Ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズＣＹｂの入射側接平面Ｐｙｂ上では、ｆθレンズ系ＦＴの収差特性により、ビームＬＢは副走査方向に長く、頂点Ｏｃ’側に凹となるように円弧状に湾曲した分布となる。入射側接平面Ｐｙｂ上でのビームＬＢの分布は、Ｙ方向に寸法φｙ’の幅を有し、Ｚ方向に寸法φｚ’の幅（交点Ｓｕ’、Ｓｄ’のＺ方向の間隔と同じ）を有する。
【００２１】
入射側接平面Ｐｙｂ上でのビームＬＢのＹ方向の寸法φｙ’は、ｆθレンズ系ＦＴによって被走査面Ｐｏでビームウェストとなるように収斂される途中のビームＬＢのＹ方向での幅である。また、入射側接平面Ｐｙｂ上でのビームＬＢのＺ方向の寸法φｚ’は、Ｚ方向に関してほぼ平行光束となってｆθレンズ系ＦＴから射出するビームＬＢの途中の幅である。入射側接平面Ｐｙｂを通ったビームＬＢは、シリンドリカルレンズＣＹｂにより、図５（Ｃ）に示すように、像高Ｈｙの位置にＹ方向（主走査方向）の寸法がφｙ、Ｚ方向（副走査方向）の寸法がφｚのスポット光ＳＰとして被走査面Ｐｏ上に集光される。シリンドリカルレンズＣＹｂはＺ方向（副走査方向）に正の屈折力（パワー）を持ち、Ｙ方向（主走査方向）に屈折力（パワー）を持たない為、入射側接平面Ｐｙｂ上で寸法φｚ’のビームＬＢは専らシリンドリカルレンズＣＹｂのＺ方向の収斂作用によって寸法φｚのスポット光ＳＰとなる。入射側接平面Ｐｙｂ上で寸法φｙ’のビームＬＢはシリンドリカルレンズＣＹｂの収斂作用を受けず、専らｆθレンズ系ＦＴの収斂作用によって寸法φｙのスポット光ＳＰとなる。
【００２２】
ｆθレンズ系ＦＴの定義（歪曲収差特性）により、像高Ｈｙはｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｔと入射角θ（ｒａｄ、又はｄｅｇ）との積に等しくなるため、図５（Ｂ）中の頂点Ｏｃ’と交点Ｓｃ’とを結ぶ線分の長さＬｃｃ’、頂点Ｏｃ’と交点Ｓｕ’とを結ぶ線分の長さＬｓｕ’、及び頂点Ｏｃ’と交点Ｓｄ’とを結ぶ線分の長さＬｓｄ’は、図４に示した角度θ、θαと、Ｌｃｃ’＝ｆｔ・θ、及び、Ｌｓｕ’＝Ｌｓｄ’＝ｆｔ・θαとに基づき、以下の式（２）のような関係となる。
【００２３】
【数２】
2019082850.tif 000004
【００２４】
角度θと角度θαには僅かであるが差がある為、ｔａｎθ／ｔａｎθα≠θ／θαであり、式（１）、（２）から、Ｌｃｃ／Ｌｓｕ≠Ｌｃｃ’／Ｌｓｕ’、及びＬｃｃ／Ｌｓｄ≠Ｌｃｃ’／Ｌｓｄ’となる。また、図４、図５（Ａ）に示した入射側接平面Ｐｇ１上での角度αｓは、ｆθレンズ系ＦＴの透過前後で維持されるため、図５（Ｂ）の入射側接平面Ｐｙｂ上で、頂点Ｏｃ’と交点Ｓｕ’とを結ぶ長さＬｓｕ’の線分の線Ｙｓ’に対する角度と、頂点Ｏｃ’と交点Ｓｄ’とを結ぶ長さＬｓｄ’の線分の線Ｙｓ’に対する角度とは、いずれも角度αｓとなっている。以上により、図５（Ａ）のように、入射側接平面Ｐｇ１上では交点Ｓｃ、Ｓｕ、ＳｄがＺ軸と平行な直線上に存在するが、図５（Ｂ）のように、入射側接平面Ｐｙｂ上では、交点Ｓｃ’、Ｓｕ’、Ｓｄ’を結ぶ線が円弧状に湾曲したものとなる。このように湾曲する特性において、交点Ｓｃ’と交点Ｓｕ’（又はＳｄ’）との主走査方向（Ｙ方向）のずれ幅を湾曲量Ｄｓｃとすると、湾曲量Ｄｓｃがサジタルコマ収差の大きさに対応し、入射側接平面Ｐｙｂ上でのビームＬＢのＹ方向の寸法φｙ’は、サジタルコマ収差（湾曲量Ｄｓｃ）がゼロだった場合の寸法よりも広がってしまう。その広がった分が最終的に被走査面Ｐｏ上に集光されるスポット光ＳＰのＹ方向（主走査方向）の寸法φｙに含まれることになり、スポット光ＳＰの結像性能を低下させる要因となっている。
【００２５】
また、結像性能を低下させる他の要因として、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰの位置がｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆの方向に変位することによるデフォーカス（ピントずれ）現象がある。図６は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）又は図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示した正八面体のポリゴンミラーＰＭが、回転中心軸ＡＸｐの回りに角度Δθεだけ時計回りに回転したとき、１つの反射面ＲＰａでのビームＬＢの反射の様子を模式的に示す図である。図６において、ポリゴンミラーＰＭの初期回転角度位置は、反射面ＲＰａがＹＺ面に対して２２．５°だけ傾くような位置とする。このとき、反射面ＲＰａに入射するビームＬＢの主光線（中心光線）ＬＢｃｏ（或いは第１シリンドリカルレンズＣＹａの光軸ＡＸｅ）は、ＸＹ面内でｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆに対して４５°に設定されているので、反射面ＲＰａ上の点Ｋａで反射して、光軸ＡＸｆと同軸に進む主光線ＬＢｃとなる。ポリゴンミラーＰＭが初期回転角度位置から角度Δθεだけ回転すると、反射面ＲＰａも角度Δθεだけ傾いた反射面ＲＰａ’となる。このとき、ビームＬＢの主光線（中心光線）ＬＢｃｏは、反射面ＲＰａ’上の点Ｋｂで反射して、光軸ＡＸｆに対して２・Δθεだけ傾いた方向に偏向される主光線ＬＢｃ’となる。点Ｋａと点Ｋｂは、ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆの方向に関して異なる位置になるため、ｆθレンズ系ＦＴ（或いは第２シリンドリカルレンズＣＹｂ）で集光されるスポット光ＳＰのベストフォーカス位置（ビームウェスト位置）が、主走査範囲の位置（像高位置）に応じて光軸ＡＸｆ方向に変位することになる。
【００２６】
図７は、図６中の反射面ＲＰａ、ＲＰａ’、点Ｋａ、Ｋｂを含む一部分を拡大して示した図であり、反射面ＲＰａ’上の点Ｋｂから主光線ＬＢｃ’をポリゴンミラーＰＭ内部に延長した線と、反射面ＲＰａ上の点Ｋａから主光線ＬＢｃをポリゴンミラーＰＭ内部に延長した線との交点を点Ｋｃとする。また、点Ｋｂと点Ｋａの間の長さをＬＫａｂ、点Ｋｂと点Ｋｃ間の長さをＬＫｂｃ、点Ｋａと点Ｋｃの間の長さをＬＫａｃとする。主走査方向（Ｙ軸）と直交する平面（ＸＺ面と平行な面）内においては、ｆθレンズ系ＦＴに対して、反射面ＲＰａの角度位置と反射面ＲＰａ’の角度位置との間では、点Ｋｂから点Ｋａまでの長さＬＫａｂと点Ｋｂから点Ｋｃまでの長さＬＫｂｃとの和から、点Ｋａから点Ｋｃまでの長さＬＫａｃを差し引いた距離ΔＬＫ（＝ＬＫａｂ＋ＬＫｂｃ−ＬＫａｃ）だけ、物側空間（ポリゴンミラーＰＭ）側で光路差が生じることになる。先の図２（Ａ）又は図３（Ａ）で説明したように、ＸＺ面と平行な面内（副走査方向）に関して、像面（スポット光ＳＰの結像面、或いは被走査面Ｐｏ）とポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰ（厳密には図６又は図７中の点Ｋａの位置）とは共役関係になるように設定されている為、その距離ΔＬＫに起因して、像空間でのスポット光ＳＰの光軸方向のフォーカス位置が、ポリゴンミラーＰＭの回転角度位置に応じて異なることになる。従って、ポリゴンミラーＰＭの１つの反射面ＲＰでビームＬＢが偏向走査されている間、被走査面Ｐｏに投射されるスポット光ＳＰは、ｆθレンズ系ＦＴの像高位置（Ｈｙ）に応じて変化するフォーカス誤差を伴って結像することになり、結像性能が低下する。なお、距離ΔＬＫが正の値なら、ｆθレンズ系ＦＴの軸外に進む主光線ＬＢｃ’に沿った周辺の光路長の方が、ｆθレンズ系ＦＴの軸上に進む主光線ＬＢｃに沿った中心の光路長よりも短くなり、距離ΔＬＫが負の値なら、ｆθレンズ系ＦＴの軸外に進む主光線ＬＢｃ’に沿った周辺の光路長の方が、ｆθレンズ系ＦＴの軸上に進む主光線ＬＢｃに沿った中心の光路長よりも長くなる。
【００２７】
そこで、本実施の形態では、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示したビーム走査装置において、サジタルコマ収差又はフォーカス誤差を低減するように、ポリゴンミラーＰＭの面倒れ補正光学系として機能する第１シリンドリカルレンズＣＹａと第２シリンドリカルレンズＣＹｂの光学的な諸条件や配置を設定する。具体的には、被走査面Ｐｏ上に投射されるスポット光ＳＰの結像性能を低下させるサジタルコマ収差又はフォーカス誤差を、実用上で許容できる範囲内に低減させるように、第１シリンドリカルレンズＣＹａと第２シリンドリカルレンズＣＹｂの各焦点距離の範囲を設定する。図８は、先の図１（Ａ）に対応して、ＸＺ面と平行な面内（副走査方向）における第１シリンドリカルレンズＣＹａから被走査面Ｐｏまでの光路を模式的に表した図であり、ｆθレンズ系ＦＴは簡略化して主平面ＦＴｐで表す。図８では、副走査方向（Ｚ方向）に関する像側開口数（ＮＡ、被走査面Ｐｏに投射されるビームＬＢの開き角）を一定とするように、シリンドリカルレンズＣＹａ、ＣＹｂの各々の焦点距離を異ならせた２つの組み合わせを例示する。第１の組み合わせは、相対的に焦点距離が長いシリンドリカルレンズＣＹａと相対的に焦点距離が短いシリンドリカルレンズＣＹｂとの組み合わせであり、第２の組み合わせは、破線で示す位置に設けられた相対的に焦点距離が短いシリンドリカルレンズＣＹａ’と相対的に焦点距離が長いシリンドリカルレンズＣＹｂ’との組み合わせである。また、ビームＬＢは副走査方向（Ｚ方向）に関しては一定の太さを有する平行光束として、シリンドリカルレンズＣＹａ又はシリンドリカルレンズＣＹａ’に入射するものとする。
【００２８】
さらに、図３（Ａ）、図３（Ｂ）で説明したように、シリンドリカルレンズＣＹａ、ＣＹｂの組み合わせにおけるビームＬＢのサジタルコマ光線ＰＬｕ、ＰＬｄは実線で示し、シリンドリカルレンズＣＹａ’、ＣＹｂ’の組み合わせにおけるビームＬＢのサジタルコマ光線ＰＬｕ’、ＰＬｄ’は破線で示す。図８の構成から明らかなように、被走査面Ｐｏに投射されるビームＬＢの開口数（ＮＡ）を、シリンドリカルレンズＣＹａ、ＣＹｂの組み合わせとシリンドリカルレンズＣＹａ’、ＣＹｂ’の組み合わせとで同じにする場合、シリンドリカルレンズＣＹａの焦点距離はシリンドリカルレンズＣＹａ’の焦点距離よりも長くし、シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離はシリンドリカルレンズＣＹｂ’の焦点距離よりも短くする必要がある。また、図３（Ａ）、図３（Ｂ）で説明したように、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの入射側接平面をＰｙｂ、第２シリンドリカルレンズＣＹｂ’の入射側接平面をＰｙｂ’とし、入射側接平面Ｐｙｂ上での主光線ＰＬｃ、サジタルコマ光線ＰＬｕ、ＰＬｄの各交点をＳｃ’、Ｓｕ’、Ｓｄ’、入射側接平面Ｐｙｂ’上での主光線とサジタルコマ光線ＰＬｕ’、ＰＬｄ’の各交点をＳｃ’’、Ｓｕ’’、Ｓｄ’’とすると、副走査方向（Ｚ方向）に関して、交点Ｓｕ’、Ｓｄ’の間隔は交点Ｓｕ’’、Ｓｄ’’の間隔よりも小さくなる。ここで、先の図５（Ｂ）で説明した入射側接平面Ｐｙｂ上でのビームＬＢの分布形状において、図５（Ｂ）中の交点Ｓｃ’、Ｓｕ’、Ｓｄ’を通る円弧状の曲線の曲率半径は、第２シリンドリカルレンズＣＹｂとＣＹｂ’との焦点距離の差異とは無関係に、専らｆθレンズ系ＦＴの焦点距離と像高Ｈｙによって決まる。その為、第２シリンドリカルレンズＣＹｂ’の入射側接平面Ｐｙｂ’上でのビームＬＢの主光線ＰＬｃの交点Ｓｃ’’、および入射側接平面Ｐｙｂ’上の交点Ｓｕ’’、Ｓｄ’’の各々を通る円弧状の曲線の曲率半径は、入射側接平面Ｐｙｂ上での曲率半径と同じになる。
【００２９】
以上のことから、同じ像高位置では入射側接平面Ｐｙｂ上でも入射側接平面Ｐｙｂ’上でも、ビームＬＢの主光線とサジタルコマ光線の各々の交点位置を結ぶ円弧状の曲線の曲率半径が変わらないことから、副走査方向（Ｚ方向）に関する交点Ｓｕ’、Ｓｄ’の間隔と交点Ｓｕ’’、Ｓｄ’’の間隔のうちで、間隔がより小さい方が、図５（Ｂ）で説明したサジタルコマ収差量の発生による寸法φｙ’の増加を抑えられることになる。すなわち、図８において、シリンドリカルレンズＣＹａ’、ＣＹｂ’の組み合わせよりも、シリンドリカルレンズＣＹａ、ＣＹｂの組み合わせを採用すると共に、第１シリンドリカルレンズＣＹａの焦点距離はできるだけ長くし、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離はできるだけ短くすることで、サジタルコマ収差を低減することができる。なお、入射側接平面Ｐｙｂ、又は入射側接平面Ｐｙｂ’上において、スポット光ＳＰが結像する像高Ｈｙが小さくなるにつれて、交点Ｓｃ’、Ｓｕ’、Ｓｄ’を通る円弧状の曲線の曲率半径、又は交点Ｓｃ’’、Ｓｕ’’、Ｓｄ’’を通る円弧状の曲線の曲率半径は大きくなり、像高Ｈｙがゼロ（スポット光ＳＰが光軸ＡＸｆ上に位置した状態）のとき、交点Ｓｃ’、Ｓｕ’、Ｓｄ’、又は交点Ｓｃ’’、Ｓｕ’’、Ｓｄ’’はＺ軸と平行な直線上に位置する。
【００３０】
以上のように、サジタルコマ収差を低減する為には、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離をできるだけ短くするのが良いが、その焦点距離を、例えば１ｍｍ以下のように極端に短くすると、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの製造が難しくなったり、被走査面Ｐｏと第２シリンドリカルレンズＣＹｂとの空間的な干渉の問題（作動距離の不足）も生じたりする。また、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離を可能な限り短くすることは、第１シリンドリカルレンズＣＹａの焦点距離をそれに応じて長くすることを意味し、第１シリンドリカルレンズＣＹａからポリゴンミラーＰＭまでの光路が過剰に長くなり、ビーム走査装置の大型化を招くことになる。そこで、以下、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離の決め方の一例を説明する。
【００３１】
先の図５（Ａ）に示したように、入射側接平面Ｐｇ１上の頂点Ｏｃと交点Ｓｕ、Ｓｄの各々とを結ぶ長さＬｓｕ、およびＬｓｄの各線分は、頂点Ｏｃと交点Ｓｃとを結ぶ長さＬｃｃの線分に対して角度αｓを有する。その為、先の図４より導いた式（１）の関係から、以下の式（３）のような関係が成り立つ。
【００３２】
【数３】
2019082850.tif 000005
【００３３】
さらに、図５（Ａ）に示した入射側接平面Ｐｇ１上の角度αｓは、図５（Ｂ）に示したように、入射側接平面Ｐｙｂ上でも保存される為、図５（Ｂ）の配置関係と先の式（２）の関係とに基づき、以下の式（４）のような関係が成り立つ。
【００３４】
【数４】
2019082850.tif 000006
【００３５】
式（３）から求まる角度θα（＝ａｒｃｔａｎ〔ｔａｎθ／ｃｏｓ（αｓ）〕）を式（４）に代入することにより、湾曲量Ｄｓｃが式（５）のように求まる。
【００３６】
【数５】
2019082850.tif 000007
【００３７】
像高Ｈｙ＝ｆｔ・θの関係を用いて式（５）を書き直すと、湾曲量Ｄｓｃは以下の式（６）のように表される。
【００３８】
【数６】
2019082850.tif 000008
【００３９】
一方、図５（Ｂ）に示したように、入射側接平面Ｐｙｂ上の交点Ｓｕ’、Ｓｄ’のＺ方向（副走査方向）の寸法φｚ’は、像高Ｈｙに対する湾曲量Ｄｓｃが十分に小さい（即ち、Ｈｙ≫Ｄｓｃ）と仮定すると、以下の式（７）のように近似できる。
【００４０】
【数７】
2019082850.tif 000009
【００４１】
また、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの入射側接平面Ｐｙｂ上の交点Ｓｕ’、Ｓｄ’のＺ方向の寸法φｚ’は、第２シリンドリカルレンズＣＹｂを通るビームＬＢの副走査方向の瞳径に相当する。そこで、副走査方向に関するビームＬＢの像側（被走査面Ｐｏ側）の開口数をＮＡｓ、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離をｆｃｂとすると、以下の式（８）の関係が成り立つ。
【００４２】
【数８】
2019082850.tif 000010
【００４３】
この式（８）と先の式（７）とをまとめると、以下の式（９）の関係となる。
【００４４】
【数９】
2019082850.tif 000011
【００４５】
式（９）は余弦（ｃｏｓ）関数に書き換えると式（１０）になる。
【００４６】
【数１０】
2019082850.tif 000012
【００４７】
ここで、（ｆｃｂ・ＮＡｓ／Ｈｙ）2＋１＝ＦＮとし、式（１０）を先の式（６）に代入すると、湾曲量Ｄｓｃは以下の式（１１）のように近似される。
【００４８】
【数１１】
2019082850.tif 000013
【００４９】
被走査面Ｐｏ上でのスポット光ＳＰの結像性能の観点からみると、湾曲量Ｄｓｃが主走査方向（Ｙ方向）のエアリーディスク半径よりも小さければ、問題ないレベルの結像性能が保証されていると考えられる。ビームＬＢの強度分布がガウス分布、又はそれに近似した分布であるとき、ビームＬＢの波長をλｏ、主走査方向に関する像側（被走査面Ｐｏ側）の開口数をＮＡｍ、主走査方向のエアリーディスクの半径をＡＤｍとすると、半径ＡＤｍは近似的に以下の式（１２）で表される。
【００５０】
【数１２】
2019082850.tif 000014
【００５１】
一例として、波長λｏを３５５ｎｍ、開口数ＮＡｍを０．０６とすると、エアリーディスク半径ＡＤｍは約３．６μｍとなる。以上のことから、Ｄｓｃ≦ＡＤｍの条件となるように、式（１１）、（１２）に基づき、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを設定すればよい。本実施の形態における第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂの具体的な例示は後で説明するが、その前に、先の図６、図７で説明したデフォーカス現象による結像性能の低下を抑制することが可能な第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂの条件について説明する。
【００５２】
図６、図７で説明したように、ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆを通るビームＬＢ（主光線ＬＢｃ）と、ｆθレンズ系ＦＴの視野の最周辺を通るビームＬＢ（主光線ＬＢｃ’）との物側空間（ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ、ＲＰａ’側の空間）での光路長の差は、図７で説明したように、点Ｋｂから点Ｋａまでの長さＬＫａｂと点Ｋｂから点Ｋｃまでの長さＬＫｂｃとの和から、点Ｋａから点Ｋｃまでの長さＬＫａｃを差し引いた距離ΔＬＫに相当する。その距離ΔＬＫを光路長差（物側デフォーカス量）ΔＤｏｐとすると、図７のような幾何学的な関係から、光路長差ΔＤｏｐは、ポリゴンミラーＰＭの外径、面数、ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆに対するビームＬＢ（主光線ＬＢｃ’）の入射角度、およびその入射の際のポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ’上におけるビームＬＢの入射点（図７中の点Ｋｂ）の位置に基づき、容易に求めることができる。その物側デフォーカス量ΔＤｏｐによって像面（被走査面Ｐｏ）側で生じる副走査方向（Ｚ方向）に関する像側デフォーカス量ΔＤｉｐは、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｔと第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂとによって、以下の式（１３）で表すことができる。
【００５３】
【数１３】
2019082850.tif 000015
【００５４】
結像性能の観点から、像側デフォーカス量ΔＤｉｐが、ｆθレンズ系ＦＴと第２シリンドリカルレンズＣＹｂとによる合成光学系の像側の副走査方向に関する焦点深度ＤＯＦｓよりも小さければ、問題ないレベルの結像性能が得られていると考えられる。ビームＬＢの波長λｏと副走査方向に関する像側開口数ＮＡｓとに基づき、副走査方向の焦点深度ＤＯＦｓは以下の式（１４）で表される。
【００５５】
【数１４】
2019082850.tif 000016
【００５６】
従って、式（１３）、（１４）より、ΔＤｉｐ≦ＤＯＦｓの条件を満たすように第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを設定すれば良い。
【００５７】
以上で説明したサジタルコマ収差の大きさに対応する湾曲量Ｄｓｃを求める式（１１）と、エアリーディスク半径ＡＤｍを表す式（１２）とに基づいて、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを決定する具体例を、図９のグラフを参照して説明する。図９は、一例として、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｔを１００ｍｍ、像高Ｈｙを２６ｍｍ、主走査方向の像側開口数ＮＡｍと副走査方向の像側開口数ＮＡｓとを０．０６、ビームＬＢの実際の中心波長λｏを３５４．７ｎｍ（波長幅６０ｐｍ以下）とした場合に、式（１１）を用いて計算される湾曲量Ｄｓｃの特性と、式（１２）を用いて計算されるエアリーディスク半径ＡＤｍの特性とを、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを変数にして表したグラフであり、横軸は焦点距離ｆｃｂ（ｍｍ）を表し、縦軸は湾曲量Ｄｓｃ（μｍ）とエアリーディスク半径ＡＤｍ（μｍ）との各値を表す。この場合、式（１１）により算出される湾曲量Ｄｓｃは、焦点距離ｆｃｂが０ｍｍのときに零となり、焦点距離ｆｃｂの増加に伴って２次関数的に増加する特性となる。一方、式（１２）により算出されるエアリーディスク半径ＡＤｍは、像側開口数ＮＡｍと波長λｏの各値が設定されているので、約３．６μｍの一定値となる。以上の条件の場合、湾曲量Ｄｓｃがエアリーディスク半径ＡＤｍと一致するときの焦点距離ｆｃｂは、約３４．２ｍｍとなる。これにより、焦点距離ｆｔが１００ｍｍのｆθレンズ系ＦＴを用いて、像側開口数ＮＡｍ、ＮＡｓが０．０６の状態で波長λｏが約３５５ｎｍのビームＬＢをスポット光ＳＰに収斂させつつ、像高２６ｍｍの範囲（最大走査範囲５２ｍｍ）でスポット光ＳＰを被走査面Ｐｏ上で走査するビーム走査装置においては、面倒れ補正光学系として設けられる第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを３４．２ｍｍ以下にすれば、結像特性上のサジタルコマ収差（湾曲量Ｄｓｃ）を問題ない程度に低減させることができる。
【００５８】
次に、先の図６、図７で説明したポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ側のデフォーカス誤差によって発生する像側デフォーカス量ΔＤｉｐの具体例を、図１０のグラフを用いて説明する。図１０は、先の条件と同様にｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｔを１００ｍｍとし、物側デフォーカス量（光路長差）ΔＤｏｐを０．４８２ｍｍとした場合に、式（１３）を用いて計算される副走査方向に関する像側デフォーカス量ΔＤｉｐの特性と、式（１４）で算出される副走査方向に関する焦点深度ＤＯＦｓの特性とを、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを変数にして表したグラフであり、横軸は焦点距離ｆｃｂ（ｍｍ）を表し、縦軸は像側デフォーカス量ΔＤｉｐ（μｍ）の値を表す。この場合、式（１３）により算出される像側デフォーカス量ΔＤｉｐは、焦点距離ｆｃｂが０ｍｍのときに零となり、焦点距離ｆｃｂの増加に伴って２次関数的に増加する特性となる。一方、式（１４）により算出される焦点深度ＤＯＦｓは、像側開口数ＮＡｓと波長λｏの各値が設定されている為、約９８．５μｍの一定値となる。以上の条件の場合、像側デフォーカス量ΔＤｉｐが焦点深度ＤＯＦｓと一致するときの焦点距離ｆｃｂは、約４５．２ｍｍとなる。これにより、焦点距離ｆｔが１００ｍｍのｆθレンズ系ＦＴを用いて、像側開口数ＮＡｍ、ＮＡｓが０．０６の状態で波長λｏが約３５５ｎｍのビームＬＢをスポット光ＳＰに収斂させつつ、像高２６ｍｍの範囲（最大走査範囲５２ｍｍ）でスポット光ＳＰを被走査面Ｐｏ上で走査するビーム走査装置において、物側デフォーカス量（光路長差）ΔＤｏｐが０．４８２ｍｍとなる場合には、面倒れ補正光学系として設けられる第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを４５．２ｍｍ以下にすれば、結像特性上のデフォーカス誤差（ΔＤｉｐ）を問題ない程度に低減させることができる。
【００５９】
以上の図９に示した湾曲量Ｄｓｃ（サジタルコマ収差）の特性と、図１０に示したデフォーカス誤差ΔＤｉｐの特性との両方を勘案して、ビームＬＢの中心波長λｏを３５４．７ｎｍ（波長幅６０ｐｍ以下）、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｔを１００ｍｍ、像側開口数ＮＡｍ、ＮＡｓを０．０６、像高Ｈｙの最大値を２６ｍｍ、物側デフォーカス量（光路長差）ΔＤｏｐを０．４８２ｍｍとしたとき、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを、一例として１５ｍｍとした場合の本実施の形態によるビーム走査装置の全体の光学構成を図１１、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示す。図１１は、本実施の形態によるビーム走査装置の具体的な光学構成をＸＹ面内（主走査方向の面内）で展開して見た図であり、図１２は、図１１のビーム走査装置の光学構成をＸＺ面内（副走査方向の面内）で見た図である。ここで、図１２（Ａ）は本実施の形態によるビーム走査装置のポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａまでの光学構成を示し、図１２（Ｂ）は本実施の形態によるビーム走査装置のポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａから被走査面（描画対象体の表面）Ｐｏまでの光学構成を示す。また、図１３は、図１１、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示した光学構成の各光学部品（レンズ、反射面）の配置関係と数値条件の一例を示すデータ表であり、レンズの硝材はビームＬＢの波長に対して高い透過率を有する石英とする。なお、図１３のデータ表中で、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａの前後で、レンズの面間隔と曲率半径の符号の正負は反転して示してある。
【００６０】
図１１、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）において、不図示の光源装置から射出されて描画データに応答して強度変調（オン／オフ）されたビームＬＢは、拡大倍率が２４倍のビームエキスパンダー系ＢＥＯに入射する。ビームエキスパンダー系ＢＥＯに入射するビームＬＢは、波長３５４．７ｎｍの単色光であり、光軸ＡＸｅから０．２５ｍｍの位置での強度がピーク強度の１／ｅ2（実効的なビーム直径が０．５ｍｍ）となる非偏光のガウス分布、又はその近似分布を有する平行光束とする。ビームエキスパンダー系ＢＥＯは、光軸ＡＸｅに沿って配置される５枚の球面レンズＬ１〜Ｌ５で構成され、入射したビームＬＢを実効的な直径が１２ｍｍ（１／ｅ2強度）の平行光束となるように拡大する。ビームエキスパンダー系ＢＥＯの最初の２枚の凸レンズＬ１、Ｌ２によって、ビームＬＢは凸レンズＬ２直後の焦点面Ｐｏ’でビームウェストとなるように集光された後、発散して凹レンズＬ３に入射し、さらにメニスカス状のレンズＬ４と凸レンズＬ５とを通って拡大された平行光束になって開口絞りＡＰに達する。開口絞りＡＰの円形の開口径はｆθレンズ系ＦＴの瞳径と等しくするのが望ましいため、像側開口数ＮＡｍ、ＮＡｓを０．０６、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｔを１００ｍｍとした場合、開口絞りＡＰの開口径（直径）φａｐは１２ｍｍに設定される。ビームエキスパンダー系ＢＥＯから射出されるビームＬＢの強度分布の直径は、裾野部分の強度が１／ｅ2となる直径が１２ｍｍとなるように設定され、強度が１／ｅ2以下となる裾野部分の光分布は開口絞りＡＰによって遮蔽される。このとき、開口絞りＡＰによって遮蔽される光量損失の比率は約１３．５％となる。
【００６１】
なお、本実施の形態では、被走査面Ｐｏに投射されるビームＬＢの主走査方向の像側開口数ＮＡｍと副走査方向の像側開口数ＮＡｓとを等しくするので、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａの面倒れ補正光学系として構成される第１シリンドリカルレンズＣＹａ（焦点距離ｆｃａ）、第２シリンドリカルレンズＣＹｂ（焦点距離ｆｃｂ）、及びｆθレンズ系ＦＴ（焦点距離ｆｔ）は、以下の式（１５）の関係に設定される。さらに、ビームＬＢの像側開口数をＮＡ（＝ＮＡｍ＝ＮＡｓ）としたとき、開口絞りＡＰの円形の開口（直径）φａｐは、以下の式（１６）の関係となるように設定される。
【００６２】
【数１５】
2019082850.tif 000017
【００６３】
開口絞りＡＰの後方の１０ｍｍの位置には、副走査方向のみに屈折力（パワー）を有し、式（１５）の関係に基づいて焦点距離ｆｃａが６６６．７ｍｍに設定された単一（単板）の第１シリンドリカルレンズＣＹａが設けられ、第１シリンドリカルレンズＣＹａの後側焦点の位置には、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａが配置される。第１シリンドリカルレンズＣＹａの入射面と出射面は、主走査方向については曲率半径が∞で、副走査方向については、それぞれ有限の曲率半径を持つように構成される。それによって、開口絞りＡＰの円形開口を平行光束となって透過したビームＬＢは、第１シリンドリカルレンズＣＹａで副走査方向の面内（図１１、図１２（Ｂ）のＸＺ面内）ではポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ上に集光し、主走査方向の面内（図１１、図１２（Ｂ）のＸＹ面内）では平行光束のままポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ上に入射する。ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａで反射したビームＬＢは、ポリゴンミラーＰＭの回転中の反射面ＲＰａの角度に応じた角度で、５枚の球面レンズＧ１〜Ｇ５からなるテレセントリックなｆθレンズ系ＦＴに入射する。ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａは、ｆθレンズ系ＦＴの前側焦点の位置に設定される。
【００６４】
本実施の形態では、ビームエキスパンダー系ＢＥＯ、開口絞りＡＰ、及び第１シリンドリカルレンズＣＹａによるポリゴンミラーＰＭの手前の光学系の光軸ＡＸｅと、ｆθレンズ系ＦＴと第２シリンドリカルレンズＣＹｂによるポリゴンミラーＰＭの後方の光学系の光軸ＡＸｆとは、図１１に示すように、主走査方向の面内（ＸＹ面内）においてπ／４ｒａｄ（４５°）で交差するように設定されている。また、本実施の形態のポリゴンミラーＰＭの形状は、内接円の直径が５０．８１３ｍｍの正八角形であり、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａで反射したビームＬＢの主光線（中心光線）がｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆと同軸になった状態（同軸状態と呼ぶ）から、ポリゴンミラーＰＭが０．１３ｒａｄ（＝０．１３×１８０°／π≒７．４４８°）だけ回転して反射面ＲＰａも０．１３ｒａｄだけ傾くと、ビームＬＢの主光線（中心光線）がｆθレンズ系ＦＴの最大像高Ｈｙｍａｘの位置を通るように偏向されるように設定されている。従って、ｆθレンズ系ＦＴの最大像高Ｈｙｍａｘの位置にスポット光ＳＰが投射されるときのビームＬＢのｆθレンズ系ＦＴへの入射角（光軸ＡＸｆに対するビームＬＢの主光線の傾き角）は、０．２６ｒａｄ（≒１４．６９６°）となる。すなわち、ｆθレンズ系ＦＴの最大像高＋Ｈｙｍａｘの位置から最大像高−Ｈｙｍａｘの位置までスポット光ＳＰを走査する為のポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａの角度範囲（ポリゴンミラーＰＭの回転角度範囲）は、同軸状態となる角度位置を０ｒａｄとしたとき、＋０．１３ｒａｄから−０．１３ｒａｄの範囲となる。なお、同軸状態となるポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａの角度位置（０ｒａｄ）は、主走査方向の面内における光軸ＡＸｅと光軸ＡＸｆとの交差角度が４５°なので、反射面ＲＰａの法線が光軸ＡＸｅと光軸ＡＸｆの各々に対して２２．５°（＝π／８ｒａｄ）になるときである。
【００６５】
ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａは、ｆθレンズ系ＦＴの前側焦点位置に配置されているため、反射面ＲＰａで反射したビームＬＢは、ｆθレンズ系ＦＴを透過した直後に、主走査方向の面内においては像面（被走査面Ｐｏ）に対してテレセントリックな収束光（ＮＡｍ＝０．０６）となり、副走査方向の面内においては平行光に変換される。なお、ポリゴンミラーＰＭ（反射面ＲＰａ）が同軸状態となる角度位置（０ｒａｄ）を挟んで＋０．１３ｒａｄから−０．１３ｒａｄの角度範囲で回転する間、反射面ＲＰａに照射されるビームＬＢの照射領域は反射面ＲＰａ上を主走査方向に移動する。その移動に伴う照射領域の照射範囲の主走査方向の中心と、反射面ＲＰａの主走査方向の寸法範囲の中心とをほぼ一致させるため、本実施の形態では、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａが同軸状態となる角度位置（０ｒａｄ）のときに反射面ＲＰａに照射されるビームＬＢの主光線（中心光線）を、反射面ＲＰａの主走査方向の寸法範囲の中心に対して、反射面ＲＰａに沿った方向に約０．４５ｍｍだけずらすように、図１３のデータ表中に注釈したようにポリゴンミラーＰＭが配置されている。また、図１３のデータ表中で注釈した、光軸方向に−２５．４０６５ｍｍのオフセットとは、ポリゴンミラーＰＭの内接円の直径５０．８１３ｍｍの半分の半径に相当し、ポリゴンミラーＰＭの回転中心軸ＡＸｐと反射面ＲＰａとが反射面ＲＰａの法線方向に−２５．４０６５ｍｍだけオフセットしていることを意味する。
【００６６】
ｆθレンズ系ＦＴは、図１、図１１〜図１３に示すように所定の空気間隔を挟んで配置される５枚のレンズＧ１〜Ｇ５で構成されるが、ポリゴンミラーＰＭ側（物側）から見たとき、レンズＧ１は物側に凸のメニスカス状の負レンズ、レンズＧ２は物側に凹のメニスカス状の負レンズ、レンズＧ３は物側に凹のメニスカス状の正レンズ、レンズＧ４は両凸の正レンズ、そしてレンズＧ５は物側に凸のメニスカス状の正レンズで構成される。また、図１１に示すように主走査方向を含む面内（図１１のＸＹ面内）において、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａで反射されて入射してくるビームＬＢ（平行状態）は、レンズＧ１、Ｇ２によって僅かに発散状態とされ、レンズＧ４の入射面の付近で最もビーム幅が広がった状態となった後、レンズＧ４、Ｇ５の正の屈折力により収斂状態となって、被走査面Ｐｏの位置でスポット光ＳＰ（ビームウェスト）となるように集光される。なお、レンズＧ１〜Ｇ５の各々の入射面と出射面はいずれも球面であるが、収差特性をより良好にするため、特定のレンズの入射面又は出射面を非球面としても良い。
【００６７】
ｆθレンズ系ＦＴを透過したビームＬＢは、副走査方向のみに屈折力（パワー）を有する焦点距離ｆｃｂが１５ｍｍの単一（単板）の第２シリンドリカルレンズＣＹｂに入射し、副走査方向の面内において像面（被走査面Ｐｏ）に対してテレセントリックな収束光（ＮＡｓ＝０．０６）に変換される。第２シリンドリカルレンズＣＹｂの入射面と出射面は、主走査方向については曲率半径が∞で、副走査方向についてはそれぞれ有限の曲率半径を持つように構成される。従って第２シリンドリカルレンズＣＹｂは主走査方向に関しては単なる平行平板（屈折力がゼロ）として機能し、ビームＬＢは主走査方向に関して専らｆθレンズ系ＦＴの集光作用（屈折力）によって、テレセントリックな収束光（ＮＡｍ＝０．０６）に変換される。第２シリンドリカルレンズＣＹｂの位置は、第２シリンドリカルレンズＣＹｂを透過した後のビームＬＢの主走査方向の集光位置と副走査方向の集光位置とが一致するような位置に設定され、その集光位置が像面（被走査面Ｐｏ）となる。
【００６８】
以上のように、第１シリンドリカルレンズＣＹａの焦点距離ｆｃａを６６６．７ｍｍ、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを１５ｍｍ、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｔを１００ｍｍ、中心波長λｏが３５４．７ｎｍのビームＬＢ（スポット光ＳＰ）の被走査面Ｐｏ上での開口数ＮＡｍ、ＮＡｓを０．０６、そして最大像高Ｈｙｍａｘを２６ｍｍとした本実施の形態によるビーム走査装置（図１１〜図１３）では、像高Ｈｙの範囲に渡ってサジタルコマ収差が実用上で問題にならない程度に低減されている。図１４は、本実施の形態によるビーム走査装置におけるサジタルコマ収差特性のシミュレーション結果を表すグラフであり、図１４（Ａ）は主走査方向におけるサジタルコマ収差特性を表し、図１４（Ｂ）は副走査方向におけるサジタルコマ収差特性を表す。図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）のいずれにおいても、横軸は像高Ｈｙを表し、縦軸はサジタルコマ収差量（計算値）を表す。シミュレーションによると、サジタルコマ収差量は像高Ｈｙの全範囲（０〜±２６ｍｍ）に渡って、主走査方向と副走査方向の各々で約０．７μｍ以下に抑えられている。特に、像高Ｈｙが最大像高Ｈｙｍａｘ（２６ｍｍ）に近づくに連れて、サジタルコマ収差量がスポット光ＳＰの理論上（設計上）の直径の値以上に増大するような傾向は見られない。
【００６９】
図１５は、本実施の形態によるビーム走査装置（図１１〜図１３）によって被走査面Ｐｏ上に集光されるビームＬＢ内の多数の光線を追跡するシミュレーションにて求めたスポットダイヤグラムを表す。図１５（Ａ）は、像高Ｈｙ＝０ｍｍ（ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆの位置）におけるスポットダイヤグラムＳＤＧａを表し、図１５（Ｂ）は、像高Ｈｙ＝２６ｍｍ（最大像高Ｈｙｍａｘの位置）におけるスポットダイヤグラムＳＤＧｂを表し、いずれのダイヤグラムＳＤＧａ、ＳＤＧｂの周囲の円形は、エアリーディスクと同等の大きさ（半径ＡＤｍ≒３．６μｍ、直径７．２μｍ）の領域を表す。なお、図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）において、紙面内の上下方向が主走査方向であり、左右方向が副走査方向である。このように、本実施の形態によるビーム走査装置（図１１〜図１３）によれば、スポットダイヤグラムＳＤＧａ、ＳＤＧｂの各々の拡がり幅は、いずれも設計上のエアリーディスクの半径ＡＤｍ（≒３．６μｍ）と概ね同じになっており、像高Ｈｙが０ｍｍの中心位置と像高Ｈｙが２６ｍｍの最周辺位置とで、スポット光ＳＰの結像性能に有意差がないことがわかる。従って、被走査面Ｐｏに配置される感光基板上に描画可能なパターンの解像度（微細度）が中心位置と最周辺位置とで同等となり、主走査方向の全域において均一な解像度が確保できる。
【００７０】
さらに、本実施の形態によるビーム走査装置（図１１〜図１３）によって被走査面Ｐｏ上に集光されるビームＬＢのフォーカスＭＴＦ（伝達関数、コントラスト）特性を、図１６に示す。図１６（Ａ）は、像高Ｈｙ＝０ｍｍ（ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆの位置）におけるビームＬＢのフォーカスＭＴＦ特性（１２５cycles／mm）を表し、図１６（Ｂ）は、像高Ｈｙ＝２６ｍｍ（最大像高Ｈｙｍａｘの位置）におけるビームＬＢのフォーカスＭＴＦ特性（１２５cycles／mm）を表し、いずれの図も縦軸をコントラスト値（０〜１．０）、横軸をデフォーカス位置（μｍ）とする。さらに、図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）における実線のフォーカスＭＴＦ曲線は主走査方向に関する特性を表し、破線のフォーカスＭＴＦ曲線は副走査方向に関する特性を表す。図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）のように、本実施の形態によるビーム走査装置（図１１〜図１３）によれば、主走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（実線）と副走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（破線）との形状は、像高Ｈｙが０ｍｍの中心位置と像高ＨｙがＨｙｍａｘ（２６ｍｍ）の最周辺位置とでほとんど差異がなく、且つコントラスト上のピーク値もほとんど揃っている。なお、図１６（Ｂ）のように、像高ＨｙがＨｙｍａｘ（２６ｍｍ）の最周辺位置では、主走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（実線）がピーク値となるデフォーカス位置と、副走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（破線）がピーク値となるデフォーカス位置とに僅かな差が生じるが、実用上は問題ない範囲である。以上のように、本実施の形態によるビーム走査装置（図１１〜図１３）によれば、フォーカスＭＴＦ特性上からも、像高ＨｙがＨｙｍａｘ（２６ｍｍ）の最周辺位置での収差が十分に低減されていることがわかる。
【００７１】
図１６（Ａ）に示した中心位置付近でのフォーカスＭＴＦ曲線（実線及び破線）の形状と、図１６（Ｂ）に示した周辺位置付近でのフォーカスＭＴＦ曲線（実線及び破線）の形状とが揃っているのは、図９、図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）で説明したように、サジタルコマ収差が十分に小さく抑えられたからである。さらに、主走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（実線）がピークとなるデフォーカス位置と、副走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（破線）がピークとなるデフォーカス位置とがほぼ揃っているのは、図１０で説明したように、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを小さくすることで、像側デフォーカス量ΔＤｉｐを焦点深度ＤＯＦｓに対して十分に小さく抑えられたからである。
【００７２】
〔比較例の構成と光学性能〕
以上、本実施の形態によれば、ポリゴンミラーＰＭとｆθレンズ系ＦＴ（走査用光学系）を用いたビーム走査装置の面倒れ補正光学系（シリンドリカルレンズＣＹａ、ＣＹｂ）において、実用性のある作動距離を保ちながら、被走査面Ｐｏ（像面）上に投射されるスポット光ＳＰの主走査方向に関するサジタルコマ収差（図９で説明した湾曲量Ｄｓｃに対応）と、被走査面Ｐｏ（像面）での像高Ｈｙごとのフォーカス誤差（図１０で説明した像側デフォーカス量ΔＤｉｐに対応）を、実用上で問題とならない程度に低減する為の第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂの好適な範囲を定めることができる。そこで、比較の為に、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを第１の実施の形態で設定した１５ｍｍよりも大きい７５ｍｍにした場合の比較例を、図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）、図１８を参照して説明する。
【００７３】
第１の実施の形態と同様に、被走査面Ｐｏに投射されるビームＬＢの主走査方向の像側開口数ＮＡｍと、副走査方向の像側開口数ＮＡｓとを等しく設定する場合、第１シリンドリカルレンズＣＹａの焦点距離ｆｃａ、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂ、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｔは、先の式（１５）の関係で設定されるので、比較例のｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｔを第１の実施の形態と同じに１００ｍｍとすると、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂ＝７５ｍｍに対応して、第１シリンドリカルレンズＣＹａの焦点距離ｆｃａは１３３．３ｍｍとなる。
【００７４】
図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）は比較例によるビーム走査装置の全体の光学構成を示し、図１８は比較例の光学構成における各光学部品（レンズ、反射面）の配置関係と数値条件の一例を示すレンズデータ表であるが、先の図１３と同様に、データ表中でポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａの前後で、レンズの面間隔と曲率半径の符号の正負を反転して示してある。図１７において、開口絞りＡＰの手前には、図１１、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）と同じ構成のビームエキスパンダー系ＢＥＯが設けられているが、ここではビームエキスパンダー系ＢＥＯの図示を省略し、開口絞りＡＰ以降の光学配置を示す。また、図１７（Ａ）は、比較例のビーム走査装置の開口絞りＡＰからポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａまでの光学構成をＸＺ面内（副走査方向の面内）で展開して見た図であり、図１７（Ｂ）は、比較例のビーム走査装置の開口絞りＡＰから被走査面Ｐｏまでの光学構成をＸＹ面内（主走査方向の面内）で展開して見た図であり、図１７（Ｃ）は比較例のビーム走査装置のポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａから被走査面Ｐｏまでの具体的な光学構成を副走査方向の面内で見た図である。本比較例では、図１８のデータ表から明らかなように、ビームエキスパンダー系ＢＥＯのレンズ構成（Ｌ１〜Ｌ５）、開口絞りＡＰ（開口径１２ｍｍ）、ポリゴンミラーＰＭ、及びｆθレンズ系ＦＴのレンズ構成（Ｇ１〜Ｇ５）は、一部の面間隔が異なるだけで基本的に第１の実施の形態（図１３）と同一である。
【００７５】
さらに、比較例のビーム走査装置における第１シリンドリカルレンズＣＹａは、合成の焦点距離ｆｃａが１３３．３ｍｍとなるように組み合わせされた２枚の石英製のシリンドリカルレンズＧＡ１、ＧＡ２で構成され、第２シリンドリカルレンズＣＹｂは、合成の焦点距離ｆｃｂが７５ｍｍとなるように組み合わせされた２枚の石英製のシリンドリカルレンズＧＢ１、ＧＢ２で構成される。シリンドリカルレンズＧＡ１、ＧＡ２、ＧＢ１、ＧＢ２の各々は、主走査方向に関しては曲率半径が∞の平行平板として構成され、副走査方向に関してはビームＬＢの入射面と出射面のそれぞれが有限の曲率半径（凸面又は凹面）となるように構成される。このようにシリンドリカルレンズＣＹａ、ＣＹｂの各焦点距離ｆｃａ、ｆｃｂを第１の実施の形態の場合と異ならせたことにより、図１８に示すように、第１シリンドリカルレンズＣＹａとポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａとの面間隔は、６６１．１５ｍｍから１２６．６２３ｍｍに変更され、ｆθレンズ系ＦＴと第２シリンドリカルレンズＣＹｂとの面間隔は８２．２５４ｍｍから２１．０６６ｍｍに変更され、さらに第２シリンドリカルレンズＣＹｂと被走査面Ｐｏとの面間隔は１１．３７５１ｍｍから６７．８３２６ｍｍに変更される。
【００７６】
本比較例の場合、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを７５ｍｍ（３４．２ｍｍ以上）とした為、第２シリンドリカルレンズＣＹｂがｆθレンズ系ＦＴに近づいた配置となることから、ｆθレンズ系ＦＴの鏡筒の先端部で第２シリンドリカルレンズＣＹｂ（ＧＢ１、ＧＢ２）を一体的に支持しつつ、作動距離（ワーキングディスタンス）を６７ｍｍと大きくすることができる。しかしながら、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを７５ｍｍとすると、式（１１）で表される湾曲量Ｄｓｃと式（１２）で表されるエアリーディスク半径ＡＤｍとの関係が、先の図９に示したようにＤｓｃ＞ＡＤｍの範囲になるため、サジタルコマ収差が悪化することになる。さらに、先の図１０で説明したように、結像特性上の像側デフォーカス誤差ΔＤｉｐを問題ない程度に低減させるための第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂは４５．２ｍｍ以下であるが、本比較例では焦点距離ｆｃｂが７５ｍｍである為、像側デフォーカス誤差ΔＤｉｐが焦点深度ＤＯＦｓ以上に悪化することになる。
【００７７】
以上のように、第１シリンドリカルレンズＣＹａの焦点距離ｆｃａを１３３．３ｍｍ、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを７５ｍｍ、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｔを１００ｍｍ、中心波長λｏが３５４．７ｎｍ（波長幅６０ｐｍ以下）のビームＬＢ（スポット光ＳＰ）の像側開口数ＮＡｍ、ＮＡｓを０．０６、そして最大像高Ｈｙｍａｘを２６ｍｍとした比較例によるビーム走査装置（図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）、図１８）では、シミュレーションの結果、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）のようなサジタルコマ収差特性となることが判明した。図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）は、先の図１４と同様にシミュレーションされたサジタルコマ収差特性のグラフであり、横軸は像高Ｈｙを表し、縦軸はサジタルコマ収差量（計算値）を表す。図１９（Ａ）は比較例での主走査方向におけるサジタルコマ収差特性を表し、図１９（Ｂ）は比較例での副走査方向におけるサジタルコマ収差特性を表す。主走査方向と副走査方向の双方で、サジタルコマ収差量は像高Ｈｙに応じて単調に増加し、最大像高Ｈｙｍａｘ（２６ｍｍ）の位置でのサジタルコマ収差量は、主走査方向と副走査方向の各々で２０μｍ程度と著しく大きな値になっている。これは、主走査方向に関しては、先の図５で説明した湾曲量Ｄｓｃがエアリーディスク半径ＡＤｍよりも大きく、副走査方向に関しては像側デフォーカス誤差ΔＤｉｐが焦点深度ＤＯＦｓよりも大きいことに起因している。以上の図１９の比較例におけるサジタルコマ収差特性と比べると、図１４に示した第１の実施の形態におけるビーム走査装置におけるサジタルコマ収差特性は１／２０以下に補正されており、極めて良好な収差特性となっている。
【００７８】
図２０は、本比較例によるビーム走査装置（図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）、図１８）によって被走査面Ｐｏ上に集光されるビームＬＢ内の多数の光線を追跡するシミュレーションにて求めたスポットダイヤグラムを表す。図２０（Ａ）は、像高Ｈｙ＝０ｍｍ（ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆの位置）におけるスポットダイヤグラムＳＤＧａ’を表し、図２０（Ｂ）は、像高Ｈｙ＝２６ｍｍ（最大像高Ｈｙｍａｘの位置）におけるスポットダイヤグラムＳＤＧｂ’を表し、いずれのダイヤグラムＳＤＧａ’、ＳＤＧｂ’と合わせて表記した円形は、エアリーディスクと同等の大きさ（半径ＡＤｍ≒３．６μｍ、直径７．２μｍ）の領域を表す。なお、図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）において、紙面内の上下方向が主走査方向であり、左右方向が副走査方向である。このように、比較例によるビーム走査装置（図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）、図１８）では、像高Ｈｙ＝０ｍｍの位置でのスポットダイヤグラムＳＤＧａ’の拡がり幅は、エアリーディスクの直径（半径ＡＤｍ≒３．６μｍ）内に収まっているが、像高Ｈｙ＝２６ｍｍの最周辺位置でのスポットダイヤグラムＳＤＧｂ’の拡がり幅は、エアリーディスク（直径≒７．２μｍ）から大きく逸脱しており、特に副走査方向にはエアリーディスクの直径の１０倍以上に拡がって分布している。従って、比較例によるビーム走査装置では、像高Ｈｙが０ｍｍの中心位置と像高Ｈｙが２６ｍｍの最周辺位置とで、スポット光ＳＰの結像性能が大きく異なることになり、被走査面Ｐｏに配置される感光基板上に描画可能なパターンの解像度（微細度）が、中心位置と最周辺位置とで大きく異なることになる。
【００７９】
さらに、本比較例によるビーム走査装置（図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）、図１８）によって被走査面Ｐｏ上に集光されるビームＬＢのフォーカスＭＴＦ（伝達関数、コントラスト）特性を、先の図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）と同様のシミュレーションにて求めたグラフを図２１に示す。図２１（Ａ）は、像高Ｈｙ＝０ｍｍ（ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆの位置）におけるビームＬＢのフォーカスＭＴＦ特性（１２５cycles／mm）を表し、図２１（Ｂ）は、像高Ｈｙ＝２６ｍｍ（最大像高Ｈｙｍａｘの位置）におけるビームＬＢのフォーカスＭＴＦ特性（１２５cycles／mm）を表し、いずれの図も縦軸をコントラスト値（０〜１．０）、横軸をデフォーカス位置（μｍ）とする。さらに、図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）における実線のフォーカスＭＴＦ曲線は主走査方向に関する特性を表し、破線のフォーカスＭＴＦ曲線は副走査方向に関する特性を表す。
【００８０】
図２１（Ａ）のように、本比較例によるビーム走査装置では、像高Ｈｙ＝０ｍｍの中心位置における主走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（実線）の形状と、副走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（破線）の形状とは概ね揃っており、そのピーク値やピーク位置もほとんど揃っている。しかしながら、図２１（Ｂ）のように、像高ＨｙがＨｙｍａｘ（２６ｍｍ）の最周辺位置では、主走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（実線）の形状と、副走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（破線）の形状とは大きく異なっており、主走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（実線）上には、低いコントラスト値ながらピークとなるフォーカス位置が現れるが、副走査方向に関するフォーカスＭＴＦ曲線（破線）上には、デフォーカス位置の範囲±１６０μｍ内で明瞭なピークが現れなかった。以上のことからも、比較例によるビーム走査装置では、像高Ｈｙ＝２６ｍｍの最周辺位置でのスポット光ＳＰの結像性能が著しく劣化していることがわかる。
【００８１】
〔第２の実施の形態〕
ポリゴンミラーＰＭの前方に第１シリンドリカルレンズＣＹａを設け、ｆθレンズ系ＦＴの後方に第２シリンドリカルレンズＣＹｂを設けた面倒れ補正光学系では、被走査面Ｐｏに投射されるビームＬＢの主走査方向の像側開口数ＮＡｍと副走査方向の像側開口数ＮＡｓとを等しく設定する場合、先の式（１５）で説明したように、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを短くすると、それに反比例して第１シリンドリカルレンズＣＹａの焦点距離ｆｃａを長くする必要がある。そのため、第１シリンドリカルレンズＣＹａの位置とポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａの位置との光軸ＡＸｅ（図１１、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）参照）に沿った方向の間隔が広がってしまい、光学系の全長（光路長）が長くなる。また、第１シリンドリカルレンズＣＹａを単板で構成する場合、その焦点距離ｆｃａを長くするということは、第１シリンドリカルレンズＣＹａの入射面や出射面の曲率半径を大きくすることを意味し、加工上の難易度が高くなる。そこで、図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）に示した比較例のように、第１シリンドリカルレンズＣＹａを２枚のシリンドリカルレンズＧＡ１、ＧＡ２の組み合わせで構成し、シリンドリカルレンズＧＡ１、ＧＡ２の各々の入射面や出射面の曲率半径は加工が容易な範囲として、合成の焦点距離ｆｃａを長く設定することも可能である。しかしながら、その場合、２枚のシリンドリカルレンズＧＡ１、ＧＡ２の相互の配置誤差（母線間の平行度誤差や副走査方向に関する位置誤差等）が極めて小さくなるように調整する作業が必要となる。その為、第１シリンドリカルレンズＣＹａ（及び第２シリンドリカルレンズＣＹｂ）は、できるだけ単板で構成するのが望ましい。
【００８２】
そこで、本実施の形態では、単板の第１シリンドリカルレンズＣＹａからポリゴンミラーＰＭまでの光学系の長さを短くしつつ、併せて被走査面Ｐｏに投射されるビームＬＢの球面収差を低減する為に、図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）に示すように、第１シリンドリカルレンズＣＹａとポリゴンミラーＰＭ（反射面ＲＰａ）との間に所定の倍率を有する球面レンズ系（結像系）ＦＬＧを設ける。図２２（Ａ）は、第２の実施の形態によるビーム走査装置のビームエキスパンダー系ＢＥＯからポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａまでの光学構成を、副走査方向の面内（ＸＺ面内）で見た図であり、図２２（Ｂ）は、第２の実施の形態によるビーム走査装置のビームエキスパンダー系ＢＥＯから被走査面Ｐｏまでの光学構成を、主走査方向の面内（ＸＹ面内）で見た図である。図２２（Ａ）は、先の第１の実施の形態によるビーム走査装置の光学構成として示した図１２（Ａ）に対応し、図２２（Ｂ）は第１の実施の形態によるビーム走査装置の光学構成として示した図１１に対応したものである。また、図２３は、図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）のビーム走査装置を構成する各光学部材の曲率半径、面間隔等のデータ例を示す表であり、このうち、ｆθレンズ系ＦＴの構成は、先の図１３（又は図１８）のデータ表に示したものと同じであるので、個々のレンズＧ１〜Ｇ５の数値データは省略してある。
【００８３】
図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）に示すように、第２の実施の形態のビームエキスパンダー系ＢＥＯは、入射するビームＬＢ（実効的な直径が０．５ｍｍ程度の平行光束）を４枚のレンズＬ６〜Ｌ９によって約７倍の直径に拡大した平行光束に変換する。ビームエキスパンダー系ＢＥＯの最初の２枚のレンズＬ６、Ｌ７によって、入射したビームＬＢは発散光束となり、その後の２枚のレンズＬ８、Ｌ９によって、発散したビームＬＢは断面内での強度分布の実効的な直径（例えばピーク値に対して１／ｅ2の強度、又は５０％の強度となる円）が約３．５ｍｍとなる平行光束に変換されて開口絞りＡＰに達する。開口絞りＡＰは直径が３．５ｍｍの円形の開口を有し、ビームエキスパンダー系ＢＥＯの最後のレンズＬ９から面間隔が２５ｍｍとなる位置に配置されて、強度が１／ｅ2以下となるビームＬＢの裾野部分の光分布を遮蔽する。開口絞りＡＰを透過したビームＬＢ（実効的な直径が３．５ｍｍの平行光束）は、光軸ＡＸｅに沿って約１１４．３ｍｍ離れた位置に配置された焦点距離ｆｃａが５８ｍｍの平凸状の第１シリンドリカルレンズＣＹａに入射する。先の第１の実施の形態又は比較例では、第１シリンドリカルレンズＣＹａの母線方向（屈折力がゼロの方向）を主走査方向（Ｙ方向）に設定したが、本実施の形態では、その方位を光軸ＡＸｅの回りに９０度回転させて副走査方向（Ｚ方向）に設定する。これは、その後の球面レンズ系ＦＬＧによってビームＬＢの収斂方位が光軸ＡＸｅの回りにさらに９０度回転するからである。
【００８４】
従って、図２２（Ｂ）に示すように、第１シリンドリカルレンズＣＹａを透過したビームＬＢは、主走査方向の面内（ＸＹ面内）で見ると、後側焦点距離（５８ｍｍ）の位置の面ＣＰｏで集光した後、発散して後段の球面レンズ系ＦＬＧに入射する。一方、図２２（Ａ）に示すように副走査方向の面内（ＸＺ面内）で見ると、第１シリンドリカルレンズＣＹａを透過したビームＬＢは平行光束の状態で後段の球面レンズ系ＦＬＧに入射する。その為、面ＣＰｏにおいて、ビームＬＢは主走査方向（Ｙ方向）の幅が極めて小さく、副走査方向（Ｚ方向）に約３．５ｍｍの長さで延びたスリット状の強度分布となる。球面レンズ系ＦＬＧは、メンニスカス状のレンズＬ１０と平凸状のレンズＬ１１の２枚を光軸ＡＸｅに沿って約１９３．２ｍｍの面間隔で配置して構成される。２枚のレンズＬ１０、Ｌ１１の合成系である球面レンズ系ＦＬＧの焦点距離ｆｃｇは２０１．２ｍｍに設定される。図２３のデータ表に基づき、第１シリンドリカルレンズＣＹａとレンズＬ１０との面間隔が約１３３．１ｍｍに設定されるので、面ＣＰｏとレンズＬ１０との面間隔は約７５．１ｍｍ（１３３．１ｍｍ−ｆｃａ）に設定される。
【００８５】
球面レンズ系ＦＬＧを通ったビームＬＢは、図２２（Ｂ）に示すように、主走査方向の面内（ＸＹ面内）で見ると、広がった平行光束となってポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａに投射され、図２２（Ａ）に示すように、副走査方向の面内（ＸＺ面内）で見ると、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ上で集光する収斂光束となる。従って、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ上で、ビームＬＢは主走査方向の面内（ＸＹ面内）で主走査方向に延びたスリット状の強度分布に集光される。また、図２２（Ｂ）に示すように、主走査方向の面内（ＸＹ面内）で見ると、球面レンズ系ＦＬＧを射出したビームＬＢの主走査方向（Ｙ方向）の幅（寸法）は、第１の実施の形態と同様に、後段のｆθレンズ系ＦＴの瞳径と等しくするように、約１２ｍｍに拡大される。
【００８６】
ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａで反射されたビームＬＢは、第１の実施の形態と同様に、焦点距離ｆｔ＝１００ｍｍのｆθレンズ系ＦＴと、焦点距離ｆｃｂ＝１４．５ｍｍの平凸状の単板の第２シリンドリカルレンズＣＹｂとを通って、被走査面Ｐｏ上にスポット光ＳＰとして集光される。本実施の形態においても、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂ（１４．５ｍｍ）が、湾曲量Ｄｓｃをエアリーディスク半径ＡＤｍよりも小さくする為の境界値である３４．２ｍｍ（図９参照）未満に設定されるので、サジタルコマ収差を実用上で問題にならない程度に低減させることができ、像側デフォーカス誤差ΔＤｉｐも焦点深度ＤＯＦｓに対して十分に小さくできる（図１０参照）。また、第１シリンドリカルレンズＣＹａからポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａまでの距離は、先の第１の実施の形態では図１３のデータ表より約６６１ｍｍとなっていたが、本実施の形態では図２３のデータ表によると約３８２（≒１３３．１１６１＋６＋１９３．２３９７＋６＋４３．３１９７）ｍｍとなり、本実施の形態の方がコンパクトな光学系になっている。
【００８７】
さらに本実施の形態では、面倒れ補正光学系として、屈折力（パワー）を有する方向が互いに直交した第１シリンドリカルレンズＣＹａと第２シリンドリカルレンズＣＹｂとを用いることによって、被走査面Ｐｏに投射されるビームＬＢに発生する球面収差を低減することができる。ビームＬＢは被走査面Ｐｏ上に像側開口数ＮＡｍ、ＮＡｓ（例えば０．０６）の角度範囲で集光される。その場合にビームＬＢに生じる球面収差とは、その角度範囲内の各光線の被走査面Ｐｏの法線（ビームＬＢの中心光線と平行）に対する角度に応じて、集光点がフォーカス方向にずれる光学誤差である。例えば、像側開口数ＮＡが０．０６（最大の開口数）となる角度で進むビームＬＢの光線が交差する集光点と、それよりも小さい像側開口数ＮＡとなる角度で進むビームＬＢの光線が交差する集光点とのフォーカス方向におけるずれの程度が球面収差特性となる。先の第１の実施の形態では、第１シリンドリカルレンズＣＹａと第２シリンドリカルレンズＣＹｂの各々の母線方向が主走査方向に設定されている為、第１シリンドリカルレンズＣＹａと第２シリンドリカルレンズＣＹｂの各々で発生する球面収差を良好に補正することが難しく、ビームＬＢの主走査方向に関する球面収差特性と副走査方向に関する球面収差特性との差分で規定される球面収差量は、シミュレーションによると、フォーカス方向に最大で数十μｍ程度発生する。
【００８８】
それに対して、第２の実施の形態では、第２シリンドリカルレンズＣＹｂの母線の方向（主走査方向）に対して、第１シリンドリカルレンズＣＹａの母線の方向を光軸ＡＸｅの回りに９０度回転させて副走査方向に設定し、第１シリンドリカルレンズＣＹａとポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａとの間に球面レンズ系ＦＬＧ（レンズＬ１０、Ｌ１１）を設けることにより、第１シリンドリカルレンズＣＹａと第２シリンドリカルレンズＣＹｂの各々で発生する球面収差が補正され、スポット光ＳＰとして被走査面Ｐｏ上に投射されるビームＬＢの像側開口数ＮＡの角度範囲内に分布する光線の入射角に応じたフォーカス位置の誤差を低減することができる。図２４（Ａ）、図２４（Ｂ）は、第２の実施の形態のレンズデータ表（図２３）に基づいて、ビームＬＢの像側開口数ＮＡｍ、ＮＡｓの最大値を０．０６としてシミュレーションしたビームＬＢの球面収差特性であり、横軸は設計上のベストフォーカス位置をゼロ点としたフォーカス位置（μｍ）を表し、縦軸はビームＬＢの像側開口数ＮＡの最大値ＮＡｍａｘ（例えば０．０６）に対応する光線の最大入射角βｍａｘ（ＮＡｍａｘ＝ｓｉｎβｍａｘ）を１．０に規格化した入射角βを表す。そして図２４（Ａ）は、被走査面Ｐｏに投射されるビームＬＢの球面収差特性を主走査方向と副走査方向に分けて表したグラフであり、実線で示す特性（Ａ）は主走査方向に関する球面収差特性であり、破線で示す特性（Ｂ）は副走査方向に関する球面収差特性である。図２４（Ｂ）に示す特性（Ｃ）は、図２４（Ａ）中の特性（Ａ）と特性（Ｂ）の差分〔（Ｂ）−（Ａ）〕による球面収差特性を表したものである。
【００８９】
ここで、図２４（Ａ）中の特性（Ａ）は、図２２中のビームエキスパンダー系ＢＥＯ、第１シリンドリカルレンズＣＹａ、球面レンズ系ＦＬＧ、およびｆθレンズ系ＦＴの合成系によって発生する球面収差であり、図２４（Ａ）中の特性（Ｂ）は、ビームエキスパンダー系ＢＥＯ、球面レンズ系ＦＬＧ、ｆθレンズ系ＦＴ、および第２シリンドリカルレンズＣＹｂの合成系によって発生する球面収差である。従って、図２４（Ｂ）に示す特性（Ａ）と特性（Ｂ）の差分の特性（Ｃ）は、主に第１シリンドリカルレンズＣＹａおよび第２シリンドリカルレンズＣＹｂによって発生する球面収差特性に対応する。このシミュレーションの結果、先の第１の実施の形態に比べて、第２の実施の形態における球面収差量の絶対値は、１ケタ程度小さくなっている。図２４（Ａ）中の特性（Ａ）から分かるように、球面レンズ系ＦＬＧによって第１シリンドリカルレンズＣＹａで発生する球面収差が補正されるため、スポット光ＳＰとして被走査面Ｐｏ上に投射されるビームＬＢの入射角βに応じたベストフォーカス位置のずれは殆ど生じていない。
【００９０】
そのずれ、すなわち球面収差を良好に補正する為には、第１シリンドリカルレンズＣＹａ単体にて生じる球面収差をＳＣａ、第２シリンドリカルレンズＣＹｂ単体にて生じる球面収差をＳＣｂ、球面レンズ系ＦＬＧの焦点距離をｆｃｇ、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離をｆｔ、ビームＬＢの主走査方向の像側開口数をＮＡｍ、ビームＬＢの副走査方向の像側開口数ＮＡｓ、ビームＬＢの中心波長をλｏとしたとき、ビームＬＢの主走査方向における球面収差ＳＤｍと副走査方向における球面収差ＳＤｓとが、少なくとも以下の式（１７）〜（２０）のいずれか１つの条件を満たすように各光学諸元が設定される。
【００９１】
【数１６】
2019082850.tif 000018
【００９２】
但し、第１シリンドリカルレンズＣＹａ、第２シリンドリカルレンズＣＹｂ、およびｆθレンズ系ＦＴ等の各光学諸元が概ね定まっているときは、球面レンズ系ＦＬＧ（レンズＬ１０、Ｌ１１）の各光学諸元を、少なくとも上記に示す式（１７）〜（２０）のいずれか１つの条件を満たすように設定する。また、ｆθレンズ系ＦＴの光学諸元のみが概ね定まっている場合は、式（１７）〜（２０）のいずれか１つの条件を満たすように、球面レンズ系ＦＬＧ（レンズＬ１０、Ｌ１１）の光学諸元、及び第１シリンドリカルレンズＣＹａと第２シリンドリカルレンズＣＹｂの各光学諸元を設定する。なお、球面収差ＳＤｍと球面収差ＳＤｓとの差の絶対値｜ＳＤｍ−ＳＤｓ｜は｜ＳＤｓ−ＳＤｍ｜としても同じである。
【００９３】
また、図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）に示したビーム走査装置の第１シリンドリカルレンズＣＹａ、第２シリンドリカルレンズＣＹｂ、球面レンズ系ＦＬＧ、および、ｆθレンズ系ＦＴの各々の焦点距離ｆｃａ、ｆｃｂ、ｆｃｇ、ｆｔは、被走査面Ｐｏに投射されるビームＬＢの主走査方向の像側開口数ＮＡｍと副走査方向の像側開口数ＮＡｓとを等しくする為に、以下の式（２１）の関係となるように設定される。
【００９４】
【数１７】
2019082850.tif 000019
【００９５】
さらに、図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）に示したビーム走査装置の開口絞りＡＰの開口径（直径）φａｐは、像側開口数ＮＡｍと像側開口数ＮＡｓとを等しくする場合（ＮＡｍ≒ＮＡｓ＝ＮＡとする）、式（２１）の関係から以下の式（２２）の関係となるように設定される。
【００９６】
【数１８】
2019082850.tif 000020
【００９７】
以上のように、第２の実施の形態におけるビーム走査装置では、光源装置からのビームＬＢを被走査面Ｐｏ（描画対象物）に投射しつつ、ビームＬＢを被走査面Ｐｏ上で１次元に走査するために、一方向にパワーを有する第１シリンドリカルレンズＣＹａと、第１シリンドリカルレンズＣＹａを透過したビームＬＢを入射し、１次元走査のために偏向するポリゴンミラーＰＭと、ポリゴンミラーＰＭによって偏向されたビームＬＢを入射し、テレセントリックな状態でビームＬＢを被走査面Ｐｏに投射するｆθレンズ系ＦＴと、ｆθレンズ系ＦＴを透過したビームＬＢを入射し、一方向（副走査方向）に屈折力を有する第２シリンドリカルレンズＣＹｂとを設け、そして第１シリンドリカルレンズＣＹａと第２シリンドリカルレンズＣＹｂとを互いに直交する方向にパワー（屈折力）を有するように配置し、さらに第１シリンドリカルレンズＣＹａとポリゴンミラーＰＭとの間に収差（球面収差）補正のための球面レンズ系ＦＬＧ（レンズＬ１０、Ｌ１１）を設けるようにした。
【００９８】
これにより、ポリゴンミラーＰＭの各反射面ＲＰａによる面倒れによって生じるビームＬＢ（スポット光ＳＰ）の投射位置の副走査方向へのずれを補正することができると共に、第１シリンドリカルレンズＣＹａおよび第２シリンドリカルレンズＣＹｂによって生じる球面収差を簡単な構成で補正することができる。併せて、第１シリンドリカルレンズＣＹａの焦点距離ｆｃａと第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂとの関係を、サジタルコマ収差の発生が良好に抑制されるような範囲に設定している。したがって、スポット光ＳＰの結像性能の劣化を抑制して、被走査面Ｐｏ上に描画されるパターンの解像度（微細度）を高めることができる。
【００９９】
〔第３の実施の形態〕
以上の第２の実施の形態によるビーム走査装置を組み込んだパターン描画ユニット（描画装置）の具体的な構成を図２５に示す。図２５は、図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）に示したビームエキスパンダー系ＢＥＯ（レンズＬ６〜Ｌ９）から第２シリンドリカルレンズＣＹｂまでの各光学部材の具体的な配置と光路を示す斜視図である。図２５に示す各光学部材のうち、図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）と同じ部材には同じ符号を付してある。また、図２５における直交座標系ＸＹＺでは、被走査面Ｐｏに集光されるスポット光ＳＰがポリゴンミラーＰＭの回転によって走査線ＳＬとなるように主走査される方向をＹ軸方向、走査線ＳＬのＹ方向の中点から延びる被走査面Ｐｏの法線と平行な方向をＺ軸方向、そして走査線ＳＬが延びる主走査方向（Ｙ方向）と直交する副走査方向をＸ軸方向とする。
【０１００】
図２５に示すパターン描画ユニット（描画装置）では、描画データに応じて強度変調された細いビームＬＢ（直径０．５ｍｍ程度の平行光束）を反射させるミラーＭ３０に引き続き、レンズＬ６、レンズＬ７、石英製の平行平板ＨＶＰ、レンズＬ８、Ｌ９、ミラーＭ３１、偏光ビームスプリッタＰＢＳ、開口絞りＡＰ、１／４波長板ＱＷ、ミラーＭ３２、第１シリンドリカルレンズＣＹａ、レンズＬ１０、ミラーＭ３３、レンズＬ１１、ミラーＭ３４、Ｍ３５、Ｍ３６、８面のポリゴンミラーＰＭ、ｆθレンズ系ＦＴ、ミラーＭ３７、第２シリンドリカルレンズＣＹｂが、その順に配置される。石英製の平行平板ＨＶＰは、ビームエキスパンダー系ＢＥＯ（図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）参照）を構成するレンズＬ６〜Ｌ９の間の光路中に設けられ、Ｚ軸と平行な回転軸ＡＸｈの回りに回転（傾斜）可能に構成される。平行平板ＨＶＰの傾斜量を変えることにより、被走査面Ｐｏ上に投射されるスポット光ＳＰの位置を副走査方向（Ｘ方向）に、例えば、スポット光ＳＰの実効的な直径φの数倍〜十数倍の距離範囲でシフトさせることができる。偏光ビームスプリッタＰＢＳは、レンズＬ９を通って拡大されたビームＬＢ（平行光束）を、ミラーＭ３１を介して入射する。ビームＬＢを直線Ｐ偏光とすると、偏光ビームスプリッタＰＢＳは、ビームＬＢを偏光分離面で９９％以上の強度で反射させて、後段の開口絞りＡＰに向かわせる。開口絞りＡＰの円形開口（直径が約３．５ｍｍ）を透過したビームＬＢは、１／４波長板ＱＷを透過する際に、直線偏光から円偏光に変換される。
【０１０１】
１／４波長板ＱＷを透過したビームＬＢ（平行光束）は、ミラーＭ３２によって−Ｚ方向に反射され、第１シリンドリカルレンズＣＹａ（母線がＹ軸と平行）に入射し、面ＣＰｏにおいてＸ方向の幅が極めて小さく、Ｙ方向に約３．５ｍｍ（開口絞りＡＰの開口径と同じ）の長さで延びたスリット状の強度分布に集光される。面ＣＰｏで一次元方向のみ収斂されたビームＬＢは、球面レンズ系ＦＬＧ（図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）参照）を構成する初段のレンズＬ１０、ミラーＭ３３、球面レンズ系ＦＬＧを構成する後段のレンズＬ１１を通って、＋Ｘ方向に進む。レンズＬ１１から射出した直後のビームＬＢは、第１シリンドリカルレンズＣＹａの作用によって、Ｚ方向に関してはほぼ平行光束の状態となり、Ｙ方向に関してはポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ上で集光するように収斂光束の状態となる。
【０１０２】
レンズＬ１１から射出したビームＬＢは、ミラーＭ３４によって＋Ｚ方向に反射された後、ミラーＭ３５によって＋Ｙ方向に反射される。ミラーＭ３４とミラーＭ３５は、ミラーＭ３５から＋Ｙ方向に進むビームＬＢの主光線（中心光線）とｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆとがＸＹ面と平行な面内で互いに直交するように配置されている。ミラーＭ３５から＋Ｙ方向に進むビームＬＢは、ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆを挟んでミラーＭ３５の反対側に配置されるミラーＭ３６によって反射され、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａに投射される。ミラーＭ３６の反射面は、Ｚ軸と平行であると共に、ＸＺ面と平行で光軸ＡＸｆを含む面に対して２２．５°の挟角で配置される。これにより、ミラーＭ３６からポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａに向かうビームＬＢの主光線（中心光線）、即ち第１シリンドリカルレンズＣＹａや球面レンズ系ＦＬＧ（レンズＬ１０、Ｌ１１）が配置される光軸ＡＸｅ（図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）参照）は、ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆに対して４５°の角度に設定される。また、図２５において、ミラーＭ３６で反射してポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａに向かうビームＬＢは、Ｚ方向に関してはポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ上で集光するように収斂光束の状態となり、ＸＹ面と平行な面内ではほぼ平行光束の状態となり、反射面ＲＰａ上では主走査方向（ポリゴンミラーＰＭの回転中心軸ＡＸｐを中心とする内接円の接線方向）にスリット状に延びた強度分布となるように集光される。
【０１０３】
なお、先の図２２のビーム走査装置の構成では、図２２（Ｂ）、及び図２３に示したように、球面レンズ系ＦＬＧを構成する後段のレンズＬ１１とポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａとの間隔が、約４３．３２ｍｍに設定されていたが、本実施の形態では、レンズＬ１１とポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａとの間にミラーＭ３４〜Ｍ３６を配置する関係から、レンズＬ１１とポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａとの間隔を広げる為に、球面レンズ系ＦＬＧの主点間距離を調整している。
【０１０４】
ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａで反射されたビームＬＢは、テレセントリックなｆθレンズ系ＦＴを通った後、ミラーＭ３７で−Ｚ方向に直角に反射されて、第２シリンドリカルレンズＣＹｂ（母線の方向はＹ方向）に入射し、被走査面Ｐｏ上にスポット光ＳＰとして集光される。本実施の形態では、ミラーＭ３７で−Ｚ方向に直角に折り曲げられて被走査面Ｐｏと垂直となるｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆと、ミラーＭ３０に向けて−Ｚ方向に進むビームＬＢの中心光線とが、Ｚ軸と平行な線分ＬＥ１と同軸となるように設定されている。これは、走査線ＳＬを被走査面Ｐｏ（ＸＹ面と平行な面）内で微少量傾ける際に、図２５中のミラーＭ３０〜第２シリンドリカルレンズＣＹｂまでの各光学部材を一体的に支持する筐体（ユニットフレーム）の全体を、線分ＬＥ１を中心に微少回転させることで、ミラーＭ３０〜第２シリンドリカルレンズＣＹｂで構成される描画ユニット内を通るビームＬＢの偏心やケラレを防止するためである。このように、光源装置からのビームＬＢを入射するミラーＭ３０から第２シリンドリカルレンズＣＹｂまでを含む描画ユニットの筐体全体を線分ＬＥ１の回りに微少回転可能とする機構については、国際公開第２０１６／１５２７５８号パンフレットに開示されている。
【０１０５】
また、本実施の形態では、被走査面Ｐｏに設置される被照射体（基板等）の表面にスポット光ＳＰを投射した際に発生する反射光の強度を検出する為に、光電センサＤＴＲとレンズ系ＧＦとが設けられる。被照射体の表面からの反射光（特に正規反射光）は、光線逆進の原則により、第２シリンドリカルレンズＣＹｂ、ｆθレンズ系ＦＴ、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ、ミラーＭ３６、Ｍ３５、Ｍ３４、レンズＬ１１、ミラーＭ３３、レンズＬ１０、第１シリンドリカルレンズＣＹａ、ミラーＭ３２、１／４波長板ＱＷ、開口絞りＡＰを介して、偏光ビームスプリッタＰＢＳまで戻ってくる。被照射体の表面に投射されるスポット光ＳＰは円偏光であり、その反射光も円偏光成分を多く含んでいる為、反射光が１／４波長板ＱＷを透過して偏光ビームスプリッタＰＢＳに向かうとき、その偏光特性は直線Ｓ偏光に変換される。その為、被照射体の表面からの反射光は偏光ビームスプリッタＰＢＳの偏光分離面を透過してレンズ系ＧＦに入射する。レンズ系ＧＦによって被照射体からの反射光が光電センサＤＴＲの受光面に集光されるように、光電センサＤＴＲの受光面は被走査面Ｐｏ上のスポット光ＳＰと光学的に共役な関係に設定される。
【０１０６】
以上の構成において、開口絞りＡＰは、レンズＬ６〜Ｌ９で構成されるビームエキスパンダー系ＢＥＯの後側レンズ群Ｌ８、Ｌ９の後側焦点位置に配置される。平行平板ＨＶＰを回転軸ＡＸｈの回りに中立位置（傾斜がゼロの状態）から回転させると、レンズＬ８に入射するビームＬＢは、図２５中でＹ方向に平行シフトする。その為、レンズＬ９から射出するビームＬＢ（平行光束）は、ビームエキスパンダー系ＢＥＯの光軸に対してＸＹ面と平行な面内で僅かに傾いて開口絞りＡＰに達するが、平行平板ＨＶＰの傾斜量に依らずにビームＬＢの中心光線は常に開口絞りＡＰの円形開口の中心点を通る。平行平板ＨＶＰの中立位置からの傾斜によって、開口絞りＡＰから射出して第１シリンドリカルレンズＣＹａに入射するビームＬＢは、図２５において、ＹＺ面と平行な面内で傾斜したものとなる。従って、面ＣＰｏでＹ方向にスリット状に延びて集光されるビームＬＢは、面ＣＰｏ上では平行平板ＨＶＰの傾斜量に対応した微少量だけＹ方向に平行シフトし、その後、球面レンズ系ＦＬＧ（レンズＬ１０、Ｌ１１）とミラーＭ３４〜３６とを介してポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａに投射されるビームＬＢは、平行平板ＨＶＰの傾斜量に応じて反射面ＲＰａ上をＺ方向（副走査方向）に微少シフトする。副走査方向に関して、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａと被走査面Ｐｏとは光学的に共役な関係（結像関係）に設定されるので、結局、被走査面Ｐｏに投射されるスポット光ＳＰは、平行平板ＨＶＰの傾斜量に応じて副走査方向に微少にシフトされる。
【０１０７】
なお、図２５では不図示であるが、例えば、国際公開第２０１５／１６６９１０号パンフレットに開示されているように、描画用のビームＬＢが投射されるポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａの回転方向の１つ手前の反射面ＲＰｂには、各反射面が描画開始直前の角度位置になったことを表す原点信号を出力する為の原点センサ用の送光ビームが投射される。
【０１０８】
〔変形例１〕
以上の第１〜第３の実施の形態では、等速回転するポリゴンミラーＰＭを用いて、被走査面Ｐｏ上でスポット光ＳＰを一次元走査するものとしたが、ポリゴンミラーＰＭの代わりにガルバノミラーを用いても良い。この場合、ガルバノミラーの揺動回転の中心線がビームＬＢの反射面を含んで副走査方向に延びるように設置し、その中心軸がｆθレンズ系ＦＴ（走査用光学系）の光軸ＡＸｆと直交するように配置すると良い。このようにガルバノミラーを配置する場合、先の図１０で説明した像側デフォーカス量ΔＤｉｐがほぼゼロとなる為、像高位置Ｈｙごとのフォーカス差の条件、即ち、式（１３）、（１４）で定まる焦点深度ＤＯＦｓとの大小関係を考慮しなくても良い。
【０１０９】
〔変形例２〕
以上の第１〜３の実施の形態では、走査用光学系として、入射するビームＬＢの入射角θの変化量とスポット光ＳＰの像高位置Ｈｙの変化量とが比例するｆ−θ特性を有するｆθレンズ系ＦＴを用いて、スポット光ＳＰを等速走査するようにした。しかしながら、ｆ−θ特性でもなく、ｆ−ｔａｎθ特性でもない特性を有する走査用光学系としても良い。換言すれば、ｆ−ｔａｎθ特性以外の特性を有する走査用光学系を用いることが可能である。その場合、ｆ−θ特性を除くｆ−ｔａｎθ特性以外の特性の走査用光学系では、入射するビームＬＢの入射角θの変化量と、スポット光ＳＰの像高位置Ｈｙの変化量とが比例しない非線形な関係になっている為、スポット光ＳＰの走査速度は像高位置Ｈｙに応じて異なる非線形な速度特性になる。そこで、そのような非線形な速度特性を持つ走査用光学系を用いる場合は、描画データ（例えば、被走査面Ｐｏ上で描画可能な最小寸法の画素を１ビットとするビットマップ形式の画像データ）に応じてオン／オフされるスポット光ＳＰの強度変調のタイミングを、像高位置Ｈｙの変化に同期して高速に補正することで対応できる。
【０１１０】
具体的には、所定周波数のクロック信号のクロックパルスごとに、描画データから読み出されるビットマップデータの１画素のビット状態を判定し、そのビット状態が「１」のときはビームＬＢをパルス発振し、ビット状態が「０」のときはビームＬＢのパルス発振を中断するように制御する光源装置を用いる。このような光源装置の一例は、例えば国際公開第２０１７／０５７４１５号パンフレットに開示されている。このように、所定周波数のクロック信号に応答してパルス発振可能な光源装置を用いる場合、スポット光ＳＰが走査線ＳＬに沿って走査される間に発生するクロック信号の周波数、或いはクロックパルスの周期を連続的又は離散的に微調整することにより、スポット光ＳＰの非線形な速度特性（例えば、ｆθレンズ系ＦＴのｆ−θ特性からの僅かな誤差等によって発生）によって生ずる描画パターンの歪み（変形）を補正することができる。そのようなクロック信号の周波数、或いはクロックパルスの周期の調整方法についても、国際公開第２０１７／０５７４１５号パンフレットに開示されているので、その方法を利用することができる。なお、本変形例のように、ｆ−ｔａｎθ特性を有さない走査用光学系の場合、サジタルコマ収差に対応する湾曲量Ｄｓｃ（図５（Ａ）〜図５（Ｃ）、図９参照）は、ｆ−ｔａｎθ特性を有さない走査用光学系のｆ−ｔａｎθ特性からのズレに依存した量となる。
【０１１１】
〔変形例３〕
上記の第１〜３の実施の形態では、図９で説明したように、湾曲量Ｄｓｃの許容範囲をエアリーディスク半径ＡＤｍとの比較で判断したが、被走査面Ｐｏ上で描画可能な最小寸法の画素（正方形）の大きさ（画素サイズＰｘｙ）がエアリーディスク半径ＡＤｍよりも大きい場合は、湾曲量Ｄｓｃの許容範囲を画素サイズＰｘｙとの比較で判断し、Ｄｓｃ＜Ｐｘｙの範囲で第２シリンドリカルレンズＣＹｂの焦点距離ｆｃｂを決定しても良い。なお、その際の焦点深度ＤＯＦｓ（図１０の説明参照）は、画素サイズＰｘｙ（μｍ）を副走査方向に関するビームＬＢの像側開口数ＮＡｓで除した値の約２倍となる。画素サイズＰｘｙ（μｍ）とは、パターン描画装置として被走査面Ｐｏ（被照射体）上で描画可能な最小パターンとして定義される描画マップ上の寸法（正方形）である。
【０１１２】
〔変形例４〕
上記の第１〜３の実施の形態では、円筒面状レンズとしての第１シリンドリカルレンズＣＹａと第２シリンドリカルレンズＣＹｂの各々を単板（１枚）で構成したが、図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）に示した比較例のように、２枚以上のレンズを組み合わせた組レンズとしても良い。また、円筒面状のレンズ面は、曲率半径が1つの円弧の一部ではなく、複数の曲率半径の円弧を合成した非球面状に加工されたレンズ面であっても良い。
【０１１３】
〔変形例５〕
また、上記の第３の実施の形態（図２５）ではビームＬＢを偏光としたが、これはスポット光ＳＰの投射により被照射体から発生する反射光を偏光ビームスプリッタＰＢＳによって効率的に取り出す為であり、そのような反射光の検出が不要な場合は、偏光ビームスプリッタＰＢＳも不要となるので、ビームＬＢは非偏光のものであっても良い。さらに、ビームＬＢは、シミュレーションで使った波長３５４．７ｎｍ以外の中心波長λｏを持つビームでも良いし、レンズの硝材として互いに屈折率（分散）が異なる２種以上の硝材（例えば、石英と蛍石等）を用いて色消し設計（色収差補正）を行えば、色消しされた波長範囲内で中心波長が異なる複数のビームを同軸にしてビーム走査装置に入射させても良い。さらに、ビームＬＢは、ガウス分布又はその近似の分布を持つものとしたが、ビーム断面内の強度分布をほぼ一様にしたビームにしてビーム走査装置に入射させても良い。
【０１１４】
〔変形例６〕
上記の第１〜３の実施の形態において、ビームエキスパンダー系ＢＥＯに入射するビームＬＢは、国際公開第２０１５／１６６９１０号パンフレット、又は国際公開第２０１７／０５７４１５号パンフレットに開示されているように、ファイバーアンプレーザ光源（波長変換型のレーザ光源）から４００ＭＨｚ程度の周波数のクロック信号に応答してパルス発振される紫外波長のビームとしても良い。このファイバーアンプレーザ光源は、ファイバーアンプに入射される種光パルス（クロック信号の周波数で発振）を、クロック周波数に同期して描画データ（１画素を１ビットとするビットマップデータ）から読み出されるビットシリアル信号の「０」、「１」の論理値に応じて変調することによって、最終的に波長変換されて出力される紫外波長のパルスビームがオンパルス光（高強度）とオフパルス光（低強度）とに変調される。また、上記の第１〜３の実施の形態のようなビーム走査装置（描画ユニット）を主走査方向に複数台並べて、主走査方向における描画可能な幅を拡大するマルチ描画ユニット方式とする場合は、国際公開第２０１５／１６６９１０号パンフレットに開示されているように、ポリゴンミラーＰＭの１つの反射面による走査効率に応じて、ファイバーアンプレーザ光源からのビームを、複数の直列に配置された音響光学変調素子（ＡＯＭ）によって順番にオン状態（回折状態）にして、複数のビーム走査装置（描画ユニット）の各々に順番に供給するようにスイッチングすれば良い。
【０１１５】
〔第４の実施の形態〕
図２６は、先の変形例６で説明したマルチ描画ユニット方式の場合に、複数の描画ユニットのいずれか１つに、光源装置（ファイバーアンプレーザ光源）ＬＳからのビーム（描画データに応じて強度変調されたビーム）ＬＢを順次時分割にスイッチングして振り分ける為のビーム切換部の構成を示す。図２６において、直交座標系ＸＹＺのＺ軸は重力方向と平行に設定され、Ｙ軸は各描画ユニット（例えば、図２５に示したビーム走査装置）によるスポット光ＳＰの主走査方向（走査線ＳＬ）と平行に設定され、Ｘ軸は副走査方向と平行に設定される。図２６のビーム切換部は、基本的には国際公開第２０１７／０５７４１５号パンフレットに開示されているものと同様であるが、ここでは、１つの光源装置ＬＳからのビームＬＢを３つの描画ユニット１、２、３の各々に時分割で振り分けるものとする。
【０１１６】
光源装置ＬＳは、変形例６で説明したように、描画データに応じた種光パルスを発生する種光発生部ＬＳａと、ファイバーアンプ部と波長変換部とを含む紫外ビーム発生部ＬＳｂとで構成される。種光発生部ＬＳａで発生した種光パルスは、ファイバーによる光伝送によって紫外ビーム発生部ＬＳｂのファイバーアンプ部に送られ、種光発生部ＬＳａと紫外ビーム発生部ＬＳｂの各々には、内部の光学部材や電気部品を適正な温度に安定化する為の空冷方式又は液冷方式の温調機構が組み込まれている。光源装置ＬＳから射出される紫外波長域（中心波長λｏ＝３５４．７ｎｍ）のビームＬＢは、断面内の実効的な強度分布の直径（ピーク強度に対して１／ｅ2となる強度の径）が１ｍｍ程度の平行光束となって−Ｘ方向に進み、波長板ＧＷａを通って偏光ビームスプリッタＰＢ１に入射する。波長板ＧＷａは光軸周りに回転可能に設けられ、その回転角度に応じて偏光ビームスプリッタＰＢ１の偏光分離面を透過するビーム強度と、偏光分離面で反射されるビーム強度との比率を調整することができる。本実施の形態では、偏光ビームスプリッタＰＢ１を−Ｘ方向に透過したビームは、減光フィルターＰＳａと波長フィルター（バンドパスフィルター）ＰＳｂとを介して撮像素子ＭＣ１に受光される。撮像素子ＭＣ１は、光源装置ＬＳから射出されるビームＬＢの光軸と垂直な面内での位置的な変動（ドリフト）やビーム断面内の強度分布（プロファイル）の状態やその変化等をモニターする為に使われる。
【０１１７】
偏光ビームスプリッタＰＢ１で−Ｙ方向に反射されたビームＬＢは、２つのレンズＥ１、Ｅ２によるビーム径縮小系を通って、実効的なビーム径が元の直径の半分程度の０．５ｍｍの平行光束となるように変換された後、ミラーＬＭ１によって＋Ｘ方向に９０°に反射される。ミラーＬＭ１は、紫外波長域のレーザ光に対する耐性が高いレーザミラーであり、入射したビームＬＢの強度の９９％程度を反射させ、残りの１％程度が漏れ光として透過するような特性を有している。ミラーＬＭ１で＋Ｘ方向に反射されたビームＬＢは、１段目の選択用光学素子ＯＳ１に入射する。選択用光学素子ＯＳ１は、高周波の駆動信号が印加されているオン状態の間だけ、入射したビームＬＢの回折ビーム（１次回折光）を発生する音響光学変調素子（ＡＯＭ）である。本実施の形態の場合、選択用光学素子ＯＳ１はブラッグ回折の条件を満たすように配置され、回折ビームが発生する方向はＸＺ面と平行な面内の−Ｚ方向に設定される。オン状態のときに選択用光学素子ＯＳ１から発生する回折ビームと０次ビーム（いずれも平行光束）の各々は、レンズＥ３によってＹＺ面と平行な共役面ＣＰｓでビームウェストとなるように集光される。共役面ＣＰｓにおける回折ビームの集光位置は、０次ビームの集光位置に対して−Ｚ方向にずれている為、回折ビームは共役面ＣＰｓに配置されて反射面がＸＹ面に対して約４５°傾いた落射ミラーＤＭ１によって−Ｚ方向に反射され、描画ユニット１に向かう。
【０１１８】
選択用光学素子ＯＳ１に高周波の駆動信号が印加されていないオフ状態のとき、選択用光学素子ＯＳ１は入射したビームＬＢをそのまま透過し、レンズＥ３によって共役面ＣＰｓでビームウェストに集光された後、落射ミラーＤＭ１の＋Ｚ方向の上方を通過してレンズＥ４に入射する。レンズＥ４を通ったビームＬＢは、再び断面の実効的な直径が０．５ｍｍ程度の平行光束に変換され、ミラーＬＭ２で−Ｙ方向に反射された後、ミラーＬＭ３で−Ｘ方向に反射されて、ブラッグ回折の条件で設けられた２段目の選択用光学素子（ＡＯＭ）ＯＳ２に入射する。この構成において、レンズＥ３、Ｅ４は等倍のリレー光学系となっており、１段目の選択用光学素子ＯＳ１と２段目の選択用光学素子ＯＳ２とは光学的に共役な関係に設定されている。２段目の選択用光学素子ＯＳ２以降には、１段目の選択用光学素子ＯＳ１以降の構成と同様に、等倍のリレー光学系としてのレンズＥ５、Ｅ６と、共役面ＣＰｓに配置される落射ミラーＤＭ２とが設けられる。１段目の選択用光学素子ＯＳ１がオフ状態で２段目の選択用光学素子ＯＳ２がオン状態のとき、選択用光学素子ＯＳ２で発生したビームＬＢの回折ビーム（１次回折光）が落射ミラーＤＭ２によって−Ｚ方向に反射されて描画ユニット２に向かう。
【０１１９】
選択用光学素子ＯＳ１、ＯＳ２がいずれもオフ状態のとき、レンズＥ６を通ったビームＬＢは、再び断面の実効的な直径が０．５ｍｍ程度の平行光束に変換され、ミラーＬＭ４で−Ｙ方向に反射された後、ミラーＬＭ５で＋Ｘ方向に反射されて、ブラッグ回折の条件で設けられた３段目の選択用光学素子（ＡＯＭ）ＯＳ３に入射する。この構成において、レンズＥ５、Ｅ６によるリレー光学系により、２段目の選択用光学素子ＯＳ２と３段目の選択用光学素子ＯＳ３とは光学的に共役な関係に設定されている。３段目の選択用光学素子ＯＳ３以降には、選択用光学素子ＯＳ１や選択用光学素子ＯＳ２の後に配置されるレンズＥ３、Ｅ５と同一のレンズＥ７と、共役面ＣＰｓに配置される落射ミラーＤＭ３とが設けられる。選択用光学素子ＯＳ１、ＯＳ２が何れもオフ状態で３段目の選択用光学素子ＯＳ３がオン状態のとき、選択用光学素子ＯＳ３で発生したビームＬＢの回折ビーム（１次回折光）が落射ミラーＤＭ３によって−Ｚ方向に反射されて描画ユニット３に向かう。
【０１２０】
レンズＥ７によって、共役面ＣＰｓでビームウェストに集光されるビームＬＢ又は０次ビームは、発散光束となってレンズＥ８に入射して平行光束に変換される。レンズＥ８から射出するビームＬＢ又は０次ビームは、光軸周りに回転可能な波長板ＧＷｂを通った後、入射したビームの偏光状態に応じて透過光と反射光とに分割する偏光ビームスプリッタＰＢ２に入射する。偏光ビームスプリッタＰＢ２で反射された反射光は、ビームのエネルギー（ジュール）やパワー（ワット）を計測するパワーモニターＢＰＭに受光される。パワーモニターＢＰＭは、例えば、３つの選択用光学素子ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３が全てオフ状態のときに、偏光ビームスプリッタＰＢ２の位置に達する光源装置ＬＳからのビームＬＢの強度を定期的に計測して、強度変動の有無をモニターする。偏光ビームスプリッタＰＢ２を透過した透過光は、減光フィルターＰＳａと波長フィルター（バンドパスフィルター）ＰＳｂとを介して撮像素子ＭＣ２に受光される。撮像素子ＭＣ２の撮像面は、本実施の形態では、レンズＥ７、Ｅ８によるリレー光学系によって、３段目の選択用光学素子ＯＳ３の回折位置と光学的に共役になるように設定されている。従って、撮像素子ＭＣ２は、選択用光学素子ＯＳ３内（或いは、選択用光学素子ＯＳ１、ＯＳ２内）でのビームＬＢの光軸と垂直な面内での位置的な変動（ドリフト）やビーム断面内の強度分布（プロファイル）の状態やその変化等を撮像することができる。
【０１２１】
なお、レンズＥ８の構成を拡大結像レンズ系に変えて、撮像素子ＭＣ２の撮像面を共役面ＣＰｓと光学的に共役関係（結像関係）にしても良い。その場合、共役面ＣＰｓに形成されるビームＬＢ又は０次ビームのビームウェストでのスポットの像が拡大されて撮像素子ＭＣ２で撮像される。共役面ＣＰｓは、最終的に描画ユニット１、２、３の各々によって被走査面Ｐｏ（被照射体の表面）に集光されるスポット光ＳＰとも共役な関係になっている為、撮像素子ＭＣ２で撮像されるビームＬＢ又は０次ビームのスポットの緩やかな位置的変動（ドリフト）を計測し、その計測結果に基づいて描画ユニット１、２、３の各々によるパターン描画の際の描画タイミングを補正する（走査線ＳＬ上の描画開始点の時間をナノ秒の分解能で調整する）したり、先の図２５に示した描画ユニット内の回転可能な平行平板ＨＶＰの角度位置を補正したりすることにより、被走査面Ｐｏ（被照射体の表面）に描画されるパターンを、ビームＬＢ等のドリフトに影響されず、常に正確な位置に描画することができる。
【０１２２】
〔変形例７〕
以上の第４の実施の形態では、ビームＬＢ等のドリフトをモニターする為に、１つの撮像素子ＭＣ２を、３つの選択用光学素子ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３を透過した後のビームＬＢ又は０次ビームを受光するように配置した。しかしながら、描画ユニット１〜３の各々に入射するビームＬＢにドリフトが生じた場合に、そのドリフトがビーム切換部内の光学系（光学部材）の変動に起因したものなのか、光源装置ＬＳからビーム切換部（初段の選択用光学素子ＯＳ１以降）に至る光路中の光学部材（又は光源装置ＬＳ内の光学部材）の変動に起因したものなのかを切り分けることができず、適切な補正が難しい。そこで、本変形例では、図２７に示すように、図２６のビーム切換部に設けられているミラーＬＭ１、ＬＭ３、ＬＭ５の各々の背後に撮像素子ＭＣ３、ＭＣ４、ＭＣ５を設ける。
【０１２３】
図２７は、図２６のビーム切換部の光学構成から、ミラーＬＭ１〜ＬＭ５と選択用光学素子ＯＳ１〜ＯＳ３の配置のみを示し、他の部材の図示を省略したものである。図２７において、ミラーＬＭ１〜ＬＭ５は、図２６と同様にいずれもレーザミラーであり、１％程度の透過率を有しているので、ミラーＬＭ１、ＬＭ３、ＬＭ５の背後であって、ミラーＬＭ１、ＬＭ３、ＬＭ５の各々に入射するビームの主光線（中心光線）に対して撮像面が垂直となるように撮像素子ＭＣ３、ＭＣ４、ＭＣ５を設ける。各撮像素子ＭＣ３、ＭＣ４、ＭＣ５の直前には、必要に応じて減光フィルターＰＳａや波長フィルターＰＳｂも設けられる。撮像素子ＭＣ３は、ミラーＬＭ１の反射面上のビームＬＢが入射する位置から撮像面までの光路長(屈折率を考慮)と、ミラーＬＭ１の反射面上のビームＬＢが入射する位置から選択用光学素子ＯＳ１内の回折位置までの光路長(屈折率を考慮)とがほぼ等しくなるように配置される。同様に、撮像素子ＭＣ４は、ミラーＬＭ３の反射面上のビームＬＢが入射する位置から撮像面までの光路長と、ミラーＬＭ３の反射面上のビームＬＢが入射する位置から選択用光学素子ＯＳ２内の回折位置までの光路長とがほぼ等しくなるように配置され、撮像素子ＭＣ５は、ミラーＬＭ５の反射面上のビームＬＢが入射する位置から撮像面までの光路長と、ミラーＬＭ５の反射面上のビームＬＢが入射する位置から選択用光学素子ＯＳ３内の回折位置までの光路長とがほぼ等しくなるように配置される。
【０１２４】
このように、ミラー（レーザミラー）ＬＭ１、ＬＭ３、ＬＭ５のそれぞれの背後に漏れてくる透過光を撮像素子ＭＣ３、ＭＣ４、ＭＣ５でモニターすることによって、描画ユニット１〜３の各々に入射するビームＬＢのドリフトやプロファイル変動がどの部分の光学系（光学部材）の変動で生じたかを特定することが可能となる。例えば、撮像素子ＭＣ３、ＭＣ４、ＭＣ５にて撮像されるビームＬＢのスポット像が、光学的な共役関係を考慮して、すべて同じ方向に同じ量だけ位置変動した場合は、光源装置ＬＳからビーム切換部（初段の選択用光学素子ＯＳ１以降）に至る光路中の光学部材（又は光源装置ＬＳ内の光学部材）の変動に起因したドリフトが生じたと判断され、ビーム切換部内の光学系（光学部材）の変動に起因したドリフトではないと判断される。一方、例えば、撮像素子ＭＣ４、ＭＣ５の各々で撮像されたスポット像が光学的な共役関係を考慮して同じ方向に同じ量だけ位置変動したのに対し、撮像素子ＭＣ３で撮像されたスポット像だけが異なる動きを呈した場合は、光源装置ＬＳからビーム切換部（初段の選択用光学素子ＯＳ１以降）に至る光路中の光学部材（又は光源装置ＬＳ内の光学部材）の変動に加え、選択用光学素子ＯＳ１から選択用光学素子ＯＳ２の手前までの間の各種光学部材（選択用光学素子ＯＳ１、レンズＥ３、Ｅ４、ミラーＬＭ２、ＬＭ３）の変動によってビームＬＢのドリフトが生じたと判断される。
【０１２５】
また、撮像素子ＭＣ３、ＭＣ４、ＭＣ５の各々で撮像されるビームＬＢのスポット像の形状が、すべて同じ形状に変化した場合には、光源装置ＬＳからビーム切換部（初段の選択用光学素子ＯＳ１以降）に至る光路中の光学部材（又は光源装置ＬＳ内の光学部材）の劣化（曇りなど）によって、ビームプロファイルが変化したと判断できる。一方、撮像素子ＭＣ３で撮像されるスポット像の形状に変化がないのに対して、撮像素子ＭＣ４、ＭＣ５の各々で撮像されるスポット像の形状が同様に変化した場合、選択用光学素子ＯＳ１から選択用光学素子ＯＳ２の手前までの間の各種光学部材（選択用光学素子ＯＳ１、レンズＥ３、Ｅ４、ミラーＬＭ２、ＬＭ３）のいずれかで曇りなどの劣化が生じたと判断することができる。このように本変形例によれば、描画ユニット１〜３の各々に入射する前のビームＬＢの位置的なドリフト、ビームのスポット像（強度分布、プロファイル）の形状変化、又はフォーカス誤差によるスポット像の大きさ変化と言ったビーム特性の劣化を引き起こした光学部材の場所や変動状態を容易に特定することができる。その為、撮像素子ＭＣ３〜ＭＣ５（及びＭＣ１、ＭＣ２）の各々で取得されるスポット像に関する画像情報に基づいて、光学部材の変動によるビーム特性の劣化を自動的又は半自動的に適正に補正する調整機構（微動機構等）によって、短時間のうちにビーム特性の劣化を補正することが可能となる。ミラーＬＭ１、ＬＭ３、ＬＭ５は、ビームＬＢを３つの選択用光学素子ＯＳ１〜ＯＳ３に順番に通すように折り曲げる為に必要なものであり、そのミラーＬＭ１、ＬＭ３、ＬＭ５の特性上で必然的に発生する漏れ光を撮像素子ＭＣ３、ＭＣ４、ＭＣ５でモニターするので、描画ユニット１、２、３の各々に向かうビームの強度（エネルギー）を低減させるような新たな光分割器（透過率と反射率の一方が十分に高く他方が十分に低いビームスプリッタ等）を設ける必要が無いと言った利点がある。
【０１２６】
〔変形例８〕
以上の図２６に示した第４の実施の形態、及び図２７に示した変形例７によると、光源装置ＬＳから各描画ユニット１〜３に至るビームＬＢの光路中の要所に配置された撮像素子ＭＣ１〜ＭＣ５によって、ビーム特性の変化（劣化）を検知することが可能である。ビーム特性は、選択用光学素子（ＡＯＭ）ＯＳ１〜ＯＳ３の各々の透過率や回折効率の変動によっても劣化し得る。図２８は、図２６、図２７に示した選択用光学素子ＯＳ１〜ＯＳ３のうち、代表して選択用光学素子ＯＳ１の変動で生じるビーム特性の変化（劣化）を補正する為の調整機構を簡単に示した図である。図２８において、光源装置ＬＳからのビームＬＢ（直径０．５ｍｍ程度の平行光束）は、ＸＹ面と平行な面内を＋Ｘ方向に進み、選択用光学素子ＯＳ１に入射する。図２８において、Ｘ軸と平行に配置される光軸ＡＸｓは、図２６に示したレンズＥ１、Ｅ２、Ｅ３・・・の光軸である。
【０１２７】
選択用光学素子ＯＳ１は、金属製の筐体（カバー、或いはケース）１００で覆われており、その内部に、接着剤１０３を介して超音波振動子１０４と接合される結晶体（又は石英）１０２と、結晶体１０２の内部を通る振動の進行波で生成される回折格子（透過型の位相格子）と入射するビームＬＢとをブラッグ回折の条件とする角度で結晶体１０２を支持する支持台１０５とが設けられる。筐体１００のビームＬＢの入射側には、入射用の開口部１００ａが形成され、出射側には、結晶体１０２によって回折された１次回折ビームＬＢｐ（描画ユニット１に向かうビーム）と０次回折ビームＬＢｚとを通す出射用の開口部１００ｂが形成される。また、筐体１００の壁面には、筐体１００の内部の気体（クリーンエア）ＣＡを排気する為の排気ポート１０６が設けられ、排気ポート１０６には気体ＣＡを吸引する排気チューブが接続されている。排気ポート１０６での気体ＣＡの吸引によって、筐体１００の周囲の温度調整されたクリーンエアが開口部１００ａ、１００ｂから流入し、光軸ＡＸｓと垂直な結晶体１０２の入射面と射出面の各々に沿って流れる。このような気体の流れを作ることによって、紫外波長域であるビームＬＢ（及び回折ビームＬＢｐ、ＬＢｚ）の照射で結晶体１０２の入射面や射出面に生じる化学物質（接着剤１０３等から発生するアミン系の分子や炭素分子など）による曇り等が抑制される。さらに、ＸＹ面と平行な筐体１００の底面部の裏側（−Ｚ方向）には、超音波振動子１０４の駆動による発熱を抑える為の冷却部材（吸熱部材）１１４も設けられる。冷却部材１１４は、ペルチェ素子、ヒートポンプ、或いは液体又は気体による冷媒を内部に流通させた放熱板等で構成される。冷却部材１１４は、図２８に示す筐体１００のＸＺ面と平行な側壁やＸＹ面と平行な天板に取り付けても良い。
【０１２８】
選択用光学素子ＯＳ１の筐体１００は、マウント部材１１０に結合され、マウント部材１１０は、ＸＹ面と平行な面内の少なくとも３ヶ所の各々に配置される微調整機構１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃを介して、ベースフレーム部材ＢＦに取り付けられる。ベースフレーム部材ＢＦは、図２６や図２７に示した光源装置ＬＳ、各種の光学部材（レンズ、ミラー等）、及び撮像素子ＭＣ１〜ＭＣ５等が取り付けられる光学定盤として設けられ、このベースフレーム部材ＢＦの下面側（−Ｚ方向）に、図２６で示した描画ユニット１〜３が取り付けられる。３ヶ所の微調整機構１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃは、ＸＹ面内で見ると、三角形の各頂点の位置に配置され、一例として、２つの微調整機構１１２Ｂ、１１２ＣはＹ軸方向に離間して筐体１００の−Ｘ方向側に配置され、微調整機構１１２Ａは筐体１００の＋Ｘ方向側に配置される。３つの微調整機構１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃは、いずれも、マウント部材１１０の当該部分をＺ方向に微動させるものであり、微調整機構１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃを共に同じ量だけＺ方向に調整することによって、筐体１００、即ち結晶体１０２をＺ方向に微少量だけ平行移動させることができる。また、ブラッグ回折の条件（ブラッグ角）からの逸脱が大きくなって回折効率が低下した場合は、微調整機構１１２ＡのみをＺ方向に調整して、結晶体１０２をＸＺ面内で微少量傾けることで、ブラッグ回折の条件を満たすような配置に補正することができる。なお、図２８では不図示であるが、筐体１００をマウント部材１１０上でＹ軸方向に微少量だけ平行移動させたり、Ｚ軸と平行な軸線の周りに微少回転させたりした状態で締結する為の締結位置調整機構も設けられている。
【０１２９】
図２８の微調整機構１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃや締結位置調整機構を用いた選択用光学素子ＯＳ１（又はＯＳ２、ＯＳ３）の位置や姿勢の調整作業の際には、図２６の光源装置ＬＳからビームＬＢを射出して、撮像素子ＭＣ２、ＭＣ３〜ＭＣ５の各々で撮像されるビームＬＢ（又は０次回折ビームＬＢｚ）のスポット像の状態変化をほぼリアルタイムに確認することができるので、調整作業が正確に行われると共に、作業効率が格段に向上する。従って、例えば、撮像素子ＭＣ２、ＭＣ３〜ＭＣ５によって撮像されるスポット像の形状の変化等から、選択用光学素子ＯＳ１〜ＯＳ３のいずれかに曇りが発生（結晶体１０２の入射面や出射面で発生）していると判断された場合は、微調整機構１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃや締結位置調整機構を操作して、ビームＬＢの結晶体１０２への入射位置を図２８中のＹＺ面と平行な面内で相対的にビームＬＢの直径（約０．５ｍｍ）程度だけ変更することが容易に実施できる。
【０１３０】
ところで、ＡＯＭによる選択用光学素子ＯＳ１〜ＯＳ３では、ブラッグ回折条件を満たすように、入射するビームＬＢの中心軸と結晶体１０２との角度関係を厳密に設定した場合、超音波振動子１０４が駆動している間、入射したビームＬＢの１次回折ビームのうち、例えば＋１次回折ビームＬＢｐが強く発生し、反対の回折角で発生する−１次回折ビームＬＢｍ（ノイズ光）は、ほとんど発生しない。しかしながら、ブラッグ回折条件からの逸脱が大きくなってくると、描画ユニット１〜３に向かう＋１次回折ビームＬＢｐの強度が低下（回折効率が低下）し、不要な−１次回折ビームＬＢｍの強度が大きくなってくる。そこで、例えば、図２６中の撮像素子ＭＣ２（又は図２７中の撮像素子ＭＣ３〜ＭＣ５）によって、不要な−１次回折ビームＬＢｍのスポット像も併せて観察できるように構成することにより、選択用光学素子ＯＳ１〜ＯＳ３の変動（回折効率の低下）をモニターすることができる。
【０１３１】
以上の図２６〜図２８の実施形態、及びその変形例によれば、ＡＯＭで構成される選択用光学素子（ＯＳ１〜ＯＳ３）の複数を、光源装置ＬＳからのビームＬＢの光路に沿って直列に配置し、複数の選択用光学素子のいずれか１つを順次オン状態にして複数の描画ユニット（１〜３）のいずれか１つに時分割でビームを供給するパターン描画装置において、選択用光学素子に入射する前のビームのスポット像と、選択用光学素子から射出するビームのスポット像との位置的な変化や形状の変化を検出する為の複数の撮像素子（ＭＣ１〜ＭＣ５）を、ビーム特性の変動計測装置として設けたので、光源装置ＬＳから複数の描画ユニットの各々に至るビーム切換部内で、ビームの位置ずれ（ドリフト）やフォーカス誤差を起こしている光学部材の位置、曇りが発生した光学部材の位置、或いは回折効率が低下した選択用光学素子の位置を容易に判定することができ、ビーム特性の変動を補正する為の調整作業の効率を上げることができる。また、選択用光学素子（ＯＳ１〜ＯＳ３）及び光路中の特定の光学部材（レンズ等）の位置や姿勢を調整する調整機構にモータ等の駆動源を設けた場合は、ビーム特性の変動計測装置によって計測される変動状態の情報に基づいた自動調整（自動補正）が可能となる。
【０１３２】
以上の各実施の形態やその変形例では、被走査面Ｐｏ（被描画体）とスポット光ＳＰとを主走査方向と副走査方向とに２次元的に相対走査して、電子デバイス用のパターンを描画する装置を例示したが、描画するパターンは直接的に電子デバイスを構成する積層構造体（配線層、各種の電極層、トランジスタ層、絶縁層等）に関わるものには限られない。例えば、真空蒸着装置やミストＣＶＤ装置においては、被成膜基板上に選択的に微細な成膜部分を形成する為に、被成膜基板上に重ね合わされる薄い金属製のマスキングプレート（電鋳マスクとも呼ばれる）が使われる。このマスキングプレートには、微細な寸法の開口パターンが多数形成されており、被成膜基板上には、その開口パターンを通して成膜物質が選択的に堆積される。各実施の形態やその変形例で示したパターン描画装置は、そのようなマスキングプレートを作成する際の開口パターンのパターニング処理（露光処理だけでなく、その後の現像処理、エッチングやメッキ処理を含む場合もある）にも利用できる。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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