JPH09297004A - 顕微鏡装置 - Google Patents

顕微鏡装置

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JPH09297004A
JPH09297004A JP8110926A JP11092696A JPH09297004A JP H09297004 A JPH09297004 A JP H09297004A JP 8110926 A JP8110926 A JP 8110926A JP 11092696 A JP11092696 A JP 11092696A JP H09297004 A JPH09297004 A JP H09297004A
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wavelength
polarization
light
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microscope
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JP8110926A
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Inventor
Junichi Kitagawa
純一 北川
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料の段差やうねり等の影響を受けずに高精
度,広範囲の測定が可能な顕微鏡装置を提供する。 【解決手段】 本発明の顕微鏡装置は、光源1,2と、
入射光束の偏光方向によって選択的に反射若しくは透過
させるPBS4と、入射光束の偏光方向を90°回転さ
せて出射するか又は入射光束の偏光面を保存するかの選
択が可能で検光子を兼ねた偏光子5cを含む偏光面ロー
テータ5と、照明光を試料11に向けて照射する対物レ
ンズ10と、対物レンズ10から出射される試料11か
らの光束を各波長毎に分離するダイクロイックミラー8
と、試料11からの光束の各波長毎の干渉縞を検出する
検出器13,14と、を備え、前記試料の段差若しくは
位相差を単波長若しくは多波長で測定及び解析する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、所謂光学顕微鏡の
観察方法を用いた測定装置に関し、特に微分干渉顕微
鏡,偏光顕微鏡及び走査型顕微鏡を用いた装置に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】従来より光学顕微鏡の分野では、各種観
察法や新しい顕微鏡等が研究,提案されている。これら
には、偏光顕微鏡,微分顕微鏡,蛍光顕微鏡,位相差顕
微鏡及びレーザ走査型顕微鏡(以下、LSMと称する)
等があり、観察する試料によって使い分けられている。
特に、近年、工業分野ではこれらの顕微鏡を用いた測定
装置が数多く使用されている。中でも、半導体分野にお
いては、素子の多様化に伴い、光学顕微鏡を用いた測定
器が各種提案されている。特に、微分干渉顕微鏡若しく
は干渉顕微鏡を用いた素子表面の粗さを測定する装置や
共焦点効果を利用したタンデムスキャン顕微鏡,LSM
による微小寸法測定器等が多く用いられている。
【0003】又、従来より干渉顕微鏡は、使用する波長
を基準として試料の高さ方向を高解像で観察できる機器
として研究されている。例えば、mirau 型の干渉顕微鏡
としては「Measuring step heights using an optical
profiler Katherine Creath」(SPIE vol.661 P296-301
Optical Testing and Metrology 1986) に記載された
ものがあり、この干渉顕微鏡は白色光源により測定精度
は若干悪化するが多波長の干渉縞から高い段差も測定で
きるようになっている。又、微分干渉顕微鏡としては
「Differential interference contrast imaging on a
real timeconfocal scanning optical microscope Timo
thy R.Corle and Gordon S. Kino」(Applied Optics v
ol.29 No.26 P3769-3774 10 Sept.1990)に記載のものが
あり、白色光源を用いたコンフォーカル顕微鏡(所謂タ
ンデム・スキャン)として試料の高さ方向の検出と焦点
面内方向のエッジ検出に効果がある。更に、干渉縞を高
精度に測定できる所謂ヘテロダイン検出系を利用した方
法に、「レーザ走査顕微鏡における走査技術 藤田宏
夫」(レーザ顕微鏡研究会 第15回講演会論文集 P5
-10 1995)に記載のものがあり、この方法は、AOM素
子(音響光学素子)を用いた2スポット走査と共焦点効
果を、従来方法よりも試料の高さ方向と焦点面内方向に
関して向上させている。ヘテロダイン系の走査型微分干
渉顕微鏡の例としては、「Angstrom resolution optica
l profilometory formicroscopic objects Franco Laer
i and Timothy C. Strand」(Applied Opticsvol.26 N
o.11 P2245-2249 1 June 1987)に記載のものがあり、
分割光路がノマルスキ・プリズムによる共通光路である
ために外乱による影響を受けにくく、又高精度なヘテロ
ダイン検出を採用していることから、従来にない原子オ
ーダで試料の高さの方向の検出感度を高く維持できる。
【0004】又、LSMの干渉顕微鏡としては、例え
ば、特開平3−91709号,特開平6−94999号
及び特開平7−19827号の各公報に開示されたもの
がある。特開平3−91709号公報に開示された顕微
鏡は、検出光をノマルスキ・プリズムと1/2波長板と
を用いて往復の偏光成分を回転させ、偏光ビームスプリ
ッタ(以下、PBSと称する)で分割し検出器へ導くも
のである。この顕微鏡によれば、従来の単波長のLSM
を走査型微分干渉顕微鏡に適用することができ、共焦点
効果に加えて試料の高さ方向の測定が可能となる。又、
特開平6−94999号公報に記載の顕微鏡では、ノマ
ルスキ・プリズムに代えて電気光学効果を有する分割型
導波路を用い、この導波路内を伝播する光束に変調を加
えて微分像を形成するものである。特に、この顕微鏡で
は変調する電気光学効果によって試料の位相情報,振幅
情報を独立させて高コントラストに観察,測定すること
が可能である。特開平7−19827号公報に記載の顕
微鏡は、LSMとmirau 型の干渉対物光学系とを組み合
わせ、共焦点効果と干渉検出とにより光軸方向の分解能
の向上を図るものである。
【0005】一方、干渉計は、コヒーレンス性の高い単
色波長を有するレーザが光源に用いられており、ヘテロ
ダインのみならず近年位相シフト法等を用いる高精度の
測定方法の研究が行われている。又、波長単位より大き
い変位を有する試料を測定する方法としては、2波長を
用いた干渉計を用いる方法が古くから研究されている。
特に、最近では半導体レーザの出現や検出器、電気処理
の高速化から2波長干渉計が見直され始めている。例え
ば、「ヘテロダイン検波による2波長半導体レーザ干渉
法 小野寺理文 岩本健男 石井行弘」(第55応用物
理学会学術講演会 講演予稿集 No.3 P804)では、注入
電流により半導体レーザの周波数制御を行う2波長ヘテ
ロダイン干渉計として、従来のヘテロダイン法と同等の
効果を得ているものが記載されている。
【0006】尚、光学顕微鏡を用いた所謂偏光顕微鏡に
ついては古くからその技術が知られているが、これらを
LSM等に用いた例は殆どみられず、又、特にコンフォ
ーカル効果と組み合わせた技術についても一般的には知
られていない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】位相シフト法やヘテロ
ダイン法ではS/Nを効果的に向上させることによって
試料の高さ方向の測定精度を飛躍的に向上させることが
できるが、一般に干渉法は基準となる光源から射出され
る光の波長によりその有効な測定範囲や測定精度が一義
的に決められてしまう。というのは、干渉計(通常2光
束干渉のことを意味する)は波長単位でコントラストが
繰り返されるため、所謂“2πの曖昧さ”を含んでお
り、波長以上の高さ方向の変化を有する試料を直接的に
測定することは難しい。従来の干渉顕微鏡では、特に測
定精度が主眼におかれているケースが多い。位相シフト
法に用いられる装置ではランプ光源が用いられているも
のが多く、ヘテロダイン検出系としてはレーザ光源を用
いたLSMが用いられ、コンフォーカル効果によってS
/Nを向上させている。白色光源では波長間の干渉縞の
重畳から測定精度を悪化させてしまう場合があり、測定
精度を維持したまま測定範囲を拡大するためには必ずし
もよい結果は得られない。特に、コンフォーカル効果
は、焦点面内の分解能の向上にも寄与しているため、少
なからず信号重畳が高解像化を阻害することになる。
【0008】一方、干渉計自身では2波長を用いた干渉
計によって単波長以上の高さを有する試料を測定するこ
とが試みられている。これは、2波長夫々の干渉縞を重
ね合わせて生成される合成干渉縞が一種のモアレ信号と
なって検出できるためである。このとき、2つの波長λ
1 ,λ2 夫々の干渉縞から生成される合成干渉縞におけ
る等価波長λeqは、 1/λeq=1/λ2 −1/λ1 ,λ2 >λ1 で表され、単純には2波長の係数倍となる。このため、
測定範囲は拡大できるが、これに伴い測定精度も劣化す
るという欠点があり、前述の信号重畳はこれに起因する
ものである。
【0009】又、前述したK.Creathの提案は、測定範囲
の拡大と測定精度の維持を目指したものであるが、白色
干渉縞を検出しているため逆に測定精度の劣化を招いて
しまう。又、K.Creathが提案した構成では、単純にレー
ザ光源を用いた2波長以上の干渉計を構成することはで
きない。T.R.Corle らの提案も、やはり白色光源のタン
デムスキャン型の微分干渉顕微鏡を用いており、試料の
高さと幅を測定する際に優れた効果を得ている。ここで
は、液晶素子を用いて位相を変調させている。但し、単
純に干渉顕微鏡とコンフォーカルとを組み合わせたのみ
で、波長以上の段差を有する試料に対応させる工夫が施
されたものではなく、やはりレーザ光源を用いた2波長
以上の干渉計を構成することはできない。
【0010】藤田宏男の提案は、AOM素子を用いたヘ
テロダイン検出を行うものであるが、特に、LSMと組
み合わせたことにより測定精度の向上に効果を奏してい
る。ここでは、レーザ光源が用いられているが、AMO
素子には波長依存性があるため、複数のレーザ光源を用
いる場合、従来のような単純なヘテロダイン干渉計を構
成して顕微鏡下に配置することはできない。F.Laeri ら
の提案では、ヘテロダイン干渉計の高精度化を実現でき
るアイソレータ系と周波数シフタとを用いた構成を導入
し、最も高精度に試料の高さ方向の測定を行うことを可
能としている。これは、一般のヘテロダイン干渉計にも
用いられるが、ここで用いられる各素子(ファラデー・
ローテータ,λ/2板,周波数シフタ)も、波長依存性
を有しており2波長以上の干渉計を単純には構成するこ
とができない。
【0011】以上から自明のように、従来の干渉顕微鏡
の手法では、白色光源を用いる場合には基本的な構成が
単純なものとなりすぎ、レーザ光源を用いた干渉顕微鏡
では用いられる素子が有する波長依存性から、少なくと
も2色以上の多波長干渉顕微鏡を構成することは不可能
である。更に、特開平3−91709号公報に記載の顕
微鏡では1/2波長板に、特開平6−94999号公報
に記載のものでは電気光学効果を有する分割型導波路に
夫々波長依存性があり、これらの公報に記載の方法で
は、多波長の干渉顕微鏡を実現することはできない。
又、特開平7−19827号公報に記載の顕微鏡では、
その構成の単純さから単純に多波長の干渉顕微鏡を構成
することはできないといった問題がある。更に、干渉顕
微鏡をヘテロダイン干渉顕微鏡として構成する場合に
も、前記各公報に記載のものでは容易に対応できない。
【0012】一方、干渉計では、小野寺理文らが半導体
レーザを有効に用いマイケルソン型の2波長干渉計を構
成している。しかし、マイケルソン型は単純で干渉計を
構成し易いという利点はあるが、小野寺らが採用した例
からは、mirau 型や微分干渉型の顕微鏡に組み換えるこ
とは難しい。というのは、これらの干渉顕微鏡は対物光
学系の光軸上で2光束が分割される所謂共通光路型であ
るためである。マイケルソン型の干渉顕微鏡のタイプも
存在するが、顕微鏡本体の機械的共振周波数等の振動に
よる影響を受け易く、低倍以外では使用するのが困難で
ある。
【0013】以上の説明で明らかなように、干渉顕微鏡
はその独自性から独特の構成をとらざるを得ず、容易に
他の干渉計に応用することは困難である。更に、微分干
渉顕微鏡では、プリズムから出射される直交した偏光成
分が検出光となる偏光干渉を利用しているため、干渉計
への応用が容易ではない。
【0014】そこで、本発明は、上記のような従来技術
の有する問題点に鑑みなされたものであり、その目的と
するところは、少なくとも2波長の干渉計を顕微鏡下で
構成でき、且つ夫々の波長が形成した干渉縞を検出する
ことにより従来の波長オーダ以下の測定精度を保ち、夫
々の波長の検出信号から電気的に合成した信号を多波長
信号として扱い波長以上の段差を有する試料に対しても
容易に対応できる測定範囲の広い干渉顕微鏡装置を提供
することにある。又、本発明は、通常の顕微鏡はもとよ
りLSMにも適用可能で、位相シフト法やヘテロダイン
法にも適用可能な応用範囲の広い干渉顕微鏡装置を提供
することも目的としている。更に、偏光顕微鏡にも適用
でき、且つそれがLSMとしても構成可能である干渉顕
微鏡装置を提供することも本発明の目的である。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による顕微鏡装置は下記のような特徴を備え
ている。
【0016】本発明の第1の特徴は、単色若しくは準単
色の少なくとも2つの異なる波長の光束を同一光軸上に
出射する光源と、入射光束の偏光方向によって選択的に
反射若しくは透過させるPBS(偏光ビームスプリッ
タ)と、入射光束の偏光方向を90°回転させて出射す
るか又は入射光束の偏光面を保存するかの選択が可能な
偏光面回転手段と、回転された前記偏光面と同等の偏光
方位を有する偏光子と、照明光を観察試料に向けて照射
する対物光学系と、この対物光学系から出射される前記
試料からの光束を各波長毎に分離する波長分離手段と、
前記対物光学系から出射される前記試料からの光束の各
波長毎の干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、を備え、
前記試料の段差若しくは位相差を単波長若しくは多波長
で測定及び解析できるようにしたことである。
【0017】本発明の第2の特徴は、単色若しくは準単
色の光束を出射する光源と、入射光束の偏光方向によっ
て選択的に反射若しくは透過させるPBSと、入射光束
の偏光方向を90°回転させて出射するか又は入射光束
の偏光面を保存するかの選択が可能な偏光面回転手段
と、回転された前記偏光面と同等の偏光方位を有する偏
光子と、照明光を観察試料に向けて照射する対物光学系
と、この対物光学系から出射される前記試料からの光束
を各波長毎に分離する波長分離手段と、前記対物光学系
から出射される前記試料からの光束の各波長毎の干渉縞
を検出する干渉縞検出手段と、を備え、前記試料の段差
若しくは位相差を単波長で測定及び解析できるようにし
たことである。
【0018】本発明の第3の特徴は、単色若しくは準単
色の単一波長の光束若しくは少なくとも2つの異なる波
長の光束を同一光軸上に出射する光源と、入射光束の偏
光方向によって選択的に反射若しくは透過させるPBS
と、入射光束の偏光方向を90°回転させて出射するか
又は入射光束の偏光面を保存するかの選択が可能な偏光
面回転手段と、1/4波長板と、光源より出射される偏
光成分を有する照明光を試料に照射する対物光学系と、
この対物光学系から出射される前記試料からの光束を各
波長毎に分離する波長分離手段と、前記試料を経た試料
光から前記照明光と同方位若しくは異方位の偏光成分の
みを選択的に検出する光学素子と、前記試料光から各波
長毎の直線偏光成分を検出する偏光成分検出手段とを備
え、前記試料に円偏光を照射することにより生じる偏光
特性を利用して前記試料の段差若しくは位相差を単波長
若しくは多波長によって測定,解析するようにしたこと
を特徴とする偏光顕微鏡装置。
【0019】
【発明の実施の形態】図1は、本発明による顕微鏡装置
の構成を示す図であり、mirau 型の微分干渉顕微鏡を用
いた例を示している。光源1,2から発さられた夫々λ
1 ,λ2 の異なる波長で互いに直交する直線偏光成分を
有する光束は、PBS3で合成され光束aとなる。PB
S4では光束aが夫々波長λ1 ,λ2 の偏光方向に対応
する光束b,cに再び分離される。この光束b,cと波
長λ1 ,λ2 との関係は偏光方向によって選択可能にな
っているため特に限定されず、光束b,cは各波長の光
路となればよい。光束bと光束cとは波長及び偏光面が
異なるのみで、偏光面回転手段5による作用は同様であ
る。尚、偏光面回転手段5の詳細な作用は後述する。P
BS4で分離された直線偏光の光束b,cは、偏光面回
転手段5及び反射ミラー7が配置された光路を経ること
により、偏光方向が90°回転され、波長分離手段8に
よって合成され光束eが形成される。光束eは反射ミラ
ー9によってmirau 型干渉対物レンズ10へ導かれる。
対物レンズ10は、光束eを2光束に分離する手段(分
割ミラー)10aと参照ミラー10bとを備えており、
光束eを試料11と参照ミラー10bに照射する。その
後、試料11からの試料光と参照ミラー10bからの参
照光とは再度重ね合わされ、復路の干渉光束eとなって
反射ミラー9を経て波長分離手段8へ導かれる。
【0020】干渉光束eは波長分離手段8によって各波
長毎に2つの光路b,cに分割される。尚、このとき、
光束eの主たる偏光成分は往路とものと同じである。復
路の光路b,cでは再度偏光面回転手段5を経る。尚、
往路では各波長の偏光面が保持され、偏光面回転手段5
の直後での往路の各波長の偏光成分は互いに直交するよ
うになっているが、復路では夫々の波長は偏光面回転手
段5により夫々90°偏光面が回転されるため、PBS
4では復路の光束b,cが合成され、検出光fが形成さ
れる。更に、この検出光fは、PBS12によって分離
され、各波長毎に検出器13,14で検出される。
【0021】検出器13,14の信号は信号処理手段1
5に送信され、ここで各波長の処理がなされ干渉縞が解
析される。特に、電気的に検出器13,14への入射波
長を合成した信号としても処理でき、これらを多波長干
渉信号として扱うことが可能である。前述の波長λ1
λ2 において検出される位相差を夫々φ1 ,φ2 、光路
長差をHとするとき、検出器13,14夫々において検
出されるλ1 ,λ2 の干渉信号I1 ,I2 は、 検出器13:I1 =I0 〔1+V・cos(φ1 )〕 但し、φ1 =2πH/λ1 検出器14:I2 =I0 〔1+V・cos(φ2 )〕 但し、φ2 =2πH/λ2 となる。尚、I0 は干渉縞の平均強度、Vは干渉縞の可
視度を示している。
【0022】又、信号変化はこれらを正規化して、 検出器13:I1 =cos(φ1 ),但し、φ1 =2π
H/λ1 検出器14:I2 =cos(φ2 ),但し、φ2 =2π
H/λ2 と表せる。この信号を電気的に合成すれば、その合成多
波長干渉信号Iは、 I=I0 ’〔1+V’・cos(φ1 −φ2 )〕 但し、φ1 −φ2 =2πH/λeq として表すことができる。この合成信号の等価波長λeq
は2波長以上の場合も含めて、 1/λeq=(1/λi )−(1/λi-1 ) 但し、i>
1 として表すこともできる。
【0023】以上により、各波長での測定精度を保持
し、多波長干渉の合成信号により高い段差を有する試料
の測定にも対応できることが分かる。又、多波長干渉が
電気的に行えるので比較的扱い易い。更に、前記λi
λi-1 との波長の差が大きいと実質的に等価波長λeq
大きくすることができないため、長波長側の波長λに対
し等価波長λeqは、 λeq>2* λ を満たす程度に設定されることが好ましい。又、数μm
程度の等価波長λeqを得るためには、特に波長域は限定
されないが、少なくとも可視光付近の単色光を用いるこ
とにより、上記各式を満足できる。
【0024】図2は、本発明の顕微鏡装置の構成を示す
図であり、微分干渉顕微鏡を用いた装置の例を示してい
る。この微分干渉顕微鏡装置には2つの光源1,2が備
えられているが、基本的には単色の光源を1つ有するも
のであってもよい。ここでの偏光面回転手段5の作用も
前述のmirau 型の場合と同様であるため後述する。た
だ、この場合、偏光面回転手段5に内包されている偏光
子5cは、平行ニコルの偏光子兼検光子となる。mirau
型の干渉顕微鏡では、試料面と参照面とによる光の干渉
となるが、微分干渉顕微鏡では、横ズレした試料面同士
の光の干渉となるため方向性のある微分像となり、つま
り上記式で示された位相差(φ1 ,φ2 等)は微分値と
なって観察される。このように、mirau 型の干渉顕微鏡
と微分干渉顕微鏡とでは、得られる干渉像に差異が生じ
るが、本発明の顕微鏡装置では同様に構成することがで
きるため、単波長にかかわらず容易に多波長にも拡張で
きる。
【0025】又、本発明は偏光顕微鏡に対しても適用で
きる。図3は本発明を偏光顕微鏡に適用した場合の構成
を示す図である。前記と同様な作用は省略するが、偏光
顕微鏡の場合、使用する光は単色でもよいため必ずしも
光源を複数備える必要はない。又、対物レンズ10と偏
光面回転手段5との間に1/4波長板6を備え、偏光面
回転手段5を通過した後合成された光束eは1/4波長
板6を通過後円偏光とされ、対物レンズ10によって試
料11に向けて照射される。このとき、試料11からの
反射光eは照明光eに対して逆回りの円偏光となり、再
び1/4波長板6を通過すると、往路の光束eとは直交
する偏光成分を有する光束dとなる。このため、偏光面
回転手段5に内包される偏光子(検光子)5cによって
往路と同等の成分のみ検出されることになる。よって、
この場合復路は干渉顕微鏡の復路と同等の作用を有し、
検出光bは往路の光束と直交する偏光成分を有するため
PBS4で反射され、検出器13へ導かれる。検出器1
3では、単波長の偏光顕微鏡として信号処理手段15を
用いて解析できる。又、干渉顕微鏡と同様に多波長を形
成して行えば、試料のリタデイションとして独立した検
出器で測定でき、円偏光を試料に照射しているのでラン
ダムに異方性をもつ試料に対しては特に有効である。
【0026】更に、本発明の顕微鏡装置は、前記対物レ
ンズ10から出射された光束を走査する走査手段を備
え、前記試料の必要な領域を照明し且つかかる領域を観
察できる。又、前記試料の合焦位置近傍からの光束のみ
を透過させる絞り面を備え、前記試料面以外の光束を除
去し得る所謂共焦点効果を備えてもよい。この構成は、
所謂LSMに容易に適用することができ、図1に示した
反射ミラー9を走査系として構成すれば、簡単に対応で
きる。又、タンデムスキャンにも応用できることは云う
までもない。更に、本発明の顕微鏡装置は、微分干渉顕
微鏡の構成を備えることができると共に、mirau 型の干
渉顕微鏡の構成を備えることも可能である。又、このと
き、特にmirau 型の干渉顕微鏡や偏光を有効に用いる微
分干渉顕微鏡を用いてもよく、又、マイケルソン型,リ
ニーク型等の干渉計にも同様に応用できる。又、本発明
の顕微鏡装置において、前記偏光面回転手段を磁気光学
効果を有する素子,1/2波長板及び偏光子により構成
してもよい。前記磁気光学効果を有する素子にファラデ
ー素子を用いてもよい。
【0027】次に、干渉顕微鏡及び偏光顕微鏡における
偏光面回転手段5の作用を図4,5を用いて説明する。
尚、説明を簡単にするため、ここでは単波長の光束を用
い、入射光束の座標は図中に示す通りとする。又、y軸
は紙面と垂直な方向を正としている。
【0028】図4は、干渉顕微鏡における偏光面回転手
段5の作用を説明するための図である。光源からの直線
偏光の光束aは図の左側から入射し、PBS4を経て偏
光面回転手段5へ導かれる。特に、偏光面回転手段5は
磁気光学効果を有する素子5a,1/2波板5b及び偏
光子5cからなり、磁気光学効果を有する素子5aには
ファラデー素子が好適である。先ず、往路から説明す
る。偏光回転手段5に入射する光束aをx軸方向の直線
偏光とすると、ファラデー素子5aを透過することによ
り偏光面が45°回転された直線偏光となる。又、1/
2波長板5bの光学軸はファラデー素子5aの回転方向
(y軸方向)に対して67.5°回転させた位置に配置
される。よって、前記45°回転した光束dの偏光面は
1/2波長板5bを通過すると光束aに対して90°回
転したことになる。偏光子5cは、1/2波長板5bか
らの光束と平行ニコルとなるように配置されているた
め、1/2波長板5bの偏光面は保持される。偏光子5
cを通過した光束dは試料に向けて照射される光束eと
なる。
【0029】次に、復路について説明する。前記光束e
は復路では、試料光と参照光とが重なり合う干渉光eと
なり、往路光路d若しくはeと同一偏光面を保持し、偏
光面回転手段5へ導かれる。このとき、実際は試料等に
よって影響を受けた偏光成分は除去され、偏光子5cを
通過後に往路光束dと同等の偏光成分となり、1/2波
長板5bを通過する。ファラデー素子5aは、往路,復
路に関係なく常に一定の方向に光束の偏光面を45°回
転させる作用を有しているため、1/2波長板5bによ
る回転方向とは逆に45°回転し、結局復路では干渉光
d−b間に偏光面の回転は発生しない。即ち、干渉光b
は入射光bと直交する偏光成分となり、PBS4で反射
され光束fとなって検出器へ向かう。偏光子5cは往路
光束dと復路光束dとに対して平行ニコルとなってい
る。
【0030】更に、この偏光面回転手段5を微分干渉顕
微鏡に用いる場合には次のようにすればよい。微分干渉
顕微鏡に用いられるノマルスキ・プリズムは、図5
(a)に示すように、前述のx−y平面に対して45°
回転した位置にx’−y’平面が設けられるように光束
e中に配置されればよい。これにより、入射偏光面に対
してノマルスキ・プリズムを有するx’−y’平面で光
束eは分離されて試料に向けて照射される。検出光は、
平面x’−y’に沿う偏光面を有し、ノマルスキ・プリ
ズムによって、再度合成されて図4に示された検出光e
となる。やはりこのとき、偏光子5cは平行ニコルの偏
光子兼検光子としてはたらき、図5(a)に示された偏
光成分中、同図(b)に示す方向の成分のみの検光を行
う。2波長以上になった場合でも、例えば2波長であれ
ば、異なる波長の偏光成分をx軸に与え、x,y軸夫々
の方向で異なる波長の偏光成分が存在する光束dを形成
すればよい。又、y軸に他波長の偏光成分を与えても異
なる波長同士の干渉は生じないから特に問題とはならな
い。よって、多波長の場合はx軸及びy軸方向に必要な
波長分の偏光成分が存在するようにすればよい。更に、
偏光子5cを平行ニコルから直交ニコルへ変化させ、所
望の干渉像を得るためには、2光束分離手段を紙面と垂
直な面内に対し楔方向に配置することによって可能とな
る。又、同等な作用を得るためには、光束e中にコンペ
ンセータ(補償板)を挿入,配置し、そのコンペンセー
タを調整することによっても可能である。以上のように
構成された偏光面回転手段5を用いれば、微分干渉顕微
鏡に対しても適用できる。
【0031】次に、図6に基づき本発明の装置を偏光顕
微鏡に適用した例を説明する。偏光面回転手段5の作用
は、前述した干渉顕微鏡の場合と同様であるため、ここ
では省略する。往路では、偏光面回転手段5を通過した
光束dは、入射光束aと直交する偏光成分の光束とな
る。更に、光束dは、1/4波長板6を通過した後、円
偏光の光束eとなって対物レンズ10へ導かれる。復路
では、図示しない試料により反射された光束eは往路と
は逆回りの円偏光となる。更に、この復路光束eは、再
度1/4波長板6を通過した後、往路光束dとは直交し
た偏光成分を有する復路光束dとなって偏光面回転手段
5に入射する。このとき、偏光子5cは往路光束dに対
して平行ニコルとなっているので、復路光束dに対して
は直交ニコルの作用を有しており、前記試料によって回
転された偏光成分を検出できる。偏光子5c通過後は、
前述の干渉顕微鏡と同様に往路光束bに対して直交する
偏光成分を有する復路光束bとなり、PBS4を経て光
束fとなって検出器へ向かう。即ち、偏光顕微鏡では、
偏光子5cは往路光束dと復路光束dに対して直交ニコ
ルの作用を有する偏光子兼検光子の役割をはたすことに
なるため、偏光顕微鏡を構成する際に特に有効である。
又、偏光面回転手段5を光路から取り外せば、簡単に通
常の明視野顕微鏡としても用いることができる。
【0032】又、本発明の顕微鏡装置は、試料の干渉縞
を得る光学素子又は照明光と同方位若しくは異方位の偏
光成分のみを選択的に検出する光学素子を、前記試料を
透過する透過光を検出し得るように配置し、その透過光
路側に、回転可能な偏光子と、波長分離手段と、各波長
の信号を検出する検出手段とを備え、測定の際に前記偏
光子を回転させ得るように構成してもよい。このように
構成することによって、透過型の顕微鏡を実現すること
ができる。透過型の顕微鏡では、前記対物レンズ10と
同等の対物レンズ若しくはコンデンサレンズからなる光
学系を用い、試料からの透過光を集光する。干渉顕微鏡
を構成する場合、mirau 型には適用できないが、微分干
渉型には有効に適用でき、この場合、コンデンサレンズ
と組み合わされるノマルスキ・プリズムを用いるとよ
い。更に、透過光路に回転可能な偏光子を備えることに
よって、検出される干渉縞のコントラストを変化させる
ことが可能になる。又、かかる構成を偏光顕微鏡に採用
する場合には、1/4波長板の有無によって試料に照射
する偏光成分の直線偏光と円偏光とを選択でき、且つ透
過光路に備える偏光子を回転可能な検光子として利用で
きるので、好ましい。又、透過光路に波長分離手段と各
波長の検出手段とを備えれば、前述の干渉顕微鏡及び偏
光顕微鏡と同等の効果を透過型の顕微鏡によって得るこ
ともできる。
【0033】更に、本発明の装置は、少なくとも1つの
波長において、多波長と独立して電気的に光源からの出
力光束を変調できる変調手段と、変調信号と検出信号と
を検出し検出信号に合わせて変調信号を可変できる変調
処理手段とを備え、干渉縞がその変調信号に応じたビー
ト信号となってヘテロダイン検出でき、観察する試料に
おいて光路長差が波長以上の急峻な傾きや段差及び位相
差を有していても前記波長毎のヘテロダイン検出信号か
ら干渉解析できるように構成することが可能である。
又、前記変調手段が波長の周波数変調によって行われる
ように構成してもよい。更に、前記光源にはレーザ光源
を用いることが好ましい。このように、本発明はヘテロ
ダイン干渉計にも容易に適用することができる。最も好
適には光源に半導体レーザを用い、レーザ自身に与える
注入電流に周波数を与えれば、試料の変化(例えば段差
やうねり等光路長差が存在するもの)に対応したビート
信号を生成することもできる。即ち、ヘテロダイン検出
を多波長顕微鏡として行えるようになる。又、干渉縞の
高精度測定には位相変調を行う位相シフト法を用いても
い。この場合、位相変調は、mirau 型では前記参照ミラ
ーや試料の微小移動で、微分型では前記ノマルスキ・プ
リズムの移動若しくはコンペセータ調整によって行うこ
とが一般的であるため、ここでは特に触れないが、本発
明においてもこれらを適用することは容易である。
【0034】以下、実施例を示し、本発明をより具体的
に説明する。
【0035】第1実施例 図1は本実施例にかかる顕微鏡装置の構成を示す図であ
る。本実施例は、干渉顕微鏡に関し、以下の説明はmira
u 型の顕微鏡装置に関するものである。光源1,2より
発せられた夫々異なる波長λ1 ,λ2 の光束は、PBS
3によって合成され光束aとなる。波長λ1 ,λ2 は夫
々直線偏光成分を有しており、光束aにおいて波長
λ1 ,λ2 は相互に直交する偏光成分を有する。この光
束aはPBS4において光束b,cに分割され、夫々の
偏光成分に合わせて波長λ1の光束が光束b、波長λ2
の光束が光束cとなる。光束b,cは夫々の光路に配置
されている偏光面ローテータ(偏光面回転手段)5を通
過し、先の図4を参照して説明した作用によって、光束
b,cの偏光面は夫々90°回転されて光束d,d’と
なる。偏光面回転手段5はファラデー素子(若しくはフ
ァラデー・ローテータ)5a,1/2波長板5b及び偏
光子5cからなっており、光束bのλ1 、光束cのλ2
の単波長に対して適切に設計されている。光束d,d’
はダイクロイックミラー(波長分離手段)8によって光
束eとして合成される。このダイクロイックミラー8は
特定の波長域のみを透過若しくは反射させることができ
る可干渉多層膜等からなっており、本実施例の場合では
波長λ1 を透過し波長λ2 は反射させるように構成され
ている。これにより、合成された光束eは反射ミラー9
を経て対物レンズ10に至る。このとき、光束eにおい
て、波長λ1 ,λ2 は相互に直交する偏光成分を有する
ため、合成された光束内では異なる波長間の影響を受け
ない。
【0036】対物レンズ10はmirau 型の干渉対物レン
ズであり、分割ミラー10aと参照ミラー10bとを備
えている。光束eとなって導かれる照明光は、対物レン
ズ10に入射し分割ミラー10aによって試料11を照
明する物体光路と参照ミラー10bに至る参照光路とに
分割される。試料11で反射された物体光路と参照ミラ
ー10bで反射された参照光路とは、再度分割ミラー1
0aによって合成され、反射ミラー9を経て干渉光eと
なってダイクロイックミラー8へ導かれる。このとき、
光束eは照明側と観察側とでは対物レンズ10による影
響のため、多少偏光面は乱れるが主たる偏光成分は保持
されるので問題はない。ダイクロイックミラー8では、
再度波長λ1 ,λ2 が分割され往路と同様の光路d,
d’を辿る。往路光束d.d’は夫々干渉光dとd’と
同一の偏光面を有するため、偏光面ローテータ5を通過
しても前述のように偏光面は保持され、波長λ1 の干渉
光の光束dと光束b、波長λ2 の干渉光の光束d’と光
束cは同一偏光面の光束となり、且つ干渉光b,c間で
は相互に直交した成分の光束となる。又、復路におい
て、偏光面ローテータ5に内包される偏光子5cは前述
の偏光面の乱れ、言い換えればノイズを生成する成分を
除去し、それより後の1/2波長板5bに往路と同様の
偏光成分を伝播することができる。
【0037】更に、干渉光b,cは往路光束b,cと相
互に直交する偏光成分を有するため、再度PBS4に入
射した後合成され、光束fとなってPBS12へ導かれ
る。光束fは相互に直交する成分を有する波長λ1 ,λ
2 により形成されているため、PBS12において分割
され、波長λ1 は検出器13へ、波長λ2 は検出器14
へ導かれる。検出器13,14では、各波長の干渉縞を
単波長で検出できるようになっているため、多波長の干
渉縞の重畳がなく、干渉縞解析の測定精度は容易に維持
できる。又、干渉縞の解析は、信号解析処理や制御を行
う信号解析ドライバ15によってなされる。このとき、
各波長の干渉縞の解析処理に加え、検出器13,14か
らの干渉信号を電気的に合成して合成信号を生成するこ
とも容易にできるため、光学的には困難な多波長の干渉
信号を得ることも可能である。
【0038】本実施例においては、光源1,2は個別の
光源でなくとも、少なくとも2波長の光束を生成できる
ものであれば一体化されたものを用いてもよい。本実施
例では、PBS3,4を用いて2波長を合成,分割して
いるが、同一偏光成分を有する2波長でも、前記ダイク
ロイックミラーを効率的に用いればPBSを用いた場合
と同様に光路b,cを分割,合成できる。更に、往路光
束b,cの偏光面に対する偏光面ローテータ5による回
転角度を工夫すれば、PBS4を用いて干渉光b,cを
直接検出器13,14へ導くことも可能である。即ち、
本実施例の構成は図1に示されたものに限定されず、多
少組み合わせを変化させるだけで光源1,2からの光束
を同一光路に合成及び異なる光路に分割することは容易
にできる。更に、本実施例では、2波長の光路を形成し
ているが、波長毎に光路が設けられればよいので、反射
ミラー7の代わりにダイクロイックミラー,PBSを有
意義に用いて光路を増やせば、容易に3波長以上の多波
長の光束に対しても対応することは可能である。
【0039】ここで、例えば、光源1,2にArイオンレ
ーザを用い、発振させる波長を夫々488nm ,514nm とす
る。通常の干渉縞の検出信号としては、この波長程度の
高さを有する試料の段差,うねりしか測定することはで
きない。本実施例では、前記何れかの波長を用いて測定
精度を定め、合成多波長干渉信号を形成すると、その等
価波長λeqは、 λeq=λ1 ・λ2 /(λ1 −λ2 ) =0.5145・0.499/(0.5145-0.488) =9.475 μm となる。よって、従来の干渉計の測定範囲より一桁以上
測定範囲を拡大できることが分かる。等価波長は単波長
によってその大きさが定まるが、等価波長を用いれば少
なくとも従来よりも数μmの測定範囲を拡大させること
は容易である。つまり、使用する波長以上の大きい段
差,うねりのある試料を測定しても、単波長での検出で
はその測定精度を維持しながら、更に等価波長による多
波長干渉信号を検出しておけば、試料のどの部分の高さ
を測定しているかは明白となり、所謂“2πの曖昧さ”
が生じても測定精度を良好に維持することができる。こ
れらの処理は、基本的には独立した各波長において、干
渉縞を測定,解析し電気信号として多波長を合成してい
るので、電気的なノイズ以外に光学的な干渉縞の重畳を
発生しないため、多波長干渉縞を高精度に解析できる。
【0040】更に、干渉顕微鏡における別の形態を示
す。図2は微分干渉顕微鏡の構成を示す図である。光源
1,2からダイクロイックミラー8までの照明光学系の
構成は図1に示されたものと同様であるため、ここでは
省略する。ダイクロイックミラー8を経た光束eは波長
λ1 ,λ2 からなっており、波長λ1 ,λ2 は相互に直
交する偏光成分を有している。反射ミラー9と対物レン
ズ10との間には、ノマルスキ・プリズム16が配置さ
れているが、このノマルスキ・プリズム16はそのの光
学軸が先に図5(a)に基づき説明したように配置され
ている。即ち、x軸上には波長λ1 の偏光面を、y軸上
には波長λ2 の偏光面を夫々配し、ノマルスキ・プリズ
ム16の光学軸を、x−y平面に対して45°傾いた
x’−y’平面に配置している。尚、前記波長λ1 ,λ
2 の偏光面を相互に置き換えてもよい。例えば、図5
(a)に示すように、x’−y’平面があるとすると、
図2において、波長λ1 ,λ2 の偏光成分を有する光束
eはノマルスキ・プリズム16を通過すると、x’,
y’の偏光成分の常光線と異常光線とに分割され対物レ
ンズ10を介して2分割されたスポットとして試料11
に照射される。
【0041】この試料11で反射された2つの光束は、
対物レンズ10,ノマルスキ・プリズム16を介して再
度合成される。そして、この合成光は、反射ミラー9を
経て干渉光束eとなるが、このとき波長λ1 ,λ2 共に
分割,合成された偏光成分の干渉すべき2光束が夫々
x’軸,y’軸上に存在しており、実際には波長λ1
λ2 において夫々の干渉縞は生成していない。ダイクロ
イックミラー8で各波長に分割された干渉光束d,d’
は偏光面ローテータ5に内包されている偏光子5cによ
って微分干渉顕微鏡における平行ニコルで検出される。
このとき、始めて前記2つの光束は干渉光となって伝播
し単一の直線偏光となる。よって、光束d若しくはd’
は、偏光面ローテータ5によって往路光束b若しくはc
と直交する偏光成分の干渉光束b若しくはcとなって通
過する。干渉光束b,cはPBS4で合成された後光束
fとなり、再度PBS12で各偏光成分毎に分割され、
検出器13,14へ導かれる。尚、mirau 型の顕微鏡に
おいても同様であるが、ここでの分割は特にPBSによ
る偏光成分の分割のみならず、ダイクロイックミラーの
波長による分割でも差異はない。特に、3波長以上の多
波長検出の場合PBS,ダイクロイックミラーの組み合
わせで各波長の検出器を構成するとよい。
【0042】本実施例においては、偏光面ローテータ5
に内包されている偏光子5cが往路,復路共に平行ニコ
ルとなっており、mirau 型等による偏光面に寄与しない
干渉顕微鏡に対しては、光学系による偏光面の乱れから
生じるノイズを除去する作用を有し、又、偏光干渉を行
う微分干渉顕微鏡に対しては、偏光子兼検光子としての
作用を有する。特に、微分顕微鏡では、ノマルスキ・プ
リズムの移動や、コンペンセータによって検光子の平行
ニコルを直交ニコルへ変化させることもできる。又、光
源から2波長以上の同一偏光成分を有する光束が発せら
れる場合、例えば図7に示すように、2波長を発する光
源21を用いる場合には、ダイクロイックミラー8やP
BS4を図示のように配置することにより可能となる。
ここでは、ダイクロイックミラー8のみによって光束
b,cに分割し、照明光及び検出光の分割はPBS4に
よって行われている。特に、光源21側から順に、PB
S4と偏光面ローテータ5とが配置されていればよく、
光源21からの光束の偏光面は偏光面ローテータ5によ
って任意に設定できるので、単純に光束e以降は本実施
例として先に説明したような干渉顕微鏡,微分干渉顕微
鏡として構成すればよい。
【0043】以上のように、本実施例によれば、干渉顕
微鏡を多波長干渉計として装置を構成することが可能に
なる。又、これに伴い、試料に使用波長以上の段差,う
ねり等があっても、高精度の測定を可能とし、且つ、そ
の測定範囲を広く設定することができる干渉顕微鏡装置
を提供することができる。更に、本実施例の装置に用い
られる顕微鏡のタイプは、前述したものに限られず、例
えば、マイケルソン型やその変形であるリニーク型等の
干渉顕微鏡を用いることもできる。
【0044】第2実施例 図3は、本実施例にかかる顕微鏡装置の構成を示す図で
ある。本実施例は偏光顕微鏡を用いた装置に関するもの
である。光源1より発せられた単色若しくは準単色の光
束aは、PBS4を経て光束bとなり、更に偏光面ロー
テータ5を通過し光束aとは直交する偏光成分を有する
光束dとなる。尚、偏光面ローテータ5は第1実施例に
おいて用いられたものと同様のものである。光束dは、
1/4波長板6を経て円偏光の照明光束eとなり、対物
レンズ10を介して試料11に向けて照射される。次
に、試料11に対して照射された円偏光は、逆回りの円
偏光となって反射され、対物レンズ10を介して検出光
束eとなる。検出光束eは、1/4波長板6を経て照明
光束dとは直交する偏光成分を有する検出光束dとな
り、その後偏光面ローテータ5を通過する。このとき偏
光面ローテータ5に内包されている偏光子5cで検出光
束dのy軸方向の成分のみが検出され検出光束bとな
る。更に、この検出光束bは、PBS4で反射され、光
束fとして検出器13へ導かれる。
【0045】このようにして、本実施例は円偏光照射の
偏光顕微鏡装置として構成されるが、これは、干渉顕微
鏡の構成に1/4波長板を付加するだけで達成できる。
又、本実施例では、1つの光源から単色若しくは準単色
の光束を発生させているが、これは干渉顕微鏡を用いた
装置における構成と同等であるため、多波長への拡張は
容易である。又、本実施例における偏光子5cは往路光
束dと復路光束dに対して直交ニコルの作用を有する偏
光子兼検光子となっているため、偏光顕微鏡に対して好
適である。
【0046】第3実施例 図8及び図9は本実施例にかかる顕微鏡装置の構成を示
す図である。本実施例は透過型の干渉顕微鏡及び偏光顕
微鏡を用いて構成したものである。測定する試料に所望
の照明光を照射するための構成は第1,第2実施例に示
されたものと同様であるため、ここでは説明を省略す
る。ただし、透過光を測定のために利用する場合には後
述するような工夫を施してもよい。図8は、透過型微分
干渉顕微鏡装置の構成を示す図である。この顕微鏡装置
は、2つの波長の光を発する光源1,2を備えている
が、第1実施例の顕微鏡のように、照明光束eで2波長
の偏光面が直交していなくとも、同一偏光面であっても
よい。というのも、この透過型の微分干渉顕微鏡装置で
は、2つの波長を夫々同様に分離して干渉計の構成をな
せば、かかる光束は再度同一の光路を形成し検出器へ向
かうことはないためである。即ち、光束b,cの偏光成
分を光束d,d’で一致させるためには、何れかの偏光
面ローテータ5を取り除いてしまえばよい。又、偏光面
ローテータ5があっても、光束d,d’で偏光面が一致
するように配置してもよい。
【0047】試料11を透過した光束はコンデンサレン
ズ17とコンデンサレンズ17に組み合わされるノマル
スキ・プリズム18を介して、再び重ね合わされ光束g
となる。このとき注意すべきは、対物レンズ10側とコ
ンデンサレンズ17側のシェアリング量(横ずらし量)
が一致するものを用いることである。光束gは、回転可
能な偏光板19によって自由に方向を選んで検出するこ
とができる。検出された光束は偏光板19によって検出
される偏光成分のみであるから、第1実施例に示したよ
うなPBS4による分離が不可能なため、ダイクロイッ
クミラー20を用いて各波長毎に分離して、検出器1
3,14へ導いている。これによって、2波長以上の多
波長透過型の微分干渉顕微鏡装置として用いることがで
きる。
【0048】更に、図9は、透過型偏光顕微鏡装置の構
成を示す図である。第2実施例では、単波長の偏光顕微
鏡装置の構成を示したが、本実施例では2波長の偏光顕
微鏡装置の例を示す。光束b,cの偏光成分を光束d,
d’で一致させるため光路c中の偏光面ローテータ5が
取り除かれている。又、前述のように、偏光面ローテー
タ5が配置されていても、光束d,d’で偏光面が一致
するようになっていれば問題はない。よって、光束eは
同一偏光面を維持する光源1,2から発せられた波長を
有する照明光であり、対物レンズ10を介して試料11
に直線偏光として照射される。ここで、第2実施例の装
置と同様に円偏光で試料11を照明するには、ダイクロ
イックミラー8と偏光面ローテータ5との間に1/4波
長板を挿入,配置すればよい。
【0049】試料11を通過した光束は、コンデンサレ
ンズ17を介して光束gとなり、回転可能な偏光板19
によって特定の偏光成分のみが検出される。この検出光
を図8に示した装置と同様にダイクロイックミラー20
において各波長毎に光束を分離して、検出器13,14
へ導く。即ち、本実施例の顕微鏡装置のように、透過光
路を有する場合は、検出光が照明光路を辿ることはない
ため、検出系を透過側に備えることができる。このよう
に、本発明の顕微鏡装置は透過型の偏光顕微鏡を用いて
構成しても十分な効果を奏するものである。
【0050】第4実施例 図10,11は本実施例にかかる顕微鏡装置の構成を示
す図である。本実施例の装置は干渉顕微鏡及び偏光顕微
鏡のLSMを実現するものである。図10は、mirau 型
の干渉顕微鏡装置の構成を示す図である。この顕微鏡装
置は、第1実施例の装置における反射ミラー9に代えて
ガルバノスキャナの如きx−y平面の走査系9’が配置
され、更に所定の径を有するピンホール22が夫々検出
器13,14の入射側に備えられて構成されている。こ
のような簡単な変更により第1実施例の装置をもとに干
渉顕微鏡のLSMを実現することができる。LSMで
は、輝度の高いレーザ光源を用い、1点照明1点検出に
よる高コントラストの検出が可能となる。又、ピンホー
ルを備えた所謂共焦点系が構成されているため、高解像
な検出も可能である。特に、干渉顕微鏡装置の場合で
も、ピンホールを備えることによって光軸方向の余分な
光束を除去することができ、所望の干渉縞も高コントラ
ストで観察することができる。このため、本実施例の装
置は、従来のLSMにはない高精度な光軸方向の検出が
できるようになる。又、本実施例の装置は、2波長以上
の多波長干渉顕微鏡としても利用できることから、使用
波長以上の段差,うねり等を有する試料の測定も良好に
行うことができ、更なるLSMの性能の向上を図ること
ができる。更に、本実施例は、干渉顕微鏡はmirau 型に
限られず、微分干渉顕微鏡,マイケルソン型,リニーク
型の顕微鏡等にも応用することが可能である。
【0051】図11は偏光顕微鏡装置の構成を示す図で
ある。これも図10に示した干渉顕微鏡装置と同様にガ
ルバノスキャナの如きx−y平面を走査可能な走査系
9’と、所定の径を有するピンホール22とが備えられ
ている。特に、従来の反射型のLSMでは、PBSと1
/4波長板とを用いたアイソレータによって試料の測定
を行っているが、この構成によると、偏光顕微鏡を実現
することはできない。何故なら、アイソレータのPBS
では所望する試料の偏光成分を検出器へ導くことは不可
能であるからである。よって、図11に示すような構成
を採用することにより、偏光顕微鏡をLSMとしても用
いることができ、且つ干渉顕微鏡が有する利点をLSM
においても備えることができるようになる。
【0052】第5実施例 図12は、本実施例にかかる顕微鏡装置の構成を示す図
である。本実施例は、干渉顕微鏡装置をヘテロダイン検
出に適用する例を示すものである。図12は、走査型干
渉顕微鏡装置(mirau 型)をヘテロダイン検出系に適用
した例を示す図である。一般に、半導体レーザはその注
入電流の変化から出力光の周波数を直接変調させること
ができる特性を有している。従って、本実施例では多波
長微分干渉顕微鏡装置を実現するために、所望の成分波
長を出力可能な半導体レーザを備えている。又、このよ
うな半導体レーザを用いることによって、非常にコンパ
クトで高精度の干渉顕微鏡装置を提供することができ
る。更に、前記半導体レーザを備えることによって、多
波長の干渉計を構成でき、顕微鏡下で測定される試料の
高い段差,うねり等に対して特に有効である。このよう
に、本実施例の装置によれば、従来研究されてきたヘテ
ロダイン干渉計やヘテロダイン干渉顕微鏡ではその構成
上多波長に構成できないといった欠点を、全て解消する
ことができる。以下に、本実施例にかかる顕微鏡の一形
態を示す。
【0053】半導体レーザ(光源)1,2と、レーザ光
を発振させるための注入電流をコントロールするコント
ロールドライバ23とが備えられ、コントロールドライ
バ23は信号解析ドライバ15と連結されている。コン
トロールドライバ23は、信号解析ドライバ15から送
信される周波数信号に従い半導体レーザ1,2に注入す
る電流を変化させることができるようになっている。
【0054】ここで、LSMとしての光軸方向の高解像
による干渉縞コントラストの影響は考えないことにし
て、単純に通常の干渉縞コントラストの関係のみを示
す。コントロールドライバ23によって夫々半導体レー
ザ1,2に独立した一定の周波数変調が供給されるとし
て、測定すべき試料11の段差をhとすると、ヘテロダ
イン検出に必要な周波数差はこの段差hの往復(ダブル
パスの光路長差2h)によって生じる。即ち、各光束の
波長λ1 ,λ2 における位相差φ1 ,φ2 とビート周波
数wb1 ,wb2 との関係は、 φ1 =4πh/λ1 ,wb1 =Ct1 /(2h) φ2 =4πh/λ2 ,wb2 =Ct2 /(2h) となる。但し、Cは光の速度、t1 ,t2 は一方の光束
が光路長差2hを通過する時間の遅れを示している。よ
って、各波長λ1 ,λ2 のヘテロダイン干渉信号I1
2 は各検出器13,14において、 検出器13:I1 =I0 〔1+V・cos(wb1 +φ
1 )〕 但し、φ1 =2π・H/λ1 検出器14:I2 =I0 〔1+V・cos(wb2 +φ
2 )〕 但し、φ2 =2π・H/λ2 として得られる。尚、干渉縞の可視度Vや平均強度I0
はアッテネータの挿入や電気信号の正規化で波長λ1
λ2 間で等しいものとする。又、これらの式を用いて干
渉縞の平均精度はヘテロダイン検出により確保できる。
【0055】検出器13,14において検出さる干渉信
号は、特にビート信号として検出され、信号解析ドライ
バ15によって電気的に合成される。このとき、異なる
波長の干渉信号が合成信号として生成されるため、多波
長の干渉縞として扱うことが可能となる。このときの多
波長合成信号は和信号として表され、 合成信号:I=I0 ’{1+V' ・cos〔(wb1
wb2 )/2+(φ1 −φ2 )/2〕} となる。このとき、wb1 =wb,wb2 =−wbとす
ると、検出器13,14で検出される信号とビート信号
とは夫々、 検出器13:I1 =I0 〔1+V・cos(wb+
φ1 )〕 検出器14:I2 =I0 〔1+V・cos(−wb+φ
2 )〕 合成信号:I=I0 ’{1+V' ・cos〔(wb+
(φ1 −φ2 )/2〕} として検出される。このとき、半導体レーザに与えられ
る注入電流は、周波数を有していればよいことから、正
弦状若しくは鋸波状の電気信号処理で頻繁に用いられる
ものを利用すればよい。
【0056】以上により、単波長では検出器13,14
において検出される何れかの信号を測定精度として用
い、合成信号の変化(φ1 −φ2 )を常に検出していれ
ば、前述のように、(φ1 −φ2 )の透過波長は単波長
に比べ数μmと長くなり、多波長合成干渉信号の変化は
緩やかであるため、単波長の干渉縞が繰り返し生じて
も、測定される試料11の高さ方向に対応する干渉縞の
位置を簡単に判別することができる。加えて、合成信号
もヘテロダイン干渉となるため、高精度に試料11を測
定できる。
【0057】又、本実施例のようなmirau 型の干渉顕微
鏡装置の場合、参照ミラーの位置を移動させることがで
きるので、ここで得られるビート周波数を設定すること
もできる。例えば、wb1 ,wb2 における光路長差h
を h’=h+Dh を満足するh’に置き換えればよい。尚、Dhは前記参
照ミラーの変化量を示している。このようにすることに
より、平面度の高い試料についてもビート信号を生成さ
せてヘテロダイン検出を行うことが可能になる。更に、
図12に示した走査型顕微鏡装置を微分干渉顕微鏡装置
として構成することができることは、第1実施例に示し
た装置の例からも明らかである。
【0058】以上説明したように、本発明による顕微鏡
装置は特許請求の範囲に記載された特徴と合わせ、下記
(1)〜(12)に示すような特徴も備えている。
【0059】(1)各波長毎の検出信号を電気的な多波
長合成信号として処理できる信号処理手段を備え、上記
多波長合成信号が多波長干渉縞若しくは光学的なリタデ
ーションとして検出可能な多波長の干渉顕微鏡装置若し
くは偏光顕微鏡装置として構成されていることを特徴と
する請求項1乃至3の何れかに記載の顕微鏡装置。
【0060】(2)上記多波長信号の等価波長λeqが合
成される多波長の長波長λに対して λeq>2λ を満足するようにしたことを特徴とする上記(4)に記
載の顕微鏡装置。
【0061】(3)上記照明光学系から出射された光束
を走査する走査手段を備え、観察する試料の必要な領域
を照明し且つその領域を観察できる走査顕微鏡が備えら
れていることを特徴とする請求項1乃至3又は上記
(1)乃至(2)の何れかに記載の顕微鏡装置。
【0062】(4)上記試料の合焦位置近傍からの光束
のみを透過させ得る絞り面を備え、上記試料面以外から
の光束を除去し得る共焦点効果を有していることを特徴
とする上記(3)に記載の顕微鏡装置。
【0063】(5)上記干渉顕微鏡装置はmirau 型干渉
顕微鏡装置であることを特徴とする請求項1,2又は上
記(1)乃至(4)の何れかに記載の顕微鏡装置。
【0064】(6)上記干渉顕微鏡装置は微分干渉顕微
鏡装置であることを特徴とする請求項1,2又は上記
(1)乃至(4)の何れかに記載の顕微鏡装置。
【0065】(7)上記偏光面回転手段は、磁気光学効
果を有する素子と1/2波長板とを備えていることを特
徴とする請求項1乃至3及び上記(1)乃至(5)の何
れかに記載の顕微鏡装置。
【0066】(8)上記磁気光学効果を有する素子はフ
ァラディ素子であることを特徴とする上記(7)に記載
の顕微鏡装置。
【0067】(9)試料の干渉像を得る光学素子又は照
明光と同方位若しくは異方位の偏光成分のみを選択的に
検出する光学素子が上記試料を透過する透過光を検出す
るように配置され、その透過光路側に、回転可能な偏光
子と、各波長を分離する波長分離手段と、各波長の信号
を検出する検出手段とを備え、上記偏光子を回転させて
上記試料の測定を行うようにしたことを特徴とする請求
項1乃至3の何れかに記載の顕微鏡装置。
【0068】(10)少なくとも1つの波長において、
多波長と独立して電気的に光源からの出力光束を変調で
きる変調手段と、変調信号及び検出信号を検出しその検
出信号に合わせて変調信号を可変できる変調処理手段と
を備え、干渉縞がその変調信号に応じたビート信号とな
ってヘテロダイン検出を可能とし、測定試料における光
路長差が上記波長以上の急峻な傾きや段差及び位相差を
有していても上記波長毎のヘテロダイン検出信号から干
渉解析できるようにしたことを特徴とする請求項1,2
又は上記(3)乃至(9)の何れかに記載の顕微鏡装
置。
【0069】(11)上記変調手段は波長の周波数変調
によって行われるようにしたことを特徴とする上記(1
0)に記載の顕微鏡装置。
【0070】(12)上記光源は半導体レーザであるこ
とを特徴とする上記(11)に記載の顕微鏡装置。
【0071】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、試料の
段差やうねり等の影響を受けずに高精度,広範囲の測定
が可能な多波長干渉顕微鏡,微分干渉顕微鏡又は偏光顕
微鏡を用いた装置を提供することができる。又、本発明
の装置は、走査型顕微鏡にも対応でき、ヘテロダイン検
出が可能な干渉顕微鏡若しくは微分干渉顕微鏡を用いる
こともできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明(第1実施例)の顕微鏡装置の構成を示
す図である。
【図2】本発明(第1実施例)の顕微鏡装置の構成を示
す図である。
【図3】本発明(第2実施例)の顕微鏡装置の構成を示
す図である。
【図4】偏光面回転手段5の作用を説明するための図で
ある。
【図5】(a),(b)は偏光面回転手段5を微分干渉
顕微鏡装置に用いる場合に備えられる作用を説明するた
めの図である。
【図6】偏光顕微鏡装置の作用を説明するための図であ
る。
【図7】第1実施例の顕微鏡装置の別の一形態を示す図
である。
【図8】第3実施例の顕微鏡装置の構成を示す図であ
る。
【図9】第3実施例の顕微鏡装置の構成を示す図であ
る。
【図10】第4実施例の顕微鏡装置の構成を示す図であ
る。
【図11】第4実施例の顕微鏡装置の構成を示す図であ
る。
【図12】第5実施例の顕微鏡装置の構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
1,2,21 光源(半導体レーザ) 3,4,12 偏光ビームスプリッタ(PBS) 5 偏光面回転手段(偏光面ローテータ) 5a ファラデー素子 5b 1/2波長板 5c 偏光子 6 1/4波長板 7,9 反射ミラー 8,20 波長分離手段(ダイクロイックミラ
ー) 9’ 走査系 10 対物レンズ 10a 分割ミラー 10b 参照面 11 試料 13,14 検出器 15 信号解析ドライバ(信号処理手段) 16,18 ノマルスキ・プリズム 17 コンデンサレンズ 19 偏光板 22 ピンホール 23 コントロールドライバ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単色若しくは準単色の少なくとも2つの
    異なる波長の光束を同一光軸上に出射する光源と、入射
    光束の偏光方向によって選択的に反射若しくは透過させ
    る偏光ビームスプリッタと、入射光束の偏光方向を90
    °回転させて出射するか又は入射光束の偏光面を保存す
    るかの選択が可能な偏光面回転手段と、回転された前記
    偏光面と同等の偏光方位を有する偏光子と、照明光を観
    察試料に向けて照射する対物光学系と、該対物光学系か
    ら出射される前記試料からの光束を各波長毎に分離する
    波長分離手段と、該対物光学系から出射される前記試料
    からの光束の各波長毎の干渉縞を検出する干渉縞検出手
    段と、を備え、前記試料の段差若しくは位相差を単波長
    若しくは多波長で測定及び解析できるようにしたことを
    特徴とする干渉顕微鏡装置。
  2. 【請求項2】 単色若しくは準単色の光束を出射する光
    源と、入射光束の偏光方向によって選択的に反射若しく
    は透過させる偏光ビームスプリッタと、入射光束の偏光
    方向を90°回転させて出射するか又は入射光束の偏光
    面を保存するかの選択が可能な偏光面回転手段と、回転
    された前記偏光面と同等の偏光方位を有する偏光子と、
    照明光を観察試料に向けて照射する対物光学系と、該対
    物光学系から出射される前記試料からの光束を各波長毎
    に分離する波長分離手段と、該対物光学系から出射され
    る前記試料からの光束の各波長毎の干渉縞を検出する干
    渉縞検出手段と、を備え、前記試料の段差若しくは位相
    差を単波長で測定及び解析できるようにしたことを特徴
    とする微分干渉顕微鏡装置。
  3. 【請求項3】 単色若しくは準単色の単一波長の光束若
    しくは少なくとも2つの異なる波長の光束を同一光軸上
    に出射する光源と、入射光束の偏光方向によって選択的
    に反射若しくは透過させる偏光ビームスプリッタと、入
    射光束の偏光方向を90°回転させて出射するか又は入
    射光束の偏光面を保存するかの選択が可能な偏光面回転
    手段と、1/4波長板と、光源より出射される偏光成分
    を有する照明光を試料に照射する対物光学系と、該対物
    光学系から出射される前記試料からの光束を各波長毎に
    分離する波長分離手段と、前記試料を経た試料光から前
    記照明光と同方位若しくは異方位の偏光成分のみを選択
    的に検出する光学素子と、前記試料光から各波長毎の直
    線偏光成分を検出する偏光成分検出手段とを備え、前記
    試料に円偏光を照射することにより生じる偏光特性を利
    用して前記試料の段差若しくは位相差を単波長若しくは
    多波長によって測定,解析するようにしたことを特徴と
    する偏光顕微鏡装置。
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