JP2009015180A - 干渉対物レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】干渉縞のコントラストを下げることなく、大きな開口数で被検物体を観察することができる干渉対物レンズを提供する。
【解決手段】干渉対物レンズ１を、光源３１からの照明光を被検物体面３３に集光させる対物レンズ２と、この対物レンズ２から被検物体面３３側へ射出する照明光を分割するハーフミラー５と、ハーフミラー５で分割された照明光を反射し、再びハーフミラー５を介して被検物体面３３からの戻り光と同一光路上に合成する参照ミラー３と、ハーフミラー５及び参照ミラー３の間の光路上に配置され、参照ミラー３に照射される分割された照明光の光束径を絞るリング絞り４とから構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、干渉顕微鏡に用いられる干渉対物レンズに関する。

干渉顕微鏡に用いられる干渉対物レンズは、対物レンズ、ハーフミラー及び参照ミラーを備えて構成されており、この干渉顕微鏡は、対物レンズを透過した照明光をハーフミラーで分割し、このハーフミラーを透過した光を被検物体面に照射し、また、ハーフミラーで反射した光を参照ミラーで反射させた後、被検物体面で反射した光はハーフミラーを透過させ、さらに、参照ミラーで反射された光はハーフミラーで反射させて対物レンズで集光することにより、これらの光を干渉させて、干渉像と物体像とを形成して被検物体面を観察するとともに凹凸を測定するものである。このような干渉対物レンズとしては、ミロー型やマイケルソン型が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１５０１６３号公報

近年、干渉顕微鏡を用いて、微小物体の段差を測定する要望が増えているが、開口数（ＮＡ）が小さい対物レンズでは解像力が足りず、物体を確認することができない。そのため、開口数の大きい対物レンズを有する干渉対物レンズが望まれている。しかしながら、干渉対物レンズにより形成される干渉縞は、次数が高くなるにつれてコントラストが低下してくるが、対物レンズの開口数が大きくなると、このコントラストの低下の度合いが急激に大きくなり、干渉縞（干渉像）の観察が困難になるという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、干渉縞のコントラストを下げることなく、大きな開口数で被検物体を観察することができる干渉対物レンズを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明に係る干渉対物レンズは、光源からの照明光を被検物体上（例えば、実施形態における被検物体面３３）に集光させる機能を有した対物レンズと、この対物レンズから被検物体側へ射出する照明光を、被検物体上に集光するように進む光と被検物体とは異なる方向に進む光とに分割する光路分割部材（例えば、実施形態におけるハーフミラー５）と、光路分割部材で被検物体とは異なる方向に分割された光を反射し、当該反射光の光路が光路分割部材を介してこの光路分割部材で分割されて被検物体に集光し被検物体により反射されて光路分割部材へ戻る光の光路と同一光路となるように配置された参照ミラーと、光路分割部材と参照ミラーの間の光路上に配置され、参照ミラーへ入射する分割された光の光束径を制限するリング絞りとから構成される。

このような本発明に係る干渉対物レンズは、対物レンズと光路分割部材の間に配置される平板状の第１の光学部材を有し、参照ミラーが当該第１の光学部材の対物レンズ側の面に取り付けられ、リング絞りが当該第１の光学部材の光路分割部材側の面に取り付けられて構成され、リング絞りの開口部の内径をｒ１とし、実視野をΦとし、対物レンズの開口数をＮＡとし、第１の光学部材の光軸方向厚さをｄ１とし、第１の光学部材の屈折率をｎ１とし、対物レンズの開口数を有する光束の最も外側の光線が第１の光学部材を透過するときの光軸に対する角度をθ１としたとき、次式
ｒ１ ≧ ０．４８×（Φ／２ ＋ ｄ１×ｔａｎ（θ１））
但し、θ１＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ／ｎ１）
を満足することが好ましい。

さらに、本発明に係る干渉対物レンズは、参照ミラー及びリング絞りが、対物レンズと光路分割部材との間の光路上に配置され、光路分割部材が、平板状の第２の光学部材の光源側の面に設けられて構成され、リング絞りの全体の外径をｒ２とし、第２の光学部材の光軸方向厚さをｄ２とし、第２の光学部材の屈折率をｎ２とし、第１の光学部材と第２の光学部材との光軸上の距離をＬ１とし、第２の光学部材と被検物体面との光軸上の距離をＬ２とし、対物レンズの開口数を有する光束の最も外側の光線の光軸に対する角度をθ２とし、対物レンズの開口数を有する光束の最も外側の光線が第２の光学部材を透過するときの光軸に対する角度をθ３としたとき、次式
ｒ２ ≦ ０．２６×（Φ／２ ＋ （Ｌ１＋Ｌ２）×ｔａｎ（θ２）
＋ ｄ２×ｔａｎ（θ３））
但し、θ２＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ）
θ３＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ／ｎ２）
を満足することが好ましい。

あるいは、本発明に係る干渉対物レンズは、リング絞りが、光路分割部材の参照ミラー側の端面に取り付けられて構成され、リング絞りの開口部の内径をｒ１とし、実視野をΦとし、対物レンズの開口数をＮＡとし、参照ミラーと光路分割部材の光軸上の距離をＬ３とし、前記対物レンズの開口数を有する光束の最も外側の光線の光軸に対する角度をθ４としたとき、次式
ｒ１ ≧ （Φ／２ ＋ Ｌ３×ｔａｎ（θ４））×０．３
但し、θ４＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ）
を満足することが好ましい。

本発明に係る干渉対物レンズを以上のように構成すると、対物レンズの開口数を大きくしても干渉縞のコントラストが落ちることがなく、被検物体の像の解像度を高くすることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本発明に係る干渉対物レンズ及びこの干渉対物レンズを備える干渉顕微鏡の構成について説明する。図１に示す干渉顕微鏡は、被検物体の物体面３３から順に、干渉対物レンズ１及び照明用ハーフミラー３２が光軸上に並んで配置されており、さらに、照明用ハーフミラー３２の側方に光源３１が配置されて構成されている。ここで、この干渉対物レンズ１は、ミロー型干渉対物レンズであり、光源側から順に、対物レンズ２、参照ミラー３、リング絞り４及びハーフミラー５が光軸上に並んで配置されている。なお、参照ミラー３及びリング絞り４は、平板状の第１の光学部材６の上下の面に設けられており、ハーフミラー５は、平板状の第２の光学部材７の上面に設けられている。そのため、参照ミラー３、リング絞り４及び物体面３３は略平行に並んで配置されている。

このような干渉顕微鏡によると、光源３１から放射された照明光は、照明用ハーフミラー３２に照射され、一部の光がこの照明用ハーフミラー３２を透過し、残りの光が物体側に反射される。そして、この照明用ハーフミラー３２で反射された照明光は対物レンズ２で集光され第１の光学部材６を透過してハーフミラー５に照射される。このハーフミラー５も一部の光を透過し、残りの光を反射するように構成されており、ハーフミラー５を透過した照明光は第２の光学部材７を透過して物体面３３に照射される。また、ハーフミラー５で反射された照明光は、リング絞り４の開口部を通過し、さらに第１の光学部材６を透過して参照ミラー３で反射される。

物体面３３で反射された光（これを「観察光」と呼ぶ）は、再び第２の光学部材７を透過し、さらに、ハーフミラー５に入射して一部の光がこのハーフミラー５を透過する。一方、参照ミラー３で反射された光（これを「参照光」と呼ぶ）は第１の光学部材６を透過し、さらに、リング絞り４の開口部を通過して、ハーフミラー５に入射し、一部の光がこのハーフミラー５で反射される。そして、物体面３３で反射してハーフミラー５を透過した観察光と、参照ミラー３で反射してハーフミラー５で反射された参照光とはその光路が一致し、第１の光学部材６を透過し、対物レンズ２に入射し、照明用ハーフミラー３２に照射され、一部の光がこの照明用ハーフミラー３２を透過して、像面３４に物体面３３の像として結像される。このとき、像面３４には、物体面３３の像（物体像）だけでなく、物体面３３で反射した観察光と、参照ミラー３で反射した参照光とが干渉して干渉縞（干渉像）も形成される。

図２は、上述のリング絞り４が設けられていない従来のミロー型干渉対物レンズ１′を示している。このような干渉対物レンズ１′を有する干渉顕微鏡において、この図２に示すように、参照ミラー３、ハーフミラー５及び物体面３３が干渉対物レンズ１′の光軸に対して直交し、略平行となるように配置されている場合、この物体面３３からの観察光と参照ミラー３からの参照光の光路差はゼロになり、像面に形成される干渉縞は一様な視野になる。ところが、例えば物体面３３が光軸に対して傾いている場合は、物体面３３からの観察光と参照ミラー３からの参照光に光路差が生じてしまう。そのため、図３に示すように、光路差が大きくなるほど、干渉縞の強度が弱くなってしまう。特に、この図３から明らかなように、対物レンズ２の開口数が大きくなるほど、この強度の低下の度合い（この干渉縞の包絡線の低下の度合い）が大きくなってしまう。なお、図３では、物体面３３を傾けた場合について説明したが、実際の干渉対物レンズにおいては、観察光と参照光との光路差は、ハーフミラー５による光路分割後に配置された光学部材（例えば、第１及び第２の光学部材６，７）のガラス厚の相互誤差量によっても発生する。

そのため、本実施例においては、上述のように、ハーフミラー５と参照ミラー３との間にリング絞り４を配置し、参照ミラー３で反射される参照光の開口数を制限する（絞る）ように構成されている。すなわち、照明光と参照光の光路差により干渉縞の強度を下げる開口数の大きな参照光を制限して、強度の高い干渉縞が形成されるように構成されている。ここで、リング絞り４の開口部（内円）の径を小さくすると、参照ミラー３で反射される光が絞られてしまうため、干渉縞の強度の低下の度合いは緩くすることができるが、干渉縞全体のコントラストが落ちてしまう。そのため、リング絞り４の内円の半径ｒ１は、次式（１）に示す条件を満足することが好ましい。なお、この条件式（１）において、Φは実視野であり、ｄ１は第１の光学部材６の光軸方向の厚さであり、θ１は最大開口数を有する光束の最も外側の光（対物レンズ２の開口数に対応する光）が第１の光学部材６を透過するときの光軸に対する角度であり、ｎ１は第１の光学部材６の屈折率であり、ＮＡは対物レンズ２の開口数である（これらの関係を図４に示す）。

ｒ１ ≧ ０．４８×（Φ／２ ＋ ｄ１×ｔａｎ（θ１）） （１）
但し、θ１＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ／ｎ１）

また、ハーフミラー５で反射されて参照ミラー３に入射する照明光は、開口数最大の光線がすべてリング絞り４で遮光される必要があるが、このリング絞り４の全体の大きさ（外円の径）を大きくしすぎると、観察光のうち、小さい開口数の光も遮光してしまうため、観察像のコントラストが低下してしまう。そのため、リング絞り４の外円の半径ｒ２は次式（２）に示す条件を満足することが好ましい。なお、この条件式（２）において、ｄ２は第２の光学部材７の光軸方向の厚さであり、Ｌ１は第１の光学部材６と第２の光学部材７との光軸上の距離であり、Ｌ２は第２の光学部材７と物体面３３との光軸上の距離であり、θ２は最大開口数を有する光束の最も外側の光の光軸に対する角度であり、θ３は最大開口数を有する光束の最も外側の光が第２の光学部材７を透過するときの光軸に対する角度であり、ｎ２は第２の光学部材７の屈折率である。

ｒ２ ≦ ０．２６×（Φ／２
＋ （Ｌ１＋Ｌ２）×ｔａｎ（θ２）
＋ ｄ２×ｔａｎ（θ３）） （２）
但し、θ２＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ）
θ３＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ／ｎ２）

以上説明したように、ハーフミラー５と参照ミラー３との間にリング絞り４を設け、参照光の開口数だけを絞ることにより、物体を観察する場合には大きな開口数の観察光で観察することができ、これまで確認できなかったような微小物体まで観察することができ、さらに、干渉縞のコントラストが低下することがない。また、照明光の光路分割後に配置された光学部材（第１及び第２の光学部材６，７）のガラス厚の相互誤差量を大きく取ることができる。

なお、以上の実施例においては、ミロー型の干渉対物レンズにリング絞り４を設けた場合について説明したが、図５に示すようにマイケルソン型の干渉対物レンズ１１に適用することも可能である。この干渉対物レンズ１１は、光源側から順に対物レンズ１２とハーフミラー１５とが設けられ、このハーフミラー１５の透過・反射面は光軸に対して斜めに配置されている。そして、このハーフミラー１５の側方にリング絞り１４及び参照ミラー１３がこの順で配置されている。なお、図５に示すように、ハーフミラー１５をハーフプリズムで構成し、このハーフプリズムの側面にリング絞り１４を取り付けるように構成することも可能である。

このような構成の干渉対物レンズ１１において、光源３１から放射され、照明用ハーフミラー３２で反射された照明光は、対物レンズ１２に入射して集光されてハーフミラー１５に照射され、一部の照明光がこのハーフミラー１５を透過し、残りの照明光が反射される。さらに、ハーフミラー１５を透過した照明光は被検物体面３３に照射され、ハーフミラー１５で反射された照明光はリング絞り１４の開口部を通過して参照ミラー１３に照射される。そして、物体面３３で反射された光（観察光）は、再びハーフミラー１５に入射して一部の光がこのハーフミラー１５を透過する。一方、参照ミラー１３で反射された光（参照光）はリング絞り１４の開口部を通過して、ハーフミラー１５に入射し、一部の光がこのハーフミラー１５で反射される。そして、物体面３３で反射してハーフミラー１５を透過した観察光と、参照ミラー１３で反射されてハーフミラー１５で反射された参照光とは、対物レンズ２に入射し、ハーフミラー３２を透過して、像面３４に物体面３３の物体像及び干渉像（干渉縞）として結像される。

このように、マイケルソン型干渉対物レンズ１１においても、リング絞り１４を設けて参照光を絞ることにより、上述のミロー型干渉対物レンズ１と同様の効果を得ることができる。このマイケルソン型干渉対物レンズ１１においても、リング絞り１４の内円の半径ｒ１は、次式（３）に示す条件を満足することが好ましい。ここで、この条件式（３）において、Φは実視野であり、ＮＡは対物レンズ１２の開口数であり、Ｌ３は参照ミラー１３とハーフミラー１５の光軸上の距離であり、θ４は対物レンズ１２の開口数を有する光束の最も外側の光の光軸に対する角度である。しかし、このリング絞り１４は観察光の光路上に配置されておらずこの観察光には影響しないため、条件式（２）は適用されない。

ｒ１ ≧ （Φ／２ ＋ Ｌ３×ｔａｎ（θ４））×０．３ （３）
但し、θ４＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ）

本発明に係るミロー型干渉対物レンズの構成を示すレンズ構成図である。 従来のミロー型干渉対物レンズの構成を示す説明図であり、被検物体面がハーフミラーと略平行である場合を示す。 開口数と干渉縞の強度との関係を示す説明図である。 条件式を説明するための説明図である。 本発明に係るマイケルソン型干渉対物レンズの構成を示すレンズ構成図である。

符号の説明

１，１１ 干渉対物レンズ ２，１２ 対物レンズ ３，１３ 参照ミラー
４，１４ リング絞り ５，１５ ハーフミラー（光路分割部材）
６ 第１の光学部材 ７ 第２の光学部材
３１ 光源 ３３ 被検物体面（被検物）

Claims (4)

1. 光源からの照明光を被検物体上に集光させる機能を有した対物レンズと、
   前記対物レンズから前記被検物体側へ射出する照明光を、前記被検物体上に集光するように進む光と前記被検物体とは異なる方向に進む光とに分割する光路分割部材と、
   前記光路分割部材で前記被検物体とは異なる方向に分割された光を反射し、当該反射光の光路が前記光路分割部材を介して、前記光路分割部材で分割されて前記被検物体上に集光し前記被検物体により反射されて前記光路分割部材へ戻る光の光路と同一光路となるように配置された参照ミラーと、
   前記光路分割部材と前記参照ミラーの間の光路上に配置され、前記参照ミラーへ入射する前記分割された光の光束径を制限するリング絞りとから構成された干渉対物レンズ。
2. 前記対物レンズと前記光路分割部材の間に配置される平板状の第１の光学部材を有し、前記参照ミラーが当該第１の光学部材の前記対物レンズ側の面に取り付けられ、前記リング絞りが当該第１の光学部材の前記光路分割部材側の面に取り付けられて構成され、
   前記リング絞りの開口部の内径をｒ１とし、実視野をΦとし、前記対物レンズの開口数をＮＡとし、前記第１の光学部材の光軸方向厚さをｄ１とし、前記第１の光学部材の屈折率をｎ１とし、前記対物レンズの開口数を有する光束の最も外側の光線が前記第１の光学部材を透過するときの光軸に対する角度をθ１としたとき、次式
   ｒ１ ≧ ０．４８×（Φ／２ ＋ ｄ１×ｔａｎ（θ１））
   但し、θ１＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ／ｎ１）
   を満足する請求項１に記載の干渉対物レンズ。
3. 前記参照ミラー及び前記リング絞りが、前記対物レンズと前記光路分割部材との間の光路上に配置され、
   前記光路分割部材が、平板状の第２の光学部材の光源側の面に設けられて構成され、
   前記リング絞りの全体の外径をｒ２とし、前記第２の光学部材の光軸方向厚さをｄ２とし、前記第２の光学部材の屈折率をｎ２とし、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材との光軸上の距離をＬ１とし、前記第２の光学部材と前記被検物体面との光軸上の距離をＬ２とし、前記対物レンズの開口数を有する光束の最も外側の光線の光軸に対する角度をθ２とし、前記対物レンズの開口数を有する光束の最も外側の光線が前記第２の光学部材を透過するときの光軸に対する角度をθ３としたとき、次式
   ｒ２ ≦ ０．２６×（Φ／２ ＋ （Ｌ１＋Ｌ２）×ｔａｎ（θ２）
   ＋ ｄ２×ｔａｎ（θ３））
   但し、θ２＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ）
   θ３＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ／ｎ２）
   を満足する請求項２に記載の干渉対物レンズ。
4. 前記リング絞りが、前記光路分割部材の前記参照ミラー側の端面に取り付けられて構成され、
   前記リング絞りの開口部の内径をｒ１とし、実視野をΦとし、前記対物レンズの開口数をＮＡとし、前記参照ミラーと前記光路分割部材の光軸上の距離をＬ３とし、前記対物レンズの開口数を有する光束の最も外側の光線の光軸に対する角度をθ４としたとき、次式
   ｒ１ ≧ （Φ／２ ＋ Ｌ３×ｔａｎ（θ４））×０．３
   但し、θ４＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ）
   を満足する請求項１に記載の干渉対物レンズ。

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