JPH04157415A - 共焦点走査型干渉顕微鏡 - 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） 本発明は共焦点走査型顕微鏡、特に詳細には、透明試料
の位相情報を可視化する共焦点走査型干渉顕微鏡に関す
るものである。

（従来の技術） 従来より、照明光を微小な光点に収束させ、この光点を
試料上において２次元的に走査させ、その際該試料を透
過した光あるいはそこで反射した光、さらには試料から
発せられた蛍光を光検出器で検出して、試料の拡大像を
担持する電気信号を得るようにした光学式走査型顕微鏡
が公知となっている。

なかでも、照明光を光源から発生させた上で試料上にお
いて光点に結像させる一方、この試料からの光束を再度
点像に結像させてそれを光検出器で検出するように構成
した共焦点走査型顕微鏡は、試料面上にピンホールを配
する必要が無く、実現容易となっている。

この共焦点走査型顕微鏡は基本的に、 照明光を発する光源と、 試料が載置される試料台と、 この照明光を試料上において微小な光点として結像させ
る送光光学系と、 上記試料からの光束（透過光、反射光あるいは蛍光）を
集光して点像に結像させる受光光学系と、この点像を検
出する光検出器と、 上記光点を試料上において２次元的に走査させる走査機
構とから構成されるものである。なお特開昭６２−２１
７２１８号公報には、この共焦点走査型顕微鏡の一例が
示されている。

一方従来より、透明な物体（位相物体）を観察するため
の顕微鏡の一つとして、干渉顕微鏡が提供されている。

この干渉顕微鏡は基本的に、位相物体である試料を照明
する照明光を試料に入射する前に２系統に分岐し、試料
を経た光とそうでない光（参照光）とを合波させ、その
際双方の光路差により生じた干渉像を観察するように構
成したものである。

（発明が解決しようとする課題） ３次元情報が容易に得られる等の長所を有する共焦点走
査型顕微鏡を干渉顕微鏡として形成できれば、位相物体
を観察する上で極めて便利であるが、従来、実用レベル
で、そのような共焦点走査型干渉顕微鏡は全く提供され
ていなかった。すなわち、照明光および参照光を走査さ
せると、両者の光路長に変動が生じやすいことが、上記
のような走査型干渉顕微鏡の実現を妨げていた。

そこで本発明は、十分実用に供することができる共焦点
走査型干渉顕微鏡を提供することを目的とするものであ
る。

（課題を解決するための手段及び作用）本発明による共
焦点走査型干渉顕微鏡は、先に述べたような試料台と、
光源と、送光光学系と、受光光学系と、光検出器と、光
点の２次元走査機構とを備えた共焦点走査型顕微鏡にお
いて、試料に入射する前の照明光の一部を参照光として
分岐させる分岐手段と、 上記参照光と試料を経た照明光とを合波させる合波手段
と、 上記送光光学系および受光光学系と同等に形成されて参
照光の光路に配された参照光用光学系と、上記送光光学
系と受光光学系と参照光用光学系とを一体的に保持する
保持台とを設けた上で、この保持台と試料台とを相対移
動させる手段により、照明光光点の２次元走査機構を構
成したことを特徴とするものである。

なお上述の走査手段は、保持台を移動させるものであっ
てもよいし、それとは反対に、試料台を移動させるもの
であってもよい。

上記の構成においては、光点走査のために照明光および
参照光が振られることがないから、前述した両光の光路
長変動が起こらず、その上、光学系の設計は光軸上の光
線のみを考えて行なえばよいことになり、該光学系の設
計は非常に容易となる。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図は、本発明の第１実施例による透過型の共焦点走
査型干渉顕微鏡を示すものであり、また第２および３図
は、それに用いられた走査機構を詳しく示している。

第１図に示されるように、単色光レーザｌＯからは、直
線偏光した照明光としてのレーザビーム１１が射出され
る。この照明光１１は偏波面調整用のλ／２板９を通過
し、屈折率分布型レンズ１３で集光されて偏波面保存光
ファイバー１４内に入射せしめられる。

この偏波面保存光ファイバー１４としては、第４図に断
面形状を示すように、クラッド１４ａ内にコア１４ｂが
配され、このコア１４ｂの両側に応力付与部１４Ｃｓ　
１４ｃが形成されてなる、いわゆるＰＡＮＤＡ型のもの
か用いられている。そして直線偏光した照明光１１は、
λ／２板９を適宜回転させることにより、偏波面の向き
か応力付与部１４ｃ、１４Ｃの並び方向（矢印Ｖ方向）
、あるいはそれに直交する方向（矢印Ｕ方向）と揃う状
態にして、該光フアイバー１４内に入射せしめられる。

この光ファイバー１４の一端は移動台１５に固定されて
おり、該光フアイバー１４内を伝搬した照明光１１はこ
の一端から出射する。この際光ファイバー１４の一端は
、点光源状に照明光１１を発することになる。移動台１
５には、コリメーターレンズ１６および対物レンズ１７
からなる送光光学系１８と、対物レンズ１９および集光
レンズ２０からなる受光光学系２１とが固定されている
。対物レンズ１７と１９は、互いに光軸を一致させて固
定されている。また両光学系１８．２１の間には、移動
台１５と別体とされた試料台２２が配されている。

さらに移動台１５には、上記コリメーターレンズ１６で
平行光化された照明光１１の一部を、参照光１１Ｒとし
て分岐させる第１のビームスプリッタ１が固定されてい
る。この第１のビームスプリッタ１は図示のように、高
さか相等しい２個の光学ブロックが接合された形状のも
のである。

上記光学ブロックの接合面１ａにＰ偏光あるいはＳ偏向
の状態で入射した照明光１１は、この接合面１ａにおい
て一部が反射して参照光１１Ｒとなり、残余の照明光１
１がそこを透過する。

接合面１ａを透過した照明光１１は、第１のビームスプ
リッタ１と周囲空気との界面でさらに２回全反射して、
上記対物レンズ１７に入射する。一方接台面１ａで反射
した参照光１１Ｒは、第１のビームスプリッタ１と周囲
空気との界面で１回全反射し、該第１のビームスプリッ
タコから、上記照明光１１と平行な向きに出射する。

また移動台１５には、上記対物レンズ１７．１９とそれ
ぞれ同等の参照光用レンズ１７Ｒ，１９Ｒが、互いに光
軸を一致させて固定されている。参照光用レンズ１７Ｒ
は、その先軸が対物レンズ１７の光軸と平行となる状態
で、かつ対物レンズ１７と光軸方向位置を揃えて配設さ
れている。対物レンズ１９と参照光用レンズ１９Ｒとの
関係も同様である。さらに移動台１５には、上記第１の
ビームスプリッタ１と同様の形状の第２のビームスプリ
ッタ２が固定されている。

上記の照明光１１はコリメーターレンズ１６によって平
行光とされ、第１のビームスプリッタ１内を前述のよう
に通過し、次に対物レンズ１７によって集光されて、試
料台２２に載置された透明試料２３上で（表面あるいは
その内部で）微小な光点Ｐに結像する。試料２３を透過
した透過光１１′の光束は、受光光学系２１の対物レン
ズ１９によって平行光とされた後、第２のビームスプリ
ッタ２に入射してその内部で２回全反射した後、前記接
合面１ａと同様の接合面２ａを透過して該第２のビーム
スプリッタ２から出射する。

一方第１のビームスプリッタ１から出射した参照光ＬＩ
Ｒは、レンズ１７Ｒ，１９Ｒにより、透過光１１゜と同
じ状態に集光、平行光化されて、第２のビームスプリッ
タ２に入射する。該参照光１１Ｒは第２のビームスプリ
ッタ２内で１回全反射した後、接合面２ａで反射し、こ
こを透過する上記透過光１１′と合波される。

この合波されたレーザビーム（合波光）１１Ｃは第２の
ビームスプリッタ２から出射し、次に集光レンズ２０に
よって集光されて、偏波面保存光ファイバー２４の一端
から該光フアイバー２４内に入射せ　　　　゛しめられ
る。この光ファイバー２４の上記一端は移動台１５に固
定されており、またその他端には屈折率分布型レンズ２
５が接続されている。先ファイバー２４内を伝搬した合
波光１１Ｃはその他端から出射し、上記屈折率分布型レ
ンズ２５によって平行光とされる。

この合波光１１Ｃは、収束用レンズ２６によって収束さ
れ、迷光および外部光をカットするためのピンホール板
４７を通して、光電子増倍管等の光検出器２７によって
検出される。ここで第１のビームスプリッタ１は、２つ
の光出射面１ｂ、ｌｃが同一平面内にあり、そして照明
光１１の分岐点から光出射面１ｂ、ｌｃまでの光路長が
互いに等しくなる形状とされている。また第２のビーム
スプリッタ２も、２つの光入射面２ｂ、２ｃか同一平面
内にあり、そして各光入射面２ｂ、２ｃから、参照光１
１Ｒと透過光１１°　との合波点までの光路長が互いに
等しくなる形状とされている。

このように構成されていると、照明光１１が透明試料２
３を透過する際にその位相が変化するので、透過光１１
’　と、何も透過しなかった参照光１１Ｒとが合波され
ると、試料２３の位相情報に応じた干渉像が生しる。し
たかって光検出器２７は試料２３の位相情報を合波光１
１Ｃの光量変化として検出し、該光検出器２７からはこ
の位相情報を示す信号Ｓが出力される。

次に、照明光１１の光点Ｐの２次元走査について、第２
．３図を参照して説明する。第２図と第３図はそれぞれ
、移動台１５の周辺部分を、第１図の上方側、右方側か
ら見た状態を示している。

この移動台１５は架台３２に、積層ピエゾ素子３３を介
して保持されている。積層ピエゾ素子３３はピエゾ素子
駆動回路３４から駆動電力を受けて、移動台１５を矢印
Ｘ方向に高速で往復移動させる。この往復移動の振動数
は、例えば１０ｋ　Ｈｚとされる。その場合、主走査幅
を１００μｍとすると、主走査速度は、 １ｏＸｌｏ３ｘ１．ｏｏ　ｘｌＯ−６Ｘ２＝２ｍ／Ｓと
なる。なお、光ファイバー１４．２４は屈曲可能である
ので、それぞれ照明光１１、白波光１１Ｃを伝搬させつ
つ、移動台１５の振動を許容する。

一方試料台２２は、２次元移動ステージ３５に固定され
ている。この２次元移動ステージ３５は、モータ駆動回
路３６から駆動電流を受けるパルスモータ３７により、
マイクロメータ３８を介して矢印Ｙ方向に往復移動され
る。それにより試料台２２は移動台１５に対して相対移
動され、前記光点Ｐが試料２３上を、前記主走査方向Ｘ
と直交するＹ方向に副走査する。なおこの副走査の所要
時間は例えば１／２０秒とされ、その場合、副走査幅を
１００μｍとすると、副走査速度は、 ２０Ｘ１００　ＸＩＯ°６−０．００２　ｍ／　ｓ閤２
ｍｍ／Ｓ と、前記主走査速度よりも十分に低くなる。この程度の
副走査速度であれば、試料台２２を移動させても、試料
２３が飛んでしまうことを防止できる。

以上のようにして光点Ｐが試料２３上を２次元的に走査
することにより、該試料２３の２次元干渉像を担持する
連続的な信号Ｓが得られる。この信号Ｓは、例えば所定
周期毎にサンプリングする等により、画素分割された信
号とされる。

また本実施例においては２次元移動ステージ３５が、モ
ータ駆動回路３９から駆動電流を受けるパルスモータ４
０により、主、副走査方向Ｘ、Ｙと直交する矢印Ｚ方向
（すなわち光学系１８．２１の光軸方向）に移動される
。こうして２次元移動ステージ３５を２方向に所定距離
移動させる毎に前記光点Ｐの２次元走査を行なえば、３
次元位相情報を担う信号を得ることが可能となる。

なおピエゾ素子駆動回路３４およびモータ駆動回路３６
．３９には、制御回路４１から同期信号が入力され、そ
れにより、光点Ｐの主、副走査および試料台２２のＺ方
向移動の同期が取られる。

また本装置においては、照明光１１、合波光１１Ｃを伝
搬させる光ファイバーとして、それぞれ偏波面保存光フ
ァイバー１４．２４を用いているので、それらの光ＩＬ
　ＩＩｃのゆらぎか抑えられるようになる。したがって
、合波光１１Ｃを検出した出力Ｓに基づいて再生される
干渉像は、歪みの無いものとなりうる。

以上説明した実施例においては、種々の変更か可能であ
る。例えば屈折率分布型レンズ１３．２５の代わりに、
顕微鏡対物レンズ等を用いてもよい。

そして、２次元移動ステージ３５に固定された試料台２
２をＹ方向に往復移動（副走査）させるための駆動源で
あるパルスモータ３７は、エンコーダ（１のＤＣモータ
でもよく、またこのように試料台２２を移動させること
によって光点Ｐの副走査を行なう代わりに、移動台１５
を移動させることによって光点Ｐの副走査を行なうよう
にしてもよい。さらに移動台１５の移動は積層ピエゾ素
子３３を利用して行なう他、例えばボイスコイル、音叉
および超音波による固体の固有振動を利用した走査方式
等を用いて行なうことも可能である。

次に、第５図を参照して本発明の第２実施例について説
明する。なおこの第５図において、前記第１図中の要素
と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明
は必要の無い限り省略する。

この実施例では、照明光１１を発する光源として、単色
のレーザビームを発するレーザダイオード７０が用いら
れている。そして光検出器７１としては、例えばフォト
ダイオード等の小型のものが用いられている。この光検
出器７１およびレーザダイオード７０は移動台１５に固
定されており、それにより、第１実施例装置よりも小型
の共焦点走査型干渉顕微鏡が実現されている。

なお光分岐手段と合波手段としては、第６図図示のよう
なものも使用可能である。この構成において、光分岐手
段は４個の直角プリズム６０．６１．６２．６３から構
成され、一方合波手段も４個の直角プリズム６４．６５
．６Ｂ、６７から構成されている。直角プリズム６００
面６０ａは、照明光１１の５０％を反射させるハーフミ
ラ−面とされている。それ以外のプリズム６１〜６７の
光反射面は、すべて全反射面である。そして直角プリズ
ム６７の面６７ａには、参照光１１Ｒの反射を防止し照
明光１１の透過を最小とするコーティングが施されてい
る。

上述のような構成においても、光分岐点から合波点まで
における、参照光１１Ｒと照明光１１との光路長を相等
しくすることができる。そしてこの構成においては、上
記のコーティングが良好なものとなってさえいれば、参
照光１１Ｒや透過光１１′がプリズムの各面で不要に反
射したりあるいは透過してしまうことがなくなり、よっ
て参照光１１Ｒと透過光１１°とを１＝１に近い光量比
の下に合波することも可能となる。そうなっていれば、
試料像の干渉縞の鮮明度を高めることができる。

また、以上説明した実施例の共焦点走査型干渉顕微鏡は
、ともにモノクロ型のものであるが、本発明の共焦点走
査型干渉顕微鏡は、カラー像を撮像するように構成する
ことも可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り、本発明の共焦点走査型干渉顕
微鏡においては、送光光学系と受光光学系と参照光用光
学系とを一体的に保持台に保持させ、この保持台と試料
台とを相対移動させて光点の走査を行なうように構成し
たから、光点走査のために照明光と参照光との間で光路
長が変動してしまうことを防止可能となる。よって本発
明の共焦点走査型干渉顕微鏡は、試料の位相情報を極め
て正確に可視像化できるものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例による共焦点走査型干渉
顕微鏡を示す概略正面図、 第２図と第３図はそれぞれ、上記共焦点走査型干渉顕微
鏡の要部を示す平面図と側面図、第４図は、上記共焦点
走査型干渉顕微鏡に用いられた偏波面保存光ファイバー
の断面図、第５図は、本発明の第２実施例による共焦点
走査型干渉顕微鏡を示す概略正面図、 第６図は、本発明に用いられる光分岐手段および合波手
段の別の例を示す正面図である。 １・・・第１のビームスプリッタ ２・・・第２のビームスプリッタ １０・・・単色光レーザ　　　　１１・・・照明光１１
°・・・透過光　　　　　　１１ｃ・・・合波光１１Ｒ
・・・参照光 １４．２４・・・偏波面保存光ファイバー１５・・・移
動台　　　　　　１６・・・コリメーターレンズ１７．
１９・・・対物レンズ １７Ｒ，１９Ｒ・・・参照光用レンズ ｌ８・・・送光光学系　　　　　２０・・・集光レンズ
２１・・・受光光学系　　　　　２２・・・試料台２３
・・・試料　　　　　　　　２７．７１・・・光検出器
３２・・・架台　　　　　　　　３３・・・積層ピエゾ
素子３４・・・ピエゾ素子駆動回路 ３５・・・２次元移動ステージ ３Ｂ、３９・・・モータ駆動回路　３７．４０・・・パ
ルスモータ３８・・・マイクロメータ　　　４１・・・
制御回路４７・・・ピンホール板　　　　６０〜６７・
・・直角プリズム７０・・・レーザダイオード 第１図 第４図 Ｕ 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試料が載置される試料台と、 照明光を発する光源と、 この照明光を試料上において微小な光点として結像させ
   る送光光学系と、 前記試料からの光束を集光して点像に結像させる受光光
   学系と、 この点像を検出する光検出器と、 前記試料に入射する前の照明光の一部を参照光として分
   岐させる分岐手段と、 前記参照光と試料を経た照明光とを合波させる合波手段
   と、 前記送光光学系および受光光学系と同等に形成されて前
   記参照光の光路に配された参照光用光学系と、 前記送光光学系と受光光学系と参照光用光学系とを一体
   的に保持する保持台と、 この保持台と試料台とを相対移動させて、前記光点を試
   料上において２次元的に走査させる走査手段とからなる
   共焦点走査型干渉顕微鏡。