JPH0915504A - 微分干渉顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 観察物体の正確な位相分布を計測できる微分
干渉顕微鏡を提供する。 【解決手段】 光源７からの光を常光および異常光に分
離して観察物体１に照射し、観察物体１を経た常光およ
び異常光を重ね合わせて結像面に結像させるようにした
微分干渉顕微鏡において、常光および異常光の光路長差
を変化させる光路長差変化手段(9,12)と、結像面に配置
した電子撮像素子４と、この電子撮像素子４からの画像
データを処理する画像処理手段５とを有し、光路長差変
化手段(9,12)により常光および異常光の光路長差を、互
いにほぼ等しく符号が異なる２つの状態に変化させ、そ
の各状態での電子撮像素子４からの画像データを画像処
理手段５に取り込んで、それらの差画像、和画像を得る
ようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば細胞やバクテ
リア等の微細物体、あるいは金属等の結晶構造を高解像
力で観察するのに好適な微分干渉顕微鏡に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】微分干渉顕微鏡においては、照明光を複
屈折性のプリズムにより常光と異常光とに分離して観察
物体に照射し、それらの透過光または反射光を干渉させ
ることにより、観察物体の勾配の画像を形成するように
している。

【０００３】また、最近では、微分干渉顕微鏡に、従来
の２光束干渉計測技術を応用して、観察物体の位相分布
や微細形状を計測する試みもなされている。例えば、特
開昭６−２２９７２４号公報には、半導体製造分野で用
いられる位相シフトマスクの位相シフタの膜厚を高精度
に測定する方法が提案されている。さらに、このような
計測において、微分干渉顕微鏡における測定精度を向上
させるものとして、例えば、「Applications of interf
eromertry and automated inspection in Japan,T.YATA
GAI,SPIE.Vol.CR46,1992」や特開平５−２３２３８４号
公報には、微分干渉顕微鏡に干渉計測における縞走査法
を応用したものが開示されている。

【０００４】また、観察物体の２次元的な位相分布や微
細形状を計測するものとして、観察物体を顕微鏡の光軸
を中心に回転させたり、特開平５−３０３０４０号公報
に開示されているように、観察物体を回転させる代わり
に、複屈折性のプリズムと偏光子および検光子とを同期
させて回転させるようにした微分干渉顕微鏡も提案され
ている。

【０００５】さらに、「差動微分干渉顕微鏡によるマス
ク欠陥検査」岩崎他、第５６回応用物理学会学術講演会
講演予稿集、２８ａ−Ｎ−９、１９９５、には、微分干
渉顕微鏡とレーザ走査型顕微鏡とを組み合わせ、検出部
に光磁気ディスク装置で広く用いられている差動検出装
置を用いて、１／２波長板を回転させることにより、マ
スク上のパターンとマスクに付着した汚れとの微分信号
の強度を相対的に変化させるようにしたものが提案され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、微分
干渉顕微鏡を観察物体の計測に応用する場合、従来は、
特開平６−２２９７２４号公報に開示されているよう
に、微分干渉顕微鏡をマッハツェンダ型の２光束干渉計
と考え、観察物体で回折される光の影響は無いものとし
て、常光と異常光との光路差を求めて、観察物体の位相
情報等を得るようにしている。

【０００７】これに対し、通常の微分干渉顕微鏡におい
ては、観察物体面上での常光と異常光との分離幅、すな
わちシェア量が解像力やコントラストを決める重要なパ
ラメータとなり、このシェア量を顕微鏡の分解能程度に
設定することにより、常光と異常光とのそれぞれの回折
光が相互に干渉して像が形成されるとされている。この
ため、上述したように微分干渉顕微鏡を用いて、観察物
体の位相分布や微細形状を計測する場合には、微分干渉
顕微鏡のシェア量および観察物体での回折の影響を考慮
する必要がある。

【０００８】しかしながら、上述した「Applications o
f interferomertry and automatedinspection in Japa
n,T.YATAGAI,SPIE.Vol.CR46,1992」や特開平５−２３２
３８４号公報においては、観察物体で回折した光が全て
像面に伝達されるものとしており、光学系の開口数等に
よる回折光の欠落（応答性）については、何ら考慮され
ていない。このため、観察物体の位相分布を正確に求め
ることができないという問題がある。

【０００９】また、観察物体の２次元的な位相分布や微
細形状を計測するために、観察物体を顕微鏡の光軸を中
心に回転させたり、特開平５−３０３０４０号公報にお
けるように、複屈折性のプリズムと偏光子および検光子
とを同期させて回転させる場合には、光軸と回転軸と正
確に一致させないと、微分干渉像に位置ズレが生じて正
確な２次元計測ができなくなる。しかし、光学系の光軸
は、光学系を構成する個々の光学部品の偏芯により変化
するため、観察物体を載せているステージ等の回転軸を
光軸に正確に一致させるには、非常に手間がかかり、装
置がコストアップするという問題がある。

【００１０】さらに、上述した「差動微分干渉顕微鏡に
よるマスク欠陥検査」岩崎他、第５６回応用物理学会学
術講演会講演予稿集、２８ａ−Ｎ−９、１９９５、に開
示されている微分干渉顕微鏡では、マスク上のパターン
とマスクに付着した汚れとの微分信号の強度を相対的に
変化させることが可能であるが、マスクの反射率が部分
的に変化している場合等においては、反射率の変化とマ
スク面上の段差との情報の分離が困難となって、マスク
面上の段差情報を正確に測定することができなくなると
いう問題がある。つまり、観察物体に振幅分布情報と位
相分布情報とが混在している場合には、微分干渉顕微鏡
による画像から、位相分布情報を正確に抽出することが
できなくなる。また、観察面上を走査する走査型顕微鏡
であるため、観察面上の段差等の情報を得るのに時間が
かかるという問題もある。

【００１１】この発明は、上述した従来の問題点に着目
してなされたもので、その第１の目的は、観察物体の正
確な位相分布を計測し得るよう適切に構成した微分干渉
顕微鏡を提供しようとするものである。

【００１２】また、第２の目的は、簡単かつ安価な構成
で、観察物体の２次元的位相分布情報が得られるように
した微分干渉顕微鏡を提供しようとするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため、この発明では、光源からの光を常光および異常
光に分離して観察物体に照射し、該観察物体を経た前記
常光および異常光を重ね合わせて結像面に結像させるよ
うにした微分干渉顕微鏡において、前記常光および異常
光の光路長差を変化させる光路長差変化手段と、前記結
像面に配置した電子撮像素子と、この電子撮像素子から
の画像データを処理する画像処理手段とを有し、前記光
路長差変化手段により前記常光および異常光の光路長差
を、互いにほぼ等しく符号が異なる２つの状態に変化さ
せ、その各状態での前記電子撮像素子からの画像データ
を前記画像処理手段に取り込んで、それらの差画像を得
るよう構成したことを特徴とするものである。

【００１４】さらに、この発明では、光源からの光を常
光および異常光に分離して観察物体に照射し、該観察物
体を経た前記常光および異常光を重ね合わせて結像面に
結像させるようにした微分干渉顕微鏡において、前記常
光および異常光の光路長差を変化させる光路長差変化手
段と、前記結像面に配置した電子撮像素子と、この電子
撮像素子からの画像データを処理する画像処理手段とを
有し、この画像処理手段において、前記電子撮像素子か
らの画像データを、前記常光および異常光の分離量、前
記光路長差変化手段による光路長差量および光学系の瞳
関数から求まる応答関数を用いてデコンボリューション
処理して、前記観察物体の位相分布を求めるよう構成し
たことを特徴とするものである。

【００１５】また第２の目的を達成するため、第２の発
明では、光源からの光を分波手段により常光および異常
光に分離して観察物体に照射し、該観察物体を経た前記
常光および異常光を合波手段により重ね合わせて結像面
に結像させるようにした微分干渉顕微鏡において、前記
分波手段を、前記常光および異常光の分波方向が異なる
少なくとも２方向に切り換え可能に構成すると共に、前
記合波手段を、前記常光および異常光の合波方向が異な
る少なくとも２方向に切り換え可能に構成したことを特
徴とするものである。

【００１６】

【作用】図１は、この発明の原理を説明するための微分
干渉顕微鏡の一例の構成を示すものである。この微分干
渉顕微鏡は、標本（観察物体）１を照明する照明光学系
２と、標本１の像を拡大して結像する結像光学系３と、
この結像光学系３の結像面に配置した電子撮像素子４
と、この電子撮像素子４からの画像信号を処理する画像
処理装置５と、この画像処理装置５で処理された画像信
号（処理画像）および微分干渉顕微鏡の直接観察像を表
示する出力装置６とを有する。

【００１７】照明光学系２は、光源７、偏光子８、ノマ
ルスキープリズム９およびコンデンサレンズ１０を有
し、光源７からの光を偏光子８で直線偏光にしてノマル
スキープリズム９に入射させ、ここで常光と異常光とに
分離してコンデンサレンズ１０を経て標本１を照明する
ようにする。また、結像光学系３は、対物レンズ１１、
ノマルスキープリズム１２および検光子１３を有し、標
本１を透過した常光および異常光を対物レンズ１１を経
てノマルスキープリズム１２で合波し、その合波した常
光および異常光を、検光子１３を経て干渉させて結像面
に微分干渉像を形成するようにする。

【００１８】以下、図１に示す微分干渉顕微鏡の結像に
ついて、コンデンサレンズ１０の瞳位置にノマルスキー
プリズム９のローカライズ位置を一致させると共に、対
物レンズ１１の瞳位置にノマルスキープリズム１２のロ
ーカライズ位置を一致させた１次元のモデルを用いて説
明する。いま、照明光学系２の瞳関数をQ(ξ) 、結像光
学系３の瞳関数をP(ξ) 、標本１の位相分布をφ(x) と
して、ボルン近似、

【数１】exp｛i φ(x) ｝＝1 ＋ iφ(x) を行うと、標本１の像強度分布I(x)は、部分的コヒーレ
ント結像の式より、

【数２】 I(x)＝R(0,0) ＋ i∫｛R(f,0)−R(0,-f)]｝Φ(f)exp(-ifx)df ＋∫∫Φ(f) Φ^* (f')R(f,f')exp｛-i(f-f')x ｝dfdf' （１） (f≠0,f'≠0) R(f,f') ＝∫Q(ξ) P(ξ+f)P ^* (ξ+f') dξ で与えられる。ただし、Φ(f) はφ(x) のフーリエ変換
を表し、ｆは空間周波数を示す。

【００１９】上記（１）式におけるR(f,f') は、部分的
コヒーレント結像での伝達関数を表し、第２および３項
は、ｆまたはｆ’のいずれかが０のときの計算であり、
第４項は、ｆ≠０で、かつｆ’≠０のときの計算を表し
ている。

【００２０】ここで、微分干渉顕微鏡は、偏光干渉を利
用しているので、ノマルスキープリズム１２における常
光と異常光との振動方向を、座標軸の方向とする偏光座
標を考える。

【００２１】光源７から発せられた光は、偏光子８によ
り直線偏光となってノマルスキープリズム９に入射し、
ここで常光と異常光との互いに直交する偏光成分に分離
される。したがって、結像光学系３の瞳関数P(ξ) はベ
クトルで表され、

【数３】P(ξ) ＝｛aPx(ξ),bPy(ξ))｝ となる。なお、ａ，ｂは、偏光子８による直線偏光の偏
光成分を表す。

【００２２】この分離された常光および異常光は、標本
１のシェア量Δだけ分離した２点を通過し、結像光学系
３の対物レンズ１１を経てノマルスキープリズム１２に
より合波され、その後、検光子１３を通過する際に干渉
して、その干渉像が結像面に形成される。したがって、
検光子１３の偏光成分をα，βとすると、

【数４】 で表される。

【００２３】また、上記の Px(ξ) および Py(ξ) は、
常光と異常光との間の位相差（リターデーション）を
θ、結像光学系３の明視野の瞳関数をp(ξ) とすると、

【数５】 Px(ξ) ＝ exp｛i(Δξ／２＋θ) ｝p(ξ) Py(ξ) ＝ exp(-i Δξ／２) p(ξ) （３） で表されるので、偏光子８および検光子１３が互いに直
交（クロスニコル）し、結像光学系３が理想光学系であ
るとすると、上記（１）式は、上記（２）および（３）
式を用いて、

【数６】 I(x)＝４(aα)²〔｛1- cosθ｝M(0) ＋isinθ∫sin (fΔ/2)M(f) Φ(f)exp(-ifx)df ＋∫∫Φ(f) Φ^* (f')R(f,f')exp｛-i(f-f')x ｝dfdf' 〕 （４） ただし、M(f)＝∫Q(ξ) p(ξ+f)p ^* (ξ) d ξ と書き表すことができる。

【００２４】ここで、リターデーションθを調整して、
θ＝±ωとすると、

【数７】 I(x)＝４(aα)²〔｛1- cosω｝M(0) ±isinω∫sin (fΔ/2) M(f)Φ(f)exp(-ifx)df ＋∫∫Φ(f) Φ^* (f')R(f,f')exp｛-i(f-f')x ｝dfdf' 〕 （５） となる。また、標本１が厚くなく、（５）式の第３項が
小さいとすると、θ＝±ωのときの微分干渉顕微鏡の像
強度分布は、近似的に、

【数８】 I(x)＝４(aα)²〔｛1- cosω｝M(0) ±isinω∫sin (fΔ/2) M(f)Φ(f)exp(-ifx)df〕 （６） で与えられる。

【００２５】（６）式から、リターデーションθが、θ
＝±ωのときの２つの微分干渉像の差画像を作ると、

【数９】 I'(x) ＝８(aα)²isinω∫sin (fΔ/2) M(f)Φ(f)exp(-ifx)df （７） となり、標本１の位相勾配のみを抜き取ることが可能と
なる。

【００２６】ここで、（７）式の両辺のフーリエ逆変換
をとり、両辺を、｛ i８(aα)² sinω・sin (fΔ/2) M
(f)｝で割り算すると、

【数１０】 Φ(f) ＝-i∫I'(x)exp(ifx)df/｛８(aα)² sinω・sin (fΔ/2) M(f)｝ （８） となり、標本１の位相分布のフーリエ成分が得られ、こ
の（８）式を再びフーリエ変換することにより、標本１
の位相分布を求めることができる。

【００２７】以上のように、（７）式から標本１の位相
分布を求める操作は、デコンボリューションと呼ばれる
もので、リターデーション量がほぼ同じで符号が異なる
微分干渉像の差画像を、リターデーション量、シェア量
および光学系の瞳関数を用いてデコンボリューションす
ることにより、標本１の位相分布を求めることができ
る。しかも、（７）式の差画像（位相勾配）は、リター
デーション量がθ＝±π／２のときに、コントラストが
最高となるので、この条件で標本１の位相分布を求めれ
ば、より精度の高い位相分布を求めることが可能とな
る。

【００２８】また、（７）式で示す差画像は、標本１の
位相勾配のみを表しているので、この差画像を積分処理
することによっても、標本１の位相分布を求めることが
できる。

【００２９】なお、リターデーションθを、θ＝±ωと
変化させて得た２つ画像の差画像をデコンボリューショ
ンすることにより、コントラストの良い位相分布像が得
られるが、差をとることなく、１つの画像をデコンボリ
ューションするだけでも、コントラストは上記の差画像
をデコンボリューションする場合と比較して低下する
が、位相分布像を得ることができる。ただし、この場合
には、１つの画像が位相勾配像以外の項も含んでいるの
で、デコンボリューション処理を行うにあたっては、そ
れらの余分な項の影響を排除するような計算法をとる必
要がある。

【００３０】次に、標本１に位相分布だけでなく、振幅
分布（吸収）も存在した場合について説明する。標本１
の振幅分布をｔ(x) とするとき、複素振幅分布が、

【数１１】 ｔ(x) ・ exp｛i φ(x) ｝＝ｔ(x) ｛1 ＋ iφ(x) ｝ で表され、振幅分布は比較的緩やかに変化し、標本１の
表面で回折される光のうち、位相分布と振幅分布との相
互作用を受ける光は非常に小さいものとすると、θ＝±
ωのとき、上記（６）式は、近似的に、

【数１２】 I(x)＝ｔ(x) ・４(aα)²〔｛1- cosω｝M(0) ±isinω∫sin (fΔ/2) M(f)Φ(f)exp(-ifx)df〕 （９） で表される。

【００３１】ここで、（６）式と同様にして、リターデ
ーションが、θ＝±ωのときの２つの微分干渉像の和画
像を作ると、

【数１３】 Is(x) ＝ｔ(x) ８(aα)²（1- cosω）M(0) （１０） となり、標本１の吸収分布を求めることができる。

【００３２】このように、標本１に振幅分布と位相分布
とが混在している場合には、リターデーションが、θ＝
±ωのときの微分干渉像を撮像して、それぞれの差画像
と和画像とを形成すれば、位相分布成分と振幅分布成分
とを分離して得ることができる。また、差画像を和画像
で割り算してデコンボリューションすることにより、振
幅分布の影響を受けることなく、標本１の位相分布を正
確に求めることができる。

【００３３】ところで、２次元物体を観察する場合、観
察物体のシェア方向の位相分布は、上記（４）式で与え
られる強度分布を表すが、シェア方向と垂直な方向につ
いては、位相分布に比例した強度分布は求まらない。し
たがって、微分干渉顕微鏡により、観察物体の２次元的
な位相分布情報を得るには、シェア方向が互いに異なる
少なくとも２方向の像情報を得る必要がある。

【００３４】そこで、この発明の一実施例では、複数の
複屈折プリズムを、光学系の光軸に対してほぼ垂直な方
向に移動可能な支持部材に固定して、複屈折プリズムの
切り換えを行うようにする。なお、複数の複屈折プリズ
ムは、支持部材の移動による切り換えによって、それぞ
れの微分干渉像に位置ずれが生じないように、すなわち
各複屈折プリズムの光軸が、光学系の光軸と平行となる
ように調整して支持部材に固定する。

【００３５】このようにして、複数の複屈折プリズムを
切り換えて、シェア方向が異なる微分干渉像を電子撮像
素子４でそれぞれ受像し、それらの画像データを画像処
理装置５に取り込んで処理すれば、標本１の２次元的な
位相分布情報を得ることが可能となる。この場合、複数
の複屈折プリズムのうち、少なくとも２つの複屈折プリ
ズムのシェア方向を、電子撮像素子４のサンプリング方
向と一致させれば、それらの複屈折プリズムの切り換え
により、電子撮像素子４のサンプリング方向毎に、標本
１の位相勾配情報を得ることができるので、それらの画
像データを処理することにより、標本１の２次元的な位
相分布情報を再構築することが可能となる。

【００３６】ここで、サンプリング方向が直交している
電子撮像素子４を用い、２つの複屈折プリズムのシェア
方向を電子撮像素子４におけるサンプリング方向と一致
するように調整して、これら２つの複屈折プリズムを切
り換えて２方向の微分干渉像を撮像し、これら２つの画
像（各画像のリターデーション量はほぼ同じになるよう
にしておく）の和画像を求めると、上記（６）式から、

【数１４】 I(x,y)＝４(aα)²〔２｛1- cosθ｝M(0) ＋isinθ∫sin (fΔ/2) M(f)Φs(f)exp(-ifx)dfx ＋isinθ∫sin (fΔ/2) M(f)Φt(f)exp(-ify)dfy〕 （１１） になる。したがって、和画像をデコンボリューションす
ることにより、標本１の２次元的な位相分布を求めるこ
とが可能となる。

【００３７】また、１つのシェア方向でリターデーショ
ン量を調整して、リターデーション量がほぼ同じで、符
号が異なる２つの画像を撮像し、それらの差画像と和画
像とを形成して、これら差画像および和画像を用いてデ
コンボリューションして、１つのシェア方向の位相分布
を求める。この操作を、複屈折プリズムを切り換えて２
つの直交するシェア方向について行って、それぞれの方
向の位相分布を求め、その直交する方向の位相分布をベ
クトル合成することにより、標本１の２次元的位相分布
を、振幅分布の影響を受けずに正確に求めることもでき
る。

【００３８】

【実施例】以下、図面に基づき、この発明の実施例につ
いて説明する。この発明の第１実施例では、図１に示し
た透過型の微分干渉顕微鏡において、ノマルスキープリ
ズム９，１２を、シェア方向が図１の紙面内方向となる
ように配置し、偏光子８および検光子１３を、偏光面が
それぞれ紙面に対し４５°でクロスニコルとなるように
配置する。また、電子撮像素子４は、例えばＣＣＤカメ
ラをもって構成し、その撮像領域の長辺または短辺が紙
面に平行となるように、顕微鏡本体に固定する。

【００３９】なお、ノマルスキープリズム９は、コンデ
ンサレンズ１０の瞳位置に常光と異常光との分波点がロ
ーカライズするように配置して、標本１上で常光と異常
光とをシェア量Δだけ分離するようにし、ノマルスキー
プリズム１２は、対物レンズ１１の瞳位置に常光と異常
光との合波点がローカライズするように配置する。

【００４０】この実施例では、光源７に単色フィルタを
挿入して、照明光の波長を５５０ｎｍとし、先ず、標本
１の像を電子撮像素子４および画像処理装置５を経て出
力装置６によりリアルタイムで観察しながら、ノマルス
キープリズム９または１２を紙面内で平行移動して、リ
ターデーション量がπ／２（ほぼ１３７ｎｍ）となるよ
うに調整し、その状態での標本１の微分干渉像の画像デ
ータを画像処理装置５内の画像メモリに取り込む。次
に、同様に、標本１の像をリアルタイムで観察しなが
ら、ノマルスキープリズム９または１２を紙面内で平行
移動して、リターデーション量が３π／２、すなわち−
π／２（ほぼ４１２ｎｍ）となるように調整し、その状
態での標本１の微分干渉像の画像データを、同様に画像
処理装置５内の画像メモリに取り込む。

【００４１】その後、画像処理装置５において、画像メ
モリに取り込んだ２つの微分干渉像の差画像を求めると
共に、その差画像と応答関数とを用いてデコンボリュー
ション処理を行って、標本１のシェア方向の位相分布を
求め、その位相分布像を出力装置６に表示する。

【００４２】なお、応答関数は、対物レンズ１１の開口
数、シェア量等を予め画像処理装置５に入力することに
より、画像処理装置５において演算して求める。ここ
で、対物レンズ１１の開口数をＮＡ、結像光学系３の瞳
径を１に規格化した座標系を用いると、位相勾配の応答
関数ｇ(f) は、

【数１５】 ｇ(f) ＝ sin(fΔ/2) M(F) （１２） で与えられる。

【００４３】図２は、リターデーションがπ／２、シェ
ア量が０．２５λ／ＮＡの場合の位相勾配の応答関数
を、明視野観察における応答関数と比較して示すもので
ある。なお、図２は、ｆが正の領域のみを示している
が、（１１）式の応答関数は、奇関数であるので、ｆが
負の領域では、原点を中心に回転対称になる。

【００４４】この実施例によれば、リターデーションが
±π／２のときの微分干渉像の差画像を求めるようにし
ているので、コントラストの高い差画像を得ることがで
き、しかもその差画像をシェア量および光学系の開口数
等から求めた応答関数を用いてデコンボリューションし
て、標本１のシェア方向の位相分布像を表示するように
したので、標本１の位相分布や微細形状を正確に計測す
ることができる。

【００４５】図３は、この発明の第２実施例を示すもの
である。この実施例では、図１に示す構成において、照
明光学系２にシェア方向が直交する２個のノマルスキー
プリズム９ａ，９ｂを選択的に位置させるようにすると
共に、結像光学系３に、同様に、シェア方向が直交する
２個のノマルスキープリズム１２ａ，１２ｂを選択的に
位置させるようにする。

【００４６】ノマルスキープリズム９ａ，９ｂは、図４
に示すように、共通の平板状の支持部材１４に、それぞ
れ２個の可動ネジ１４ａと、１個の固定ネジ１４ｂとに
よって３点支持して、固定ネジ１４ｂを支点にあおり調
整可能に設ける。ノマルスキープリズム１２ａ，１２ｂ
についても、図４に示すように、共通の平板状の支持部
材１５に、同様に、あおり調整可能に３点支持して設け
る。なお、支持部材１４，１５としては、使用する光に
対して透明な透明板、あるいは不透明板でプリズムに対
応する位置に光路を遮らないように穴を形成したものを
用いる。

【００４７】これら、支持部材１４，１５は、図３にお
いて、紙面および光軸と直交する方向に移動可能に顕微
鏡本体に取り付けて、シェア方向がそれぞれ同一方向の
ノマルスキープリズム、例えば９ａと１２ａ、９ｂと１
２ｂを光学系に選択的に挿入して配置させるようにす
る。

【００４８】また、検光子１３は、光軸を中心に回転可
能に設けると共に、この検光子１３とノマルスキープリ
ズム１２ａ，１２ｂが選択的に配置される位置との間に
は、１／４波長板１６を、その進相軸または遅相軸を偏
光子８の偏光方向と一致させて配置する。その他の構成
は第１実施例と同様である。

【００４９】この実施例では、先ず、同一シェア方向、
例えば紙面に平行な方向（第１のシェア方向）のノマル
スキープリズム９ａと１２ａとを選択して、標本１の像
を電子撮像素子４および画像処理装置５を経て出力装置
６でリアルタイムで観察しながら、検光子１３を回転さ
せて、リターデーションがπ／２（１／４波長）となる
ように調整し、その状態での微分干渉像の画像データを
第１画像として画像処理装置５内の画像メモリに取り込
む。その後、同様に、標本１の像をリアルタイムで観察
しながら、検光子１３を回転させて、リターデーション
が−π／２（−１／４波長）となるように調整し、その
状態での微分干渉像の画像データを第２画像として画像
処理装置５内の画像メモリに取り込む。

【００５０】画像処理装置５では、取り込んだ第１画像
および第２画像からそれらの差画像を求め、その差画像
を図２に示した応答関数を用いてデコンボリューション
処理を行って、第１のシェア方向の位相分布を求め、そ
のデータを画像メモリに格納する。

【００５１】次に、支持部材１４，１５を移動して、第
１のシェア方向と直交する第２のシェア方向（紙面垂直
方向）のノマルスキープリズム９ｂおよび１２ｂを選択
し、その状態で、第１のシェア方向の場合と同様にし
て、画像処理装置５において、リターデーションが±π
／２の微分干渉像の差画像を求め、その差画像を図２に
示した応答関数を用いてデコンボリューション処理して
第２のシェア方向の位相分布を求め、そのデータを画像
メモリに格納する。

【００５２】その後、画像処理装置５において、第１の
シェア方向の位相分布データと、第２のシェア方向の位
相分布データとをベクトル合成して、標本１の２次元的
位相分布を求め、その像を出力装置６に表示する。

【００５３】このように、この実施例によれば、照明光
学系２および結像光学系３に、第１のシェア方向のノマ
ルスキープリズム９ａおよび１２ａと、第１のシェア方
向と直交する第２のシェア方向のノマルスキープリズム
９ｂおよび１２ｂとを順次選択して位置させると共に、
結像光学系３に１／４波長板１６を配置して、各シェア
方向でのリターデーション量を、検光子１３の回転によ
りπ／２および−π／２に調整してそれらの微分干渉像
の差画像を得、その各差画像をシェア量および光学系の
開口数等から求めた応答関数を用いてデコンボリューシ
ョン処理して位相分布を求め、これら第１，第２のシェ
ア方向の位相分布をベクトル合成して、標本１の２次元
的位相分布を求めるようにしたので、簡単かつ安価な構
成で、標本１の２次元的位相分布を正確に求めることが
できる。

【００５４】図５は、この発明の第３実施例を示すもの
である。この実施例は、反射型の微分干渉顕微鏡を示す
もので、光源７からの光を偏光子８および１／４波長板
１６を経てハーフミラー１７で反射させた後、ノマルス
キープリズム１２ａまたは１２ｂにより常光と異常光と
に分波し、これら常光および異常光を対物レンズ１１を
経て、標本１上にシェア量Δで照射する。また、標本１
で反射された常光および異常光は、対物レンズ１１を経
てノマルスキープリズム１２ａまたは１２ｂで合波し、
その合波した標本１からの戻り光を、ハーフミラー１７
および検光子１３を経て干渉させて電子撮像素子４で受
光する。

【００５５】ここで、偏光子８は光軸を中心に回転可能
に構成し、１／４波長板１６は、その進相軸または遅相
軸を検光子１３の偏光方向と一致させて配置する。ま
た、ノマルスキープリズム１２ａ，１２ｂは、図４に示
したと同様に、それらのシェア方向を直交させて共通の
支持部材１５に取り付け、この支持部材１５を紙面およ
び光軸と直交する方向に移動させて、いずれか一方を光
学系に選択的に位置させるようにする。なお、ノマルス
キープリズム１２ａ，１２ｂは、常光と異常光との分波
点および合波点が、対物レンズ１１の瞳位置にローカラ
イズするように選択的に位置させる。その他の構成は、
第１，２実施例と同様である。

【００５６】この実施例では、先ず、支持部材１５の移
動により、シェア方向が紙面と平行な例えばノマルスキ
ープリズム１２ａを選択して、標本１の像を電子撮像素
子４および画像処理装置５を経て出力装置６でリアルタ
イムで観察しながら、偏光子８を回転させて、リターデ
ーションがπ／２（１／４波長）となるように調整し、
その状態での微分干渉像の画像データを第１画像として
画像処理装置５内の画像メモリに取り込む。

【００５７】次に、支持部材１５を移動して、シェア方
向が紙面と直交するノマルスキープリズム１２ｂを選択
して、同様に、偏光子８を回転させて、リターデーショ
ンがπ／２（１／４波長）となるように調整し、その状
態での微分干渉像の画像データを第２画像として画像処
理装置５内の画像メモリに取り込む。

【００５８】その後、画像処理装置５において、取り込
んだ第１画像および第２画像の和画像を求め、その和画
像を応答関数を用いてデコンボリューション処理して、
標本１の２次元的位相分布データを得、そのデータを出
力装置６に表示する。

【００５９】このように、この実施例によれば、シェア
方向が直交する２つのノマルスキープリズム１２ａおよ
び１２ｂを順次選択し、各シェア方向において偏光子８
の回転によりリターデーション量をπ／２に調整してそ
れぞれ微分干渉像を得、これら微分干渉像の和画像をシ
ェア量および光学系の開口数等から求めた応答関数を用
いてデコンボリューション処理して２次元的位相分布を
求めるようにしたので、簡単かつ安価な構成で、標本１
の２次元的位相分布を正確に求めることができる。

【００６０】図６は、この発明の第４実施例を示すもの
である。この実施例は、図５に示す第３実施例におい
て、ハーフミラー１７を透過する標本１からの反射光を
ビームスプリッタ１８に入射させて分離し、該ビームス
プリッタ１８を透過する光を、検光子１３ａを経て電子
撮像素子４ａで受光して、その画像情報を画像処理装置
５に供給し、ビームスプリッタ１８で反射される光を、
検光子１３ｂを経て電子撮像素子４ｂで受光して、その
画像情報を画像処理装置５に供給する。なお、検光子１
３ａ，１３ｂは、偏光方向が互いに直交するように配置
し、１／４波長板１６は、その進相軸および遅相軸を、
検光子１３ａ，１３ｂの偏光方向と一致させて配置す
る。その他の構成は、第３実施例と同様である。

【００６１】この実施例では、先ず、支持部材１５の移
動により、シェア方向が紙面と平行な、例えばノマルス
キープリズム１２ａを選択して、標本１の像を電子撮像
素子４ａ，４ｂおよび画像処理装置５を経て出力装置６
でリアルタイムで観察しながら、偏光子８を回転させ
て、リターデーションがπ／２（１／４波長）となるよ
うに調整し、その状態で電子撮像素子４ａ，４ｂにそれ
ぞれ結像される微分干渉像の画像データを画像処理装置
５内の画像メモリに取り込む。画像処理装置５では、画
像メモリに取り込んだ電子撮像素子４ａ，４ｂからのそ
れぞれの微分干渉像の画像データに基づいて、それらの
差画像および和画像を求めて、画像処理装置５内の画像
メモリに格納する。

【００６２】次に、支持部材１５を移動して、シェア方
向が紙面と直交するノマルスキープリズム１２ｂを選択
し、同様に、偏光子８を回転させて、リターデーション
がπ／２（１／４波長）となるように調整し、その状態
で電子撮像素子４ａ，４ｂにそれぞれ結像される微分干
渉像の画像データを画像処理装置５に取り込んで、それ
らの差画像および和画像を求めて画像メモリに格納す
る。

【００６３】このように、各シェア方向において、電子
撮像素子４ａ，４ｂで撮像した微分干渉像の差画像およ
び和画像を求めれば、各シェア方向における差画像を和
画像で割り算することにより、当該シェア方向の標本１
の位相勾配を振幅分布情報の影響を受けずに求めること
ができる。また、各シェア方向において求めた位相勾配
をデコンボリューション処理して合成すれば、３次元計
測を正確に行うことができる。なお、図６では、検光子
１３ａ，１３ｂを用いるようにしたが、ビームスプリッ
タ１８を偏光ビームスプリッタとして、検光子１３ａ，
１３ｂを省くこともできる。

【００６４】付記 １．光源からの光を常光および異常光に分離して観察物
体に照射し、該観察物体を経た前記常光および異常光を
重ね合わせて結像面に結像させるようにした微分干渉顕
微鏡において、前記常光および異常光の光路長差を変化
させる光路長差変化手段と、前記結像面に配置した電子
撮像素子と、この電子撮像素子からの画像データを処理
する画像処理手段とを有し、前記光路長差変化手段によ
り前記常光および異常光の光路長差を、互いにほぼ等し
く符号が異なる２つの状態に変化させ、その各状態での
前記電子撮像素子からの画像データを前記画像処理手段
に取り込んで、該画像処理手段において、それらの差画
像を得、その差画像に基づいて前記観察物体の位相分布
を求めるよう構成したことを特徴とする微分干渉顕微
鏡。 ２．光源からの光を常光および異常光に分離して観察物
体に照射し、該観察物体を経た前記常光および異常光を
重ね合わせて結像面に結像させるようにした微分干渉顕
微鏡において、前記常光および異常光の光路長差を変化
させる光路長差変化手段と、前記結像面に配置した電子
撮像素子と、この電子撮像素子からの画像データを処理
する画像処理手段とを有し、前記光路長差変化手段によ
り前記常光および異常光の光路長差を、互いにほぼ等し
く符号が異なる２つの状態に変化させ、その各状態での
前記電子撮像素子からの画像データを前記画像処理手段
に取り込んで、該画像処理手段において、それらの差画
像を得、その差画像を、前記常光および異常光の分離
量、前記光路長差変化手段による光路長差量および光学
系の瞳関数から求まる応答関数を用いてデコンボリュー
ション処理して、前記観察物体の位相分布を求めるよう
構成したことを特徴とする微分干渉顕微鏡。 ３．付記項２記載の微分干渉顕微鏡において、前記光路
長差変化手段による前記常光および異常光の光路長差
を、使用光源の波長のほぼ１／４としたことを特徴とす
る微分干渉顕微鏡。 ４．光源からの光を分波手段により常光および異常光に
分離して観察物体に照射し、該観察物体を経た前記常光
および異常光を合波手段により重ね合わせて結像面に結
像させるようにした微分干渉顕微鏡において、前記結像
面に配置した電子撮像素子と、この電子撮像素子からの
画像データを処理する画像処理手段とを有し、前記分波
手段を、前記常光および異常光の分波方向が異なる少な
くとも２方向に切り換え可能に構成すると共に、前記合
波手段を、前記常光および異常光の合波方向が異なる少
なくとも２方向に切り換え可能に構成し、前記分波方向
および合波方向が異なる少なくとも２方向における画像
データを前記電子撮像素子を介して前記画像処理手段に
取り込んで、それらの画像データを合成するようにした
ことを特徴とする微分干渉顕微鏡。 ５．請求項３または付記項４記載の微分干渉顕微鏡にお
いて、前記分波手段は、光軸に対してほぼ垂直な面内で
移動可能な第１の支持部材と、この第１の支持部材上に
設けた分波方向が異なる少なくとも２個の分波部材とを
有し、前記合波手段は、光軸に対してほぼ垂直な面内で
移動可能な第２の支持部材と、この第２の支持部材上に
設けた合波方向が異なる少なくとも２個の分波部材とを
有し、前記第１の支持部材および第２の支持部材を、そ
れぞれ光軸に対してほぼ垂直な面内で移動させることに
より、分波方向および合波方向を切り換えるよう構成し
たことを特徴とする微分干渉顕微鏡。 ６．光源からの光を分波手段により常光および異常光に
分離して観察物体に照射し、該観察物体を経た前記常光
および異常光を合波手段により重ね合わせて結像面に結
像させるようにした微分干渉顕微鏡において、前記結像
面に配置した電子撮像素子と、この電子撮像素子からの
画像データを処理する画像処理手段とを有し、前記分波
手段を、前記常光および異常光の分波方向が異なる少な
くとも２方向に切り換え可能に構成すると共に、前記合
波手段を、前記常光および異常光の合波方向が異なる少
なくとも２方向に切り換え可能に構成し、前記分波方向
および合波方向が異なる少なくとも２方向における画像
データを前記電子撮像素子を介して前記画像処理手段に
取り込み、該画像処理手段において、それらの画像を対
応する常光および異常光の分波幅を用いて処理して各分
波方向における位相分布情報を求め、それらの位相分布
情報を合成して前記観察物体の２次元的位相分布を求め
るようにしたことを特徴とする微分干渉顕微鏡。 ７．付記項４，５または６記載の微分干渉顕微鏡におい
て、前記常光および異常光の分波方向と、前記電子撮像
素子のサンプリング方向とをほぼ一致させたことを特徴
とする微分干渉顕微鏡。 ８．付記項４，５，６または７記載の微分干渉顕微鏡に
おいて、前記常光および異常光の光路長差を変化させる
光路長差変化手段を有し、前記常光および異常光の分波
方向および合波方向を、互いに一致するほぼ直交する２
方向として、各方向において、前記光路長差変化手段に
より、前記常光および異常光の光路長差を、使用光源の
波長のほぼ１／４で、符号が異なる２つの状態に変化さ
せ、これにより得られる合計４つの画像データを用いる
ようにしたことを特徴とする微分干渉顕微鏡。 ９．光源からの光を常光および異常光に分離して観察物
体に照射し、該観察物体を経た前記常光および異常光を
重ね合わせて結像面に結像させるようにした微分干渉顕
微鏡において、前記常光および異常光の光路長差を変化
させる光路長差変化手段と、前記結像面に配置した電子
撮像素子と、この電子撮像素子からの画像データを処理
する画像処理手段とを有し、前記光路長差変化手段によ
り前記常光および異常光の光路長差を、互いにほぼ等し
く符号が異なる２つの状態に変化させ、その各状態での
前記電子撮像素子からの画像データを前記画像処理手段
に取り込んで、両画像データの差画像データおよび和画
像データを求め、これら差画像データおよび和画像デー
タを用いて、前記観察物体の位相情報と振幅情報とを分
離するようにしたことを特徴とする微分干渉顕微鏡。 １０．光源からの光を常光および異常光に分離して観察
物体に照射し、該観察物体を経た前記常光および異常光
を重ね合わせて結像面に結像させるようにした微分干渉
顕微鏡において、前記常光および異常光の光路長差を変
化させる光路長差変化手段と、前記観察物体を経た前記
常光および異常光を複数の結像面に重ね合わせて結像さ
せる合波手段と、前記複数の結像面の各々に配置した電
子撮像素子と、これら電子撮像素子からの画像データを
処理する画像処理手段とを有し、この画像処理手段によ
り、前記複数の電子撮像素子から得られる複数の画像情
報に基づいて、差画像および和画像を得るようにしたこ
とを特徴とする微分干渉顕微鏡。 １１．付記項１０記載の微分干渉顕微鏡において、前記
合波手段は、各結像面の前方に配置した検光子を有し、
前記光路長差変化手段により前記常光および異常光の光
路長差を、互いにほぼ等しく符号が異なる２つの状態に
変化させて、その各状態での前記複数の電子撮像素子か
らの画像データを前記画像処理手段に取り込んで、前記
差画像および和画像を得るようにしたことを特徴とする
微分干渉顕微鏡。 １２．付記項１０記載の微分干渉顕微鏡において、前記
合波手段は、前記観察物体を経た前記常光および異常光
を前記複数の結像面に導くための偏光ビームスプリッタ
を有し、前記光路長差変化手段により前記常光および異
常光の光路長差を、互いにほぼ等しく符号が異なる２つ
の状態に変化させて、その各状態での前記複数の電子撮
像素子からの画像データを前記画像処理手段に取り込ん
で、前記差画像および和画像を得るようにしたことを特
徴とする微分干渉顕微鏡。 １３．付記項１０，１１または１２記載の微分干渉顕微
鏡において、前記画像処理手段は、前記差画像および和
画像を用いて、前記観察物体の位相分布情報と振幅分布
情報とを分離することを特徴とする微分干渉顕微鏡。

【００６５】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、常光および異常光の光路長差を、互いにほぼ等し
く符号が異なる２つの状態に変化させ、その各状態での
画像データを取り込んで、それらの差画像を得るように
したので、微分干渉像のコントラストを強調でき、その
差画像を用いて観察物体の位相分布や微細形状を正確に
計測することが可能となる。

【００６６】また、請求項２記載の発明によれば、電子
撮像素子からの画像データを、常光および異常光の分離
量、光路長差量および光学系の瞳関数から求まる応答関
数を用いてデコンボリューション処理するようにしたの
で、観察物体のシェア方向の位相分布を正確に求めるこ
とができる。

【００６７】さらに、請求項３記載の発明によれば、分
波手段を常光および異常光の分波方向が異なる少なくと
も２方向に切り換え可能にすると共に、合波手段を常光
および異常光の合波方向が異なる少なくとも２方向に切
り換え可能にしたので、分波手段および合波手段を、分
波方向および合波方向が一致するように切り換えること
により、簡単かつ安価な構成で、観察物体の２次元的位
相分布情報を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の原理および第１実施例を示す図であ
る。

【図２】第１実施例において、位相分布を求める際に用
いる位相勾配の応答関数を、明視野観察における応答関
数と比較して示す図である。

【図３】この発明の第２実施例を示す図である。

【図４】図３の部分詳細図である。

【図５】この発明の第３実施例を示す図である。

【図６】この発明の第４実施例を示す図である。

【符号の説明】

１ 標本（観察物体） ２ 照明光学系 ３ 結像光学系 ４，４ａ，４ｂ 電子撮像素子 ５ 画像処理装置 ６ 出力装置 ７ 光源 ８ 偏光子 ９ａ，９ｂ，１２ａ，１２ｂ ノマルスキープリズム １０ コンデンサレンズ １１ 対物レンズ １３，１３ａ，１３ｂ 検光子 １４，１５ 支持部材 １６ １／４波長板 １７ ハーフミラー １８ ビームスプリッタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を常光および異常光に分離
   して観察物体に照射し、該観察物体を経た前記常光およ
   び異常光を重ね合わせて結像面に結像させるようにした
   微分干渉顕微鏡において、 前記常光および異常光の光路長差を変化させる光路長差
   変化手段と、 前記結像面に配置した電子撮像素子と、 この電子撮像素子からの画像データを処理する画像処理
   手段とを有し、 前記光路長差変化手段により前記常光および異常光の光
   路長差を、互いにほぼ等しく符号が異なる２つの状態に
   変化させ、その各状態での前記電子撮像素子からの画像
   データを前記画像処理手段に取り込んで、それらの差画
   像を得るよう構成したことを特徴とする微分干渉顕微
   鏡。
2. 【請求項２】 光源からの光を常光および異常光に分離
   して観察物体に照射し、該観察物体を経た前記常光およ
   び異常光を重ね合わせて結像面に結像させるようにした
   微分干渉顕微鏡において、 前記常光および異常光の光路長差を変化させる光路長差
   変化手段と、 前記結像面に配置した電子撮像素子と、 この電子撮像素子からの画像データを処理する画像処理
   手段とを有し、 この画像処理手段において、前記電子撮像素子からの画
   像データを、前記常光および異常光の分離量、前記光路
   長差変化手段による光路長差量および光学系の瞳関数か
   ら求まる応答関数を用いてデコンボリューション処理し
   て、前記観察物体の位相分布を求めるよう構成したこと
   を特徴とする微分干渉顕微鏡。
3. 【請求項３】 光源からの光を分波手段により常光およ
   び異常光に分離して観察物体に照射し、該観察物体を経
   た前記常光および異常光を合波手段により重ね合わせて
   結像面に結像させるようにした微分干渉顕微鏡におい
   て、 前記分波手段を、前記常光および異常光の分波方向が異
   なる少なくとも２方向に切り換え可能に構成すると共
   に、前記合波手段を、前記常光および異常光の合波方向
   が異なる少なくとも２方向に切り換え可能に構成したこ
   とを特徴とする微分干渉顕微鏡。