JPH10104522A - 共焦点走査型光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】装置の構成を複雑にすることなく、試料からの
反射光を光量を無駄にロスせずに共焦点画像及び非共焦
点画像として明るい画像を得る。 【解決手段】光源1 と、光源1 から発した光を試料11上
に集光する対物レンズ10と、光源1 と上記対物レンズ10
の間に配置され、対物レンズ10に入る光の入射角度を変
化させることにより試料上を互いに直交する方向に走査
するガルバノメータミラー4,7 と、試料11からの光を共
焦点絞りとしてのピンホールミラー17を通過させて検出
して共焦点画像信号を出力する第１の検出器18と、共焦
点絞りを通過せずに反射した光を検出する第２の検出器
20と、第１の検出器18の出力する共焦点画像信号と第２
の検出器20の出力とを加算して非共焦点画像信号を出力
する加算器(23)とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、共焦点走査型光学
顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、共焦点走査型光学顕微鏡などで
は、例えば「Ｔ．Ｗｈｉｌｓｏｎ，“Ｔｈｅｏｒｙ ａ
ｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｏ
ｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”ＡＣＡＤＥＭＩ
ＣＰＲＥＳＳ １９８４」で述べられているように、共
焦点（コンフォーカル）モードにおいてセクショニング
効果を有し、非共焦点（ノンコーフォカル）モードにお
いては通常の顕微鏡と同じ結像特性を有することが知ら
れている。

【０００３】このような共焦点走査型光学顕微鏡につい
て、特開昭６１−２１９９１９号公報に基づいて説明す
る。図９は、従来の共焦点走査型光学顕微鏡の第１の例
を示す光学系統図であり、等価的に点光源と考えられる
レーザ光源（図示せず）からの光ビーム５０は、ビーム
スプリッタ５１を通過して第１の光偏向器５２に入射す
る。

【０００４】この光偏向器５２は、対物レンズ５３の瞳
５４と共役な位置に配置する。光偏向器５２が偏向を行
なっていない場合、光ビーム５０は光軸５５に沿って進
む。また、光偏向器５２が偏向を行なっている場合、す
なわち光ビーム５０を走査する場合には、光偏向器５２
が瞳位置に設けられているので、光ビーム５０の方向は
軸外主光線５６と一致し、光ビーム５０の中心も軸外主
光線５６と一致する。

【０００５】次にこれらの光ビーム５０は瞳投影レンズ
５７及び５８を通って瞳位置に配置された第２の光偏向
器５９に入射する。この光偏向器５９が２次元走査のう
ちのＹ方向の走査を行なうものとすると、上記光偏向器
５２はＸ方向の走査を行なうこととなる。

【０００６】しかして、光偏向器５２及び５９により２
次元的に走査された光ビームは、瞳投影レンズ６０及び
結像レンズ６１により対物レンズ５３の瞳５４に入射せ
しめられる。そして、これらの光ビームは対物レンズ５
３によって試料６２上に回折で制限される点状光を生じ
る。光偏向器５２及び５９によりＸ−Ｙ方向に２次元的
に走査することにより、該点状光が試料６２を２次元走
査する。

【０００７】試料６２からの反射された光ビームは、対
物レンズ５３とその瞳５４を通り、更に結像レンズ６１
を通って一旦結像する。この結像面が通常の光学顕微鏡
で像を観察する面である。さらに光ビームは瞳投影レン
ズ６０により光偏向器５９上に戻ってくる。

【０００８】このように反射ビームは、試料６２に入射
した時と全く同じ経路を逆に通ってビームスプリッタ５
１に戻り、ビームスプリッタ５１により取出されて検出
ビーム６７となる。反射ビームが光偏向器５９，５２を
通過して戻って来ているので、軸外を走査しても検出ビ
ーム６７は動かない。検出ビーム６７は集光レンズ６８
によって点状に絞られ、点状に絞られた位置にピンホー
ル６９を設けてその後方の検出器７０で検出すれば、フ
レアのない、通常の顕微鏡より高解像の画像を得ること
ができる。また、ピンホール６９を設けなくとも通常の
画像が得られることは言うまでもない。

【０００９】以上のような共焦点走査型光学顕微鏡にお
いては、セクショニング効果を持つがために、焦点合わ
せが困難となる。それらの理由から通常、非共焦点光
路、あるいは白色光源により照明される眼視観察光路も
しくはＴＶ観察光路が設けられる。

【００１０】図１０及び図１１はそれぞれ異なる従来の
共焦点走査型光学顕微鏡の第２及び第３の例を示す光学
系統図である。すなわち図１０においては、ミラー７１
が光路上に進退自在に設けられている。このミラー７１
を光路上に挿入することにより反射された検出ビーム６
７は、集光レンズ７２により点状に絞られ、検出器７３
により検出されて非共焦点画像を得ることができる。ま
た、ミラー７１を光路上から退避させることにより、検
出ビーム６７は集光レンズ６８により点状に絞られ、ピ
ンホール６９を通して検出器７０により検出されて共焦
点画像を得ることができる。このようにミラー７１を進
退させることにより、共焦点画像と非共焦点画像を選択
することが可能となる。

【００１１】図１１においては、結像レンズ６１と対物
レンズ５３の間の光路上にミラー７４が進退自在に設け
られている。このミラー７４を光路上に挿入することに
より、白色光源７５から照明光がハーフミラー７６、結
像レンズ７７を透過し、ミラー７４で反射された試料６
２上に照射される。この照明による試料６２の観察光
は、ＴＶカメラ７８に導かれ通常の落射照明画像を得る
ことができるようにしたものである。また、ミラー７４
を光路上から退避させることにより、上記の第２の例と
同様に共焦点画像を得ることができる。

【００１２】以上の構成により、焦点合わせを非共焦点
もしくは落射照明画像により行なうことができ、通常の
顕微鏡観察と同様に焦点合わせをすることが可能な共焦
点走査型光学顕微鏡が提供されている。

【００１３】さらに、ミラーを進退させることなく共焦
点画像及び非共焦点画像を得るために、図１２に示すよ
うに、試料６２からの反射光をビームスプリッタ６３に
より所定の割合に分割するようにしている。ここでビー
ムスプリッタ７９の分割比は、ピンホール６８で絞られ
る光量に基づいて行なわれるもので、共焦点光路側つま
りは、検出ビーム６７ａにより多くの光量を与える比率
とすることで、検出ビーム６７ａ，６７ｂはそれぞれ適
切な光量を備えている。図中８０はレーザ光源、５
２′，５９′はガルバノメータミラーを示す。以上の構
成により、焦点合わせを共焦点画像と非焦点画像により
同時に検出することが可能となる共焦点走査型光学顕微
鏡が提供されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
１０，図１１で示した共焦点走査型光学顕微鏡では、光
路の切換えに際して機械的にミラー７１，７４を進退さ
せなければならず、その切換動作にはある一定以上の時
間を必要とするため、観察者にとっては煩わしさを感じ
るという問題があった。

【００１５】また、ミラー７１，７４には、進退機構を
設ける必要があり、モータ等を用いて切換えを電動で行
なう場合には特に、装置が高価かつ大型化してしまうと
いう問題があった。

【００１６】さらに、上記図１２に示した共焦点走査型
光学顕微鏡では、試料６２からの反射光をビームスプリ
ッタ７９により所定の割合に分割され、かつビームスプ
リッタ７９を透過しビンホール６９を通過できない検出
ビーム６７ａはピンホール６９で遮蔽されてしまうこと
から、光量損失が大きくなるという問題があった。

【００１７】さらに、暗い試料を観察するときには、試
料６２からの反射光をすべて使えないので、共焦点画
像、非共焦点画像ともに、十分な光量を得ることが難し
くなってしまうという問題があった。これは例えば、半
透明なレジスト平坦化膜の測定等を行なう際に光量不足
となることで顕著に現れる問題となっていた。

【００１８】さらに、試料６２からの反射光を所定の割
合に分割するため、ビームスプリッタ７９が必要とな
り、やはり装置の構成が複雑化してしまうという問題が
あった。

【００１９】本発明は上記のような実情に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、装置の構成を複雑
にすることなく、試料からの反射光を光量を無駄にロス
せずに共焦点画像及び非共焦点画像として明るい画像を
得ることが可能な共焦点走査型光学顕微鏡を提供するこ
とにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
光源と、上記光源から発した光を試料上に集光する対物
レンズと、上記光源と上記対物レンズの間に配置され、
上記対物レンズに入る光の入射角度を変化させることに
より試料上を互いに直交する方向に走査する光偏向部材
と、上記試料からの光を共焦点絞りを通過させて検出し
て共焦点画像信号を出力する第１の検出器と、上記共焦
点絞りを通過せずに反射した光を検出する第２の検出器
と、上記第１の検出器の出力する共焦点画像信号と上記
第２の検出器の出力とを加算して非共焦点画像信号を出
力する加算器とを具備するようにしている。

【００２１】この結果、請求項１記載の発明によれば、
試料からの反射光を共焦点絞りを通過させたものを第１
の検出器で検出してその検出結果としての共焦点画像を
得ると共に、共焦点絞りを通過させなかった反射光を第
２の検出器で検出してその検出結果と上記共焦点画像と
を加算することで加算結果としての非共焦点画像を得る
ようにしたので、装置の構成を複雑にすることなく、試
料からの反射光を光量を無駄にロスせずに共焦点画像及
び非共焦点画像として共に明るい画像を得ることができ
る。

【００２２】請求項２記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、上記共焦点絞りは、高反射部材でなる
ようにしている。この結果、請求項２記載の発明によれ
ば、上記請求項１記載の発明の作用に加えて、共焦点絞
りを高反射部材とすることで共焦点絞りで無駄にロスさ
れる光量を減少させることができるため、共焦点画像及
び非共焦点画像として共により明るい画像を得ることが
できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下図面を参照して本発明の第１
の実施の形態に係る顕微鏡用自動焦点検出装置を説明す
る。

【００２４】図１及び図２はその光学系統を示す構成図
であり、光源となる例えばレーザ光源１と、このレーザ
光源１から発したレーザビーム２を試料１１上に集光す
る対物レンズ１０と、この対物レンズ１０と上記レーザ
光源１の間に配置されて該対物レンズ１０に入る光の入
射角度を変化させることにより試料１１上を互いに直交
する方向に走査する２つの光偏向部材、例えばガルバノ
メータミラー４，７と、例えば集光レンズ１６の集光位
置に配置され、試料１１からの光を絞るコンフォーカル
絞りを有し、コンフォーカル絞りで絞りきれない光を効
率良く反射できる高反射ミラーとしてのピンホールミラ
ー１７と、このピンホールミラー１７を通過した光を検
出する第１の検出器１８と、上記ピンホールミラー１７
で反射された光を集光するリレー光学系１９と、このリ
レー光学系１９に対してピンホールミラー１７と共役な
位置に配置され、ピンホールミラー１７で反射された光
を検出する第２の検出器２０と、上記第１及び第２の検
出器１８，２０の各画像出力２１，２２を加算する加算
器２３と、上記第１の検出器１８からの画像出力２１及
び上記加算器２３からの画像出力２４を表示するモニタ
２６と、このモニタ２６に入力される第１の検出器１８
からの画像出力２１及び上記加算器２３からの画像出力
２４を電気的に切換える切換スイッチ２５とを備えてい
る。

【００２５】上記ピンホールミラー１７とは、通常のピ
ンホールの表面にミラーを成形したものでも良い。以上
述べた構成以外にも、ガルバノメータミラー４，７間の
光路に配置されている瞳伝送レンズ５，６と、ガルバノ
メータミラー７と対物レンズ１０の間の光路に配設され
ている瞳投影レンズ８と、結像レンズ９と、ビームスプ
リッタ３とピンホールミラー１７の間の光路に配設され
ている集光レンズ１６を備えている。

【００２６】ここで、検出器１８，２０としては、フォ
トダイオードもしくはフォトマル等の０次元の光を検出
できるものを用いる。上記のような構成にあって、光源
であるレーザ光源１から出射されたレーザービーム２は
ビームスプリッタ３を通過し、ガルバノメータミラー４
に入射する。ここでレーザビーム２は偏向されてＸ方向
に走査される。走査されたレーザビーム２は、次に瞳伝
送レンズ５，６によってガルバノメータミラー７に入射
する。ここでレーザビーム２は偏向されてＹ方向に走査
される。

【００２７】ただし、図中では説明を簡易化するために
ガルバノメータミラー４，７は同一方向にレーザビーム
２を偏向するかのごとく示してあるが、実際は試料１１
上をＸ−Ｙの２次元方向に走査し得るようになってい
る。

【００２８】２次元に走査されたレーザビーム２は、瞳
投影レンズ８、結像レンズ９を通過して対物レンズ１０
に入射する。そして試料１１上にレーザスポットを生
じ、そのレーザスポットで試料１１をＸ−Ｙの２次元方
向に走査する。そして、この試料１１で反射されたレー
ザビームは、入射した時と同じ光路、すなわち、対物レ
ンズ１０、結像レンズ９、瞳投影レンズ８、ガルバノメ
ータミラー７、瞳伝送レンズ６，５、ガルバノメータミ
ラー４を通ってビームスプリッタ３に戻ってくる。ビー
ムスプリッタ３で反射された検出ビーム１２は集光レン
ズ１６により点状に集光され、この位置に配置されてい
るピンホールミラー１７により絞られる。

【００２９】ここで図３を用いてこのピンホールミラー
１７における絞りの動作を説明する。図３（Ｂ）に示す
ように、検出光１２のピンホールミラー１７に対する入
射角度は、検出光１２の反射光が第２の検出器２０で検
出されるように予め一定の角度θをもって配置されてい
る。

【００３０】図３（Ａ）は、試料１１が対物レンズ１０
の合焦位置より対物レンズ１０から離れた位置にあり、
検出光１２がピンホールミラー１７の前方に集光する場
合を例示したもので、この場合には検出光１２の大部分
がピンホールを通らずにピンホールミラー１７で反射さ
れ、リレー光学系１９で集光されて、リレー光学系１９
に対してピンホールミラー１７と共役な位置に配置され
た第２の検出器２０で検出されることとなる。

【００３１】図３（Ｂ）は、試料１１が対物レンズの１
０の合焦位置にあり、検出光１２がピンホールミラー１
７のピンホールで集光する場合を例示したもので、この
場合には検出光１２がそのままピンホールを通って第１
の検出器１８で検出されることとなる。

【００３２】図３（Ｃ）は、試料１１が対物レンズの１
０の合焦位置より対物レンズ１０に近い位置にあり、検
出光１２がピンホールミラー１７の後方に集光する場合
を例示したもので、この場合には検出光１２がピンホー
ルを通過せずにピンホールミラー１７で反射され、リレ
ー光学系１９で集光されて、リレー光学系１９に対して
ピンホールミラー１７と共役な位置に配置された第２の
検出器２０で検出されることとなる。第２の検出器２０
は、ピンホールミラー１７のデフォーカスした光を検出
するのに十分な受光面を有するものとする。

【００３３】図２に示すように上記第１の検出器１８に
より検出された画像出力２１は共焦点画像となるもの
で、対物レンズ１０の試料１１方向への移動量と第１の
検出器１８の画像出力２１の関係は図４に示すようにな
る。

【００３４】また、ピンホールミラー１７のピンホール
を通過せず、このピンホールミラー１７で反射された検
出ビーム１２は、上述した如く第２の検出器２０により
検出されるもので、対物レンズ１０の試料１１方向への
移動量と第２の検出器２０の画像出力２２との関係は図
５に示すようになる。

【００３５】このため、図２に示す如く第２の検出器２
０の画像出力２２と第１の検出器１８の画像出力２１と
を加算器２３に入力すると、非共焦点画像出力２４が得
られるもので、対物レンズ１０の試料１１方向への移動
量と加算器２３の画像出力２４との関係は図６に示すよ
うになるものである。

【００３６】なお、第１の検出器１８の画像出力２１と
第２の検出器２０の画像出力２２のゲインを合わせるた
めに、加算器２３で加算される前にゲイン器を設けるよ
うにしても良い。

【００３７】また、上記ピンホールミラー１７に形成さ
れたピンホールの形状は必ずしも真円である必要はな
い。すなわち、図７（Ａ）に示すピンホールミラー３０
では、真円のピンホールが形成されているタイプを示す
が、このようなタイプでは図示する如く角度θ°だけ傾
けた時に見えかたが楕円状になってしまい、結果として
第１の検出器１８で検出される光量が減ってしまう虞が
ある。

【００３８】そこで、図７（Ｂ）に示すようにピンホー
ルミラー３１がθ°傾けられた際に第１の検出器１８で
最大に検出されるように、ピンホールを予め楕円にして
おき、検出ビーム１２の光軸に対してθ°の角度をもっ
て配置された場合にピンホールが真円に見えるようにす
れば、第１の検出器１８で検出される光量が減ってしま
うことなく、その画像出力２１である共焦点画像をより
明るいものとすることができる。

【００３９】（第２の実施の形態）上記第１の実施の形
態では、ピンホールミラー１７と第２の検出器２０との
間にリレー光学系１９を配設するものとして説明した
が、このリレー光学系１９を廃する構成を考えることも
できる。

【００４０】以下、この場合を本発明の第２の実施の形
態として図面を参照して説明する。図８はその光学系統
を示す構成図であり、基本的には上記図１に示したもの
と同様であるので、同一部分には同一符号を付してその
説明は省略する。

【００４１】しかして、図１におけるピンホールミラー
１７の反射側に配置されたリレー光学系１９を設けず
に、第２の検出器２０をピンホールミラー１７の充分近
くに設けるものとする。但し同図においては、理解を容
易とするためにピンホールミラー１７と第２の検出器２
０を離して示すものとする。

【００４２】ここで、第２の検出器２０は、検出光１２
を遮らず、且つ共焦点画像と合焦となるように、共焦点
走査型光学顕微鏡の光学系の焦点深度内であってピンホ
ールミラー１７上に配置するのと等価とみなせる位置に
配置するものとする。

【００４３】このような構成とすることにより、上記図
１で示したものと同等の作用効果を奏することを可能と
しながら、リレー光学系１９を不要とし、この共焦点走
査型光学顕微鏡の構成をより簡単なものとすることがで
きるものである。

【００４４】

【発明の効果】以上詳記した如く本発明によれば、非共
焦点画像を得るために試料からの反射光を分割するビー
ムスプリッタ、あるいは集光レンズ等の部品が不要とな
るので装置の構成が簡単で安価なものとしながら、試料
からの反射光を全て共焦点画像と非共焦点画像にするこ
とができるようになり、試料からの反射光の光量を無駄
にロスせず、明るい画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学系統を示
す構成図。

【図２】同実施の形態に係る光学系統を示す構成図。

【図３】同実施の形態に係るピンホールミラーでの絞り
の動作を説明する図。

【図４】同実施の形態に係る対物レンズの試料方向への
移動量と第１の検出器の画像出力との関係を示す図。

【図５】同実施の形態に係る対物レンズの試料方向への
移動量と第２の検出器の画像出力との関係を示す図。

【図６】同実施の形態に係る対物レンズの試料方向への
移動量と加算器の画像出力との関係を示す図。

【図７】同実施の形態に係るピンホールミラーに形成さ
れるピンホールの形状を示す図。

【図８】本発明の第２の実施の形態に係る光学系統を示
す構成図。

【図９】従来の共焦点走査型光学顕微鏡の光学系統を示
す構成図。

【図１０】従来の共焦点走査型光学顕微鏡の光学系統を
示す構成図。

【図１１】従来の共焦点走査型光学顕微鏡の光学系統を
示す構成図。

【図１２】従来の共焦点走査型光学顕微鏡の光学系統を
示す構成図。

【符号の説明】

１…レーザ光源 ２…レーザビーム ４，７…ガルバノメータミラー ５，６…瞳伝送レンズ ８…瞳投影レンズ ９…結像レンズ １０…対物レンズ １１…試料 １２…検出光 １６…集光レンズ １７…ピンホールミラー １８…第１の検出器 １９…リレー光学系 ２０…第２の検出器 ２１…（共焦点）画像出力 ２２…画像出力 ２３…加算器 ２４…（非共焦点）画像出力 ２５…切換スイッチ ２６…モニタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 上記光源から発した光を試料上に集光する対物レンズ
   と、 上記光源と上記対物レンズの間に配置され、上記対物レ
   ンズに入る光の入射角度を変化させることにより試料上
   を互いに直交する方向に走査する光偏向部材と、 上記試料からの光を共焦点絞りを通過させて検出して共
   焦点画像信号を出力する第１の検出器と、 上記共焦点絞りを通過せずに反射した光を検出する第２
   の検出器と、 上記第１の検出器の出力する共焦点画像信号と上記第２
   の検出器の出力とを加算して非共焦点画像信号を出力す
   る加算器とを具備したことを特徴とする共焦点走査型光
   学顕微鏡。
2. 【請求項２】 上記共焦点絞りは、高反射部材でなるこ
   とを特徴とする請求項１記載の共焦点走査型光学顕微
   鏡。