JPH1164797A - 位相差ピンホール型光学素子及びこれを用いた共焦点顕微鏡 - Google Patents
位相差ピンホール型光学素子及びこれを用いた共焦点顕微鏡Info
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- JPH1164797A JPH1164797A JP21775897A JP21775897A JPH1164797A JP H1164797 A JPH1164797 A JP H1164797A JP 21775897 A JP21775897 A JP 21775897A JP 21775897 A JP21775897 A JP 21775897A JP H1164797 A JPH1164797 A JP H1164797A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 焦点深度が深く超高解度を達成できる位相差
ピンホール型光学素子及びこれを用いた共焦点顕微鏡を
提供する。 【解決手段】 レーザービーム１２を空間フィルタ１５
を通し対物レンズ２１を通してサンプル２４に集光し、
その正反射光を空間フィルタ１５を通してそのサンプル
２４の像を検出するための共焦点顕微鏡において、空間
フィルタ１５のレーザービーム１２の光路に、レーザー
ビームの中心部と周囲部の光を通すと共に両光を１／２
λ位相差をもたせてシフトさせる空間位相フィルタ２０
を介設したものである。
ピンホール型光学素子及びこれを用いた共焦点顕微鏡を
提供する。 【解決手段】 レーザービーム１２を空間フィルタ１５
を通し対物レンズ２１を通してサンプル２４に集光し、
その正反射光を空間フィルタ１５を通してそのサンプル
２４の像を検出するための共焦点顕微鏡において、空間
フィルタ１５のレーザービーム１２の光路に、レーザー
ビームの中心部と周囲部の光を通すと共に両光を１／２
λ位相差をもたせてシフトさせる空間位相フィルタ２０
を介設したものである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、共焦点型顕微鏡の
光路中に挿入して像の高分解能を達成できる位相差ピン
ホール型光学素子及びこれを用いた共焦点顕微鏡に関す
るものである。
光路中に挿入して像の高分解能を達成できる位相差ピン
ホール型光学素子及びこれを用いた共焦点顕微鏡に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のレーザー共焦点顕微鏡（商品名；
ＳｉＳＣＡＮ）は、２次元計測イメージを生成すべく、
光源から出た光をレンズでピンホールに集光し、ピンホ
ールを通過した光を対物レンズによって物体面に集光
し、物体からの正反射光が同様の光路を通って再度同一
のピンホール（または最初のピンホールと共役な位置に
あるピンホール）を通過させることにより、焦点が合っ
ていない反射光をピンホールでカットし、正確に焦点の
合った反射光のみを通過させ、その反射光を適宜光電子
倍増管で検出してサンプルの２次元像を得るようにして
いる。
ＳｉＳＣＡＮ）は、２次元計測イメージを生成すべく、
光源から出た光をレンズでピンホールに集光し、ピンホ
ールを通過した光を対物レンズによって物体面に集光
し、物体からの正反射光が同様の光路を通って再度同一
のピンホール（または最初のピンホールと共役な位置に
あるピンホール）を通過させることにより、焦点が合っ
ていない反射光をピンホールでカットし、正確に焦点の
合った反射光のみを通過させ、その反射光を適宜光電子
倍増管で検出してサンプルの２次元像を得るようにして
いる。
【０００３】これを図３により説明する。
【０００４】レーザー発振装置１０から出射されたレー
ザービーム１２は、反射鏡１１で９０度反射され、ビー
ムスプリッタ１３で、ｓかｐの直線偏光成分にされ、空
間フィルタとしてのビームエキスパンダ１５により、先
ず凸レンズ１６で集光されてピンホール１７を通り、１
／４λ板１８を通って、コリメートレンズ１９で、ビー
ムサイズが拡径されたビーム１２ａとされ、対物レンズ
２１にて、サンプル２３に集光し、その反射光が、対物
レンズ２１、コリメートレンズ１９を通り、１／４λ板
１８を通って円偏光にされピンホール１７に戻り、そこ
で焦点の合っていない反射光はカットされ、焦点の合っ
た反射光のみ、凸レンズ１６を通り、ビームスプリッダ
１３で、ｓまたはｐの偏光成分が反射されて光電子倍増
管１４で検出される。
ザービーム１２は、反射鏡１１で９０度反射され、ビー
ムスプリッタ１３で、ｓかｐの直線偏光成分にされ、空
間フィルタとしてのビームエキスパンダ１５により、先
ず凸レンズ１６で集光されてピンホール１７を通り、１
／４λ板１８を通って、コリメートレンズ１９で、ビー
ムサイズが拡径されたビーム１２ａとされ、対物レンズ
２１にて、サンプル２３に集光し、その反射光が、対物
レンズ２１、コリメートレンズ１９を通り、１／４λ板
１８を通って円偏光にされピンホール１７に戻り、そこ
で焦点の合っていない反射光はカットされ、焦点の合っ
た反射光のみ、凸レンズ１６を通り、ビームスプリッダ
１３で、ｓまたはｐの偏光成分が反射されて光電子倍増
管１４で検出される。
【０００５】このレーザー共焦点顕微鏡では、ごく浅い
焦点深度を実現することで、超解像が実現されていた。
焦点深度を実現することで、超解像が実現されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このことは、光軸方向
に高さのあるサンプルには非常に有効であるが、例え
ば、フォトマスクのような高さのない（少ない）サンプ
ル２４に対しては、その実力を完全には発揮できない。
に高さのあるサンプルには非常に有効であるが、例え
ば、フォトマスクのような高さのない（少ない）サンプ
ル２４に対しては、その実力を完全には発揮できない。
【０００７】すなわち、レーザー共焦点顕微鏡は、焦点
深度が非常に浅い特性を利用して分解能を向上させる
が、フォトマスクのような高さのないサンプル２４にお
いては、光の回折による影響をそのままうけ、回折光が
ノイズとなり、高解像度の像が得られない問題がある。
深度が非常に浅い特性を利用して分解能を向上させる
が、フォトマスクのような高さのないサンプル２４にお
いては、光の回折による影響をそのままうけ、回折光が
ノイズとなり、高解像度の像が得られない問題がある。
【０００８】高解像度を得るには、サンプル２４の焦点
面でのスポットサイズを小さくすればよいが、共焦点顕
微鏡に用いるレーザービーム１２は、ガウス分布をもっ
ており、このレーザービーム１２ａを対物レンズ２１で
サンプル２４に正確に焦点合わせして焦点面に結像さ
せ、その正反射光を検出しようとしても、焦点面での最
小の結像スポットサイズｗ0 は、対物レンズの開口数
（ＮＡ）と波長λで決まってしまうため、回折限界以上
に結像スポットサイズを小さくすることができない。
面でのスポットサイズを小さくすればよいが、共焦点顕
微鏡に用いるレーザービーム１２は、ガウス分布をもっ
ており、このレーザービーム１２ａを対物レンズ２１で
サンプル２４に正確に焦点合わせして焦点面に結像さ
せ、その正反射光を検出しようとしても、焦点面での最
小の結像スポットサイズｗ0 は、対物レンズの開口数
（ＮＡ）と波長λで決まってしまうため、回折限界以上
に結像スポットサイズを小さくすることができない。
【０００９】従って、従来の共焦点顕微鏡のレーザービ
ームのスポットサイズは、通常の顕微鏡と同様に回折限
界にしばられ、高解像度の２次元像を得ることが困難で
ある。
ームのスポットサイズは、通常の顕微鏡と同様に回折限
界にしばられ、高解像度の２次元像を得ることが困難で
ある。
【００１０】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、焦点深度が深く超高解度を達成できる位相差ピンホ
ール型光学素子及びこれを用いた共焦点顕微鏡を提供す
ることにある。
し、焦点深度が深く超高解度を達成できる位相差ピンホ
ール型光学素子及びこれを用いた共焦点顕微鏡を提供す
ることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明は、空間フィルタの光路にレーザービ
ームの中心部と周囲部の光を通すと共に両光に１／２λ
位相差をもたせてシフトさせる空間位相フィルタを介設
した位相差ピンホール型光学素子である。
に請求項１の発明は、空間フィルタの光路にレーザービ
ームの中心部と周囲部の光を通すと共に両光に１／２λ
位相差をもたせてシフトさせる空間位相フィルタを介設
した位相差ピンホール型光学素子である。
【００１２】請求項２の発明は、レーザービームを空間
フィルタを通し対物レンズを通してサンプルに集光し、
その正反射光を空間フィルタを通してそのサンプルの像
を検出するための共焦点顕微鏡において、空間フィルタ
のレーザービームの光路に、レーザービームの中心部と
周囲部の光を通すと共に両光を１／２λ位相差をもたせ
てシフトさせる空間位相フィルタを介設した位相差ピン
ホール型共焦点顕微鏡である。
フィルタを通し対物レンズを通してサンプルに集光し、
その正反射光を空間フィルタを通してそのサンプルの像
を検出するための共焦点顕微鏡において、空間フィルタ
のレーザービームの光路に、レーザービームの中心部と
周囲部の光を通すと共に両光を１／２λ位相差をもたせ
てシフトさせる空間位相フィルタを介設した位相差ピン
ホール型共焦点顕微鏡である。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適一実施の形態
を添付図面に基づいて詳述する。
を添付図面に基づいて詳述する。
【００１４】図１において、１０はＨｅ−Ｃｄレーザ等
のレーザ発振装置、１１は、レーザ発振装置１０からの
レーザービーム１２を９０度反射させる反射鏡、１３は
ビームスプリッタ、１４は、ビームスプリッタ１３に戻
った反射光を検出する光電子増倍管（ＰＭＴ）、１５
は、空間フィルタを構成するビームエキスパンダで、主
に凸レンズ１６、１／４λ板１８、及びコリメートレン
ズ１９からなる。２１は、凹レンズ２２と凸レンズ２３
からなる対物レンズ、２４は、フォトマスクなどのサン
プルである。
のレーザ発振装置、１１は、レーザ発振装置１０からの
レーザービーム１２を９０度反射させる反射鏡、１３は
ビームスプリッタ、１４は、ビームスプリッタ１３に戻
った反射光を検出する光電子増倍管（ＰＭＴ）、１５
は、空間フィルタを構成するビームエキスパンダで、主
に凸レンズ１６、１／４λ板１８、及びコリメートレン
ズ１９からなる。２１は、凹レンズ２２と凸レンズ２３
からなる対物レンズ、２４は、フォトマスクなどのサン
プルである。
【００１５】本発明においては、このビームエキスパン
ダ１５の空間フィルタとして使用されるピンホールとし
て、空間位相フィルタ２０を用いたことにある。
ダ１５の空間フィルタとして使用されるピンホールとし
て、空間位相フィルタ２０を用いたことにある。
【００１６】この空間位相フィルタ２０は、ガラス基板
からなり、図２（ａ）に示すように、レーザービームの
中心部が通る中心ホール２５とビームの周囲部を通るリ
ング状のホール２６で形成し、そのホール２５，２６以
外はＣｒ膜２７を形成し、ビーム径の中間をリング２８
でカットし、中心ホール２５を通るレーザービーム１２
ｉと周囲部を通るレーザービーム１２ｏの波長差が１／
２λとなるよう、ガラスの厚さを変えてフェーズシフト
するよう構成し、この空間位相フィルタ２０をビームエ
キスパンダ１５の凸レンズ１６の焦点位置より凸レンズ
１６側に位置して介設したことにある。
からなり、図２（ａ）に示すように、レーザービームの
中心部が通る中心ホール２５とビームの周囲部を通るリ
ング状のホール２６で形成し、そのホール２５，２６以
外はＣｒ膜２７を形成し、ビーム径の中間をリング２８
でカットし、中心ホール２５を通るレーザービーム１２
ｉと周囲部を通るレーザービーム１２ｏの波長差が１／
２λとなるよう、ガラスの厚さを変えてフェーズシフト
するよう構成し、この空間位相フィルタ２０をビームエ
キスパンダ１５の凸レンズ１６の焦点位置より凸レンズ
１６側に位置して介設したことにある。
【００１７】レーザー発振装置１０から出射されたレー
ザービーム１２は、反射鏡１１で９０度反射され、ビー
ムスプリッタ１３で、ｓかｐの直線偏光成分にされ、ビ
ームエキスパンダ１５により、先ず凸レンズ１６で集光
されて空間位相フィルタ２０を通り、そこで中心部のホ
ール２５を通ったレーザービーム１２ｉに対して周囲部
のホール２６を通るレーザービーム１２ｏが、１／２波
長位相が遅れるようにシフトされ、それぞれ１／４λ板
１８を通って、コリメートレンズ１９で、中心部ビーム
サイズが拡径されたビームとされ、対物レンズ２１に
て、サンプル２４に集光し、その反射光が、対物レンズ
２１、コリメートレンズ１９を通り、１／４λ板１８を
通って円偏光にされ、空間位相フィルタ２０、凸レンズ
１６を通り、ビームスプリッダ１３で、ｓまたはｐの偏
光成分が反射されて光電子倍増管１４で検出される。
ザービーム１２は、反射鏡１１で９０度反射され、ビー
ムスプリッタ１３で、ｓかｐの直線偏光成分にされ、ビ
ームエキスパンダ１５により、先ず凸レンズ１６で集光
されて空間位相フィルタ２０を通り、そこで中心部のホ
ール２５を通ったレーザービーム１２ｉに対して周囲部
のホール２６を通るレーザービーム１２ｏが、１／２波
長位相が遅れるようにシフトされ、それぞれ１／４λ板
１８を通って、コリメートレンズ１９で、中心部ビーム
サイズが拡径されたビームとされ、対物レンズ２１に
て、サンプル２４に集光し、その反射光が、対物レンズ
２１、コリメートレンズ１９を通り、１／４λ板１８を
通って円偏光にされ、空間位相フィルタ２０、凸レンズ
１６を通り、ビームスプリッダ１３で、ｓまたはｐの偏
光成分が反射されて光電子倍増管１４で検出される。
【００１８】本発明においては、上述したように、空間
位相フィルタ２０を図２（ａ）に示すようにレーザービ
ームの中心部が通る中心ホール２５とビームの周囲部を
通るリング状のホール２６で形成し、ホール２５，２６
を通る両レーザービーム１２の波長差を、１／２λとな
るよう、フェーズシフトするようにしたことにある。こ
れにより、回折限界以下のビームスポットを作り出すこ
とが可能となり、結果として、焦点深度の深いスポット
で、サンプルを計測することが可能となる。
位相フィルタ２０を図２（ａ）に示すようにレーザービ
ームの中心部が通る中心ホール２５とビームの周囲部を
通るリング状のホール２６で形成し、ホール２５，２６
を通る両レーザービーム１２の波長差を、１／２λとな
るよう、フェーズシフトするようにしたことにある。こ
れにより、回折限界以下のビームスポットを作り出すこ
とが可能となり、結果として、焦点深度の深いスポット
で、サンプルを計測することが可能となる。
【００１９】以下、これを図２、図４により詳しく説明
する。
する。
【００２０】図２は、本発明の空間位相フィルタを用い
た場合を示し、図４は、アパーチャ型のピンホール１７
の場合を示す。
た場合を示し、図４は、アパーチャ型のピンホール１７
の場合を示す。
【００２１】図４（ａ）に示すピンホール１７を透過す
るレーザーの光軸に対する透過率は、図４（ｂ）に示し
たようになり、結像面の光強度分布は、図４（ｃ）に示
したように、全体に低く、また焦点ぼけを０〜１．５μ
ｍで変化させると焦点ぼけが大きくなるほど、回折光の
干渉で光強度が低くなることがわかる。
るレーザーの光軸に対する透過率は、図４（ｂ）に示し
たようになり、結像面の光強度分布は、図４（ｃ）に示
したように、全体に低く、また焦点ぼけを０〜１．５μ
ｍで変化させると焦点ぼけが大きくなるほど、回折光の
干渉で光強度が低くなることがわかる。
【００２２】これに対して、図２に示すように本発明の
空間位相フィルタを用いた場合、図２（ａ）に示す中心
ホール２５と周辺部ホール２６を透過するレーザーの光
軸に対する透過率は、図２（ｂ）に示したようになり、
結像面の光強度分布は、図３（ｃ）に示したようにな
る。
空間位相フィルタを用いた場合、図２（ａ）に示す中心
ホール２５と周辺部ホール２６を透過するレーザーの光
軸に対する透過率は、図２（ｂ）に示したようになり、
結像面の光強度分布は、図３（ｃ）に示したようにな
る。
【００２３】レーザービーム１２の光強度は、中心が高
く、中心から径方向に指数関数的に低くなるガウス分布
であり、凸レンズ１６を通って集光されるレーザービー
ムは、中心のピンホール２５を通るレーザービーム１２
ｉは、光強度の高い、結像に関わる光束となり、逆に、
リング状のホール２６を通るレーザービーム１２ｏは、
中心部のレーザービーム１２ｉの光に対して１／２λ位
相がシフトされたリング状のビームとなり、図２（ｂ）
に示すように位相のずれた透過率分布となる。
く、中心から径方向に指数関数的に低くなるガウス分布
であり、凸レンズ１６を通って集光されるレーザービー
ムは、中心のピンホール２５を通るレーザービーム１２
ｉは、光強度の高い、結像に関わる光束となり、逆に、
リング状のホール２６を通るレーザービーム１２ｏは、
中心部のレーザービーム１２ｉの光に対して１／２λ位
相がシフトされたリング状のビームとなり、図２（ｂ）
に示すように位相のずれた透過率分布となる。
【００２４】そして、これらレーザービーム１２ｉ，１
２ｏが対物レンズ２１を通してサンプル２４の焦点面に
結像する。
２ｏが対物レンズ２１を通してサンプル２４の焦点面に
結像する。
【００２５】この時、中心のレーザービーム１２ｉの像
は、広がった回折像として、周辺のリング状のレーザー
ビーム１２ｏも広がったリング状に結像し、重なり合っ
た裾野は、位相差が１／２λ波長シフトされているた
め、干渉して打ち消しあう。
は、広がった回折像として、周辺のリング状のレーザー
ビーム１２ｏも広がったリング状に結像し、重なり合っ
た裾野は、位相差が１／２λ波長シフトされているた
め、干渉して打ち消しあう。
【００２６】この結果、図２（ｃ）の光強度分布が示す
ように、焦点面上には非常に鋭く尖った中心０次光のパ
ターンが出現する。また、やや焦点が外れたところで
も、焦点ズレにより裾野の重なりが大きくなり、結果と
して、ややピーク強度が下がるもののビーム径としては
大差のない０次のピークが出現する。
ように、焦点面上には非常に鋭く尖った中心０次光のパ
ターンが出現する。また、やや焦点が外れたところで
も、焦点ズレにより裾野の重なりが大きくなり、結果と
して、ややピーク強度が下がるもののビーム径としては
大差のない０次のピークが出現する。
【００２７】また、焦点を０〜１．５μｍに変えても中
心の光強度は、落ちないため焦点深度の深いものとな
る。
心の光強度は、落ちないため焦点深度の深いものとな
る。
【００２８】この結果、空間位相フィルタを用いた共焦
点顕微鏡はその特徴である焦点方向の高い分解能を捨て
て焦点移動に余り関係しない小径スポットを手にいれる
ことにより、高さを持たない試料の形状観察、寸法計測
などに、高い安定性と、分解能と相反する特徴を有する
ことができるようになる。
点顕微鏡はその特徴である焦点方向の高い分解能を捨て
て焦点移動に余り関係しない小径スポットを手にいれる
ことにより、高さを持たない試料の形状観察、寸法計測
などに、高い安定性と、分解能と相反する特徴を有する
ことができるようになる。
【００２９】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、回折限界
より小さなスポットサイズが得られ、かつ焦点深度が深
く超高解度の２次元計測が行える。
より小さなスポットサイズが得られ、かつ焦点深度が深
く超高解度の２次元計測が行える。
【図１】本発明の一実施の形態を示す図である。
【図２】図１に用いる空間位相フィルタを説明する図で
ある。
ある。
【図３】従来の共焦点顕微鏡を示す図である。
【図４】図３に用いるピンホールを説明する図である。
【符号の説明】 １２ レーザービーム １５ 空間フィルタ（ビームエキスパンダ） ２０ 空間位相フィルタ ２１ 対物レンズ ２４ サンプル
Claims (2)
- 【請求項１】 空間フィルタの光路にレーザービームの
中心部と周囲部の光を通すと共に両光に１／２λ位相差
をもたせてシフトさせる空間位相フィルタを介設したこ
とを特徴とする位相差ピンホール型光学素子。 - 【請求項２】 レーザービームを空間フィルタを通し対
物レンズを通してサンプルに集光し、その正反射光を空
間フィルタを通してそのサンプルの像を検出するための
共焦点顕微鏡において、空間フィルタのレーザービーム
の光路に、レーザービームの中心部と周囲部の光を通す
と共に両光を１／２λ位相差をもたせてシフトさせる空
間位相フィルタを介設したことを特徴とする位相差ピン
ホール型共焦点顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21775897A JPH1164797A (ja) | 1997-08-12 | 1997-08-12 | 位相差ピンホール型光学素子及びこれを用いた共焦点顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21775897A JPH1164797A (ja) | 1997-08-12 | 1997-08-12 | 位相差ピンホール型光学素子及びこれを用いた共焦点顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1164797A true JPH1164797A (ja) | 1999-03-05 |
Family
ID=16709290
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21775897A Pending JPH1164797A (ja) | 1997-08-12 | 1997-08-12 | 位相差ピンホール型光学素子及びこれを用いた共焦点顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1164797A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007043314A1 (ja) * | 2005-10-13 | 2007-04-19 | Nikon Corporation | 顕微鏡装置 |
| JP2010192562A (ja) * | 2009-02-17 | 2010-09-02 | Nikon Corp | 面位置検出装置及び露光装置 |
-
1997
- 1997-08-12 JP JP21775897A patent/JPH1164797A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007043314A1 (ja) * | 2005-10-13 | 2007-04-19 | Nikon Corporation | 顕微鏡装置 |
| JPWO2007043314A1 (ja) * | 2005-10-13 | 2009-04-16 | 株式会社ニコン | 顕微鏡装置 |
| JP4831072B2 (ja) * | 2005-10-13 | 2011-12-07 | 株式会社ニコン | 顕微鏡装置 |
| US8081378B2 (en) | 2005-10-13 | 2011-12-20 | Nikon Corporation | Microscope |
| JP2010192562A (ja) * | 2009-02-17 | 2010-09-02 | Nikon Corp | 面位置検出装置及び露光装置 |
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