JPH0391709A - 走査型微分干渉顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は走査型微分干渉顕微鏡に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、微分干渉顕微鏡は位相差顕微鏡等と比べて、被観
察物体の像が立体的に観察できるという特徴を有し、医
療、工業分野において種々実用に供されてきている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、従来の微分干渉顕微鏡では高コントラスト、
高分解能が十分に得られず、また、色収差を抑えるため
に、光源に干渉フィルター等を設けると、照明光が著し
く減少するという問題を抱えていた。

そこで、本発明は上記の問題を解決し、常に安定した画
像が検出できる優れた性能を有する走査型微分干渉顕微
鏡を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による走査型微分干渉顕微鏡は、照射対物レンズ
により光源からの光束を被照射物体上でスポット状に集
光して、被照射物体からの光束を集光対物レンズにより
集光して、この集光対物レンズの集光位置に設けられて
微小開口部を有する開口絞りを通して、検出器にて像検
出する、所謂コンフォーカル型の構成としたものである
。

すなわち、本発明は、第１図に示す如く、平行光束供給
手段（１）と；該平行光束供給手段からの平行光を所定
状態の偏光光にする第１偏光手段（２〉と；該第１偏光
手段を介した所定状態の偏光光を、第１方向に偏光する
第１光束と、該第１光束に対して垂直な第２方向に偏光
する第２光束とに、分離する第１複屈折手段（３１）と
；該第１複屈折手段を介して分離した前記第１光束と前
記第２光束とを被照射物体に集光して照射する照射対物
レンズ（４１）と；該被照射物体を介した前記第１光束
と前記第２光束とを集光する第１集光対物レンズ（４２
）と，該第１集光対物レンズを介した前記第１光束と前
記第２光束とを同一光路上に合成させるための第２複屈
折手段（３２）と；該第２複屈折手段を介して同一光路
上に合成した前記第１光束と前記第２光束とを干渉させ
るための第２偏光手段（６）と；該第２偏光手段を介し
た干渉光束を集光する第２集光対物レンズ（７）と；該
第２集光対物レンズにより集光された位置近傍に配置さ
れた微小開口部を有する開口絞り（８）と；該開口絞り
を介した干渉光束を検出するための検出手段（９）と，
前記被照射物体と前記照射対物レンズによる集光位置と
を相対的に走査する走査手段（１０）とを有するように
したものである。

以上の構成に基づいて、信号処理手段（１１）により、
検出手段（９）からの検出信号を走査手段（１０）によ
る走査と同期して記憶され、表示手段（１２）にて被照
射物体上の位相情報についの２次元像が表示される。

〔作　用〕

本発明は微分干渉顕微鏡の構成をコンフオーカル（共焦
点）走査型とすることに着目し、高コントラストかつ高
分解能な微分干渉顕微鏡を得ようとするものである。こ
のような構成を採用することにより、特に、光軸方向（
試料の厚さ方向）の分解能を格段に向上させることが可
能となる。

〔実施例〕 第１図は本発明による実施例１の概略構成図であり、こ
の図を参照しながら説明する。

平行光束手段１は、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等のレーザー光
源、ビームエキスパンダ等を含んだ構成を有しており、
このレーザー光源からの直線偏光した光束をビームエキ
スパンダにより所望のビーム径に拡大された平行光束を
供給する。そして、この平行光束は、第１偏光手段とし
ての１／２波長板を通過すると、紙面に対して４５度傾
いた光軸を含む平面内で直線偏光する光束となる。

その後、この直線偏光光は、第１複屈折手段としてのノ
マルスキープリズム３１を通過すると、紙面方向に直線
偏光するＰ偏光光（破線）と、紙面に対して垂直方向に
直線偏光するＳ偏光光（実線）とに分離される。そして
、分離された各偏光光（Ｐ偏光光、Ｓ偏光光）は、照射
対物レンズ４１により集光して、被照射物体５上で２つ
のスポット光が形盛される。

ここで、ノマルスキープリズム３■の具体的な構造の１
例を第３図に示す。

このノマルスキープリズム３１は、光学軸方向が互いに
異なる楔状の複屈折プリズムを組み合わせた構成を有し
ており、複屈折プリズム３１ａは図示の如き方向に光学
軸を有しており、複屈折プリズム３ｌｂは紙面に垂直な
方向に光学軸を有している。そして、図示の如く、プリ
ズム３１の入射側面で光束が破線で示すＰ偏光光と実線
で示すＳ偏光光とに分離された後、Ｓ偏光光は直進する
一方で、Ｐ偏光光はプリズム３ｌの接合面，射出側面で
屈折作用を受ける。これにより、光源からの光束は、実
質的にこのプリズム３１の射出側空間で、Ｐ偏光光とＳ
偏光光とに分離されることになる。

このノマルスキープリズム３ｌの分離点ａ（Ｐ偏光光と
Ｓ偏光光とに分離される位置）は、第１集光対物レンズ
４ｌの前側焦点位置ｆ、すなわち第１集光対物レンズ４
ｌの瞳位置にほぼ位置するように設けられている。

再び、第１図に戻って説明する。

被照射物体５は走査手段１０として２次元的に移動可能
なステージ上に載置されており、このステージを２次元
的に移動させることより、照射対物レンズ６により形成
される２つのスポット光と被照射物体５とが相対的に走
査される。

さて、被照射物体５を通過した各偏光光（Ｐ偏光光、Ｓ
偏光光）は、この被照射物体５の形状変化に応じて光路
長が変化し、その結果、位相変化を受ける。

そして、この位相変化による被照射物体５の情報を含ん
だ各偏光光（Ｐ偏光光、Ｓ偏光光）は、第１集光対物レ
ンズ４２により集光されてほぼ平行光束となり、第１複
屈折手段と同様な複屈折素子で構成される第２複屈折手
段としてのノマルスキープリズム３２により同一光路に
進行するように合成される。

このとき、ノマルスキープリズム３２により、実質的に
Ｐ偏光光とＳ偏光光とが合成される位置（合成点ｂ）は
、第１集光対物レンズ４２の後側焦点位置、すなわち第
１集光対物レンズ４２の瞳位置に、ほぼ一致するように
設けられている。

したがって、先に述べた第１複屈折手段の分離点ａとこ
の第２複屈折手段の合成点ｂとは、照射対物レンズと第
１集光対物レンズとに関してほぼ共役に配置されている
。

さて、ノマルスキープリズム３２によって、同一光路上
を進行するように合成された各偏光光（Ｐ偏光光、Ｓ偏
光光）は、第２偏光手段としてのｌ／２波長板６を通過
する。

すると、紙面に対して４５度傾いた光軸を含む平面内で
直線偏光する各偏光光（Ｐ偏光光、Ｓ偏光光）とが互い
に干渉する。そして、この干渉光は第２集光対物レンズ
７により集光され、微小な開口部を有する開口絞りとし
てのピンホール８を介して検出器９にて被照射物体５の
形状に応じた位相差の情報が光電検出される。

この検出器９にて光電検出された信号は、信号処理手段
１ｌにより走査手段ｌＯの２次元的な走査に同期して記
憶（メモリー）され、この記憶された情報を表示手段ｌ
２としてのＣＲＴモニター等にて画像として観察するこ
とができる。

以上の如き構成により、第１集光対物レンズ４２と第２
集光対物レンズ７とに関して被照射物体５がピンホール
１０とほぼ共役に配置された所謂コンフォーカル（共焦
点）型の構威が達威されている。

したがって、この構成により、被照射物体面のピントの
合った場合のみに信号検出が可能となり、フォーカスの
情報も同時に得ることができる。それゆえ、例えば第１
集光対物レンズ４２を光軸方向へ移動させて、その各々
の位置に対応する信号の中から最もコントラストあるい
は最も強度の強い信号をベストフォーカスの信号とする
ことにより被照射物体の大きな表面形状変化にも観測が
可能となる。よって、高コントラストかつ高分解能な走
査型微分干渉顕微鏡が達或される。

尚、本実施例では、第１及び第２複屈折手段をノマルス
キープリズムで構成しているため、各偏光光（Ｐ偏光光
、Ｓ偏光光）の分離点ａ及び合成点ｂは、これらのプリ
ズムの外側空間中に形成されている。これにより、照射
対物レンズ及び第１集光対物レンズの内部にこの対物レ
ンズの瞳が位置していても、リレー系を不要とした簡単
な構成で、この分離点ａと合成点ｂとの各々をこれらの
対物レンズの瞳とと致させることが容易にできる。

次に、第２図は本発明による実施例２の概略構成図であ
り、実施例１と同一の部材には同じ記号を付してある。

本実施例は先に述べた実施例１の第Ｉ複屈折手段を第２
複屈折手段と共用させつつ、照射対物レンズを第１集光
対物レンズと共用させた構成とした反射型の走査微分干
渉顕微鏡である。

図示の如く、レーザー光源ｌ００、ビームエキスパンダ
ｌ０２Ａ、１０２Ｂを含んだ構成の平行光束供給手段に
より所望のビーム径に拡大された平行光束は、第１偏光
手段としての１／２波長板２、光路分割手段としてのビ
ームスプリッター２０を通過して、ノマルスキープリズ
ム３に達する。

このノマルスキープリズム３は、照射光が送光される際
にＰ偏光光とＳ偏光光とに分離する機能と、被照射物体
からのＰ偏光とＳ偏光との反射光を検出する際に、各反
射光を同一光路上に進行させる機能とを兼ね備えている
。そして、このプリズム３による分離点（Ｐ偏光光とＳ
偏光光とに分離される位置）及び合成点（Ｐ偏光光とＳ
偏光光とが合成される位置）は、第３図に示した如く、
このプリズムの外部空間中に形或されており、この分離
点及び合成点が後方の光路中に配置されている第１走査
ミラー５０Ａの振れの原点Ｏ，（後述する第１対物レン
ズ４の前側焦点と共役な位置）にほぼ位置するように設
けられている。

これにより、分離点及び合成点を内部に有する複屈折手
段を用いた場合に、この分離点と振れの原点０１との共
役関係を保つために必要とされるリレー系の構成を不要
とした極めて簡単な構成が実現できる。

尚、ノマルスキープリズム３を通過した照射光は、被照
射物体５を照射した後、反射して再びこのノマルスキー
プリズム３を通過して合或されるまで、Ｐ偏光光とＳ偏
光光とは分離した状態で並列的な光路を進行するが、第
２図においては、Ｓ偏光光の光路を代表させて示した。

さて、このノマルスキープリズム３を通過した照射光は
、Ｐ偏光光とＳ偏光光とに分離した状態で並列な光路上
を進行し、第１走査ミラー５０Ａにより反射された後、
リレー系６０Ａ、６０Ｂによりリレーされて、第２走査
ミラー５０Ｂを反射し、第１対物レンズ４を介して被照
射物体５へ照射される。

この第１対物レンズ４は、分離した各偏光光（Ｐ偏光光
、Ｓ偏光光）を照射する機能と被照射物体５からの反射
光を集光する機能を兼ね備えており、また被照射物体側
がテレセントリックに設けられている。

ここで、第２走査ミラー５０Ｂの振れの原点０２は、第
１対物レンズ４の前側焦点位置にほぼ位置するように設
けられていると共に、リレー系（６０Ａ，６０Ｂ）に関
して、第１走査ミラー５０Ａの振れの原点０１とほぼ共
役となるように設けられている。

そして、第１走査ミラー５０Ａを振れの原点Ｏを中心に
矢印Ａの如く左右に振ると、この第１走査ミラー５０Ａ
の傾きに応じて第１対物レンズ４による集光位置がＸ方
向に走査される一方、第２走査ミラー５０Ｂを振れの原
点Ｏ，を中心に矢印Ｂの如く左右に振ると、この第■走
査ミラー５ＯＢの傾きに応じて第１対物レンズ４による
集光位置がＹ方向に走査される。

さて、被照射物体５を反射してこの被照射物体の形状に
応じた位相情報を含んだ各偏光光（Ｐ偏光光、Ｓ偏光光
）は、照射兼集光機能を有する第１対物レンズ４を介し
て集光され、再び逆の光路を辿って、第１走査ミラー５
０Ｂ１リレー系６ｏＡ，６０Ｂ，第２走査ミラー５０Ａ
１ノマルスキープリズム３に達する。

そして、各偏光光は、再びノマルスキープリズム３を通
過すると、同一光路上を進行し、この状態でビームスプ
リッター２０を反射した後、第２偏光手段の１／２波長
板を通過して干渉する。そして、この干渉光は第２対物
レンズ７０により集光され、微小な開口部を有する開口
絞りとしてのビンホール８を介して検出器９にて光電検
出される。

以上の如く、本実施例の反射型のコンフォーカルな構成
によっても、実施例１と同様に、高コントラストかつ高
分解能な画像を得ることができる。

尚、本実施例においては走査手段として走査ミラーを適
用したが、ポリゴンミラー、音響光学素子等を使用して
も良いことは言うまでもない。

また、ベストフォーカスの信号は、実施例ｌと同様に、
例えば第１対物レンズ４を光軸方向へ移動させることに
より得ることができる。

さらに、各実施例のノマルスキープリズムを光軸に対し
て垂直な方向へ移動させることにより、Ｐ偏光光とＳ偏
光光との分離点及び合戊点の位置を調整することができ
る。

また、各実施例とも複屈折手段としてノマルスキープリ
ズムを用いたが、ウォラストンプリズム等の複屈折機能
を有する光学部材を適応することもできる。

また、各実施例とも第１偏光手段として１／２波長板を
使用したが、光源から供給される光束の偏光状態（ラン
ダム偏光、円偏光、楕円偏光）によっては適宜、偏光子
、１／４波長板、ｌ／８波長板等を使用することも可能
である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高コントラストかつ高分解能で、常に
安定した被照射物体の画像を観察することができ優れた
性能を有する走査型微分干渉顕微鏡を達戊することがで
きる。

これにより、特に光軸方向（試料の深さ方向）の分解能
を格段に向上させることができる。

また、複屈折手段としてノマルスキープリズムを用Ｉ．
．）れば、Ｐ偏光光とＳ偏光光との分離点及び合成点と
、照射及び集光対物レンズの瞳あるいは走査ミラーの振
れ角の原点との共役関係を簡単な構成で実現できるため
、極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の概略構成図、第２図は実施例１の概
略構成図、第３図はノマルスキープリズムについての具
体的な構成を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ■・・・平行光束供給手段 ２、９・・・１／２波長板 ３、３１，　３２・・・ノマルスキープリズム４・・・
第１対物レンズ ４１・・・照射対物レンズ ４２・・・第１集光対物レンズ ５・・・被照射物体 ７・・・第２集光対物レンズ ７０●・・第２対物レンズ ８・●・ピンホール ９・・・検出手段 １２、５０Ａ、５０Ｂ・・・走査手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）平行光束供給手段と；該平行光束供給手段からの平
   行光を所定状態の偏光光にする第１偏光手段と；該第１
   偏光手段を介した所定状態の偏光光を、第１方向に偏光
   する第１光束と、該第１光束に対して垂直な第２方向に
   偏光する第２光束とに、分離する第１複屈折手段と；該
   第１複屈折手段を介して分離した前記第１光束と前記第
   ２光束とを被照射物体に集光して照射する照射対物レン
   ズと；該被照射物体を介した前記第１光束と前記第２光
   束とを集光する第１集光対物レンズと；該第１集光対物
   レンズを介した前記第１光束と前記第２光束とを同一光
   路上に合成させるための第２複屈折手段と；該第２複屈
   折手段を介して同一光路上に合成した前記第１光束と前
   記第２光束とを干渉させるための第２偏光手段と；該第
   ２偏光手段を介した干渉光束を集光する第２集光対物レ
   ンズと；該第２集光対物レンズにより集光された位置近
   傍に配置された微小開口部を有する開口絞りと；該開口
   絞りを介した干渉光束を検出するための検出手段と；前
   記被照射物体と前記照射対物レンズによる集光位置とを
   相対的に走査する走査手段とを有することを特徴とする
   走査型微分干渉顕微鏡。 ２）前記走査手段は被照射物体を前記照射対物レンズの
   光軸に対し垂直方向へ移動させるためのステージを有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査型
   微分干渉顕微鏡。 ３）前記走査手段は前記第１複屈折手段と前記照射対物
   レンズとの間に配置される走査ミラーを有し、該走査ミ
   ラーにより反射される光束の振れ角の原点は、前記照射
   対物レンズの瞳位置とぼぼ共役となるようにすることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査型微分干渉
   顕微鏡。 ４）前記第１光束偏光手段と前記第１複屈折手段との間
   に光路分割手段を設け、前記照射対物レンズが被照射物
   体からの反射光を集光して第１集光対物レンズを共用す
   るようにするとともに、前記第１複屈折手段が前記第２
   複屈折手段を共用するようにし、 前記照射対物レンズと前記第１複屈折手段とを介した被
   照射物体からの反射光を前記光路分割手段を介して検出
   することを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の走査
   型微分干渉顕微鏡。 ５）前記第１複屈折手段及び前記第２複屈折手段をノマ
   ルスキープリズムで構成することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項乃至第４項記載の走査型微分干渉顕微鏡。