JP2000098240A

JP2000098240A - 落射型顕微鏡

Info

Publication number: JP2000098240A
Application number: JP10268306A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Fujii; 章弘藤井
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 2000-04-07

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、簡単に表面の表面側、裏面側を観
察、測定する。【解決手段】標本２から見て対物レンズ１１の配置側と
は反対側に標本２に対して間隔を隔てて反射ミラー２０
を配置し、反射ミラー２０を対物レンズ１１に近付けて
標本２の全面の観察像を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、落射型顕微鏡に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体製造工程におけるリード
フレーム等の不透明の標本の観察には、その標本を上方
から照明し、この標本表面からの反射光によって標本の
表面を観察する落射型顕微鏡が用いられている。

【０００３】図１３はかかる落射型顕微鏡を用いての標
本観察の作用を示しており、標本台１には不透明の標本
２が載せられ、この標本２の上方に配置された対物レン
ズ３を通して落射照明光が標本２の表側表面（対物レン
ズ３側から見える面）に照射されている。そして、この
標本２からの反射光は、対物レンズ３により集光され、
結像されてその標本２の像を観察、測定するものとな
る。

【０００４】又、不透明の標本の立体形状（三次元形
状）を詳細に測定するための顕微鏡としては、焦点の合
った標本面の情報だけを取り出す共焦点型の顕微鏡が用
いられている。この共焦点型顕微鏡は、焦点深度が非常
に浅く、標本の高さ方向に対物レンズと標本とを相対的
に走査すると、標本表面の焦点の合った表面のみを明る
く表示し、焦点の合っていない表面は像を結ばずに画像
として表示されない。この特性を利用することで標本表
面の微細な凹凸形状も正確に測定でき、標本の立体形状
を通常の顕微鏡に比べてより詳しい標本表面の立体形状
を得ることができる。

【０００５】一方、標本２の表側表面とその反対側の面
（以下、裏側表面と称する）とを共に観察、測定したい
場合には、上記の如く落射型顕微鏡により標本２の表側
表面を観察、測定し、この後に標本２の配置向きを逆に
して再度落射型顕微鏡により標本２の裏側表面を観察、
測定している。

【０００６】又、標本の表側と裏側の全面を同時に観察
できる顕微鏡としては、図１４に示すように標本台４の
穴部５に跨がって載置された標本６に対して、その両側
にそれぞれ対物レンズ７、８を設け、これら対物レンズ
７、８にそれぞれ独立した落射型顕微鏡の光学系を設け
ることで、標本６の表側と裏側の全面を同時に観察す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記落
射型顕微鏡や共焦点型顕微鏡で不透明の標本を観察した
りその立体形状を測定する場合、標本の裏側表面には落
射照明光が届かないので、標本の裏側表面の観察、測定
はできない。このため、標本の裏側表面を観察したりそ
の立体形状を測定する場合には、標本の向きを変えて再
度観察をやり直さなければならず、手間が掛かる。特に
共焦点型顕微鏡により標本の立体形状を測定する場合に
は、立体像として得られる情報は標本の対物レンズ側、
つまり片側面だけの立体情報であり、表裏側を含めた標
本全体の表面の立体形状は得られない。

【０００８】又、図１３に示すような標本２の場合、こ
の標本２の側面Ａ部及びＢ部からの反射光の大部分は対
物レンズ３により集光されず、暗く質の悪い観察像にな
ってしまう問題がある。このように標本２の側面Ａ部及
びＢ部が明確に観察できなければ、特に標本２の断面が
円形の線材や球の場合、その輪郭形状が正確に求められ
ずその径を精度高く測定できない。

【０００９】一方、図１４に示すように標本２の表側と
裏側の全面を同時に観察できる落射型顕微鏡では、照明
光学系、観察光学系をそれぞれ２つ備える必要があり、
装置が大掛かりとなり高価となる。そこで本発明は、簡
単に表面の表側、裏側を観察、測定できる落射型顕微鏡
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１によれば、落射
照明光を対物レンズを通して標本に照射し、この標本か
らの反射光を対物レンズを通し、結像して標本の観察像
を得る落射型顕微鏡において、標本から見て対物レンズ
の配置側とは反対側に、標本に対して間隔を隔てて配置
された反射ミラーを具備し、対物レンズと標本とを相対
的に移動して標本の全面の観察像を得る落射型顕微鏡で
ある。

【００１１】請求項２によれば、請求項１記載の落射型
顕微鏡において、反射ミラーは、少なくとも２枚のミラ
ーを光軸に対して傾斜して配置した。請求項３によれ
ば、請求項１又は２記載の落射型顕微鏡において、対物
レンズ側から見た標本面の観察像から得られる標本の高
さ情報と、対物レンズ側から見て反対側となる標本面の
観察像から得られる標本の高さ情報とに基づいて標本の
三次元形状を得る形状処理手段を備えた。

【００１２】

【発明の実施の形態】(1) 以下、本発明の第１の実施の
形態について図面を参照して説明する。図１は落射型顕
微鏡の構成図である。落射型顕微鏡の光軸１０上には、
標本台１が設けられるとともに、対物レンズ１１、結像
レンズ１２及びＣＣＤ等の画像取得部１３が配置されて
いる。又、共焦点顕微鏡照明光学系（以下、照明光学系
と称する）１４が設けられ、この照明光学系１４から出
射された落射照明光が光軸１０に配置されたビームスプ
リッタ１５に入射するものとなっている。このビームス
プリッタ１５は、照明光学系１４から出射された落射照
明光を反射して標本２に導き、かつ標本２からの反射光
を透過して画像取得部１３に導くものとなっている。

【００１３】上記標本台１上には、反射ミラー２０が載
置され、かつ標本２はこの反射ミラー２０から間隔ｈだ
け隔てて対物レンズ１１側に配置されている。このうち
反射ミラー２０は、その反射面が光軸１０に対して垂直
方向に配置されている。

【００１４】又、標本２は、図２に示すように反射ミラ
ー２０上に高さｈのスペーサ２１を配置し、このスペー
サ２１上に支持されて、その観察部位を反射ミラー２０
から浮かせるようにしている。なお、スペーサ２１は、
例えばブロックゲージにより形成されている。

【００１５】一方、画像取得部１３には、合焦判定部２
２が接続されている。対物レンズ１１を光軸１０の方向
（Ｚ方向）に移動しながら得られる顕微鏡画像の各画素
の輝度は、Ｚ方向の移動荷ともない連続的に変化し、輝
度が極大値都なる時に、その画素位置での合焦位置とな
る。合焦判定部２２は、各画素での輝度が最大となる合
焦位置を判定する機能を有している。

【００１６】演算処理装置２３は、対物レンズ位置制御
部２４に対して対物レンズ１１をＺ方向に移動させる指
令を発し、かつ合焦判定部２２により判定された合焦位
置を受け取ってこの合焦位置での対物レンズ１１の高さ
位置を求め、観察像の画像データにおける各画素での対
物レンズ１１の高さ位置から標本２の立体形状を求める
機能を有している。

【００１７】具体的に演算処理装置２３は、対物レンズ
１１をＺ方向に移動して標本２の表側表面の観察像を得
たときに、その観察像の各画素の合焦となった時の対物
レンズ１１の高さ位置から標本２の表側表面の立体形状
を求め、かつ対物レンズ１１をＺ方向に移動して標本２
の裏側表面の観察像を得たときに、その観察像の各画素
の合焦となった時の対物レンズ１１の高さ位置を反射ミ
ラー２０に対して対称に反転させ、この反転した対物レ
ンズ１１の高さ位置から標本２の裏側表面の立体形状を
求め、この後に、先に求めた標本２の表側表面の立体形
状と裏側表面の立体形状とを反射ミラー２０の高さを基
準にして重ね合わせて標本２の全面の立体形状を求める
機能を有している。

【００１８】この演算処理装置２３は、求めた標本２の
全面の立体形状を表示部２５に表示する機能を有してい
る。次に上記の如く構成された顕微鏡の作用について説
明する。

【００１９】標本２は、スペーサ２１に支持されて反射
ミラー２０の上方に間隔ｈを隔てて配置される。この標
本２は、幅Ｗ、高さＨであり、その断面の大きさは対物
レンズ１１の開口と光軸１０上の集光点を結ぶ円錐形の
光束領域内部に入るものに限られている。又、標本２の
裏面の観察時に、この標本２と対物レンズ１１とが干渉
しないために、標本２の幅Ｗ、高さＨ及び標本２と反射
ミラー２０との間隔ｈは、次式を満たすような値になっ
ている。

【００２０】Ｗ＜２・ｈ・ＮＡ／｛１−（ＮＡ／２）² ｝^1/2 …(1) Ｈ＜ＷＤ−２ｈ …（２）
但し、ＮＡは対物レンズ１１の開口数、ＷＤは対物レン
ズ１１の作動距離である。

【００２１】照明光学系１４から落射照明光が放射され
ると、この落射照明光はビームスプリッタ１５でその一
部が反射し、対物レンズ１１を通って標本２を照明す
る。この状態で演算処理装置２３は、対物レンズ位置制
御部２４に対して下降する指令を発すると、この対物レ
ンズ位置制御部２４は、対物レンス１１と標本２とが十
分に離れている位置から対物レンズ１１を標本２に近付
けていく。

【００２２】そうすると、標本２の表側表面からの反射
光は、対物レンズ１１により集光され、ビームスプリッ
タ１５でその一部が透過し、結像レンズ１２により画像
取得部１３に結像する。この画像取得部１３は、標本２
の表側表面の画像を取り込み、この画素を光電変換して
その画像信号を出力する。

【００２３】さらに対物レンズ１１が標本２に近付く
と、落射照明光は、反射ミラー２０で反射し、標本２の
裏側表面を照明するようになる。このときの標本２の裏
側表面からの反射光は、反射ミラー２０で反射し、対物
レンズ１１により集光され、ビームスプリッタ１５でそ
の一部が透過し、結像レンズ１２により画像取得部１３
に結像する。この画像取得部１３は、標本２の裏側表面
の画像を取り込み、この画素を光電変換してその画像信
号を出力する。

【００２４】なお、標本２を照明する反射ミラー２０か
らの反射照明光と、標本２の裏側表面で反射し再び反射
ミラー２０で反射して対物レンズ１１に入射する観察光
は、標本２によりその光路の一部が妨げられて光量にロ
スが発生するが、上記の如く標本２の大きさが対物レン
ズ１１の開口と光軸１０上の集光点とを結ぶ円錐形の光
束領域に対して十分小さいので問題はない。

【００２５】以上のように対物レンズ１１を標本２に近
付けていくと、標本２の表側から裏側の表面の画像が画
像取得部１３に取り込まれ、その画像信号が出力され
る。合焦判定部２２は、画像取得部１３から出力される
画像信号を逐次入力し、この画像信号から画素毎の輝度
を読み取り、この各画素での輝度が極大となる時の対物
レンズ１１の位置を画素位置を合焦位置として判定す
る。

【００２６】演算処理装置２３は、合焦判定部２２て判
定された合焦位置を受け取り、対物レンズ１１をＺ方向
に移動して標本２の表側表面の観察像を得たときに、画
素での輝度が極大となるときの対物レンズ１１の高さ位
置すなわち合焦位置から標本２の表側表面の立体形状を
求める。図３（ａ）はかかる標本２の表側表面の立体
形状の断面プロファイルであり、標本２の表側表面の高
さ情報Ｓ₁ と反射ミラー２０の高さ情報Ｆとを含んでい
る。

【００２７】又、演算処理装置２３は、対物レンズ１１
をＺ方向に移動して標本２の裏側表面の観察像を得たと
きに、各画素での輝度が極大となるときの対物レンズ１
１の高さ位置、すなわち合焦位置を求める。図３(b) は
かかる標本２の裏側表面の立体形状の断面プロファイル
であり、反射ミラー２０で反射した像（鏡像）であって
実際の標本２の高さ情報に対して反転しており、ここで
も標本２の裏側表面の高さ情報Ｓ₂ と反射ミラー２０の
高さ情報Ｆとを含んでいる。

【００２８】次に演算処理装置２３は、標本２の裏側表
面の立体形状の断面プロファイルを反射ミラー２０の位
置を基準にして対称に反転し、図４に示すような実際の
標本２の高さ情報を得る。

【００２９】次に演算処理装置２３は、図３(a) に示す
先に求めた標本２の表側表面の立体形状と図４に示す裏
側表面の立体形状とを重ね合わせて図５に示す標本２の
全面の立体形状を求める。

【００３０】そして、この演算処理装置２３は、画像取
得部１３から出力される画像信号を合焦判定部２２を通
して取り込み、標本２の表側、裏側の表面の画像を表示
部２５に表示し、かつ標本２の全面の立体形状を表示す
る。

【００３１】このように上記第１の実施の形態において
は、標本２から見て対物レンズ１１の配置側とは反対側
に標本２に対して間隔を隔てて反射ミラー２０を配置
し、反射ミラー２０を対物レンズ１１に近付けて標本２
の全面の観察像を得るようにしたので、標本２の表側と
裏側との向きを変更することなく手軽に、しかも簡単に
標本２の表裏側の全表面を観察、測定できるとともに、
これと同時に標本２の表裏側の立体形状を求めることが
できる。又、例えば、標本２の断面形状が微小な円形の
線材や球の場合には、図５に示すＣ部、Ｄ部の距離を計
ることにより正確に標本２の径を求めることができる。

【００３２】又、簡単な構成により安価な落射型顕微鏡
として標本２を観察できる。なお、上記第１の実施の形
態は、次の通り変形してもよい。例えば、上記第１の実
施の形態では、対物レンズ１１を光軸１０方向に上下動
し、対物レンズ１１と標本２とを相対的に移動させる方
式であるが、これに限らず標本台１を上下動させる方式
を採ってもよい。

【００３３】又、標本２の支持方式は、スペーサ２１に
よる片持ちではなく次のような構造にしてもよい。図６
は複数のスペーサ２１を用いて標本２を支持するように
したものである。これらスペーサ２１は、上記同様に例
えばブロックゲージにより高さｈに形成されている。

【００３４】このような支持方式であっても、標本２の
大きさが対物レンズ１１の開口と光軸１０上の集光点と
を結ぶ円錐形の光束領域に対して十分小さければ上記第
１の実施の形態と同様な効果を奏することができる。

【００３５】図７は穴部の形成された標本台３０を光軸
１０上に設け、この標本台３０の穴部上に標本２を載置
し、かつ標本台３０の下方に反射ミラー２０を載置した
ミラー移動機構３１を設け、このミラー移動機構３１に
よる標本２の下部から反射ミラー２０までの距離が分か
るようにスケール３２を設けたものである。

【００３６】一般的に対物レンズ１１の倍率が高倍率に
なると作動距離ＷＤが小さくなるので、反射ミラー２０
と標本２との間隔ｈを小さくする必要があるが、上記支
持方式であれば、対物レンズ１１を交換してもミラー移
動機構３１により標本２の裏側表面の観察が可能な位置
に反射ミラー２０の位置を調整できる。

【００３７】図８は倒立型の落射顕微鏡に適用したもの
で、穴部の形成された標本台３３上に標本２を載置し、
かつ標本台３３上にスペーサ２１を介して反射ミラー２
０を設けたものとなっている。このような支持方式であ
っても上記第１の実施の形態と同様な効果を奏すること
ができる。(2) 次に、本発明の第２の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。なお、上記第１の実施の形
態と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省
略する。

【００３８】図９は落射型顕微鏡の構成図である。標本
台１上には、傾斜面を持つ２つのスペーサ４０ａ、４０
ｂが配置され、これらスペーサ４０ａ、４０ｂの各傾斜
面上にそれぞれ反射ミラー４１ａ、４１ｂが取り付けら
れている。従って、これら反射ミラー４１ａ、４１ｂ
は、光軸１０に対して対称に角度６０度傾けられてい
る。なお、標本２は、各反射ミラー４１ａ、４１ｂと間
隔を隔てて配置されることは上記第１の実施の形態と同
一である。

【００３９】次に上記の如く構成された顕微鏡の作用に
ついて説明する。標本２は、上記第１の実施の形態と同
様にスペーサ２１に支持されて反射ミラー２０の上方に
間隔を隔てて配置される。この標本２は、その断面の大
きさが対物レンズ１１の開口と光軸１０上の集光点を結
ぶ円錐形の光束領域内部に入るものに限られている。
又、標本２の裏面の観察時に、この標本２と対物レンズ
１１とが干渉しないために上記式(1) 及び(2) を満たす
ような値になっている。

【００４０】照明光学系１４から落射照明光が放射され
ると、この落射照明光はビームスプリッタ１５でその一
部が反射し、対物レンズ１１を通って標本２を照明す
る。この状態に対物レンス１１と標本２とが十分に離れ
ている位置から対物レンズ１１を標本２に近付けていく
と、標本２の表側表面からの反射光は、対物レンズ１１
により集光され、ビームスプリッタ１５でその一部が透
過し、結像レンズ１２により画像取得部１３に結像す
る。この画像取得部１３は、標本２の表側表面の結像し
た画像を取り込み、この画素を光電変換してその画像信
号を出力する。

【００４１】さらに対物レンズ１１が標本２に近付く
と、落射照明光は、各反射ミラー４１ａ、４１ｂでそれ
ぞれ反射し、標本２の裏側表面及び側面を照明するよう
になる。

【００４２】このときの標本２の裏側表面及び側面から
の反射光は、各反射ミラー４１ａ、４１ｂで反射し、対
物レンズ１１により集光され、ビームスプリッタ１５で
その一部が透過し、結像レンズ１２により画像取得部１
３に結像する。この画像取得部１３は、標本２の裏側表
面の結像した画像を取り込み、この画素を光電変換して
その画像信号を出力する。

【００４３】合焦判定部２２は、画像取得部１３から出
力される画像信号を逐次入力し、この画像信号から画素
毎の輝度を読み取り、この各画素での輝度が極大となる
時の対物レンズ１１の位置を画素位置を合焦位置として
判定する。

【００４４】演算処理装置２３は、合焦判定部２２て判
定された合焦位置を受け取り、対物レンズ１１をＺ方向
に移動して標本２の表側表面の観察像を得たときに、画
素での輝度が極大となるときの対物レンズ１１の高さ位
置すなわち合焦位置から標本２の表側表面の立体形状を
求める。図１０(a) はかかる標本２の表側表面の立体形
状の断面プロファイルであり、標本２の表側表面の高さ
情報Ｓ₁₀と反射ミラー４１ａ、４１ｂの高さ情報Ｆa と
を含んでいる。

【００４５】又、演算処理装置２３は、対物レンズ１１
をＺ方向に移動して標本２の裏側表面の観察像を得たと
きに、各画素での輝度が最大となるときの対物レンズ１
１の高さ位置、すなわち合焦位置を求める。図１０(b)
はかかる標本２の裏側表面の立体形状の断面プロファイ
ルであり、反射ミラー２０で反射した像（鏡像）であっ
て実際の標本２の高さ情報に対して反転しており、ここ
でも標本２の裏側表面の高さ情報Ｓ₁₁、Ｓ₁₂と反射ミラ
ー４１ａ、４１ｂの高さ情報Ｆとを含んでいる。

【００４６】このように標本２の裏側表面の観察像を得
たときには、各反射ミラー４１ａ、４１ｂに対して１つ
ずつの標本２の鏡像が得られる。これら標本２の鏡像
は、標本２の裏面右側と裏面左側の像である。すなわ
ち、これら標本２の鏡像は、その側面に近い部分が上記
第１の実施の形態の場合よりも明瞭な像となる。

【００４７】次に演算処理装置２３は、標本２の裏側表
面の立体形状の断面プロファイルを反射ミラー２０の位
置を基準にして対称に反転し、図１１に示すような実際
の標本２の高さ情報を得る。

【００４８】次に演算処理装置２３は、図１０(a) に示
す先に求めた標本２の表側表面の立体形状と図１１に示
す裏側表面の立体形状とを重ね合わせて図１２に示す標
本２の全面の立体形状を求める。

【００４９】そして、この演算処理装置２３は、画像取
得部１３から出力される画像信号を合焦判定部２２を通
して取り込み、標本２の側面を含む表側、裏側の表面の
画像を表示部２５に表示し、かつ標本２の全面の立体形
状を表示する。

【００５０】このように上記第２の実施の形態において
は、２つの反射ミラー４１ａ、４１ｂを光軸１０に対し
て対称に角度６０度傾け、標本２を各反射ミラー４１
ａ、４１ｂと間隔を隔てて配置したので、上記第１の実
施の形態と同様に、簡単に標本２の表裏側の全表面を観
察、測定できるとともに、これと同時に標本２の表裏側
の立体形状を求めることができ、そのうえ標本２の側面
についても観察、測定できるとともにその立体形状を求
めることができる。なお、上記第２の実施の形態は、２
枚の反射ミラー４１ａ、４１ｂを用いているが、複数の
反射ミラーを傾斜させて設けてもよい。

【００５１】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、簡
単に表面の表面側、裏面側を観察、測定できる落射型顕
微鏡を提供できる。又、本発明によれば、標本の表側表
面の立体形状を得ることができる落射型顕微鏡を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる落射型顕微鏡の第１の実施の形
態を示す構成図。

【図２】同顕微鏡における標本の支持構造を示す図。

【図３】同顕微鏡で求められる標本の表裏側の各表面の
立体形状の断面プロファイルを示す図。

【図４】反転して得た実際の裏側表面の立体形状の断面
プロファイルを示す図。

【図５】同顕微鏡で求められる標本の全面の立体形状を
示す図。

【図６】標本の支持方式の他の例を示す構成図。

【図７】標本の支持方式の他の例を示す構成図。

【図８】標本の支持方式の他の例を示す構成図。

【図９】本発明に係わる落射型顕微鏡の第２の実施の形
態を示す構成図。

【図１０】同顕微鏡で求められる標本の表裏側の各表面
の立体形状の断面プロファイルを示す図。

【図１１】反転して得た実際の裏側表面の立体形状の断
面プロファイルを示す図。

【図１２】同顕微鏡で求められる標本の全面の立体形状
を示す図。

【図１３】従来の落射型顕微鏡を用いての標本観察の作
用を示す図。

【図１４】標本の表面と裏面とを同時に観察できる顕微
鏡の作用を示す図。

【符号の説明】

１：標本台、２：標本、１１：対物レンズ、１２：結像レンズ、１３：画像取得部、１４：共焦点顕微鏡照明光学系（照明光学系）、１５：ビームスプリッタ、２０：反射ミラー、２１：スペーサ、２２：合焦判定部、２３：演算処理装置、２４：対物レンズ位置制御部、４０ａ，４０ｂ：スペーサ、４１ａ，４１ｂ：反射ミラー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】落射照明光を対物レンズを通して標本に
照射し、この標本からの反射光を前記対物レンズを通
し、結像して前記標本の観察像を得る落射型顕微鏡にお
いて、前記標本から見て前記対物レンズの配置側とは反対側
に、前記標本に対して間隔を隔てて配置された反射ミラ
ーを具備し、前記対物レンズと前記標本とを相対的に移動して前記標
本の全面の観察像を得ることを特徴とする落射型顕微
鏡。
【請求項２】前記反射ミラーは、少なくとも２枚のミ
ラーを光軸に対して傾斜して配置したことを特徴とする
請求項１記載の落射型顕微鏡。
【請求項３】前記対物レンズ側から見た前記標本面の
観察像から得られる前記標本の高さ情報と、前記対物レ
ンズ側から見て反対側となる前記標本面の観察像から得
られる前記標本の高さ情報とに基づいて前記標本の三次
元形状を得る形状処理手段を備えたことを特徴とする請
求項１又は２記載の落射型顕微鏡。