DE69222733T2

DE69222733T2 - Nipkowscheibe für konfokalen optischen Scanner

Info

Publication number: DE69222733T2
Application number: DE69222733T
Authority: DE
Inventors: Kenta Mikuriya; Takeo Tanaami
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1991-10-31
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2012-08-29
Also published as: EP0727684B1; US5633751A; EP0727684A2; DE69222733D1; DE69231596T2; DE727684T1; US5428475A; DE69231596D1; EP0539691A2; EP0727684A3; DE539691T1; US5579157A; EP0539691A3; EP0539691B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen konfokalen optischen Scanner bzw. Abtaster für den Einsatz bei einem konfokalen Mikroskop und anderen und insbesondere eine Anordnung von Feinlöchern bzw. Lochblenden auf einer den konfokalen optischen Scanner strukturierenden Feinlochscheibe, die ein optisches Abtasten ermöglicht, ohne eine Ungleichmäßigkeit der Helligkeit an deren innerem und äußerem Randbereich mit sich zu bringen, und einen während ihrer Rotation durch Dezentrierung verursachten Effekt reduziert.

Beschreibung der verwandten Technik

Fig. 1 zeigt eine Anordnung eines Beispiels eines konfokalen Mikroskops, bei dem ein konfokaler optischer Scanner eingesetzt ist, und Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer konventionellen Feinlochscheibe, die für einen konfokalen optischen Scanner benutzt wird.
Nach den Fig. 1 und 2 wird das Ausgangslicht einer Lichtquelle (nicht gezeigt) nach Durchgang durch einen Polarisator 1a und einen Strahlteiler 2 auf eine Feinlochscheibe 3 gestrahlt, auf der eine Vielzahl von Feinlöchern 32 spiralförmig auf einer Platte 31 geschaffen sind. Von diesem Bestrahlungslicht wird Licht, das durch die spiralförmig auf der Feinlochscheibe 3 gelegenen Feinlöcher 32 hindurchgetreten ist, auf einem Prüfling 6 durch eine 1/4-Wellenplatte 4 und eine Objektivlinse 5 gesammelt. Das von dem Prüfling 6 reflektierte Licht wird zu den Feinlöchern 32 auf der Feinlochscheibe 3 gesammelt und passiert durch den gleichen optischen Pfad. Das reflektierte Licht geht dann durch das Feinloch 32 und das Bild vom Prüfling 6 kann mit den Augen durch den Strahlteiler 2 und einen Polarisator 1b und durch die Vermittlung eines Okulars 7 gesehen werden. Bei diesem Gerät wird die Feinlochscheibe 3 mit konstanter Geschwindigkeit durch einen Motor 8 gedreht, und der zu dem Prüfling 6 fokussierende Lichtpunkt wird durch Bewegung der Feinlöcher 32 infolge der Rotation der Feinlochscheibe 3 abgetastet.
Bei dem oben beschriebenen bekannten konfokalen optischen Scanner sind jedoch die vielen auf der Feinlochscheibe 3 in Spiralform ausgebildeten Feinlöcher 32 hinsichtlich der radialen Reihen isometrisch angeordnet. Dies ergibt sich aus der Fabrikation einer Maske, indem das Muster der gesamten Feinlochscheibe durch aufeinanderfolgendes Kopieren des Musters in einer radialen Reihe in gleichem Winkel geschaffen wird. Dementsprechend ist der Abstand zwischen den Feinlöchern am äußeren Rand der Feinlochscheibe größer als der Abstand an deren innerem Rand. Das heißt, ausgedrückt als durch die Feinlochscheibe hindurchtretende Lichtmenge, es ist dunkler am äußeren Rand und heller am inneren Rand, so daß beim Durchführen einer optischen Abtastung am inneren und äußeren Rand der Feinlochscheibe eine Ungleichmäßigkeit der Helligkeit verursacht wird.
Wenn darüber hinaus das Zentrum des Musters der Vielzahl von Feinlöchern 32, die auf der Feinlochscheibe 3 spiralförmig ausgebildet sind, und das Rotationszentrum der Feinlochscheibe 3 (Zentrum des Motors 8) voneinander abweichen, werden auf einer Bildebene Streifen entwickelt, wenn eine Bildebene durch ein Abtasten aufgebaut wird.
Die Streifen entwickeln sich aus dem folgenden Grund: wenn entsprechend Fig. 3A eine Spur (als Kreis angenommen) mit einem Dezentrierungswert e rotierend durch ein Fenster beobachtet wird, zeichnet die x- Koordinate eines Beobachtungspunkts A eine Zykloide (ungefähr eine Sinuskurve), deren Amplitude sich während 180º um 2e ändert. Es sei hier ein Meßfall betrachtet, daß das Abtasten einer Bildebene durch 90º erfolgt. Wenn das Abtasten in den Fig. 3A und 3B vom Punkt B gestartet wird, nimmt der Radius um e zu, bis der Punkt A erreicht wird. Wenn dementsprechend ursprünglich der Punkt B' vom Feinlochabstand in einer Bildebenenabtastung von 90º abgetastet werden sollte, passiert sie (die Abtastung) durch den Punkt A, dessen Radius um den Dezentrierungswert e größer ist als (der von) Punkt B'. Dementsprechend wird das Intervall zwischen den Punkten B' und A übermäßig abgetastet, wodurch die Bildebene weißlich bzw. aufgehellt wird. Im Gegensatz dazu, wenn das Intervall zwischen den Punkten B' und C abgetastet wird, ist das Abtasten nicht ausreichend, so daß ein Schwärzen der Bildebene erfolgt. In Wirklichkeit wird die Abtastung im Bogen durchgeführt, und der durch das Dezentrieren verursachte Streifen nimmt die in Fig. 3C gezeigte Form an.
Es ist notwendig, den Dezentrierungswert vollständig zu reduzieren, um einen solchen Streifen zu beseitigen. Obwohl die durch die Dezentrierung verursachten Streifen reduziert werden können, auch wenn die Dezentrierung groß ist, indem eine Bildebene durch mehr als zweimaliges Abtasten aufgebaut wird, wird S/N verschlechtert. Konventionellerweise war es sehr schwierig, diesen Dezentrierungswert anzupassen und natürlich unmöglich die Feinlochscheibe und den Motor zu trennen und auszutauschen.
Wenn darüber hinaus Licht von einer Lichtquelle (nicht gezeigt) auf die Feinlochscheibe 3 mit einer Vielzahl an spiralförmig angeordneten Feinlöchern 32 gestrahlt wird, deren Öffnungsfläche beispielsweise 1 % beträgt, passiert nur 1 % des gesamten auf die Feinlochscheibe 3 gestrahlten Lichts durch die Feinlöcher 32; der Strahlungsnutzungsgrad betrug so nur 1 %.
Des weiteren wird eine große Menge des Lichts von der Oberfläche der Feinlochscheibe 3 reflektiert und wird zu Streulicht. Obwohl ein Strahlstop 7a auf dem Okular 7, ein Polarisator 1a und eine 1/4-Wellenplatte 4 zum Eliminieren des Streulichts verwendet wurden, war es schwierig, das Streulicht vollständig zu eliminieren, worin der Grund des hohen Preises des Geräts zu sehen war.
Ein optischer Scanner mit den oben erwähnten Merkmalen ist in EP-A-0 320 760 offenbart. Dort wird ein Tandemabtastmikroskop beschrieben, das eine modifizierte Nipkow-Scheibenform nutzt. Die Öffnungen in der Platte befinden sich in einem ringförmigen Muster mit mehreren Armen. Jede Öffnung befindet sich entlang eines Spiralarms am Ende eines Radiusvektors. Die relativen Öffnungsorte ergeben sich aus einer mathematischen Beziehung. Der Abstand zwischen den Feinlöchern am äußeren Rand der Feinlochscheibe ist jedoch größer als der Abstand an deren innerem Rand. Daher ist der äußere Rand dunkler als der innere Rand der Feinlochscheibe, was zu einer Ungleichmäßigkeit der Helligkeit führt. Darüber hinaus erscheinen Streifen auf der Bildfläche, wenn das Zentrum des Feinlochmusters vom Rotationszentrum der Feinlochscheibe abweicht.

ABRISS DER ERFINDUNG

Dementsprechend ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme der vorhin genannten Technologie nach dem Stand der Technik zu lösen, indem eine Anordnung von Feinlöchern vorgesehen wird, die ein optisches Abtasten ermöglicht, ohne daß es zu einer Ungleichmäßigkeit der Helligkeit am inneren und äußeren Rand der Feinlochscheibe kommt.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Anordnung von Feinlöchern, durch die Streifen kaum entwickelt werden, auch wenn eine Dezentrierung groß ist.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird gemäß dieser Erfindung ein konfokaler optischer Scanner, wie er in Anspruch 1 beschrieben ist, bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterentwicklungen dieses Scanners sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen Aufgaben und Vorteile werden durch die folgende detaillierte Beschreibung der illustrierten Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich, insbesondere, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden, in denen gleiche Bezugsziffern die gleichen oder entsprechende Teile mehrerer Ansichten bezeichnen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung eines Beispiels eines konfokalen Mikroskops, bei dem ein konfokaler optischer Scanner eingesetzt wird;
Fig. 2 ein Beispiel einer Feinlochscheibe nach dem Stand der Technik, die für den konfokalen optischen Scanner benutzt wird;
Fig. 3A, B und C Diagramme zum Erläutern der Entwicklung von Streifen infolge einer Dezentrierung;
Fig. 4 ein Feinlochmuster das eine erste Ausführungsform des konfokalen optischen Scanners gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 5A - 5E Diagramme zum Erläutern der Anordnung der Feinlöcher von Fig. 4;
Fig. 6 ein Feinlochmuster, das eine zweite Ausführungsform des konfokalen optischen Scanners gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 7A - 7C Diagramme zum Erläutern der Feinlochanordnung in Fig. 6;
Fig. 8 ein Diagramm, das eine Abtastreihenfolge zeigt, wenn das Feinlochmuster in Fig. 6 gedreht wird;
Fig. 9 ein Diagramm zum Erläutern der Reduktion des durch Dezentrierung verursachten Versatzes mit der Feinlochanordnung nach Fig. 6;
Fig. 10A und B Diagramme, die eine Abtastreihenfolge und einen durch Dezentrierung verursachten Versatz von einer modifizierten Ausführungsform der Feinlochanordnung nach Fig. 6 zeigen;
Fig. 11 eine modifizierte Ausführungsform der Feinlochanordnung nach Fig. 6;
Fig. 12A und B eine Struktur einer Feinlochscheibe, die eine dritte Ausführungsform des konfokalen optischen Scanners gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 13 eine Struktur eines Geräts, bei dem die Feinlochscheibe nach Fig. 12 für ein konfokales Mikroskop benutzt wird;
Fig. 14 eine Modifikation der Feinlochscheibe nach Fig. 12;
Fig. 15A und B eine Struktur einer Feinlochscheibe, die eine Weiterentwicklung des konfokalen optischen Scanners darstellt;
Fig. 16 eine Modifikation der Feinlochscheibe nach Fig. 12;
Fig. 17 eine Darstellung zur Erläuterung der Betriebsweise des Geräts nach Fig. 13;
Fig. 18 eine Struktur einer zusätzlichen Weiterentwicklung des konfokalen optischen Scanners;
Fig. 19A und B eine Struktur einer Kollektorscheibe und Feinlochscheibe, die für den Scanner nach Fig. 18 benutzt werden;
Fig. 20A und B eine Struktur eines verzweigten optischen Systems, das für den Scanner nach Fig. 18 benutzt wird;
Fig. 21 eine Modifikation des konfokalen optischen Scanners nach Fig. 18; und
Fig. 22 eine vergrößerte strukturelle Darstellung einer Kollektorscheibe eines konfokalen optischen Scanners.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 4 ist eine Darstellung eines Feinloch- bzw. Lochblendenmusters gemäß einer ersten Ausführungsform eines konfokalen optischen Scanners der vorliegenden Erfindung. Diese Feinlochanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß mehr als ein Faden oder ein Gang von Feinlochreihen spiralförmig angeordnet ist, und daß der radiale Abstand einer Spur von einer imaginären Zentrumslinie, die die Zentren von mehreren die Feinlochreihen strukturierenden Feinlöchern verbindet, und der Peripherieabstand entlang der Spirale gleich sind. Konkret ist dieses Muster nach den folgenden Ausdrücken (1) und (2) gezeichnet:
ri = ro + θi*m*a/2π ...(1)
θi = {2π/(m*a)}{-ro + (ro² + i*m*a²/π)} ...(2)
wobei i = 0, 1, 2, ..., n (Reihenfolge vom Inneren der Spirale aus)
ri: Radius des i-ten Feinlochs, gemessen vom Zentrum der Scheibe,
ro: innerster Radius,
θi: Winkel des i-ten Feinlochs,
m: Anzahl der Spiralen,
a: Feinlochabstand; und
als Zeichnungsbedingungen,
Feinlochabstand a: Radius des innersten Rands der Spirale
ro = etwa 1 : 60, und
Anzahl der Spiralen m = 12 ist.
Nachfolgend werden die Gleichungen (1) und (2) erläutert. Entsprechend den Fig. 5A und 5B vergrößert sich der Radius zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt der Spur der Spirale um m*a, wenn sich die Feinlochscheibe um eine Umdrehung dreht. Deshalb beträgt der Radius r:
r = ro + θ*m*a/2π ...(3)
Und die Länge des Bogens l beträgt:
l = r*dθ = roθ + (m*a*θ²)/(2*2π) ...(4)
Wenn Gleichung (4) in Form von θ dargestellt wird,
θ = {2π/(m*a)}{-ro + (ro² + m*a*1/π)} ...(5)
wird aus Gleichung (5) und der folgenden Gleichung (6)
l = i*a ...(6)
die folgende Gleichung erhalten:
θ = {2π/(m*a)}{-ro + (ro² + i*m*a²/π)} ...(7)
Die Zeichnung des Feinlochmusters von Fig. 4 ist nach den Gleichungen (7) und (4) gemäß den vorhin genannten Zeichnungsbedingungen angefertigt.
Die in Fig. 4 gezeigte Feinlochanordnung wird durch einen Feinlochabstand a gebildet, der, wie in Fig. 5C gezeigt ist, sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung gleich ist. Das heißt, wenn sich der Durchmesser um einen Abstand (a) ändert, obwohl ein Versatz c mit dem inneren Umfang hervorgerufen ist, ändert sich die Anzahl der Feinlöcher pro Einheitsfläche nicht. Dementsprechend ist die Dichte der Feinlöcher gleich einer Anordnung im Quadrat, und die Dichte wird unabhängig vom Radius konstant.
Wenn dann die Feinlochscheibe gedreht wird, und die Lichtmenge pro Feinloch zu I (W: Watt) angenommen wird, tastet das Feinloch einen Bereich mit einer Breite (a) und einer Länge (a) zum benachbarten Feinloch ab, und die Beleuchtungsstärke E wird wie folgt ausgedrückt:
E = I/a² [W/m²] ...(8)
Bei der konventionellen Feinlochscheibe mit isometrischer Anordnung (z.B. in Fig. 2) ist die Abtastdistanz innerhalb der Einheitszeit (Distanz zum benachbarten Feinloch) a' größer als die Länge des inneren Umfangsbogens a, wie in Fig. 5D gezeigt, und dementsprechend ist die Beleuchtungsstärke E' am Außenumfang geringer als die Beleuchtungsstärke E am Innenumfang. Dagegen wird bei der Feinlochscheibe mit gleicher Abstandsanordnung der vorliegenden Erfindung die gleiche Bogenlänge a sowohl am Innen- als auch am Außenumfang abgetastet, wie in Fig. 5E gezeigt ist. Dementsprechend ist die Beleuchtungsstärke unabhängig vom Radius des Innen- und Außenumfangs konstant. Das heißt, wenn zum Abtasten eines Abstands am Innenumfang t Sekunden benötigt werden, und t' Sekunden (< t) zum Vollenden des Abtastens des Außenumfangs benötigt werden, beleuchtet das benachbarte Feinloch die übrigen t' - t Sekunden, wodurch es zu einer konstanten Lichtmenge am Innen- und Außenumfang bzw. -rand kommt.
Wie oben beschrieben worden ist, sind die Feinlöcher auf der für den Aufbau des konfokalen optischen Scanners verwendeten Feinlochscheibe so angeordnet, daß sowohl der radiale Abstand als auch der Umfangsabstand entlang der Spur der Spirale bei der ersten Ausführungsform des konfokalen optischen Scanners der vorliegenden Erfindung gleich sind, womit es zu keiner Ungleichmäßigkeit der Helligkeit während des optischen Scannens am Innen- und Außenumfang kommt.
Fig. 6 ist eine Zeichnung eines Feinlochmusters, das eine zweite Ausführungsform eines konfokalen optischen Scanners gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Diese Feinlochanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Bildebene mit einer Vielzahl von Feinlochreihen abgetastet wird, und daß die Feinlöcher so angeordnet sind, daß der Radius der Zentrumsposition aller Feinlöcher, die die Vielzahl von Feinlochreihen auf einer Bildebene strukturieren bzw. darstellen, jeweils verschieden ist. Konkret wird angenommen, daß sich auf einer Platte, wie in Fig. 6 gezeigt ist, radiale imaginäre Spuren befinden und Feinlöcher an einem beliebigen Radius auf der imaginären Spur angeordnet sind. Eine Bildebene wird durch Abtasten von N Feinlöchern aufgebaut. Für diese Feinlochgruppe werden Nummern wie folgt als Index vergeben (N = 7 in Fig. 6): Drehrichtung (imaginäre Spur N0) : i = 1, 2, ..., N Radialrichtung (von Innen) : j&sub1;, j&sub2;, ..., jN
Darüber hinaus wird der Radius jedes Feinlochs in radialer Richtung (j-Richtung) entsprechend r&sub1;, r&sub2;, ..., rN mit einem Index versehen. Nebenbei wird ein Zuwachs des Radius s zwischen allen Feinlöchern als konstant angenommen. Das heißt:
rj + 1 = rj + s
wobei r&sub1; = ro + s ist.
Wenn bei einer solchen Feinlochanordnung das Abtasten mit konventionellen Feinlochreihen (Spiralform) durchgeführt wird, deren Radius monoton ansteigt, wird der durch Dezentrierung verursachte Versatz δ (= g * i), wie in Fig. 7A gezeigt ist, infolge des Abstands g zwischen benachbarten Feinlöchern, der durch die Dezentrierung verursacht wird, proportional zur Drehrichtung (Spurnummer) i allmählich groß, und am letzten Feinloch (i = N) wird der Versatz infolge der Dezentrierung zu δ = g * N, was zum Abtasten von rN' durch Zurückziehen durch des Dezentrieren führt, obwohl ursprünglich rN abgetastet werden muß bzw. sollte. Wenn der Abtastabstand p&sub1; um das Zweifache auf p&sub2; (= 2 * p&sub1;), wie in Fig. 7B gezeigt ist, vergrößert wird, wird eine Bildebene durch zwei Gänge aufgebaut. Dann wird die/der oberste am N/2-ten Feinloch abgetastet, und der Versatz infolge der Dezentrierung ist zu diesem Zeitpunkt g * N/2. Der Versatz wird um mehr als einen/eine/eines, aufgebaut durch einen Gang, reduziert. Dies führt jedoch zu einem Problem, daß die Bildqualität grob wird, weil der Abtastabstand verdoppelt ist. Wenn der Zentrumsradius der Feinlöcher des zweiten Gangs um insgesamt p&sub1; vom ersten Gang entsprechend Fig. 7C versetzt wird, wird der Abstand bzw. die Lücke zwischen dem ersten Gang abgetastet. Dadurch wird der Dezentrierungseffekt reduziert, während die gleiche Bildqualität mit einem/einer, aufgebaut durch einen Gang gehalten wird. Der Gang ist nicht auf Zwei beschränkt sondern kann auch mehr als zwei Gänge umfassen. Wenn die Anzahl von Gängen monoton um jeweils Eins bis zur letzten Zahl ansteigt, kommt es zu N Gängen. Das heißt, da der Radius der benachbarten Feinlöcher unabhängig bestimmt werden kann, kann ein Muster gewählt werden, das den Dezentrierungseffekt minimiert. Für ein kreisförmiges Muster kommt es zu einem radial isometrischen Abstand. Dies führte zu der in Fig. 6 gezeigten Feinlochanordnung.
Bei der Feinlochanordnung in Fig. 6 sind die Feinlöcher so angeordnet, daß diejenigen an der Innendurchmesserseite ungeradzahlige und diejenigen an der Außendurchmesserseite geradzahlige in der Reihenfolge des Abtastens der Feinlöcher sind, die in der Drehwinkelrichtung mit Zahlen als Index versehen sind, und derart, daß der Radius monoton an der Innendurchmesserseite zunimmt und an der Außendurchmesserseite unter den folgenden Bedingungen abnimmt (N wird als ungeradzahlig angenommen und N/2 wird aufgerundet).
(1) wenn 1 ≤ j ≤ N/2 (Hälfte der Innendurchmesserseite):
Radius, wo sich das Feinloch befindet:
rj = ro + s * j ... (9)
Spurnummer, wo sich das Feinloch befindet:
i = 2j - 1 ... (10)
(2) wenn N/2 < j ≤ N (Hälfte der Außendurchmesserseite):
Radius, wo sich das Feinloch befindet:
rj = ro + s * j ... (11)
Spurnummer, wo sich das Feinloch befindet:
i = N - {(2j - N/2) - 1} ... (12)
Wenn die Feinlochscheibe, auf der sich die Feinlöcher befinden, als solche nach Montage an einen Motor und dergleichen in Drehung versetzt wird, wird das Abtasten in der in Fig. 8 gezeigten Reihenfolge durchgeführt. Fig. 8 zeigt einen Fall, bei dem N = 34 ist. Hier sei der Fall betrachtet, daß r', das vom wahren Radius r verschieden ist, infolge einer Dezentrierung e abgetastet wird. Generell wird eine Vielzahl von Bildebenen durch eine Rotation der Feinlochscheibe gemessen (16 Gänge = 16 Bildebenen/rund im Beispiel von Fig. 2), so daß der Versatzwert der Radiusposition infolge der Dezentrierung innerhalb einer Bildebene (oder Abstand zwischen benachbarten Feinlöchern) gegenüber dem Winkel monoton zunimmt oder abnimmt. Wenn der Abstand zwischen benachbarten Feinlöchern g ist [Mikrometer/Feinloch], wird der Versatz der Radiusposition des j-ten Feinlochs von der Innendurchmesserseite wie folgt berechnet:
rj' = rj + i * g ...(13)
Des weiteren wird bei der in Fig. 8 gezeigten Anordnung von Feinlöchern die Abtastreihenfolge (Reihenfolge von i) der Feinlöcher mit dem Kopfende (heading) vom Innenrand zum Außenrand (Reihenfolge von j) um jeweils Zwei versetzt. Wogegen beispielsweise i = 1, 2, 3, ... ist, ist die untere Reihe j = 1, 3, 5, ... und die obere Reihe j = 32, 30, 28, ... . Dementsprechend sind die Versätze δ vom wahren Radius r infolge der Dezentrierung e alle unter 2g, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Wenn die Innendurchmesserseite unabhängig vom Durchmesser konstant wird, ergibt sich eine Gleichung wie folgt:
rj + 1' - rj' = (rj + s + 3 * g) - (rj + 1 * g) = s + 2g (= s + δ) ... (14)
Das heißt, er kann durch Verteilen der Breite von den Streifen auf 2g reduziert werden, welche insgesamt g * N betragen hat. Der Abstand g von rj + 1 ist größer als rj, weil j in Gleichung (10) um 1 steigt und es ergibt sich folgendes:
ij + 1 - ij = {2(j + 1) - 1} - (2j-1) = 2
In ähnlicher Weise steigt j in Gleichung (12) an der Außendurchmesserseite um 1 und es ergibt sich folgendes:
ij + 1 - ij = N - {2((j + 1) - N/2) -1} - [N-{2(j - N/2) - 1}] = -2
Folglich wird er an der Innenrandseite 2g, und ein breiterer Bereich als im Fall keiner Dezentrierung wird abgetastet, so daß das Bild abgedunkelt wird. In ähnlicher Weise wird er an der Außenrandseite -2g, und das Bild wird aufgehellt. Der Versatz δ (Breite des Streifens) verursacht durch die Dezentrierung e wird zusammen 4g.
Wenn hier eine Bildebene durch Abtasten von N = 34 Feinlöchern aufgebaut ist und der Versatz je Bildebene infolge der Dezentrierung e' = 34 Mikrometer beträgt, ist konventionellerweise die Breite des Streifens δ = e' = 34 Mikrometer gewesen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch δ = 4g = 4 * e'/N = 4 Mikrometer. Das heißt, sie wird etwa 1/8. Wenn N erhöht wird, wird der Effekt auch verstärkt und der Effekt wird zu 4e/N.
Obwohl die Feinlöcher, die einzeln in Drehwinkelrichtung mit Nummern indiziert worden sind, so angeordnet worden sind, daß diejenigen an der Innendurchmesserseite ungeradzahlige sind und diejenigen an der Außendurchmesserseite geradzahlige in der Reihenfolge des Abtastens sind, und daß der Radius an der Innendurchmesserseite monoton zunimmt und an der Außendurchmesserseite in der vorhin genannten Ausführungsform monoton abnimmt, kann der Versatzwert (Breite des Streifens) der durch Dezentrierung verursachten Radiusposition mit der vorhin genannten Ausführungsform auf die gleiche Weise auf 4g verringert werden, auch wenn die Feinlöcher wie folgt angeordnet sind:
(1) diejenigen an der Innendurchmesserseite sind ungeradzahlige und die diejenigen an der Außendurchmesserseite sind geradzahlige in der Reihenfolge des Abtastens, und der Radius nimmt an der Innendurchmesserseite monoton ab und an der Außendurchmesserseite zu,
(2) diejenigen an der Innendurchmesserseite sind geradzahlige und diejenigen an der Außendurchmesserseite sind ungeradzahlige in der Reihenfolge des Abtastens, und der Radius nimmt an der Innendurchmesserseite monoton zu und an der Außendurchmesserseite ab, und
(3) diejenigen an der Innendurchmesserseite sind geradzahlige und diejenigen an der Außendurchmesserseite sind ungeradzahlige in der Reihenfolge des Abtastens, und der Radius nimmt an der Innendurchmesserseite monoton ab und an der Außendurchmesserseite zu.
Auch bei einer Doppelspitzenanordnung gemäß Fig. 10A, nicht (aber) bei der Einzelspitzenwertanordnung, wie bei der vorhin genannten Ausführungsform gezeigt, kann der Versatzwert δ der Radiusposition verursacht durch Dezentrierung ebenfalls auf etwa δ = 10g reduziert werden, wie in Fig. 10B gezeigt ist. Wenn beispielsweise N = 34 ist, wird die Breite des Streifens auf etwa 1/3 reduziert.
Kurz gesagt, kann die Breite des Streifens, die durch Dezentrierung entwickelt ist, durch Abtasten einer Bildebene mit einer Vielzahl von Feinlochreihen und durch Anordnung der Feinlöcher derart, daß der Radius der Zentrumsposition aller die Vielzahl von Feinlochreihen darstellenden Feinlöcher auf der einen Bildebene jeweils unterschiedlich ist, reduziert werden.
Wenn nun eine Bildebene abgetastet werden muß, kann die Meßgeschwindigkeit durch Verwenden einer Vielzahl von Feinlöchern zur gleichen Zeit, nicht (nur) wie in der obigen Ausführungsform, erhöht werden. Es sei beispielsweise der Fall betrachtet, bei dem die Feinlöcher radial angeordnet sind, und zwei Feinlöcher durch einen Abstand p in dem gleichen Winkel θi (i = 1, 2, ..., Nm) gemäß Fig. 11 voneinander getrennt sind. Bei diesem Fall befindet sich der Radius eines Feinlochs im nächsten Winkel θi + 1 an einer um den Abtastabstand s versetzten Position. Wenn dies als j&sub1;, j&sub2;, ..., jN betrachtet wird, kann eine für den Aufbau einer Bildebene notwendige Anzahl an Feinlöchern N wie folgt ausgedrückt werden:
Nm = p/s [Anzahl von Feinlöchern]
Bei einer Multifeinlochstruktur wird das Messen einer Bildebene immer abgeschlossen, wenn das Abtasten durch Nm in Winkelrichtung unabhängig vom Wert der Größe des visuellen Felds Q durchgeführt wird. Bei der Einzelfeinlochstruktur (ein Feinloch auf dem gleichen Winkel θ) dauert es Nm-mal so lange, um abzutasten. Dementsprechend kann in Betracht gezogen werden, daß ein Block in radialer Richtung durch p [Mikrometer] und in Umfangsrichtung durch Nm [Anzahl von Feinlöchern] strukturiert ist. Im Fall der Multifeinlochstruktur kann dieser Block als eine Bildebene gehandhabt werden und die Meßgeschwindigkeit kann erhöht werden. Bei einer derartigen Multifeinlochstruktur kann die wie im obigen Ausführungsbeispiel strukturierte Feinlochanordnung zusammen ausgeführt werden und die Breite des durch Dezentrierung entwickelten Streifens kann reduziert und die Meßgeschwindigkeit erhöht werden.
Wie oben beschrieben worden ist, wird gemäß der zweiten Ausführungsform des konfokalen optischen Scanners der vorliegenden Erfindung eine Bildebene durch eine Vielzahl von Feinlochreihen abgetastet, und die Feinlöcher sind derart angeordnet, daß der Radius der Zentrumsposition aller Feinlöcher, die die Vielzahl an Feinlochreihen auf der einen Bildebene darstellen, jeweils unterschiedlich ist, so daß die Entwicklung der Streifen unterdrückt werden kann, auch wenn die Dezentrierung groß ist.
Wenn darüber hinaus die Feinlöcher in isometrischem Abstand wie bei der obigen Ausführungsform angeordnet werden, d.h. wenn die Feinlöcher auf radialen, imaginären Spuren angeordnet werden, wird während des optischen Abtastens eine Ungleichmäßigkeit der Helligkeit hervorgerufen, da das Intervall der imaginären Spuren an der äußeren Randseite immer mehr geweitet ist als an der Innenrandseite, auch wenn die Abtastreihenfolge spiralförmig ist, und die Lichtmenge (Dichte) im Vergleich zur Innenrandseite an der Außenrandseite vermindert ist. Als Feinlochanordnung zum Beseitigen einer solchen Ungleichmäßigkeit der Helligkeit während des optischen Abtastens kann die Feinlochanordnung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Auf eine entsprechende Erläuterung wird hier verzichtet. Man stelle sich nun vor, daß die imaginäre Spur ein Band mit konstanter Breite und windungsartig zum Inneren angeordnet ist. In diesem Fall ist der Außenumfang der imaginären Spur im Vergleich zu einer, bei der die Feinlöcher in einem isometrischen Winkelabstand angeordnet sind, reduziert. Wenn darüber hinaus die Multifeinlochreihe auf der imaginären Spur mit gleichem Abstand p angeordnet ist, ist die Entfernung zwischen den Feinlöchern unabhängig vom Durchmesser konstant. Insbesondere wenn der Abstand p und die Breite der imaginären Spur gleich ist, wird die Dichte gleich wie bei dem Fall, daß Feinlöcher im Quadrat angeordnet sind. Nebenbei bemerkt ist die Krümmung der Spirale generell sehr groß, so daß sie fast gerade ist, und der Einfluß der Kurve kann innerhalb des Bereichs des Abstands p vernachlässigt werden. Folglich können die Feinlöcher so angeordnet werden, daß sie Ungleichmäßigkeit der Helligkeit am inneren und äußeren Rand der Feinlochscheibe beseitigt wird. Auch in einem solchen Fall kann die wie bei der obigen Ausführungsform strukturierte Feinlochanordnung zusammen ausgeführt werden, und die Breite der durch Dezentrierung entwickelten Streifen kann reduziert werden, und ein optisches Abtasten ohne Ungleichmäßigkeit der Helligkeit am inneren und äußeren Rand der Feinlochscheibe ist möglich.
Die Fig. 12A und B zeigen eine Struktur einer Feinlochscheibe nach einer dritten Ausführungsform des konfokalen optischen Scanners gemäß der vorliegenden Erfindung. Nach Fig. 12A wird ein dünner Film 12 auf einer Seite einer Glasplatte 11 ausgebildet und eine Fresnel-Linse 13 wird auf der anderen Seite der Glasplatte 11 ausgebildet. Die Dicke T der Glasplatte 11 entspricht der Brennweite der Fresnel-Linse 13, die auf einer Seite der Glasplatte 11 ausgebildet ist, und ein Feinloch 14 ist am Brennpunkt der Fresnel-Linse 13 auf dem dünnen Film 12 vorgesehen. Hier wird das Positionieren der Fresnel-Linse 13 und des Feinlochs 14, d.h. die Ausbildung des Feinlochs 14, mit Hilfe eines Halbleitermaskenmusters ausgeführt. Daneben kann es durch Verdampfen, Entfärben oder Ätzen des dünnen Films durch Einstrahlen eines hochintensiven Laserstrahls von der Seite der Fresnel-Linse 13 ausgeführt werden. Dabei kann das Positionieren auf dem dünnen Film 12 einfach ausgeführt werden, und das Feinloch 14 wird an der Kollektorposition der Fresnel-Linse 13 ausgebildet. Darüber hinaus wird, wie in Fig. 12B gezeigt ist, eine Vielzahl von Fresnel-Linsen 13, die auf einer Seite der Glasplatte 11 ausgebildet sind, durch Verschieben ihres Brennpunkts jeweils um Pr pro Bildebene in radialer Richtung geformt, so daß ein Bild der Feinlöcher den Prüfling bzw. die Probe abtasten kann, wenn die Feinlochscheibe 10 mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird.
Hier zeigt Fig. 13 einen Aufbau eines Geräts, bei dem die Feinlochscheibe von Fig. 12 für ein konfokales Mikroskop verwendet wird. In Fig. 13 wird das Ausgangslicht (dies kann weißes Licht und nicht nur Laserlicht sein) von einer Laserlichtquelle (nicht gezeigt) auf eine Feinlochscheibe 10 als paralleles Licht durch einen Strahlteiler 2 geschickt. Das zur Feinlochscheibe 10 geschickte Licht wird am Einlaß des Feinlochs 14, das an der Kollektorposition der Fresnel-Linse 13 gebildet ist, durch die Fresnel-Linse 13 entsprechend Fig. 12A gesammelt, und mehr Licht wird durch die Zwischenschaltung der Fresnel-Linse 13 gesammelt. Zurück zur Fig. 13; das Licht, das durch das Feinloch 14 passiert ist, wird auf die Probe 6 durch eine Objektivlinse 5 gestrahlt, nachdem es eine 1/4-Wellenplatte 4 passiert hat. Das reflektierte Licht von der Probe 6 durchquert wiederum die Feinlochscheibe 10 und gelangt durch Zwischenschaltung eines Ablenkstrahlteilers 2a zu einem Lichtempfänger (Kamera) 7b, und ein Bild der Probe 6 wird auf einem Monitor 9 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird die Feinlochscheibe 10 mit konstanter Geschwindigkeit durch einen Motor (nicht gezeigt) gedreht, und ein Bild des Feinlochs 14 tastet die Probe 6 infolge der Drehung der Feinlochscheibe 10 ab. Da darüber hinaus das Feinloch 14 auf der Feinlochscheibe 10 und der Lichtpunkt auf der Probe 6 (das Bild des Feinlochs) in konfokaler Beziehung stehen und sowohl das einfallende Licht von der Laserlichtquelle und das reflektierte Licht von der Probe 6 durch das Feinloch 14 passieren, kann eine hohe Auflösung infolge des konfokalen Effekts erzielt werden.
Des weiteren kann der Lichtempfänger 7b nicht nur eine Kamera sondern auch ein Okular sein, und die Beobachtung mit dem Auge wird bei der obigen Ausführungsform möglich. Darüber hinaus kann bei Einsatz eines Strahls pro Bildebene für den Lichtempfänger eine Photodiode oder ein hochempfindlicher Photovervielfacher verwendet werden. Außerdem kann der Ablenkstrahlteiler des konfokalen optischen Scanners ein Halbspiegel sein (die 1/4- Wellenplatte wird überflüssig), und unter Verwendung eines zweifarbigen Spiegels (1/4-Wellenplatte wird überflüssig) für den Ablenkstrahlteiler kann auch ein Leuchtstoff der Probe gemessen werden. Darüber hinaus kann die Anzahl der Strahlen zu mehreren Strahlen erhöht werden, nicht nur einer pro Bildebene, und die Lichtmenge in einer Bildebene und die Geschwindigkeit können erhöht werden.
Nachfolgend werden mehrere Anordnungen der Feinlochscheibe und Kollektoreinrichtung dargestellt. Diese unterschiedlichen Anordnungen dienen zum besseren Verständnis der Einsatzmöglichkeit der Kollektoreinrichtung, aber sie fallen nicht in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.
Fig. 14 ist eine Modifikation der Feinlochscheibe nach Fig. 12. In der Figur wird das Feinloch 14 und die auf dem dünnen Film 12 gebildete Fresnel-Linse 13 auf den Glasplatten 11a und 11b getrennt gebildet, welche unter Vermittlung eines Abstandshalters 15 so kombiniert werden, daß sich das Feinloch 14 am Brennpunkt der Fresnel-Linse 13 befindet.
Bei dieser Ausführungsform wird einfallendes Licht vom Einlaß des im Brennpunkt der Fresnel-Linse 13 gebildeten Feinlochs 14 durch die Fresnel-Linse 13 ähnlich dem Fall von Fig. 12 gesammelt, und mehr Licht wird durch die Fresnel-Linse 13 gesammelt, so daß der Strahlungsnutzungsgrad verbessert werden kann, und deren Herstellung wird verglichen mit der von Fig. 12 einfacher, da der dünne Film 12 und die Fresnel-Linse 13 auf getrennten Glasplatten gebildet werden können.
Die Fig. 15A und B zeigen eine Struktur einer anderen Feinlochscheibe eines konfokalen optischen Scanners gemäß der vorliegenden Erfindung. Nach Fig. 15A stellen die Fresnel-Linsen 13 (F1, F2, F3, ...) eine Fresnel-Linsengruppe dar, in der sie in einer Reihe in Umfangsrichtung mit konstanter Breite (Breite der Öffnungspupille bzw. des Öffnungslochs der Fresnel-Linse) in radialer Richtung angeordnet sind. Gemäß Fig. 15B enthält die Fresnel-Linsengruppe welche, deren Brennpunkt der Fresnel-Linse 13 außerhalb der Öffnungslichtlochweite B der Fresnel-Linse (F1, F2, F4 und F5 in der Figur) liegt, neben welchen, deren Brennpunkt der Fresnel-Linse 13 im Inneren des Öffnungslichtlochs der Fresnel-Linse (F3 in der Figur) liegt. Hier wird eine Fresnel-Linse, deren Brennpunkt außerhalb des Öffnungslichtlochs B liegt, oder beispielsweise die Fresnel-Linse F1 durch Annahme einer großen Fresnel-Linse gebildet, deren Brennpunkt P1 in Rotationssymmetrie gebracht ist, und mit Hilfe eines Musters, dessen Randabschnitt abgeschnitten ist. Darüber hinaus wird der Bestrahlungsbereich in radialer Richtung des auf die Feinlochscheibe 10 gestrahlten Bestrahlungslichts in radialer Richtung nur auf die Breite der Fresnel-Linse 13 begrenzt.
Durch die oben beschriebene Strukturierung werden die Fresnel-Linsen durch Verschieben um Pr in radialer Richtung jeweils pro Bildebene gebildet, so daß das Bild des Feinlochs die Probe abtasten kann, wenn Licht auf die mit konstanter Geschwindigkeit drehende Feinlochscheibe nach Fig. 12 fällt. Dementsprechend wird, obwohl das Bestrahlungslicht notwendig ist, um die gesamte A- Dimension in radialer Richtung zu bestrahlen, Licht nur mit der Breite des Öffnungslichtlochs B der Fresnel-Linse auf die Probe gestrahlt, so daß der Strahlungsnutzungsgrad zu B/A wird und verglichen mit dem Beispiel nach dem Stand der Technik verbessert ist, aber nicht genug ist. Der Strahlungsnutzungsgrad wird weiter verbessert, um dieses Problem zu bewältigen (vgl. Fig. 15). Zurück zur Fig. 15; der Brennpunkt Pi (i = 1, 2, ...) tastet die Probe entlang der Drehung der Feinlochscheibe 10. In diesem Fall kann, obwohl der Bestrahlungsbereich des auf die Feinlochscheibe 10 geschickten Bestrahlungslichts in radialer Richtung nur auf die Breite B der Fresnel-Linse 13 in radialer Richtung begrenzt ist, das Bild des Feinlochs den Bereich A der Probe in radialer Richtung abtasten. Dementsprechend kann der Lichtbestrahlungsbereich reduziert werden, und der Strahlungsnutzeffekt wird B/B und er wird gegenüber dem Fall von Fig. 12 weiter verbessert.
Für die Fresnel-Linse, die für den konfokalen optischen Scanner gemäß der obigen Ausführungsform benutzt wird, kann eine Fresnel-Zonenplatte bestehend aus einer Vielzahl von Mustern mit variabler Dichte und Phasendifferenz, die konzentrisch und abwechselnd gelegen ist/sind, verwendet werden, obwohl dies eine Abnahme der Lichtmenge mit sich bringt, neben derjenigen mit einem Sägezahnschnitt. Darüber hinaus kann die Glasplatte aus einem Kunststoff bestehen und Spritzgießen angewandt werden.
Fig. 16 ist eine Modifikation der Feinlochscheibe nach Fig. 12. Nach Fig. 16 wird eine Vielzahl von sekundären, gekrümmten Spiegeln 22 in Spiralform an dem Außenrandabschnitt der einen Seite einer ersten Platte 21 geschaffen. Die gleiche Anzahl an Feinlöchern 24 wie die Vielzahl an sekundären, gekrümmten Spiegeln 22 wird in Spiralform auf dem äußeren Randabschnitt einer zweiten Platte 23 geschaffen. Die erste Platte 21 und die zweite Platte 23 werden beispielsweise durch einen Abstandshalter 25, der das gleiche Rotationszentrum besitzt, so kombiniert, daß die Feinlöcher 24 entsprechend am Brennpunkt der sekundären, gekrümmten Spiegel 22 angeordnet sind. Eine Feinlochscheibe 20 dreht sich mit einer konstanten Geschwindigkeit und Bilder der Feinlöcher tasten die Probe ab.
Wenn bei einem solchen Aufbau Licht von einer Lichtquelle (nicht gezeigt) zum sekundären, gekrümmten Spiegel 22 der Feinlochscheibe 20 geschickt wird, wird dessen reflektiertes Licht am Einlaß des Feinlochs 22 gesammelt, das am Brennpunkt des sekundären, gekrümmten Spiegels 22 angeordnet ist. Dementsprechend kann mehr Licht gesammelt werden, und der Strahlungsnutzeffekt bzw. Strahlungsnutzungsgrad kann verbessert werden. Da außerdem keine Linse als Lichtsammeleinrichtung, verglichen mit denen von den Fig. 12 und 15, verwendet wird, gibt es keinen Einfluß von chromatischer Aberration infolge der Linse. Da also keine Wellenlängenbegrenzung verwendet wird, wird die gleichzeitige Bestrahlung mit mehreren Wellenlängen mittels eines RGB-Lasers und dergleichen möglich. Es kann auch ein Farbbild erhalten werden und der Einsatz ultravioletter Strahlung wird ohne weiteres möglich. Nebenbei ist das Sammeln von Licht außerhalb der in Fig. 15 gezeigten Lichtachse mit diesem Aufbau des sekundären, gekrümmten Spiegels ebenfalls möglich.
Bei der dritten Ausführungsform wird der Lichtsammelwirkungsgrad erhöht und der Strahlungsnutzeffekt durch Anordnen der Feinlöcher auf der Feinlochscheibe und Lichtsammeleinrichtungen wie in der oben erwähnten ersten oder zweiten Ausführungsform gezeigt, verbessert. Darüber hinaus wird ein optisches Abtasten ohne eine Ungleichmäßigkeit der Helligkeit am inneren und äußeren Rand der Feinlochscheibe realisiert, und die Breite der durch Dezentrierung verursachten Streifen wird reduziert.
Des weiteren kann bei der obigen Ausführungsform für die Lichtsammeleinrichtung der Feinlochscheibe, mit der der konfokale optische Scanner aufgebaut ist, eine Mikrolinse vom Mikrokonvexlinsentyp oder eine Plattenmikrolinse mit verteiltem Brechungsindex, die durch Dotieren eines Materials mit einem hohen Brechungsindex in eine Platte mit einem niedrigen Brechungsindex gebildet wird, anstelle der Fresnel-Linse oder des sekundären, gekrümmten Spiegels verwendet werden, was den gleichen Effekt erwarten läßt.
Da auf der anderen Seite entsprechend Fig. 13 das Licht, das an der Probe 6 reflektiert wird und die Feinlochscheibe 10 durchquert, wieder zu parallelern Licht wird, wenn das rückkehrende Licht von der Probe 6 in das Feinloch 14 der Feinlochscheibe 10 eintritt, wird das zu φb abgeblendete Licht ein paralleles Licht mit φa und wird nach Durchgang durch die Fresnel-Linse 13 auf der Feinlochscheibe 10 groß. Wenn beispielsweise, wie in Fig. 17 gezeigt ist, die Größe des Bildelements c der Bedingung b < c < a entspricht, ist der Abtastabstand p des Bilds des Feinlochs 14 generell p < a, und die Auflösung des Bilds der von der Kamera 7b aufgenommenen Probe ist offensichtlich reduziert. Wenn eine Linse zwischen den Ablenkstrahlteiler 2a und die Kamera 7b eingefugt wird, um die Auflösung zu erhöhen, wird das von der Probe reflektierte und durch die Feinlochscheibe 10 hindurchgegangene Licht durch die Linse an einem Punkt gesammelt, und es wird kein Bild erzeugt, da die Lichtbestandteile alle paralleles Licht sind. Wenn darüber hinaus die Fresnel-Linse 13 wie eine Fresnel- Zonenplatte die Reduktion der Lichtmenge mit sich bringt, wird der Strahlungsnutzungsgrad verschlechtert und sehr schwaches Fluoreszenzlicht von der Probe wird vermindert, was zur Abnahme der Empfindlichkeit führt. Da außerdem die Lichtsammeleinrichtung wie die Fresnel-Linse 13 generell eine kreisförmige Gestalt besitzt, besteht die Möglichkeit, daß Licht zwischen benachbarten Kreisen (Fresnel-Linse, gebildet in der Nachbarschaft) wie es ist auf der Feinlochoberfläche ankommt und an der Feinlochoberfläche oberflächenreflektiert wird (Streulicht), wodurch es zum Problem der Verringerung der Auflösung kommen kann.
Weiterentwicklungen lösen dieses Problem.
Fig. 18 zeigt die Struktur einer derartigen Weiterentwicklung des konfokalen optischen Scanners gemäß der vorliegenden Erfindung, der für ein konfokales Mikroskop verwendet wird. Nach Fig. 18 enthält der konfokale optische Scanner eine Kollektorscheibe 161, auf der eine Vielzahl von auf einer Seite einer Glasplatte nach Fig. 19A gebildete Fresnel-Linsen durch Verschieben ihres Brennpunkts um Pr jeweils in radialer Richtung je Bildebene geformt werden, eine Feinlochscheibe 162, auf der eine Vielzahl von auf einer Platte nach Fig. 19B geformten Feinlöchern durch jeweilige Verschiebung um Pr (Pθ in der Umfangsrichtung) in radialer Richtung gebildet wird, eine Feinlochscheibe 16 mit einer Trommel zum Verbinden der Kollektorscheibe 161 und der Feinlochscheibe 162, so daß die Feinlöcher entsprechend an dem Brennpunkt der Fresnel-Linsen angeordnet sind, einen Strahlteiler 2, der zwischen der Kollektorscheibe 161 und der Feinlochscheibe 162 vorgesehen ist, und einen Motor 8 zum Drehen der Feinlochplatte 16 mit konstanter Geschwindigkeit. Sowohl die Kollektorscheibe 161 als auch die Feinlochscheibe 162 können ohne weiteres mit Hilfe eines Halbleitermaskenprozesses und dergleichen hergestellt werden, und der Strahlteiler 2 wird mit Hilfe eines Trägermechanismus (nicht gezeigt), der in rechtwinkliger Richtung zu einer Blattoberfläche vorgesehen ist, in einem Raum bzw. Abstand gehalten und sein Durchgangs/Reflexionsverhältnis beträgt 50:50. Eine Objektivlinse 5 strahlt Ausgangslicht von den Feinlöchern zur Probe 6 und ist an einer Position vorgesehen, an der das zurückkehrende Licht von der Probe 6 wieder in das Feinloch eintritt. Eine Kollektorlinse 18 ist an der Position und Brennweite vorgesehen, an der das Bild des Feinlochs auf der Kamera 7b an der Seite des konfokalen optischen Scanners gebildet werden kann.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird das Ausgangslicht (es kann weißes Licht sein oder nur Laserlicht) von einer Laserlichtquelle (nicht gezeigt) in dem bzw. zu dem konfokalen optischen Scanner geschickt. Das zum konfokalen optischen Scanner geschickte Licht wird durch die Fresnel-Linse, die auf der Kollektorscheibe 161 der Feinlochplatte 16 gebildet ist, gesammelt und es wird durchgehend durch den Strahlteiler 2 zu dem auf der Feinlochscheibe 162 gebildeten Feinloch gesammelt. Das durch das Feinloch hindurchgehende Licht wird durch die Objektivlinse 5 auf die Probe 6 gestrahlt. Das von der Probe 6 zurückgehende Licht tritt wieder durch die Objektivlinse 5 und die Feinlochscheibe 162 und wird durch den Strahlteiler 2 reflektiert (abgelenkt in rechtwinkliger Richtung von der Lichtachsenrichtung des einfallenden Lichts). Dann wird unter Zwischenschaltung der Kollektorlinse 18 das Bild der Probe 6 auf der Kamera 7b gebildet. Bei dieser Ausführungsform wird die Feinlochplatte 16 durch den Motor 8 mit konstanter Geschwindigkeit gedreht, und das Bild des Feinlochs tastet die Probe infolge der Rotation der Feinlochplatte 16 ab. Da außerdem das Feinloch auf der Feinlochscheibe 162 und der Lichtfleck auf der Probe 6 (Bild des Feinlochs) in konfokaler Beziehung stehen, und sowohl das einfallende Licht von der Laserlichtquelle (nicht gezeigt) als auch das reflektierte Licht von der Probe 6 durch das Feinloch hindurchtreten, kann infolge des Konfokaleffekts eine hohe Auflösung erzielt werden. Da des weiteren das von der Probe 6 zurückkehrende Licht nicht durch die Kollektorscheibe 161 tritt, kann die von dem Durchmesser des Feinlochs erhaltene konfokale Auflösung beibehalten werden, und sogar wenn die Fresnel- Linse derartig ausgestaltet ist, daß durch sei die Lichtmenge entlang des Durchgangs wie bei einer Fresnel Zonenplatte abnimmt, kann die gesamte Lichtmenge des zurückkehrenden Lichts aufgenommen bzw. empfangen werden.
Darüber hinaus ist die Beobachtung mit den Augen möglich, wenn ein Okular anstelle der Kamera 3 in der vorhin genannten Ausführungsform installiert ist. Außerdem kann ein Ablenkstrahlteiler für den Strahlteiler 2, wie in Fig. 20A gezeigt, verwendet werden, und eine 1/4-Wellenplatte kann zwischen der Feinlochscheibe 162 und der Probe 6 angeordnet werden. Wenn das einfallende Licht einer p-Ablenkung unterworfen wird, passiert das einfallende Licht durch den Ablenkstrahlteiler. Dieses Licht wird nach Durchgang durch die 1/4-Wellenplatte zirkular abgelenkt (becomes circle deflection), und wenn es von der Probe 6 reflektiert wird und wieder durch die 1/4-Wellenplatte hindurchtritt, kommt es zur s-Ablenkung und es wird durch den Ablenkstrahlteiler reflektiert. Das Verhältnis von s : p kann 2 : 98 bis 1 : 10000 betragen, so daß der Wirkungsgrad des einfallenden Lichts und des zurückgeworfenen Lichts verbessert ist. Darüber hinaus kann der Strahlteiler 2 ein zweifarbiger Spiegel, wie in Fig. 20B gezeigt ist, sein, und wenn in diesem Fall eine Charakteristik für das Durchlassen des einfallenden Lichts (Anregungslicht λEX) und das Reflektieren des zurückgeworfenen Lichts (Fluoreszenzlicht λEM) von der Probe (fluoreszierende Substanz) gegeben ist, kann das Anregungslicht λEX = 3 % und das Fluoreszenzlicht λEM = 80 % ohne weiteres mit dem Reflexionsfaktor des zurückgeworfenen Lichts erhalten werden. Wenn ein Filter zum Abschneiden des Anregungslichts λEX an der Seite angeordnet ist, kann ein höheres S/N erzielt werden.
Fig. 21 ist eine Modifikation des konfokalen optischen Scanners nach Fig. 18. Der Unterschied zwischen dem konfokalen optischen Scanner von Fig. 21 und Fig. 18 liegt darin, daß die Feinlochscheibe 16a, mit der der konfokale optische Scanner aufgebaut ist, mit der an der Seite angebrachten Kollektorscheibe 161 und der am Boden befindlichen Feinlochscheibe 162 konstruiert wird, der Lichtweg des Bestrahlungslichts, das in die Kollektorscheibe 161 von der Seite der Feinlochscheibe 16a geschickt wird, durch den Strahlteiler 2 in rechtwinkliger Richtung geknickt ist und (das Licht) durch die Feinlochscheibe 162 auf die Probe 6 gestrahlt wird, und daß das von der Probe 6 zurückkehrende Licht nach Durchgang durch die Feinlochscheibe 162 durch den Strahlteiler 2 hindurchtritt und mittels der Kollektorlinse 18 auf der Kamera 7b für eine Abbildung sorgt.
Dementsprechend passiert auch bei dieser Modifikation sowohl das einfallende Licht von der Laserlichtquelle (nicht gezeigt) als auch das von der Probe 6 zurückkehrende Licht durch das Feinloch, so daß eine hohe Auflösung infolge des konfokalen Effekts erzielt werden kann. Darüber hinaus passiert das von der Probe 6 zurückkehrende Licht nicht die Kollektorscheibe 161, so daß die von dem Durchmesser des Feinlochs erhaltene konfokale Auflösung gehalten werden kann.
Fig. 22 ist eine vergrößerte Strukturdarstellung einer anderen Kollektorscheibe des konfokalen optischen Scanners gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 22 ist eine Vielzahl von Mikrolinsen 161a, die eine Kollektoreinrichtung darstellen, auf einer Glasplatte geformt. Ein Verdunklungsfilm 161b, zum Beispiel ein Cr- Film (dieser besitzt normalerweise einen Reflexionsfaktor von 15 %), mit geringem Durchlaßvermögen wird auf dem Teil gebildet, auf dem keine Mikrolinsen 161a auf der Glasplatte gebildet sind (mikrolinsenfreier Teil). Da in diesem Fall der Bereich außer den Mikrolinsen 161a der Kollektorscheibe 161 durch den Cr-Film abgeschattet bzw. verdunkelt ist, wird das Licht, das auf den Bereich außer den Mikrolinsen 161a gestrahlt wird, von dem zur Kollektorscheibe 161 gestrahlten Licht von dem Verdunklungsfilm 161b reflektiert und erreicht nicht die Feinlochscheibe (nicht gezeigt) und das Streulicht, das von der Feinlochoberfläche oberflächenreflektiert wird, kann reduziert werden. Da außerdem der Verdunklungsfilm 161b die Glasplatte ist, in der die Mikrolinsen 161a gebildet sind, d.h. das Glas hat ein Reflexionsvermögen von 4 %, und da das durch den mikrolinsenfreien Teil hindurchgehende Licht durch Einsatz eines Films mit mehr als 4 % Reflexionsvermögen vollständig abgeschattet wird, kann das Streulicht von der Feinlochscheibe reduziert werden.
Daneben kann für die Kollektorscheibe, mit der der konfokale optische Scanner aufgebaut wird, eine Fresnel- Zonenplatte bestehend aus einer Vielzahl von Mustern variabler Dichte und Phasendifferenz, abwechselnd und konzentrisch angeordnet, verwendet werden, obwohl sie eine Reduktion der Lichtmenge mit sich bringt, oder es kann eine Mikrolinse vom Mikrokonvexlinsentyp (micro convex lens micro lens), die durch Teilkontraktion von kristallisiertem Glas gebildet wird, oder eine Plattenmikrolinse mit verteiltem Brechungsindex verwendet werden, die durch Dotieren eines Materials mit hohem Brechungsindex in eine Platte mit niedrigem Brechungsindex hergestellt wird. Außerdem kann für den Verdunklungsfilm statt des Cr-Films ein Emulsionsfilm verwendet werden.
Außerdem kann ein Aufbau vorgesehen werden, bei dem das von der Probe zurückgeworfene Licht nicht durch Anordnung von Feinlöchern auf der Feinlochscheibe und Anordnung von Kollektoreinrichtungen, wie in der obigen ersten oder zweiten Ausführungsform gezeigt, zur Kollektorscheibe geschickt wird, so daß die Verminderung der Auflösung des konfokalen Punkts, die/der durch den Feinlochdurchmesser erhalten wird, verhindert wird und die Abbildungscharakteristiken verbessert werden können, da die Menge an von der Probe zurückgeworfenem Licht nicht vermindert ist, auch wenn eine Kollektorscheibe, mit der die Verminderung der Lichtmenge infolge von Transmission einhergeht, verwendet wird. Da des weiteren der Verdunklungsfilm auf dem mikrolinsenfreien Teil der Kollektorscheibe gebildet wird, kann die Oberflächenreflexion von der Feinlochscheibenoberfläche reduziert und ein optisches Abtasten ohne Ungleichmäßigkeit der Helligkeit am inneren und äußeren Rand der Feinlochscheibe realisiert werden. Darüber hinaus kann die Breite der durch Dezentrierung verursachten Streifen reduziert werden.
Wie oben beschrieben worden ist, ist gemäß dem konfokalen optischen Scanner der vorliegenden Erfindung offensichtlich, daß:
(1) das optische Abtasten ohne Ungleichmäßigkeit der Helligkeit am inneren und äußeren Rand der Feinlochscheibe realisiert wird, da die Feinlöcher in gleichem Abstand entlang der Spur der Spirale angeordnet sind;
(2) da ein konfokaler optischer Scanner, bei dem sich Streifen blank bzw. klar entwickeln, realisiert werden kann, auch wenn die Dezentrierung groß ist, die Dezentrierung ohne weiteres angepaßt werden kann und eine Trennung und ein Austausch der Feinlochscheibe und des Motors möglich wird;
(3) mehr einfallendes Licht zu den Feinlöchern gesammelt werden kann, indem ein konfokaler optischer Scanner mit einer Feinlochscheibe ausgestattet wird, auf der die Feinlöcher an Brennpunkten einer Vielzahl von Kollektoreinrichtungen angeordnet sind;
(4) da der Einsatz einer Kollektoreinrichtung, welche außerhalb der Öffnungslichtlochweite fokussiert, die Reduktion des Bestrahlungsbereichs des Lichts ermöglicht, der Strahlungsnutzungsgrad weiter verbessert werden kann;
(5) da das auf die Oberfläche der Feinlochscheibe außer den darauf befindlichen Feinlöchern gestrahlte Licht zu den Feinlöchern kollimiert wird, das von der Feinlochscheibenoberfläche reflektierte Licht reduziert, das Streulicht von dem oberflächenreflektierten Licht beseitigt und ein Mechanismus zum Beseitigen des Streulichts vereinfacht werden kann;
(6) da er so aufgebaut ist, daß das von der Probe zurückfallende Licht nicht in eine Kollektorscheibe eintritt, das Absenken der konfokalen Auflösung, die durch den Feinlochdurchmesser erhalten wird, verhindert werden kann, und die von der Probe zurückfallende Lichtmenge sich nicht reduzieren wird, auch wenn eine solche Kollektorscheibe verwendet wird, die eine Reduktion der Lichtmenge durch Transmission mit sich bringt, wodurch sich eine Verbesserung der Abbildungscharakteristiken ergibt; und
(7) da ein Verdunklungs- bzw. Abschattungsfilm an dem mikrolinsenfreien Teil der Kollektorscheibe gebildet ist, die Oberflächenreflexion von der Feinlochscheibenoberfläche reduziert werden kann.

Claims

1. Konfokaler optischer Scanner bzw. Abtaster, umfassend eine rotierende Feinloch- oder Lochblendenscheibe (3), in welcher zahlreiche Feinlöcher oder Lochblenden (32) geformt sind, um durch die Feinloch- oder Lochblendenscheibe (3) auf einen Prüfling (6) hindurchfallendes Beleuchtungslicht abzutasten bzw. mit einer Abtastbewegung zu führen,

wobei die zahlreichen Feinlöcher bzw. Lochblenden (32) in einer Anzahl von vom Zentrum der Scheibe (3) nach außen verlaufenden Linien und in einer Anzahl von im wesentlichen konzentrischen, vom Zentrum nach außen verlaufenden Reihen geformt sind und die Reihen eine Spiralform aufweisen,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Koordinate des Zentrums jedes (jeder) Feinlochs bzw. Lochblende, vom Zentrum der Scheibe aus gemessen, den folgenden Gleichungen genügt:

ri = r&sub0; + θi m a/2π

θi = [2π/(m a)][-r&sub0; + (r&sub0;² + i m a²/π)]

worin bedeuten: i = 0, 1, 2, ..., n, gleich der Reihenfolge von der Innenseite der Spirale; ri = Scheibenradius am (an der) i-ten Feinloch bzw. Lochblende; und r&sub0; = innerster Scheibenradius; θi = Winkel des (der) i-ten Feinlochs bzw. Lochblende; m = Zahl der Spiralen; sowie a = Feinloch- bzw. Lochblenden(mitten)abstand, derart, daß ein erster (Mitten-)Abstand zwischen benachbarten Linien gleich einem zweiten (Mitten-)Abstand zwischen benachbarten Reihen, vom (von der) gleichen Feinloch bzw. Lochblende aus gemessen, ist.

2. Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinlöcher bzw. Lochblenden (32) so positioniert sind, daß auf einer Abbildungsebene die Radien ri jeder Reihe von Feinlöchern bzw. Lochblenden voneinander verschieden sind.

3. Scanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den zahlreichen Feinlöchern bzw. Lochblenden (32) Zahlen zugewiesen sind, wobei die an (in) einer bestimmten Reihe angeordneten Feinlöcher bzw. Lochblenden ungerade Zahlen tragen und die an (in) einer nächsten, anschließenden äußeren Reihe angeordneten Feinlöcher bzw. Lochblenden gerade Zahlen tragen, und wobei sich bei einer Drehung der Scheibe (3) der Radius ri an der bestimmten Reihe regelmäßig verkleinert und sich an der nächsten, anschließenden äußeren Reihe regelmäßig vergrößert.

4. Scanner nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner umfassend eine Anzahl von Kollektormitteln mit jeweils einem Brennpunkt, wobei die zahlreichen Feinlächer bzw. Lochblenden auf den Brennpunkten der mehreren Kollektormittel angeordnet sind.