JPH11295607A - 三次元顕微鏡 - Google Patents
三次元顕微鏡Info
- Publication number
- JPH11295607A JPH11295607A JP10111098A JP10111098A JPH11295607A JP H11295607 A JPH11295607 A JP H11295607A JP 10111098 A JP10111098 A JP 10111098A JP 10111098 A JP10111098 A JP 10111098A JP H11295607 A JPH11295607 A JP H11295607A
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- Japan
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- microscope
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- interference fringes
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 安価な装置で高速にミリメートルオーダーの
範囲の立体形状について、マイクロメートルオーダーの
空間分解能で測定すること。 【解決手段】 周波数差をもつ複数の照明光の干渉によ
り、干渉縞を自動的に走査させ、干渉縞の曲がり量を視
野全域に置いて観測し、干渉縞の曲がり量から高さ方向
の位置情報をもとめてやることにより、被測定物の表面
の立体形状を測定する。
範囲の立体形状について、マイクロメートルオーダーの
空間分解能で測定すること。 【解決手段】 周波数差をもつ複数の照明光の干渉によ
り、干渉縞を自動的に走査させ、干渉縞の曲がり量を視
野全域に置いて観測し、干渉縞の曲がり量から高さ方向
の位置情報をもとめてやることにより、被測定物の表面
の立体形状を測定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロメートル
オーダーの表面の立体形状を観察する顕微鏡の分野であ
る。
オーダーの表面の立体形状を観察する顕微鏡の分野であ
る。
【０００２】
【従来の技術】顕微鏡は、微少領域の観察に広く用いら
れているが、通常の光学式顕微鏡は表面の様子を平面的
に捕らえるだけであり、表面の微細な凹凸を観察するに
は適していない。また、表面の凹凸が計測できるものに
レーザー顕微鏡があるが、レーザー顕微鏡に代表される
表面の立体形状を測定する顕微鏡は、基本的にポイント
測定となり、ミリメートルオーダーの領域の立体形状を
マイクロメートルオーダーの精度で測定するとなると莫
大な時間を必要とする。さらに、ポイント測定では、各
ポイント間の数値の整合性を確保するために、振動や温
度変化等の外乱に対して十分耐え得る装置としなければ
ならず、必然的に装置も大型化し、価格も高価なものに
なってしまう。
れているが、通常の光学式顕微鏡は表面の様子を平面的
に捕らえるだけであり、表面の微細な凹凸を観察するに
は適していない。また、表面の凹凸が計測できるものに
レーザー顕微鏡があるが、レーザー顕微鏡に代表される
表面の立体形状を測定する顕微鏡は、基本的にポイント
測定となり、ミリメートルオーダーの領域の立体形状を
マイクロメートルオーダーの精度で測定するとなると莫
大な時間を必要とする。さらに、ポイント測定では、各
ポイント間の数値の整合性を確保するために、振動や温
度変化等の外乱に対して十分耐え得る装置としなければ
ならず、必然的に装置も大型化し、価格も高価なものに
なってしまう。
【０００３】一方、発明者らは鋼材の表面形状を測定す
る方法として特開平０７─０６３５２７号公報に開示し
ている縞パターンを投影する方法を考案している。この
方法は、被測定物に投影された縞パターンの位置の変化
を被測定物の高さ方向の変化量として測定することを特
徴としている。
る方法として特開平０７─０６３５２７号公報に開示し
ている縞パターンを投影する方法を考案している。この
方法は、被測定物に投影された縞パターンの位置の変化
を被測定物の高さ方向の変化量として測定することを特
徴としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記特開平０
７─０６３５２７号公報の方法では、視野はメートルオ
ーダーのものを対象としており、単純なスケールダウン
ではミリメートルオーダーの視野の対象を測定すること
はできない。その理由は、マイクロメートルオーダーの
空間分解能で表面形状を測定するためには、縞パターン
の太さは空間分解能以下にしなければならないため、必
然的に高い開口数ＮＡのレンズが必要となる。高い開口
数ＮＡのレンズは、焦点距離が非常に短いため、焦点深
度も狭くなり、ミリメートルオーダーの視野全域で縞パ
ターンのピントを合わせることが不可能である。
７─０６３５２７号公報の方法では、視野はメートルオ
ーダーのものを対象としており、単純なスケールダウン
ではミリメートルオーダーの視野の対象を測定すること
はできない。その理由は、マイクロメートルオーダーの
空間分解能で表面形状を測定するためには、縞パターン
の太さは空間分解能以下にしなければならないため、必
然的に高い開口数ＮＡのレンズが必要となる。高い開口
数ＮＡのレンズは、焦点距離が非常に短いため、焦点深
度も狭くなり、ミリメートルオーダーの視野全域で縞パ
ターンのピントを合わせることが不可能である。
【０００５】また、上記したように、レーザー顕微鏡で
微少領域の立体形状を測定するには、測定時間がかかる
とか、非常に高価になるなどの問題があった。本発明
は、かかる従来技術の問題点を解決するためになされた
もので、装置が安価で短時間に立体形状を測定する三次
元顕微鏡を提供することを課題とする。
微少領域の立体形状を測定するには、測定時間がかかる
とか、非常に高価になるなどの問題があった。本発明
は、かかる従来技術の問題点を解決するためになされた
もので、装置が安価で短時間に立体形状を測定する三次
元顕微鏡を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、被測定対象を拡大し観察する顕微鏡に於い
て、被測定対象の照明に使用する空間的に可干渉な複数
の照明光と、前記照明光の少なくとも一つの周波数を変
化させる変調手段と、前記照明光により形成される干渉
縞を観測する撮像手段と、前記撮像手段により観測され
た干渉縞の位置を算出し高さ方向の位置情報に変換する
信号処理手段と、前記信号処理手段により求められた位
置情報を表示する表示手段を備え、周波数の異なる光の
干渉を利用して、顕微鏡視野内を移動する干渉縞を順次
撮影することで立体的な形状を測定することを特徴とす
るものである。
の本発明は、被測定対象を拡大し観察する顕微鏡に於い
て、被測定対象の照明に使用する空間的に可干渉な複数
の照明光と、前記照明光の少なくとも一つの周波数を変
化させる変調手段と、前記照明光により形成される干渉
縞を観測する撮像手段と、前記撮像手段により観測され
た干渉縞の位置を算出し高さ方向の位置情報に変換する
信号処理手段と、前記信号処理手段により求められた位
置情報を表示する表示手段を備え、周波数の異なる光の
干渉を利用して、顕微鏡視野内を移動する干渉縞を順次
撮影することで立体的な形状を測定することを特徴とす
るものである。
【０００７】次に、本発明のポイントである縞パターン
の形成方法、走査方法及び、光周波数の変調方法及び、
縞位置変化から高さ方向の位置を求める方法を説明す
る。まず縞パターンの形成方法であるが、図１に示すよ
うに二本の光１、２が交差し、それぞれの光の間に一定
の位相の関係がある場合には交差する部分に干渉縞３が
形成される。その干渉縞の間隔ｄは光の波長λと交差す
る角度θにより ｄ＝λ÷（sin θ／２） と表される。例えば、波長０．５μｍの光が９０°で交
差した場合、干渉縞の間隔は０．７μｍとなる。このよ
うに１μｍ以下の縞パターンは容易に形成できることが
わかる。
の形成方法、走査方法及び、光周波数の変調方法及び、
縞位置変化から高さ方向の位置を求める方法を説明す
る。まず縞パターンの形成方法であるが、図１に示すよ
うに二本の光１、２が交差し、それぞれの光の間に一定
の位相の関係がある場合には交差する部分に干渉縞３が
形成される。その干渉縞の間隔ｄは光の波長λと交差す
る角度θにより ｄ＝λ÷（sin θ／２） と表される。例えば、波長０．５μｍの光が９０°で交
差した場合、干渉縞の間隔は０．７μｍとなる。このよ
うに１μｍ以下の縞パターンは容易に形成できることが
わかる。
【０００８】次に縞パターンの走査方法であるが、前述
した干渉縞の形成に寄与する光の一方の周波数をｆ（た
だし、光の周波数ｆ0 ≫ｆ）だけ変調した場合、干渉縞
は移動し、干渉縞の移動速度ｖは ｖ＝ｄｆ と表される。つまり、周波数変調を行うだけで、自動的
に干渉縞は移動することを示しており、機械的な移動機
構等は一切必要としない。このとき、光の周波数を変調
させる方法は、一般的な音響光学効果や音叉などの振動
体を利用したドップラー効果によるものや、電気光学効
果や磁気光学効果を利用した屈折率の時間変化によるも
のでも構わない。
した干渉縞の形成に寄与する光の一方の周波数をｆ（た
だし、光の周波数ｆ0 ≫ｆ）だけ変調した場合、干渉縞
は移動し、干渉縞の移動速度ｖは ｖ＝ｄｆ と表される。つまり、周波数変調を行うだけで、自動的
に干渉縞は移動することを示しており、機械的な移動機
構等は一切必要としない。このとき、光の周波数を変調
させる方法は、一般的な音響光学効果や音叉などの振動
体を利用したドップラー効果によるものや、電気光学効
果や磁気光学効果を利用した屈折率の時間変化によるも
のでも構わない。
【０００９】図２は、図１に示した干渉縞３を光１、２
の交差角の中心線４に対して法線５が３０°傾いた平面
６に投影したものである。平面６上の干渉縞の間隔は、
簡単な計算から０．８μｍ（０．７μｍ／ｃｏｓ３０
°）になることがわかる。図２に示したように平面６が
１μｍ上方に移動したとき（平面６’）干渉縞３の位置
は右方向に０．６μｍ（１μｍ×ｔａｎ３０°）移動す
る。つまり、干渉縞の位置は干渉縞の写った場所の高さ
方向の位置を表しているため、本来平面に投影された場
合には直線となる干渉縞が曲がっていた場合には、投影
された物体の表面形状に凹凸があると言うことを意味し
ている。
の交差角の中心線４に対して法線５が３０°傾いた平面
６に投影したものである。平面６上の干渉縞の間隔は、
簡単な計算から０．８μｍ（０．７μｍ／ｃｏｓ３０
°）になることがわかる。図２に示したように平面６が
１μｍ上方に移動したとき（平面６’）干渉縞３の位置
は右方向に０．６μｍ（１μｍ×ｔａｎ３０°）移動す
る。つまり、干渉縞の位置は干渉縞の写った場所の高さ
方向の位置を表しているため、本来平面に投影された場
合には直線となる干渉縞が曲がっていた場合には、投影
された物体の表面形状に凹凸があると言うことを意味し
ている。
【００１０】このように、この方法では干渉縞を走査し
ながらその曲がり方を視野全域で観測してやることによ
り微少領域の立体画像を短時間に測定することができ
る。
ながらその曲がり方を視野全域で観測してやることによ
り微少領域の立体画像を短時間に測定することができ
る。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て図面に基づいて説明する。図３は、単一の光源からで
た光を二分割して、それぞれを別々の変調装置で周波数
変調した場合の実施の形態を示す構成図である。ここで
は光源に波長０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用
い、光路途中でビームスプリッターにより二分割してい
るが図３では省略し、図４に照明光が音響光学変調装置
により周波数変調されるまでの構成を示す。
て図面に基づいて説明する。図３は、単一の光源からで
た光を二分割して、それぞれを別々の変調装置で周波数
変調した場合の実施の形態を示す構成図である。ここで
は光源に波長０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用
い、光路途中でビームスプリッターにより二分割してい
るが図３では省略し、図４に照明光が音響光学変調装置
により周波数変調されるまでの構成を示す。
【００１２】図４の２０はＨｅ−Ｎｅレーザー、２１は
光を二分割するビームスプリッター、２２、２３、は周
波数変調を行う音響光学変調装置である。Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザーから出力された照明光２４は、ビームスプリッタ
ー２１により照明光１０と照明光１１に分割され、照明
光１０は音響光学変調装置２２により４０ＭＨｚの周波
数変調をされ、照明光１１は音響光学変調装置２３によ
り４０．００００１ＭＨｚの周波数変調をされている。
光を二分割するビームスプリッター、２２、２３、は周
波数変調を行う音響光学変調装置である。Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザーから出力された照明光２４は、ビームスプリッタ
ー２１により照明光１０と照明光１１に分割され、照明
光１０は音響光学変調装置２２により４０ＭＨｚの周波
数変調をされ、照明光１１は音響光学変調装置２３によ
り４０．００００１ＭＨｚの周波数変調をされている。
【００１３】次に図３を用いて本発明の三次元顕微鏡の
構成について説明する。照明光１０は図４に示したよう
に音響光学変調装置により４０ＭＨｚ、照明光１１は４
０．００００１ＭＨｚの周波数変調を受けている。照明
光１０と照明光１１は、直角に交差し、その交差角の中
心線と被測定物１２の法線が３０°傾くように被測定物
に照射している。顕微鏡１３は対物レンズ１４と接眼レ
ンズ１５により構成されており、対物レンズ１４は開口
数ＮＡが０．４で４０倍の倍率のものを用い、接眼レン
ズ１５の先には干渉縞を撮影する撮像装置１６として動
作周波数３０ＨｚのＣＣＤカメラが取り付けられてい
る。被測定物上に形成された干渉縞１７の間隔は、今回
の構成では１μｍとなり、干渉縞の走査速度は照明光１
０、１１の周波数差１０Ｈｚにより決定され、１０μｍ
／ｓｅｃとなる。３０Ｈｚの撮像装置では、０．３３μ
ｍピッチで撮影が行え、視野全体の測定に用する時間は
干渉縞が隣の干渉縞のあった場所まで移動する時間であ
るため、０．１ｓｅｃで完了する。撮像装置により撮影
された干渉縞は、信号処理装置１８に入力され、直線か
らのずれ量を求め、高さ方向の位置に変換し、表示装置
１９により形状の立体画像が表示される。
構成について説明する。照明光１０は図４に示したよう
に音響光学変調装置により４０ＭＨｚ、照明光１１は４
０．００００１ＭＨｚの周波数変調を受けている。照明
光１０と照明光１１は、直角に交差し、その交差角の中
心線と被測定物１２の法線が３０°傾くように被測定物
に照射している。顕微鏡１３は対物レンズ１４と接眼レ
ンズ１５により構成されており、対物レンズ１４は開口
数ＮＡが０．４で４０倍の倍率のものを用い、接眼レン
ズ１５の先には干渉縞を撮影する撮像装置１６として動
作周波数３０ＨｚのＣＣＤカメラが取り付けられてい
る。被測定物上に形成された干渉縞１７の間隔は、今回
の構成では１μｍとなり、干渉縞の走査速度は照明光１
０、１１の周波数差１０Ｈｚにより決定され、１０μｍ
／ｓｅｃとなる。３０Ｈｚの撮像装置では、０．３３μ
ｍピッチで撮影が行え、視野全体の測定に用する時間は
干渉縞が隣の干渉縞のあった場所まで移動する時間であ
るため、０．１ｓｅｃで完了する。撮像装置により撮影
された干渉縞は、信号処理装置１８に入力され、直線か
らのずれ量を求め、高さ方向の位置に変換し、表示装置
１９により形状の立体画像が表示される。
【００１４】このように、周波数が異なる光により形成
された干渉縞の曲がり量から高さ方向の位置をもとめて
やるようにした結果、測定視野全域をマイクロメートル
以下の空間分解能で立体形状が測定できるようになっ
た。本実施の形態では、照明光にＨｅ−Ｎｅレーザーを
用いているが、空間的に可干渉で、干渉距離が１ｃｍ程
度保てる光源であれば、どのような光源を用いてもよ
く、また、照明光の交差角や被測定面の法線との角度も
配置的に許されるならば何度でも構わず、さらに周波数
の変調も音響光学変調装置以外の電気光学変調装置や磁
気光学変調装置を用いても実施の形態に何等変更の無い
ことは明白である。
された干渉縞の曲がり量から高さ方向の位置をもとめて
やるようにした結果、測定視野全域をマイクロメートル
以下の空間分解能で立体形状が測定できるようになっ
た。本実施の形態では、照明光にＨｅ−Ｎｅレーザーを
用いているが、空間的に可干渉で、干渉距離が１ｃｍ程
度保てる光源であれば、どのような光源を用いてもよ
く、また、照明光の交差角や被測定面の法線との角度も
配置的に許されるならば何度でも構わず、さらに周波数
の変調も音響光学変調装置以外の電気光学変調装置や磁
気光学変調装置を用いても実施の形態に何等変更の無い
ことは明白である。
【００１５】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、干渉
縞が自動的に走査するので、余分な機械的駆動部分が不
要になり、装置構成が単純になる。また、ミリメートル
オーダーの範囲の立体形状をほぼリアルタイムに測定で
きるため、表面の立体形状を高速に測定できる安価な三
次元顕微鏡を提供することができる。
縞が自動的に走査するので、余分な機械的駆動部分が不
要になり、装置構成が単純になる。また、ミリメートル
オーダーの範囲の立体形状をほぼリアルタイムに測定で
きるため、表面の立体形状を高速に測定できる安価な三
次元顕微鏡を提供することができる。
【図１】二つの光が交差するときに形成される干渉縞の
出来方を示す図である。
出来方を示す図である。
【図２】平面の位置が変化したときの干渉縞の位置の変
化のおきる理由を示した図である。
化のおきる理由を示した図である。
【図３】本発明の三次元顕微鏡を説明するための図であ
る。
る。
【図４】照明光の作り方を示した図である。
１ 照明光 ２ 照明光 ３ 干渉縞 ４ 交差角の中心線 ５ 法線 ６ 平面 ６’ 平面 １０ 照明光 １１ 照明光 １２ 被測定物 １３ 顕微鏡 １４ 対物レンズ １５ 接眼レンズ １６ 撮像装置 １７ 干渉縞 １８ 信号処理装置 １９ 表示装置 ２０ Ｈｅ−Ｎｅレーザー ２１ ビームスプリッター ２２ 音響光学変調装置 ２３ 音響光学変調装置 ２４ 照明光
Claims (1)
- 【請求項１】 被測定対象を拡大し観察する顕微鏡に於
いて、被測定対象の照明に使用する空間的に可干渉な複
数の照明光と、前記照明光の少なくとも一つの周波数を
変化させる変調手段と、前記照明光により形成される干
渉縞を観測する撮像手段と、前記撮像手段により観測さ
れた干渉縞の位置を算出し高さ方向の位置情報に変換す
る信号処理手段と、前記信号処理手段により求められた
位置情報を表示する表示手段を備え、 周波数の異なる光の干渉を利用して、顕微鏡視野内を移
動する干渉縞を順次撮影することで立体的な形状を測定
することを特徴とする三次元顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10111098A JPH11295607A (ja) | 1998-04-13 | 1998-04-13 | 三次元顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10111098A JPH11295607A (ja) | 1998-04-13 | 1998-04-13 | 三次元顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11295607A true JPH11295607A (ja) | 1999-10-29 |
Family
ID=14291945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10111098A Withdrawn JPH11295607A (ja) | 1998-04-13 | 1998-04-13 | 三次元顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11295607A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012049831A1 (ja) * | 2010-10-14 | 2012-04-19 | 株式会社ニコン | 構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置、及び面形状測定装置 |
-
1998
- 1998-04-13 JP JP10111098A patent/JPH11295607A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012049831A1 (ja) * | 2010-10-14 | 2012-04-19 | 株式会社ニコン | 構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置、及び面形状測定装置 |
| US9709785B2 (en) | 2010-10-14 | 2017-07-18 | Nikon Corporation | Structured illumination apparatus, structured illumination microscopy apparatus, and profile measuring apparatus |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20050705 |