JP5347787B2

JP5347787B2 - 軸外しホログラフィック顕微鏡

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Publication number: JP5347787B2
Application number: JP2009164826A
Authority: JP
Inventors: 直樹福武
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-07-13
Also published as: JP2011022204A

Description

本発明は、物体の三次元形状をホログラムとして記録する軸外しホログラフィック顕微鏡に関する。

ホログラフィック顕微鏡には、マイケルソン型のホログラフィック顕微鏡と、軸外し型のホログラフィック顕微鏡とがある。

マイケルソン型のホログラフィック顕微鏡は、参照光の光路の大部分が物体光の光路と共通なので小型化が容易であるが、対物レンズと被検物との間にビームスプリッタを挿入する必要があるため、対物レンズの開口数を大きくできず、分解能の向上が難しい（特許文献１等を参照）。

一方、軸外しホログラフィック顕微鏡は、参照光の光路と物体光の光路とに角度を設けるので多くの情報が反映された良好な干渉縞を検出できるが、物体像の復元演算が複雑化しないよう参照光の波面の曲率を物体光の波面の曲率に一致させる必要があるので、小型化が難しいとされている（非特許文献１等を参照）。

特表２００２−５０８８５４号公報

Frederic Montfort, Tristan Colomb, Florian Charriere, Jonas Kuhn, Pierre Marquet, Etienne Cuche, Sylvain Herminjard, and Christian Depeursinge, "Submicromter optical tomography by multiple-wavelangth digital holographic microscopy", APPLIED OPTICS, Vol. 45, No. 32, November 2006, P8209-P8217

そこで本発明の目的は、小型化が容易な軸外しホログラフィック顕微鏡を提供することにある。

本発明を例示するホログラフィック顕微鏡の一態様は、光源から供給されるコヒーレント光を参照光と測定光とに分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタから射出した測定光の光路に配置され、そのビームスプリッタの側に瞳を配し、その瞳の内部へ入射した測定光で物体を落射照明する対物レンズと、前記測定光に応じて前記物体で発生した散乱光である物体光を、前記対物レンズ及び前記ビームスプリッタを介して受光する二次元画像検出器と、前記ビームスプリッタから射出した参照光を前記ビームスプリッタの側へ折り返すと共に、前記ビームスプリッタに関して前記瞳と対称な領域の縁部に向けてその参照光を集光する反射集光光学系とを備え、前記反射集光光学系による前記参照光の集光点は、前記ビームスプリッタの近傍に位置し、前記ビームスプリッタにおける前記参照光の入射領域には、前記対物レンズの側から前記二次元画像検出器へ向かう前記物体光を妨げることなく、前記集光点から発散した前記参照光を前記二次元画像検出器へ効率的に入射させる微小光学面が形成されている。

本発明によれば、小型化が容易な軸外しホログラフィック顕微鏡が実現する。

第１実施形態のホログラフィック顕微鏡の構成図。第１実施形態におけるビームスプリッタ１３の周辺を詳細に説明する模式図。第１実施形態のビームスプリッタ１３を撮像面１６ａの側から見た模式図。第２実施形態のホログラフィック顕微鏡の構成図。第２実施形態におけるビームスプリッタ１３の周辺を詳細に説明する模式図。第２実施形態のビームスプリッタ１３を撮像面１６ａの側から見た模式図。変形例におけるビームスプリッタ１３の周辺を詳細に説明する模式図。変形例のビームスプリッタ１３を撮像面１６ａの側から見た模式図。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態として、被検物の表面形状を観察するための軸外し（off-axis）ホログラフィック顕微鏡を説明する。

図１は、本実施形態のホログラフィック顕微鏡の構成図である。図１に示すとおりホログラフィック顕微鏡は、レーザ光源などのコヒーレントな光源１１と、コレクタレンズ１２と、ビームスプリッタ１３と、傾斜した姿勢の凹球面ミラー１７と、開口数の高い（例えば開口数が０．７以上の）顕微鏡対物レンズ１４と、ＣＣＤなどのディジタルカメラ１６とを備えている。このうち対物レンズ１４の先端近傍に被検物１５が配置される。

光源１１から供給されるコヒーレントな光束は、コレクタレンズ１２により集光光束に変換された後、ビームスプリッタ１３へ入射する。ビームスプリッタ１３へ入射した光束は、反射する光束ＬＭと透過する光束ＬＲとに分離される。本実施形態のホログラフィック顕微鏡では、ビームスプリッタ１３を反射する光束ＬＭが測定光束として使用され、ビームスプリッタ１３を透過する光束ＬＲが参照光束として使用される。

ビームスプリッタ１３から射出した測定光束ＬＭは、対物レンズ１４の瞳面ＰＰ上に集光する。その測定光束ＬＭは、対物レンズ１４によってコリメートされ、被検物１５の表面（被検面１５ａ）を照明する。被検面１５ａ上の照明領域では、散乱光である物体光束ＬＯが発生し、その物体光束ＬＯは対物レンズ１４へ入射する。なお、図１では、対物レンズ１４へ入射する物体光束ＬＯのうち、照明領域の中央で発生したもののみを点線で示した。その物体光束ＬＯは、対物レンズ１４を通過した後、ビームスプリッタ１３を透過し、ディジタルカメラ１６の撮像面１６ａに入射する。なお、ここでは撮像面１６ａが被検面１５ａの共役面に位置しており、撮像面１６ａ上に照明領域の像が形成されるものとする。図１中に符号Ａ_ＬＯで示した領域が、照明領域の像の形成される領域である。

一方、ビームスプリッタ１３から射出した参照光束ＬＲは、ビームスプリッタ１３に関し瞳面ＰＰと対称な面（等価面ＰＰ’）上に集光した後、発散し、凹球面ミラー１７へ斜め方向から入射する。凹球面ミラー１７へ入射した参照光束ＬＲは、ビームスプリッタ１３の側へ折り返され、集光しながらビームスプリッタ１３の端部に向かい、集光点ＣＳを形成する。

ここで、ビームスプリッタ１３における集光点ＣＳの近傍には、適当な姿勢の微小平面ミラー１８が形成されている。集光点ＣＳから発散した参照光束ＬＲは、その微小平面ミラー１８によって偏向され、ディジタルカメラ１６の方向へ進行し、撮像面１６ａへ入射する。なお、図１中に符号Ａ_ＬＲで示した領域が、参照光束ＬＲの入射する領域である。この参照光束ＬＲは、前述した物体光束ＬＯと干渉し、撮像面１６ａ上に干渉縞を生起させる。

ディジタルカメラ１６は、干渉縞の１周期分の縞を４個以上の画素で検出できるよう適当なピッチで撮像面１６ａ上に複数の画素を二次元的に配列している。ディジタルカメラ１６は、その干渉縞の輝度分布を示す信号（画像データ）を取得すると、不図示のコンピュータへ出力する。コンピュータは、その画像データへ所定の復元演算を施すことにより、物体の振幅分布及び位相分布（ここでは被検面１５ａの反射率分布及び高さ分布）を復元すると、それら振幅分布及び位相分布を可視化し、不図示のモニタへ表示する。なお、ディジタルカメラ１６は、画像データを一定のフレーム周期で連続して取得することができ、コンピュータは、画像データに対する復元演算をそのフレーム周期内に実行し、被検面１５ａの振幅分布及び位相分布をリアルタイムで表示することが可能である。

図２は、ビームスプリッタ１３の周辺を詳細に説明する模式図であり、図３は、ビームスプリッタ１３を撮像面１６ａの側から見た模式図である。

図２に示すとおり、対物レンズ１４の瞳面ＰＰは、ビームスプリッタ１３の近傍に位置しており、ビームスプリッタ１３の物体側の端部においてビームスプリッタ１３と交差している。図２、図３において符号ＬＣで示すのが、ビームスプリッタ１３と瞳面ＰＰとの交差線である。また、図２において符号ＰＡ’で示すのが、ビームスプリッタ１３に関して瞳領域ＰＡと対称な領域（等価領域）である。

そして、凹球面ミラー１７による参照光束ＬＲの集光先は、図２に示すとおり、等価面ＰＰ’上であって、かつ等価領域ＰＡ’の縁部に相当する位置に設定される。ここでは、集光点ＣＳの位置を、等価領域ＰＡ’の縁部のうち交差線ＬＣに最も近接した箇所とする。

また、微小平面ミラー１８の設け先は、ビームスプリッタ１３のうち、集光点ＣＳから発散した参照光束ＬＲの入射領域である。集光点ＣＳとビームスプリッタ１３とは近接しているので、微小平面ミラー１８のサイズは小さくても構わない。

また、微小平面ミラー１８の姿勢は、図２に示すとおり、集光点ＣＳから発散した参照光束ＬＲを撮像面１６ａへ効率的に導光するための姿勢に予め調整されている。ビームスプリッタ１３に対する微小平面ミラー１８の傾斜量及び傾斜方向は、例えば、撮像面１６ａに対する参照光束ＬＲの入射領域Ａ_ＬＲの中心が、撮像面１６ａに対する物体光束ＬＯの入射領域Ａ_ＬＯの中心に一致するように設定される。このような微小平面ミラー１８によれば、光の利用効率が高まる。

但し、微小平面ミラー１８の外形は、図３に示すとおり集光点ＣＳから発散した参照光束ＬＲをカバーし、かつ瞳領域ＰＡを通過する全ての物体光束ＬＯの光路を妨げないように整えられる。

以上、本実施形態のホログラフィック顕微鏡では、対物レンズ１４の配置先が図１に示したとおりビームスプリッタ１３と被検物１５との間なので、対物レンズ１４の開口数を高くすることが可能である。しかも、対物レンズ１４の瞳面ＰＰがビームスプリッタ１３の近傍に位置するので、ビームスプリッタ１３から対物レンズ１４までの距離は極めて短い。

また、本実施形態のホログラフィック顕微鏡では、凹球面ミラー１７が参照光束ＬＲを等価面ＰＰ’上へ直接的に集光するので、参照光束ＬＲの光路長を短く抑えたまま、撮像面１６ａへ向かう参照光束ＬＲの波面の曲率を、撮像面１６ａへ向かう物体光束ＬＯの波面の曲率に一致させることができる。

また、参照光束ＬＲの集光点ＣＳの位置が、等価領域ＰＡ’の縁部（すなわち等価領域ＰＡ’に近接した位置）に設定されたので、干渉縞に対してより多くの情報を反映させることができる。具体的には、復元時の視野数（すなわち被検面１５ａ上で復元可能な領域の広さ）を、最大にすることができる。

以上の結果、本実施形態のホログラフィック顕微鏡は、軸外しホログラフィック顕微鏡に必要な条件を満たしながら、その光学系全体をコンパクト化することができる。

なお、本実施形態では、集光点ＣＳの位置を、等価領域ＰＡ’の縁部のうち交差線ＬＣに最も近接した箇所としたが、等価領域ＰＡ’の縁部の他の箇所としてもよい。

また、本実施形態では、集光点ＣＳの近傍に微小平面ミラー１８を配置したが、微小平面ミラー１８は、省略することも可能である。但し、微小ミラー１８を配置した方が、光の利用効率を高めることができる。

また、本実施形態では、ビームスプリッタ１３の透過率を、ビームスプリッタ１３の反射率より高く設定することが望ましい。なぜなら、参照光束ＬＲの強度を物体光束ＬＯの強度より高く設定した方が、ホログラムとしての干渉縞のパターンを良好にすることができるからである。

また、本実施形態では、参照光束ＬＲを折り返して集光するために、傾斜した姿勢の凹球面ミラー１７を使用したが、傾斜した姿勢の平面ミラーと、レンズとの組み合わせを使用してもよい（第２実施形態を参照）。

また、本実施形態では、撮像面１６ａの配置先を、対物レンズ１４に関し被検面１５ａと共役な面としたが、共役な面から光軸方向にずれた他の面としてもよい。例えば、撮像面１６ａの配置先をビームスプリッタ１３に近接させることにより、光学系の更なるコンパクト化を図ってもよい。但し、配置先をずらした場合は、その分だけ復元演算の内容も変更する必要がある。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態として、軸外しホログラフィック顕微鏡を説明する。ここでは第１実施形態との相違点のみ説明する。

図４は、本実施形態の軸外しホログラフィック顕微鏡の構成図である。図４において、図１における要素と同じものには同じ符号を付した。

本実施形態のホログラフィック顕微鏡では、傾斜した姿勢の凹球面ミラー１７の代わりに、傾斜した姿勢の平面ミラー２７Ｍと、レンズ２７Ｌとが備えられる。平面ミラー２７Ｍ及びレンズ２７Ｌの組み合わせが、第１実施形態の凹球面ミラー１７と同じ機能を果たす。

また、本実施形態のホログラフィック顕微鏡では、ビームスプリッタ１３を反射する光束ＬＲが参照光束として使用され、ビームスプリッタ１３を透過する光束ＬＭが測定光束として使用される。また、本実施形態のホログラフィック顕微鏡では、微小平面ミラー１８は省略される。

ビームスプリッタ１３から射出した測定光束ＬＭは、対物レンズ１４の瞳面ＰＰ上に集光する。その測定光束ＬＭは、対物レンズ１４によってコリメートされ、被検面１５ａを照明する。被検面１５ａ上の照明領域では、散乱光である物体光束ＬＯが発生し、その物体光束ＬＯは対物レンズ１４へ入射する。なお、図４では、対物レンズ１４へ入射するた物体光束ＬＯのうち、照明領域の中央で発生したもののみを点線で示した。照明領域で発生した物体光束ＬＯは、対物レンズ１４を通過した後、ビームスプリッタ１３を反射し、ディジタルカメラ１６の撮像面１６ａに入射する。図４中に符号Ａ_ＬＯで示した領域が、照明領域の像の形成される領域である。

一方、ビームスプリッタ１３から射出した参照光束ＬＲは、ビームスプリッタ１３に関して瞳面ＰＰと対称な面（等価面ＰＰ’）上に集光した後、発散し、レンズ２７Ｌへ入射する。レンズ２７Ｌを通過した参照光束ＬＲは、コリメートされた状態で平面ミラー２７Ｍへ斜め方向から入射し、その平面ミラー２７Ｍにてレンズ２７Ｌの側へ折り返され、レンズ２７Ｌへ再入射する。レンズ２７Ｌへ再入射した参照光束ＬＲは、集光しながらビームスプリッタ１３の側へ向かい、集光点ＣＳを形成する。集光点ＣＳから発散した参照光束ＬＲは、ビームスプリッタ１３を透過し、ディジタルカメラ１６の方向へ進行し、撮像面１６ａへ入射する。なお、図４中に符号Ａ_ＬＲで示した領域が、参照光束ＬＲの入射する領域である。この参照光束ＬＲは、前述した物体光束ＬＯと干渉し、撮像面１６ａ上に干渉縞を生起させる。

図５は、ビームスプリッタ１３の周辺を詳細に説明する模式図であり、図６は、ビームスプリッタ１３を撮像面１６ａの側から見た模式図である。

図５に示すとおり、対物レンズ１４の瞳面ＰＰは、ビームスプリッタ１３の近傍に位置しており、ビームスプリッタ１３の物体側の端部においてビームスプリッタ１３と交差している。図５、図６において符号ＬＣで示すのが、ビームスプリッタ１３と瞳面ＰＰとの交差線である。また、図５において符号ＰＡ’で示すのが、ビームスプリッタ１３に関して瞳領域ＰＡと対称な領域（等価領域）である。

そして、平面ミラー２７Ｍ及びレンズ２７Ｌによる参照光束ＬＲの集光先は、図５に示すとおり、等価面ＰＰ’上であって、かつ等価領域ＰＡ’の縁部に相当する位置に設定される。ここでは、集光点ＣＳの位置を、等価領域ＰＡ’の縁部のうち交差線ＬＣから最も離れた箇所とする。

以上の結果、本実施形態のホログラフィック顕微鏡も、第１実施形態のホログラフィック顕微鏡と同様、軸外しホログラフィック顕微鏡に必要な条件を満たしながら、その光学系全体をコンパクト化することができる。

なお、本実施形態では、集光点ＣＳの位置を、等価領域ＰＡ’の縁部のうち交差線ＬＣから最も離れた箇所としたが、等価領域ＰＡ’の縁部の他の箇所としてもよい。例えば、図７に示すとおり、等価領域ＰＡ’の縁部のうち交差線ＬＣに最も近い箇所としてもよい。

また、その場合は、図８に示すとおり、ビームスプリッタ１３のうち集光点ＣＳから発散した参照光束ＬＲの入射領域に、微小中空部１８’を設けることにより、参照光束ＬＲを撮像面１６ａへ効率的に入射させてもよい。

但し、微小中空部１８’の外形は、集光点ＣＳから発散した参照光束ＬＲをカバーし、かつ瞳領域ＰＡを通過する全ての物体光束ＬＯの光路を妨げないよう整えられる。なお、微小中空部１８’の代わりに微小反射防止膜を形成することにより同じ効果（光の利用効率の増大）を得てもよい。

また、本実施形態では、ビームスプリッタ１３の反射率を、ビームスプリッタ１３の透過率より十分に高く設定することが望ましい。なぜなら、参照光束ＬＲの強度を物体光束ＬＯの強度より高く設定した方が、ホログラムとしての干渉縞のパターンを良好にすることができるからである。

また、本実施形態では、参照光束ＬＲを折り返して集光するために、傾斜した姿勢の平面ミラー２７Ｍと、レンズ２７Ｌとの組み合わせを使用したが、傾斜した姿勢の凹球面ミラーを使用してもよい（第１実施形態を参照）。

１１…光源、１２…コレクタレンズ、１３…ビームスプリッタ、１７…凹球面ミラー１７、１４…、１６…ディジタルカメラ、１５…被検物

Claims

光源から供給されるコヒーレント光を参照光と測定光とに分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタから射出した測定光の光路に配置され、そのビームスプリッタの側に瞳を配し、その瞳の内部へ入射した測定光で物体を落射照明する対物レンズと、
前記測定光に応じて前記物体で発生した散乱光である物体光を、前記対物レンズ及び前記ビームスプリッタを介して受光する二次元画像検出器と、
前記ビームスプリッタから射出した参照光を前記ビームスプリッタの側へ折り返すと共に、前記ビームスプリッタに関して前記瞳と対称な領域の縁部に向けてその参照光を集光する反射集光光学系とを備え、
前記反射集光光学系による前記参照光の集光点は、前記ビームスプリッタの近傍に位置し、
前記ビームスプリッタにおける前記参照光の入射領域には、前記対物レンズの側から前記二次元画像検出器へ向かう前記物体光を妨げることなく、前記集光点から発散した前記
参照光を前記二次元画像検出器へ効率的に入射させる微小光学面が形成されている
ことを特徴とする軸外しホログラフィック顕微鏡。
請求項１に記載の軸外しホログラフィック顕微鏡において、
前記反射集光光学系は、
凹球面ミラーからなる
ことを特徴とする軸外しホログラフィイック顕微鏡。
請求項１に記載の軸外しホログラフィック顕微鏡において、
前記反射集光光学系は、
平面ミラーと集光レンズとの組み合わせからなる
ことを特徴とする軸外しホログラフィック顕微鏡。