JPH11109253A

JPH11109253A - 干渉顕微鏡

Info

Publication number: JPH11109253A
Application number: JP26863797A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Uehara; 靖弘上原
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】単純な構成により短時間で試料の微細構造を
高精度で観察可能な干渉顕微鏡を提供する。【解決手段】可干渉性光源１と、コリメート光学系２
と、光束分割手段３と、参照ミラー８と、両テレセント
リックな結像光学系６と、観察面１０と、撮像素子１１
とを備えている。光束分割手段３は、結像光学系６と試
料７の像を観察する観察面１０との間に配置されてい
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、光の干渉を利用し
て試料の微細構造を観察する干渉顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、試料表面の微細構造を光学的に観
察する手段として、光の干渉を利用した干渉計や干渉顕
微鏡があった。図３は従来周知のマイケルソン型干渉計
の基本構成を示しているが、光源３１から発した光はレ
ンズ３２により平行光にされ、ハーフミラー３３により
試料３４へ向う光路と、参照ミラー３５へ向う光路とに
分割され、そして試料３４で反射された光と参照ミラー
で反射された光は夫々ハーフミラー３３で合致され、観
察面３６上で干渉縞を観察するようになっている。

【０００３】このマイケルソン型干渉計を顕微鏡に適用
したものとして、マイケルソン型干渉対物レンズを用い
た顕微鏡とリニーク型の干渉顕微鏡が知られている。マ
イケルソン型干渉対物レンズを用いた顕微鏡は、例え
ば、実用新案登録第２５２０９５０号公報に開示されて
いるが、図４はその光学系の要部を示している。図示し
ない光源から発した光は、対物レンズ４１を介して光路
分割プリズム（光束分割手段）４２により標本（試料）
４３へ向う光路と、参照ミラー４４へ向う光路とに分割
される。標本４３上で反射された光と参照ミラー４４で
反射された光は、光路分割プリズム４２で合致され、干
渉縞が観察されるようになっている。

【０００４】リニーク型の干渉顕微鏡は、例えば実開平
５−４３００６号公報にその改良例が開示されており、
図５はその概略構成を示している。光源５１から発した
光は、照明装置５２を介してビームスプリッタ（光束分
割手段）５３へ入射し、ここで被測定物（試料）５４へ
向う光路と、反射平面（参照ミラー）５５へ向う光路と
に分割される。照明装置５２からの光束の夫々の集光点
に、第１の対物レンズ５６と第２の対物レンズ５７の後
側焦点位置が来るように、配置されている。第１の対物
レンズ５６を通過して被測定物５４上で反射された光
と、第２の対物レンズ５７を通過して反射平面５５上で
反射された光はビームスプリッタ５３で合致され、検出
器５８で干渉縞が観察されるようになっている。

【０００５】また、他の形式の干渉顕微鏡としては、半
導体レーザ共焦点干渉顕微鏡がある。半導体レーザ共焦
点干渉顕微鏡は、例えば、SPIE Vol. 2655 p86-91 に開
示されているが、図６はその光学系の原理的な構成を示
している。半導体レーザ６１から出た光束は、ビームス
プリッタ６２，シングルモードファイバー６３を通過
し、レンズ系６５を介して物体６６上に入射する。シン
グルモードファイバー６３の端面６４からの反射光が参
照光となり、物体６６からの反射光と干渉し、この干渉
光はビームスプリッタ６２により検出器６７に導かれて
観察されるようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これらの干渉顕微鏡
は、何れも光の波長という微小な量を測定の基準として
いるため、高分解能の測定が可能であるが、マイケルソ
ン型の干渉対物レンズを用いる顕微鏡は、対物レンズと
試料との間にハーフミラーを配置してマイケルソン型の
干渉計を構成するため標本と対物レンズとの間に広い空
間を必要とし、高倍，高ＮＡの対物レンズを使うことが
できない。そのため、試料の微小範囲を高精度で測定す
ることが困難であるという問題点を有する。

【０００７】リニーク型の干渉顕微鏡は、できるだけ無
収差に近く且つ等しい光学性能を有する二つの対物レン
ズを用意する必要があるが、かかる高精度の対物レンズ
を２個用意するということは、製造上非常に難しいこと
であり、而も２個の対物レンズ及びそれを支持する機構
部品を相対的に極めて高精度に配置する必要があるとい
う点で問題がある。また上記二つの方式の顕微鏡におい
ては、何れも参照ミラーにより生成される参照波長は対
物レンズを通過して観察面へ到達するので、参照波面は
対物レンズの収差の影響を受けてしまうという問題点も
ある。

【０００８】半導体レーザ共焦点干渉顕微鏡は、検出器
と参照波面を発生させるファイバー端面との間にレンズ
系が存在しないため、参照波面の劣化を最小限に抑える
ことが出来るという利点はあるが、試料面が点状に照明
されるため、試料の一定範囲を測定するには試料或いは
ファイバーを走査する機構が必要になり、装置が複雑に
なると共に測定に時間が掛かるという問題点がある。

【０００９】本発明は、従来の技術の有するこのような
問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、単純な構成により短時間で試料の微細構造を高
精度で観察可能な干渉顕微鏡を提供しようとするもので
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による干渉顕微鏡は、可干渉性光源と、該可
干渉性光源からの光束を略平行な光束に成形するコリメ
ート光学系と、光束分割手段と、参照ミラーと、結像光
学系とを有し、前記光束分割手段が、前記コリメート光
学系により成形された略平行な光束を、前記参照ミラー
へ向う第１の光束と、前記結像光学系を経て試料へ向う
第２の光束とに分割し、前記参照ミラーからの反射光と
前記試料からの反射光が前記光束分割手段により合致さ
れて観察面へ導かれるようにされた干渉顕微鏡におい
て、前記結像光学系は両テレセントリックな光学系であ
り、前記光束分割手段は前記結像光学系と観察面との間
に配置されていることを特徴とする。

【００１１】これにより、参照ミラーへ到達する第１の
光束中にレンズなどを配置しなくても、試料と参照ミラ
ーの両方が略平行な光束で照明され、干渉測定の基準と
なる第１の光束はレンズなどの収差により波面が劣化す
ることなく観察面に到達するので、高精度に干渉測定を
行うことができる。また、試料の一定範囲が略平行な光
束で照明されるため、試料の走査機構は不要であり、試
料表面の面情報を短時間で測定することができる。

【００１２】本発明によれば、干渉顕微鏡は、観察面を
拡大投影するレンズ系を有している。これにより、二つ
の光束に分割された後の光路長の増加を抑えながら試料
を高倍率で拡大することが可能になる。一般に、光束を
二つに分割する方式の干渉測定では、光束が二つに分割
される前或いは分割された光束が再び合致された後で
は、光路が長くなって振動などの影響を受け易くなって
も、二つの光束が同一光路を通るため測定結果に与える
影響は小さいが、光束が二つに分割された状態で振動が
加わると、これが測定結果に与える影響は大きいため、
分割された後の光路長は出来るだけ短いことが望まし
い。ところで、両テレセントリックな結像光学系のみで
試料を拡大するには結像レンズの焦点距離を長くする必
要があるが、これは光束分割手段で二つに分割された片
方の光路を長くすることを意味する。これは上で述べた
ように干渉計として望ましい構成ではない。

【００１３】また、本発明によれば、干渉顕微鏡は、観
察面を撮像する撮像手段と、前記第１と第２の光束の光
路長差を変化させる位相シフト手段と、該位相シフト手
段により前記第１と第２の光束の光路長差を変えた複数
の状態での前記撮像手段からの画像データを記憶し処理
する画像データ解析手段とを有することを特徴とする。
これにより、位相シフト測定を行うことが可能になり、
測定で得られた干渉縞から試料形状を高精度で数値化す
ることが可能になる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図示した実施例に基づき本
発明実施の形態を説明する。実施例１図１は、本実施例の基本構成を示す図である。図中、１
はＨｅ−Ｎｅレーザなどの可干渉性光源、２は可干渉性
光源１からの照明光束を略平行な光束に成形するコリメ
ート光学系、３は照明光束の進行方向に配置された光束
分割手段であり、例えばハーフミラーを用いることがで
き、入射した照明光束を干渉測定において参照光となる
第１の光束と、試料光となる第２の光束とに分割する。
第１の光束の進行方向上には参照ミラー８を光軸に対し
て垂直に配置している。他方、第２の光束上に結像レン
ズ４と対物レンズ５とからなる両テレセントリックな結
像光学系６、試料７を配置している。この両テレセント
リックな結像光学系６は、結像レンズ４と対物レンズ５
を、結像レンズ４の前側焦点位置と対物レンズ５の後側
焦点位置が一致するように配置している。そして、観察
面１０は両テレセントリックな結像光学系６による試料
７の結像位置であり、そこに撮像素子１１を配置してい
る。

【００１５】本実施例は上記のように構成されているか
ら、可干渉性光源１から出た光は、コリメート光学系２
により略平行な光束に成形されて、ハーフミラー３に入
射し、ハーフミラー３を透過する第１の光束と、反射さ
れる第２の光束とに分割される。ハーフミラー３を透過
した第１の光束は参照ミラー８に入射する。参照ミラー
８で反射された光束はもとの光路をたどり再びハーフミ
ラー３へ入射する。ハーフミラー３で反射された第２の
光束は、両テレセントリックな結像光学系６へ入射し、
略平行な光束として射出し試料７に入射する。試料７で
反射或いは回折された光は、再び両テレセントリックな
結像光学系６を通り、ハーフミラー３へ入射する。この
とき、光軸上の１点を例に取り図中に点線で示すよう
に、試料７からの光は、対物レンズ５を介して結像レン
ズ４に入射し、観察面１０上で結像する。参照ミラー８
で反射された光束と試料７で反射された光束は、再びハ
ーフミラー３で合致されて干渉を起こす。その干渉縞を
撮像素子１１により検出する。

【００１６】本実施例によれば、試料７の表面と観察面
１０とが共役な位置に配置されているため、試料７の微
細構造を反映した位相情報が観察面１０で観察できる。
それに加え、参照波面である第１の光束はレンズなどの
収差により波面が劣化しないため、正確な測定が可能で
ある。また両テレセントリックな結像光学系６により試
料７の一定範囲が平行な光束で照明されるため、試料の
走査機構は不要であり、試料表面の面情報を短時間で測
定することができる。

【００１７】実施例２図２は、本実施例の基本構成を示す図である。図中、図
１に示したのと同一又は対応する部材には同一符号が付
されており、これらの部材の説明は省略する。１２は無
限遠補正の対物レンズであり、試料７は該対物レンズ１
２の前側焦点位置に配置する。参照ミラー８の裏側に
は、参照ミラー８を光軸方向に微小量変位させるための
ピエゾ素子９を配置している。１４はレンズとランプか
らなる白色光源部であり、結像レンズ４と対物レンズ１
２の間の第２の光束の光軸と白色照明光の光軸の交点
に、ハーフミラー１３を配置する。１５は肉眼観察系で
あり、ハーフミラー３と結像レンズ４との間に配置され
る。１６は拡大レンズ系であり、試料面の１次結像位置
１０′の像を拡大して第２の観察面１７に結像する。観
察面１７には撮像素子１１を配置する。

【００１８】本実施例は上記のように構成されているか
ら、白色光源１４から射出した白色照明光は、ハーフミ
ラー１３により第２の光束の途中に導入され、対物レン
ズ１２を介して試料７を照明する。試料７からの戻り光
は、対物レンズ１２，ハーフミラー１３及び結像レンズ
４を通って肉眼観察系１５に入射する。可干渉性光源１
から出た光は、コリメート光学系２により略平行な光束
に成形されて、ハーフミラー３に入射し、ハーフミラー
３を透過する第１の光束と、反射される第２の光束とに
分割される。ハーフミラー３を透過した第１の光束は参
照ミラー８に入射する。参照ミラー８で反射された光束
は、もとの光路をたどり再びハーフミラー３へ入射す
る。ハーフミラー３で反射された第２の光束は、両テレ
セントリックな結像光学系６へ入射し、略平行な光束と
して射出し、試料７に入射する。試料７で反射或いは回
折された光は、再び両テレテントリックな結像光学系６
を通り、ハーフミラー３へ入射する。参照ミラー８で反
射された光束と試料７で反射された光束は、再びハーフ
ミラー３で合致され干渉を起こす。これを拡大レンズ系
１６によりさらに拡大し、第２の観察面１７に結像し、
その像を撮像素子１１で検出する。このとき、光軸上の
１点を例に取り図中に点線で示すように、試料７からの
光は、対物レンズ１２により平行な光束になり、結像レ
ンズ４に入射して１次結像位置１０′上で結像する。そ
の後、拡大レンズ１６により観察面１７上に結像する。

【００１９】ここで、図示しないピエゾ素子駆動装置か
らの信号によりピエゾ素子９を制御することにより、参
照ミラー８を光軸方向に微小量動かして、第１の光束と
第２の光束の間の光路長差を変化させ、複数の干渉縞を
撮像素子１１により取り込んで処理することにより、位
相シフト測定を行うことができる。位相シフト測定に関
しては公知の技術であるので、ここでは説明を省略す
る。この説明で明らかなように、ピエゾ素子９は位相シ
フト手段を構成しており、撮像素子１１には画像データ
を記憶し処理する公知の画像データ解析手段（図示せ
ず）が接続されている。なお、上記のハーフミラー１３
及び肉眼観察系１５は、干渉測定時には光路から外せる
ように移動機構を設けておいても良い。

【００２０】本実施例によれば、試料７の１次結像面を
拡大投影するレンズ系１６を有するので、光束分割手段
３により光束が二つに分割された後の光路長をいたずら
に長くすることなく、試料を高倍で観察することが可能
である。これは耐振動性の向上につながる。また、試料
の構造を反映した干渉縞を位相シフト測定により正確に
数値化することができる。さらに、無限遠補正の対物レ
ンズ１２を用いたので、対物レンズと結像レンズ間にハ
ーフミラー１３を組み込んでも、二重像やフレアーの問
題が発生しない。また、肉眼観察系を組み合わせたの
で、試料の位置だしやレーザの光軸調整などが容易に行
える。

【００２１】以上の説明から明らかなように、本干渉顕
微鏡は、特許請求の範囲に記載した特徴のほかに下記の
通りの特徴も有する。 (1) 前記結像光学系は結像レンズと対物レンズとから成
り、前記結像レンズと対物レンズは、前記結像レンズの
前側焦点と前記対物レンズの後側焦点とが略一致するよ
うに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の
干渉顕微鏡。これにより通常の顕微鏡に用いられる対物
レンズと結像レンズを用い、他にレンズを用意すること
なしに両テレセントリックな結像光学系を構成すること
ができる。

【００２２】(2) 前記結像光学系による試料の結像位置
に観察面を配置したことを特徴とする請求項１に記載の
干渉顕微鏡。これにより、表面に構造物例えば凹凸が存
在して反射光だけでなしに回折光も発生するような試料
の場合でも、試料の微細な構造に関する情報を正確に測
定することができる。

【００２３】(3) 前記対物レンズが無限遠補正の対物レ
ンズであることを特徴とする上記（１）又は（２）に記
載の干渉顕微鏡。これにより、略平行な光束で照明され
て試料から発した光が対物レンズと結像レンズの間で平
行光束になるため、他の光学装置を付加する目的で対物
レンズと結像レンズの間に平板状のハーフミラーなどを
配置する場合でも、二重像が発生せず、またフィルター
などを挿入しても結像位置がずれることはない。従っ
て、他の光学装置を組み込む際に自由度が高いという利
点が生じる。

【００２４】(4) 前記可干渉性光源がレーザであること
を特徴とする請求項１又は２もしくは上記（１）乃至
（３）の何れかに記載の干渉顕微鏡。これにより、光束
の単色性が良くなり可干渉距離が延びるので、干渉計の
光学部品の配置の自由度が高くなる。

【００２５】

【発明の効果】上記のように、本発明によれば、試料の
走査機構が不要であり、参照波面がレンズ系などの収差
による劣化を受けることなく観察面に到達するので、単
純な構成により短時間で試料の微細構造を高精度で測定
することが可能な干渉顕微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る干渉顕微鏡の第１実施例の基本構
成を示す図である。

【図２】本発明に係る干渉顕微鏡の第２実施例の基本構
成を示す図である。

【図３】マイケルソン型干渉計の基本構成を示す図であ
る。

【図４】マイケルソン型干渉対物レンズを用いる顕微鏡
の基本構成を示す図である。

【図５】リニーク型干渉顕微鏡の基本構成を示す図であ
る。

【図６】半導体レーザ共焦点干渉顕微鏡の基本構成を示
す図である。

【符号の説明】

１可干渉性光源２コリメート光学系３，４２，５３光束分割手段４結像レンズ５，４１対物レンズ６両テレセントリックな結像光学系７，３４，４３試料８，３５，４４，５５参照ミラー９ピエゾ素子１０，１７，３６観察面１０′ 一次像結像位置１１撮像素子１２無限遠補正の対物レンズ１３，３３ハーフミラー１４白色光源部１５肉眼観察系１６拡大レンズ系３１，５１光源３２レンズ５２照明装置５６第１の対物レンズ５７第２の対物レンズ５８，６７検出器６１半導体レーザ６２ビームスプリッタ６３シングルモードファイバー６４端面６５レンズ系６６物体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可干渉性光源と、該可干渉性光源からの
光束を略平行な光束に成形するコリメート光学系と、光
束分割手段と、参照ミラーと、結像光学系とを有し、前
記光束分割手段が、前記コリメート光学系により成形さ
れた略平行な光束を、前記参照ミラーへ向う第１の光束
と、前記結像光学系を経て試料へ向う第２の光束とに分
割し、前記参照ミラーからの反射光と前記試料からの反
射光が前記光束分割手段により合致されて観察面へ導か
れるようにされた干渉顕微鏡において、前記結像光学系
は両テレセントリックな光学系であり、前記光束分割手
段は前記結像光学系と観察面との間に配置されているこ
とを特徴とする干渉顕微鏡。
【請求項２】観察面を拡大投影するレンズ系を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の干渉顕微鏡。
【請求項３】観察面を撮像する撮像手段と、前記第１
と第２の光束の光路長差を変化させる位相シフト手段
と、該位相シフト手段により前記第１と第２の光束の光
路長差を変えた複数の状態での前記撮像手段からの画像
データを記憶し処理する画像データ解析手段とを有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の干渉顕微鏡。