JPH1194781A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、試料表面の凝固過程のような変化
を感知することができる光学装置を提供する。 【解決手段】 試料１０に観察光を照射する照明系２１
と、凝固過程に応じて表面形状に変化が生じ、前記照明
系２１からの観察光の照射の基に前記試料１０からの光
量変化を伴う散乱光を観察する観察光学系と、この観察
光学系により観察される前記試料１０の凝固過程に応じ
た光量変化を伴う散乱光を受光し、その光量変化を感知
して前記試料の凝固過程の変化を判断可能とする光素子
７とを有するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学装置に関し、
より詳しくは、試料の溶融又は凝固プロセスでの表面等
の微細な変化を感知することができる光学装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この様な観察をするための光学装
置として、微小変位計における臨界角法を利用した光学
装置が知られている。

【０００３】このような臨界角法を用いた光学装置は、
例えば図６に示すように、赤外レーザ光を発するレーザ
ダイオード１００を備え、このレーザダイオード１００
からの赤外レーザ光を、コリメータレンズ１０２、偏光
ビームスプリッタ１０３、１／４波長板１０４、対物レ
ンズ１０５を透過させて試料１０６上に照射するように
なっている。

【０００４】そして、前記試料１０６で反射した光を、
対物レンズ１０５、１／４波長板１０４を経て偏光ビー
ムスプリッタ１０３を透過させ、さらに、偏光ビームス
プリッタ１０３の上方に配置したビームスプリッタ１０
７により光の透過及び反射を行って、ビームスプリッタ
１０７からの透過光を一方の臨界角プリズム１０８に入
射し、また、ビームスプリッタ１０７による反射光は他
方の臨界角プリズム１０９に入射するものである。

【０００５】前記臨界角プリズム１０８に入射した透過
光は、臨界角プリズム１０８において反射を繰り返した
後、フォトダイオード１１０、１１１に入射する。ま
た、臨界角プリズム１０９に入射した反射光は、臨界角
プリズム１０９において反射を繰り返した後、フォトダ
イオード１１２、１１３に入射する。

【０００６】そして、前記試料１０６の測定面が、対物
レンズ１０５の焦点位置に存在する場合、この測定面で
反射された光は、対物レンズ１０５によって平行光束と
なって、上述した光路を経て前記臨界角プリズム１０８
又は臨界角プリズム１０９に入射する。

【０００７】この場合、入射光がちょうど臨界角プリズ
ム１０８又は臨界角プリズム１０９の臨界角又はその近
傍の角度で入射するように前記臨界角プリズム１０８又
は１０９を設定しておくと、各々２個ずつのフォトダイ
オード１１０、１１１又はフォトダイオード１１２、１
１３には各々図７の（ｂ）に示した如く同一光量の光が
到達する。

【０００８】また、前記試料１０６の測定面が前記焦点
位置より対物レンズ１０５に近い位置にある場合、測定
面からの反射光は対物レンズ１０５を透過した後、発散
光となり、前記臨界角プリズム１０８又は臨界角プリズ
ム１０９に入射する。

【０００９】この場合に、光軸の両側で入射角が異なる
ため、全反射の条件を満たさない側の光は前記臨界角プ
リズム８又は臨界角プリズム９の壁面で屈折して外へ出
てしまい、かつ、全反射の条件を満たす側の光は全反射
されるので、図７の（ａ）に斜線を付して示した如く一
方のフォトダイオード１１０又は１１２には少量の光し
か到達せず、他方のフォトダイオード１１１又は１１３
には十分な光が到達する。

【００１０】また、前記試料１０６の測定面が前記焦点
位置より対物レンズ５から遠い位置にある場合は、上記
と逆になり、図７の（ｃ）に示した如く一方のフォトダ
イオード１１０又は１１２には十分な光が到達するが他
方のフォトダイオード１１１又は１１３には図７の
（ｃ）に斜線を付して示した如く少量の光しか到達しな
いことになる。

【００１１】このようにして、入射光量の差に応じた各
フォトダイオード１１０、１１１又は１１２、１１３の
出力差を読み取りつつ前記試料１０６を図６に示す矢印
方向に移動させて測定面を走査することにより、その測
定面の表面粗さや微小変位等を測定することが可能とな
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体等の
材料精製の分野では、試料の溶融から、表面凝固、内部
凝固というプロセスを辿ることが一般的であり、その過
程を観察し、試料の温度計測することが望ましい。

【００１３】しかしながら、試料（材料）のどの部分か
ら表面凝固が始まるか、また、試料が収縮凝固するかは
試料の種類、形態等により様々である。また、上述した
ような臨界角法を用いた光学装置では、最高１ｎｍ程度
の高い分解能を持たせることが可能であるものの、前記
試料１０６の表面の凹凸が２μｍ以上となるような場合
には、測定レンジからはずれてしまい観察することは不
可能となる。

【００１４】また、前記光学装置の場合、試料１０６の
測定面の一定の範囲を観察するためには、この試料１０
６を駆動機構等を使用して図６に示す矢印方向に移動さ
せる走査が必要になるが、この場合の走査速度を試料１
０６の表面凝固速度に対応させることは到底無理であ
る。

【００１５】そこで、本発明は、結晶成長、材料精製過
程等における試料表面のわずかな変化を感知することが
できるとともに、試料表面の観察と温度計測を同時に実
行することもできる光学装置を提供することを目的とす
るものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
る光学装置は、状態変化を生じる試料が発する光を観察
する観察光学系と、この観察光学系により観察される前
記試料の状態変化に応じた光量変化を伴う光を受光し、
その光量変化を感知して前記試料の状態変化を判断可能
とする光量変化感知手段とを有することを特徴とする光
学装置。

【００１７】この発明によれば、観察光学系により試料
が発する光を観察し、光量変化感知手段により前記試料
からの状態変化に応じた光を受光し、受光した光の光量
変化を感知するように構成したものであるから、前記試
料が発する状態変化に応じた光の光量変化を感知するこ
とで、例えば試料の表面凝固や内部凝固等の凝固過程の
変化等のような観察像を得にくい現象をも判断すること
が可能となる。

【００１８】請求項２記載の発明に係る光学装置は、試
料に観察光を照射する照明系と、凝固過程に応じて表面
形状に変化が生じ、前記照明系からの観察光の照射の基
に前記試料からの光量変化を伴う散乱光を観察する観察
光学系と、この観察光学系により観察される前記試料の
凝固過程に応じた光量変化を伴う散乱光を受光し、その
光量変化を感知して前記試料の凝固過程の変化を判断可
能とする光量変化感知手段とを有することを特徴とする
ものである。

【００１９】この発明によれば、照明系により試料に観
察光を照射し、観察光学系により観察光の照射の基に試
料が発する散乱光を観察し、光量変化感知手段により前
記試料からの状態変化に応じた散乱光を受光し、受光し
た散乱光の光量変化を光量変化感知手段により感知する
ように構成したものであるから、試料が発する光を効果
的に光量変化感知手段に導いて、試料の表面凝固や内部
凝固等の凝固過程の変化等のような観察像を得にくい現
象をも的確に判断することが可能となる。

【００２０】請求項３記載の発明に係る光学装置は、試
料に観察光を照射する照明系と、凝固過程に応じて表面
形状に変化が生じ、前記照明系からの観察光の照射の基
に前記試料からの光量変化を伴う散乱光を観察する観察
光学系と、この観察光学系により観察される前記試料の
凝固過程に応じた光量変化を伴う散乱光を受光し、その
光量変化を感知して前記試料の凝固過程の変化を判断可
能とする光量変化感知手段と、前記試料の温度を検出す
る温度検出手段とを有することを特徴とするものであ
る。

【００２１】この発明によれば、請求項２記載の発明と
同様な作用を発揮するとともに、前記試料の温度を検出
する温度検出手段を設けているので、前記試料の凝固過
程の温度変化をも測定することができる。

【００２２】以下に、本発明の光学装置の構成の基本的
な概念図を図１に示す。図１に示す光学装置において、
試料１０は、ヒータ板１１上に載せられ加熱されて溶融
状態となる。溶融された試料１０から発せられた光は対
物レンズ２によって焦光され、結像レンズ３を介して撮
像素子４に入射し試料１０の画像が撮像され、この後、
画像処理が実行されて観察されることになる。

【００２３】また、対物レンズ２と結像レンズ３との間
には分岐ミラー５が配置され、試料１０からの光が分割
され、焦光レンズ６を経て光素子７に入射するようにな
っている。

【００２４】この様な本発明の構成において、溶融され
た試料１０が前記ヒータ板１１のオンからオフへの動作
又は急速冷却等により凝固される場合、その試料１０の
凝固過程の表面凝固、内部凝固に伴う試料表面の形状の
変化により、この試料１０から発せられる光の光量も変
化し、この光量の変化を前記光素子７で感知することに
より、凝固過程のプロセスを確認することが可能とな
る。

【００２５】この場合の光の光量変化の速度の分解能
は、光素子７として例えばフォトダイオードを使用した
場合、１００ｋＨｚ程度まで可能となる。このような１
００ｋＨｚ程度までの光量変化の速度の分解能を得られ
ることは、試料７の溶融凝固温度の特性曲線をプロット
するためには極めて好適なものである。

【００２６】さらに、前記対物レンズ２の焦点深度以上
に試料１０が収縮又は膨張する場合でも、表面凝固及び
内部凝固で発生する散乱光の変化を光素子７で感知する
ことにより、適切な観察像が得られなくても表面凝固及
び内部凝固の状態変化を判断することが可能となる。

【００２７】

【発明の実施の形態】 （実施の形態１）本発明の実施の形態１について、図２
を参照して説明する。本実施の形態１の光学装置は、図
２に示すように、図１に示す光学装置の構成に、さらに
落射照明用光源３１から試料１０に対して、観察用の照
明光を照射する落射照明光学系２１と、透過照明光を照
射する透過照明光学系２２とを付加するとともに、光素
子７での検出感度を向上させるために、観察光路外より
試料１０に単一波長の光（例えばレーザ光）を照射する
補助光源部２３を配置したことが特徴である。

【００２８】図２に示すように、前記落射照明光学系２
１の落射照明用光源３１より発した光は、レンズ３２を
経て前記分岐ミラー３３で９０度反射され、観察光路内
に導かれ対物レンズ２を透過して試料１０に落射照明光
として照射される。

【００２９】そして、試料１０で反射した光は再び対物
レンズ２を経て分岐ミラー３３を透過し、結像レンズ３
を経て撮像素子４に入射し撮像される。

【００３０】前記透過照明光学系２２は、ヒータ板１１
の下方向から（つまり対物レンズ２の反対側から）透過
照明用光源３４により光を発し、この光をレンズ３５、
ヒータ板１１を透過させて試料１０に照射され、試料１
０が光透過性であれば、試料１０を透過していく。

【００３１】前記試料１０を透過した光、即ち、透過照
明光は、前記落射照明光の場合と同様にして、前記観察
光路を経て撮像素子４に入射し、撮像素子４により撮像
される。このような透過照明光学系２２は、試料１０が
細胞のような透明体で透過照明光の方が有効と思われる
場合に用いて適切である。

【００３２】前記補助光源部２３は、前記観察光路の外
側の位置に配置した単一波長の光を発するレーザ光源３
６と、レンズ３７とを具備し、レーザ光源３６から発し
た光を、レンズ３７を経て試料１０に入射するようにな
っている。このとき、レンズ３７を前後（図２に示す矢
印方向）に動かすことにより、試料１０に入射する光の
光束を調整出来るように構成することもできる。

【００３３】これは試料１０に対する観察視野の大きさ
や、試料１０の大きさ等を考慮し、効果的な光素子７の
検出感度を得るためになされているものである。つま
り、試料溶融時にレーザ光源３６からの光が試料１０の
全体に照射されるようにするものである。

【００３４】このようにして、前記試料１０からの反射
光は、対物レンズ２と結像レンズ３の間の分岐ミラー５
によって９０度偏向し、レンズ６を経て光素子７に焦光
される。

【００３５】即ち、試料１０の凝固過程において、試料
１０の表面凝固又は内部凝固等による組織の乱れにより
前記レーザ光源３６からの光が散乱し、強度の反射光と
なり、光素子７に入射してこの光素子７により感知され
凝固過程の信号が得られる。尚、前記レーザ光源３６、
レンズ３７は、試料１０の自らの発光や、各照明光によ
る発光で十分な反射光が得られるような場合には、省略
したり、又は不使用としても支障は生じない。

【００３６】（実施の形態２）次、に上記実施の形態１
の光学装置を応用した実施の形態２の光学装置について
図３乃至図５を参照して説明する。実施の形態２の光学
装置は、実施の形態１の光学装置の構成に加えて、前記
試料１０の斜め上方に前記観察光路より外側に位置し、
試料１０から発する赤外線を受光し前記試料１０の凝固
過程の表面温度を検知して温度計測を行う赤外線温度セ
ンサ（例えば、光ファイバータイプ等）４０ａを配置し
たことが特徴である。尚、４０ｂは熱電対である。この
他の構成は、実施の形態１の光学装置の構成と同様であ
る。

【００３７】この実施の形態２の光学装置の制御系の概
略を図４に示す。すなわち、この光学装置は、赤外線温
度センサ４０ａにより前記試料１０の凝固過程の表面温
度を感知し、温度計測器４０にその表面温度の値を求め
て、この値を温度検出信号として制御部５０に送るよう
になっている。また、前記光素子７による検知信号（光
出力電圧）も制御部５０に送られるようになっている。

【００３８】また、前記レーザ光源３６に対しては、電
源５１から必要な電力供給が行われるようになってい
る。

【００３９】前記制御部５０は、赤外線温度センサ４０
ａからの温度検出信号、光素子７からの検知信号（光出
力電圧）をデータ処理部５２に送り、データ処理部５２
は、前記温度検出信号、検知信号の関係から図５に示す
ような両者の相関関係を求めて、例えば表示部５３の画
面に図５に示すように表示するようになっている。

【００４０】図５の上段は、横軸に時間ｔをとり、縦軸
に温度（摂氏温度）をとって温度計測器４０からの温度
検出信号に基づく温度特性Ｔを時間ｔの変化に従って表
示したものである。また、図５の下段は横軸に時間ｔを
とり、縦軸に光出力電圧をとって光素子７による光出力
電圧の電圧特性Ｖを表示したものである。

【００４１】この実施の形態２の光学装置によれば、実
施の形態１の光学装置の場合と同様な作用を発揮すると
ともに、図５に示すように、温度特性Ｔと、光出力電圧
特性Ｖとの関係から試料１０の凝固点（Ｓｏｌｉｄｉｔ
ｙｉｎｇ Ｐｏｉｎｔ）Ｐを容易に求めることができ
る。

【００４２】以上述べたように、本実施の形態２によれ
ば、各種の試料１０等における、変化の速い結晶成長、
凝固過程の状態を光素子７により感知でき、光素子の感
知信号で試料１０に対する観察や温度計測を実行するこ
とが可能となる。また、種々の試料１０の凝固過程、つ
まり収縮、膨張等により、焦点ボケ等が生じて観察が困
難になっても試料１０の凝固過程の信号を感知すること
ができる利点も有している。また、本実施例の形態では
非接触タイプの赤外線温度センサを用いたが、溶融され
た試料１０内に直接挿入して温度を計測できる熱電対セ
ンサを用いることもできる。この熱電対センサを用いて
直接試料の温度を計測することで、外気温度等の外部環
境を受けにくくなり、より正確に凝固温度を計測するこ
とができる。

【００４３】以上説明した本発明によれば、下記の構成
を付記することができる。

【００４４】（１）試料に観察光を照射する照明系と、
凝固過程に応じて表面形状に変化が生じ、前記照明系か
らの観察光の照射の基に前記試料からの光量変化を伴う
散乱光を観察する観察光学系と、この観察光学系により
観察される前記試料の凝固過程に応じた光量変化を伴う
散乱光を受光し、その光量変化を感知して前記試料の凝
固過程の変化を判断可能とする光素子とを有することを
特徴とする光学装置。この構成によれば、試料が発する
光を効果的に光素子に導いて、試料の表面凝固や内部凝
固等の凝固過程の変化等のような観察像を得にくい現象
をも的確に判断することが可能となる。

【００４５】（２）前記照明系は、前記光素子への入射
用の光として前記観察光学系の外部から試料に光を照射
するものである付記（１）記載の光学装置。この構成に
よれば前記観察光学系による観察される試料の照射野を
確保しつつ試料が発する光を効果的に光素子に導くこと
ができる。

【００４６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、試料が発
する状態変化に応じた光の光量変化を感知し、例えば試
料の表面凝固や内部凝固等の凝固過程の変化等のような
観察像を得にくい現象をも判断することが可能な光学装
置を提供することができる。

【００４７】請求項２記載の発明によれば、試料が発す
る光を効果的に光量変化感知手段に導いて、試料の表面
凝固や内部凝固等の凝固過程の変化等のような観察像を
得にくい現象をも的確に判断することが可能な光学装置
を提供することができる。

【００４８】請求項３記載の発明によれば、請求項２記
載の発明の効果に加えて、前記試料の凝固過程の温度変
化をも測定することができる光学装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学装置の構成の基本的な概念図であ
る。

【図２】本発明の実施の形態１の光学装置の光学系を示
す概略図である。

【図３】本発明の実施の形態２の光学装置の光学系を示
す概略図である。

【図４】本発明の実施の形態２の光学装置の制御系を示
すブロック図である。

【図５】本発明の実施の形態２の光学装置による試料の
凝固過程の温度特性、光出力電圧特性を示すグラフであ
る。

【図６】従来の光学装置の光学系の構成を示す概略図で
ある。

【図７】従来の光学装置における各フォトダイオードの
受光状態を示すもので、図７（ａ）は、試料の測定面が
対物レンズの焦点位置より近い場合の受光状態を、図７
（ｂ）は、試料の測定面が焦点位置にある場合の受光状
態を、図７（ｃ）は試料の測定面が対物レンズの焦点位
置より遠い場合の受光状態を各々示すものである。

【符号の説明】

２ 対物レンズ ３ 結像レンズ ４ 撮像素子 ５ 分岐ミラー ６ 焦光レンズ ７ 光素子 １０ 試料 １１ ヒータ板 ２１ 落射照明光学系 ２２ 透過照明光学系 ２３ 補助光源部 ３１ 落射照明用光源 ３２ レンズ ３３ 分岐ミラー ３４ 透過照明用光源 ３５ レンズ ３６ レーザ光源 ３７ レンズ ４０ａ 赤外線温度センサ ５０ 制御部 ５２ データ処理部 ５３ 表示部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 状態変化を生じる試料が発する光を観察
   する観察光学系と、 この観察光学系により観察される前記試料の状態変化に
   応じた光量変化を伴う光を受光し、その光量変化を感知
   して前記試料の状態変化を判断可能とする光量変化感知
   手段と、 を有することを特徴とする光学装置。
2. 【請求項２】 試料に観察光を照射する照明系と、 凝固過程に応じて表面形状に変化が生じ、前記照明系か
   らの観察光の照射の基に前記試料からの光量変化を伴う
   散乱光を観察する観察光学系と、 この観察光学系により観察される前記試料の凝固過程に
   応じた光量変化を伴う散乱光を受光し、その光量変化を
   感知して前記試料の凝固過程の変化を判断可能とする光
   量変化感知手段と、 を有することを特徴とする光学装置。
3. 【請求項３】 試料に観察光を照射する照明系と、 凝固過程に応じて表面形状に変化が生じ、前記照明系か
   らの観察光の照射の基に前記試料からの光量変化を伴う
   散乱光を観察する観察光学系と、 この観察光学系により観察される前記試料の凝固過程に
   応じた光量変化を伴う散乱光を受光し、その光量変化を
   感知して前記試料の凝固過程の変化を判断可能とする光
   量変化感知手段と、 前記試料の温度を検出する温度検出手段と、 を有することを特徴とする光学装置。